6-羟基-5,12-萘并萘醌及其CH3, C6H5取代衍生物的光致变色理论研究

用密度泛函理论的B3LYP/6-31G方法和从头算的CIS/6-31G方法分别研究了6-羟基-5,12-萘并萘醌及其CH₃, C₆H₅取代衍生物基态和激发态的异构化反应，.对反应势能面的研究发现, 在光异构化反应中化合物M21和M21、M31的基态和激发态虽然都可以构成四能级反应过程, 但由于M21异构化过程的活化能较高, 使其所构成的四能级反应难以进行, 这就从理论上解释了迁移基团为甲基的M21变色性能低于迁移基团为苯基的M31的实验结果. 此外用TD/B3LYP方法在溶剂存在下计算了上述化合物的紫外吸收光谱和荧光发射光谱, 计算所得到的光谱数据与实验值基本一致, 与光异构化反应的光激发条件相符合.     

取代基对3(5)-(9-蒽基)吡唑光学性质的影响

使用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G(d)方法优化得到了3(5)-(9-蒽基)吡唑及其衍生物的基态(S₀)分子结构, 使用单激发组态相互作用(CIS)/6-31G(d)方法优化得到这些分子的第一单重激发态(S₁)的几何结构, 并使用含时密度泛函理论(TD-DFT)B3LYP/6-311++G(d,p)方法计算了它们的吸收和发射光谱. 计算结果表明, 与3(5)-(9-蒽基)吡唑相比, 无论取代基是吸电子基团还是供电子基团, 衍生物的吸收和发射峰均发生红移, 并且当取代基―R=―BH₂, ―CCl₃, ―CHO, ―NH₂时衍生物有较长的吸收波长和发射波长.     

D-苯丙氨酸与Cu＋(1S0, 3d10)气相反应理论研究

用量子化学密度泛函(DFT)方法研究D-苯丙氨酸与一价基态金属阳离子Cu^＋在气相中反应的机理. 在B3LYP/6-31G*水平上, 优化了反应包含的4个反应通道的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 并采用B3LYP/DZVP, B3LYP/[6-311＋G**(C,H,O)＋Lanl2dz(Cu)], B3LYP/6-311＋G**, MP2/6-311＋G** 等方法对各驻点进行了单点能计算. 通过对计算结果的分析, 获得了其单重态反应势能面的一般轮廓、各驻点几何构型优化参数, 明确了其反应机理.     

RN (R＝CH3, CH3CH2)异构化及脱氢反应的量子拓扑研究

利用量子化学从头算CASSCF方法在6-311＋G (d, p)基组水平上对单线态和三线态RN (R＝CH₃, CH₃CH₂)异构化反应及RN脱氢反应的微观机理进行了理论研究. 在MP2/6-311＋G (d, p)和CCSD/6-311＋G (d, p)水平上进行了单点能校正. 单态和三态势能面的交叉点(ISC)的存在清楚地说明了基态反应物³RN异构化为基态产物¹R'NH (R'＝CH₂, CH₃CH)的过程. 电子密度拓扑分析显示在整个异构化过程中有两种类型的结构过渡态: 单态反应通道为T型过渡态, 三态反应通道为环状过渡态. 单线态RN脱氢反应通道中“原子-分子键”的存在说明两个H原子是以H₂的形式从RN中脱去的.     

SiH2自由基与HNCO反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了SiH₂自由基与HNCO的反应机理, 并在B3LYP/6-311＋＋G**水平上对反应物、中间体、过渡态进行了全几何参数优化, 通过频率分析和内禀反应坐标(IRC)确定了中间体和过渡态. 为了得到更精确的能量值, 又用QCISD(T)/6-311＋＋G**方法计算了在B3LYP/6-311＋＋G**水平优化后的各个驻点的相对能量. 计算结果表明SiH₂自由基与HNCO的反应有五条反应通道, 其中顺式反应通道SiH₂＋HNCO→IM3→ TS4→IM5→TS5→IM6→SiH₂NH＋CO反应能垒最低, 为主反应通道.     

气相中Cu+和Zn+与CS2反应的计算研究

以Cu⁺和Zn⁺与CS₂反应作为第一过渡金属离子与CS₂反应的范例体系. 采用密度泛函UB3LYP/6-311+G^*方法计算研究了第一过渡金属离子在基态和激发态与CS₂反应的反应机理. 全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型, 用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证. 并用UCCSD(T)/6-311G^*方法对各驻点作了单点能量校正. 在Cu⁺与CS₂反应中, 计算了单重态初始中间体¹IM1到三重态插入型中间体³IM2的反应交叉势能面. 确定了第一过渡金属离子与CS₂的反应为插入-消去反应, 找到了基态和激发态金属离子与CS₂反应的主要通道.     

5-甲基胞嘧啶-BH3复合物构型及异构化机理的理论研究

用B3LYP/6-311＋G(d)及MP2/6-311＋G(d)计算方法, 对5-甲基胞嘧啶与BH₃所形成复合物及异构化反应进行了研究, 获得了6种复合物及4个异构化过渡态. 在考虑基组重叠误差校正基础上, 得到了结合能及变形能等信息, 并用自然键轨道分析法讨论了其相互作用情况. 结果表明, BH₃与5-甲基胞嘧啶中N(3), O及N(4)相连形成稳定复合物a, b₁, b₂和c, 其结合能分别为104.58, 92.25, 63.49和43.41 kJ•mol^－1; 复合物a, b₁, b_2, c和d既可通过BH₃与5-甲基胞嘧啶不同部位结合直接生成, 也可通过BH₃整体迁移实现相互转化; 甲基化对复合物稳定性及相互异构化能垒无明显影响.     

气相中Cu+和Zn+与CS2反应的计算研究

以Cu⁺和Zn⁺与CS₂反应作为第一过渡金属离子与CS₂反应的范例体系. 采用密度泛函UB3LYP/6-311+G^*方法计算研究了第一过渡金属离子在基态和激发态与CS₂反应的反应机理. 全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型, 用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证. 并用UCCSD(T)/6-311G^*方法对各驻点作了单点能量校正. 在Cu⁺与CS₂反应中, 计算了单重态初始中间体¹IM1到三重态插入型中间体³IM2的反应交叉势能面. 确定了第一过渡金属离子与CS₂的反应为插入-消去反应, 找到了基态和激发态金属离子与CS₂反应的主要通道.     

SiH2自由基与HNCO反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了SiH₂自由基与HNCO的反应机理, 并在B3LYP/6-311＋＋G**水平上对反应物、中间体、过渡态进行了全几何参数优化, 通过频率分析和内禀反应坐标(IRC)确定了中间体和过渡态. 为了得到更精确的能量值, 又用QCISD(T)/6-311＋＋G**方法计算了在B3LYP/6-311＋＋G**水平优化后的各个驻点的相对能量. 计算结果表明SiH₂自由基与HNCO的反应有五条反应通道, 其中顺式反应通道SiH₂＋HNCO→IM3→ TS4→IM5→TS5→IM6→SiH₂NH＋CO反应能垒最低, 为主反应通道.     

二(2-苯基-8-羟基喹啉)锌及其衍生物的电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用从头算(ab initio)和密度泛函理论(DFT B3LYP)方法。对二(2-苯基-8-羟基喹啉)锌(Zn(qPh)₂)及其衍生物的基态结构进行优化，同时用ab initio HF单激发组态相互作用(CIS)法在6-31G基组上优化其最低激发单重态几何结构，用含时密度泛函理论(TD-DFT/B3LYP)及6-31G基组计算吸收和发射光谱。计算表明，该类物质电子在基态与激发态间的跃迁，主要是电子云分布由定域化向离域化的转变。吸收及发射光谱的计算值与实验值基本符合。该类化合物的电子亲和能较大，都是优良的电子传输材料，改变中心金属原子对配合物光谱性质影响不大。而羟基氧被硫原子取代后，化合物的吸收光谱产生明显红移。     

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-DFT)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一¹(n, π^*)垂直激发能.     

HNO自由基与O2反应机理的理论研究

采用密度泛函理论（DFT）和从头算方法,在B3LYP/6-311++G（d,p）水平上对反应HNO+O₂做了理论计算研究。优化得到了反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型以及相应的能量值、振动频率。通过分析反应路径的能量差异,以及异构化难易程度,发现HNO+O₂反应有2种产物通道：HOONO和HNO₃。其中过氧亚硝酸HOONO是主要产物,有3种稳定的构象。     

丁烯自由基和O2反应机理的理论研究

应用量子化学密度泛函理论(DFT)对丁烯自由基C₄H₇和O₂的反应机理进行了研究. 在B3LYP/6-31G(d,p)水平上优化了反应通道上的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 并计算出它们的振动频率和零点能(ZPVE), 并对能量进行了零点能校正. 计算结果表明, C₄H₇和O₂形成三种氧环中间体, 再分别分解, 这是主要的反应形式. 生成物主要为羰基化合物, 其次还有一定比例的CO.     

CH2＝CHCl与O(3P)反应的理论研究

用量子化学密度泛函理论和QCISD (Quadratic configuration interaction calculation)方法, 对O(³P)与CH₂CHCl的反应进行了理论研究. 在UB3LYP/6-311＋＋G(d,p), UB3LYP/6-31＋＋G(3df, 3pd)计算水平上, 优化了反应物、产物、中间体和过渡态的几何构型, 并在UQCISD(T)/6-311＋＋G(2df,2pd)水平上计算了单点能量. 为了确证过渡态的真实性, 在UB3LYP/6-311＋＋G(3df,3pd)水平上进行了内禀坐标(IRC)计算和频率分析, 并确定了反应机理. 研究结果表明, 反应主要产物为CH₂CHO和Cl.     

N8H8链状异构体结构与稳定性的理论研究

采用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-311＋＋G(d,p)基组上计算得到了21种N₈H₈链状异构体, 并研究了这些异构体间可能的互变异构情况. 为了得到更为精确的能量信息, 计算了QCISD(T)/6-311G(d,p)基组水平上各物质的能量. 所得的21种异构体分为4类(4种类型链状化合物): A为直链, B有一个支链, C有2个支链, D有3个支链; D类只有一种, A类稳定构型2种, B类稳定构型12种, C类稳定构型6种; 相对稳定的分别为: B2-1构型, B2-3构型和C23-2构型. 我们研究发现N₈H₈链状异构体中含有明显N＝N双键特征有利于化合物稳定性的提高.     

2-(2-巯苯基)苯并噁唑分子内质子转移取代基电子效应的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31G(d,p)和TDB3LYP/6-31++G(d,p)//CIS/6-31G(d,p)水平上研究了2-(2-巯苯基)苯并噁唑及其衍生物基态和激发态分子内质子转移现象,并探讨取代基电子效应对分子内质子转移的影响,研究结果表明,在基态时,硫醇式异构体为优势构象,供电子取代基使基态分子内正向质子转移能垒(烯醇式→酮式)升高;而吸电子取代基则可降低能垒,有利于基态分子内质子转移并有助于硫酮式异构体的稳定.在激发态时,硫酮式结构为优势构象,所研究的2-(2-巯苯基)苯并噁唑化合物及衍生物均可以发生无能垒或低能垒(≤1.5kJ/mol)的激发态分子内质子转移.巯苯基部分是激发态失活的主要活性部分,供电子基团有利于激发态的质子转移,吸电子基团使激发态跃迁困难,不利于激发态的质子转移.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.     

C78(CH2)2结构和光谱的半经验和密度泛函研究

用INDO系列方法研究C₇₈(CH₂)₂的18种可能异构体，表明最稳定异构体是42,43,62,63-C₇₈(CH₂)₂,其中CH₂加在C₇₈（C_2V）椭球长轴所穿过的同一六员环的两个6/6键上，形成类环丙烷结构。并对最稳定的四种异构体用B3LYP/3-21G方法进行了结构优化,在此基础上, 用INDO/CIS方法计算的C₇₈(CH₂)₂稳定异构体的电子光谱的第一吸收峰和用AM1方法计算的碳笼上的C-C键的主要红外振动频率与C₇₈（C_2V）相比发生兰移，原因是C₇₈(CH₂)₂具有较大的LUMO-HOMO能隙和由于加成带来的共轭体系变小。在B3LYP/3-21G水平上计算的¹³C NMR谱表明,被加成的C-C键上的C原子化学位移向高场移动, 这是因为sp²杂化的C 原子被转化为 sp³杂化的C 原子.     

3-羟基哒嗪及其CH3, NO2和Cl取代衍生物质子转移过程的理论研究

用密度泛函理论(DFT) B3LYP方法, 在6-311＋G*基组下, 对3-羟基哒嗪及其CH₃, NO₂和Cl取代衍生物分子醇式和酮式结构互变异构化反应进行了研究, 优化化合物的几何构型, 寻找反应的过渡态, 通过振动分析和内禀反应坐标(IRC)分析加以证实, 计算了反应的活化能. 结果表明, 3(2H)-哒嗪酮及其带取代基的衍生物不论是单体, 还是相对应的二聚体, 比其相对应的异构体能量低, 表明在通常情况下是以3(2H)-哒嗪酮及其衍生物形式稳定存在的, 这与前人通过实验数据对3-羟基哒嗪互变异构体的比率进行预测的结果是一致的. 根据计算结果讨论了异构化反应的机理.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.