通过价层电子密度分析展现分子电子结构（英文）

迄今已有众多实空间函数被提出用来揭示化学上感兴趣的分子电子结构特征,例如化学键、孤对电子和多中心电子共轭。在这些分析方法中,电子定域化函数(ELF)、电子密度的拉普拉斯(▽~2p)和变形密度(rdef)被广泛用于实际研究。众所周知,分析分子的总电子密度无法像以上提及的方法那样展现出与分子电子结构有关的丰富的信息。但是,在本文中,通过数个实例以及通过与ELF、▽~2p和rdef的对比,我们指出若只关注价层电子密度分布,分子电子结构特征也是可能被探究的。我们发现对大多数情况,对非常简单的价层电子密度的分析也可以给出与ELF、▽~2p和rdef分析类似的信息,并且这种分析具有计算复杂度更低的额外优点。我们希望本文的工作可以使得化学家们关注长期被忽视的价层电子密度所具有的重要价值。也值得注意的是,价层电子密度分析并非完全没有缺点,当这种方法无法提供丰富信息的时候,研究者仍需借助于其它类型的分析手段。     

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.     

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。     

电子定域函数(ELF)理论方法简介——一种描述化学键的新模型

电子定域函数理论可以清晰和定量化描述理论化学研究的基本对象——化学键,已在原子、分子及固体体系中得到广泛应用。本文系统介绍了电子定域函数(ELF)理论方法的基本物理思想;对ELF函数的一些特点如数值稳定性、ELF与分子中的原子理论(AIM理论)方法的异同及ELF的拓扑分析进行了说明;对电子定域函数在研究原子壳层结构、化学键的性质、孤对电子的位置、反应过程化学键的断裂和生成等方面的应用进行了介绍。     

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.     

HMTTeF-TCNQF4的电导与化学结合

用化学方法合成出HMTTeF-TCNQF₄,组成比为1.07:1,测定氮1s电子的X射线光电子能谱(XPS),得电荷转移量ρ_XPS=0.74;测定拉曼光谱,得ρ_Ram=0.75,HMTTeF分子只有失去中心共轭π电子的离子化,而无碲原子失去孤电子的离子化,在固体中存在的价态形式为:([HMTTEF]⁺_0.79+[HMTTeF]⁰_0.28·([TCNQF₄]^-_0.79+[TCNQF₄]⁰_0.21),这与该物质电导率较高的事实相符。     

Al6ONa2组装Zintl相晶体的理论研究

结合遗传算法和从头算方法确定了Al₆ONa₂的低能异构体. 揭示了以非金属为中心的Al-Na团簇的幻数行为. 金属团簇离域的凝胶轨道和非金属原子的价轨道作用形成定域在O原子上的成键轨道和离域在整个团簇上的反键轨道, 26个价电子形成s ²p ⁶S ²P ⁶D ¹⁰的闭合壳层强幻数电子结构. Al₆O ^2-与Na ⁺通过离子键结合, Al₆O ^2-的电子结构符合Wade-Mingos规则. 基于超原子阴离子Al₆O ^2-具有较强的热稳定性和化学惰性, 组装了具有Pn \bar{3} m和Fd \bar{3} m空间群的AB₂型晶体结构, Al₆ONa₂团簇的结合能为-23.44 eV, 组装结构中团簇单元间的相互作用能分别为-1.19和-1.53 eV. 晶体结构的电子结构分析表明, 2种组装晶体均为宽带隙半导体. 声子色散曲线和弹性常数的计算表明组装晶体具有良好的动力学稳定性.     

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。     

4-(4-羧基苯氧基)间苯二甲酸构筑的过渡金属配位聚合物: 合成、 晶体结构、 荧光传感与光催化

采用水热法合成了4个配位聚合物[Zn(Hcpoia)(2,2'-bpy)·H₂O]_n(1)和[M(Hcpoia)(phen)]_n·nH₂O[M=Zn(2), Mn(3), Co(4); H₃cpoia=4-(4-羧基苯氧基)间苯二甲酸; 2,2'-bpy=2,2'-联吡啶; phen=1,10-邻菲罗啉], 利用X射线单晶衍射分析确定了配合物的晶体结构. 配合物1为一维链状结构, 中心Zn ²⁺离子的配位环境为[ZnO₄N₂]扭曲的八面体构型, 配体Hcpoia ^2-以μ₁∶η ¹η ⁰和μ₁∶η ¹η ¹配位模式桥连相邻的Zn ²⁺离子. 配合物2和4的结构与配合物1类似, 是由配体Hcpoia ^2-以μ₁∶η ¹η ⁰和μ₁∶η ¹η ¹配位模式联接[MO₄N₂]结构单元而形成的一维链状结构. 配合物1, 2和4中均存在分子间氢键(O—H…O), 氢键的存在使一维链连接形成二维超分子结构. 配合物3为二维网状结构, Mn ²⁺离子的配位环境为[MnO₄N₂]扭曲的八面体构型, 配体Hcpoia ^2-以μ₂∶η ¹η ¹配位模式桥连相邻Mn ²⁺离子形成[Mn₂COO₂]结构单元, 该结构单元被Hcpoia ^2-连接形成二维结构. 在4个配合物中, 2,2'-bpy和phen配体均以端基的形式与金属离子螯合配位. 研究了水溶液中抗生素分子和Fe ³⁺离子对配合物1与荧光强度的影响, 实验结果表明, 甲硝唑、 Fe ³⁺离子对配合物1有荧光猝灭作用, 并进一步考察了甲硝唑浓度和Fe ³⁺离子浓度对配合物1荧光强度的影响. 基于荧光猝灭机理, 配合物1可以用作荧光传感器检测水溶液中的甲硝唑和Fe ³⁺离子. 研究了配合物4对罗丹明B(RhB)的催化降解性能, 发现在氙灯照射和H₂O₂存在条件下, 配合物4对RhB具有较好的光催化降解作用.     

胺草磷的晶体结构

胺草磷晶体,属三斜晶系,空间群为C_i¹-P1,晶胞中含两个分子,晶体学数据为:a=8.636(1),b=10.483(2),c=10.694(2)Å;α=110.92(1)°,β=111.27(1)°,γ=98.97(1)°;V=796.2(3)ų,D_c=1.33g/cm³,F(000)=336;μ(MoK_α)=3.2cm^-1。此结构用直接法解出,最后的R因子为:R₁=O.055,R₂=0.047。胺草磷分子中的磷原子形成四个四面体向的化学键,其中P-S键含有相当高的双键成分,这意味着磷原子的3d轨函参与成键。     

溶液表面吸附实验的再讨论

In the solution adsorption experiment, different adsorption mode has been observed for aqueous ethanol and aqueous n-butanol, respectively. However, it is difficult to make an adjustment by the profiles of σ-c relationship. Choosing the experimental conditions improperly will give wrong results. Since there is no consistency between the Gibbs adsorption isotherm and Langmuir adsorption isotherm, the experimental data should not be fitted by using any algebraic equations or physical models. The data fitting for this experiment should be carried out according to the following steps:fitting the σ-lnc curve manually, making it monotonic and smooth; retrieving more data from this fitting curve, and re-plotting the σ-lnc curve; calculating the first derivatives at these data points (i.e., (∂σ/∂lnc)_T); calculating surface adsorptions by Gibbs adsorption isotherm, Γ=-(∂σ/∂lnc)_T/RT. As for the calculation of the cross-section area for the solute molecule, the effect of concentration of bulk solution (i.e., c) on the surface molecular density should be taken into account.     

从头计算方法比较研究B_2Au_4,Al_2Au_4和BAlAu_4的几何和电子结构(英文)

Au/H相似性的研究是现代化学中的一个热门话题.我们从理论上报道Au/H相似的新成员:共价化合物B2Au4,离子化合物Al2Au4和BAl Au4.采用密度泛函和波函数理论方法对比研究了缺电子体系B2Au4、Al2Au4和BAl Au4的几何和电子结构.详细讨论了它们基态结构的轨道、适应性自然密度划分(Ad NDP)和电子局域函数(ELF)分析.计算结果表明稍微扭曲变形的C2B2Au4是基态结构,在这个共价化合物中含有两个B―Au―B三中心二电子(3c-2e)键.然而C3vAl+(Al Au4)-和C3vAl+(BAu4)-被研究证明是含有三个X―Au―Al三中心二电子键的类盐化合物(在Al2Au4中X=Al,BAl Au4中X=B).Al2Au4和BAl Au4是至今为止首例报道的在离子缺电子体系中含有金桥键的化合物.同时计算了B2Au4-、Al2Au4-和BAl Au4-阴离子基态结构的绝热剥离能和垂直剥离能,为实验表征提供依据.文中报道的金桥键为共价键和离子键相结合的缺电子体系提供了一个有趣的键合模式,有助于设计含有高度分散金原子的新材料和催化剂.     

Atomic and molecular absorption spectra of indium in air-acetylene flame

Absorption spectra of both atomic and molecular species in the air-acetylene flame, which are produced when the aqueous solutions of indium dissolved in HNO₃, HF, HCl, HBr and HI were aspirated into the flame, have been investigated in the u.v. region. Numerous atomic absorption lines of indium have been observed in the absorption spectra. Most of these lines were previously listed only as emission lines. Those atomic lines have been ascribed to the electronic transitions from the ground states of 5p ²P_1/2⁰ and 5p ²P_3/2⁰ to the excited states such as ls ²S_1/2, md ²D_3/2, nd ²D_5/2, 4p^{2 4}P_1/2, 4p^{2 4}P_3/2 and 4p^{2 4}P_5/2, respectively, where 13 l 6 and 14 m,n 5. The molecular absorption bands for InF, InCl and InBr in the airacetylene flame have been also observed near 234 nm, 267 nm and 282 nm, respectively, as the electronic transition of ¹Σ⁺ → ¹Π₁ Those absorption bands show fine structures due to the molecular vibrations. The spectral parameters for the molecular vibrations have been obtained from the simulations of the observed spectra. The molecular absorption band for InI was not observed because of the decomposition of the molecule in the flame. In addition, the molecular absorption band for InO has been observed near 273 nm and those for NO near 205 and 215 nm.     

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。     

Hybrid density functional studies on the EPR parameters of heterosubstituted vinyl radicals: substituent effect on the isotropic hyperfine couplings with H and C nuclei

Isotropic hyperfine parameters of a set of vinyl radicals are investigated using the B1LYP hybrid density functional. The systems studied are RH_βC_β=CH radicals, where R=H, BH₂, CH₃, NH₂, OH and F. Theoretical results indicate that electronegativity of the substituent strongly affects the magnitude of hyperfine coupling with hydrogen nuclei as well as with ¹³C_β. A_iso(¹³C_β) varies from −8.7 (4.9) to 17.4 G (−17.8 G) for Z (E) isomers of the radicals depending on the R group, BH₂ and F, respectively. In the same order, for Z (E) isomeric forms A_iso(¹H_β) diminishes from 40.1 (67.7) to 18.4 G (40.9 G) and A_iso(¹H) – from 25.6 (24.1) to 1.5 G (1.3 G). The effect of the substituents on the spin and electron density distribution is discussed in the framework of natural population analysis and theory of atoms in molecules.     

An improved synthetic method and vibrational study of (pentamethylcyclopentadienyl) dicarbonylrhenium dihalides (η-C5Me5)Re(CO)2X2 (X = C1, Br and I)

An improved synthetic method has been found for the preparation of the pentamethylcyclopentadienyl rhenium dicarbonyldihalide complexes. From the reaction of (η⁵-C₅Me₅)Re(CO)₃ with Br₂ or I₂ in THF-H₂O a mixture of cis and trans isomers of (η⁵-C₅Me₅)Re(CO)₂X₂ X = Br and I is formed. On the other hand, the reaction of [(η⁵-C₅Me₅)Re(CO)₃C1][SbC1₆] in water gives the cis-(η⁵-C₅Me₅)Re(CO)₂C1₂ complex. The solid IR spectra of the dicarbonyldihalide complexes are recorded and an assignment of the normal modes in terms of local symmetry is suggested by comparison with those observed in analogous molecules. A normal coordinate analysis performed using a modified general valence force field and considering simplified models, confirms most of the experimental assignments. The set of valence force constants reflects the structure of the isomers under study.     

螺吡喃激发态的反应活性

研究了6′-硝基-1,3,3-三甲基吲(口乃木)苯骈螺吡喃,Ⅰ,和6′-硝基-1-苯基-3,3-二甲基吲(口乃木)苯骈螺吡喃,Ⅱ,的光化学,Ⅰ的直接光解和敏化光解均得到份菁结构的光解产物Ⅲ,量子产率分别是0.42和0.32.Ⅱ直接光解时生成相应的有色光解产物Ⅳ,量子产率是0.40,氮杂蒽酮为敏化剂的敏化光解量子产率是0.58,无疑地,单线态和三线态均参予螺吡喃的发色反应,用这些结果和折算关系式得到,在Ⅰ的直接光解中,Ⅲ主要来自单线态,而在Ⅱ的直接光解中,Ⅳ主要来自三线态.从Ⅰ或Ⅱ的敏化联乙酰燐光实验中求得三线态参数.它们是:φ_ISC^Ⅰ＝0.11,φ_ISC^Ⅱ＝0.48;³K_dt^Ⅰ＝3×10⁴秒^-1,³K_dt^Ⅱ＝9×10⁴秒^-1,类似地,³K_r^Ⅰ＝0.12×10⁴秒^-1,³K_r^Ⅱ＝2.52×10⁴秒^-1,这样,³φ_r^Ⅰ值较小是由于³φ_ISC^Ⅰ值较小,而三线态寿命随结构变动不大.最后,取苯乙烯为模型,用它的电子能量与乙烯双键扭曲角度关系图推断出,来自单线态的双离子具有螺环构型,而来自三线态者具有平面状构型.     

球形表面富锰MnxCo3−xO4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NOx研究

采用共沉淀法制备了高比表面积的Mn_xCo_3−xO₄球形催化剂,研究了NH₃选择性催化还原NO_x性能。Mn-Co金属氧化物具有尖晶石结构,随着Co含量的增加,晶体结构由四方相转变为立方相。高浓度的表面活性氧物种和变价元素的强有效电子转移(Co³⁺ + Mn³⁺ ↔ Co²⁺ + Mn⁴⁺)有利于提高Mn_xCo_3−xO₄ (x = 1.0、1.5、2.0)尖晶型石催化剂的氧化还原能力,催化剂表面的Mn富集作用形成了氧缺陷结构和丰富的表面活性位点,进一步促进SCR脱硝反应,呈现出优异的催化性能。Co_tet(CoMn)_octO₄晶体结构中,Mn离子(Mn³⁺和Mn⁴⁺,以三价锰为主)和部分Co离子被配置到八面体中心,这些物种作为活性位点存在着较强的电子转移交互作用,该构型对促进低温脱硝活性和保护活性位点耐受SO₂毒害具有重要的意义。Mn-Co尖晶石表面的NH₃-SCR脱硝反应过程主要遵循Eley-Rideal反应机理,即吸附态NH₃与气态NO (或NO₂)的反应路径。随着反应温度的增加,反应生成的NH₄NO₃中间体很可能转化为NH₄NO₂物种,进而分解为N₂,提高了催化剂的氮气选择性。     

A theoretical study of the intramolecular interaction between proximal atoms in planar conformations of biphenyl and related systems

The nature of the interaction between proximal hydrogens in planar biphenyl has been recently a matter of debate as arguments in favor of and against the existence of “H–H” bonding have been recently put forward. This issue is addressed here through the study of both the electron density ρ(r) and the electron localization function (ELF) η(r) obtained in quantum calculations on molecular systems with F atoms replacing hydrogens in the moiety that presents this interaction. The analysis of geometries and properties of ρ(r) and η(r) at both planar and twisted equilibrium conformations of those systems along with biphenyl, permits to get information on this intramolecular interaction that is compared with the use of the traditional chemical concepts (steric hindrance and π-resonance effects) involved. It is shown that although the ELF gives information compatible with these classical terms, this does not preclude the existence of bonds between proximal atoms with features rather similar to those of well-established intramolecular hydrogen bonds.     

电子定域化函数的含义与函数形式

电子定域化函数(ELF)是研究电子结构的重要工具.本文介绍了电子定域性的概念,从电子对密度和动能密度两个角度详细讨论了ELF的物理意义与其函数形式的联系,并将ELF推广到自旋极化形式.通过实例分析,指出了参考项在ELF 中起到了关键性作用.对两种自旋极化形式的ELF 的比较发现:CheckDen 和TopMoD程序中使用的形式并不合理,明显低估了单电子区域的定域性.最后指出了一些文献由于对ELF函数的错误理解而在引用时出现的错误.