能量分解方法的应用研究

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分子间相互作用对于物质的结构和性质,化学反应过程的有着至关重要的作用,因此受到实验化学家和理论化学家的广泛关注。在理论化学方面,大量用于研究各种相互作用的理论方法已经被开发和使用,其中能量分解分析(EDA)方法是一种被广泛使用的方法。能量分解分析方法将相互作用能分解为具有物理意义的不同部分,分别对应经典化学中描述的一些常见相互作用,如静电、排斥、极化、诱导、电荷转移、色散作用等。通过能量分解分析方法,我们可以对相互作用能(键能)有更加直观深入的了解,便于分析相互作用能的成份。本文主要从以下几个方面进行介绍:  1.LMO-EDA,EDA-PCM和KS-EDA的介绍  定域化分子轨道能量分解分析方法(LMO-EDA)方法可以使用各种后自洽场方法(DFT,MP2,CCSD(T)等)分析不同相互作用的特点,并且了解因为相互作用而导致体系分子轨道的变化情况,另外在程序实现中包含了基组重叠误差的消除功能。随着更加深入的研究分子间相互作用,必须考虑周围溶剂环境的影响,为此我们在LMO-EDA的基础上引入溶剂化效应,开发了一种可以分析溶液环境中相互作用的新方法EDA-PCM。EDA-PCM方法对均相溶液中和非均相的界面处的各种相互作用(离子间、氢键、范德华作用、配位相互作用等)进行分解分析均可得到合理结果。  LMO-EDA方法使用不同DFT方法进行能量分解遇到了一些困难,基于此,我们在LMO-EDA和EDA-PCM的基础上针对DFT方法对能量分解的计算流程进行了改进,开发了一种新的方法KS-EDA,KS-EDA方法使用不同的DFT方法进行能量分解可以得到一致的结果,且与二级微扰(MP2)方法的分析结果接近。  2.EDA-PCM方法的应用研究  我们使用EDA-PCM方法对各种分子间相互作用(氢键、范德华作用、离子间相互作用、配体间相互作用等)在气相、均相溶液环境和非均相溶液界面处的特性进行了广泛的研究。并且发现了溶剂对不同相互作用影响的特点:溶剂环境对于氢键、范德华相互作用的影响微弱;对离子相互作用有一定的影响;金属离子配位键受到溶剂的影响远比氢键、范德华相互作用受到的影响要大,而且与金属离子体系所带电荷有关。另外我们分别使用了两种不同的PCM方法-CPCM和IEFPCM来计算溶剂效应,两种方法得到的结果的结果基本一致。  3.KS-EDA方法的应用研究  近几十年来密度泛函(DFT)方法得到了高速发展,成为最受欢迎的理论方法。在本文中我们选取11种常用的密度泛函方法(包括纯GGA泛函,杂化GGA泛函,纯meta-GGA泛函,杂化meta-GGA泛函)分别使用LMO-EDA,EDA-PCM,KS-EDA和KS-EDA-PCM方法,对不同的相互作用进行能量分解,对比不同方法的结果,我们可以发现KS-EDA和KS-EDA-PCM方法得到的结果(各能量分项的值)一致性较好,不同泛函方法对相互作用的影响可以归结为相关项的不同所导致。  4.利用LMO-EDA方法研究蓝移氢键  我们使用LMO-EDA研究了蓝移氢键和红移氢键的差异。传统的氢键形成后,都会导致X-H键被削弱,在红外光谱上的X-H振动频率会向低频移动,即红移;而蓝移氢键在体系形成氢键后X-H键被加强,键长缩短,X-H的振动频率在红外光谱上向高频移动。我们利用LMO-EDA方法对比分析红移和蓝移氢键,发现红移氢键和蓝移氢键都主要受静电作用的控制;蓝移氢键中空间效应的贡献更为明显。
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