过程材料4-文献综述

文献综述分子计算在四唑衍生物研究中的应用医药化工学院05化学工程与工艺学生：奚灵志指导老师：钟爱国摘要：利用高斯软件计算四唑衍生物，从而发现其中不同取代基对分子的影响，进而由这个不同的变化了解不同取代基衍生物的特性，方便了我们设计分子，了解不同取代基衍生物的用途。关键词：四唑衍生物，量子力学，高斯软件近年来,分子模拟技术随着计算机技术的发展而迅速发展,并逐渐成为化学研究领域中的日常研究工具,通过这种工具和方法,可以从更深层次理解化学反应及过程,确定或预测分子结构以及化学体系的稳定性,估算不同状态之间的能量,在原子水平上解释反应途径及机理,了解分子结构与化学性质之间的关系,预测有价值的分子等。因此近年来发展了许多优秀而使用方便的分子模拟计算机软件,如,studio,Gaussian,MOL-PRO,MOPAC，Hyperchen,Materials,主要可用于3D模动画、量子力学计算、分子力学计算、分子结构模拟、化学反应过程模拟等方面的研究。这些软件虽各有特色,但其计算的理论基础和数学模型却都是建立在最基本的量子力学和分子力学理论之上的[1]。1.计算方法1.1量子力学模型化学反应中对电子性质的计算最常用方法就是量子力学方法,其基础就是shrodinger方程,基于此方程得来的HARTEE-fock一理论应用于实际分子体系的量子力学分子轨道计算有两种最为普遍应用的方法从头计算（AbInitio）方法和半经验（semi_empirical一）方法。1.1.2密度泛函电子密度泛函理论(DensityFunctionalTheory,DFT)是近几年兴起的第三类电子结构理论方法，它不用波函数而是通过电子密度来表征多电子体系，其能量可以表述为电子密度的泛函;用变分法对Shrbdinger方程进行求解，求得能量的极小值即可确定电子密度。DFT计算明显快于从头计算分子轨道法，同时其准确度可匹敌于MPZ，因此近年来DFT在量子化学计算中，特别是较大体系的计算中越来越受到重视。但是OrT发展较晚，远不及基于fir和相关能校正的分子轨道法完善，如DFT会在某些情况下得到错误的结果，而且目前尚无系统的改进方法。起初OrT只能用于基态性质的计算，之后虽然发展出了能处理激发态的时间相关(Time-De-pendent)InT方法，但尚不够完善[2-3]。2.软件主要功能目前可以使用的分子模拟软件很多，也涵盖了多领域不同的计算需要，每个不同的软件因其应用领域的侧重点不同而具有不同的功能，但对于大多数分子模拟软件来说，一般都包括一些非常常用和重要的功能，主要介绍如下:(1)可建立、显示分子骨架模型，一般程序包中都含有实验数据构成的数据库(键长、键角、二面角等)，可以迅速构成分子体系骨架，建立起3D,2D分子模型，并有快速的分子草图自动快速加氢功能;可通过线状、棒状、球棍等多种方式显示并用鼠标实现实时旋转和缩放。(2)可给出分子化学反应的静态性质，包括势能、势能的梯度、静电势、分子轨道能量、基态、激发态分子轨道系数、振动分析、振动频率、振动模式、红外吸收强度、紫外吸收强度、自旋密度一ESR光谱的藕合常数、预测化学反应的位置、说明化学反应的途径和机制、解释分子的动力学行为等等。(3)可使计算结果图形化，主要有分子轨道、静电势的图形、总电荷密度的分布、总自旋密度的图形等等。(4)可进行分子构型优化，主要有SteepestDe-scent，Fletcber-Reeves(conjugategradient)，Polak-Ribiere(conjugategradient)，EigenvectotFollowing[3-4]。3.四唑的发展历史和应用前景1885年Bladin合成出第一个四唑衍生物(2一氰基一5一苯基四唑)。由于高氮化合物(如叠氮化合物)大都很不稳定，故人们推测这种含四个氮原子的五元杂环化合物即四唑化合物也不稳定，早在1893年人们就开始对四唑化合物的热解进行研究川。然而系统研究这类化合物的热解性质却是20世纪50年代以后。20世纪50年代以来,由于四唑化合物在农业、生物化学、药理学和摄影技术方面的广泛应用使“四唑化学”的研究得以迅速发展.目前,四氮唑化合物的应用正与日俱增,所谓“四唑化学”已成为吸引化学和炸药工作者极为重要的研究领域，四唑及其衍生物尤其是它们的金属盐或配合物通常均具爆炸性，20世纪70年代初,开始对四唑化合物较为系统的量子化研究,主要计算讨论了四唑化合物的电子结构与其爆炸性质之间的联系[5-7].目前,对四氮唑类高氮含能材料的研究主要集中在高能钝感炸药,可取代RDX和MHX的低特征信号感应推进剂,发展新型无毒高效低温气体发生剂,新型观赏性的低烟或无烟火技术以及无烟低温灭火剂等含能领域.因为四唑本身是一个高氮环化合物,它也是新型含能材料所依据的骨架之一，四哇衍生物及其金属盐和配合物是一大类化合物，数量和种类很多。例如随着取代基不同有各种衍生物:随着配体、金属和配位方式的改变，以及随着外配位酸根的改变也可产生四哇衍生物的各类多系列配合物，它们的化学性质各异[8-11]。4.分子计算的研究意义随着分子模拟技术的不断进步与发展,越来越多更为成熟的计算方法逐步被广泛应用,通过模拟得到的计算结果也越来越完美[1]。与此同时,许多性能和功能更为优越的分子模拟软件也为广大用户提供了更为快捷和准确的计算工具,用分子模拟技术来代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行材料的设计,这样一方面可以用来模拟研究现代实验方法尚难以研究的现象和过程,一方面又可以缩短新材料研制周期,降低开发成本,创造巨大的经济的社会效益，本文在PM3/STO-3G水平上研究了7种取代(-H，-CN，-NH2，-OH,-CN2,-CH3和-NO2)取代四唑化合物上的氢原子生成的7种四唑衍生物的几何结构、电子结构和含能性质进行了理论研究。结果显示,与取代基相连的碳原子的电荷变化与取代基常数之间存在很好的线性相关性。而且由偶极距和波长和能隙值的规律我们也可以了解不同取代基衍生物的特性，方便了我们设计分子，了解不同取代基衍生物的用途[11]。参考文献：1.赵亮,高金森,徐春明。分子计算理论方法及在化工计算中的应用,计算机与应用化学,2.井孝功,赵国权,姚玉洁等.Hartree-Fock解多重性的研究[J].CJFD收录刊,1993,(3):24~253.耿后安,魏锡文,杨丽君.图形软件与Gaussian98W程序的联合应用研究[J].计算机与应用化学,2004,(03):14.洪龙,朱梧槚,王建东.分子生物计算机层次结构及分子计算基本概念的讨论[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2006,(06):25.肖鹤鸣,陈兆明.四唑化学的现代理论[M].北京:科学出版社,2000:36.陈兆旭,肖鹤鸣.密度泛函理论和从头算方法对四唑负离子的比较研究[J].高等学校化学学报,1999,(05):17.李永红,徐文媛,洪三国.四唑异构体异构反应的量子化学研究[J].江西师范大学学报(自然科学版),1997,(02):38.陈兆旭,肖鹤鸣,贡雪东.四唑及其衍生物的理论研究Ⅱ.一氯代四唑负离子的从头算[J].化学学报,1998,(06):39.陈兆旭,肖鹤鸣.四唑及其衍生物的理论研究(8)硝氨四唑衍生物的从头算[J].化学学报,1998,(12):1.10.周欣,潘清江,李明霞等.三联吡啶Pt(Ⅱ)配合物的基态和激发态的理论研究[J].高等学校化学学报,2007,20(1):39～42.11.汪敬,顾健德,田安民.5-硝基2-氢2-四唑衍生物热分解机理的从头算分子动力学模拟及密度泛函理论研究[J].四川大学学报:自然科学版,2002,39(2):212.ParrRG,YangW.DensityFunctionalTheoryofAtomsandMolecules[M].NewYork:OxfordUniversityPress,1989.5~613.BeckeAD.Density2functionalthermochemistryIII:theroleofexactexchange[J].JChemPhys,1993,98:5