密度泛函活性理论中的信息论方法

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。     

青蒿素及其衍生物抗疟活性的密度泛函理论研究

为了深入研究青蒿素及其衍生物的抗疟活性和分子结构之间的关系,运用密度泛函理论B3LYP方法,以6-31G*为基组对青蒿素及其衍生物二氢青蒿素、蒿甲醚和青蒿琥酯进行了优化计算.从分子的几何构型、NBO电荷及前线轨道能等方面分析了青蒿素及其衍生物的抗疟活性与结构之间的关系.青蒿素及其衍生物结构中的过氧桥键是其抗疟作用的活性位,O17和O_20带负电荷越多、ΔE_(LUMO-HOMO)越低、E_(HOMO)能级越高,分子的抗疟活性越强.结果表明,4种化合物的抗疟活性顺序为:青蒿素二氢青蒿素蒿甲醚青蒿琥酯,与临床实验结果相吻合.     

密度泛函理论与Hartree-Fock方法混合处理中的稳态相关能校正

本文分析了通常的Hartree-Fock(HF)相关能定义和密度泛函理论(DFT)中的相关能定义的等价性条件。认为在参考电子密度与真实密度相差很大时两种定义是不等价的, 严格的DFT相关能比HF相关能(绝对值)要大。而在DFT与HF混合处理中得到的相关能比HF相关能(绝对值)要小, 两者之差相当于稳态相关能。实际计算表明, 通过合理地选择组态, 采用有限CI可以求得这一差值。本文描绘了双原子分子H2(X^1∑g^+), HF(X^1∑^+), N2(X^1∑g^+)的势能曲线, 结果比完全CISD和MP4的曲线还要好。H2的离解能是0.17a.u., 逼近实验值0.1747a.u..。     

槲皮素抗氧化活性的密度泛函理论研究

采用杂化密度泛函理论(DFT)方法, 预测了黄酮类化合物槲皮素分子的几何结构、电子结构和脱氢解离焓, 分析了这些性质与分子活性位的关系, 探讨了槲皮素分子的抗氧化活性, 即与活性氧自由基•OH, •OOH和 的反应机理. 在B3LYP/6-31＋G(d)水平下, 计算得到的槲皮素分子脱氢自由基的相对稳定性、脱氢解离焓和氢提取过程的活化能都表明, 槲皮素中的4 -羟基活性最高, 最有可能参与自由基的清除. 4 -羟基位的这种反应活性主要来源于相邻羟基之间的弱氢键相互作用. 深入研究槲皮素分子的抗氧化机理, 有助于更合理地设计和合成新的抗氧化剂.     

白藜芦醇清除自由基活性的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法,从静态与动态两大方面分析了白藜芦醇分子酚羟基在不同溶剂中清除自由基活性的能力大小.通过白藜芦醇的结构参数、前线轨道理论、3种抽氢反应机制等方面分析了分子活性位与其性质的关系.探讨了白藜芦醇分子不同位置酚羟基清除·OH和·OOH的抗氧化机理,得到了该分子与·OOH发生抽氢反应时的过渡态结构.计算结果表明,在任何溶剂中白藜芦醇分子C(4')位上酚羟基活性最高,发生抽氢反应时反应热最小,是高活性位点.     

黄芪异黄酮类化合物抗氧化活性的密度泛函理论研究

本文采用密度泛函理论中的B3LYP方法在6-311G(d,p)水平上对黄芪中的四种异黄酮类化合物毛蕊异黄酮、毛蕊异黄酮苷、芒柄花素、芒柄花苷进行了优化计算,从四个分子的几何结构、酚羟基氢原子上的NBO电荷、酚羟基解离能、HOMO和LUMO能级以及其能级差△E(LUMO-HOMO)等方面分析了四种黄芪异黄酮类化合物清除自由基的活性.C3.位的酚羟基为毛蕊异黄酮苷元及其苷分子的最大可能活性位点,C7位酚羟基也具有一定的活性,可以增加分子本身的抗氧化活性,C7位酚羟基为芒柄花素分子的活性位点.C3,位或C7位上酚羟基氢原子带正电荷越大、酚羟基的解离能越小、△E(LUMO-HOMO)越小、HOMO能级相对越高分子的抗氧化活性越高.糖苷取代C7位酚羟基上的H原子,可以提高HOMO、LUMO的轨道能级,但是分子失去了7位酚羟基,从而降低了毛蕊异黄酮苷分子的抗氧化活性.结果表明,四种黄芪异黄酮类化合物的抗氧化能力大小为:毛蕊异黄酮＞毛蕊异黄酮苷＞芒柄花素＞＞芒柄花苷.对芒柄花素和羟基自由基反应的过渡态进行了计算研究.     

Sin/Si-n(n=2-6)的结构和电子亲合能的密度泛函理论研究

选用四种不同的密度泛函理论方法(B3LYP,BLYP,BP86,B3P86),在全电子的双ζ加极化加弥散函数基组(DZP++)下,研究Sin/Si-n (n=2 -6 )体系的结构和电子亲合能.预测Si2 /Si-2 ,Si3 /Si-3 ,Si4 /Si-4 ,Si5 /Si-5 和Si6 /Si-6 的基态结构分别为C∞h(3Σ-g ) /C∞h(2Σ+g ),D3h(3A′2 ) /C2υ(2A1 ),D2h(1Ag) /D2h(2B2g),D3h(1A′1 ) /D3h(2A″2 )和C2υ(1A1 ) /D4h(2A2u).在电子亲合能方面,B3LYP方法预测的电子亲合能是最可靠的.预测Si2,Si3,Si4,Si5和Si6的电子亲合能分别为 2. 05, 2. 34, 2. 16, 2. 48和 2. 13eV.     

密度泛函理论在分子磁学中的应用

通过对桥联双核铁的磁耦合常数的计算，探讨了密度泛函理论计算条件对计算 结果的影响。基于密度泛函理论下的破损态方法，着重讨论了双核 Fe(III)_2的 d~5-d~5电子通过氧桥的超交换作用。研究发现分子的反铁磁通道主要是Fe(III) d_yz和d_z~2与μ-O的p轨道形成的，具有π*/π*和σ*/σ*特征的超交换通道。     

砷原子团簇结构的量子化学密度泛函理论研究

采用密度泛函理论的三种方法:局域自旋密度近似SVWN、梯度修正BLYP、杂化密度泛函B3LYP,优化了中性Asn、负离子Asn-(n=2～5)的结构,在优化结构基础上计算了它们的振动光谱,获得它们稳定的最低能量态的结构.其中中性Asn(n=2～5)的稳定结构的计算结果,与已有的理论结果以及实验数据进行了比较.而对负离子Asn-(n=2～5))的稳定结构作了预言.同时计算了Asn(n=2～5)的绝热电子亲和能(EAa),与有关光电子谱学的实验值符合较好.     

硝基烃光异构化反应的密度泛函理论计算

采用DFT(B3LYP)计算方法, 在6-31G*水平上获得了反式-β-硝基苯乙烯、硝基乙烯和硝基甲烷基态异构化反应时的过渡态分子结构, 并计算了异构化能垒及激发态电子跃迁能. 结果显示, 反式-β-硝基苯乙烯和硝基苯与硝基甲烷相比具有较短的过渡态C—N键长, 较低的异构化能垒, 并且随着不饱和度的增加, 硝基苯和反式-β-硝基苯乙烯电子垂直跃迁能与基态异构化反应过渡态之间能量的差值ΔE迅速减小. 从能量的角度分析, 取代基的不饱和度越大, 越有利于激发态势能面与异构化反应势能面发生锥型或漏斗交叉, 因而越有利于光化学反应沿光异构化通道进行. 激发态分子的初始电子运动的定域或离域特征的差别可能是导致硝基苯等硝基芳烃与硝基甲烷等硝基烷烃光解通道不同的一个重要原因.     

Information‐entropic measures in free and confined hydrogen atom

Shannon entropy (S), Rényi entropy (R), Tsallis entropy (T), Fisher information (I), and Onicescu energy (E) have been explored extensively in both free H atom (FHA) and confined H atom (CHA). For a given quantum state, accurate results are presented by employing respective exact analytical wave functions in r space. The p‐space wave functions are generated from respective Fourier transforms—for FHA these can be expressed analytically in terms of Gegenbauer polynomials, whereas in CHA these are computed numerically. Exact mathematical expressions of , are derived for circular states of a FHA. Pilot calculations are done taking order of entropic moments (α, β) as in r and p spaces. A detailed, systematic analysis is performed for both FHA and CHA with respect to state indices n, l, and with confinement radius (r_c) for the latter. In a CHA, at small r_c, kinetic energy increases, whereas decrease with growth of n, signifying greater localization in high‐lying states. At moderate r_c, there exists an interplay between two mutually opposing factors: (i) radial confinement (localization) and (ii) accumulation of radial nodes with growth of n (delocalization). Most of these results are reported here for the first time, revealing many new interesting features. Comparison with literature results, wherever possible, offers excellent agreement.     

运用密度泛函活性理论的信息论方法研究苯并富烯衍生物的芳香性

文献中已有越来越多的芳香性体系被发现,同时也有越来越多的芳香性指标被提出来,但是如何解释芳香化合物稳定性的起源以及理解芳香性的本质仍然是当今理论化学中一个悬而未决的难题。运用我们新近提出的密度泛函活性理论信息论方法,不久前我们曾对一系列富烯衍生物进行了系统研究并得到了一个全新的认识。本文进一步探讨苯并富烯衍生物的芳香性行为,目的在于考察一个或多个苯环与富烯连接之后其芳香性发生变化的情况。运用香农熵,费舍尔信息,Ghosh-Berkowitz-Parr熵,Onicescu信息能,信息增益,以及相对Rényi熵六个信息量,和四种芳香指标,ASE,HOMA,FLU和NICS,我们系统地研究了信息量和芳香性指标在单、双、三苯并富烯衍生物中的相关性。我们发现,不管是否有苯环与富烯相连,芳香指标和信息量的交叉相关性都是一样的。这表明,虽然苯环本身具有芳香性,但苯环与富烯相连并不能改变富烯的芳香性与反芳香性本质。苯并富烯衍生物与富烯衍生物的芳香性和反芳香性一致。苯并富烯衍生物的芳香性和反芳香性完全取决于富烯本身的芳香性和反芳香性。这些结果为认识和理解复杂体系芳香性和反芳香性起源和本质将提供有益的启示。     

Quantum information‐theoretic measures for the static screened Coulomb potential

In this research work, the quantum information‐theoretic analysis of the static screened Coulomb potential has been carried out by studying both analytically and numerically the entropic measures, Fisher information as well as the Onicescu information energy of its wave function. Explicit expressions of these information‐theoretic measures were obtained. Using the Srivastava–Daoust linearization formula in terms of the multivariate Lauricella hypergeometric function, the Rényi entropy, Tsallis entropy, Onicescu information energy were analytically obtained. From the results obtained, it is observed that some of the Shannon entropies are negative, indicating that, negative entropies exists for the probability densities that are highly localized. The trends in the variation of the information‐theoretic measures with the potential screening parameter a for this atomic model are discussed. The Bialynicki‐Birula, Mycielski inequality (BBM), and the Fisher information based uncertainty relation are also verified.     

二甲双胍化学反应性的密度泛函理论研究及实验研究

二甲双胍(MET)是一个非常优良的降血糖药,一直是治疗II型糖尿病(T2DM)的首选药物,但其脂溶性较差,也存在引起胃肠道不适等副作用,对其结构修饰和衍生化,特别是将其研制成前药(Prodrug)具有一定的临床意义。为了探明二甲双胍化学反应的性能特点,本文基于密度泛函理论（DFT）开展了二甲双胍的化学内禀性质研究,包括各种可能互变异构体的单点能和量子化学反应性指数。此外,还对各异构体互变过程的过渡态以及它们的反应路径进行了研究。在此基础上,本文还对二甲双胍与亲电试剂的化学反应机理进行了初探,并用化学合成反应来验证,从而让我们能够从理论上弄清楚二甲双胍化学反应的特殊性质。     

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.     

MgF2表面结构稳定性及电子特性的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)研究了MgF₂(010)、MgF₂(001)、MgF₂(011)及MgF₂(110)四种表面10种构型的稳定性和电子特性. 结果表明: 四种表面的邻近表面几层原子均出现了明显的驰豫现象, 终止于单层F原子的表面相对稳定; 进一步对比分析四种表面(终止于单层F原子的稳定构型)的表面能发现, 稳定性依次减弱排列为MgF₂(110)、MgF₂(011)、MgF₂(010)、MgF₂(001); 最稳定的MgF₂(110)表面的态密度显示在费米能级以下较多的成键电子处于低能级区, 同时由于表面的影响, 导致表面F原子电荷聚集显负电性, 促使表面活性增加.     

Alternative Representations of the Correlation Energy in Density‐Functional Theory: A Kinetic‐Energy Based Adiabatic Connection

The adiabatic‐connection framework has been widely used to explore the properties of the correlation energy in density‐functional theory. The integrand in this formula may be expressed in terms of the electron–electron interactions directly, involving intrinsically two‐particle expectation values. Alternatively, it may be expressed in terms of the kinetic energy, involving only one‐particle quantities. In this work, we explore this alternative representation for the correlation energy and highlight some of its potential for the construction of new density functional approximations. The kinetic‐energy based integrand is effective in concentrating static correlation effects to the low interaction strength regime and approaches zero asymptotically, offering interesting new possibilities for modeling the correlation energy in density‐functional theory     

Density Functional Theory Study on Interaction between Catechin and Thymine

The interacting patterns and mechanism of the catechin and thymine have been investigated with the density functional theory Becke's three-parameter nonlocal exchange functional and the Lee, Yang, and Parr nonlocal correlation functional (B3LYP) method by 6-31+G*basis set. Thirteen stable structures for the catechin-thymine complexes have been found which form two hydrogen bonds at least. The vibrational frequencies are also studied at the same level to analyze these complexes. The results indicated that catechin interactedwith thymine by three different hydrogen bonds as N-H…O、C-H…O、O-H…O and the complexes are mainly stabilized by the hydrogen bonding interactions. Theories of atoms in molecules and natural bond orbital have been adopted to investigate the hydrogen bondsinvolved in all systems. The interaction energies of all complexes have been corrected for basis set superposition error, which are from -18.15 kJ/mol to -32.99 kJ/mol. The results showed that the hydrogen bonding contribute to the interaction energies dominantly. The corresponding bonds stretching motions in all complexes are red-shifted relative to that of the monomer, which is in agreement with experimental results.     

Atoms-In-Molecules’ Faces of Chemical Hardness by Conceptual Density Functional Theory

The chemical hardness concept and its realization within the conceptual density functional theory is approached with innovative perspectives, such as the electronegativity and hardness equalization of atoms in molecules connected with the softness kernel, in order to examine the structure–reactivity equalization ansatz between the electronic sharing index and the charge transfer either in the additive or geometrical mean picture of bonding. On the other hand, the maximum hardness principle presents a relation with the chemical stability of the hardness concept. In light of the inverse relation between hardness and polarizability, the minimum polarizability principle has been proposed. Additionally, this review includes important applications of the chemical hardness concept to solid-state chemistry. The mentioned applications support the validity of the electronic structure principles regarding chemical hardness and polarizability in solid-state chemistry.