A_aD_d型氢键流体的统计理论(V):球形微腔中的相平衡

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了球形微腔中AaDd型氢键流体的相态结构.首先,根据氢键流体在球腔中的吸附-脱附等温线以及相应的巨势等温线获得不同条件下氢键流体的相图.在此基础上,重点讨论了氢键作用、球腔尺寸以及腔壁与流体之间的相互作用等因素对氢键流体相平衡特征的影响.结果表明,流体层化转变和毛细凝聚的临界温度、临界密度和临界相区域等相态特征与这些因素密切相关.研究结果可为进一步揭示几何约束下氢键流体的相平衡及聚集态结构提供可能的理论线索.     

AaDd型氢键流体的统计理论（Ⅳ）：胶体粒子间的耗尽势

基于耗尽势的密度泛函理论研究了AaDd型氢键流体中胶体粒子间的耗尽势.针对胶体稀溶液,通过计算在不同条件下两个胶体粒子间的耗尽势和耗尽力,进一步分析了氢键流体中相关因素对二者的影响.结果表明,胶体粒子与流体分子的尺寸比率、氢键流体的体相密度、氢键键能、质子给体和受体数目以及胶体粒子与流体之间的弱相互作用等因素均可对胶体粒子间耗尽势产生显著影响.     

氢键流体中Janus粒子的过量熵

Janus粒子在结构和性质上的特殊性使其在不同溶剂中呈现出丰富的聚集态结构和相态结构,这与其在溶液中的过量熵密切相关.本文以Janus粒子与氢键流体的稀溶液体系为例,利用经典流体的密度泛函理论研究了氢键流体中Janus粒子的过量熵.首先在极稀条件下给出Janus粒子外氢键流体中的局域密度分布,由此得到Janus粒子与氢键流体的二体分布函数,进而计算了不同情况下的过量熵.在此基础上,阐明了Janus粒子与氢键流体间的相互作用、氢键流体的体相密度、氢键强度和氢键官能度等因素对过量熵的影响.本研究旨在揭示这些因素对过量熵的调控机制,在定量水平上明确Janus粒子在溶液中组装的驱动力,从而为深入研究其聚集态结构提供可借鉴的理论线索.     

用密度泛函理论研究Lennard-Jones 流体在狭缝中的相平衡

用改进的基础度量理论(modified fundamental measure theory, MFMT)和密度Taylor展开分别表达过剩自由能中的短程作用和色散作用. 流体分子与狭缝壁之间的相互作用以10-4-3势能函数表达. 由巨势最小原理确定Lennard-Jones (LJ)流体在狭缝中的密度分布和过剩吸附量, 所得结果与分子模拟数据吻合良好. 根据平衡时两相温度, 化学势及巨势相等, 计算了LJ流体在狭缝中的相平衡.     

用密度泛函理论研究Lennard-Jones 流体在狭缝中的相平衡

用改进的基础度量理论(modified fundamental measure theory, MFMT)和密度Taylor展开分别表达过剩自由能中的短程作用和色散作用. 流体分子与狭缝壁之间的相互作用以10-4-3势能函数表达. 由巨势最小原理确定Lennard-Jones (LJ)流体在狭缝中的密度分布和过剩吸附量, 所得结果与分子模拟数据吻合良好. 根据平衡时两相温度, 化学势及巨势相等, 计算了LJ流体在狭缝中的相平衡.     

4-羟甲基吡啶－水红移氢键的密度泛函理论研究

使用密度泛函理论B3LYP方法和6-311++G**基函数对4-羟甲基吡啶与水形成的1:1和1:2（摩尔比）氢键复合物进行了理论计算研究,分别得到稳定的4-羟甲基吡啶－H₂O和4-羟甲基吡啶－(H₂O)₂氢键复合物3个和8个。经基组重叠误差和零点振动能校正后,最稳定的1:1和1:2氢键复合物的相互作用能分别为-20.536和-44.246 kJ/mol。振动分析显示O-H···N(O)氢键的形成使复合物中O-H键对称伸缩振动频率红移(减小)。自然键轨道分析表明,4-羟甲基吡啶与水形成最稳定的1:1和1:2氢键复合物时,分子间电荷转移分别为0.02642 e 和0.03813 e 。含时密度泛函理论TD-B3LYP/ 6-311++G**计算显示,相对于4-羟甲基吡啶单体分子,氢键H-OH···N和H-OH···OH的形成分别使最大吸收光谱波长兰移8~16纳米和红移4~11纳米。     

球腔中氢键流体的吸附-解吸附转变:表面调控研究

集中讨论了球形微腔表面对腔中氢键流体相态结构的调控机制. 为了揭示微腔表面对腔中氢键流体相平衡的影响, 首先根据吸附-解吸附原理并利用经典流体的密度泛函理论计算了微腔中氢键流体的平衡密度分布, 进而通过吸附-解吸附等温线及巨势等温线绘制出体系的相图. 在此基础上, 重点考察了球腔尺寸、 表面作用强度和作用力程对氢键流体毛细凝聚及层化转变的影响. 结果表明, 这些因素可以有效地调控体系毛细凝聚和层化转变的临界约化温度、 临界密度和相区大小等特征, 从而阐明了表面调控的主要机制. 研究结果为设计相关吸附材料提供了理论参考.     

DFT和热力学研究氢键协同效应及对关联1H NMR的影响

用DFT方法在B3LYP／6—311 G(d,p)水平下研究了甲醇线性和环状分子簇．对于不同大小的分子簇之间定义了协同因子,计算得到的协同因子可以验证氢键的强协同效应,环状分子簇之间的协同效应远远大于线性分子簇,做为理论验证和比较,热力学模型分别采用含氢键缔合的格子流体状态方程(LFHB),以及含氢键协同效应的LFHB,关联醇一惰性体系的^1H核磁共振化学位移．考虑协同效应的关联结果优于原始的LFHB,比较量子化学计算的和热力学模型中采用的协同因子,认为甲醇和乙醇在溶液中更可能大部分以线性缔合形式存在。     

AaDd型氢键流体的统计理论(Ⅱ): 氢键网络的统计特征

基于A_aD_d型氢键体系中氢键簇合物数量分布函数的不变特征, 给出临界点后溶胶相和凝胶相的平衡自由能的解析形式. 进而利用分布函数的渐近形式研究了凝胶自由能和凝胶相中的氢键数在临界点附近的标度行为, 给出二者所满足的标度律. 进一步分析凝胶网络结构中的分子间氢键和分子内氢键的相关特征, 给出体系分子内氢键的数量与体系氢键度之间的定量关系.     

DFT和热力学研究氢键协同效应及对关联1H NMR的影响

用DFT方法在B3LYP/6-311＋＋G (d,p)水平下研究了甲醇线性和环状分子簇. 对于不同大小的分子簇之间定义了协同因子. 计算得到的协同因子可以验证氢键的强协同效应, 环状分子簇之间的协同效应远远大于线性分子簇. 做为理论验证和比较, 热力学模型分别采用含氢键缔合的格子流体状态方程(LFHB), 以及含氢键协同效应的LFHB, 关联醇-惰性体系的¹H核磁共振化学位移. 考虑协同效应的关联结果优于原始的LFHB. 比较量子化学计算的和热力学模型中采用的协同因子, 认为甲醇和乙醇在溶液中更可能大部分以线性缔合形式存在.     

AaDd型氢键流体的统计理论(Ⅰ): 几何相变

通过两种不同的统计方法研究了A_aD_d型氢键体系中的氢键对体系的一些物理化学特征的影响. 指出获得氢键簇合物数量分布函数的两种新方法, 得到该体系的平衡自由能以及氢键度与外界条件之间关系的解析表达式, 讨论了氢键的成键概率与相关热力学量的关系. 在平均场理论的框架下, 证明了非线性氢键体系中发生的溶胶-凝胶相转变是一类几何相变, 而非热力学相变. 进一步对氢键体系中此类几何相变与液-固热力学相变间的关系进行了初步探讨.     

肾上腺素与二甲亚砜氢键作用的理论研究

The hydrogen bond is one of the most important intermolecular interactions playing an important role in intermolecular recognition processes essential to most biological systems. Adrenaline is an important catecholamine neurotransmitter in the mammalian central nervous system. Dimethyl sulphoxide can carry with it drugs across membranes. The geometries of adrenaline and six stable 1 : 1 complexes formed between adrenaline and dimethyl sulphoxide were optimized by Berny method at PM3 level and thus were optimized by density functional theory（B3LYP method）at the 6-31G,6-31G*,and 6-31+G* level respectively to obtain accurate structures. Single-point energies of all optimized molecular geometries were calculated to discuss the energies and structural parameters between reactants and products. All the binding energies have been corrected by the zero point vibrational energies（ZPVE）at varied basis set levels from 6-31G to 6-31 + G*. The results indicated that stronger hydrogen-bonded complexes were formed by molecular interaction between adrenaline and dimethyl sulphoxide. The calculation results can be better used to explain some experimental phenomena.     

低阶煤中氢键作用的色散校正密度泛函理论研究

本研究以苯酚…苯酚、苯酚…苯、苯酚…二苯醚、苯酚…喹啉和苯甲酸…苯甲酸为对象，采用色散校正的密度泛函理论分别研究褐煤中自缔合OH、OH-π、OH-醚O、OH-N和COOH-COOH之间形成的氢键。此外，还研究了氢键供体中取代基(CH₃-、CH₃O-、OH-、NH₂-、COOH-和NO₂-)对氢键的影响。对上述复合物进行了几何优化，并计算了能量、Mulliken电荷分布及振动频率。从优化的结构中可以看出上述复合物之间都存在氢键，所有复合物中O-H键键长都比苯酚中自由羟基的长，这表明这些复合物之间存在相互作用。其中，羧酸…羧酸复合物中O-H键的键长最长。此外，通过Mulliken电荷分布可看出上述复合物之间存在电荷转移。基于振动频率分析，所有的O-H键伸缩振动都发生了红移，尤其是羧酸…羧酸和苯酚…喹啉复合物，这可为煤中羟基振动的红外光谱分析提供依据。根据键能不同氢键强度按以下顺序依次递减：COOH-COOH>OH-N > 自缔合OH≈OH-醚O > OH-π，这与振动频率的分析结果一致。此外，不同取代基对氢键作用的影响不同。     

AaDd型氢键流体的统计理论(Ⅲ):状态方程和涨落效应

应用统计力学原理对A_{aDd型氢键流体的状态方程进行研究, 讨论了氢键的形成对于体系体积的影响, 指出氢键数量对于状态方程的修正. 然后将整个体系分成多个子系统, 并研究了子系统内分子数密度和氢键数密度的涨落以及涨落的空间关联性. 进一步给出体系中“分子-氢键”数密度相关函数与分子数密度相关函数和氢键数密度相关函数三者之间的约束方程. 作为应用, 以 van der Waals 氢键流体为例, 讨论了氢键对此类流体状态方程的影响.}     

1,2,4-三氮杂苯-(H2O)n复合物氢键相互作用的密度泛函理论研究

用密度泛函理论方法在B3LYP/6-31++G**水平上对1,2,4-三氮杂苯-(H₂O)_n (n＝1, 2, 3)氢键复合物的基态进行了结构优化和能量计算, 结果表明复合物之间存在较强的氢键作用, 所有稳定复合物结构中形成一个N…H—O氢键并终止于弱O…H—C氢键的氢键水链的构型最稳定. 同时, 用含时密度泛函理论方法(TD-DFT)在TD-B3LYP/6-31++G**水平上计算了1,2,4-三氮杂苯单体及其氢键复合物的单重态第一¹(n, π^*)垂直激发能.     

受限于纳米狭缝中的四缔合Lennard-Lones流体的相平衡和界面张力研究

分别用改进的基础测量理论和平均球近似理论表达短程作用和长程作用对四缔合Lennard-Jones流体的过剩自由能的贡献. 在密度函泛理论的框架下, 研究了平均密度等温线, 密度分布, 未缔合分子在平衡汽相和液相中的分布, 相平衡以及平衡时的界面张力等热力学性质. 分析了缔合能量, 流体-固体作用和孔宽对受限于纳米狭缝中的四缔合Lennard-Jones流体相行为的影响.     

Yukawa流体的相平衡和界面张力研究

应用二阶微扰理论, Duh-Mier-Y-Teran状态方程和在平均球近似(mean spherical approximation, MSA)的基础上获得的直接相关函数, 建立了适用于均匀流体和非均匀流体的状态方程. 结合此状态方程, 重整化群理论(renormalization group theory, RG)和密度泛函理论(density functional theory, DFT), 分别研究了Yukawa流体的相平衡和界面张力. 结果与分子模拟数据吻合良好.     

7-羟基喹啉-(H2O)n(n=1,2)复合物氢键相互作用的密度泛函理论研究

许多生理过程都通过分子间相互作用来实现。氢键则是最基本的化学作用力之一。具有碱性和酸性双官能团的芳香族化合物能与水作用形成氢键网络,对于实现生物体系的物质转移（质子转移、离子转移）起着十分重要的作用。在非水溶剂中,通过氢键发生质子转移反应动力学实验特征也己进行了广泛的研究。本文用密度泛函B3LYP方法在6-311G^＊基组水平上对7-羟基喹啉-水复合物相互作用进行了研究,从成键特征及氢键复合物的稳定关系方面进行了理论计算。     

AB2型聚合物流体的表面结构性质

在密度泛函理论(DFT)框架下, 应用改进的基本度量理论(MFMT)表达硬球作用对自由能泛函的贡献, 根据统计力学理论结合加权密度近似(WDA)表达聚合作用对自由能泛函的贡献, 建立了描述AB2型聚合物流体的化学势, 得到了聚合物流体在硬球颗粒表面的密度分布表达式, 计算了聚合物流体在硬球颗粒表面附近的密度分布, 并探讨了体积分数、聚合程度和硬球颗粒尺度对体系密度分布的影响. 此外, 通过体系密度分布, 进一步分析了体积分数、聚合程度和硬球颗粒尺度与剩余吸附的关系.