校级重点特色学科方向

2015-04-30 15:28  

一、理论与计算化学概况

 

随着人们对“化学不再是纯实验科学”论断认识的不断提高,化学已经成为一门实验与理论并重的科学。即化学的进步必须依靠“实验、理论方法和计算”三驾马车同时拉动,化学理论及其由此建立和发展起来的计算化学为化学、物理、生命及材料科学的发展提供了不可替代的支撑作用,从而成为化学不可或缺的组成部分,化学的发展由此进人了一个新的阶段。我院理论与计算化学课题组目前由8名中青年教师(其中教授3人、博士5人)组成，朱元成教授担任课题负责人，专业涵盖无机化学、物理化学、分析化学、高分子化学及量子化学。近年来承担4项国家自然科学基金项目，取得了一系列在国内、外有较大影响的理论成果。在SCI期刊发表论文约50余篇，其中每年有近10篇发表在国际最著名的化学期刊J. Phys. Chem. C，Organometallics, Phys Chem Chem Phys等上。中国科学技术信息研究所于2011年底发布了中国科技论文统计结果，综合考虑了论文的创新性，所发表期刊的水平,是否属于学科热点论文及论文被引用的情况，统计研究了2006-2010年5年来在国内期刊上发表的学术论文，基于本课题组研究结果发表于《物理化学学报》24卷第7期上的 “Theoretical Calculations on Halogen Bond and Hydrogen Bond Interactions between (CH3)2S and HOCl”仅在2010年被正面它引32次，入选2006-2010年《中国百篇最具影响国内学术论文》。另外课题组近年获得了甘肃省多项高校科技进步奖（一等奖1项、二等奖2项和三等奖3项）。

 

二、主要研究方向与特色

 

研究方向1：生物酶催化多自旋态反应的自旋磁效应研究

 

骨干成员：吕玲玲 博士，刘艳芝 副教授

 

目前对于生物酶催化反应的理论研究仍然集中于单一势能面上绝热反应机理的探讨与研究，理论上忽视了整个反应过程中电子行为特征及“自旋翻转”变化对反应速率及效率的影响，结果导致无法认识在温和条件下，这些生物酶催化/活化反应速率慢，效率差的内在本性。本课题引入多自旋态势能面反应机制探讨生物酶的催化机理，打破了传统的单一势能面研究其催化反应机理的不合理性，将多自旋态反应机理与自旋化学(磁自旋效应)有机地结合起来，更好更全面地探讨生物酶催化多自旋态反应机理，运用理论计算方法探讨外磁场的强度与方向对“系间穿越(ISC)”的影响。

 

 

 

相关成果已在国际著名学术期刊J. Phys. Chem. C，Organometallics,Theor. Chem. Acc.,Chem.Phys. Lett.,中国科学B等SCI收录期刊发表论文20余篇；承担国家自然科学基金(血红素铁氧化物催化多自旋态反应的磁自旋效应研究，资助经费50万元，项目批准号：21263022)和甘肃省财政厅项目各一项，研究成果分别获得2项省高校科技进步二等奖、3项省高校科技进步三等奖。

 

研究方向2：电荷转移的理论研究及应用

 

骨干成员：李会学 博士，王晓峰 硕士

 

通过研究有机小分子有机半导体的尺寸效应、杂原子取代效应、金属原子的配位效应、取代基团的推拉电子效应、分子间堆积模式与传输性能之间的关系，探讨周围分子对重整能的影响并完善镶嵌模型，预测这些有机半导体的迁移率。为设计新型高效的电子、空穴以及双极性传输材料提供理论依据。对于分子内电子转移，首先选择合适的密度泛函来描述激发态的电荷转移过程，考察电荷分离态优化构型对电子回传过程的影响，比较不同方法如广义Mulliken—Hush方法和片段电荷差值法得到的电子转移积分的有效性及便捷性，进而计算出电荷转移速率常数，考查所选择给体—受体间距离与电荷分离与回传的关系，结合实验数据，找出现有理论的不足和改进方法，并设计出合适的有机太阳能材料。

 

 

 

系列研究成果已在国际著名学术期刊Organic Electronics，J. Phys. Chem. C，中国科学B等期刊发表20余篇，相关工作得到国际同行的高度评价。

 

研究方向3：过渡金属（Au，Pt，Pd）引发催化C(sp3)-H形成C-C/C-N键的机理研究

 

骨干成员：李志锋 博士，李晓东 硕士

 

通过理论计算阐明过渡金属催化引发C(sp3)-H键插入反应的催化活性中心和反应路径，比较各种可能活性中心的不同反应路径及其反应势能面与反应产物的关系，结合反应中电子转移信息来准确解释实验现象并提出合理的活性中心。结合相关的选择性实验数据，确定最可能活性中心和反应路径。在研究基础上，根据合理的活性中心，筛选有代表性的过渡金属催化反应体系作为研究模型。主要考察金属中心的电子性质及不同配体电子效应和位阻效应与反应活性关系和规律，并由此推广到其它有应用潜力的过渡金属体系。从而为改善已有的过渡金属催化体系，为设计新的催化体系提供思路。

 

相关成果已在J Org Chem、Phys Chem Chem Phys、Chem Phys Lett、Sci China Chem等国内外学术期刊发表SCI科研论文有25篇。承担甘肃省教育厅硕士生导师科研项目“卡宾与醛、醇类有机小分子之间插入反应及热力学与动力学性质的理论研究”（No. 0708-11）项目。获省高校科技进步一、二等奖各一项。

 

研究方向4：多元协同阴离子识别体系的分子设计与理论计算

 

骨干成员：袁焜 博士生，朱元成 教授

 

阴离子识别的基本原理在于设计能与其发生诸如氢键、Lewis酸-碱作用、Coulombic相互作用、阴离子-π相互作用及卤键作用的受体分子；此外，根据化学中“互补匹配”这一普遍原理，阳离子参与下，受体分子对阴离子的识别作用必然会得到增强，或是通过特定性质阳离子的参与可有效调控受体分子对阴离子的识别行为与性能，近年来倍受研究人员关注的离子对识别就是其中之一。我们以量子化学理论计算的手段，设计具有三功能位点的杯芳烃衍生物受体，在这种受体结构中，脲功能基位于分子链的中间，而冠醚结构和联二吡啶结构分布位于分子的两端，当硬阳离子与冠醚配位，软阳离子与吡啶N原子配位时，中间脲功能基对阴离子的识别性能显著增强。这种增加作用一方面来源于阴离子同时与两个阳离子之间的静电作用，另一方面是当软阳离子与联二吡啶配位结合时，必然引起分子链构想的改变，这种改变更有利于脲基功能结构中两个N-H基团在空间形成对称分布，从而能更好的识别键合阴离子。

 

 

 

相关的研究工作发表在Chinese Science Bulletin，Chemical Physical Letters,Science China Chemistry，物理化学学报，化学学报等国内外专业学术刊物上。本课题组研究结果发表于《物理化学学报》24卷第7期上的“Theoretical Calculations on Halogen Bond and Hydrogen Bond Interactions between (CH3)2S and HOCl”仅在2010年被正面它引32次，入选2006-2010年《中国百篇最具影响国内学术论文》。承担国家自然基金一项（基于氢键和卤键协同弱键阴离子识别大分子受体的设计、合成、性能及理论计算）。

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