二元和三元复合物中阳离子硫键与磷键的理论研究

采用MP2/cc-pVDZ和cc-pVTZ基组分别对复合物XH₂S⁺…NCH₂P和NCH₂P…PyX(X=NH₂, CH₃, H, CN, F, Cl, Br)中的硫键和磷键进行了研究, 讨论了键长、 键临界点的电荷密度(ρ)、 拉普拉斯密度(▽²ρ)、 范德华表面穿透距离、 二阶稳定化能和电荷转移量对硫键和磷键相互作用能的影响. 结果表明, 当取代基X为吸电子基团时, 形成的硫键较强. 当X为给电子基团时, 形成的磷键较强. 利用能量分解方法分析了取代基—CN导致硫键稳定性反常的可能原因. 还进一步讨论了三元复合物H₃S⁺…NCH₂P…PyX(X=NH₂, CH₃, H, CN, F, Cl, Br)中硫键和磷键的协同相互作用以及取代基对复合物稳定性的影响. 并通过对比相同的2种单体在三元复合物和二元复合物中的二阶稳定化能和相互作用能的差值, 说明了硫键与磷键起到相互促进的正协同作用, 增强了三元复合物的稳定性.     

分子间的非共价相互作用：σ-穴键和π-穴键

第四到第七主族元素以及惰性气体元素可以作为电子受体位点形成分子间吸引性的非共价键合作用。这些电子受体位点,即缺电子密度的位点,大多情况下具有正的分子表面静电势,可以将其分为2类。沿着σ共价键键轴延伸方向原子的外围中心具有正的分子表面静电势的区域称之为σ-穴。而垂直于分子σ-骨架平面具有正的分子表面静电势区域称之为π-穴。σ-穴和π-穴与富电性位点之间吸引性的相互作用分别称之为σ-穴键和π-穴键。σ-穴键倾向于180°,而π-穴键倾向于90°。按照元素周期表族的名称,σ-穴键又分为碳素键、氮素键、氧素键、卤键、惰素键等。可见流行的卤键只是σ-穴键的一个子集。π-穴键分类显得复杂些,可简单分为单原子和多原子π-穴键。     

取代氯苯化合物的电子结构和键离解能的理论研究

利用密度泛函（DFT）三种交换／相关函数（B3LYP,B3PW91,B3P86）结合6—31G^＊＊和 6-311G^＊＊基组,计算了13个取代氯苯化合物的键离解能．结果表明B3PS6／6—311G^＊＊方法是计算取代氯苯化合物键离解能的可信方法,研究发现C—Cl键的键离解能与所使用的基组和计算方法密切相关,取代基对C—Cl键的键离解能的影响不明显．研究了目标化合物的前线轨道能级差,并对取代氯苯化合物的热稳定性做了评估．     

PH2X与五元杂环体系磷键相互作用的理论研究

用MP2/aug-cc-pVDZ方法计算了PH2X(X=H,F,Cl,Br)与五元杂环化合物(吡咯、呋喃、噻吩)的相互作用,经完全均衡校正法校正基组重叠误差.在MP2/aug-cc-pVDZ优化基础上采用Gaussian 03程序包中的NBO程序计算了二级微扰稳定化能(ΔE2),并运用AIM 2000程序对其AIM性质进行了计算.为了进一步加强对该类相互作用的认识,应用约化密度梯度(RDG)填色等值面图和电子密度差图对代表性的体系进行了图形化分析.研究表明:PH3与三个五元杂环化合物形成的是P—H…π氢键相互作用;PH2X(X=F,Cl,Br)与五元杂环化合物形成磷键相互作用,这些磷键体系存在π型和n型两种形式的磷键相互作用,前者形成复合物的稳定性高于后者,并且相互作用大小与磷原子到杂环质心的矢量和P—X方向矢量的夹角密切相关.作为比较,我们对PCl3与这三种杂环化合物之间的相互作用也进行了研究,结果发现,PCl3分子中沿Cl—P键的P端出现了三个正的静电势区域或称作"σ-hole",因此其与杂环化合物形成的是分子间多磷键复合物.AIM拓扑分析表明磷键相互作用的本质属于闭壳层静电相互作用,且电子密度与复合物稳定性呈正相关.RDG图形化分析揭示了磷键相互作用所在的空间位置以及相对强度.DDF分析表明,磷键相互作用的存在使磷原子端基的电子密度减少,而沿着P—X轴以及五元杂环分子的电子密度增加,从而直观地体现了形成复合物后电子密度的重排情况.     

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。     

薁X-H(X=CH2, NH, O)键离解能取代基效应的理论研究

本文利用UB3LYP/6-311++g(2df,2p)//UB3LYP/6-31+g(d)方法，首次就对位取代薁系列化合物(Y-C10H8X-H)的X-H(X=CH2, NH, O)键离解能进行了理论研究。结果发现，除了6-取代-2-甲基薁，取代基对薁X-H键离解能的效应与苯大致相同。然而，由于薁结构中固有偶极矩与不同取代基的电子效应相互作用，对位取代的羟基薁和氨基薁的反应常数( )变化非常显著。利用GE/RE和SIE理论方法，研究发现虽然基态效应在决定净取代基效应的大小中起了一定作用，但取代基效应主要来源于自由基效应的影响。     

煤中碳硫键的室温选择性断裂

通过室温下高硫煤的Ｓ甲基化反应,可使煤结构中的一种碳硫键选择性断裂。煤样先经Ｏ甲基化反应,使酚羟基转变为甲基醚,然后再经由碘甲烷和四氟硼酸银组成的Ｓ甲基化试剂进行Ｓ甲基化反应。断裂后硫以四氟硼酸三甲基锍的形式用１３ＣＮＭＲ进行检测。以模型化合物４,４二甲氧基二苄基硫醚进行Ｓ甲基化反应,亦可高产率地生成四氟硼酸三甲基锍。提出一个由苄基碳正离子和硫醚组成的离子偶极集合物作为反应中间体的反应机理。最后,１３ＣＮＭＲ定量分析结果表明,烟煤中含有约２％的４,４二甲氧基二苄基型硫醚或４,４二羟基二苄基型硫醚。     

木质素模化物键离解能的理论研究

采用密度泛函理论B3P86方法,在6-31G(d,p)基组水平上,对木质素结构中的6种连接方式(β-O-4、α-O-4、4-O-5、β-1、α-1、5-5)的63个木质素模化物的醚键(C-O)和C-C键的键离解能E_B进行了理论计算研究。分析了不同取代基对键离解能的影响以及键长与键离解能的相关性。计算结果表明,C-O键的键离解能通常比C-C键的小,在各种醚键中C_α-O键的平均键离解能最小,为182.7 kJ/mol;其次是β-O-4连接中的C_β-O键,苯环和烷烃基上的取代基对醚键的键离解能有较强的弱化作用,C-O键的键长和键离解能的相关性较差。与C-O键相比,C-C键的键离解能受苯环上取代基的影响很小,而烷烃基上的取代基对C-C键的键离解能有较大的影响,C-C键的键离解能和键长之间存在较强的线性关系,C-C键的键长越长,其键离解能越小。     

二聚体C2H4-nFn···LiH (n=0, 1, 2)中π锂键的性质和弱方向性

采用二级微扰理论(MP2)量子化学研究方法, 对C₂H_4-nF_n···LiH (n=0, 1, 2)二聚体的结构和π锂键性质进行了分析. 结果表明氟原子的取代改变了乙烯分子的π电子云形状, 从而使二聚体体系中的π锂键发生偏移、伸长和弯曲. 通过与类似的π氢键体系C₂H_4-nF_n···HF (n=0, 1, 2)比较, 发现π锂键在二级弱相互作用的影响下, 发生了明显的弯曲, 表现出弱的方向性. 在CCSD(T)/6-311++G(3df, 3pd)理论水平下, 二聚体的相互作用能强弱顺序为: 33.85 kJ·mol^-1 (C₂H₄-LiH)>27.32 kJ·mol^-1 (C₂H₃F-LiH)>21.34 kJ·mol^-1 (cis-C₂H₂F₂-LiH)>20.25 kJ·mol^-1 (g-C₂H₂F₂-LiH), 说明氟取代削减了乙烯分子与LiH之间的相互作用.     

富勒烯C60硫桥键联四硫富瓦烯衍生物的理论研究

利用半经验AM1法研究了富勒烯C₆₀硫桥键联四硫富瓦烯衍生物和富勒烯C₆₀键联四硫富瓦烯衍生物的几何构型,电子结构.计算结果显示,富勒烯C₆₀硫桥键联四硫富瓦烯衍生物的四硫富瓦烯(TTF)平面与C₆₀发生作用,使其弯曲的程度比富勒烯C₆₀键联四硫富瓦烯衍生物的大,从而形成一种独特的四硫富瓦烯(TTF)平面半包裹C₆₀的空间构型的D-A体系.这很可能是由于C-S单键的灵活性造成的.而且它们的HOMO轨道主要分布在四硫富瓦烯(TTF)部分,而LUMO轨道则主要分布在C₆₀上.预测了富勒烯C₆₀硫桥键联四硫富瓦烯衍生物很有可能在激发态下产生更长寿命的电荷分离态.     

The Balance between Hydrogen Bonds,Halogen Bonds,and Chalcogen Bonds in the Crystal Structures of a Series of 1,3,4-Chalcogenadiazoles

In order to explore how specific atom-to-atom replacements change the electrostatic potentials on 1,3,4-chalcogenadiazole derivatives, and to deliberately alter the balance between intermolecular interactions, four target molecules were synthesized and characterized. DFT calculations indicated that the atom-to-atom substitution of Br with I, and S with Se enhanced the σ-hole potentials, thus increasing the structure directing ability of halogen bonds and chalcogen bonds as compared to intermolecular hydrogen bonding. The delicate balance between these intermolecular forces was further underlined by the formation of two polymorphs of 5-(4-iodophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine; Form I displayed all three interactions while Form II only showed hydrogen and chalcogen bonding. The results emphasize that the deliberate alterations of the electrostatic potential on polarizable atoms can cause specific and deliberate changes to the main synthons and subsequent assemblies in the structures of this family of compounds.     

Comparison between Hydrogen and Halogen Bonds in Complexes of 6-OX-Fulvene with Pnicogen and Chalcogen Electron Donors

Quantum chemical calculations are applied to complexes of 6-OX-fulvene (X=H, Cl, Br, I) with ZH₃/H₂Y (Z=N, P, As, Sb; Y=O, S, Se, Te) to study the competition between the hydrogen bond and the halogen bond. The H-bond weakens as the base atom grows in size and the associated negative electrostatic potential on the Lewis base atom diminishes. The pattern for the halogen bonds is more complicated. In most cases, the halogen bond is stronger for the heavier halogen atom, and pnicogen electron donors are more strongly bound than chalcogen. Halogen bonds to chalcogen atoms strengthen in the order O<S<Se<Te, whereas the pattern is murkier for the pnicogen donors. In terms of competition, most halogen bonds to pnicogen donors are stronger than their H-bond analogues, but there is no clear pattern with respect to chalcogen donors. O prefers a H-bond, while halogen bonds are favored by Te. For S and Se, I-bonds are strongest, followed Br, H, and Cl-bonds in that order.     

Competition between Intra and Intermolecular Pnicogen Bonds: Complexes between Naphthalene Derivatives and Neutral or Anionic Bases

The PnF₂ (Pn=P,As,Sb,Bi) on a naphthalene scaffold can engage in an internal pnicogen Pn⋅⋅⋅N bond (PnB) with an NH₂ group placed close to it on the adjoining ring. An approaching neutral NH₃ molecule can engage in a second PnB with the central Pn, which tends to weaken the intramolecular bond. The presence of the latter in turn weakens the intermolecular PnB with respect to that formed in its absence. Replacement of the external NH₃ by a CN⁻ anion causes a fundamental change in the bonding pattern, producing a fourth covalent bond with Pn, which rearranges into a trigonal bipyramidal motif. This addition disrupts the internal Pn⋅⋅⋅N pnicogen bond, recasting the PnF₂⋅⋅⋅NH₂ interaction into an NH⋅⋅⋅F H-bond.     

3-X-2(1H)-吡啶酮互变异构体系的理论计算

２（１Ｈ）－吡啶酮类化合物常呈现出诱人的生物活性［１,２］．由于酮式和烯醇式结构具有互变异构化性质,因此确定其互变异构平衡体系中的优势结构及研究取代基对平衡体系的影响,对阐明该类化合物的生物活性及进行构效关系的研究有着重要的意义．当其３－位含有可与２－位羰基或２－位羟基形成分子内氢键的基团时,势必对互变异构平衡产生影响．基于该类化合物的互变异构平衡有着强烈的溶剂效应［３］,本文对３－Ｘ－２（１Ｈ）－吡啶酮（Ｘ＝ＮＯ２,ＮＨ２,ＣＯＯＨ）及其烯醇式互变异构体分别在气相和溶液中进行了理论计算,考察了…     

The Analysis of Electronic Structures,NBO, EDA,and QTAIM of trans‐(H3P)2(η2‐BH4 )W(≡C‐para‐C6H4X)(CO) Complexes

In the present research, the impact of substitution on the dipole moment, electronic structure, and frontier orbital energy in trans ‐(H₃P )₂(η²‐BH₄ )W(≡C‐para ‐C₆H₄X )(CO ) complexes (X = H, F, SiH₃ , CN , NO₂ , SiMe₃ , CMe₃ , NH₂ , NMe₂ ) was studied with mpw1pw91 quantum chemical computations. The nature of the chemical bond between the trans‐[Cl(η²‐BH₄ )(H₃P ) ₂W ]⁻ and [C‐para ‐C₆H₄X ]⁺ fragments was demonstrated through energy decomposition analysis (EDA ). The percentage composition in terms of the specified groups of frontier orbitals was examined for these complexes to investigate the feature in metal–ligand bonds. Quantum theory of atoms in molecules (QTAIM ) and natural bond orbital (NBO ) analysis were applied to elucidate these complexes’ metal–ligand bonds.     

Chalcogen Bonds in Selenocysteine Seleninic Acid,a Functional GPx Constituent,and in Other Seleninic or Sulfinic Acid Derivatives

The controlled oxidation reaction of L-selenocystine under neutral pH conditions affords selenocysteine seleninic acid (3-selenino-L-alanine) which is characterized also by means of single-crystal X-ray diffraction. This technique shows that selenium forms three chalcogen bonds (ChBs), one of them being outstandingly short. A survey of seleninic acid derivatives in the Cambridge Structural Database (CSD) confirms that the C−Se(=O)O− functionality tends to act as a ChB donor robust enough to systematically influence the interactional landscape in the solid. Quantum Theory of Atom in Molecules (QTAIM) analysis proves the attractive nature of the short contacts observed in crystals containing the seleninic functionality and calculation of surface molecular electrostatic potential (MEP) reveals that remarkably positive σ-holes can frequently be found opposite to the covalent bonds at selenium. Both CSD searches and QTAIM and MEP approaches show that also the sulfinic acid moiety can function as a ChB donor, albeit less frequently than the seleninic acid one. These findings may contribute to a better understanding, at the atomic level, of the mechanism of action of the enzymes that control oxidative stress and ROS deactivation and that contain selenocysteine seleninic acid and cysteine sulfinic acid in the active site.     

取代基对腺嘌呤与胸腺嘧啶氢键复合物体系结合能的影响

优化得到了17个取代胸腺嘧啶与腺嘌呤形成的氢键复合物的结构, 并计算了这些复合物的结合能, 探讨了胸腺嘧啶上不同取代基对结合能的影响. 结果表明, CF₃取代的胸腺嘧啶与腺嘌呤间的结合能大于胸腺嘧啶与腺嘌呤间的结合能, 这可能是屈氟尿苷具有阻止病毒及肿瘤扩散功能的原因所在. SO₃H, CN和NO₂取代的胸腺嘧啶与腺嘌呤间具有更大的结合能, 表明这3个基团取代的胸腺嘧啶也可能具有潜在的抗肿瘤作用. 分子中原子理论与自然键轨道分析表明, 在所有体系中, 氢键N—H…N最强, N—H…O=C次之, C—H…O=C最弱, 轨道作用在氢键作用中占有重要地位.     

取代基对腺嘌呤与胸腺嘧啶氢键复合物体系结合能的影响简

优化得到了17个取代胸腺嘧啶与腺嘌呤形成的氢键复合物的结构,并计算了这些复合物的结合能,探讨了胸腺嘧啶上不同取代基对结合能的影响. 结果表明,CF3取代的胸腺嘧啶与腺嘌呤间的结合能大于胸腺嘧啶与腺嘌呤间的结合能,这可能是屈氟尿苷具有阻止病毒及肿瘤扩散功能的原因所在. SO3H,CN和NO2取代的胸腺嘧啶与腺嘌呤间具有更大的结合能,表明这3个基团取代的胸腺嘧啶也可能具有潜在的抗肿瘤作用. 分子中原子理论与自然键轨道分析表明,在所有体系中,氢键N—H…N最强,N—H…O=C次之,C—H…O=C最弱,轨道作用在氢键作用中占有重要地位.