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文档简介
计算机模拟与材料分子设计
ComputerSimulationandMolecularDesign
DalianUniversity
ofTechnologyGraduateCourse,Lecture52010Autumn
Lecture5
势能面的构筑及其最新动态
DalianUniversity
ofTechnologyGraduateCourse,Lecture52010Autumn
势能面
到整廊是一种数学函数用来描述分子的能量
与其几何结构之间的关系。
•分子力学是把能量作为伸缩,弯曲,扭转
等的函数。这个近似模型不能描述化学键断
裂等情况,而且需要有合适的参数。
•量子力学给出一个能量函数适用于任何分
子,但是实际上使用的仍是近似的量子力学
模型以降低计算消耗。
;')DalianUniversity
yofTechnologyGraduateCourse,Lecture52010Autumn
最简单的一维势能面
StandardDiatomicBondStretch
B
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一般势能面的维数
•一般情况下势能面究竟有几维呢?定义一
个厚子的位置,原则上只需在三维空间里
取三个坐标(egx,y,andz)o
•但是,势能面不能取决于原子的绝对位置,
而取决于其相对于周围其他原子的位置
(i.e.Moleculargeometry)
•因此,典型的势能面的维数应该等于分子
的自由度数(3N-6,N为原子数且大于2,分
子为非线性)
;')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
由于多维势能面很难图示化,常取势能面的一部分
Here,wetakeatwo-
dimensionalslice(the
mostwecaneasily
graph,sinceenergyisthe
thirdccx>rdinate)ofa
moleculewith3degrees
offreedom;itisthebond
anglethatisbeingheld
fixedthatdefinesthe
slice.
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进一步理解势能面
・势能面不体现动能
•在T=0K(noKineticEnergy),分子将倾
向于处在最低势能的状态,比如势能面上
的极小值(Minimum)。有效地找到这些极小
值的方法是很有意义的。
•在两个极小值之间(valleybottoms)的最小
能路径将通过一个鞍点(saddlepoint),在
化学上我们称作该点的结构为过渡态结构,
找到过渡态也是很有意义的。
;')DalianUniversity
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势能面片段
_Rateconstantforaminimum
“passingthroughatransition
stateapproximately
determinedas_
k=(kQT/hyer^1^(same
caveataboutAGandAE)
E
Equilibriumand
Equilibriumconstantbetweentwominimarateconstants:
approximatelydeterminedasK=e*"nowweYe
(somesmallcareneededtouseAGtalkingreal
insteadofsE)
chemistry
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值得思考的几个基本问题
很显然,势能面是一种有用的函数,那末对于一
个任意体系,我们如何来构筑它的势能面呢?
很多情况下不需要整个势能面,只需要势能面上
一些重要结构(MinimaandSaddlepoints)的能量,
那末,不通过构筑整个势能面,是否能够找到这
些重要的结构呢?
在不构筑整个势能面的情况下,我们怎样确定所
有重要结构的位置呢?这些重要结构又是如何相
关的呢?
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势能面全貌自动搜索新方法
(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万法的原理
Whenchemicalbondsdissociateor
reorganizeviaaTSleadingtoEQ,the
AnharmonicDownwardDistortion
(ADD)shouldhappenonthepotential
energysurface.
ThemaximaldirectionofADDisa
signpostofthechemicalreaction.
令Equilibrium:EQ(Minimum)
♦TransitionState:TS
HarmonicAnharmonic
')DalianUniversity
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AnharmonicDownwardDistortion(ADD)
非简谐向下形变
化学键的断裂
导致离解反应
化学键的重排经过
一过渡态(TS)生成
新物质
(Equilibriumstructure)
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AQuantumPrincipleofChemical
ReactionsforFindingaReactionRoute
•asignofadissociationchannelcanbedetectedasan
anharmonicdownwarddistortion(ADD).
•asignofachemicalreactionleadingtoanotherEQcan
bedetectedasanADD.
}DalianUniversity
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GRRM方法的原理(续)
FordetectingADDaroundaEQ
IntroduceScaledNormalCoordinatetothe
iso-energyhypersurfaceofharmonicpotential(hyperelipsoide)
7/=41/2Qi
Theiso-energysurfacebecomessimplehypersphere
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GRRM法工作的简单原理
StartfromanEQ
Repeat
Findallreactionroutes
uphillUwalking
DissociationTransition
Channel(DC)Structure(TS)
downhillwalki1ng
DissociationEquilibrium
Channel(DC)Structure(EQ)
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关于GRRM方法的参考文献
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方法的应用
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
队-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!队/Cu、
H(-77.3)/:(-78.3)
HS202H2c21、
__:,、、H
H
俨%2/芦晟[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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