校級重點特色學科方向

2015-04-30 15:28  

一、理論與計算化學概況

 

隨著人們對“化學不再是純實驗科學”論斷認識的不斷提高,化學已經成為一門實驗與理論并重的科學。即化學的進步必須依靠“實驗、理論方法和計算”三駕馬車同時拉動,化學理論及其由此建立和發展起來的計算化學為化學、物理、生命及材料科學的發展提供了不可替代的支撐作用,從而成為化學不可或缺的組成部分,化學的發展由此進人了一個新的階段。我院理論與計算化學課題組目前由8名中青年教師(其中教授3人、博士5人)組成，朱元成教授擔任課題負責人，專業涵蓋無機化學、物理化學、分析化學、高分子化學及量子化學。近年來承擔4項國家自然科學基金項目，取得了一系列在國內、外有較大影響的理論成果。在SCI期刊發表論文約50余篇，其中每年有近10篇發表在國際最著名的化學期刊J. Phys. Chem. C，Organometallics, Phys Chem Chem Phys等上。中國科學技術信息研究所于2011年底發布了中國科技論文統計結果，綜合考慮了論文的創新性，所發表期刊的水平,是否屬于學科熱點論文及論文被引用的情況，統計研究了2006-2010年5年來在國內期刊上發表的學術論文，基于本課題組研究結果發表于《物理化學學報》24卷第7期上的 “Theoretical Calculations on Halogen Bond and Hydrogen Bond Interactions between (CH3)2S and HOCl”僅在2010年被正面它引32次，入選2006-2010年《中國百篇最具影響國內學術論文》。另外課題組近年獲得了甘肅省多項高校科技進步獎（一等獎1項、二等獎2項和三等獎3項）。

 

二、主要研究方向與特色

 

研究方向1：生物酶催化多自旋態反應的自旋磁效應研究

 

骨干成員：呂玲玲 博士，劉艷芝 副教授

 

目前對于生物酶催化反應的理論研究仍然集中于單一勢能面上絕熱反應機理的探討與研究，理論上忽視了整個反應過程中電子行為特征及“自旋翻轉”變化對反應速率及效率的影響，結果導致無法認識在溫和條件下，這些生物酶催化/活化反應速率慢，效率差的內在本性。本課題引入多自旋態勢能面反應機制探討生物酶的催化機理，打破了傳統的單一勢能面研究其催化反應機理的不合理性，將多自旋態反應機理與自旋化學(磁自旋效應)有機地結合起來，更好更全面地探討生物酶催化多自旋態反應機理，運用理論計算方法探討外磁場的強度與方向對“系間穿越(ISC)”的影響。

 

 

 

相關成果已在國際著名學術期刊J. Phys. Chem. C，Organometallics,Theor. Chem. Acc.,Chem.Phys. Lett.,中國科學B等SCI收錄期刊發表論文20余篇；承擔國家自然科學基金(血紅素鐵氧化物催化多自旋態反應的磁自旋效應研究，資助經費50萬元，項目批準號：21263022)和甘肅省財政廳項目各一項，研究成果分別獲得2項省高校科技進步二等獎、3項省高校科技進步三等獎。

 

研究方向2：電荷轉移的理論研究及應用

 

骨干成員：李會學 博士，王曉峰 碩士

 

通過研究有機小分子有機半導體的尺寸效應、雜原子取代效應、金屬原子的配位效應、取代基團的推拉電子效應、分子間堆積模式與傳輸性能之間的關系，探討周圍分子對重整能的影響并完善鑲嵌模型，預測這些有機半導體的遷移率。為設計新型高效的電子、空穴以及雙極性傳輸材料提供理論依據。對于分子內電子轉移，首先選擇合適的密度泛函來描述激發態的電荷轉移過程，考察電荷分離態優化構型對電子回傳過程的影響，比較不同方法如廣義Mulliken—Hush方法和片段電荷差值法得到的電子轉移積分的有效性及便捷性，進而計算出電荷轉移速率常數，考查所選擇給體—受體間距離與電荷分離與回傳的關系，結合實驗數據，找出現有理論的不足和改進方法，并設計出合適的有機太陽能材料。

 

 

 

系列研究成果已在國際著名學術期刊Organic Electronics，J. Phys. Chem. C，中國科學B等期刊發表20余篇，相關工作得到國際同行的高度評價。

 

研究方向3：過渡金屬（Au，Pt，Pd）引發催化C(sp3)-H形成C-C/C-N鍵的機理研究

 

骨干成員：李志鋒 博士，李曉東 碩士

 

通過理論計算闡明過渡金屬催化引發C(sp3)-H鍵插入反應的催化活性中心和反應路徑，比較各種可能活性中心的不同反應路徑及其反應勢能面與反應產物的關系，結合反應中電子轉移信息來準確解釋實驗現象并提出合理的活性中心。結合相關的選擇性實驗數據，確定最可能活性中心和反應路徑。在研究基礎上，根據合理的活性中心，篩選有代表性的過渡金屬催化反應體系作為研究模型。主要考察金屬中心的電子性質及不同配體電子效應和位阻效應與反應活性關系和規律，并由此推廣到其它有應用潛力的過渡金屬體系。從而為改善已有的過渡金屬催化體系，為設計新的催化體系提供思路。

 

相關成果已在J Org Chem、Phys Chem Chem Phys、Chem Phys Lett、Sci China Chem等國內外學術期刊發表SCI科研論文有25篇。承擔甘肅省教育廳碩士生導師科研項目“卡賓與醛、醇類有機小分子之間插入反應及熱力學與動力學性質的理論研究”（No. 0708-11）項目。獲省高校科技進步一、二等獎各一項。

 

研究方向4：多元協同陰離子識別體系的分子設計與理論計算

 

骨干成員：袁焜 博士生，朱元成 教授

 

陰離子識別的基本原理在于設計能與其發生諸如氫鍵、Lewis酸-堿作用、Coulombic相互作用、陰離子-π相互作用及鹵鍵作用的受體分子；此外，根據化學中“互補匹配”這一普遍原理，陽離子參與下，受體分子對陰離子的識別作用必然會得到增強，或是通過特定性質陽離子的參與可有效調控受體分子對陰離子的識別行為與性能，近年來倍受研究人員關注的離子對識別就是其中之一。我們以量子化學理論計算的手段，設計具有三功能位點的杯芳烴衍生物受體，在這種受體結構中，脲功能基位于分子鏈的中間，而冠醚結構和聯二吡啶結構分布位于分子的兩端，當硬陽離子與冠醚配位，軟陽離子與吡啶N原子配位時，中間脲功能基對陰離子的識別性能顯著增強。這種增加作用一方面來源于陰離子同時與兩個陽離子之間的靜電作用，另一方面是當軟陽離子與聯二吡啶配位結合時，必然引起分子鏈構想的改變，這種改變更有利于脲基功能結構中兩個N-H基團在空間形成對稱分布，從而能更好的識別鍵合陰離子。

 

 

 

相關的研究工作發表在Chinese Science Bulletin，Chemical Physical Letters,Science China Chemistry，物理化學學報，化學學報等國內外專業學術刊物上。本課題組研究結果發表于《物理化學學報》24卷第7期上的“Theoretical Calculations on Halogen Bond and Hydrogen Bond Interactions between (CH3)2S and HOCl”僅在2010年被正面它引32次，入選2006-2010年《中國百篇最具影響國內學術論文》。承擔國家自然基金一項（基于氫鍵和鹵鍵協同弱鍵陰離子識別大分子受體的設計、合成、性能及理論計算）。

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