分子的酸碱性质与氢键强度之间关系的探讨*——介绍一个计算化学实验

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过利用量子化学计算,确定嘧啶碱基的酸碱性质以及它们与水分子之间的相互作用能,构建氢键复合物分子间相互作用与分子酸碱性之间的定量关系,使学生对分子的酸碱性、分子间相互作用、分子识别之间的关系有一定的直观认识。该实验有助于学生梳理课堂学到的碎片化知识,提升学生逻辑分析及创新能力。     

甘油水溶液氢键特性的分子动力学模拟

为了研究低温保护剂溶液的结构和物理化学特性, 以甘油为保护剂, 采用分子动力学方法, 对不同浓度的甘油和水的二元体系进行了模拟. 得到了不同浓度的甘油水溶液在2 ns内的分子动力学运动轨迹, 通过对后1 ns内运动轨迹的分析, 得到了各个原子对的径向分布函数和甘油分子的构型分布. 根据氢键的图形定义, 分析了氢键的结构和动力学特性. 计算了不同浓度下体系中平均每个原子(O和H)和分子(甘油和水)参与氢键个数的百分比分布及其平均值. 同时还计算了所有氢键、水分子之间的氢键以及甘油与水分子之间的氢键的生存周期.     

温度对液态水结构的影响：中子及X射线散射研究

采用中子散射和X射线散射研究了液态水在298～373 K温度范围内的结构,通过偏径向分布函数(PDF)、配位数分布(CN)、角分布(ADF)及空间密度分布(SDF)等讨论了温度对液态水结构的影响。整体来看,液态水具有"不规则四面体"氢键网络的短程有序结构,该有序度可延续到第三水合层。液态水分子的第一水合层中,围绕中心水分子约有4.8个水分子,然而其中仅有约3.3个水分子与中心水分子通过氢键相键合,约1/3进入到第一水合层的水分子并未与中心水分子直接键合,也正是这些间隙水分子的存在加剧了液态水结构的复杂性。温度对液态水的有序度存在一定的影响,在298～373 K的有限温度变化范围内,温度对液态水中氢键的键长、键角分布及第一水合层SDF的影响不大。从298K升温到373K,O(W)-O(W)距离仅增加0.03?,氢键数目也仅有微小减少,温度对第二和第三水合层的影响则要显著很多。     

锂-,钠-,钾水化蒙脱石层间结构的分子动力学模拟

运用分子动力学(molecular dynamics, MD)方法分别研究了含有32, 64和96个水分子的Li-, Na-, K-蒙脱石层间阳离子与水分子的位置和结构. 计算结果表明蒙脱石层间阳离子位置与四面体和八面体电荷位置及离子的大小有关. 一层水合物中可以观察到三种阳离子都能和四面体电荷与八面体电荷位置分别形成内、外配位作用. 二层水合物中, 仍然可以观察到Li^＋和Na^＋与电荷位置的配位作用, 但是已经开始向层中其他方向扩散, 而K^＋仍然在粘土的表面附近. 三层水合物中, Li^＋, Na^＋开始从电荷位置和表面分离, K^＋也开始向层间其他方向扩散. 水分子在所有三种水合物中都分散于层间各个方向. 径向分布函数的分析结果表明层间三种阳离子组织水分子的能力不同, 水化作用随着阳离子半径的增大而减弱; 此外层中水分子的聚合程度随着水分子的增加而加强, 水分子的结构也不同于模拟的液体水分子的结构; 说明蒙脱石层间阳离子的溶剂化作用对水分子的组织起着重要的作用.     

分子动力学模拟全氟辛酸钠在水中的分布

为从微观上探究氟碳型表面活性剂在水中的分布情况,使用全原子分子动力学方法模拟了全氟辛酸钠(Na-PFO)在水中的分布情况。模拟平衡后,PFO^-分布在水/气界面处,且疏水的氟碳链朝向气相,亲水的羧酸根浸在水中,形成层状分布,径向分布函数证明钠离子主要分布在水中的羧酸根附近。羧酸根可与周围的水分子形成氢键,且显负电性的氟原子也可与水分子形成氢键,钠离子与水分子之间具有吸引作用,但不形成氢键;钠离子主要分布于PFO^-的氧原子附近。     

铵根离子在水溶液中的跳跃转动机理

铵根离子的动力学行为与生命体内的生物和化学过程密切相关.依据流体力学理论,由于铵根离子与水分子之间存在多个强氢键,其转动应较慢,但实验结果并非如此,其转动的微观机理尚不清晰.本文分子动力学模拟研究表明,水溶液中铵根离子主要以快速、大角度的跳跃方式进行转动,像水分子一样遵从扩展分子跳跃转动模型.通过微观转动模式的分解和两种转动弛豫时间的比较发现,相对其氢键骨架的扩散转动,跳跃转动对其转动速率贡献更大,并随浓度增大不断强化.与水分子氢键交换方式相比,铵根离子更倾向于在非氢键相连的水分子间发生交换.     

甲酰胺水溶液的分子动力学模拟

为了解重要的生化模型甲酰胺在水溶液中的微观结构, 采用全原子力场在全浓度范围内对甲酰胺溶液进行了分子动力学模拟, 得到了溶液的径向分布函数, 分析计算了溶质和溶剂分子间的相互作用, 对甲酰胺和水分子的氢键缔合情况进行了分析. 研究发现羰基侧的H原子与水分子能形成C—H…O弱相互作用. 在作者早期的研究中发现, 此相互作用对于阻碍甲酰胺的异构化具有重要意义, 特别是当甲酰胺在溶液中含量增大时, 此相互作用更加不能忽视. 全浓度溶液的模拟表明, 甲酰胺在稀浓度区可以促进水局部结构的增强, 随FM浓度增加, 由水的自身缔合转变为水与FM的交叉缔合, 在FM高浓度区, 两者的交叉缔合将逐渐被甲酰胺自身的线状缔合代替.     

水分子在高岭石中插层行为的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法,在B3LYP/6-31G(d)理论水平上,构建高岭石的层间团簇模型Si6Al6O42H42(层间距为0.844 0和1.000 0nm),并对高岭石层间及其与n(n=1～3)个水分子相互作用的团簇的各种性质进行研究,如优化的几何构型、电子密度、氢键、能量、NBO电荷分布、振动频率等.结果表明,随着水分子个数n(n=1～3)的增加,体系的能量逐渐降低.水分子通过多种类型的氢键插层于高岭石层间,其中水分子间的氢键强度最强,其次是水分子与铝氧层之间形成的氢键,再次是水分子与硅氧层之间的氢键;层间距随着插层分子的增多而增大,但高岭石层间的活性位点依然存在,且位置较插层前没有明显变化.     

过渡态理论在化学体系中的2个应用实例*

在大学本科一二年级的物理化学教学中,化学动力学章节的学习涉及到对不同时间尺度的认识。本文利用过渡态理论得到的速率常数表达公式,以乙烷分子碳/碳单键旋转和水分子氢键交换的动力学过程为例,对这2个应用实例的动力学过程所发生的时间尺度做出估算。这些时间尺度的估算对于学生理解不同动力学过程的物理图像至关重要,同时也有助于加强学生对重要公式的理解并能够将这些公式在化学体系中灵活运用。     

特殊缔合体系TFE水溶液分子动力学模拟

三氟乙醇(TFE)水溶液是一类特殊的缔合体系. 采用分子动力学模拟方法结合核磁共振化学位移研究了TFE水溶液体系全浓度范围的氢键网络, 并对动力学模拟结果和核磁共振化学位移进行了比较. 从径向分布函数(RDF)发现, TFE水溶液中存在着强氢键, 而体系中的C—H…O弱相互作用较为明显, 也不能忽略. 氢键网络分析发现TFE 水溶液体系的氢键大致分为以下三个区域: 在水富集区域, 水分子倾向于自身缔合形成稳定的簇结构, 随着TFE 浓度的增加, 水的有序结构受到破坏, 水分子和TFE分子发生交叉缔合作用形成氢键; 在TFE富集区域, 水分子较少, TFE分子自身通过氢键形成多缔体结构. 此外, 分子动力学统计的平均氢键数的变化和文献报导的核磁共振化学位移变化趋势相同, 实验和理论的结果吻合较好.     

Control of Electron Density and Temperature with a Modified Capacitive Discharge

We propose a new type of capacitive plasma source with a mesh grid to solve the problems of previous low pressure discharges, the inability to control the electron density and temperature independently, i.e. just one value of electron temperature is possible for a given electron density. While varying the grid bias and the discharge current, various electron temperatures are possible for a given electron density, and the electron density and temperature can be controlled from 4 × 10⁸ cm^-3 to 1 × 10¹⁰cm^-3 and from 1 to 4 eV, respectively.     

Monte Carlo法计算机模拟研究冰晶石-氧化铝熔体结构

冰晶石-氧化铝熔液是由各类离子质点组成的相当复杂的混合物,研究此熔盐系的离子结构对探讨铝电解机理和氧化铝在冰晶石熔液中的溶解机理具有重要意义^[1],由于冰晶石-氧化铝的熔点高和腐蚀严重,一些衍射技术难以用于此熔盐系液态微观结构性质的研究。     

Effect of available volumes on radial distribution functions

The traditional method of analyzing solution structuring properties of solutes using atom–atom radial distribution functions (rdfs) can give rise to misleading interpretations when the volume occupied by the solute is ignored. It is shown by using the examples of O(4) in α- and β-D-allose that a more reliable interpretation of rdfs can be obtained by normalising the rdf using the available volume, rather than the traditional volume of a spherical shell. © 1998 John Wiley & Sons, Inc. J Comput Chem 19: 363–367, 1998     

A simple method for evaluation of the self-consistency of the radial distribution functions and the orientation of water molecules in the first coordination sphere from the results of molecular dynamics calculations

A simple method for determination of the angular orientation of water molecules in the first coordination sphere from the radial distribution functions is proposed. A comparative analysis of the ability of the model potentials of pair interaction to take into account the effects of manybody interactions (MBI) was performed. The responses of the model pair potentials to the MBI effects in the first and second coordination spheres were found to be poorly correlated with each other. It was concluded that it is necessary to derive a new analytical type of potential functions of pair interaction. Published inIzvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya. No. 11, pp. 1842–1846. November. 2000.     

X-Ray Diffraction Study of Some Liquid Naphthalene Derivatives

Abstract

The structure of the liquids 1-Methylnaphthalene C₁₀H₇—CH₃ and 1-Chloronaphthalene C₁₀H₇—Cl was investigated using X-ray diffraction at 293 K. Monochromatic radiation MoK_α (λ = 0.7107Å) enabled determination of the scattered radiation inteasity between S₀ = 4\pi sin υ₀/λ = 0.430 Å^?1 and S _max = 14.311 Å-1. Angular distributions of X-ray scattered intensity were measured, and differential radial distribution functions of electron density (DRDFs) were calculated. The mean distances between the neighbouring molecules and the ranges of the spheres of intermolecular ordering were found. X-ray structural analysis was applied for determination of the packing coefficient of molecules of the liquids studied. A simple model of short-range arrangement of the molecules was proposed, which seems to be valid for other weakly polar monosubstituted naphthalene derivatives in the liquid phase.     

碘小姐的旅行

将碘元素拟人化,让其以卤素家族"四小姐"的身份,在这美丽的世界上走一走,并拟人化讨论了碘小姐的元素分布、物理性质以及生理活性,让读者在获得知识之余还能有美的享受。     

交联高分子的分子量分布

从概率母函数出发,利用Lagrange展开,导出了起始分子为Flory和Poisson分布的交联高聚物的分子量分布函数,并用以描述交联分子结构的溶胶分数。