分子间相互作用研究的APF-D密度泛函SAM色散校正方法改进

APF密度泛函色散校正（APF-D）是由B3PW91和PBE0杂化的APF泛函,加上球形原子模型（SAM）色散校正构成的一种有别于Grimme经验色散校正的密度泛函理论色散校正（DFT-D）方法,计算稀有气体及其与小分子复合物结合能和势能面准确性很高,但对常见氢键、C―H…π和π…π等复合物结合能计算结果明显偏大,在一般性分子间相互作用问题研究中一直未被认可和采纳。我们发现APF-D结合能计算结果偏大的原因是APF泛函与SAM色散校正重复计入了一定量的长程色散能;通过引入不依赖于体系的SAM色散能阻力因子ζ,简单而有效地解决了APF-D色散能过度补偿问题,提出了APF-D改进方案APF-D^*;通过S66和L7标准测试集的对照计算表明,APF-D^*结合能准确性远高于原始APF-D,达到和超过目前常用的B3LYPD3和ωB97X-D方法水平,并具有较好的计算效率,期待在大体系分子间相互作用研究中得到广泛应用。     

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.     

平面五元水分子簇的量子化学研究

选用Gaussian03的B3LYP/6-31G(d,p)、DMol3的BLYP/DNP和deMon的BLYP/TZVP等方法计算了甲烷水合物(结构-1)中平面五元水分子簇的结合能和氢键能,作了基组重叠误差(BSSE)和色散能(dispersion)的修正,估算了次级相互作用的贡献.在DMol3程序中使用了大型数值基组DNP,将基组重叠误差降至最低.在Gaussi-an03的B3LYP/6-31G(d,p)计算中,采用平衡法(Counterpoise)校正基组重叠误差.两种计算方法给出了一致的结果,证实了在使用6-31G(d,p)基组时,一对水分子在平衡距离的基组重叠误差高达8 kJ/mol.为估算色散能的贡献,使用了新近发展的包含色散能的密度泛函的DFT程序deMon计算了五元水分子簇.用多种方法计算出了经基组重叠误差和色散能修正的五元水分子簇的分子间结合能和氢键能的较为精确的势能超曲面,为甲烷和其他气体水合物的分子动力学模拟提供了依据.     

吡咯与HX (X＝F,Cl, Br)分子间多种氢键的电子密度拓扑研究

采用密度泛函B3LYP/6-311＋＋G(d,p)方法, 对吡咯与HX (X＝F, Cl, Br)形成的经典氢键和π型氢键, 从其几何参数、电子密度的拓扑性质和电子积分等方面进行了研究. 在对π型氢键的讨论中我们将π电子与σ电子分离, 得到了π型氢键体系的π电子的密度等值线和拉普拉斯量等值线图以及各原子的π电子积分, 形象地说明了π型氢键的作用本质.     

H-ZSM-5催化环己酮肟制ε-己内酰胺反应机理的ONIOM研究

采用ONIOM和DFT方法研究了H-ZSM-5分子筛催化环己酮肟制ε-己内酰胺的贝克曼重排反应机理.所有的构型优化使用ONIOM(B3LYP/6-31+G(d):PM3)方法进行,并在此基础上对得到的最优构型应用多种密度泛度方法,如B3LYP/6-31+G(d),PBE/6-31+G(d),M062X/6-31+G(d)和ωB97XD/6-31+G(d)进行完整46T簇模型的单点能计算.B3LYP,PBE和M062X泛函使用dftd3程序计算了额外色散校正,以考虑分子筛内部的弱相互作用.计算结果显示,经色散校正的DFT方法的计算精度被大大提高,达到一个与MP2方法相媲美的精度.反应的决速步是由第一步1,2-H转移和重排步共同决定,内部反应能垒为44.5 kcal/mol.反应速率常数表明,在293~393 K时,在H-ZSM-5上贝克曼重排反应进行得相当缓慢;当温度达到423 K时,正逆反应速率相当,反应开始发生;当达到623 K时,反应速率常数为130 1/s.     

1,2,4-三氮杂苯-(H2O)n复合物氢键相互作用的密度泛函理论研究

用密度泛函理论方法在B3LYP／6—31 G**水平上对1，2，4-三氮杂苯-(H2O)n(n=1，2，3)氢键复合物的基态进行了结构优化和能量计算，结果表明复合物之间存在较强的氢键作用，所有稳定复合物结构中形成一个N…H--O氢键并终止于弱O…H—C氢键的氢键水链的构型最稳定．同时，用含时密度泛函理论方法(TD—DPT)在TD—B3LYP／6—31 G**水平上计算了1,2，4-三氮杂苯单体及其氢键复合物的单重态第-1(n，π*)垂直激发能．     

B2Cn+(n=1～9)团簇的结构及其稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP泛函, 在6-311G*水平上对B2Cn+(n=1～9)团簇的几何构型和电子结构进行了优化和振动频率计算. 结果表明, 在B2Cn+(n=1～9)团簇的基态构型中, B2C2+、B2C3+为具有D∞h对称性的线形结构, B2C7+为具有Cs对称性的立体环状结构, 其余均为平面构型; 其成键顺序为C—C成键优于B—C 成键, B—C成键优于B—B成键. 进一步得到了B2Cn+(n=1～9)团簇的总能量(ET)、零点能(EZ)、摩尔热容(Cp)、标准熵(S0)以及原子化能(ΔEn+). 其结果显示, 随着n的递增, ET、EZ、Cp、S0和ΔEn+数值均呈现增大趋势, 其中EZ数值呈现近似等梯度的增加趋势. 通过对B2Cn+(n=1～9)团簇基态结构的垂直电子亲合势的研究发现, n为奇数的B2Cn+团簇比n为偶数的稳定.     

邻二氮杂苯-水复合物的氢键结构与性质

用密度泛函理论B3LYP方法和MP2方法对邻二氮杂苯-水复合物基态的氢键结构与相互作用能进行了理论计算,结果表明复合物之间存在较强的氢键N…H－O.在复合物中,水的H－O对称伸缩振动频率明显红移.同时,使用含时密度泛函理论方法计算了邻二氮杂苯单体及复合物的低占据1(n,π*) 和1(π,π*) 态的垂直激发能,计算结果与实验值吻合较好.     

TATB二聚体分子间作用力及其气相几何构型研究

采用对称性匹配微扰理论(SAPT)定量地求得TATB分子间的静电、交换排斥、诱导和色散等分子间作用能项, 从理论上揭示了TATB分子间作用本质; 在此基础上, 阐明了密度泛函在研究TATB二聚体时的适合性问题. 结果表明: (1)在有分子间氢键的TATB二聚体中, 库仑力足以与交换排斥力相抗衡, 起主导作用. (2)含分子间氢键的气相TATB二聚体的合理几何构型为平面型结构, 此结构的产生与色散力无关, 因此不管泛函是否含有近程色散作用, 均应预测到这种强极性的平面型结构. (3)在无分子间氢键的TATB二聚体中, 库仑力难以与交换排斥力相抗衡, 色散作用起到了关键作用; (4)在这种情况下, 未含有近程色散作用的密度泛函不可能给出合理构型. 恰好相反, 含有近程色散作用的密度泛函PBE0却能正确地预测到具有“平行重叠”结构且呈微弱极性的TATB二聚体, 色散力是导致这种构型产生的根本原因. “平行重叠”TATB二聚体是典型的色散体系, 其色散力占绝对主导地位并极有可能起源于两个TATB分子上π电子的相互作用. (5)对于所有TATB二聚体, 色散力或很显著或起主导作用. 由于密度泛函或未含有近程色散, 或只能部分地把近程色散表达出来, 这样使得当前所有密度泛函不可能精确求得这些二聚体的作用能.     

p-π共轭分子的氨基面外弯曲振动模的拉曼光谱

拉曼光谱是一种用途广泛的无损分子检测技术,其能够提供化学物质的分子结构指纹信息.一种面外弯曲振动模被称作wagging振动,它的信号尤为特殊,其频率和强度都非常依赖于检测环境.以乙烯胺和苯胺为例,采用密度泛函理论计算研究了p-π共轭分子分别与水簇和银簇作用的平衡结构、成键作用和拉曼光谱.结果表明,弱相互作用,如分子与金属表面的弱吸附作用以及分子与水之间的氢键作用,均使氨基面外弯曲振动模(ωNH2)的拉曼信号发生显著的变化.考虑溶剂化效应后,氢键作用减弱,计算拉曼光谱趋于一致.通过进一步对电子结构的分析,解释了面外弯曲振动信号显著增强的原因,揭示了面外弯曲振动模与分子p-π共轭作用之间的关系.     

Density-functional approaches to noncovalent interactions: a comparison of dispersion corrections (DFT-D), exchange-hole dipole moment (XDM) theory, and specialized functionals

A systematic study of techniques for treating noncovalent interactions within the computationally efficient density functional theory (DFT) framework is presented through comparison to benchmark-quality evaluations of binding strength compiled for molecular complexes of diverse size and nature. In particular, the efficacy of functionals deliberately crafted to encompass long-range forces, a posteriori DFT+dispersion corrections (DFT-D2 and DFT-D3), and exchange-hole dipole moment (XDM) theory is assessed against a large collection (469 energy points) of reference interaction energies at the CCSD(T) level of theory extrapolated to the estimated complete basis set limit. The established S22 [revised in J. Chem. Phys. 132, 144104 (2010)] and JSCH test sets of minimum-energy structures, as well as collections of dispersion-bound (NBC10) and hydrogen-bonded (HBC6) dissociation curves and a pairwise decomposition of a protein-ligand reaction site (HSG), comprise the chemical systems for this work. From evaluations of accuracy, consistency, and efficiency for PBE-D, BP86-D, B97-D, PBE0-D, B3LYP-D, B970-D, M05-2X, M06-2X, ωB97X-D, B2PLYP-D, XYG3, and B3LYP-XDM methodologies, it is concluded that distinct, often contrasting, groups of these elicit the best performance within the accessible double-ζ or robust triple-ζ basis set regimes and among hydrogen-bonded or dispersion-dominated complexes. For overall results, M05-2X, B97-D3, and B970-D2 yield superior values in conjunction with aug-cc-pVDZ, for a mean absolute deviation of 0.41 - 0.49 kcal/mol, and B3LYP-D3, B97-D3, ωB97X-D, and B2PLYP-D3 dominate with aug-cc-pVTZ, affording, together with XYG3/6-311+G(3df,2p), a mean absolute deviation of 0.33 - 0.38 kcal/mol.     

确定分子中离域π键πnm的方法

A method for obtaining the delocalized π bonds π_n^m in a molecule has been discussed in this paper, and the delocalized π bonds π_n^m in linear, bent, planar trigonal, single cyclic conjugated, and polycyclic conjugated molecules have been studied. The reasons of π₃⁴ in NO₂ and 2π₃² in C₃ molecules have been proposed. The delocalized π bonds 2π₁₈¹⁸ in cyclo[18] carbon are analyzed.     

g-CN体系的准粒子能带结构和光学特性

利用多体格林函数理论,本文研究了二维CN体系(包括triazine和tri-s-triazine)的激发态特性。通过GW方法,我们计算了准粒子的能量。考虑电子-空穴相互作用,通过求解Bethe-Salpeter方程,我们获得了激发态能量和光谱。我们发现,在这两种CN体系的价带中,σ轨道和π轨道之间的交换作用非常强烈。由于占据的σ轨道和π轨道之间的准粒子修正量非常不同,因此,为了得到准确的带隙值和光谱,我们需要对这两种轨道开展精确的GW计算。与单层的CN体系相比,双层结构中层与层之间的范德华相互作用使带隙值降低了0.6 eV,而光吸收谱红移了0.2 eV,这是由于双层结构具有更小的激子束缚能。我们计算的吸收峰的位置与实验结果符合很好。实验中的吸收峰主要是由深能级的π轨道到π^*轨道的跃迁形成的。π→π^*跃迁和σ→π^*跃迁之间的耦合能够在长波长范围产生弱的吸收尾巴,如果调整入射光的极化方向,由σ→π^*跃迁产生的高强度的吸收峰将会在更低能量处出现。     

基于苯甲酸受体的咔唑染料敏化剂的合成和光电性能

选择N-正丁基咔唑作为电子给体,芴酮作为桥键,苯甲酸作为受体,通过桥键芴酮与给体和受体连接位置的改变,设计合成了两个咔唑染料4-(6-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-3-基)苯甲酸(HXL-3W)和4-(7-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-2-基)苯甲酸(HXL-4Z).对咔唑染料的光谱性能、电化学性能和光电转换性能进行了研究,并运用密度泛函理论(DFT)方法对其几何结构和紫外-可见光谱进行了优化计算.结果表明, HXL-4Z的吸收光谱呈现两个明显的π→π^*跃迁吸收峰和一个较小的对应于分子内电荷转移的吸收峰,而HXL-3W的吸收光谱则仅呈现一个π→π^*跃迁吸收峰,且摩尔吸光系数远小于HXL-4Z.可能是HXL-3W分子结构中给体和受体距离较近,张力较大,导致较差的分子平面性和分子内电荷转移.因而HXL-4Z的光吸收能力和电子注入效率较优,从而具有较好的光电转换效率(2.03%) (短路电流(J_SC) = 3.88 mA·cm^-2,开路电压(V_OC) = 700 mV,填充因子(FF) = 0.75).     

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.     

2-甲基呋喃分子激发态超快非绝热动力学

Excited-state dynamics of 2-methyl furan has been studied by femtosecond time-resolved photoelectron imaging. The molecule 2-methyl furan was simultaneously excited to the n=3 Rydberg series of S₁[¹A"(π3s)], ¹A'(π3p_x), ¹A"(π3p_y) and ¹A"(π3p_z) and the valence state of ¹A'(ππ^*) by two 400 nm photons and subsequently probed by two 800 nm photons. The average lifetime of the Rydberg series and the valence state was measured to be on the time scale of 50 fs by the time-dependent ion yield of the parent ion. Ultrafast internal conversions among these excited states were observed and extracted from the time-dependences of the photoelectron kinetic energy components of these excited states in the photoelectron kinetic energy spectra. Furthermore, it is identified that the ¹A'(ππ^*) state might play an important role in internal conversions among these excited states. The Rydberg-valence mixings, which result in numerous conical intersections, act as the driving force to accomplish such ultrafast internal conversions.     

Comparison of aromatic NH···π, OH···π, and CH···π interactions of alanine using MP2, CCSD, and DFT methods

A comparison of the performance of various density functional methods including long‐range corrected and dispersion corrected methods [MPW1PW91, B3LYP, B3PW91, B97‐D, B1B95, MPWB1K, M06‐2X, SVWN5, ωB97XD, long‐range correction (LC)‐ωPBE, and CAM‐B3LYP using 6‐31+G(d,p) basis set] in the study of CH···π, OH···π, and NH···π interactions were done using weak complexes of neutral (A) and cationic (A⁺) forms of alanine with benzene by taking the Møller–Plesset (MP2)/6‐31+G(d,p) results as the reference. Further, the binding energies of the neutral alanine–benzene complexes were assessed at coupled cluster (CCSD)/6‐31G(d,p) method. Analysis of the molecular geometries and interaction energies at density functional theory (DFT), MP2, CCSD methods and CCSD(T) single point level reveal that MP2 is the best overall performer for noncovalent interactions giving accuracy close to CCSD method. MPWB1K fared better in interaction energy calculations than other DFT methods. In the case of M06‐2X, SVWN5, and the dispersion corrected B97‐D, the interaction energies are significantly overrated for neutral systems compared to other methods. However, for cationic systems, B97‐D yields structures and interaction energies similar to MP2 and MPWB1K methods. Among the long‐range corrected methods, LC‐ωPBE and CAM‐B3LYP methods show close agreement with MP2 values while ωB97XD energies are notably higher than MP2 values. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 2010     

Mechanism and selectivity of copper-catalyzed borocyanation of 1-aryl-1,3-butadienes: A computational study

Density functional theory calculations have been performed to investigate the copper-catalyzed borocyanation of 1-aryl-1,3-butadienes.The computations show that the regio-and enantioselectivity is determined by the borocupration step.The π-electron withdrawing aryl group at the C' atom makes the C4 atom more electrophilic than the other carbon atoms,which together with the steric repulsion around the forming C-B bond,re sults in the experimentally observed exclusive 4,3-regioselectivity.The origins of the enantioselectivity were attributed to the steric effect and π-π stacking interaction between the butadiene moiety and the ligand.     

基于完全活性空间自洽场的杂化多组态密度泛函方法λ-DFCAS

提出了一种杂化多组态密度泛函新方法——λ-DFCAS. 在λ-DFCAS方法中, 电子相关能被分为静态和动态相关能. 静态相关能由多组态波函数方法完全活性空间自洽场(CASSCF)得到, 而动态相关能由密度泛函理论方法描述. 两种相关能的杂化比例由一个可调节的参数λ控制. 参数λ的取值取决于分子体系的多组态特性, 在0~1之间变化, 从而使得λ-DFCAS可以应用于各种强相关分子体系. 该方法能够以与CASSCF相当的计算代价获得接近完全活性空间二阶微扰(CASPT2)的计算精度, 并具备了大小一致性.