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文檔簡介
計算機模擬與材料分子設(shè)計
ComputerSimulationandMolecularDesign
DalianUniversity
ofTechnologyGraduateCourse,Lecture52010Autumn
Lecture5
勢能面的構(gòu)筑及其最新動態(tài)
DalianUniversity
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勢能面
到整廊是一種數(shù)學函數(shù)用來描述分子的能量
與其幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
?分子力學是把能量作為伸縮,彎曲,扭轉(zhuǎn)
等的函數(shù)。這個近似模型不能描述化學鍵斷
裂等情況,而且需要有合適的參數(shù)。
?量子力學給出一個能量函數(shù)適用于任何分
子,但是實際上使用的仍是近似的量子力學
模型以降低計算消耗。
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最簡單的一維勢能面
StandardDiatomicBondStretch
B
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一般勢能面的維數(shù)
?一般情況下勢能面究竟有幾維呢?定義一
個厚子的位置,原則上只需在三維空間里
取三個坐標(egx,y,andz)o
?但是,勢能面不能取決于原子的絕對位置,
而取決于其相對于周圍其他原子的位置
(i.e.Moleculargeometry)
?因此,典型的勢能面的維數(shù)應該等于分子
的自由度數(shù)(3N-6,N為原子數(shù)且大于2,分
子為非線性)
;')DalianUniversity
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Exampleofpotentialenergysurface
globalmaximum
localmaximum
localminimum
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StationarypointsonPES
>Stationarypointsinclude:
?Localminimum&Globalminimum
(equilibriumstructure,correspondingto
reactant,product,intermediate)
?Saddlepoint
(transitionstate,transitionstructure,
correspondingtotransitionstate)
?Localmaximum&Globalmaximum
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SlicesofPotentialEnergySurface
由于多維勢能面很難圖示化,常取勢能面的一部分
Here,wetakeatwo-
dimensionalslice(the
mostwecaneasily
graph,sinceenergyisthe
thirdccx>rdinate)ofa
moleculewith3degrees
offreedom;itisthebond
anglethatisbeingheld
fixedthatdefinesthe
slice.
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進一步理解勢能面
?勢能面不體現(xiàn)動能
?在T=0K(noKineticEnergy),分子將傾
向于處在最低勢能的狀態(tài),比如勢能面上
的極小值(Minimum)。有效地找到這些極小
值的方法是很有意義的。
?在兩個極小值之間(valleybottoms)的最小
能路徑將通過一個鞍點(saddlepoint),在
化學上我們稱作該點的結(jié)構(gòu)為過渡態(tài)結(jié)構(gòu),
找到過渡態(tài)也是很有意義的。
;')DalianUniversity
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勢能面片段
_Rateconstantforaminimum
“passingthroughatransition
stateapproximately
determinedas_
k=(kQT/hyer^1^(same
caveataboutAGandAE)
E
Equilibriumand
Equilibriumconstantbetweentwominimarateconstants:
approximatelydeterminedasK=e*"nowweYe
(somesmallcareneededtouseAGtalkingreal
insteadofsE)
chemistry
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值得思考的幾個基本問題
很顯然,勢能面是一種有用的函數(shù),那末對于一
個任意體系,我們?nèi)绾蝸順?gòu)筑它的勢能面呢?
很多情況下不需要整個勢能面,只需要勢能面上
一些重要結(jié)構(gòu)(MinimaandSaddlepoints)的能量,
那末,不通過構(gòu)筑整個勢能面,是否能夠找到這
些重要的結(jié)構(gòu)呢?
在不構(gòu)筑整個勢能面的情況下,我們怎樣確定所
有重要結(jié)構(gòu)的位置呢?這些重要結(jié)構(gòu)又是如何相
關(guān)的呢?
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勢能面全貌自動搜索新方法
(GlobalReactionRouteMapping,GRRM)
----DevelopedbyOhno&Maeda
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GlobalReactionRouteMapping(GRRM)
?Minimum(Equilibrium)andTS(TransitionState)are
extremalsonthePES
?GRRMcanbemadebyfine-tooth-combtestsof
mathematicalconditionatallpointsonPES
Asystemwith5atoms(9degreeoffreedom)
1009=1018
J
Ittakesmorethan30,000,000,000years!!
Therehadbeennoglobalreactionroutemapfor
systemscomposedofmorethan4atoms
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GRRM萬法的原理
Whenchemicalbondsdissociateor
reorganizeviaaTSleadingtoEQ,the
AnharmonicDownwardDistortion
(ADD)shouldhappenonthepotential
energysurface.
ThemaximaldirectionofADDisa
signpostofthechemicalreaction.
令Equilibrium:EQ(Minimum)
?TransitionState:TS
HarmonicAnharmonic
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AnharmonicDownwardDistortion(ADD)
非簡諧向下形變
化學鍵的斷裂
導致離解反應
化學鍵的重排經(jīng)過
一過渡態(tài)(TS)生成
新物質(zhì)
(Equilibriumstructure)
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AQuantumPrincipleofChemical
ReactionsforFindingaReactionRoute
?asignofadissociationchannelcanbedetectedasan
anharmonicdownwarddistortion(ADD).
?asignofachemicalreactionleadingtoanotherEQcan
bedetectedasanADD.
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GRRM方法的原理(續(xù))
FordetectingADDaroundaEQ
IntroduceScaledNormalCoordinatetothe
iso-energyhypersurfaceofharmonicpotential(hyperelipsoide)
7/=41/2Qi
Theiso-energysurfacebecomessimplehypersphere
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GRRM法工作的簡單原理
StartfromanEQ
Repeat
Findallreactionroutes
uphillUwalking
DissociationTransition
Channel(DC)Structure(TS)
downhillwalki1ng
DissociationEquilibrium
Channel(DC)Structure(EQ)
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關(guān)于GRRM方法的參考文獻
Ohno,K.;Maeda,S.Chem.Phys.Lett.2004,384,277.
Maeda,S.;Ohno,K.J.Phys.Chem.A2005,109,5742.
Ohno,K.;Maeda,S.J.Phys.Chem.A2006,110,8933.
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GRRM方法的應用
Case1:
Dialkyldithiophosphoratecuprous[Cu(I)]
Dissociationandisomerizationof
CuDDPanditsreactionwithCH3OO,.、H—Os
CuDDPisanengineoiladditive/PX/Cu
(antioxidationandantiware)H—OS
CuDDPamodelofCuDDP
Case2:
Titanocene-catalyzeddehydrocoupling3"^Me2N-BH2
2Me2NH-BH3
ofMe2NH-BH3-2唉H2B—NMe2
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Case1
e
ReactionofCuDDPwithCH3OO
andCHoOOH
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A
Oxidationofengine-oilandantioxidationofCuDDP
Oxidation:
Initiation
RH——,R-
Chain-reaction
R?+O2——ROO*(fast)(1)
ROO?+RH------'ROOH+R-(2)useantioxidantsto
undesirableduetocorrosiondecomposetheROO*
Antioxidation
Chain-termination(Peroxy-radicalscavenging)
Cu++ROO*------?Non-radicalproduct⑶
Cu++ROO?=RO-
oraligand-radicalforabstractingHfromROOH(4)
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jE----------------------------------a
PreviousstudiesonCuDDP
Jf
Previousstudies
Onlyexperimentalstudiesonitssynthesisandapplication
Nocomputationalstudyfound
Knowledgeremainspoorlyunderstood:
EngineParts
EngineParts
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CUDDP-OOCH3complex
c---------------------------------------(Energyinkcal/mol)------------------------------------------?
bond-rearrangementisomerizationperoxyl-radicaldecomposition
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ofTechnologyG「aq椀息巡「游A(ecture52010Autumn
(OH)2PS2Cu-assistedCH3OOHdecomposition
(、TS[1-9]
lTS[3-4]\20.2TS[6-7]
a13.0\(10.0)13.2
F(1.0)(4.4)
a
TS[2-3];
4.2;
TS[5-6]
(-6.9)ITS[1-2]\
0.2C影
It-0.91(-10.0)
H、(-11⑼
02
S1\\(-14.6)/z0.0[pCu—02
S2Z
/2(0.0)k
H
/Cu\,3-2.05
隊-2.7
S2‘CH(-12.0)、H-4.5
3(-13.0)
(-14.4)-6.2
(-15.5)
01
TS[7-8]
.01.CH3-19.9
H,,,,
S1z(-31.8)
\/CH3[P][S:cuf
[P]02
、S2—CuS2O2f
4:
-31.2;
-24.2
(-41.7);
(-36.0)
9:S1CH3!8
S1——Cu—02-''H:-69.4
-68.8!隊/Cu、
H(-77.3)/:(-78.3)
HS202H2c21、
__:,、、H
H
儼%2/蘆晟[P]=(HO)2P、/S1、,
A
HomolysisHeterolysis
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InsightsfromGRRMcalculation
[P][〉Cu[[P]=(HOOP:CH3
Computationssuggestthat(OH)2PS2Cu(I)-mediated
decompositionofCH3OOHleadstoformaldehydeandwater
moleculesvia0-0bondheterolysisandsubsequentintramolecular
hydrogentransfer,withretainmentofthecopper(I)complex.
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Case2
Titanocene-catalyzed
dehydrocouplingofMe2NH-BH3
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ofTechnologyGradu
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