dSH扭曲程序的建立以及在两种基组(NBO, LFMO)下对扭曲分子的能量分解

介绍了d_SH 扭曲法产生的背景, 为d_SH扭曲法研究Mills-Nixon效应提供了一个自动化程序和方法. 通过在程序中引入随机函数模拟并代替了人工调节构型参数的过程, 提高了效率并拓宽了程序的应用范围. 利用此程序算得三元苯并分子C₆B₃H₃ 和C₆O₃的一系列的扭曲结构, 并利用自然键轨道(NBO)和定域片断分子轨道(LFMO)两种基组分别进行了NBO能量分析和Morokuma SCF能量分解, 并以动态的方式分析了扭曲过程中垂直共振能及其各分量的变化趋势, 比较了不同基组和不同分析方法下的扭曲的驱动力和阻力. 由分析知, 由于NBO基组的非绝对定域性和NBO能量分析方法的一次性对角化直接导致NBO基组及其能量分析方法在d_SH扭曲能量分析中的不合理.     

环戊二烯分子内π电子的离域是失稳定的--分子内π和σ轨道分离法

为环戊二烯分子中非平面片断的片断轨道的建立提供了一个新的方法和计算程序 .分子内的Morokuma作用能的计算表明 ,“π电子的离域是失稳定的”与“离域的π体系是失稳定的”是两个完全不同的概念 .π电子离域的结构效应完全取决于 σ体系对离域的作用 .在环戊二烯分子中 ,π电子的离域和离域的π体系均是失稳定的 .在苯分子中 ,π电子的离域是失稳定的 ,它的离域π体系也是失稳定的 .但在 D6 h中 ,离域 π体系是“较小失稳定”的 .应该强调 π与 σ电子间空间作用对分子性能的重大影响 ,以改变经典有机结构理论重 π轻 σ电子效应的研究模式     

共轭效应和芳香性本质的争论和它们的历史发展

“共轭效应是稳定的”是有机化学的最最基本原理之一。但是,自30年代起,键长平均化,4N＋2芳香性理论,苯环D~6~h构架的起因,分子的构象和共轭效应的因果关系,π-电子离域的结构效应等已经受到了广泛的质疑。其中,最引人注目的是Vollhardt等合成了中心苯环具有环己三烯几何特征的亚苯类化合物,Stanger等合成了键长平均化,但长度在0.143～0.148nm的苯并类衍生物。最近(1999年),Stanger又获得了在苯环中具有单键键长的苯并类化合物。在理论计算领域,争论主要表现在计算方法上,集中在如何将作用能分解成π和σ两部分。随着论战的发展,作用能分解法在有机化学中的应用不断地发展和完善,Huckel理论在有机化学中的绝对权威也受到了挑战。为此,简要地介绍了能量分解法的发展史,对kollma法的合理性提出了质疑。此外特别介绍了我们新的能量分解法,及在共轭效应和芳香性的研究中的新观点和新的思维模式。     

π和σ体系彻底分离的高度定域的键轨道基组的建立

高度定域的、对称的、键轨道基组的建立是一个多步的计算程序：(1)以定域片断轨道[φk,φi,φj]为基,对分子作有条件的RHF运算,算得FUL和DSI°态的片断分子轨道[Φ°l',Φ°n,Φ°m]和[Φl,Φn,Φm]。在基组[φk,φi,φj]中,φi∈双占据和空σ片断分子轨道(FMOs)组,φj∈πFMO组,φk∈单占据σFMO组,它们都精确地定域在各自的片断内;(2)利用Φ°l'与Φ°l间的重叠积分值(Sl'l>0.5),可以从DSI°态中,自动地选出Ns个对称的、由单占据轨道线性组合而成的分子轨道Φ°l'=Σakl'φk(k=1,2,…,Ns),接着,用Φ°l'取代FUL态中同类的、非对称轨道组Φl=Σaklφk(k=1,2,…,Ns);(3)以上述新的轨道组[Φ°l',Φn,Φm]为基(其中,Φ°l'∈DSI°态,它们离域于整个分子;双占据及空σFMO组Φm和πFMO组Φm属于FUL态),按FUL态的条件,再次对分子作有条件的RHF运算,从中得到一组对称的、闭壳层正则FMOs,而且每一个FMO均有正确的电子占据数;(4)利用Perkin原理,将第3步所得的正则FMO组定域成一个对称的键轨道基组[Φl',Φn',Φm']。在这个基组中,π体系Φm'与σ构架Φn'是彻底分离的,而且这两个轨道组始终精确地定域在各自的片断内。     

N-苄叉基-2-氨基噻唑及其类似物的构象和分子内的扭曲驱动力

确定了N-苄叉基-2-氨基噻唑(2a)和N-对硝基苄叉基-2-氨基噻唑(2b)的晶体结构.结合已报道的N-对硝基苄叉基-2-氨基嘧啶(1a),N-对硝基苄叉基-2-氨基吡啶(1b)和N-苄叉基-3-氨基吡啶(2c)的晶体结构,利用AM1,RHF,DFT方法和6-311G,6-311G^**基组,优化每个分子的22个旋转构象(θ=0°～90°).由DFT法所得到的最优构象的扭角θ(1a,22°;1b,0°;1c,42°;2a、2b:0°)与实验值(1a,26°;1b,20°;1c,46°;2a,8.8°;2b,3.8°)最接近.尽管分子最优构象扭角的差异很大,但总电子能最稳定的构象都在θ=±42°附近.在任一分子、任何电子态中,离域的π体系总是失稳定的,全平面构象不是π体系最稳定的构象.无论是离域的还是定域的π体系,它们均倾向于扭曲的几何构象.π电子的离域是分子扭曲的驱动力之一.与经典观点相反,非键原子间的核排斥作用是分子扭曲的阻力,而不是动力.     

dSH扭曲程序的建立以及在两种基组(NBO, LFMO)下对扭曲分子的能量分解

介绍了d_SH 扭曲法产生的背景, 为d_SH扭曲法研究Mills-Nixon效应提供了一个自动化程序和方法. 通过在程序中引入随机函数模拟并代替了人工调节构型参数的过程, 提高了效率并拓宽了程序的应用范围. 利用此程序算得三元苯并分子C₆B₃H₃ 和C₆O₃的一系列的扭曲结构, 并利用自然键轨道(NBO)和定域片断分子轨道(LFMO)两种基组分别进行了NBO能量分析和Morokuma SCF能量分解, 并以动态的方式分析了扭曲过程中垂直共振能及其各分量的变化趋势, 比较了不同基组和不同分析方法下的扭曲的驱动力和阻力. 由分析知, 由于NBO基组的非绝对定域性和NBO能量分析方法的一次性对角化直接导致NBO基组及其能量分析方法在d_SH扭曲能量分析中的不合理.     

具树状支化特征的高分子构筑单元及其聚合行为

合成了两种具树状支化特征的新化合物,这些楔形分子的弧形端围有多个羟基而顶端带双键,成为可聚合单体．同时研究了这类楔形分子在自由基引发体系中的聚合行为,结果表明,这些单体与一般烯丙基类单体的聚合行为一致,楔形分子的多个羟基及其分布基本不影响烯基的聚合活性．顶端为烯丙基醚的树状单体可与丙烯腈等带吸电子基团的单体共聚,但不能进行均聚;而顶端为甲基丙烯酸酯的树状单体均聚及与丙烯腈共聚的反应都可以顺利进行．这类多羟基的楔形分子水溶性非常好,由其构筑而成的聚合物大都也是水溶性高分子     

单占据片断轨道的组合式(Kost+Perkin)定域化

为了使开壳层片断轨道具有正确的集居数,正则轨道必须定域化.但是,在确保目标轨道Φ_sdan单占据性的同时,Kost定域化也破坏了Φ_s特定的对称性.实际计算表明,Perkin定域化可以弥补Kost程序的缺陷,将单占据的Φ_s转化成高度定域的、对称的片断轨道.在片断分子中,C-H_R键长r的选择和Kost定域化的方式对Perkin定域化的成败具有重大的影响.当Gaussian基组为STO-3G3-21G和4-31G时,r应为0.1nm;但在6-31G水平下,必须r=0.09nm.     

π和σ体系彻底分离的高度定域的键轨道基组的建立

高度定域的、对称的、键轨道基组的建立是一个多步的计算程序：(1)以定域片断轨道[φk,φi,φj]为基,对分子作有条件的RHF运算,算得FUL和DSI°态的片断分子轨道[Φ°l',Φ°n,Φ°m]和[Φl,Φn,Φm]。在基组[φk,φi,φj]中,φi∈双占据和空σ片断分子轨道(FMOs)组,φj∈πFMO组,φk∈单占据σFMO组,它们都精确地定域在各自的片断内;(2)利用Φ°l'与Φ°l间的重叠积分值(Sl'l>0.5),可以从DSI°态中,自动地选出Ns个对称的、由单占据轨道线性组合而成的分子轨道Φ°l'=Σakl'φk(k=1,2,…,Ns),接着,用Φ°l'取代FUL态中同类的、非对称轨道组Φl=Σaklφk(k=1,2,…,Ns);(3)以上述新的轨道组[Φ°l',Φn,Φm]为基(其中,Φ°l'∈DSI°态,它们离域于整个分子;双占据及空σFMO组Φm和πFMO组Φm属于FUL态),按FUL态的条件,再次对分子作有条件的RHF运算,从中得到一组对称的、闭壳层正则FMOs,而且每一个FMO均有正确的电子占据数;(4)利用Perkin原理,将第3步所得的正则FMO组定域成一个对称的键轨道基组[Φl',Φn',Φm']。在这个基组中,π体系Φm'与σ构架Φn'是彻底分离的,而且这两个轨道组始终精确地定域在各自的片断内。