若干类型非共价相互作用的理论方法研究

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非共价相互作用在物理、化学、材料、生物等各个科学领域扮演着重要角色,分子间相互作用能的精确描述对非共价相互作用的研究及其应用具有重要意义。但分子间相互作用能往往很难在实验上精确测量,近年来描述非共价相互作用的理论方法得到飞速发展并广泛应用。本论文选择A24分子测试体系、阳离子-π体系以及21个含有π键的体系作为研究对象,全面、系统评估了不同理论方法在描述相互作用能时的计算精度及计算效率。在A24分子测试体系中,评估了无规相近似(RPA)方法在不同基组下(Dunning相关一致性aug-cc-pVnZ基组以及原子轨道NAO-VCC-n Z基组)的相互作用能计算精度。研究结果表明RPA方法适用于非共价相互作用体系的描述,不同类型的基组对RPA方法计算误差的整体影响不是很大。基于RPA方法在A24分子测试体系中的良好表现,我们进一步选择了6种典型的阳离子-π体系(Li+、Na+、Be2+、Mg2+、Al+、NH4+-C6H6)作为研究对象,这类化合物之间的相互作用以静电作用主导。同时,评估了B3LYP、MP2、CCSD(T)、QCISD(T)、CCSD(T)/CBS以及RPA方法在计算相互作用能时的精度。研究表明:阳离子与苯相互作用的强度依次为:Be2+>Mg2+>Li+>Al+>Na+>NH4+。B3LYP和MP2方法的计算精度较低,CCSD(T)和QCISD(T)方法计算精度相近并表现良好。RPA方法的计算精度与CCSD(T)和QCISD(T)相当。在计算耗时方面,RPA方法计算所占时间明显短于CCSD(T)以及QCISD(T)方法。我们进一步选取了21个含π键的相互作用体系作为研究对象进行深入探究,根据能量分解结果,它们被分为静电主导、色散主导以及混合作用体系,这三种作用类型基本上包含了重要的非共价相互作用类型。我们评估了9种理论方法(MP2、(DFT-D:M06-2X-D3、ωB97XD、PBE-D3(BJ))、RPA、RPA+SE、RPA+rSE、RPA+SOSEX以及rPT2)在计算相互作用能时的精度差异,计算统一采用aug-cc-pVTZ基组。研究结果表明:在静电主导的体系中,基于RPA方法的计算精度(除RPA+SE外)均优于MP2和DFT-D类方法;对基于RPA方法的计算,使用大基组aug-cc-pVQZ对计算精度并无提高。对于色散主导的体系,DFT-D类方法的计算精度更高。对混合作用体系,除了标准RPA方法以外,其它理论方法均可适用,特别是MP2和rPT2两种方法具有突出优势。此外,对于色散主导和混合作用体系,大基组aug-cc-pVQZ能使RPA方法在计算精度上得到提高;与标准RPA方法相比,包含单激发态或者交换效应的RPA校正方法(RPA+SE、RPA+rSE、RPA+SOSEX、rPT2)可以显著提高相互作用能的计算精度。
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