密度泛函活性理论中的信息论方法（英文）

密度泛函活性理论(DFRT)运用简单的密度泛函探讨和定量化分子的反应活性,是近来发展起来的一个关于分子活性理论的新方法。在新近的文献中,这样的简单密度泛函的例子包括香农熵,费舍尔信息以及其它来自信息论中的密度泛函。本文综述了DFRT信息论方法的原理,包括物理信息极小原理、最小信息增益原理和信息守恒原理。总结了DFRT信息论方法在电子密度、形态密度和分子中的原子三种表述下的理论框架。此外,还介绍了运用信息论方法在定量描述空间位阻效应、亲电性、亲核性和区域选择性中的突出应用,以及对亲电芳香取代反应的邻对间位取代效应的起源和本质提供的一个全新诠释。最后简要地展望了该领域的几个可能的未来发展方向。     

密度泛函活性理论中的Rényi熵, Tsallis熵和Onicescu信息能

根据密度泛函理论,分子的电子密度确定了该体系基态下的所有性质,其中包括结构和反应活性.如何运用电子密度泛函有效地预测分子反应活性仍然是一个有待解决的难题.密度泛函活性理论(DFRT)倾力打造这样一个理论和概念架构,使得运用电子密度以及相关变量准确地预测分子的反应特性成为可能.信息理论方法的香农熵和费舍尔信息就是这样的密度泛函,研究表明,它们均可作为反应活性的有效描述符.本文将在DFRT框架中介绍和引进三个密切相关的描述符, Rényi熵、Tsallis熵和Onicescu信息能.我们准确地计算了它们在一些中性原子和分子中的数值并讨论了它们随电子数量和电子总能量的变化规律.此外,以第二阶Onicescu信息能为例,在分子和分子中的原子两个层面上,系统地考察了其随乙烷二面角旋转的变化模式.这些新慨念的引入将为我们深入洞察和预测分子的结构和反应活性提供额外的描述工具.     

用密度泛函活性理论和Hammett常数预测单双取代苯酚的酸性

用从头算和密度泛函理论准确预测分子的酸碱性仍然是一个悬而未决的理论和计算难题. 近年来运用密度泛函活性理论(DFRT)发展的分子静电势和价自然原子轨道等概念为该问题的解决提供了一个简单而有效的途径. 最近我们还提出用Hammett常数预测分子酸碱性, 并发现对苯甲酸衍生物其预测精度与DFRT方法一致. 本文将这两个新方法运用于苯酚衍生物体系以验证其普适性, 一共计算了83个体系. 发现二者均可以得到较好的预测精度, 且DFRT方法比Hammett常数结果稍好. 对进一步从局部和整体角度理解分子性质的起源以及这些性质的决定因素提供了有益启示. 该文同时还验证了Hammett常数求和规则的普适性.     

概念密度泛函理论及近来的一些进展

概念密度泛函理论(又称密度泛函活性理论或化学密度泛函理论)是密度泛函理论(DFT)的化学活性理论. 本文对其理论框架和最新进展进行了概述, 包括电负性、硬度、软度、福井函数、亲电性, 及其从这些概念中得到的原理. 介绍了二元描述符和立体效应定量描述的新进展, 并对今后的发展作出了展望.     

取代基效应定量研究新进展

综述了最近20多年有机化学取代基效应定量研究所取得的诸多新进展.主要内容包括：（1）电负性均衡原理得到普遍认同并用于计算分子中电荷分布和基团的诱导效应,分子电负性计算方法在几何平均法、调和平均法、加权平均法的基础上又提出了价电子均衡方法,进一步扩展了电负性均衡原理的应用范围.（2）试剂亲电、亲核能力的实验测定,提出了以二苯甲基正离子和醌甲基化合物等作为参考化合物的标定方法,其研究范围被扩展到气相条件、有机金属反应和自由基体系,得到一系列试剂的亲核参数N和亲电参数E.理论上提出亲电性指数和亲核性指数的概念及其定量计算公式,并对实验测定参数和理论计算指数之间的关系进行了深入研究.（3）极化效应参数从最初的经验方法,进而采用量子化学方法计算,再用统计方法提出了烷基极化效应指数PEI和基团极化效应参数PEIX,被广泛用于解释和估算有机化合物的气相酸碱性、电离能、生成焓、键能、反应速率、水溶解性和色谱保留值.（4）直接由取代苯的紫外光谱吸收能量计算得到的取代基激发态参数exCC,不同于取代基在分子处于基态的极性参数和自由基状态下的自旋离域效应参数,该参数用于对位二取代苯、取代二苯乙烯、二取代氮苄叉苯胺等多类有机化合物紫外光谱的定量相关,结果良好.（5）立体屏蔽效应的提出区分了传统的三种立体效应.在羰基与亲核试剂加成反应立体选择性定量表示,提出了立体选择性指数Ci;在表示基团对反应中心表面积屏蔽的定量提出了屏蔽参数SR,进一步基于反应中心体积被屏蔽的角度提出了拓扑立体效应指数TSEI,这些参数在分子内二面角、反应的立体选择性、烯烃和烷基苯的生成焓、咪唑离子液体的酸性以及烷烃与羟基自由基的反应速率等方面得到良好的应用.此外,论文还对有机化学取代基效应定量研究中值得进一步深入探索的领域和问题提出了建议和展望.     

硅杂苯与亲二烯体的Diels-Alder反应

采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了硅杂苯与一些亲二烯体的两类可能的Diels-Alder反应的微观机理、势能剖面、取代基效应和溶剂化效应. 计算结果表明, 所研究反应均以协同的方式进行. 亲二烯体分子碳原子上的苯基取代基对两个新键形成的非同步性和反应的活化能垒的影响取决于苯基在产物中的相对位置, 而硅杂苯分子中硅原子上的CCl3取代基有利于杂Diels-Alder反应的进行. 形成一个C—Si键的杂Diels-Alder反应在热力学和动力学上均远比相应的全碳Diels-Alder反应容易进行, 实验观察到的杂Diels-Alder反应中的区域选择性由动力学因素所控制. 硅杂苯与烯烃的反应比与相应炔烃的反应在动力学上容易进行一些, 但在热力学上后者远比前者容易进行. 苯溶剂对所研究反应的势能剖面影响较小.     

顺式效应的起源: 双取代乙烯衍生物的密度泛函理论研究

一般情况下双取代乙烯衍生物的反式构象要比顺式构象稳定. 但是例外也存在, 例如1,2-二氟乙烯和1,2-二氯乙烯. 这种双取代乙烯衍生物顺式构象的超常稳定性被称之为顺式效应. 该效应的起源和本质目前仍没有定论. 本文以12 个体系(XHC=CHY (X, Y=F, Cl, Br, CN, CH₃, C₂H₆, OCH₃))为例, 对顺式效应的有效性、起源和本质进行系统的密度泛函理论研究, 其中9个体系存在顺式效应, 另外3个为正常体系没有该效应. 采用一系列泛函和基组研究其有效性, 并运用四种分析手段, 如自然键轨道(NBO)、能量分量分析(EDA)、密度泛函活性理论(DFRT)和非共价相互作用(NCI)分析, 剖析该效应的起源和本质. 发现在顺式构象的两个取代基之间存在一种微弱的非共价相互吸引作用. 能量分析表明, 静电效应、立体效应等对顺式效应的存在都起着重要作用, 但是它们均不能单独用来解释顺式效应的起源. 也就是说顺式效应没有一个简单的起源, 它是多种作用合力的结果. 本文采用双变量解释得到比较合理的相关回归系数R²=0.86-0.87,较好地解释了顺式效应的本质和起源.     

密度泛函理论研究香草醛与氨基硫脲的加成-缩合反应

针对氨基硫脲和香草醛亲核加成-缩合反应的反应物和生成物,用量子化学密度泛函方法在B3LYP/6-31G水平上进行几何优化,通过Mulliken电荷分析推测出香草醛具有较高的亲核加成反应活性.对优化后的构型进行振动分析,得到不同温度下反应物和生成物的热力学性质,据此计算出相应温度下的反应焓变、吉布斯自由能变和平衡常数.实验表明,在298K～1000K内,氨基硫脲与香草醛的亲核加成-缩合反应是一个放热反应,吉布斯自由能变成负值,平衡常数很大,说明反应在温和条件下即能自发进行.在此基础上采用含时密度泛函方法(TD-DFT)计算了分子激发态的电子跃迁能,得到对应激发态的吸收波长,所得结果与文献值基本吻合.     

锗苯与亲二烯体的Diels-Alder反应的理论研究

采用密度泛函理论方法在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了锗苯与一些亲二烯体的Diels-Alder反应的微观机理和势能剖面, 考察了取代基和苯溶剂对反应势能剖面的影响, 探讨了杂Diels-Alder反应中区域选择性的起源. 计算结果表明, 所研究反应均以协同的方式进行. 亲二烯体分子碳原子上的苯基取代基对杂Diels-Alder反应中2个新键形成的非同步性和活化能垒的影响与最终产物中苯基和锗原子间的相对位置有关, 锗苯分子中锗原子上的CCl3取代基在热力学和动力学上均有利于反应的进行. 苯溶剂对所研究反应的势能剖面影响较小. 实验观察到的杂Diels-Alder反应的区域选择性由动力学因素所控制.     

非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应

本文总结了常用亲核试剂对非对称环氧乙烷的亲核开环反应及其区域选择性。强亲核性的亲核试剂通常只受空间效应影响,进攻非对称环氧乙烷位阻小的碳原子,对于烯基取代环氧乙烷还可以进攻烯基的β-碳原子发生S_N2'开环反应,其他亲核试剂同时受空间效应和电子效应的影响,对于烷基环氧乙烷通常进攻其取代少的碳原子, 空间效应起主导作用,而对芳基和烯基取代环氧乙烷开环反应通常发生在环氧乙烷芳甲位和烯丙位的碳原子上, 电子效应起主导作用。在质子酸或强Lewis酸存在下,虽然单烷基环氧乙烷的开环仍然发生在其取代少的碳原子上,但对于芳基、烯基和同碳双取代环氧乙烷,亲核开环反应将主要受电子效应控制,一般亲核试剂倾向于进攻环氧乙烷的芳甲位、烯丙位或多取代的碳原子。分子内的亲核开环反应主要受成环时环大小的控制, 成环时的倾向是五元环> 六元环> 七元环。环氧乙烷亲核开环的区域选择性是环氧乙烷和亲核试剂空间效应和电子效应平衡的结果。     

Density functional resonance theory: complex density functions, convergence, orbital energies, and functionals

Aspects of density functional resonance theory (DFRT) [D. L. Whitenack and A. Wasserman, Phys. Rev. Lett. 107, 163002 (2011)], a recently developed complex-scaled version of ground-state density functional theory (DFT), are studied in detail. The asymptotic behavior of the complex density function is related to the complex resonance energy and system's threshold energy, and the function's local oscillatory behavior is connected with preferential directions of electron decay. Practical considerations for implementation of the theory are addressed including sensitivity to the complex-scaling parameter, θ. In Kohn-Sham DFRT, it is shown that almost all θ-dependence in the calculated energies and lifetimes can be extinguished via use of a proper basis set or fine grid. The highest occupied Kohn-Sham orbital energy and lifetime are related to physical affinity and width, and the threshold energy of the Kohn-Sham system is shown to be equal to the threshold energy of the interacting system shifted by a well-defined functional. Finally, various complex-scaling conditions are derived which relate the functionals of ground-state DFT to those of DFRT via proper scaling factors and a non-Hermitian coupling-constant system.     

Systematic formulations for electronegativity and hardness and their atomic scales within density functional softness theory

A unified Mulliken valence with Parr ground‐state electronegativity picture is presented. It provides a useful analytical tool on which the absolute hardness as well ionization potential and electron affinity functionals are based. For all these chemical reactivity indices, systematic approximate density functionals are formulated within density functional softness theory and are applied to atomic systems. For the absolute hardness, a special relationship with the new electronegativity ansatz and a particular atomic trend paralleling the absolute electron affinity are established that should complement and augment the earlier finite‐difference energetic approach. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2006     

Solvent effect on stabilization energy: An approach based on density functional reactivity theory

In the present article a formalism and the corresponding computational method is developed to take care of the variation of stabilization energy with solvent polarity in the process of adduct formation. For this purpose, a simple but physically insightful definition of “net desolvation energy” is proposed keeping in mind the sequence of events taking place in the process of adduct formation in a solvent. The approach used here is based on density functional reactivity theory (DFRT) and the representative samples chosen are adduct formation between (a) methyltrioxorhenium (MTO) and pyridine and (b) (azidomethyl)benzene and methylpropiolate. The generated data in case (a) is correlated with already known experimental parameter that is, formation constant (K_f). The observed trends claim that with the increase in solvent polarity interaction (or stabilization) energy becomes less negative which means that on increasing the solvent polarity the chances of adduct formation are less. This is further supported by calculating hardness values of adducts in different solvents which goes on decreasing with the increase in solvent polarity. Here, the computed data show that on increasing the polarity (i.e., dielectric constant) of the solvent, the “net desolvation energy” increases. Finally, when “net desolvation energy” is added to the stabilization energy obtained from DFRT the predicted trends are achieved.     

Benchmark calculations for reduced density-matrix functional theory

Reduced density-matrix functional theory (RDMFT) is a promising alternative approach to the problem of electron correlation. Like standard density functional theory, it contains an unknown exchange-correlation functional, for which several approximations have been proposed in the last years. In this article, we benchmark some of these functionals in an extended set of molecules with respect to total and atomization energies. Our results show that the most recent RDMFT functionals give very satisfactory results compared to standard quantum chemistry and density functional approaches.     

Time-dependent density-functional studies of the D2 coulomb explosion

Real-time first principle simulations are presented of the D(2) Coulomb explosion dynamics detonated by exposure to very intense few-cycle laser pulse. Three approximate functionals within the time-dependent density functional theory (TDDFT) functionals are examined for describing the electron dynamics, including time-dependent Hartree-Fock theory. Nuclei are treated classically with quantum corrections. The calculated results are sensitive to the underlying electronic structure theory, showing too narrow kinetic energy distribution peaked at too high kinetic energy when compared with recent experimental results (Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 093002). Experiment also shows a low energy peak which is not seen in the present calculation. We conclude that while Ehrenfest-adiabatic-TDDFT can qualitatively account for the dynamics, it requires further development, probably beyond the adiabatic approximation, to be quantitative.