Theoretical Insights into Intermolecular Hydrogen-Bonding Strengthening in Fluorenone-Methanol Complexes Induced by Electronic Excitation and Bulk Solvent Effect (cited: 1)

This work presents a theoretical insight into the variation of the site-specific intermolecular hydrogen-bonding (HB), formed between C=O group of fluorenone (FN) and O?H groups of methanol (MeOL) molecules, induced by both the electronic excitation and the bulk solvent effect. Through the calculation of molecular ground- and excited-state properties, we not only demonstrate the characters of HB strengthening induced by electronic excitation and the bulk solvent effect but also reveal the underlying physical mechanism which leads to the HB variation. The strengthening of the intermolecular HB in electronically excited states and in liquid solution is characterized by the reduced HB bond-lengths and the red-shift IR spectra accompanied by the increasing intensities of IR absorption corresponding to the characteristic vibrational modes of the O-H and C=O stretching. The HB strengthening in the excited electronic states and in solution mainly arises from the charge redistribution of the FN molecule induced by the electronic excitation and bulk solvent instead of the intermolecular charge transfer. The charge redistribution of the solute molecule increases the partial dipole moment of FN molecule and the FN-MeOL intermolecular interaction, which subsequently leads to the HB strengthening. With the bulk solvent effect getting involved, the theoretical IR spectra of HBed FN-MeOL complexes agree much better with the experiments than those of gas-phase FN-MeOL dimer. All the calculations are carried out based on our developed analytical approaches for the first and second energy derivatives of excited electronic state within the time-dependent density functional theory.     

3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪二聚体分子间相互作用的理论研究

在DFT-B3LYP/6-31G(d)水平下,求得3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪二聚体势能面上3种优化几何构型和电子结构。经基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正,求得分子间最大相互作用能为-38.88kJ/mol。电荷分布与转移分析表明,二子体系间的电荷转移很少,但接触点上氮原子和氢原子电荷变化比较大。由自然键轨道(NBO)分析揭示了分子间相互作用的本质。对优化构型进行振动分析,并基于统计热力学求得200.0~800.0 K温度范围从单体形成二聚体的热力学性质变化,发现二聚主要由强氢键所贡献,二聚过程在较低温度或常温下能自发进行。     

有机π共轭配体溶剂化效应与分子间相互作用的理论研究

采用可极化的连续介质模型(PCM), 运用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-31+G^**水平下研究了溶剂极性对有机π共轭配体N,N'-Bis-(3-pyridyl)ethylene-bis-urea(BPEBU)中syn-anti构象的分子几何和电子结构的影响, 并借助分子动力学模拟的方法, 采用明确溶剂模型研究了溶质-溶剂分子间的相互作用. 密度泛函理论计算结果表明, 随着溶剂极性的增强, BPEBU中尿素基上的CO键和N-H键以及吡啶环上的C-N键被明显极化, 使羰基氧原子和吡啶氮原子的电负性明显增强, 尿素基的N-H键上氢原子的正电荷也显著增加. 分子动力学模拟统计的结果表明, 在极性较强的乙醇溶液中, 有明确的O…H-O, N…H-O和N-H…O等3种氢键作用存在, 而在丙酮溶液中, 只有N…H-O一种氢键作用存在, 而且与乙醇溶液中的N…H-O作用相比要弱些. 另外, 采用密度泛函理论方法结合连续/明确的混合溶剂模型, 优化得到了溶质-溶剂三聚体的超分子簇结构, 与分子动力学模拟的第一溶剂层中的超分子结构相比, 两者定性一致.     

Effect of Solvent Polarity on Excited-State Double Proton Transfer Process of 1, 5-Dihydroxyanthraquinone

The excited-state double proton transfer (ESDPT) properties of 1, 5-dihydroxyanthraquinone (1, 5-DHAQ) in various solvents were investigated using femtosecond transient absorption spectroscopy and the DFT/TDDFT method. The steady-state fluorescence spectra in toluene, tetrahydrofuran (THF) and acetonitrile (ACN) solvents presented that the solvent polarity has an effect on the position of the ESDPT fluorescence emission peak for the 1, 5-DHAQ system. Transient absorption spectra show that the increasing polarity of the solvent accelerates the rate of excited state dynamics. Calculated potential energy curves analysis further verified the experimental results. The ESDPT barrier decreases gradually with the increase of solvent polarity from toluene, THF to ACN solvent. It is convinced that the increase of solvent polarity can promote the occurrence of the ESDPT dynamic processes for the 1, 5-DHAQ system. This work clarifies the mechanism of the influence of solvent polarity on the ESDPT process of 1, 5-DHAQ, which provides novel ideas for design and synthesis of new hydroxyanthraquinone derivatives.     

TD-DFT Studies on Electronic and Spectral Properties of Platinum(II) Complexes with Phenol and Pyridine Groups

The molecular structures of the ground and the lowest triplet states for a series of Pt(II) complexes PtLCl(1)[L=6-(2-hydroxyphenyl)-2,2′-bipyridine], Pt(pp)₂[pp=2-(2-hydroxyphenyl)pyridine](2), PtbpyCl₂(bpy=2,2′- bipyridine)(3), and the free tridentate L ligand(4) were optimized by the density functional theory B3LYP and UB3LYP methods, respectively. On the basis of optimized geometries, the spectral properties were investigated with time-dependent density functional theory(TD-DFT). In comparison with those of complexes 2 and 3, the more rigid structure of complex 1 together with its low rate of the radiationless decay via nonemissive d-d state leads to higher photoluminescence quantum efficiency. And the phosphorescence quantum efficiency of complex 1 can be easily controlled by modifying auxiliary ligands. The introduction of fluorine ligand into complexes can effectively increase the radiation transition rate and decrease the radiationless d-d transition rate, and as a result, a novel complex PtLF(5) might be a good phosphorescent material suitable for organic electronic devices.     

NTO二聚体分子间相互作用的理论研究

在DFT-B3LYP/6-311＋＋G**水平上求得NTO二聚体势能面上六种优化构型和电子结构. 经基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正, 求得分子间最大相互作用能为－53.66 kJ/mol. 二子体系间的电荷转移很少. 由自然键轨道分析揭示了相互作用的本质. 对优化构型进行振动分析, 并基于统计热力学求得200.0～800.0 K温度范围从单体形成二聚体的热力学性质变化. 发现二聚主要由强氢键所贡献, 但结合能大小并不为氢键所完全决定. 二聚过程在较低温度或常温下能自发进行.     

芴-硫芴共聚物的电子结构和光谱性质的理论研究

用DFT-B3LYP方法对低聚物(PF30T)_n [n(芴)∶n(硫芴)＝2∶1, 物质的量之比, n＝1～4], (PF50T)_n [n(芴)∶n(硫芴)＝1∶1, 物质的量之比, n＝1～4]体系全优化, 得到两系列低聚物的电离能(IP_(a,v))、电子亲和势(EA_(a,v))、空穴抽取能(HEP)、电子抽取能(EEP). 在此基础上用ZINDO和TD-DFT方法计算吸收光谱, 分析了两个系列的HOMO-LUMO能隙随着n递增的变化趋势及硫芴含量对低聚物电子结构和光谱性质的影响, 推断了高聚物的电子和光谱性质. 用ab initio CIS方法优化了低聚物的S₁激发态结构并分析了其与发射光谱的关系. 研究显示: 2,8位引入的硫芴基团, 破坏了链的共轭, 而且随着硫芴含量的增加, HOMO-LUMO能隙变大, 光谱蓝移; 激发态结构趋于共面化.     

水溶液中碳酸铀酰化合物的电子结构

应用相对论密度泛函理论系统研究了水溶液中非水合化和水合化碳酸铀酰化合物Cn/m(其中n和m分别为结构中碳酸配体和水配体的个数)的结构.溶剂效应采用类导体屏蔽模型(COSMO),并采用零级规整近似(ZORA)方法考虑标量相对论效应和旋-轨耦合相对论效应.电子跃迁采用包含旋-轨耦合相对论效应的含时密度泛函理论并在相关交换势中采用轨道势能统计平均(SAOP)做近似计算.结果表明碳酸配体对配合物结构和电子跃迁有很大的影响.C3/0配合物的稳定性可归于5f轨道参与了高占据轨道的成键作用.增加碳酸盐配体导致最大波长的蓝移,并在近可见光区域出现高强度的吸收.     

B炸药主要组分TNT和RDX分子间相互作用的理论研究

在B3LYP/6-31G(d)水平上研究了B炸药的主要成分--2,4,6-三硝基甲苯(TNT)与环三亚甲基三硝胺(RDX)分子间的相互作用, 得到了10种TNT＋RDX的全优化构型. 讨论了稳定构型在几何参数、稳定性、红外光谱和电荷分布上的差异. 借助自然键轨道(NBO)理论揭示了TNT与RDX分子间相互作用的本质, 主要由氢键所贡献. 分子间相互作用能在－3.930～－14.652 kJ•mol^－1之间, 经基组叠加误差(BSSE)校正, 相互作用能顺序为VI＞III＞V＞IV＞X＞I＞IX＞II＞VII＞VIII. 对全优化构型进行了热力学性质的分析, 探讨了由单体分子形成混合体系的热力学性质的变化, 结果发现, 形成分子间氢键是个放热过程. 运用Kamlet-Jacobs方程基于理论密度(ρ)估算了混合体系TNT＋RDX的爆轰性质爆速(D)和爆压(p), 与文献值进行比较表明理论计算方法和结果是可靠的.     

Theoretical Study on the Structures and Properties of Hydrogen Bonding Complexes between Diazines and Water

Density functional theory B3LYP method and second-order Moller-Plesset perturbation theory MP2 method were employed to obtain the optimized geometries of the ground state and interaction energy for diazines and water complexes. The results show that the ground state complexes have strong hydrogen bonding interaction with -20.99, -16.73 and -15.31 kJ/mol after basis set superposition error and zero-point vibration energy correction for pyridazine-water, pyrimidine-water and pyrazine-water, respectively, and large red-shift for the symmetric H-O stretching vibration frequencies due to the formation of N…H-O hydrogen bond in the diazine-water complexes. The NBO analysis indicates that intermolecular charge transfer are 0.0316, 0.0255 and 0.0265 e respectively. In addition, the first singlet （n,n＊） vertical excitation energy of the monomer and the hydrogen bonding complexes between diazines and water was investigated by time-dependent density functional theory.     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮与NH3及H2O分子间相互作用的理论研究

在DFT-B3LYP/6-311＋＋G**水平上, 求得3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)/NH₃和NTO/H₂O两种超分子体系势能面上5种全优化构型. 经基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正, 求得NTO与NH₃和H₂O的分子间最大相互作用能依次为－37.58和－30.14 kJ/mol, 表明NTO与NH₃的分子间相互作用强于与H₂O的作用. 超分子体系中电子均由NH₃或H₂O向NTO转移, 相互作用能主要由强氢键所贡献, 由自然键轨道分析揭示了相互作用的本质. 对优化构型进行振动分析, 并基于统计热力学求得200.0～800.0 K温度范围从单体形成超分子的热力学性质变化. 发现由NTO和NH₃形成超分子II和III在常温下可自发进行; 而NTO和H₂O只在低温下才能自发形成IV, V和VI超分子.     

用GGA密度泛函及其长程、色散校正方法计算各类氢键的结合能

应用广义梯度近似(GGA) (PW91和PBE)、含动能密度的广义梯度近似(meta-GGA) (M06-L)、杂化泛函(hyper-GGA)(M06-2X、X3LYP和B3LYP)及其长程校正泛函LC-DFT(CAM-B3LYP、LC-ωPBE和ωB97X)和色散校正密度泛函(DFT-D)(ωB97X-D和B97-D),用多种基函数对15种不同强度的传统氢键和非传统氢键体系的结合能进行了系统的计算与分析.并与高精度的CCSD(T)/aug-cc-pVQZ结果比较发现:在上述各类泛函中,对于氢键结合能的计算M06-2X和ωB97X-D泛函较为精确与可靠,且没有必要使用过大的基函数,6-311++G(2d,2p)或aug-cc-pVDZ水平的基组就已足够,各类泛函所计算结合能的基组重叠误差(BSSE)均较小,除ωB97X和ωB97X-D外,其它9种泛函不经BSSE校正也能得到同样甚至更准确的结果.     

水和甲醇混合溶剂氢键相互作用及对高分子链溶解能力的理论研究

用密度泛函理论对水和甲醇混合溶剂体系的氢键结构进行了详细研究.通过构象和频率分析发现在水团簇中五聚体和六聚体环状结构最为稳定,同时发现一个全新的特征,即甲醇分子能与水五聚体和六聚体形成双氢键.根据各相互作用的稳定化能,分析了水和甲醇混合溶剂对PNIPAM溶解能力的影响,并对实验现象给予了合理解释.     

s-四嗪-水簇复合物的理论研究

用量子化学B3LYP方法和6-31＋＋G**基函数研究了s-四嗪-水簇复合物基态分子间相互作用, 并进行了构型优化和频率计算, 分别得到无虚频稳定的s-四嗪-(水)₂复合物、s-四嗪-(水)₃复合物和s-四嗪-(水)₄复合物6个、9个和12个. 复合物存在较强的氢键作用, 复合物结构中形成一个N…H—O氢键并终止于O…H—C氢键的氢键水链构型最稳定. 经基组重叠误差和零点振动能校正后, 最稳定的1∶2, 1∶3和1∶4(摩尔比)复合物的结合能分别是41.35, 70.9和 94.61 kJ/mol. 振动分析显示氢键的形成使复合物中水分子H—O键对称伸缩振动频率减小(红移). 研究表明N…H键越短, N…H—O键角越接近直线, 稳定化能越大, 氢键作用越强. 同时, 用含时密度泛函理论方法在TD-B3LYP/6-31＋＋G**水平计算了s-四嗪单体及其氢键复合物的第一¹(n, p*)激发态的垂直激发能.     

氢卟啉和镁卟啉分子溶剂效应的理论研究

采用溶剂场极化连续模型在密度泛函B3LYP/6-31G (D)水平上研究了氢卟啉和镁卟啉分子在四氢呋喃(THF)、二甲基亚砜(DMSO)、二氯甲烷(CH2Cl2)、氯仿(CHCl3)这四种不同极性的溶剂环境中的几何结构和分子轨道能级, 从而研究了溶剂效应引起的分子几何构型和轨道能级的变化. 然后采用上述溶剂环境下优化的几何结构在含时密度泛函水平上计算了它们的激发能、吸收波长、跃迁组成和振荡强度. 理论计算结果表明, 对比真空条件下的氢卟啉和镁卟啉分子的几何结构, 溶剂场中两种卟啉分子的几何结构都发生了微弱的变化, 这种变化随溶剂介电常数的增大而有所增强. 计算结果表明溶剂环境中氢卟啉和镁卟啉分子的电子吸收光谱发生了普遍的红移, 结合分子轨道理论对这种变化给出了可能的解释. 在此基础上, 对这种包含溶剂效应的理论分析方法用于检验卟啉类化合物作为染料敏化太阳能电池光敏剂的可行性作了进一步的探讨.     

HCN(HNC)与NH3, H2O和HF分子间相互作用的理论研究

在MP2/aug-cc-pVTZ水平上, 对HCN(HNC)与NH3, H2O和HF分子间可能存在的氢键型复合物进行了全自由度能量梯度优化, 通过在相同水平上的频率验证分析发现了稳定的分子间相互作用形式是HCN(HNC)作为质子供体或作为质子受体形成的复合物. 基组重叠误差对总相互作用能的影响均小于3.34 kJ/mol. 通过自然键轨道(NBO)分析, 研究了单体和复合物中的原子电荷和电荷转移对分子间相互作用的影响. 对称性匹配微扰理论(SAPT, Symmetry Adapted Perturbation Theory)能量分解结果表明, 在分子间相互作用中, 静电作用与诱导作用占主导地位, 而诱导作用与复合物的电荷转移之间具有良好的正相关性.     

硝酸碳酰肼合钴、镍、铜含能配合物结构和性质的理论研究

对硝酸三碳酰肼合钴([Co(CHZ)₃](NO₃)₂)、硝酸三碳酰肼合镍([Ni(CHZ)₃](NO₃)₂)和硝酸二碳酰肼合铜([Cu(CHZ)₂(NO₃)₂])进行密度泛函理论计算研究, 获得其稳定分子的几何构型、电子结构、红外光谱以及热化学性质. 研究结果表明, 这三种配合物均表现出六配位八面体结构, 而铜配合物中的硝酸根参与了配位. 自然键轨道分析表明, 配体和金属离子之间存在供体-受体相互作用, 致使配位氨基N—H键上的成键轨道电子发生离域, 进而导致氨基N—H键的电子占据数降低、键长增大、键级减小、伸缩振动频率红移, 这与实测红外光谱变化规律很好地吻合. 标题化合物的金属离子均为＋1氧化态, 金属-氮配位键都是共价键, 而Cu—O配位键是离子键. 通过计算求得理论反应热, 预测这些配合物的合成均为放热反应; 由生成热大小推测标题物的稳定性次序为[Ni(CHZ)₃](NO₃)₂＞[Co(CHZ)₃](NO₃)₂＞[Cu(CHZ)₂(NO₃)₂], 与实测热稳定性次序完全吻合.     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮与NH3及H2O分子间相互作用的理论研究

在DFT—B3LYP／6—311 G^**水平上,求得3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)／NH3和NTO／H2O两种超分子体系势能面上5种全优化构型．经基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正,求得NTO与NH3和H2O的分子间最大相互作用能依次为-37．58和-30．14kJ／mol,表明NTO与NH3的分子问相互作用强于与H2O的作用．超分子体系中电子均由NH3或H2O向NTO转移,相互作用能主要由强氢键所贡献,由自然键轨道分析揭示了相瓦作用的本质．对优化构型进行振动分析,并基于统计热力学求得200．0～800．0K温度范围从单体形成超分子的热力学性质变化．发现由NTO和NH3形成超分子Ⅱ和Ⅲ在常温下可自发进行;而NTO和H2O只在低温下才能自发形成Ⅳ,Ⅴ和Ⅵ超分子．     

六配位锇（IV）卟啉中的轴向配体效应

使用密度泛函理论和定性轨道分析方法研究了六配位锇(Ⅳ)叶啉络合物[Os(por)L_2](L=CH_3,OCH_3,SCH_3,SeCH_3,Cl,Br,I)中不同的轴向配体对络合物的结构和磁性的影响.结果表明,不同性质的轴向配体对锇的两个e_g轨道(即d_(xz)和d_(yz))的影响不同,导致锇具有不同的电子组态:(1)当轴向配体为反位影响很强的CH_3时,L—Os—L弯曲,这种弯曲导致d_(xz)和d_(yz)轨道能级分裂,整个络合物表现为弯曲抗磁;(2)当轴向配体为反位影响很弱的OCH_3,SCH_3,SeCH_3以及卤素Cl,Br,I时,L—Os—L均保持线性,其中单面π供体性较强的SCH_3,SeCH_3,使得d_(xz)和d_(yz),轨道能级有较大的分裂,络合物呈线性抗磁;单面π供体性较弱的OCH_3,其d_(xz)和d_(yz)轨道能级分裂较小,整个络合物呈线性顺磁;卤素则由于其双面π供体的等同性,使得它对d_(xz)和d_(yz)轨道的影响一样,其简并性仍得以保持,络合物也表现为线性顺磁.     

8-羟基喹啉过渡金属配合物电子光谱和二阶非线性光学性质的 DFT研究

使用含时密度泛函理论(TDDFT)B3LYP方法计算了IB, IIB, VIIIB过渡金属与8-羟基喹啉络合(MQ)后, 配合物的电子光谱以及二阶非线性光学性质. 结果表明, 掺杂过渡金属后, 形成络合物的能隙值减小100～150 kJ/mol, 最大吸收波长红移150～200 nm左右. 电子从基态到激发态的跃迁主要为p→p*, n→p*跃迁, 属于LLCT, MLCT过程. IB的络合物MQ以及VIIIB的络合物MQ3表现出良好的非线性光学性质.