量子化学计算方法与GPU应用综述

本文从量子化学计算的诞生出发,简述了常用的3种计算方法的优缺点和适用范围;从量子化学计算与计算机技术的关联出发,介绍了量子化学计算处理器对量子化学计算的贡献,以及GPU引发的新一轮量子化学革命,最后对量子化学计算的前景做了展望。     

偏二甲肼分子化学键解离能的理论计算

利用量子化学组合从头算方法和密度泛函理论方法计算了偏二甲肼分子的准确化学键解离能。结果表明,除N—C键外,组合从头算方法对该分子其余键解离能的计算值与文献值都很接近;密度泛函理论中BMK方法的计算结果与组合从头算方法的结果很接近,对于N—H和C—H键,B3P86方法的计算结果稍优于BMK方法,而B3LYP方法则普遍低估了键解离能。由于自旋污染的原因,限制性开壳层方法要优于非限制性方法。计算结果表明,偏二甲肼分子中N—N和N—C键的键解离能最低。     

推进剂燃烧产物热力学性质的理论计算

采用密度泛函B3LYP方法在6-311G（d,p）和LANL2DZ-6-311G（d,p）水平下计算了火箭推进剂燃烧产物（含Cu、Pb、B、Al等元素）氯化物和氟化物的热力学性质。用基于Morse势函数的统计力学方法计算了其中的双原子分子在300～6000K时的热力学性质。结果表明,采用Morse势函数方法计算的CuF、PbF、PbCl、BCl、ClO、AlCl、AlF和BF双原子分子的热容和熵与文献值一致,其一般偏差为1％～2％。采用Morse势函数方法可以方便快捷地计算出推进剂燃烧产物（双原子分子）的热力学性质。     

量子化学计算在煤炭清洁高效转化微观机制的应用

为推进实现碳达峰、碳中和的目标,煤炭作为我国能源结构的基础原料,其利用的清洁化、高效化需要持续深化内涵。量子化学作为解释微观结构及作用机制的重要理论,目前已被广泛应用于煤化学领域,为煤炭研究提供更多微观信息,以促进煤炭清洁高效利用技术的发展。基于此,概述了量子化学计算在优化煤炭模型分子结构、探讨煤炭清洁高效转化反应机理和明确反应影响因素作用机制3方面的应用,重点对煤热解、燃烧、气化及液化过程中存在的微观问题进行分析、梳理,涉及煤的热解和燃烧过程中的氮元素迁移转化机理、煤基特征官能团与CO₂的气化特性、煤液化微观机理中的氢转移反应,以及气氛和催化剂等因素的作用机制等,最后就匹配煤炭变质程度的演变模型、煤炭反应过程中的多因素作用影响机制、完整转化机理、催化剂优化、创新集成工艺等问题,对量子化学在煤炭清洁高效转化领域中有待深入挖掘的科学问题进行了总结与展望,力图为煤炭清洁转化利用技术的研究和应用提供启示。     

TADFIW水解反应机理的密度泛函理论

应用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)水平下对四乙酰基二甲酰基六氮杂异伍兹烷(TADFIW)甲酰基的水解反应机理进行了研究.结果表明,TADFIW上的甲酰基水解时,甲酰基被质子化,碳氧双键中的氧原子带有负电荷0.619 e,碳原子带有正电荷0.471 e,亲核试剂水分子进攻质子化甲酰基的碳原子,同...     

Nd掺杂CeO2(111)表面稳定结构的热力学分析实验设计

掺杂CeO₂材料易产生氧空位,确定实际反应条件下CeO₂表面的稳定结构是后续催化反应机理研究的基础。为合理构建催化反应表面模型,设计基于从头算热力学相图分析Nd掺杂CeO₂(111)表面结构的研究型实验。使用VASP软件进行密度泛函理论计算,优化Nd掺杂CeO₂(111)表面模型;结合热力学基本原理,计算体系吉布斯自由能;借助Origin软件绘制Nd掺杂CeO₂(111)表面结构的热力学相图,并进一步确定在一定的反应温度和H₂压强下稳定的表面结构。     

四嗪类高氮化合物结构对热分解机理影响的理论研究

采用从头算分子动力学方法,对均四嗪分子及其5种衍生物分子的热分解轨迹进行了模拟,获得了它们的各种热分解途径及其难易程度.用密度泛涵理论在B3LYP/6-311G(d,p)水平下计算了各稳定点和过渡态的几何结构和能量,得到了各反应途径的能垒高度,从能量的角度对从头算分子动力学模拟结果进行了验证.获得了不含取代基的均四嗪分子的热分解机理,即协同的三键断裂,与其光分解机理一致.此外,还得到了5种不同类型的取代基对四嗪环的开环方式、稳定性以及对四嗪类高氮化合物热分解机理的影响规律.当取代基的稳定性高于四嗪环的稳定性时,该化合物首先发生开环反应;反之,则首先发生取代基反应.另外还获得了分子间反应对四嗪类高氮化合物热分解机理影响的一些较新的结论.     

直链羧酸型缓蚀剂的缓蚀机理研究

直链羧酸型缓蚀剂是目前被广泛研究的有机缓蚀剂,羧酸分子中包含亲水的羧基和疏水的烷基链,是典型的表面活性剂型缓蚀剂。本文采用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G (d,p)基组下对CH_2=CH-(CH_2)_4COOH(C7)、CH_2=CH-(CH_2)_8-COOH(C11)、油酸和蓖麻油酸四种具有不同碳链长度的直链羧酸型缓蚀剂进行结构优化和量子化学参数计算,进而从理论上研究羧酸缓蚀剂结构与缓蚀性能之间的关系。研究结果表明,缓蚀剂分子中碳链长度的增加会增强缓蚀效率,但对分子的能隙(35)E,硬度η、偶极距μ、化学势u、电子转移数(35)N影响较小。然而,C=C双键的位置对缓蚀剂的缓蚀性能有较大的影响,计算所得的最高占有轨道(HOMO)都分布在C=C双键及其相邻的碳原子,最低空轨道(LUMO)分布在羧基以及相邻的碳原子。通过对四种直链羧酸缓蚀剂的Fukui指数研究发现,四种直链羧酸缓蚀剂的反应活性中心都在C=C双键和-COOH羧基及其附近碳原子。最终得到四种直链羧酸缓释剂的缓蚀效率按照蓖麻油酸油酸C11缓蚀剂C7缓蚀剂的循序逐渐下降。     

臭氧氧化偏二甲肼生成二甲基亚硝胺的量子化学计算

利用量子化学密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,对臭氧氧化偏二甲肼(UDMH)生成二甲基亚硝胺(DMNA)过程中相关的反应机理进行了理论研究;优化了各个反应物、中间体、过渡态及产物的分子构型,对其进行了能量分析及反应路径跟踪。结果表明,UDMH首先被氧化为中间体1,1-二甲基二氮烯,然后中间体再被氧化生成DMNA,计算得到上述两步反应的反应热分别为97.53kJ/mol和217.74kJ/mol,反应极易进行,通过能量数据能够预测生成DMNA的可能的反应历程。     

密度泛函理论计算在荧光材料研究中的应用

密度泛函理论是一种基于量子力学原理的电子结构计算方法,已经成为材料科学和化学领域中重要的计算工具之一。在荧光材料研究中,密度泛函理论计算可以确定晶体结构,计算材料的的能带结构、态密度等信息来帮助研究人员理解荧光材料的本质和特性,为材料的设计和优化提供依据,同时基于密度泛函理论计算的高通量计算可以快速评估大量材料的性质,加快新材料的开发过程,降低研究成本。本文介绍了密度泛函理论计算在荧光材料研究中的应用,并探讨了其未来发展前景。     

密度泛涵理论及其在碳纳米管性能研究中的应用

随着电子计算机技术的飞速发展,密度泛涵理论(DFT)方法在研究分子的结构与性能方面的应用日益广泛。碳纳米管是一种新型的碳纳米材料。具有独特的物理化学性质。它在储氢等方面的性能更是引起了人们的极大兴趣。这里着重介绍DFT这一重要理论及其在碳纳米管性能研究中的应用。     

计算化学在生物质气化研究中的应用

从可再生的生物质得到的替代能源是解决石油资源枯竭的方法之一。但生物质能的制备过程复杂,包括热解和反应速率较慢的气化过程。为了研究其反应机理,必须从实验和理论两方面入手。本综述介绍了生物质气化过程研究中应用的计算理论,并讨论了理论模型的类型、大小及电子结构的影响。此外,还对气化过程中的吸附、重排、迁移和解吸进行了综述。     

Synthesis,Biological Evaluation,and Computational Analysis of Biaryl Side-Chain Analogs of Solithromycin

There is an urgent need for new antibiotics to mitigate the existential threat posed by antibiotic resistance. Within the ketolide class, solithromycin has emerged as one of the most promising candidates for further development. Crystallographic studies of bacterial ribosomes and ribosomal subunits complexed with solithromycin have shed light on the nature of molecular interactions (π-stacking and H-bonding) between from the biaryl side-chain of the drug and key residues in the 50S ribosomal subunit. We have designed and synthesized a library of solithromycin analogs to study their structure-activity relationships (SAR) in tandem with new computational studies. The biological activity of each analog was evaluated in terms of ribosomal affinity (K_d determined by fluorescence polarization), as well as minimum inhibitory concentration assays (MICs). Density functional theory (DFT) studies of a simple binding site model identify key H-bonding interactions that modulate the potency of solithromycin analogs.     

Quantum Mechanical–Rapid Prototyping Applied to Methane Activation

The accuracy of quantum mechanics (QM) calculations have improved to the point at which they are now useful in elucidating the detailed mechanisms of industrially important catalytic processes. This, combined with the continued dramatic decreases in the costs of computing (and the concomitant increases in the costs of experiments), makes it feasible to consider the use of QM in discovering new catalysts. We illustrate how to apply quantum mechanics to rapidly prototype potential catalysts, by considering improvements in the Catalytica Pt catalyst for activating methane to form methanol. The strategy is to first determine the detailed chemical steps of a prototype reaction (in this case, (bispyrimidine)PtCl₂). Then, we identify critical conditions that must be satisfied for a candidate catalyst to be worth considering further. This allows the vast majority of the candidates to be rapidly eliminated, permitting a systematic coverage of large numbers of ligands, metals, and solvents to be covered rapidly, enabling the discovery of new leads. This Quantum Mechanics-Based Rapid Prototyping (QM-RP) approach is the computational-chemistry analogy of combinatorial chemistry and combinatorial materials science.     

浅谈量子化学的发展

综述了建立在量子力学基础上的量子化学的产生过程;探讨了理论化学的发展和量子化学的产生的内在联系;分析了理论化学在现代化学的发展中所起的作用以及目前在量子化学中运用的新方法;最后浅析了量子化学发展的瓶颈所在,及量子化学的前景展望。     

The Lise Meitner-Minerva Center for Computational Quantum Chemistry: 18 Years of Israeli-German Collaboration

We tell the story of the Lise Meitner-Minerva Center, its establishment and activities, its members and their scientific activity, and its instrumental role in weaving intense relationships with the theoretical community in Germany, and in amalgamating the Israeli community of computational quantum chemistry into a national center that enjoys a high international reputation.     

Linear Free Energy Relationships in Kinetic Analyses: Applications of Quantum Chemistry

Abstract

The role of linear free energy relationships and quantum chemistry in kinetic analyses is discussed and applied to a representative sequence of molecular pathways important in hydrocracking chemistry. Experimental data on adsorption, hydrogenation, cracking, isomerization, and coking for various aromatic, heteroatom-containing aromatics, and alkylaromatics were compiled from the literature and correlated with a set of reactivity indices which describe important structural, electronic, and/or energetic features of the reactants, products, or intermediates. All reactivity indices were computed from serniempirical quantum chemical calculations. The equilibria of adsorption were correlated with the proton affinity. Hydrogenation kinetics were related to the atomic site containing the highest π-electron density. Cracking kinetics were explained by the correlation with the heat of hydride transfer. Isomerization appeared dependent upon the heat of carbocation formation. Coke formation was related to the proton affinity. These LFERs provided a concise organizational summary of the chemistry of hydrocracking. Their potential in the prediction of the kinetics of unstudied systems is also discussed.