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靜電勢是中國的一個科技名詞。

語言一發即逝,不留痕跡。當人類意識到需要把說出的話記下來時,就發明了文字[1]。在世界範圍內,曾經獨立形成的古老文字除我們的漢字外,還有埃及的聖書字、兩河流域的楔形文字、古印度的印章文字以及中美洲的瑪雅文[2]。後來,這些古老文字的命運各不相同,或因某種歷史原因而消亡,如瑪雅文;或因文字的根本變革而遭廢棄,如楔形文、聖書字,只漢字沿用至今,而且古今傳承的脈絡清晰可見,成了中華民族文化的良好載體。

名詞解釋

將單位正電荷從無窮遠處移到分子周圍空間某點處所做的功。

通常定義為:VA(k)=∫ DA(r1-Ra)/∣r1-rk∣dτ1,其中DA(r1-Ra)為體系A包括核電荷的一級電荷密度函數。在量子化學自洽場計算中,這兩項分別相當於核電荷和電子對靜電勢的貢獻。

靜電勢的計算比較複雜,對於特大分子,已經發展了一種電極矩展開近似法。靜電勢常用於生物分子、藥物分子和其他大分子間相互作用的研究。

富勒烯分子靜電勢的比較

分別在H artree-Fock 和密度泛函 B3LYP理論下,研究了C60和C70分子的靜電勢,比較了這方法計算得到上述分子靜電勢值的大小,靜電勢圖形和靜電勢差值曲線,分析了富勒烯的電子相關效應。

富勒烯分子靜電勢的大小

C60和C70分子的球內全部為正電勢。B3LYP計算得到:C60除了球半徑r在0.148~0.498nm範圍的核區域是正常的強正電勢外,r在0~0.148nm範圍內的電勢梯度很小,靜電勢值約在48.07~54.48kJ/mol之間,球心處的靜電勢值是球內的極小值,球內靜電勢呈單調上升趨勢;C70除了球半徑r在0.150~0.548nm範圍的核區域是正常的強正電勢外,r在0~0.150nm範圍內的電勢梯度很小,靜電勢值約在36.36~40.92kJ/mol之間,球心處的靜電勢值不是球內的極小值,球內靜電勢的弱極小值出現於r為0.589nm附近。HF計算得到:C60除了球半徑r在0.228~0.478nm範圍的核區域是正常的強正電勢外,r在0~0.228nm範圍內的電勢梯度很小,靜電勢值約在22.97~31.88kJ/mol之間,球心處的靜電勢值是球內的極小值,球內靜電勢仍呈單調上升趨勢;C70除了球半徑r在0.180~0.548nm範圍的核區域是正常的強正電勢外,r在0~0.180nm範圍內的電勢梯度很小,靜電勢值約在23.81~32.84kJ/mol之間,球心處的靜電勢值不是球內的極小值。

富勒烯分子的靜電勢圖

密度泛函(B3LYP)方法及HF計算得到的C60和C70分子的3個正交平面XY,XZ和YZ上的平面靜電勢圖,分子靜電勢差值曲線圖中可以看出,C60和C70靜電勢的分布有一定的規律:球內全部為正電勢,球外C60和C70既有正電勢又有負電勢。DFT/B3LYP方法畫出分子靜電勢圖與HF方法畫出分子靜電勢圖的基本輪廓很相似。它們之間的主要區別出現於球外,在球外HF與B3LYP相比通常計算得到較為分散的電子密度。B3LYP計算得到的靜電勢增加(向正方向移動),HF計算得到的靜電勢更負一點(向負方向移動)。這還能夠通過C60和C70的分子靜電勢差值曲線圖來說明:相對於B3LYP方法HF方法過高估計了球內接近核區域的電勢,同時,它過低估算了核外一定區域和球心附近的電勢。

對於C60和C70分子,分子靜電勢的最 大差值分別為13.128和10.502kJ/mol。最小差值分別為- 26.255和 - 52.510kJ/mol。

性質

從C60和C70分子的靜電勢圖中可以看出,電子相關對分子靜電勢的影響,首先,在富勒烯球心和球外部分,靜電勢增加(向正方向移動),電子密度減小,這可理解為兩電子自旋方向相反。在Hartree-Fo ck近似下,某一瞬間是可以同時出現於平均勢場中某空間的同一點,它過高地估計了電子密度,當校正了這種電子瞬時相關後,原子周圍的這種電子的密度自然會降低,靜電勢值向正電勢方向移動。第二,除富勒烯球心部分以外,在富勒烯分子球內其他區域,電子相關使靜電勢減小,向負方向移動,說明各原子之間電子密度有所增加,從而增強另外分子的穩定性,使整個體系能量降低。

分子表面靜電勢應用

對持久性有機污染物多溴聯苯醚(PBDEs)209 個分子進行HF 6-31G*水平上的結構優化,並在優化結構基礎上進行了分子靜電勢及其導出參數的計算。應用多元線性回歸方法對PBDEs的色譜保留時間(RRT)、正辛醇空氣分配係數(lgKOA)和298K超冷流體蒸氣壓(lgpL)3 種理化性質與分子結構參數進行了關聯。結果表明,分子表面靜電勢參數結合苯環上溴原子取代個數比結合分子體積,可以更好地表達PBDEs的理化性質與其分子結構間的定量關係,所建立的3個QSPR模型的交叉驗證相關係數(Rcv)分別為0.9819、0.9911和0.9963,標準偏差(SD)分別為0.0424、0.1384和0.1020,說明3個模型均具有較強的穩健性和預測能力,同時也證明了分子靜電勢參數在PBDE類化合物的QSPR研究中的適用性 。

參考文獻