ZSM-5分子筛中Al的分布及Ga改性对其酸性强度的影响

利用量子化学理论研究了ZSM-5分子筛中骨架Al的分布,计算采用11T簇模型[(HSiO)_3 SiO(H)M(OSiH)_2OSi(OSiH)_3](M=Si,Al,Ga),和B3LYP/6-31G(d)的计算方法,得到了T1,T2,T12位置上的Al/Si,(Al,H)/Si替代能,结果表明11T簇模型中骨架Al优先取代于ZSM-5分子筛中的T12位。采用MP2/6-311++G(3df,2p),计算得到Al/ZSM-5、Ga/ZSM-5分子筛的质子亲和势分别是316.6 kcal/mol,319.4 kcal/mol;B3LYP/6-31G(d)的方法计算吡啶在分子筛及改性分子筛上的吸附能分别是-25.35 kcal/mol和-23.02 kcal/mol。研究结果表明Ga改性ZSM-5分子筛降低了其酸性强度。     

铁离子在ZSM-5分子筛中存在位置的理论研究

对磷铁改性的ZSM-5分子筛粉末进行X射线扫描,获得了较高分辨率的衍射数据,并由X射线荧光分析数据得到分子筛的化学组成。采用分子模拟软件中的建模及结构优化工具,构建了硅铝比为23.77的ZSM-5分子筛的三维空间构型,用分子力学方法计算二价铁离子在分子筛孔道中的位置并用Rietveld精修的方法验证铁离子在ZSM-5分子筛孔道中的位置。结果表明,金属改性的ZSM-5分子筛中二价铁离子主要存在于十元环S形孔道和直孔道交叉处,少量存在于直孔道中。计算了Fe²⁺离子在孔道内的配位间距,对改性的ZSM-5分子筛进行了结构参数分析,最终确定了两种Fe²⁺在孔道内的确切坐标分数。     

苯与乙烯在ZSM-5分子筛内吸附行为的Monte Carlo研究

采用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟方法研究了ZSM-5分子筛上苯与乙烯分子的吸附行为。由分子筛内吸附质粒子云分布可知,在200 kPa时,乙烯在分子筛上的吸附量要远远大于苯的吸附量。由吸附相互作用能分布来看,乙烯与分子筛之间相互作用能要高于苯与分子筛之间的相互作用能,这就使苯分子的吸附相对于乙烯分子稳定。相对而言,温度变化对乙烯吸附影响远大于对苯吸附的影响。ZSM-5分子筛上存在着苯和乙烯的竞争吸附,并且吸附分子之间存在相互作用使二者与分子筛之间的相互作用能分布改变。苯与乙烯在分子筛内吸附等温线的模拟结果表明,在较高温度、较低压力下乙烯的吸附量要小于苯的吸附量。     

新型咔唑衍生物密度泛函理论的研究

运用量子化学中的密度泛函和含时密度泛函理论法,计算1种新型咔唑衍生物,以探讨其几何构型、电子结构、前线分子轨道和电子光谱性质。计算结果表明当2-(4-吡啶基)乙烯基的反式构型与咔唑环作用时比顺式稳定,引入取代基后使化合物的HOMO和LUMO之间的能隙降低,吸收光谱红移。电子被激发时,电子从咔唑环向吡啶环转移,说明新型咔唑类化合物具有很好的光学性能,可以作为空穴传输材料。     

NO在Cu-ZSM-5上吸附机理的量化研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在LanL2DZ基组下,研究了NO在铜离子交换型沸石分子筛催化剂(Cu-ZSM-5)上的吸附情况。首先优化了吸附模型的几何构型参数,然后通过分析Mulliken电荷分布和轨道布居数,进一步探讨了NO在Cu-ZSM-5上吸附成键和活化机理。结果表明:与非负载型Cu相比,Cu-ZSM-5对NO的吸附和活化性能均有提高(其中,负载型Cu~0对N-O键的拉长效应以及吸附能分别为:E=146.2～175.5 kJ·ml~(-1),r=0.065～0.088 A;负载型Cu~+对N-O键的拉长效应以及吸附能分别为:E=105.8～120.8 kJ·mol~(-1),r=0.006～0.012 A)。轨道分析还表明:Cu的3d和4s电子通过dsp杂化参与π~*反馈而导致NO的活化,同时Cu的σ价电子与NO的5σ电子排斥作用的减小是吸附能增加的主要原因。通过相关系列的量化研究,将为氮氧化物NO_x(NO+NO_2)的去除寻找合适的有应用价值的高效催化剂及最佳的去除条件提供理论依据。     

分子筛合成过程中三聚铝硅酸盐生成机理的DFT研究

采用密度泛函理论研究了在分子筛合成的碱性环境中铝硅酸盐三聚体的生成机理.在B3LYP/6-31 G(d,p)计算水平上对反应物、过渡态和产物分别进行了几何结构的全优化和频率计算,通过内禀反应坐标的方法验证了反应路径,并计算了反应的活化能.采用COSMO-RS模型考虑了溶剂效应.结果表明,二聚硅酸分子SiOSi(OH)6和单体铝酸根离子Al(OH)**的缩聚反应可以按照协同方式进行,SiO-Al桥键的形成与水分子的脱除同时发生,最终生成铝硅酸盐的三聚体.计算得到的缩聚反应活化能为80.1 kJ/mol.     

奈韦拉平闭环前体的量子化学研究与实验

采用密度泛函B3LYP/6-31G(d)方法对奈韦拉平闭环前体2-环丙胺基-N-(2-氯-4-甲基-3-吡啶基)-3-吡啶甲酰胺进行了量子化学研究,并通过闭环前体在强碱的作用下,在有机溶剂中加热回流合成奈韦拉平进行了实验验证。理论计算结果表明,闭环前体分子稳定性较差,具有较强的反应活性;偶极矩与奈韦拉平差别不是很大;与卤素原子相连的碳原子是亲核取代反应的活性中心,仲胺氮原子和羰基氧原子的亲核性存在着竟争。实验结果显示,强碱的用量是影响闭环反应的主要因素,根据理论计算推测的主要产物和副产物,与实验结果相一致。     

苏丹红I号的太赫兹光谱研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了苏丹红Ⅰ号在0.5～2.0THz波段的光谱特性,得到了样品在室温氮气环境下的吸收谱和折射率谱,同时利用密度泛函理论计算了该分子在0.5～2.0THz的振动吸收谱.研究发现,苏丹红Ⅰ号在该波段范围存在THz光谱响应,且实验谱和计算谱之间能较好地进行相互印证,说明THz-TDS技术可以用来探测该样品分子的结构和振动情况.本文还给出了与光谱特征吸收对应的分子振动模型,用以认识分子对THz波的响应机制.该研究结果为将THz-TDS技术应用于食品质量安全检测提供了依据.     

5-氟尿嘧啶…NO分子复合物的结构与性质

用密度泛函理论,在BL3YP/6-311++G**基组水平上研究5-氟尿嘧啶…NO复合物体系,用更大基组(6-311+G(2df,p)和aug-cc-pVDZ)进行单点能的计算,发现5个能量极小的复合物。同时,使用自然键轨道(NBO)法和分子中的原子(AIM)法对5-氟尿嘧啶和NO分子间的作用本质进行了分析。结果显示,5-氟尿嘧啶和NO的结合方式是NO的N、O原子与5-氟尿嘧啶的N-H键形成氢键,或O原子与5-氟尿嘧啶分子间通过弱π键结合在一起。最稳定复合物的结合能为-7.86 kJ/mol。N原子与5-氟尿嘧啶的结合更有优势,N结合的复合物中,NO键长缩短,伸缩振动频率蓝移,而O结合的复合物中,NO键长伸长,伸缩振动频率发生红移。     

十二胺捕收剂溶剂化效应及其水相氢键超分子作用的密度泛函研究

采用密度泛函方法研究了十二胺在气相、苯、乙酸、乙醇及水中的分子构型、电荷分布以及前线轨道。首先采用B3LYP/6-31G(d,p)及B3 LYP/6-311++G(d,p)进行优化,采用自洽反应理论(SCRF)的极化连续介质模型(PCM)进行不同溶剂条件下的优化并进行自然键轨道(NBO)分析。结果表明,对比气相条件下,十二胺分子的几何构型发生了微弱变化,这种变化随着溶剂介电常数的增加长程稳定性增强,溶剂化效应使前线轨道中HOMO趋于比LUMO更稳定,NBO分析表明溶剂化能主要来源于LP(1)N_(38)→π~*C_(32)-C_(33)。随着溶剂介电常数的增加,十二胺分子采用B3 LYP/6-31+G(d,p)的△E_(HOMO)-E_(LUMO)由气相-0.23773 a.u至水相中-0.25120 a.u,溶剂化能-13.36 kcal/mol,采用B3 LYP/6-311++G(d,p)的△E_(HOMO)-E_(LUMO)由气相-0.22755 a.u至水相中-0.24004 a.u,溶剂化能-13.02 kcal/mol,溶剂化能趋于稳定,表明十二胺分子的溶剂化效应采用B3 LYP/6-31+G(d,p)构型趋于稳定。采用B3LYP/6-31+G(d,p)对十二胺与水分子氢键超分子结构进行了研究,利用分子静电势(MEP)进行氢键及反应活性位分析,结果表明氢键作用是引起十二胺分子结构和性质变化的主要原因。研究结果对十二胺捕收剂在溶剂条件下对矿物的浮选机理认识具有一定的理论意义。     

硝基芳烃对黑头呆鱼毒性的DFT研究

对35种硝基芳烃化合物进行DFT-B3LYP/6-311G**水平全优化计算。据所得量子化学参数和标题化合物的辛醇/水分配系数(IgK_OW)建立硝基芳烃对黑头呆鱼毒性(-IgLC₅₀)的QSAR模型,采用内部及外部双重验证的办法深入分析和检验模型的稳健性。最佳模型的复相关系数（R²）,去一法（LOO）交互检验复相关系数(R²_cv),外部预测样本复相关系数(R²_ext)分别为0.975,0.970和0.904,故所建立QSAR模型的稳定性和预测能力良好。结果表明:硝基芳烃化合物的毒性主要由分子最低空轨道能(E_LUMO)、硝基静电荷(Q_NO2)、氢原子所带的最高正电荷（Q_H⁺）及辛醇/水分配系数决定。苯环上取代基的类型、数目和取代位置直接影响到标题化合物的毒性大小,强吸电子基如硝基会使化合物毒性增强,且邻对位硝基取代的毒性高于间位取代;相反,给电子基团氨基的存在则会使化合物的毒性降低。总之,硝基是这类化合物致毒的主要基团,将硝基包覆或还原为氨基应为此类化合物解毒的重要途径。     

DFT法研究取代酚对黑头呆鱼的急毒性

基于定量结构-活性相关（QSAR）研究酚类化合物的急毒性具有重要意义。运用DFT-B3LYP方法,在较高基组6-311G^**水平下,全优化计算25种取代酚。从中获得分子最高占用和最低空轨道能(E_HOMO和E_LUMO)、前线轨道能级差(AE=EHOMOˉ尻_LUMO)、分子次最高占用和次最低空轨道能(E_NHOMO和E_NLUMO、分子总能量（E_T）、氢原子所带的最高正电荷（q_H⁺）、最负非氢原子的静电荷（g）、分子偶极矩（μ）和分子体积（V）等描述符。结合文献中标题化合物对黑头呆鱼急毒性值(-1g LC₅₀),由多元线性回归方法建成QSAR模型,采用内外双重验证的办法,深入分析和检验模型的稳健性。最佳模型的复相关系数（R²）,去一法（LOO）交替检验复相关系数(R²_CV),外部预测样本复相关系数(R²_ext)分别为0.976,0.974和0.940,故所建QSAR模型的稳定性和预测能力良好。表明:取代酚对黑头呆鱼急毒性与分子体积、最负非氢原子的静电荷及分子总能量的相关性密切。     

密度泛函理论和从头计算法研究环戊二烯衍生物气态酸度及其取代基效应

用B3LYP／6-311G(2df,p)／／B3LYP／631 G*和MP2／6-311G(d,p)／／B3LYP／6-31 G*方法准确地预测了9个系列的环戊二烯衍生物(R=CN,CF3,CHO,C283,F,SiH3,H,CH3,OH,NH2)的C-H键的酸度。环戊二烯衍生物气态酸度的范围从284.9 kcal／mol (化合物5a)到357.24kcal／mol(化合物7j),分析取代基的电性、数量以及位置的影响得到了9个QSAR方程。这些数据有助于我们设计以及合成一些有机酸,并有助于深刻理解相关反应中环戊二烯衍生物的性质。     

亚硝酰氢与羟基自由基反应的密度泛函理论研究

用密度泛函理论研究了HNO OH反应机理。在(U)B3LYP/aug-cc-pVTZ水平上,优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,获得了零点能校正后的反应势能曲线。研究表明:根据进攻方式的不同,有3个反应通道,反应通道不同则产物不同。反应的主要产物是NO H_2O,次要产物是NH_2 O_2;主要产物和次要产物与反应物的总能量之差(经零点能校正后)分别为-133.42 kJ/mol和150.44 kJ/mol。生成主要产物时主要反应通道的活化能为102.11 kJ/mol。     

Effects of amine organic groups as lattice in ZSM-5 on the hydrolysis of dimethyl ether

The effects of doping amine to ZSM-5 on its catalytic activity for hydrolysis of dimethyl ether (DME) have been studied theoretically using Density Functional Theory with the embedded cluster ONIOM(M06/6-31G(d,p):UFF) model. Doping by amine to ZSM-5 yields two new active centers, namely the protonated Z[NH₂] and non-protonated Z[NH] amine sites in addition to the normal Brønsted acid Z[OH] site. The reaction has two possible stepwise and concerted channels. The stepwise channel consists of two elementary steps; (i) the demethylation followed by (ii) the hydrolysis while the concerted channel involves in the demethylation and hydrolysis in a single step. We found that the reaction favors to proceed via the concerted channel at all three active centers. The results predict that the Z[OH] shows the best catalytic performance for the studied reaction. The Z[NH₂] is not catalytically active due to the activation barriers are extremely high for both stepwise and concerted pathways. The demethylation step is energetically favorable over the Z[NH] site, however, the product methylamonium surface intermediate is too stable to be further converted to methanol.     

几种新型双吡唑衍生物缓蚀性能的理论研究

通过量子化学计算中的密度泛函理论(DFT)/B3LYP方法在6-311+G(d,p)水平上对3种新型双毗唑衍生物5,5'-二甲基-4-乙酯基-1'氢-1,3'-二吡唑(Bipl)、1,1',5,5'一四甲基-1氢,1'氢-3,3'-二吡唑(Bip2)和3-(溴甲基)-5,5'-二甲基-1'氢-1,3'-二吡唑(Bip3)的缓释性能与结构关系进行了研究。用Fukui指数分析了分子中反应活性位点。结果表明全局活性参数最高占据轨道能量(E_(HOMO))、偶极矩(μ)、电负性(X)及电子转移数(△N)与缓释性能有良好的关系。缓蚀性能的理论评价结论与实验结果相吻合。     

DFT study of the interaction between DOTA chelator and competitive alkali metal ions

1, 4, 7, 10-tetraazacyclododecane-1, 4, 7, 10-tetracetic acid (DOTA) is an important chelator for radiolabeling of pharmaceuticals. The ability of alkali metals found in the body to complex with DOTA and compete with radio metal ions can alter the radiolabeling process. Non-covalent interactions between DOTA complexed with alkali metals Li⁺, Na⁺, K⁺ and Rb⁺, are investigated with density functional theory using B3LYP and ωB97XD functionals. Conformational possibilities of DOTA were explored with a varying number of carboxylic pendant arms of DOTA in close proximity to the ions. It is found that the case in which four arms of DOTA are interacting with ions is more stable than other conformations.The objective of this study is to explore the electronic structure properties upon complexation of alkali metals Li⁺ Na⁺, K⁺ and Rb⁺ with a DOTA chelator. Interaction energies, relaxation energies, entropies, Gibbs free energies and enthalpies show that the stability of DOTA, complexed with alkali metals decreases down the group of the periodic table. Implicit water solvation affects the complexation of DOTA―ions leading to decreases in the stability of the complexes. NBO analysis through the natural population charges and the second order perturbation theory, revealed a charge transfer between DOTA and alkali metals. Conceptual DFT-based properties such as HOMO/LUMO energies, ΔE_HOMO-LUMO and chemical hardness and softness indicated a decrease in the chemical stability of DOTA―alkali metal complexes down the alkali metal series. This study serves as a guide to researchers in the field of organometallic chelators, particularly, radiopharmaceuticals in finding the efficient optimal match between chelators and various metal ions.