杂氮硼三环的量子化学方法研究

杂氮M三环类化合物(Atranes)是一类存在分子内部弱相互作用的化合物,它不仅具有特殊的笼状结构和奇特的物理化学性质,而且有很多具有特别的生物化学活性,同时近期研究发现这些化合物及其衍生物具有很多新的性质和用途[1～3].由于这类体系所含原子数多 ,从头进行计算工作量大,故此选择合适的计算方法和适当的基组以便在保证计算精度同时 ,尽量减小耗时就显得十分重要.本文分别采用不同的方法和基组对杂氮硼三环(图1)进行构型优化和单点计算,对计算结果进行分析、比较,并从中优选出计算结果与紫外光电子能谱实验吻合较好且计算量又不是很大的计算方法和基组.     

弥勒褐煤结构特征及其分子模型构建

以云南弥勒褐煤为研究对象,采用元素分析、傅里叶变换红外光谱、¹³C固体核磁共振波谱以及X射线光电子能谱等现代分析技术,获取了弥勒褐煤的结构参数信息。其中,芳香度为38.79%,芳香环取代基数量为3。芳香碳结构主要为苯和萘,脂肪碳结构以甲基、亚甲基为主;氧主要存在于醚氧、羧基和羰基中;氮主要以吡咯氮和吡啶氮的形式存在;硫主要为硫酚或硫醇。根据分析结果,构建出弥勒褐煤的分子结构模型,分子式为C₁₄₇H₁₄₈O₃₆N₂S。采用半经验法PM3基组和密度泛函理论M06-2X泛函对分子构型进行优化,优化后的模型立体构型显著,且芳香层片在空间上呈现不规则排列,各芳香环之间主要通过甲基、亚甲基、甲氧基以及脂肪环连接。模拟FT-IR光谱和模拟¹³C NMR波谱均与实验谱图吻合良好,证明了弥勒褐煤分子模型的准确性和合理性。     

Gaussview在化学教学中的一些应用

Gaussian量子化学计算程序包是美国Gaussian公司开发的一个功能强大的量子化学综合软件包。可执行各类不同精度的分子轨道计算(包括Hartree-Fock水平从头算(HF)、Post-HF从头算、密度泛函理论(DFT)以及多种半经验量子化学方法),进行分子和化学反应性质的理论预测。目前已成为国     

序言

<正>庆祝唐有祺教授九十寿辰暨执教六十年本期《物理化学学报》是庆祝中国科学院院士、北京大学化学与分子工程院教授、物理化学学报主编唐有祺教授九十寿辰暨执教六十年的特刊。特刊所收集的文章主要来自于唐有祺教     

《分子模拟》教材建设的探索与实践

教材建设是课程建设的重要一环,本文重点对山东大学分子模拟实验国家一流课程的教材建设情况进行了介绍。从历史与传承、发展与创新、总结与展望三个方面对山东大学化学学科的教材编写历史、国内外分子模拟相关教材的建设情况、《分子模拟》教材的主要内容和特色之处,以及下一步的修订计划进行了详细介绍,以期对相关教材的编写与修订提供启发与借鉴。     

碳化硼及掺硅系列的量子化学计算研究

应用离散变分Xα 量子化学分子轨道计算方法 ,根据 5类共 2 8个不同的结构模型 ,研究了碳化硼及掺硅系列组成 ,结构 ,化学键及热电性能之间的关系。不掺硅时碳化硼的典型结构是〔C -B -B(C)〕δ - 〔B1 1 C〕δ + 。C -B -B链连接B1 1 C二十面体的模型趋于更稳定地存在 ,它们的二十面体上的电荷最低 ,更有利于极化子的形成 ;符合碳含量为 13 .3 %时 ,碳化硼的电导率有极大值的实验结果。碳化硼掺硅后的典型结构是〔C -B -Si〕ε + 〔B1 1 C〕ε - 。由于掺硅后多种结构形式的形成 ,极化反应所需的能量降低 ,为极化子的跃迁提供更多的途径 ,导致电导率增大。同时 ,碳化硼掺硅后共价键减弱 ,热导率减小。因此 ,碳化硼掺硅后 ,其热电性能得到改善     

在教学过程中渗透化学思想方法——以“如何正确书写化学方程式”教学为例

以九年级化学上册“如何正确书写化学方程式”教学为例,分析了化学方程式的教学价值与学生学习的困难,阐述了基于任务和问题促进学生建构化学思想方法的整体思路,并就其中关键环节的设计进行了较为详细的说明。突出以任务和问题为驱动,实现新知识的自然增长;以化学实验和拼插分子模型活动为手段,渗透“物质变化是有条件的”、“定性与定量相结合”、“宏观与微观相结合”以及“分与合”等化学思想方法;以展示学生作品说明化学方程式书写步骤;以对物质化学性质的解释凸显化学方程式的学习价值。     

计算化学和计算材料学项目式实验设计:锂离子电池有机电解液分子动力学模拟

分子动力学模拟已在化学、材料等科研领域得到广泛应用,但在本科化学、材料学实验中鲜有涉及。为培养学生化学、材料计算设计思维,同时帮助学生充分掌握分子动力学模拟方法,基于锂离子电池有机电解液研究案例设计了一个分子动力学模拟综合实验。本实验设计包括分子和溶液结构建模、结构优化、模拟退火、热浴平衡、后处理性质计算等操作步骤,帮助学生初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,实现理论方法水平和软件操作技能的双重提升。     

Quantum Chemistry Studies on the Fe-Cu Interactions and 31p NMR in Fe（CO）3（Ph2Ppy）2（CuXn） （Xn = Cl2^2-, Cl-, Br-）

In order to study the Fe-Cu interactions and their effects on 31p NMR, the structures of mononuclear complex Fe（CO）3fPhzPpy）a 1 and binuclear complexes Fe（CO）3（PhEPpy）z（CuXn） （2： Xn = Cl2^2-, 3： Xn = Cl-, 4： Xn = Br-） are calculated by density functional theory （DFT） PBE0 method. For complexes 1, 3 and 4, the 31p NMR chemical shifts calculated by PBE0-GIAO method are in good agreement with experimental results. The 31p chemical shift is 82.10 ppm in the designed complex 2. The Fe-Cu interactions （including Fe→Cu and Fe←Cu charge transfer） mainly exhibit the indirect interactions. Moreover, the Fe-Cu（I） interactions （mostly acting as σFe-p→4Scu and aFe-C→4Scu charge transfer） in complexes 3 and 4 are stronger than Fe-Cu（Ⅱ） interactions （mostly acting as σFe-p→4Scu and σFe-p←4Sc,） in complex 2. In complex 2, the stronger Fe←Cu interac- tions, acting as σFe-p←44SCu charge transfer, increase the electron density on P nucleus, which causes the upfield 31p chemical shift compared with mononuclear complex 1. For 3 and 4, although a little deshielding for P nucleus is derived from the delocalization of σFe-p→4Scu due to the Fe→Cu interactions, the stronger σFe-c→np charge-transfer finally increases the electron density on P nucleus. As a result, an upfield 31p chemical shift is observed compared with 1. The stability follows the order of 2〉3=4, indicating that Fe（CO）3（PhzPpy）2（CuCl2） is stable and could be synthesized experimentally. The N-Cu（Ⅱ） interaction plays an important role in the stability of 2. Because the delocalization of σFe-p→4SCu and σFe-c→πc-o weakens the a bonds of Fe-C and ~r bonds of CO, it is favorable for increasing the catalytic activity of binuclear complexes. Complexes 3 and 4 are expected to show higher catalytic activity compared to 2.     

分子的酸碱性质与氢键强度之间关系的探讨*——介绍一个计算化学实验

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过利用量子化学计算,确定嘧啶碱基的酸碱性质以及它们与水分子之间的相互作用能,构建氢键复合物分子间相互作用与分子酸碱性之间的定量关系,使学生对分子的酸碱性、分子间相互作用、分子识别之间的关系有一定的直观认识。该实验有助于学生梳理课堂学到的碎片化知识,提升学生逻辑分析及创新能力。     

乙酸离子与血红蛋白相互作用的可极化力场及分子片方法研究

本文应用传统的FF03力场、基于分子片的可极化力场模型以及基于能量的分子片量子化学方法,在B3LYP／6-31G（d）计算水平下,研究了乙酸负离子（CH3COO^-）与血红蛋白α亚基在4个作用靶点位（Lys16、Lys90、Arg92和Lys127）的相互作用．可极化力场模型得到的相互作用能大小顺序为：Arg92〉Lys127〉Lys90〉Lys16．通过分析每个分项对结合能的贡献发现,长程静电作用及立体效应共同控制CH3COO^-与血红蛋白的结合．     

运用计算机理论模拟辅助化学教学研究

以取代反应动力学研究、理解防晒品功效和红外光谱与分子构型等教学方案为例,探讨了计算机模拟中不同模块在辅助化学教学方面的应用,这些模块不仅能用于解释化学教学中学生较难理解的生涩概念,而且可以给学生提供亲身实践经历,更好地帮助他们总结数据以及形成自己的结论,激发学生对化学学习的兴趣,提高教学质量。     

几种常见脂肪醇的氢键结构探究——红外光谱测定结合量化计算的实验

红外光谱法因其灵敏度高、测样快速、能获得较多的官能团信息而成为分析和表征的常用手段之一,在众多高校的仪器分析实验课程中均有开设。现有教材中的实验项目多是偏重于以红外光谱实验测试为主的化合物的定性和定量分析,鲜有涉及分子间氢键作用的红外光谱实验探究和实验与量化计算相结合的教学方式方法。鉴于此,本文在原有红外光谱实验基础上,以几种常见脂肪醇为例,分别考察了不同体积百分比(V/V%)的醇-四氯化碳溶液的红外光谱特征,结合量化计算进行氢键结构探究。改进后的实验教学,将宏观的实验现象和微观的分子结构探究相结合,使得学生对原有的吸收峰频率数值和分子间氢键微观作用有了更为清晰的认识,显著提升学生的学习兴趣,拓宽学生的视野,培养创新思维和思辨能力。     

基于量子化学计算方法的天然气水合物稳定性研究进展

天然气水合物以资源丰富、优质、洁净等特点,被视为21世纪新能源。天然气水合物稳定性的研究对天然气水合物资源勘探开发具有重要意义。本文简述了微观、介观、宏观、矿藏四个尺度天然气水合物稳定性的研究,重点从微观量子尺度介绍了量子化学计算方法对水合物晶体结构及其稳定性以及水合物宏观物理特性微观表征的计算研究。应用量子化学计算方法可以对天然气水合物的晶体结构、电子轨道分布、振动光谱、成键特性及主客体相互作用进行计算研究,其结果能够为天然气水合物在油气储运、水合物成藏、开采及其综合利用等方面的研究提供理论支持。目前,量子化学计算方法的优化与分子动力学模拟、分子力学模拟等方法的结合将有助于水合物形成和分解微观机理研究的发展,提升计算精度和扩大研究体系,为矿场尺度的天然气水合物资源开采利用提供理论支持。     

分子模拟实验课程建设的探索与实践

We put forward the idea of building a molecular simulation experiment course. After two-year teaching practice, we write the experiment textbook which not only covers the classic experimental projects, but also includes the frontier hot issues, and open exploration experiment. This article summarizes the teaching requirements, basic content, assessment methods, the initial achievements made so far and the prospects for the future.     

分子及团簇的分子动力学模拟——介绍一个计算化学实验

分子动力学方法在化学及相关学科研究中的重要地位日趋凸显,但在本科化学实验中鲜有涉及,现有计算化学实验多侧重量子化学方法对分子性质的计算。为普及分子动力学模拟这一有力工具,同时帮助学生理解分子的动态行为,本文以丙氨酸二肽模型分子为例设计了一个简单的分子动力学模拟实验。通过本实验学生能初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,同时加深对物理化学中势能面等抽象概念的理解。本实验即可作为单独设课的计算化学实验的内容,亦可在物理化学实验中作为拓展实验开设。     

分子模拟技术在高分子科学实验中的应用

分子模拟技术是一项成熟的、有潜力的计算机实验技术,计算机具备高速稳定的图形处理能力,可以将实验结果以数据和图形的形式呈现出来,数据库技术可以方便的提取和存储各种分子模型和聚合物片段,通过可视化的三维图形的让学生更容易理解高分子科学的抽象概念,分子动力学的计算方法以牛顿力学为基础,在一定力场下建立周期性边界条件模型,通过几何构型优化和动力学运算,直观地了解到高分子的近程结构和聚集态结构,计算得出普通高分子实验无法得到微观相态结构,丰富了实验内容,开拓了高分子科学实验的新领域。     

结构化学教学资源开发*——以突破分子轨道理论教学障碍点的资源为例

针对结构化学课程中制约化学核心素养发展的教学内容(尤其是重要理论的教学障碍点),利用信息技术(Multiwfn、Gaussian等量子化学程序)与课程深度融合,开发优质教学资源。以分子轨道理论教学资源开发为例,介绍了相关资源以及开发的依据和资源的教学价值。     

拔尖计划特色课分子模拟实验中的思政案例设计

为充分发挥课程育人功能,全面提升化学专业拔尖学生的家国情怀、社会责任、科学素养以及创新意识和综合能力,我们对分子模拟实验课程中的思政元素进行了广泛挖掘,本文主要对课程思政的设计理念和具体案例进行了介绍。