多乙醇—水分子氢键团簇结构特性研究

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乙醇俗称酒精,是最简单的醇类分子之一,与人们的日常生活息息相关。在化工产业中乙醇是及其重要的化工原料之一,例如在生产日化用品、油墨、褪漆剂等的过程中作为溶剂,或者直接当作化工原料用于生产各种药品、塑胶产品等。食用酒精可以用来制作各种酒类饮料,亦可用作食品的防腐剂等。团簇是一种新的物质结构,也可以当作是一种过渡状态,尺寸大小大致在原子与分子以及小块的固体之间。在人类的生产活动中随处可见团簇的身影(多出现在物理过程与化学反应过程中),例如:薄膜以及晶体的生长过程等。团簇结构的变化在很大程度上会影响到它本身的一些性质,对团簇的结构变化规律的研究能使我们加深对团簇的认识,也有助于我们了解其他的宏观物质。氢键是一种最简单的弱相互作用,在自然界中氢键有很多种存在形式,其中比较常见的是存在于水跟乙醇分子之间的。醇-水氢键体系在现代有机复合材料和生物材料科学中应用广泛,对这两种分子相互作用的研究也有助于加深对氢键的理解和认识。乙醇是少有的几种同时具有亲水性跟疏水性的醇类分子之一,于是人们对于二元团簇体系的研究通常都是以乙醇—水作为为基本模型的。本文中的计算都是使用量化软件Guassian03完成的。具体的运算过程如下:第一步,建立初始的团簇构型,并采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法进行结构优化与频率计算,以保证体系是最稳定的低能结构。之后使用B3LYP/6-311++G(2d,2p)继续对前面优化的稳定构型计算其单点能,同时进行ZPE、BSSE修正。第二步,对由第一步获得的稳定构型采用M06-2X/6-311++G(d,p)方法再次进行结构优化与频率计算,对优化后的构型采用M06-2X/6-311++G(2d,2p)方法计算单点能,并进行ZPE、BSSE修正。第三步,对采用M06方法计算所得到的稳定构型进行分析,计算其电荷分布、键级。本文主要对乙醇-水团簇的一些结构特点进行了计算分析,例如:计算所得团簇的立体结构特性以及相应的参数;氢键参数(键长、键角、氢键强度等);另外通过计算团簇的结合能Eb来分析各种结构的稳定性,发现团簇有三种主要的结构形式,包括一维的线性结构,二维的环形结构,三维的立体结构,其中最稳定的一种是二维的环形结构。同时也进行了NBO分析各种团簇结构中极化率的情况。在计算中发现团簇中除形成O―H…O型主要氢键外,发现另一种形式的氢键C―H…O,称之为次要氢键。C―H O氢键的稳定性弱于O―H O氢键,次要氢键与团簇的某些性质也存在联系。乙醇分子在氢键中的作用(质子给体或受体)对团簇的稳定性有很大的影响,总体来说,乙醇分子同时作为氢键质子给体与受体存在时,团簇稳定性较好。
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