关于副本交换分子动力学模拟复杂化学反应的研究

本文研究用温度副本交换分子动力学(T-REMD)和哈密顿副本交换分子动力学(H-REMD)方法模拟复杂化学反应的问题。使用具有不同活化能和反应能的简单置换反应模型,我们检验了上述两种方法用来预测反应平衡产物的效率和应用范围。T-REMD方法对具有适度活化能(约< 20 kcal·mol^-1)或者反应能量(< 3 kcal·mol^-1)的放热反应是有效的。由于在相空间的不完整采样,对于同时具有高活化能和反应能量的反应其模拟效率有严重障碍,并且对于吸热反应问题更为显着。另一方面,H-REMD对一系列具有不同活化能的反应能的模型表现出色,与T-REMD相比,H-REMD可以使用更少的副本获得优异的结果。     

单分子水对CH_2SH+NO_2反应机理影响的理论研究

在B3LYP/6-311++G(2df,p)水平下对单分子水参与下的CH_2SH+NO_2反应的微观机理进行了研究.为了获得更准确的能量信息,采用HL复合方法和CCSD(T)/aug-ccpvtz方法进行单点能校正.结果表明,加入单分子水后的CH_2SH+NO_2反应体系,共经过10条不同的反应路径,得到6种反应产物.与裸反应(CH_2SH+NO_2)相比,水分子在反应中起到了明显的正催化作用.不仅使生成产物trans-HONO的能垒(-52.84kJ·mol~(-1))降低了176.94kJ·mol~(-1),而且不需经过复杂的重排和异构化过程便可得到产物cis-HONO.在生成产物cis-HONO通道(Path3和Path4)中,活化能垒分别为143.65和126.70kJ·mol~(-1),而其裸反应的活化能垒却高达238.34kJ·mol~(-1).生成HNO_2的通道中(Path5和Path6)活化能垒分别为295.23和-42.19kJ·mol~(-1).其中Path6的无势垒过程使HNO_2也成为该反应的主要产物.另外,单分子水还可通过氢迁移的方式直接参与CH_2SH+NO_2的反应,活化能垒(TS7-TS10)分别为-10.62,151.03,186.22和155.10kJ·mol~(-1).除直接抽氢通道中的(Path8-Path10)外,其余反应通道均为放热反应,在热力学上是可行的.     

三氟苯乙烯及其二聚体的化学 3.溶剂对α;β;β,-三氟苯乙烯热环化二聚反应动力学参数的影响

在393K下,测定了三氟苯乙烯在六种溶液中的热环化二聚反应的速率常数,并在其中的三种溶液中测定了速率常数的温度依赖性。反应产物为顺式与反式1,2-二苯基全氟环丁烷。反应速率常数根据Arrhenius方程计算,在n-C_6H_(14)溶液中,其logA为6.02±0.18,E_a为19.5±0.3(kcaal·mol~(-1));在乙二醇二甲醚溶液中,logA为5.31±0.19,E_a为18.0±0.3(kcal·mol~(-1));在甲醇溶液中,logA为4.93±0.13,E_a为17.1±0.3(kcal·mol~(-1))。三氟苯乙烯的热环化二聚反应按双自由基机理进行。     

自组装小肽RADA16-1的构象研究

研究自组装小肽RADA16-1的稳定构象具有一定挑战性,为了解决这个问题,分别利用经典分子动力学(MD)模拟方法和温度副本交换分子动力学(REMD)模拟方法进行对比研究.采用CHARMM力场参数,研究小肽RADA16-1在生理温度310 K左右的稳定构象.其中利用REMD完成26 ns时长水溶性小肽RADA16-1的模拟,利用MD完成3次160 ns时长小肽的模拟.之后,对比分析了RADA16-1小肽能量、氢键、回转半径(RGYR)和溶剂可及表面积(SASA)的变化特征.通过模拟结果的对比,发现REMD计算较MD计算能够使用更少的计算量搜索到相对明确的稳定构象信息,从而通过对能量、氢键、RGYR和SASA的结果分析,确定疏水作用和氢键相互作用共同稳定小肽的空间构象.     

氯化1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑离子液体电子结构性质研究

采用密度泛函理论方法 B3LYP/6-311++G(d,p)计算了氯化1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑离子液体气相下几何构型、离子对结合能和二阶微扰稳定化能等。得到了8种不同的稳定结构,不同结构所具有的能量差异最大为11.1 kcal·mol~(-1)。能量最小稳定构型的氯化1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑自然价键前线轨道分析结果表明:超共轭作用主要发生在咪唑环内,LP(1)N1→BD*(2)N4-C5电子离域引起的稳定化能达73.54 Kcal·mol~(-1)。氯阴离子和1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑阳离子作用生成氯化1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑时,轨道对称性匹配占主导作用,阴离子的HOMO轨道与阳离子具有更高能量的非占据σ*轨道相互作用,形成了σ型的C-H…Cl氢键。     

抗癌性钌配合物[HL][trans-Ru~ⅢCl_4L_2](L=2-NH_2-5-Me-STz)的水解机理

用量子化学密度泛函理论(DFT),并结合导体极化连续模型(CPCM)研究了具有潜在抗肿瘤活性的"Keppier型"钌配合物trans-[Ru~ⅢCl_4(2-NH_2-5-Me-STz)2](1)的水解反应过程.首先,在UB3LYP/(LanL2DZ+6-31G(d))理论水平上对水解反应中各平衡构型在气相条件下的有关结构进行全几何优化及振动频率分析;然后,在更高的基组水平LanL2DZ(f)+6-311HG(3df,2dp)上对优化的结构进行单点能计算,并考虑溶剂效应.计算得到水解反应过程中相应的结构特征和详细的反应势能面.对于第一步水解,液相中配合物1的活化能垒为92.9 kJ·mol~(-1),与已经报道的配合物trans.[Ru~ⅢCl_4(2-NH_2-Tz)_2](2)的活化能垒(96.3 kJ·mol~(-1))相接近,并与实验结果相符.对于第二步水解,反应在热力学上优先生成顺式双水解产物,恰如顺铂的水解反应机理一样,存在着所谓"顺式效应".即生成的顺式水解产物有利于其与生物分子靶标的键合,因此,顺式双水解产物在生物反应中有望成为重要的前体药物.本文研究结果有助于深入理解抗癌性Ru(Ⅲ)配合物与相关生物靶标的作用机理.     

不同晶体生长活化能对SrZrO3:Ce发光性能及微观组织影响

以不同沉淀剂的反向共沉淀法制备了SrZrO_3∶Ce纳米粒子;采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重-差热分析(TG-DTA)测试方法,对样品物相、形貌、发光强度及烧结致密化进行了分析,讨论了不同前驱体的热分析动力学。结果表明:用单相和复相沉淀剂制备的前驱体在1 000℃煅烧2 h分别获得分散性良好的棱柱形和近球形SrZrO_3∶Ce粒子,粒径约80和60 nm。利用Doyle-Ozawa积分法和Kissinger微分法分别求出用单相和复相沉淀剂制备的前驱体在不同反应阶段的表观活化能平均值为94.18、69.39、255.72 kJ·mol~(-1)和90.46、51.03、232.35 kJ·mol~(-1),晶体生长活化能为E_(单相)=27.97 kJ·mol~(-1)和E_(复相)=22.53 kJ·mol~(-1),后者的表观活化能和晶体生长活化能都小于前者,表明复合沉淀剂的引入降低了合成能量,提高了粒子活性,所制备样品的发光强度明显优于用单相沉淀剂制备的样品,经1 760℃真空烧结保温4 h后用复相沉淀剂制备的样品的晶粒尺寸均一并达到了致密化。     

MgO活化甲烷碳氢键的密度泛函研究

在B3LYP/6-311 + G（2d, 2p）水平上计算了MgO + CH_4 → Mg+CH_3OH反应的 单态势能曲线。结果发现MgO和CH_4发生相互作用,首先形成两种类型的分子-分子 复合物（MgOCH_4和OMgCH_4）;分子-分子复合物OMgCH_4能发生进一步转化,即 MgO插入到CH_4的C-H键中,产生中间体HOMgCH_3,此中间体在本反应中是能量上最 稳定的构型;它还有可能进一步发生反应,产生原子-分子复合物MgCH_3OH,但其 活化能太高,为299.8kJ·mol~(-1),是整个反应的速率控制步骤;最后一步是 MgCH_3OH放出CH_3OH分子,整个反应放热146.1 kJ·mol~(-1)。     

过氧酸与丙烯及衍生物环氧化反应的机理研究

本文在M06-2X(SMD,H_2O)/6-31++G(d,p)水平下研究了水溶液中过氧甲酸与CH_2XCHCHY(Y=H,X=H,CH_3,Cl及X=H,Y=CH_3,Cl)以及丙烯与ZCOOOH(Z=CF3和CH_3)的环氧化反应。热力学数据表明该环氧化反应是可能的。反应为一步协同机理。反应底物分别为丙烯、丁烯、3-氯丙烯、2-丁烯、氯丙烯时,与过氧甲酸环氧化反应所需要的活化能为:129.7、130.6、139.4、121.2和137.9 kJ·mol~(-1)。过氧酸为过氧乙酸和过氧化三氟乙酸时,与丙烯反应的活化能为136.3和116.7 kJ·mol~(-1)。表明反应在动力学上是可行的。同时,烯烃上取代基X,Y为供电子基团时,反应能垒最小,反应最容易进行。过氧酸上连接吸电基时反应的活化能最低。     

三维无溶剂含能Ag-MOF的制备、热分解动力学及爆炸性能（英文）

溶剂分子的存在会严重降低能量金属-有机框架(EMOFs)材料的爆热和稳定性,开发无溶剂的EMOFs已成为制备高能量密度材料的有效策略。本文将高能的2,3-二(5~(-1)H-四唑基)吡嗪(H2DTPZ)配体与银离子作用在水热条件下制备了一例无溶剂的EMOF [Ag_2(DTPZ)]_n(1)(含氮量:32.58%),并借助元素分析、红外光谱、X射线衍射以及热分析等技术对其组成和结构进行了表征。化合物1中,DTPZ~(2-)配体构型高度扭转并以八齿配位模式桥联Ag+离子形成三维框架结构(ρ=2.812 g·cm~(-3)),配体大的位阻效应和强的配位能力有效阻止了溶剂分子与金属配位或占据框架空腔;同时,不同配体四唑环间强的π–π堆积作用(质心-质心距离为0.34461(1) nm),使得化合物1呈现高的热稳定性(T_e=619.1 K, T_p=658.7K)。热分析研究表明化合物1分解主要发生一步快速失重并伴有剧烈的放热,呈现出潜在的含能特质。通过差示扫描量热(DSC)技术对化合物1的热分解过程进行了非等温热动力学分析(基于Kissinger和Ozawa-Doyle方法)并获得了相应热动力学参数(活化能E_a=272.1 k J·mol~(-1),E_o=268.9 k J·mol~(-1);lgA=19.67 s~(-1))。进一步基于升温速率趋于0时的分解峰温和外延起始温度,计算得到了相关热力学参数(活化焓?H≠=266.9 k J·mol~(-1),活化熵?S≠=125.4 J·mol~(-1)·K~(-1),活化自由能?G~≠=188.3 k J·mol~(-1))以及热爆炸临界温度(T_b=607.1 K)和自加速分解温度(T_(SADT)=595.8 K),结果表明该化合物具有良好的热安全性,其分解属非自发的熵驱动过程。借助精密转动弹热量计测定了化合物1的恒容燃烧能(Q_v)并计算得其标准摩尔生成焓为(2165.99±0.81) k J·mol~(-1)。爆轰和安全性能测试表明,化合物1对撞击和摩擦均不敏感,爆热值达10.15 k J·g~(-1),远高于常见硝铵类炸药奥克托金(HMX)、黑索金(RDX)和2,4,6-三硝基甲苯(TNT),是一例有前景的高能钝感含能材料。     

Cu_2O(111)催化水煤气变换反应机理的理论研究

采用密度泛函理论结合周期平板模型方法系统地研究了水煤气变换反应在Cu_2O(111)表面上的反应机理,包括氧化还原机理、羧基机理和甲酸根机理.结果表明,在Cu_2O(111)表面,羧基机理和甲酸根机理均可行,且甲酸根机理更为有利,其最佳反应途径为H_2O~*→H~*+OH~*;CO(g)+H~*+OH~*→trans-HCOOH~*(1)→cis-HCOOH~*→CO_2~*+H_2(g).其中trans-HCOOH~*(1)→cis-HCOOH~*为其决速步,该基元反应的能垒仅为59 kJ·mol~(-1).羧基机理的最优反应路径同样是以H_2O的解离反应开始,随后CO(g)+OH~*→cis-COOH~*→trans-COOH~*→CO_2(g)+H~*,最后产生的两个吸附的H原子先迁移再结合生成H_2,整个反应的控速步骤为H原子的迁移,迁移能垒为96 kJ·mol~(-1).氧化还原机理则由于OH解离需要越过一个很高的能垒(254 vs.187 kJ·mol~(-1))而不可行.     

花生壳纤维素的制备及其对水中亚甲基蓝吸附的研究

本文以废花生壳为原料制备了花生壳纤维素并将其用于去除水中亚甲基蓝染料。系统考察了溶液的p H值,亚甲基蓝的初始浓度,吸附时间,吸附温度以及溶液离子强度对亚甲基蓝吸附性能的影响。结果表明:pH=9时,花生壳纤维素对亚甲基蓝的吸附效果最佳,饱和吸附容量q_m为156.2 mg·g~(-1);吸附热力学研究表明,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。吸附过程焓变ΔH为-44.74 k J·mol~(-1),ΔS为-137.9 J·mol~(-1)·K~(-1),ΔG0,表明花生壳纤维素对亚甲基蓝的吸附过程是自发的放热过程;吸附过程可在20 min内达到平衡,符合准二级动力学模型;其吸附过程的活化能Ea=82.6 k J·mol~(-1)。吸附容量随着溶液离子强度的增大而减小,说明其吸附是以静电作用为主的吸附过程。10次循环使用后花生壳纤维素对亚甲基蓝的吸附效率仍能保持88%以上,表明该材料可以多次循环使用。     

MINDO/3研究胞嘧啶异构体间异构化反应——Ⅲ. N3-氢-4-氨基-2-羰基胞嘧啶与异4-氨基-2-羟基胞嘧啶异构化反应

本文采用MINDO/3方法研究N_3-氢-4-氨基-2-羰基胞嘧啶与异4-氨基-2-羟基胞嘧啶异构化反应途径。对所研究的分子体系运用能量梯度法, 给出了计算优化的几何构型。用Powell法优化了过渡态几何构型, 并给出了该异构化反应的IRC。计算表明, 前者比后者在能量上稳定4.9 kcal mol~(-1), 正反应与逆反应的活化势垒分别为43.4和38.5kcal_mol~(-1)。本文对几个胞嘧啶异构化反应的物理实质也作了总结, 试图揭示该类反应的一致性规律。     

HO2+HONO及其异构体抽氢反应机理

本文在CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//M06-2X/6-311+G(3d,2p)水平上构建了HO_2与HONO及其异构体的反应势能剖面,并对各通道的速率常数进行了计算。结果表明,HONO存在cis-HONO、trans-HONO、HNO_2三种不同的异构体,其中HNO_2是最稳定的构型。HNO_2+HO_2反应(R3)能垒比其他两个反应(R1(cisHONO+HO_2)和R2(trans-HONO+HO_2))的能垒降低了8. 2～13. 8 kcal·mol~(-1)。采用传统过渡态理论结合Wigner校正对各反应在240～425 K范围内的速率常数进行了计算。结果表明,反应R3的速率常数比R1和R2的对应值大4～9个数量级,表明HO_2+HONO及其异构体的抽氢反应的速率主要取决于HNO_2+HO_2反应。     

β发卡多肽Trpzip4折叠的副本交换分子动力学模拟

采用副本交换分子动力学对β发卡Trpzip4重折叠进行研究,结果表明,构象空间存在较大能垒时,副本交换分子动力学(REMD)表现出比分子动力学(MD)更优的抽样效率.288 K下,Trpzip4势能、骨架均方根偏差、溶剂可及表面积(SASA)在REMD中呈逐渐降低趋势.采样得到两种特定形态的低势能构象:β发卡和螺旋-卷曲.β发卡中,第3组氢键Asp46容易与Thr49形成氢键;转角Thr49的羟基(OH)倾向于与Asp46的羧基(COO-)或主链上的C=O形成氢键,强化了Asp46与Thr49的相互作用,导致转角形成折回弯度;与Thr49相比,Thr51的羟基倾向与水分子作用,甲基朝内,因此与Asp46的侧链作用微小.螺旋-卷曲中,吲哚环-甲基为主要疏水形式.Trpzip4在折叠成β发卡过程中,转角氢键影响整个β发卡构象的形成.转角氢键具有距离优势和强侧链相互作用,最先形成.     

非血红素铁超氧化物活化丙烯分子多态反应机理的理论研究（英文）

采用密度泛函DFT-B3LYP理论对非血红素铁超氧化物活化丙烯分子多态反应机理进行了探讨.研究结果表明氢原子抽取过程遵守单态反应机制,主要在基态高自旋七重态势能面进行,且具有较低活化能(ΔG~≠=65.6 k J·mol~(-1)),非血红素铁超氧化物可以作为有效氧化剂抽取氢原子。单态反应机制可能归因于近来建议的交换-加强反应原则(EER,铁中心具有较大交换稳定作用)。对于O-O键的活化,在CASSCF(10,8)/6-31+G(d)//TZVP水平下,势能面交叉区内,高自旋七重态(S1)和五重态(Q0)的自旋-轨道耦合(SOC)常数分别为2.26和2.19 cm~(-1)。轨道分析表明两条发生翻转自旋轨道具有相同空间组成(π*sub),SOC禁阻,因此通过SOC作用反应体系不可能有效地从七重态(S=3)势能面系间穿越到五重态(S=2)势能面,系间穿越可能发生在反应最后的退出阶段。     

MINDO/3研究胞嘧啶异构体间异构化反应——Ⅲ.N_3-氢-4-氨基-2-羰基胞嘧啶与异4-氨基-2-羟基胞嘧啶异构化反应

本文采用MINDO/3方法研究N_3-氢-4-氨基-2-羰基胞嘧啶与异4-氨基-2-羟基胞嘧啶异构化反应途径。对所研究的分子体系运用能量梯度法,给出了计算优化的几何构型。用Powell法优化了过渡态几何构型,并给出了该异构化反应的IRC。计算表明,前者比后者在能量上稳定4.9 kcal mol~(-1),正反应与逆反应的活化势垒分别为43.4和38.5kcal_mol~(-1)。本文对几个胞嘧啶异构化反应的物理实质也作了总结,试图揭示该类反应的一致性规律。     

稻壳灰吸附剂对罗丹明B的吸附性能研究

以发电废弃物稻壳灰为原料,以NaOH为活化剂制备了稻壳灰吸附剂,并将其用于去除水中罗丹明B(Rhodamine B,Rh B)染料。系统考察了溶液pH值、初始浓度、吸附时间、吸附温度以及溶液离子强度对其吸附性能的影响。结果表明:pH=3时,稻壳灰吸附剂对水中Rh B的吸附效果最佳,饱和吸附容量q_m为322. 6mg·g~(-1);吸附热力学研究表明,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。吸附过程焓变ΔH为7. 67 kJ·mol~(-1),ΔS为24. 92 J·mol~(-1)·K~(-1),ΔG0,表明稻壳灰吸附剂对Rh B的吸附过程是自发的吸热熵增过程;吸附过程可在20 min内达到平衡,符合准二级动力学模型;吸附过程的活化能E_a为24. 1 kJ·mol~(-1)。吸附容量随着溶液离子强度的增大而减小,说明其吸附是以静电作用为主的吸附过程。10次循环使用后稻壳灰吸附剂对Rh B的吸附效率仍能保持91%以上,表明该材料可以多次循环使用,是潜在的高效吸附材料。     

V/P复合氧化物上C–H键活化的密度泛函研究（英文）

选择氧化催化剂通常为多组分复合氧化物.一般认为,高价过渡金属的端末双键氧(M=O)是烷烃活化的中心,而非金属端氧(NM=O)与烷烃活化无关.但近期的理论研究发现,复合氧化物中非金属端氧也可能参与烷烃活化.本文采用密度泛函方法(B3LYP)对比V=O和P=O的脱氢活性,并深入揭示二者的差异.H脱除反应可以视为是质子偶联电子传递的过程.对于V/P复合氧化物,V5+充当电子的受体,而V=O和P=O均可接受质子.由于P=O具有更强的质子化能力,导致PO–H键能比VO–H有利6–10 kcal/mol.对于烷烃活化,V=O和P=O脱氢的能垒均可与反应焓变很好地关联,但二者线性回归的截距相差6.2 kcal/mol,说明在相同的焓驱动下,P=O脱氢需要克服更高的能垒.根据Marcus模型,反应的能垒不仅取决去反应焓变,还与内部重组能有关.计算表明,在脱氢过程中,P=O需克服的重组能为128–140 kcal/mol,比V=O过程高出21–23 kcal/mol.这很好地解释了前面的计算结果.应该指出的是,除了反应热力学驱动和重组能外,在势能曲线相交处的电子耦合作用(?HAB?)亦对能量有一定的影响.丁烷选择氧化制顺酐可能经过2-丁烯,丁二烯,2,5-二氢呋喃和丁烯酸内酯等一系列中间体,共有8个H原子在反应过程中需要脱除.对于丁烷的脱氢,P=O的能垒仅比V=O低1.3 kcal/mol,说明初始反应时二者是竞争的.但对于2-丁烯和2,5-二氢呋喃,二者活化能的差距增加为6–7 kcal/mol,说明这时P=O脱氢将占主导.而对丁烯酸内酯活化,二者活化能的差异又缩小到2.5 kcal/mol,表明V=O又具有一定的竞争力.事实上,这种能垒的差异与端氧的亲核性密切相关.P=O更具亲核性,因此有利于被更具酸性的C–H键进攻.根据Evens的估计,烷烃C–H键的p Ka为50左右,而烯丙基性C–H为43.这就很好地解释了为什么2-丁烯和2,5-二氢呋喃更容易和P=O发生反应,而丁烷脱氢二者差异不大的原因.这些理论研究可以加深我们对复合氧化物催化剂上活性位点的认识,并为催化剂的理性设计提供理论支撑.     

一种新型连四嗪含能化合物结构设计与性能预估

为了寻找综合性能优异的含能化合物,通过含能化合物分子设计方法设计一种新型连四嗪类含能化合物ONNTO,并通过理论计算与经验公式预估其物化、爆轰、热稳定性及撞击感度等性能。结果表明,其密度为1.99 g·cm~3,生成焓为1060.67 kJ·mol~(-1),爆速为9009.38 m·s~(-1),爆压为38.19 GPa,爆热为6671.78 kJ·kg~(-1),密度、生成焓、爆热均高于黑索今和奥克托今,爆速和爆压高于黑索今,与奥克托今相当;最弱键的键离解能为376.94 kJ·mol~(-1),分解活化能为358.81 kJ·mol~(-1),均高于黑索今和奥克托今,热稳定性良好;撞击感度为23.70 cm,与黑索今和奥克托今相当,综合性能可满足作为是高能炸药的性能要求,可作为单质炸药候选物。