稠环芳烃直接加氢的分子模拟研究

为提高重质油轻质化效率,抑制生焦,需对其中稠环芳烃加氢的具体过程详细探讨。本论文构建了一系列不同芳环数组成的稠环芳烃,以分子模拟为手段从反应机理层面研究稠环芳烃(PAHs)加氢反应过程。采用基于密度泛函理论的DMol~3模块对反应过程进行模拟计算,得到不同稠环芳烃加氢过程的反应热和能垒,通过数据比较探索稠环芳烃按照自由基热反应机理加氢时反应的难易程度。数据分析的结果显示,在自由基足量存在且能与模型化合物有效接触的理想状态下,稠环芳烃分子芳环数、分子饱和度对加氢难易程度影响不大,芳环极易与氢自由基结合,重质油加氢困难并非是因为稠环芳烃与氢自由基直接反应困难造成。     

2-(4-取代苯基)乙烯基吡啶电子光谱的理论研究

对2-(4-取代苯基)乙烯基吡啶系列用密度泛函法(DFT),在B3LYP/6-31+G**冰平上全优化几何构型,探讨苯环对位上不同取代基对分子电荷的转移、前线轨道能量等性质的影响规律.结果,电子由苯环向乙烯链移动,并通过乙烯链再向吡啶环移动;前线轨道能量随着取代基吸电子能力的增加而降低,随着供电子能力的增强而升高.在此基础上采用含时密度泛函(TD-DFT)计算分子第一激发态的电子跃迁能,得到最大吸收波长λmax.计算结果,6个化合物的最强跃迁都由于基态到单重激发态分子的HOMO→LUMO跃迁,由轨道对称性可知为π→π*跃迁.引入上述5种取代基,均导致最大吸收波长红移.     

1-吡啶-3-[4-(苯基偶氮)苯基]-三氮烯异构体基态和激发态电子结构和光谱性质理论研究

采用B3LYP/6-310*方法,对1-吡啶-3-[4-(苯基偶氮)苯基]-三氮烯(PYPAPT)各异构体进行优化,同时用ab initio HF单激发组态相互作用(CIS)法在6-31G*基组上优化各异构体最低激发单重态几何结构,并探讨了其分子结构与能量的关系,计算结果表明:(1)所有基态异构体基本保持Cs对称性,各原子基本处在同一平面中,而激发态各异构体分子的共轭性不如基态分子,在激发态分子中与偶氮相连的另一苯环与三氮烯及与其相连的苯和吡啶环都不在一个平面;(2)无论在气相中还是在二氯甲烷(DCM,ε=8.93),乙醇(EtOH,ε=24.55)和乙腈(ACN,ε=36.64)溶剂中,基态时PYPAPT主要以M11存在,激发态时为J11较稳定。运用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算了PYPAPT基态和激发态各异构体在溶剂中的吸收与发射光谱,研究了溶剂模型对理论光谱的影响。计算结果表明,PYPAPT各异构体基态和激发态的HOMO和LUMO都是离域π键,随着溶剂极性的增强,HOMO和LUMO轨道能量都逐渐下降。理论电子光谱证实,PYPAPT各异构体的吸收光谱随溶剂极性的增强略微红移,吸收强度也有微弱升高;最...     

C60-S-TTF及其衍生物的结构与电子性质的AM1研究

利用半经验AM1法研究了硫桥联的四硫富瓦烯衍生物的优势构型、电子结构及前线分子轨道。计算结果表明,目标分子的前线分子轨道主要由C60决定,C60母体与加成基团之间存在着较强的分子内电荷转移,C60m部分是电子受体,TTF部分为电子给体。并且预测了四硫富瓦烯硫桥稠环合C60衍生物可能在基态下产生长寿命的电荷分离态。     

四氢萘微观结构的量子化学研究

为了研究氢化芳烃的微观结构,进一步认识和理解氢化芳烃在催化裂化过程中的反应特性。以四氢萘为模型化合物,利用基于密度泛函理论的量子化学从头计算方法,对四氢萘的几何结构和电子结构进行了系统研究,得到了四氢萘不同位置C-H键和C-C键的键长、键级、键能以及电子云密度、前线轨道分布等微观结构信息。发现四氢萘结构具有轴对称特性,苯环上的C-C键和C-H键要远比环烷环的C-C键和C-H键稳定。由于受苯环的影响,会使得其环烷环上不同位置的C-C键的键长、键级和键能均具有明显差异,也导致环烷环上不同位置C-H键的键长、键级和键能有较明显的差异,具体表现为:对C-C键而言,与苯环相连的C-C键的键长较短,键级较高,键能也明显较高,而苯环β位C-C键的键能则明显较低;对C-H键而言,与苯环β位环烷碳原子上的C-H键相比,苯环α位环烷碳原子上的C-H键的键能明显较低。电子云分布计算结果能够较好地给出的这些C-C键和C-H键结构特征差异的原因。前线轨道计算结果表明,在催化裂化过程中,苯环α位环烷碳原子上的C-H键和β位C-C键较易受到催化剂酸性中心的进攻,是酸催化反应的位点。这些计算结果对于认识与理解氢化芳烃的反应特性具有一定的基础性理论意义。     

芳烃化合物C—13NMR谱解析的PPP—SCF—MO研究

本文利用 PPP-SCF-MO 的计算结果,提出了一个联系电荷密度、键级和键长与芳烃化合物 C-13NMR 化学位移的经验公式。七种稠环芳烃化合物的 C-13NMR 化学位移实测值的回归分析表明,该经验式较好地反映了化学位移与分子微观结构的关系。     

芳基自由基与芳基正碳离子结构与反应研究

芳烃是石油工业中一类非常重要的反应物,其结构特点和反应规律对于各类石油加工工艺特别是催化裂化和催化重整等具有重要意义。本论文以计算化学为研究工具,结合反应化学的基本原理,分别研究了芳烃分子、芳基自由基和芳基正碳离子的结构特点和反应规律。研究结果表明:芳基自由基和芳基正碳离子的结构存在着非常明显的不同,在热裂化反应中,芳烃主要在烷基侧链发生断裂,主要生成物为低碳烷基芳烃和烯烃。在催化裂化反应中,芳基正碳离子容易在芳环α位发生断裂,主要生成物为苯和烯烃。     

用DFT研究取代芳烃对大型蚤的急毒性

用DFT-B3LYP方法,在较高基组6-311G**水平,全优化计算24种取代芳烃化合物.从中获得分子最高占用和最低空轨道能(EHOMO和ELUMO)、前线轨道能级差(ΔE=EHOMO-ELUMO)、分子次最高占用和次最低空轨道能(ENHOMO和ENLUMO)、分子总能量(Er)、氢原子所带的最高正电荷(QH+)、最负非氢原子的静电荷(Q-)、分子偶极矩(μ)和分子体积(V).文献中的辛醇/水分配系数(log Kow),按取代基类型分类和标题化合物研究大型蚤急性毒性(-lgEC50)的定量构效关系(QSAR).结果表明,前线轨道能级和疏水性均对取代芳烃毒性作用有重要贡献.没有卤素或硝基的芳烃对大型蚤的毒性作用主要以与生物分子发生电子转移等化学反应为主,含有卤素或硝基的芳烃的毒性作用还与疏水性有关.对24种标题物作多元线性回归,所得模型(-lgEC50=8.243+0.293 log Kow+8.180 ΔE-25.457 ENLUMO+14.180 ENHOMO,n=24,R=0.955,q2=0.898,SE=0.143,F=79.408,P=0.000)具有较高的毒性预测作用.     

影响烷基芳烃黏度的内在结构因素探究

利用多种分子模拟方法对78种不同结构烷基芳烃分子分别计算了331种微观结构参数(包括前线轨道能量、电荷分布、表面积、偶极矩电子结构参数、几何结构参数和分子拓扑指数)。采用遗传算法(GFA)将这些微观结构参数与烷基芳烃的100℃黏度进行回归分析,构建烷基芳烃100℃黏度与其分子结构参数之间的定量关系方程。方程相关系数平方为0.935,交叉检验相关系数平方为0.921,具有较高的可靠性和预测能力。该方程揭示了烷基芳烃的前线轨道能量间隙、分子体积和可旋转化学键数量是影响其100℃黏度高低的主要结构因素。烷基芳烃前线轨道能量间隙越窄,黏度越高;分子尺寸越大,黏度越高;可旋转化学键越少,黏度越高。依据这三个结构参数,利用构建的定量关系方程,能够对烷基苯、烷基萘等芳烃的100℃黏度进行较为准确地预测,对于设计与优化具有理想黏度值的烷基芳烃基础油具有一定的指导意义和价值。     

柴油中烷烃热分解性能的理论研究

本文采用密度泛函理论的方法计算柴油中所含部分烷烃的碳碳键间的键裂解能,与实验数据相互印证找出精度更好的方法。并通过分析理论计算结果,总结柴油中代表烃类的断键规律。采用B3LYP、B3P86、MPWB95、B1B95方法,结合6-311++G**、6-31+G**基组对标题物进行计算研究。结果表明MPWB95和B3LYP方法均可较为准确地预测出烷烃的键裂解能。由计算各种烷烃的键裂解能(BDE)可知,含有偶数碳原子数的正构烷烃的对称性比含奇数碳原子数的对称性高,而正构烷烃在断键时是在直链中间进行断裂的,因此含有偶数碳原子数的正构烷烃的键裂解能要比相邻的含有奇数碳原子数的烷烃的键裂解能要大。随着碳原子数的增加,正构烷烃的前线轨道能级差ΔE_gap大体趋势是有略微的减小。主链碳原子数相同的异构烷烃,随着侧链碳原子数的增加,其前线轨道的ΔE_gap略有减少。含碳原子总数相同的异构烷烃的ΔE_gap略小于对应正构烷烃的ΔE_gap。     

高丽槐素的密度泛函理论研究

从分子结构的层面探讨高丽槐素的构效关系,深化对高丽槐素性质的了解和认识,利用ADF的GGA-B3LYP-3D方法,在TZP基组下对藏药高丽槐素进行了量化计算,得到了高丽槐素的分子几何结构参数,包括键长、键角和二面角的详细数据,在高丽槐素的结构中,碳氧键的键长在(1.385~1.51)?之间,这与氧原子的孤对电子参与了p-π共轭有关。基于对高丽槐素红外光谱的活性分析,IR显示高丽槐素分子化合物存在羟基、环醚、苯环结构。振动频率高表明高丽槐素分子的部分化学键强高,可见高丽槐素酚羟基的化学键不易断开,与其相关的反应活性较小。这与C(1)位置的C-O中的氧原子的p轨道与芳环形成p-π共轭体系,增强了C-O键的稳定性一致,但是,这也造成O-H中的氢原子较易脱除。通过计算得到Log P为-1.56,水合能为-80.766 k J?mol~(-1)。依据计算结果对高丽槐素的分子构型、偶极矩、疏水参数和前线轨道结构进行了详细分析,结果表明,在高丽槐素中B、D、E环是发生反应的主要活性点,与抗真菌作用有较大的关联性。     

边缘氢化石墨烯片层结构和光谱性质的密度泛函理论研究

以并3-6苯环为氢化石墨烯片层模型,采用量子化学密度泛函理论方法(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了几何结构全优化,讨论了分子结构、能量、前线分子轨道等性质的变化规律。在得到化合物基态稳定构型的基础上,运用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算了电子吸收光谱的性质。计算结果显示边缘氢化石墨烯片层均为平面结构,线型扶手椅型结构能量最低,结构最稳定。随着石墨烯片层环数的增加HOMO轨道能量增加,LUMO轨道能量降低,能隙能量降低,最大吸收波长明显红移。     

正十六烷CHH和CHC五配位正碳离子之间转化反应的分子模拟

为了研究催化裂化过程中,烷烃分子中的C-H键和C-C键质子化产生具有三中心两电子键结构的CHH和CHC五配位正碳离子之间的转化反应.利用密度泛函理论的量子化学从头算法,计算了正十六烷分子链中C4-H键和与之相邻的C3-C4键和C4-C5键质子化形成的C4HH、C3HC4和C4HC5五配位正碳离子的结构和能量.结果表明,正十六烷质子化产生的CHH五配位正碳离子能量高于C3HC4和C4HC5五配位正碳离子.表明CHH五配位正碳离子能够转化为CHC五配位正碳离子.以C4HH、C3HC4和C4HC5五配位正碳离子为起点进行过渡态搜索,得到了C4HH五配位正碳离子转化为C3HC4和C4HC5五配位正碳离子的过渡态,并对过渡态进行了确认.计算得到的C4HH五配位正碳离子转化为C3HC4和C4HC5五配位正碳离子的能垒分别为16.6 kJ/mol和13.9kJ/mol,表明CHH五配位正碳离子很容易转化为CHC五配位正碳离子.     

线型聚(N-杂环化)硅烷体系的电子结构与光谱性质的比较研究

用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对线型(N-杂环化)硅烷低聚体系与简单聚硅烷的电子结构和吸收光谱性质进行了比较研究。对各体系的基态分子结构在B3LYP/6-31G**水平上进行了全优化,讨论了电荷分布和前线分子轨道性质。在获得基态稳定构型的基础上,应用含时密度泛函理论计算了电子吸收光谱的性质。计算结果显示,当主链硅原子被氮杂环环化后,由于空间位阻作用使相邻硅硅键明显伸长,使主链结构变得松散。但同时改善了分子主链的电子离域范围,增强了分子结构的可塑性。随着氮杂环数目的增加,低聚硅烷的电子吸收光谱发生明显的红移。氮杂环的引入对聚硅烷的最大吸收光谱带影响非常大。     

磷系添加剂结构与润滑性能的量子化学研究

用HF／6-3lG方法全优化计算了次膦酸酯、膦酸酯、磷酸酯、亚磷酸酯、酸性磷酸酯、胺基磷酸酯、磷酸酰胺、磷酸酯胺盐等8类磷系润滑添加剂,用前线轨道能级,前线轨道电荷密度,原子净电荷,键级等参数,比较各类添加剂与金属间的相互作用,得到了添加剂的分子结构与其润滑抗磨性能的规律。计算表明,添加剂分子的前线轨道能级,Mulliken键级的数值决定了它们的润滑性能。根据磷系润滑添加剂的前线轨道能级,前线轨道电荷密度,原子净电荷以及Mulliken键级讨论了它们对钢一钢摩擦副,铝一铝摩擦副的润滑效果,计算结果与实验结论一致。     

共轭性取代对咔唑类衍生物结构和光谱性质影响的理论研究

用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD。DFT)对咔唑的6种共轭基团取代衍生物的电子结构和吸收光谱性质进行了比较研究。对衍生物的基态分子结构运用B3LYP/6-31G(d)水平进行全优化,分析了电荷的分布和前线分子轨道等性质。结果表明,与母体咔唑相比,各衍生物均形成了分子内氢键,共轭体系的π键成分增大,能级差减小,激发能降低,分子的最大吸收波长向长波方向移动,即发生红移。前线分子轨道分析表明该类化合物吸收光谱主要对应分子中的HOMO→LUMO电子跃迁,且为π-π~*跃迁。共轭性基团的引入扩大了分子结构的共轭范围,增强了分子内电子的转移,改善了咔唑类化合物的光电性能。本文为新型含咔唑基团的光电功能材料的设计合成提供了理论参考。     

酚与水的相互作用的量子化学研究

运用B3LYP/6-311++G(d,p)方法分别计算了苯酚、1-萘酚、1-蒽酚、1-并四苯酚、2-萘酚和9-菲酚与水的相互作用。研究结果表明稠环体系越大,结合能越强,酚与水的相互作用并不仅仅体现在水与酚羟基形成的氢键位点上,并且受到稠环体系的影响。芳环的增多与结合能的增加呈二次函数关系,结合能范围在25.7kJ/mol～7.2kJ/mol。     

乙二胺缩3,5-二氯水杨醛的合成、表征及量子化学计算

本文用乙二胺与水杨醛衍生物在非水相中合成了一种新的双希夫碱配体,并通过元素分析、核磁、质谱和红外等方法进行了表征。采用Gaussian 03在DFT/B3LYP水平下进行理论研究。计算出分子总能量TE、分子最高占据轨道能E_(HOMO)、分子最低空轨道能E_(LUMO)、标准焓H~θ、标准自由能G~θ、恒容热熔Cv~θ、标准熵S~θ、零点能E_0、分子偶极矩μ、前线轨道能量差△E等热力学参数。优化了几何构型模拟出分子的部分重要键长((?))、键角(°)、二面角(°)等结构参数。经过Mulliken布居分析得到了原子的净电荷分布。计算出原子轨道对前线分子轨道的贡献(%)。通过对热力学参数、结构参数、原子净电荷布局和原子轨道对前线分子轨道贡献的总体探讨,表明目标分子具有较好的空间结构和较强的配位能力,是一个良好的配体;并且,它的生物活性很强,可以进一步进行抑菌性能和抗氧化性能等研究并且应用到各个领域。     

还原型牛红细胞Cu(I)Zn-SOD的量化计算

运用G94W量子化学程序,在B3YIP/Lan12dz基组的水平上,对于还原型牛红细胞中CU(I)Zn-SOD活性中心进行了从头计算。研究了分子轨道能量,电荷分布,前线轨道的贡献。结果表明:前沿分子轨道能量均为负值,其电子光谱稳定,与金属配位的咪唑环电荷表现正负交替现象。在前线轨道贡献上Cu(I)的占有轨道贡献大,空轨道的贡献小,不易于接受O_O~-自由基的不成对电子。