吡啶与HCl和CHCl3形成分子间红移氢键和蓝移氢键的理论研究

采用量子化学从头算的MP2方法, 分别在6-31G(d,p), 6-311+G(d,p)和AUG-cc-pVDZ基组下, 研究了复合物C5H5N…HCl(1), C5H5N…HCCl3(2)和C5H5N…HCCl3(3)的分子间氢键. 计算结果表明, 在复合物1中, HCl中Cl—H键伸长, 形成Cl—H…N红移氢键; 在复合物2中, HCCl3中C—H键伸长, 形成C—H…N 红移氢键; 在复合物3中, HCCl3中C—H键收缩, 形成C—H…π蓝移氢键. 自然键轨道(NBO)分析表明, 影响氢键红移和氢键蓝移主要有3个因素: n(Y)→σ*(X—H)超共轭作用、X—H键轨道再杂化和质子供体电子密度重排. 其中, 超共轭作用属于键伸长效应, 电子密度重排和轨道再杂化属于键收缩效应. 在复合物1和2中, 由于键伸长效应处于优势地位导致形成红移氢键; 在复合物3中, 由于键收缩效应处于优势地位导致形成蓝移氢键.     

N-H…O红移氢键和蓝移氢键的理论研究

用理论方法研究了复合物HCHO…HNO, HCOOH…HNO, HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F分子间氢键. 在MP2/6-31+G(d,p), MP2/6-311++G(d,p), B3LYP/ 6-31+G(d,p)和B3LYP/6-311++G(d,p)水平上, 利用标准方法和均衡校正方法对6种复合物进行了几何优化和振动频率计算. 计算结果表明: 在复合物HCHO…HNO和HCOOH…HNO中, HNO中N—H键强烈收缩, 存在显著的N—H…O蓝移氢键. 在复合物HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F中, NH3和NH₂F中N—H键伸长, 存在N—H…O红移氢键. 利用自然键轨道(NBO)分析表明, 电子供体轨道和电子受体轨道之间相互作用的稳定化能、电子密度重排、轨道再杂化和结构重组是决定氢键红移和蓝移的主要因素. 其中, 轨道间稳定化能属于键伸长效应, 电子密度重排、轨道再杂化和结构重组属于键收缩效应. 在复合物HCHO…HNO和HCOOH…HNO中, 由于键收缩效应处于优势地位导致N—H…O蓝移氢键存在. 在复合物HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F中, 键伸长效应居于主导地位,N—H…O红移氢键出现.     

环硼氮烷与HCl,CHCl_3构成的分子间氢键的理论研究

用MP2方法和B3LYP方法,在6-31G(d,p)基组下对复合物环硼氮烷-HCl体系和环硼氮烷-CHCl3体系进行优化,研究了其分子间氢键的本质.计算结果表明,氯仿与环硼氮烷分子之间的相互作用使C-H键长缩短,振动频率增大(蓝移),而HCl与环硼氮烷分子之间的相互作用使H-Cl键长增长,振动频率减小(红移).自然键轨道(NBO)分析表明,影响氢键红移和蓝移主要有3个因素:n(Y)→σ*(X-H)超共轭作用、X-H键轨道再杂化和质子供体电子密度重排.其中,超共轭作用属于键伸长效应,电子密度重排和轨道再杂化属于键收缩效应.环硼氮烷-HCl体系的构型1和2伸长效应处于优势地位导致形成红移氢键;环硼氮烷-CHCl3体系中,由于键收缩效应处于优势地位导致形成蓝移氢键.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

6-烷基鸟嘌呤与DNA碱基间氢键作用的理论研究

用密度泛函B3LYP方法在6-311＋G**基组水平上对鸟嘌呤及顺(cis-)、反式(anti-)-6-烷基鸟嘌呤(O⁶-AlkylG)与DNA碱基(胸腺嘧啶T、胞嘧啶C、腺嘌呤A、鸟嘌呤G)的氢键二聚体结构进行了优化. 在MP2/cc-pVXZ(X＝D,T)// B3LYP/6-311＋G**水平上, 采用完全基组外推方法校正了氢键二聚体的相互作用能, 并用完全均衡校正法(CP)校正了基组重叠误差(BSSE). 在B3LYP/6-311＋G**水平上计算了各氢键碱基对的全电子波函数, 并用分子中的原子理论(AIM)分析了碱基间的弱相互作用. 计算结果显示, 鸟嘌呤6-O烷基化改变了碱基间的氢键作用模式, 使碱基对发生了明显的螺旋桨式扭转和不同程度的位移, 碱基间的电子密度分布和氢键作用能明显减小. O⁶-AlkylG对DNA碱基间的氢键作用是去稳定化的, 去稳定化影响的顺序为GC＞GG＞GA≈GT. 计算结果与文献给出的实验结论基本一致.     

O6-鸟嘌呤和O4-胸腺嘧啶甲基化与DNA碱基异常氢键作用的理论研究

用密度泛函B3LYP方法在6-311＋G**基组水平上对顺(cis-)、反式(anti-)O⁶-甲基鸟嘌呤(O⁶-MeG)和O⁴-甲基胸腺嘧啶(O⁴-MeT)与DNA碱基(腺嘌呤A、鸟嘌呤G)的非Watson-Crick氢键二聚体进行了优化. 在MP2/cc-pVXZ (X＝D,T)//B3LYP/6-311＋G**水平上, 采用完全基组外推方法校正了氢键二聚体的相互作用能, 并用完全均衡校正法(CP)校正了基组重叠误差(BSSE). 此外, 在B3LYP/6-311＋G**水平上计算了各氢键碱基对的全电子波函数, 并用分子中的原子理论(AIM)和电子密度拓扑方法分析了碱基间的弱相互作用. 计算结果显示, 甲基化使碱基对间的氢键作用模式发生了明显的扭转和不同程度的位移, 碱基间的电子密度分布和氢键作用能明显减小, 甲基化对O⁶-MeG和O⁴-MeT与DNA碱基间的氢键作用是去稳定化的, 这种影响主要来自于大体积的甲基的空间效应和给电子效应, 且对顺式的影响明显大于反式. 计算结果与文献给出的实验结论基本一致.     

CH3SH和CH3SLi分子间的锂键和氢键共存型相互作用

在CH₃SLi＋CH₃SH势能面上求得锂键和氢键共存型复合物的两种稳定构型. 频率分析表明, 与单体相比复合物中S(5)—Li(6)键伸缩振动频率发生红移, 而C(8)—H(10)键伸缩振动频率发生蓝移. 经B3LYP/6-311＋＋G**, MP2/6-311＋＋G**及MP2/AUG-CC-PVDZ水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的复合物?中相互作用能分别为－58.99, －57.87和－62.89 kJ•mol^－1. 采用自然键轨道(NBO)理论, 分析了复合物中单体轨道间的电荷转移, 电子密度重排及其与相关键键长变化的本质等. 采用分子中的原子(AIM)理论分析了复合物中氢键和锂键的电子密度拓扑性质．在极化连续模型(PCM)下, 考察了溶剂化效应. 结果表明, 所考察的水、二甲亚砜、乙醇和乙醚等四种溶剂均使单体间的相互作用能增大, 且溶剂对复合物中的锂键结构及其振动频率具有显著的影响, 而对复合物中的氢键的振动频率影响不大.     

吡咯与HX(X=F,Cl,Br)分子间多种氢键的电子密度拓扑研究

采用密度泛函B3LYP/6-311＋＋G(d,p)方法, 对吡咯与HX (X＝F, Cl, Br)形成的经典氢键和π型氢键, 从其几何参数、电子密度的拓扑性质和电子积分等方面进行了研究. 在对π型氢键的讨论中我们将π电子与σ电子分离, 得到了π型氢键体系的π电子的密度等值线和拉普拉斯量等值线图以及各原子的π电子积分, 形象地说明了π型氢键的作用本质.     

CH_3SH和CH_3SLi分子间的锂键和氢键共存型相互作用

在CH3SLi+CH3SH势能面上求得锂键和氢键共存型复合物的两种稳定构型.频率分析表明,与单体相比复合物中S(5)—Li(6)键伸缩振动频率发生红移,而C(8)—H(10)键伸缩振动频率发生蓝移.经B3LYP/6-311++G**,MP2/6-311++G**及MP2/AUG-CC-PVDZ水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的复合物Ⅰ中相互作用能分别为-58.99,-57.87和-62.89kJ·mol-1.采用自然键轨道(NBO)理论,分析了复合物中单体轨道间的电荷转移,电子密度重排及其与相关键键长变化的本质等.采用分子中的原子(AIM)理论分析了复合物中氢键和锂键的电子密度拓扑性质.在极化连续模型(PCM)下,考察了溶剂化效应.结果表明,所考察的水、二甲亚砜、乙醇和乙醚等四种溶剂均使单体间的相互作用能增大,且溶剂对复合物中的锂键结构及其振动频率具有显著的影响,而对复合物中的氢键的振动频率影响不大.     

Theoretical study of the N-H…O red-shifted and blue-shifted hydrogen bonds

Theoretical calculations are performed to study the nature of the hydrogen bonds in complexes HCHO…HNO, HCOOH…HNO, HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F. The geometric structures and vibrational frequencies of these six complexes at the MP2/6-31+G(d,p), MP2/6-311++G(d,p), B3LYP/6-31+G(d,p) and B3LYP/6-311++G(d,p) levels are calculated by standard and counterpoise-corrected methods, respectively. The results indicate that in complexes HCHO…HNO and HCOOH…HNO the N-H bond is strongly contracted and N-H…O blue-shifted hydrogen bonds are observed. While in complexes HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F, the N-H bond is elongated and N-H…O red-shifted hydrogen bonds are found. From the natural bond orbital analysis it can be seen that the X-H bond length in the X-H…Y hydrogen bond is controlled by a balance of four main factors in the opposite directions: hyperconjugation, electron density redistribution, rehybridization and structural reorganization. Among them hyperconjugation has the effect of elongating the X-H bond, and the other three factors belong to the bond shortening effects. In complexes HCHO…HNO and HCOOH…HNO, the shortening effects dominate which lead to the blue shift of the N-H stretching frequencies. In complexes HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F where elongating effects are dominant, the N-H…O hydrogen bonds are red-shifted.     

Blue‐shifted and red‐shifted hydrogen bonds: Theoretical study of the CH3CHO· · ·HNO complexes

The blue‐shifted and red‐shifted H‐bonds have been studied in complexes CH₃CHO…HNO. At the MP2/6‐31G(d), MP2/6‐31+G(d,p) MP2/6‐311++G(d,p), B3LYP/6‐31G(d), B3LYP/6‐31+G(d,p) and B3LYP/6‐311++G(d,p) levels, the geometric structures and vibrational frequencies of complexes CH₃CHO…HNO are calculated by both standard and CP‐corrected methods, respectively. Complex A exhibits simultaneously red‐shifted C? H…O and blue‐shifted N? H…O H‐bonds. Complex B possesses simultaneously two blue‐shifted H‐bonds: C? H…O and N? H…O. From NBO analysis, it becomes evident that the red‐shifted C? H…O H‐bond can be explained on the basis of the two opposite effects: hyperconjugation and rehybridization. The blue‐shifted C? H…O H‐bond is a result of conjunct C? H bond strengthening effects of the hyperconjugation and the rehybridization due to existence of the significant electron density redistribution effect. For the blue‐shifted N? H…O H‐bonds, the hyperconjugation is inhibited due to existence of the electron density redistribution effect. The large blue shift of the N? H stretching frequency is observed because the rehybridization dominates the hyperconjugation. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2006     

复合物HNO···H2O2内N-H···O蓝移氢键的理论研究

A theoretical study on the blue-shifted H-bond N-H…O and red-shifted H-bond O-H…O in the complexHNO…H_2O_2 was conducted by employment of both standard and counterpoise-corrected methods to calculate thegeometric structures and vibrational frequencies at the MP2/6-31G(d),MP2/6-31 G(d,p),MP2/6-311 q G(d,p),B3LYP/6-31G(d),B3LYP/6-31 G(d,p) and B3LYP/6-311 G(d,p) levels.In the H-bond N-H…O,the calcu-lated blue shift of N-H stretching frequency is in the vicinity of 120 cm~(-1) and this is indeed the largest theoreticalestimate of a blue shift in the X-H…Y H-bond ever reported in the literature.From the natural bond orbital analy-sis,the red-shifted H-bond O-H…O can be explained on the basis of the dominant role of the hyperconjugation.For the blue-shifted H-bond N-H…O,the hyperconjugation was inhibited due to the existence of significant elec-tron density redistribution effect,and the large blue shift of the N-H stretching frequency was prominently due tothe rehybridization of sp~n N-H hybrid orbital.     

Theoretical study of the N-H…O red-shifted and blue-shifted hydrogen bonds

Theoretical calculations are performed to study the nature of the hydrogen bonds in complexes HCHO…HNO, HCOOH…HNO, HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F. The geometric structures and vibrational frequencies of these six complexes at the MP2/6-31 G(d,p), MP2/6-311 G(d,p), B3LYP/6-31 G(d,p) and B3LYP/6-311 G(d,p) levels are calculated by standard and counterpoise-corrected methods, respectively. The results indicate that in complexes HCHO…HNO and HCOOH…HNO the N-H bond is strongly contracted and N-H…O blue-shifted hydrogen bonds are observed. While in complexes HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F, the N-H bond is elongated and N-H…O red-shifted hydrogen bonds are found. From the natural bond orbital analysis it can be seen that the X-H bond length in the X-H…Y hydrogen bond is controlled by a balance of four main factors in the opposite directions hyperconjugation, electron density redistribution, rehybridization and structural reorganization. Among them hyperconjugation has the effect of elongating the X-H bond, and the other three factors belong to the bond shortening effects. In complexes HCHO…HNO and HCOOH…HNO, the shortening effects dominate which lead to the blue shift of the N-H stretching frequencies. In complexes HCHO…NH3, HCOOH…NH3, HCHO…NH2F and HCOOH…NH2F where elongating effects are dominant, the N-H…O hydrogen bonds are red-shifted.     

C6H5—H…X分子间氢键的理论计算

利用密度泛函理论B3LYP方法, 在6-311+G(3df,2p)水平上对C6H5—H…X型分子间氢键进行了几何构型优化、氢键相互作用能、电子密度分布等计算. 其中C6H6为质子供体, HCOH、H2O、NH3、CH2NH和HCN为质子受体. 从电荷布居分析、自然键轨道等角度详细地讨论了C6H5—H…X 体系中, 共轭π键、O和N的不同键型结构对氢键形成的影响以及孤电子对与C—H 反键轨道之间的相互作用(n→σ*)等.     

甲醛与乙腈相互作用的理论研究

在HF/6-311G(d,p)、 MP2/6-311G(d,p)和B3LYP/6-311G(d,p)水平上,对H2CO和CH3CN以及设计的4种结构H2CO…CH3CN复合物等进行几何全优化和振动频率计算,排除振动频率为负值的非局域极小点结构,并对稳定的环状构型复合物结合能进行基组重叠误差校正和零点振动能校正.分子间相互作用的能量分解分析显示,静电能在H2CO...CH3CN相互作用能量中占主导地位,电荷转移能居第二位.     

N,N-二甲基乙酰胺与醇分子间相互作用的理论研究

采用密度泛函理论在B3LYP/6-311＋G*水平上对乙醇、丙醇、丁醇、戊醇与N,N-二甲基乙酰胺形成的1∶1氢键复合物进行计算研究. 结果表明: 醇与N,N-二甲基乙酰胺形成的复合物存在强的氢键, 表现为羰基氧原子的孤对电子与醇羟基反键σ轨道的相互作用. 振动分析显示, 分子间C＝O…H—O氢键的形成使C＝O和H—O伸缩振动频率明显红移. 溶剂对氢键产生较大的影响, 随着溶剂极性的增加, 复合物氢键有蓝移趋势.     

乙醇-水分子团簇C2H5OH(H2O)n (n=1-9)稳定结构的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法, 在B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对乙醇-水分子团簇(C₂H₅OH(H₂O)_n (n=1-9))的各种性质进行研究, 如: 优化的几何构型、结构参数、氢键、结合能、平均氢键强度、自然键轨道(NBO)电荷分布、团簇的生长规律等. 结果表明, 从二维(2-D)环状结构到三维(3-D)笼状结构的过渡出现在n=5的乙醇-水分子团簇中. 此外, 利用团簇结合能的二阶差分、形成能、能隙等性质, 发现在n=6时乙醇-水分子团簇的最低能量结构稳定性较好, 可能为幻数结构. 最后, 为了进一步探讨氢键本质, 将C₂H₅OH(H₂O)_n (n=2-9)最低能量结构的各种性质与纯水分子团簇(H₂O)_n (n=3-10)比较, 结果表明前者与后者中的水分子之间氢键相似.