计算化学在分子轨道教学中的应用

分子轨道理论是理解分子电子结构与微观性质的重要理论之一,也是本科生与研究生结构化学教学中的重点与难点。学生对原子轨道组合形成分子轨道、分子轨道能级交叉混合等知识的理解缺乏形象直观、定量的认识。本文通过基于量子化学或密度泛函理论的Gaussian 03计算软件,计算、绘制并分析了F_2、O_2、N_2、HF、CO等的分子轨道能级图,将学生较难理解的内容定量、直观地呈现出来,形象地解释了分子轨道成键原则与电子填充原则等分子轨道理论中的重难点,加深了学生对分子轨道理论的理解,特别是sp轨道混杂导致的σ_(2p_z)与π_(2p)轨道能级交叉这一难点,激发了学生学习的主动性和积极性,提高了教学质量。在此基础上,利用分子轨道理论分析了CO_2的电子结构,使学生学会应用分子轨道理论解决实际问题,巩固了相关课堂理论知识。     

双陪集在分子轨道理论计算中的应用

本文简单描述了双陪集的三个基本性质,并依据这些性质,提出分子轨道的构造及其矩阵元计算的方法。在W—H近似下,推导出分子轨道能量与群重叠积分的线性关系。     

改进的Hückel分子轨道方法(Ⅴ)——关于若干超共轭体系的MHMO计算

我们通过用三种HMO(诱导、杂原子、共轭)模型处理若干超共轭体系,发现所得结果不服从按键型预示的规律,与实验结果的符合很差。因此我们提出一种改进的HMO方法——甲基超共轭模型,处理了若干超共轭体系,结果比较满意。     

对称轨道及张量的新理论方法——Ⅱ.分子积分及自洽场计算中的对称约化

将对称轨道 (SO) 对称张量 (SOT)理论方法用于分子积分 (即单电子积分与双电子积分 )及SOT SCF的理论计算 ,提出了简化积分计算方案及一个简化SCF自洽迭代的关键公式 .根据这一公式 ,相对于传统的SCF方法 ,SOT SCF迭代过程的计算效率 (包括计算速度的提高与存储容量的减少两个方面 )按点群级的平方增加 .新方法在高对称点群大分子体系的理论计算方面有广阔的应用前景 .     

建立在群对称轨道(SMO)及特征组态(CD)基础上的线性分子SMO-CDCI方法

定义和讨论了线性分子的群对称轨道(SMO)及特征组态函数(CD),它能够对线性分子的分子轨道与组态函数进行简单而完全的对称分类.SMO－CDCI方法是一种高效的计算方法,大大节省了线性分子CI计算的机时与内存.     

计算机在分析化学中的应用——分析化学中的数值方法(Ⅴ)

本文介绍了线性拟合和多项式拟合的方法及其在分析化学中的应用示例。文中给出了分析化学中拟合标准曲线方程、由光度法测量数据计算一元酸离解常数、用多项式拟合法进行转子流量计的校准等的方法、程序及应用实例。     

蒽醌类染料的电分析化学研究和应用Ⅰ.锆(Ⅳ)-四羟基蒽醌(THAQ)络合吸附波及其应用

本文发现THAQ于酸性介质中,若先用NaNO₂反应,在硼酸缓冲溶液(pH12.56)中,获得Zr(Ⅳ)-THAQ络合物电流峰(Ep-0.8V,对SCE),其峰高和锆浓度在2×10^-7-5.5×10^-6范围内成正比。检测下限为20ppb Zr(Ⅳ)。建立了示波极谱法测定钢铁合金中微量(>0.0005%)锆的新方法。操作简便,无毒,结果准确满意。经实验求得Zr(Ⅳ)-THAQ络合物组成比为1:2或1:4;相应的络合物稳定常数β₁=7.1×10¹⁰,β₂=8.9×10²¹。结果表明Zr(Ⅳ)-THAQ电流峰具有吸附特征。     

PBL教学法在结构化学休克尔分子轨道理论教学中的应用

休克尔分子轨道理论是结构化学课程中的重要内容,可预测或解释共轭分子性质、电子光谱等问题。其与势箱中粒子运动模型、分子轨道理论、分子对称性等知识点关联密切,综合性强。在该理论教学过程中运用问题式教学法(Problem-Based Learning,PBL),以典型问题引导学生自主学习,在循序渐进的问题中,学生的思考意识逐步增强,知识综合能力可得到有效提升。     

定标粒子理论在萃取化学中的应用——Ⅰ.惰性气体分配常数的计算

萃取过程的分配常数∧,可由Nernst分配定律导出: (1) (2)α和μ°分别为被萃取物的活度和标准态化学势,脚注s和w表示有机相和水相,△G°为萃取过程的标准吉布斯自由能。在萃取化学中,迄今尚未见到直接从理论上来推算△G°及∧的报道。本文试图引用定标粒子理论和物质标准迁移吉布斯自由能来计算萃取过程的△G°和分配常数∧。萃取过程可以看作是被萃取物M在有机相和水相中两个溶解过程之间的竞争。M溶于水相或有机相,首先必须破坏相同溶剂分子之间的结合,形成一个适合溶质分子大小的空腔来容纳M,同时又产生溶质与溶剂分子之间w-M和s-M相互作用。所以萃取过程可以表示为     

C50(D5h)衍生物-异质富勒烯C48P2的分子行为理论研究

用半经验的AM1和MNDO方法以及密度泛函B3LYP/3-21G方法对C₅₀(D_5h)的衍生物C₄₈P₂的所有可能的异构体进行了系统的理论研究. 优化了稳定构型, 计算了生成热、HOMO-LUMO能级差、NICS值、红外光谱及电子光谱, 并与C₄₈X₂(X=B, N)的分子行为进行了比较. 计算结果表明: (1) C₄₈P₂的最稳定异构体是异构体C₄₈P₂-78, 该异构体对应于赤道位置六元环内的1,4-取代产物; (2) 决定C₄₈P₂异构体稳定性的主要因素是碳笼的张力, 而稳定性和芳香性之间没有明显的相关性; (3) 相对较稳定的C₄₈P₂异构体的HOMO-LUMO能级差比C₅₀的HOMO-LUMO能级差大; (4) 计算出的红外光谱以及电子光谱可以供实验参考; 计算出的NICS 值也可以用来表征C₄₈P₂各异构体. (5) C₄₈P₂与C₄₈X₂(X=B, N)具有相同的取代选择性规律及稳定性决定因素, 并且相对较稳定的异构体均具有比C₅₀本体大的HOMO-LUMO能级差.     

七氧化二氟的半经验自洽场分子轨道法计算——兼论CNDO/2方法的某些缺陷

本文用CNDO/2几何优化程序和MNDO几何优化程序对Cl_2O_7和F_2O_7分子进行了对比计算。计算结果表明:(1)F_2O_7难以稳定存在,(2)进行量子化学计算,最好是用几何优化程序,否则可能得出错误的结论;(3)CNDO/2方法在计算-O-O-和-S-S-桥键时是有缺陷的,应引起注意。     

空穴-粒子对称的图形酉群方法在多参考态组态相互作用中的应用

空穴-粒子对称的图形酉群方法(graphic unitary group approach,GUGA)被用于发展高效的多参考态组态相互作用(multi-reference configuration interaction,MRCI)程序.通过将轨道空间划分为双占据轨道、活性轨道和外轨道空间分别处理,耦合系数可以写为三个空间片段因子的乘积.由于仅需搜索和保存活性空间的片段因子,其余两个空间的片段因子可以根据图形类型直接确定,从而避免了部分耦合系数随内空间增大无法保存的难题,使MRCI可被用于超过32个内轨道的计算.空穴一粒子对称允许我们将MRCI的组态空间按照双占据空间空穴数和外空间电子数自然划分为子组态空间,内收缩函数可以分别定义在子组态空间中.在此基础上,我们提出了基于GUGA的内收缩MRCI新方案并程序化.测试表明,未收缩组态空间超过10亿的MRCI已成为可以在普通工作站上完成的常规计算.     

小型计算机的Hückel分子轨道(HMO)计算方法会话程序

量子化学近似计算方法中,Hückel分子轨道(HMO)计算方法简便迅捷,它对分析有机共轭分子的稳定性、化学反应能力和电子光谱,及其研究有机化合物结构与性能的关系都适用。目前在有机化学、药物化学和生物化学领域中得到广泛的应用。     

酰氨基硫脲及其相关的杂环衍生物的研究——Ⅴ.1-(β-吗啉丙酰基)-4-芳基氨基硫脲及其相关杂环衍生物的合成

前文已报道某些1-酰基-4-取代氨基硫脲及其相关杂环衍生物具有广泛的生理活性,如抗结核,抗真菌,解痉挛及促进植物生长等功效。为进一步观察酰氨基硫脲及其杂环衍生物的有关活性,我们以β-吗啉丙酰肼(1)同一系列芳基异硫氰酸酯(2)进行反应,试图制得各种1-(β-吗啉丙酰基)-4-取代芳基氨基(3),并研究3在酸或碱性条件下的环化     

分子间相互作用的Ab Initio计算研究——氢键复合物体系(HF)_2中的非键相互作用

本文以6-311 G~(**)为基组对氢键复合物(HF)_2进行了Ab Initio计算,给出了2个HF在距离及取向平衡点附近的势能面。用势诱导最小二乘拟合法计算了体系中各原子的原子电荷。用(exp-6-1)势函数分析法分解了2个HF间的氢键相互作用能,表明其中主要的相互作用是电荷转移而不是静电性的。2个HF分子间的势能曲线呈Morse函数性质。     

共轭高分子体系的分子轨道理论 Ⅴ.二维重复单胞体系本征方程的因子分解方法

本文将一维重复单胞体系本征方程的因子分解方法向二维体系作了一般的推广,从而解决了一些由重复单胞构成的二维大分子体系的能谱问题。利用因子分解法,我们研究了石墨类二维平面分子边缘的化学反应活性以及体系的电子结构、导电性与分子尺度的关系。结果表明,对于石墨类分子,边界效应是非常显著的,且体系的反应活性、导电机制与边界的结构紧密相关。     

氮氧自由基的研究(Ⅲ)——2,2,6,6-四甲基-4-羟基-哌啶-1-氧自由基的分子轨道计算

用EHMO法对2,2,6,6-四甲基-4-羟基哌啶-1-氧(TMHPO)作了量子化学计算,计算出分子的平衡构象为椅式构象,并应具有12°的“离平面”夹角,与实验测定的构象符合;对分子轨道能级的分析说明了TMHPO具有颜色的原因,并指出了可见-紫外光谱图上两个吸收带的性质;根据对未成对电子自旋密度的计算得出ESR超精细分裂常数为10.8G,与实验值符合的较好。     

理论与计算化学在基础化学课程中的应用：1,2-环氧化物开环反应

1,2-环氧化物开环反应是化学类各专业有机化学课程中的重要教学内容,教材中的描述缺少定量、直观信息,学生通常采用机械记忆方式予以学习,不能完全理解相关的反应机制。本文设计了一个用理论化学方法研究化学反应的典型案例,通过量子化学计算探讨了酸、碱催化1,2-环氧化物开环反应的分子机制,揭示了反应的热力学和动力学性质,描绘了反应过程的直观物理图像,给出了理解反应区域选择性的定量信息。论文将计算量子化学与有机化学教学内容有机融合,不仅有助于学生加深对化学基本概念和基础理论的理解,而且有助于学生开阔视野、拓展思路,使学生充分认识到理论计算是开展化学研究的重要手段。     

超分子体系中的分子识别研究 Ⅴ.单-[6-(1-吡啶)-6-脱氧]-α-和γ-环糊精对氨基酸分子识别的热力学性质

本文用分光光度滴定法测定了单-[6-(1-吡啶)-6-脱氧]-α-和γ-环糊精(1)和(3)与一系列氨基酸在磷酸缓冲溶液中(pH=7.20),25.0～40.0℃时形成超分子体系的稳定常数,进而计算了配位焓和配位熵,并与单-[6-(1-吡啶)-6-脱氧]-β-环糊精(2)的实验结果作了比较.化学计量法表明,所有的氨基酸均与环糊精衍生物形成了1:1的超分子体系.从热力学的观点,讨论了化学修饰环糊精和客体氨基酸的尺寸或形状适合、疏水效应、范德华力和氢键等几种弱相互作用力对形成超分子体系的贡献.研究结果发现,具有正电荷环糊精衍生物的吡啶基,作为一种分子探针不仅可以识别氨基酸生物分子的尺寸或形状之间的差异,而且还可以识别L/D-型手性对映体之间的差异,进一步表明了主-客体间的诱导楔合、几何互补在分子受体选择性键合底物形成超分子体系中的重要作用.