柱芳烃与烷烃间C―H…π和C―H…O的作用本质及协同性

以CCSD(T)/CBS方法的结合能计算结果为标准, 选择CAM-B3LYP-D3BJ/def2-SVPD密度泛函理论方法计算了甲氧基柱[5]芳烃(MeP5)与C_nH_2n+2(n=1~10, 12, 14, 16) 复合物的结合能, 结果表明, 它们之间存在强烈的相互作用, 且随着烷烃分子碳链的增长而增大; 热力学函数计算结果表明, 在298.15 K, 101325 Pa下, MeP5与C_nH_2n+2(n=3~10, 12, 14, 16)形成复合物的过程中, ΔG和ΔH均小于零, 是焓驱动的自发过程. 烷烃与MeP5之间C―H…π和C―H…O的协同作用是主客体复合物稳定化的起因, 用二代绝对局域分子轨道能量分解(ALMO-EDA)方法分析此协同作用, 发现其中静电作用和色散作用的贡献相近, 二者加和约占总吸引的94%, 极化能和电荷转移能仅占6%.     

g-CN体系的准粒子能带结构和光学特性

利用多体格林函数理论,本文研究了二维CN体系(包括triazine和tri-s-triazine)的激发态特性。通过GW方法,我们计算了准粒子的能量。考虑电子-空穴相互作用,通过求解Bethe-Salpeter方程,我们获得了激发态能量和光谱。我们发现,在这两种CN体系的价带中,σ轨道和π轨道之间的交换作用非常强烈。由于占据的σ轨道和π轨道之间的准粒子修正量非常不同,因此,为了得到准确的带隙值和光谱,我们需要对这两种轨道开展精确的GW计算。与单层的CN体系相比,双层结构中层与层之间的范德华相互作用使带隙值降低了0.6 eV,而光吸收谱红移了0.2 eV,这是由于双层结构具有更小的激子束缚能。我们计算的吸收峰的位置与实验结果符合很好。实验中的吸收峰主要是由深能级的π轨道到π^*轨道的跃迁形成的。π→π^*跃迁和σ→π^*跃迁之间的耦合能够在长波长范围产生弱的吸收尾巴,如果调整入射光的极化方向,由σ→π^*跃迁产生的高强度的吸收峰将会在更低能量处出现。     

方酸与2, 6-二苯并咪唑的超分子自组装及氢键实验与理论研究

在氘代的二甲基亚砜的溶剂中合成了方酸与2, 6-二苯并咪唑的超分子的化合物,并用X射线单晶衍射对其结构进行了表征。晶体结构分析表明:超分子是通过π-π堆积和分子之间氢键所形成的一维链状的聚合物。探讨了不同温度和不同浓度CCl₄溶剂对聚合物中氢键的影响。此外,用密度泛函理论和分子中原子理论对其进行了理论分析,计算结果表明分子间的键能分别是135.65和49.40 J·mol^-1。     

B972-PFD:一种高精度的色散校正密度泛函方法

发现一种与球原子经验色散模型SAM深度契合的杂化泛函B972,组合成高精度的色散校正密度泛函B972-PFD。采用S66、S66x8和S22标准数据集以及大气氢键团簇、Adenine-Thymine的π…π堆叠、Watson-Crick氢键复合物和甲烷结合(H_2O)_(20)水簇等体系测试了B972-PFD的性能。测试结果显示:对于S66数据集B972-PFD方法的精度与Head-Gordon研究组的三个新泛函ωB97X-V、B97M-V和ωB97M-V处于同一水平,相对于CCSD(T)/CBS金质标准,结合能的RMSD小于1 k J?mol~(-1);在其它数据集的测试中,B972-PFD方法也表现出很好的计算精度。通过研究基函数效应,我们推荐Pople的6-311++G(2d,p)作为B972-PFD方法的最优性价比基组。     

含能材料的密度、爆速、爆压和静电感度的理论研究

用密度泛函理论(DFT) B3LYP方法, 在6-31G*基组水平下, 全优化计算了系列硝胺类和硝基芳烃类爆炸物的几何构型, 用Monte-Carlo方法和自编程序, 基于0.001 e•bohr^－3等电子密度面所包围的体积空间求得分子平均摩尔体积(V)和理论密度(ρ). 用Kamlet-Jacobs方程基于理论密度(ρ)和PM3计算生成焓(ΔH_f)估算标题物的爆速(D)和爆压(p), 发现多环硝胺类化合物的爆轰性能优于芳烃硝基类化合物, 故此, 在寻求高能量密度材料(HEDM)时, 我们应特别关注多环硝胺化合物. 与ρ和D文献值比较, 表明本理论计算方法和结果是适用可靠的. 将爆速(D)和爆压(p)计算值与静电感度实验值(E_ES)进行比较和关联, 发现: 若对化合物进行细致分类讨论, 则它们之间存在较好的线性关系. 据此建议, 在含能材料分子设计中, 可通过理论计算爆轰性质(D或p)去预估难以定量求得或尚未合成的含能材料的静电火花感度值(E_ES). 此外, 我们还讨论了取代基对ρ, D和p的影响, 也有助于分子设计.     

Keggin型多酸负载的单原子催化剂(M1/POM,M = Ni,Pd, Pt,Cu, Ag,Au, POM = [PW12O40]3-)活化氮气分子的密度泛函理论计算研究

采用量子化学密度泛函理论(DFT)结合自然键轨道(NBO)分析的方法对一系列以多酸为载体的单原子催化剂(SACs)(M₁/POM (M = Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, POM = [PW₁₂O₄₀]^3-)的分子几何、电子结构及红外光谱进行计算。结果表明,Pt₁/POM对N₂分子具有潜在的活化能力,Pt₁/POM与N₂相互作用主要来自于由金属Pt的d_xz和d_yz轨道与N₂的π^*反键轨道重叠,金属Pt的d_xz、d_yz轨道上的电子填充到了氮气的π^*反键轨道上弱化了N≡N成键,导致了N≡N之间的键长增大,有效的活化了氮气分子。对它们红外光谱的分析表明,Keggin型多酸负载金属后W―O_c―W振动吸收峰发生劈裂,产生了五个典型的红外特征吸收峰。     

基于完全活性空间自洽场的杂化多组态密度泛函方法λ-DFCAS

提出了一种杂化多组态密度泛函新方法——λ-DFCAS. 在λ-DFCAS方法中, 电子相关能被分为静态和动态相关能. 静态相关能由多组态波函数方法完全活性空间自洽场(CASSCF)得到, 而动态相关能由密度泛函理论方法描述. 两种相关能的杂化比例由一个可调节的参数λ控制. 参数λ的取值取决于分子体系的多组态特性, 在0~1之间变化, 从而使得λ-DFCAS可以应用于各种强相关分子体系. 该方法能够以与CASSCF相当的计算代价获得接近完全活性空间二阶微扰(CASPT2)的计算精度, 并具备了大小一致性.     

PdYH分子的结构与势能函数

用密度泛函理论的B3LYP方法, 对钯和钇原子采用SDD收缩价基函数, 氢原子采用6-311＋＋G**全电子基函数, 对PdY和PdYH体系的结构进行优化. 计算表明: PdY分子的几何构型为C_∞v, 其基态为X²Σ^＋态, 键长R＝0.24168 nm, 离解能为D_e＝2.8261 eV, 谐振频率ω_e＝254.0656 cm^－1, 并拟合得到Murrell-Sorbie势能函数; PdYH分子最稳态为C_s构型, 电子组态为¹A', 平衡核间距R_PdY＝0.24281 nm, R_YH＝0.19824 nm, 键角∠PdYH＝116.7157°, 离解能D_e＝5.6146 eV, 基态简正振动频率: 对称伸缩振动频率ν₁ (a')＝348.2909 cm^－1, 弯曲振动频率ν₂ (a')＝243.3382 cm^－1, 反对称伸缩振动频率ν₃ (a')＝1442.2695 cm^－1. 由微观过程的可逆性原理分析了分子的可能离解极限. 并用多体项展式理论方法分别导出基态PdY和PdYH分子的势能函数, 其等值势能面图准确地再现了PdY和PdYH分子的结构特征和离解能, 由此讨论了Pd＋Y＋H分子反应的势能面静态特征.     

高能体系分子间相互作用研究: 含NNO~2和NH~2混合物

以abinitioHF/6-31G^*计算求得NH~3+NH~2NO~2的两种优化构型,经MP4电子相关能校正和Boys-Bernardi方案校正基组叠加误差求得精确的分子间相互作用能。还用PM3方法计算研究TATB(均三氨基三硝基苯)分别与HMX(奥克托金)和RDX(黑索金)的混合体系,经色散能校正电子相关近似地求得分子间相互作用能。结果表明,NH~3与NH~2NO~2之间的最大结合能为-38.32kJ/mol;分子间相互作用增强了N-NO~2键强度;TATB与HMX,RDX的结合能远大于石墨与HMX或RDX的结合能,表明TATB对HMX和RDX的润湿和钝感作用较石墨更强。     

氮苄叉基苯胺分子的平面扭曲驱动力的DFT研究

为了探索DFT方法中氮苄叉基苯胺分子的扭曲驱动力, 通过把非平面氮苄叉基苯胺(NBA)分子的DFT能量分成π和σ的方法, 分析了垂直离域能ΔE^V(θ)及σ-π轨道作用能ΔE^σπ(θ)的失稳定性, 并讨论了在扭曲过程中它们所起的作用. 在B3LYP/6-31G*, 6-311G*, 6-31G(2d), 6-311G(2d)水平下的计算结果显示: 与经典观点不同, π电子的离域是失稳定的, 且平面时失稳定性最强, 是分子扭曲的动力; 但σ-π轨道作用也是失稳定的, 随着扭角的增大其失稳定性增强, 是分子扭曲的阻力. NBA分子的大扭角构象, 是包含π-π, σ-π轨道作用在内的各种电子相互作用共同作用的结果.     

2-甲基呋喃分子激发态超快非绝热动力学

Excited-state dynamics of 2-methyl furan has been studied by femtosecond time-resolved photoelectron imaging. The molecule 2-methyl furan was simultaneously excited to the n=3 Rydberg series of S₁[¹A"(π3s)], ¹A'(π3p_x), ¹A"(π3p_y) and ¹A"(π3p_z) and the valence state of ¹A'(ππ^*) by two 400 nm photons and subsequently probed by two 800 nm photons. The average lifetime of the Rydberg series and the valence state was measured to be on the time scale of 50 fs by the time-dependent ion yield of the parent ion. Ultrafast internal conversions among these excited states were observed and extracted from the time-dependences of the photoelectron kinetic energy components of these excited states in the photoelectron kinetic energy spectra. Furthermore, it is identified that the ¹A'(ππ^*) state might play an important role in internal conversions among these excited states. The Rydberg-valence mixings, which result in numerous conical intersections, act as the driving force to accomplish such ultrafast internal conversions.     

确定分子中离域π键πnm的方法

A method for obtaining the delocalized π bonds π_n^m in a molecule has been discussed in this paper, and the delocalized π bonds π_n^m in linear, bent, planar trigonal, single cyclic conjugated, and polycyclic conjugated molecules have been studied. The reasons of π₃⁴ in NO₂ and 2π₃² in C₃ molecules have been proposed. The delocalized π bonds 2π₁₈¹⁸ in cyclo[18] carbon are analyzed.     

碰撞能对K(2S)+HF(X1Σ+)→KF(X1Σ+)+H(2S)反应的影响

基于Sayós等构建的基态势能面, 运用准经典轨线方法对原子-分子反应K(²S)+HF(X¹∑⁺)→KF(X¹∑⁺)+ H(²S)的立体动力学性质进行了研究. 计算了该反应的极化微分反应截面、 两矢量k?j'相关分布函数P(θ_r)、 三矢量k?k'?j'相关分布函数P(?_r)和空间分布函数P(θ_r,?_r). 结果表明, 产物KF的转动角动量j′不仅在垂直于反应物相对速度矢量k的方向上有强烈的取向效应, 而且还定向于y轴的负方向, 转动角动量j′敏感地依赖于碰撞能.     

Pd-Catalyzed enantioselective synthesis of 2-methyl-3-methyleneindoline

A Pd-catalyzed enantioselective synthesis of 2-methyl-3-methyleneindoline in up to 89% yield and 84% ee from racemic vinyl benzoxazinanones has been developed with the help of(R,R)-BenzP*ligand.Mechanism studies support the formation of palladacyclobutane as the key intermediate via C2 attack to π-allyl Pd complex.The β-hydride elimination provides a new reaction pathway for the palladacyclobutane.     

PO2X…PX3/PH2X(X=F,Cl, Br,CH3, NH2)复合物中π-hole磷键作用的电子密度拓扑分析

磷键作为一种新型的分子键合力,因在晶体工程和超分子合成等方面的重要作用而越来越多地引起科研工作者的广泛关注。本文采用量子化学从头算和电子密度拓扑分析等方法,在MP2/aug-cc-pVTZ理论水平上,对PO₂X…PX₃和PO₂X…PH₂X (X = F, Cl, Br, CH₃, NH₂) π型复合物的结构和磷键性质进行了理论研究。研究表明:π-hole磷键复合物存在A和B两种稳定构型,分别以P…P和P…X磷键作用为主。分子中原子(AIM)、非共价作用(NCI)、电子定域函数(ELF)及适应性自然密度划分(AdNDP)分析表明,不同取代基对该类磷键作用的性质产生很大影响:当取代基为给电子基(CH₃, NH₂)时,磷键具有明显的共价作用特征;当取代基为吸电子基(F, Cl, Br)时,构型和取代基不同的磷键分别表现为非共价、部分共价或共价作用特征。自然键轨道(NBO)分析指出,分子间磷键的Wiberg键级的数值越大,磷键的共价性越强,磷键的作用强度越大。构型B的电荷转移主要是PX₃/PH₂X中X原子上的孤对电子转移到PO₂X中π^*(P=O)反键空轨道。     

DFT investigation of endohedral boron oxide nanocapsules: Encapsulation of He, Ne, Ar, H, N, and Cl atoms

The electronic structure and stabilization energy of spherical and pyramidal shapes of boron oxide nanocapsules (X@B₂₀O₃₀, X = He, Ne, Ar, H, N, Cl) were investigated by long-range and dispersion corrected density functional theory (DFT + Disp) including CAM-B3LYP, B3LYP-D3, ωB97X-D and B2PLYP-D methods. Based on these calculations, the formation of nanocapsules is an exothermic process (except for Cl@B₂₀O₃₀). The spherical boron oxide nanocapsules are mainly stabilized by dispersion, while the stability of pyramidal complexes is mainly due to monomer relaxation energy. The theoretical results obtained in this work show that the boron oxide capsule is a good potential candidate for gas storage.     

Density-functional approaches to noncovalent interactions: a comparison of dispersion corrections (DFT-D), exchange-hole dipole moment (XDM) theory, and specialized functionals

A systematic study of techniques for treating noncovalent interactions within the computationally efficient density functional theory (DFT) framework is presented through comparison to benchmark-quality evaluations of binding strength compiled for molecular complexes of diverse size and nature. In particular, the efficacy of functionals deliberately crafted to encompass long-range forces, a posteriori DFT+dispersion corrections (DFT-D2 and DFT-D3), and exchange-hole dipole moment (XDM) theory is assessed against a large collection (469 energy points) of reference interaction energies at the CCSD(T) level of theory extrapolated to the estimated complete basis set limit. The established S22 [revised in J. Chem. Phys. 132, 144104 (2010)] and JSCH test sets of minimum-energy structures, as well as collections of dispersion-bound (NBC10) and hydrogen-bonded (HBC6) dissociation curves and a pairwise decomposition of a protein-ligand reaction site (HSG), comprise the chemical systems for this work. From evaluations of accuracy, consistency, and efficiency for PBE-D, BP86-D, B97-D, PBE0-D, B3LYP-D, B970-D, M05-2X, M06-2X, ωB97X-D, B2PLYP-D, XYG3, and B3LYP-XDM methodologies, it is concluded that distinct, often contrasting, groups of these elicit the best performance within the accessible double-ζ or robust triple-ζ basis set regimes and among hydrogen-bonded or dispersion-dominated complexes. For overall results, M05-2X, B97-D3, and B970-D2 yield superior values in conjunction with aug-cc-pVDZ, for a mean absolute deviation of 0.41 - 0.49 kcal/mol, and B3LYP-D3, B97-D3, ωB97X-D, and B2PLYP-D3 dominate with aug-cc-pVTZ, affording, together with XYG3/6-311+G(3df,2p), a mean absolute deviation of 0.33 - 0.38 kcal/mol.