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大学化学 2025年第3期40卷 100-107页

作者：陆星元姚宇涛谷俊井苏培峰厦门大学化学化工学院福建厦门361005 福建省理论与计算化学重点实验室福建厦门361005 固体表面物理化学国家重点实验室(厦门大学) 福建厦门361005

能量分解分析方法是一种研究分子相互作用的定量分析理论方法,在分子自组装、药物设计、化学反应机理、力场发展等各个领域得到广泛应用。现有化学本科教材对分子相互作用的讲授过于浅显,逐渐不适应现在化学系本科的培养要求。为深化大... 详细信息

能量分解分析方法是一种研究分子相互作用的定量分析理论方法,在分子自组装、药物设计、化学反应机理、力场发展等各个领域得到广泛应用。现有化学本科教材对分子相互作用的讲授过于浅显,逐渐不适应现在化学系本科的培养要求。为深化大学本科学生对分子相互作用的认知,本文简述了能量分解分析方法的基本概念,介绍了具有代表性的广义Kohn-Sham能量分解分析(GKS-EDA)方法及其在六聚水多体效应中的应用。

关键词：能量分解分析水团簇多体效应

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解析P450催化芳环羟基化反应的机理:氧化芳烃途径以及区域选择性的探究（英文）

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Chinese Journal of Catalysis 2025年第3期 420-430页

作者：黄群张璇孙光武邱瑞英罗兰王翠珍高龙威高兵陈波王斌举王健博浙江大学医学院 “多脏器衰竭预警与干预”教育部重点实验室浙江大学第二附属医院综合ICU及药物生物技术研究所湖南师范大学化学化工学院化学生物学与中药研究教育部重点实验室植化单体开发与利用湖南省重点实验室重庆理工大学药学与生物工程学院厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室福建省理论与计算化学重点实验室宁波大学新药技术研究院天体化学与空间生命-钱学森空间科学协同研究中心湖南大学化学化工学院化学生物学与纳米医学研究所化学/生物传感与化学计量学国家重点实验室

P450酶催化的芳环羟基化在芳香族化合物的解毒、生物合成和潜在致癌作用中均起着重要作用.虽然其催化机理与烷烃的羟基化一样,是由高反应活性的血红素-Fe(IV)=O(CpdI)介导,但相比之下, CpdI与芳香族π系统的反应更为复杂.尽管P450催化... 详细信息

P450酶催化的芳环羟基化在芳香族化合物的解毒、生物合成和潜在致癌作用中均起着重要作用.虽然其催化机理与烷烃的羟基化一样,是由高反应活性的血红素-Fe(IV)=O(CpdI)介导,但相比之下, CpdI与芳香族π系统的反应更为复杂.尽管P450催化芳环羟基化的机理被研究了几十年,目前仍存在许多争议.此外,实验表明取代芳香族化合物的羟基化通常发生在邻位或对位,该区域选择性是否与已知或未知中间体的生成有关,还没有相关研究.因此,有关P450催化芳环羟基化的真实过程以及机理细节仍有待深入研究.有机分子中,氟元素的引入可以显著提高化合物的代谢稳定性,据此我们推测含氟芳香族化合物,可能是P450催化芳环羟基化反应中获得稳定中间体的合适底物.因此,本文以α-氟代苯乙酸乙酯为化学探针, P450-BM3为催化剂,以期检测出相应的关键中间体,详细阐明P450催化芳环羟基化的机理.通过对α-氟代苯乙酸乙酯转化体系进行反应时间尺度监测,成功捕获了芳烃1,2-氧化物和芳烃2,3-氧化物两个环氧化中间体,并对其进行了制备与分离.结合两个环氧化中间体的质谱、核磁及其Diels-Alder反应衍生物的晶体结构检测分析,首次对两种环氧化中间体的结构进行了确定.进一步利用分离所得的两个环氧化中间体进行反应性探究,发现其均可通过NIH迁移,形成不稳定的酮中间体.该中间体迅速发生重排,形成芳环羟化产物2-氟-2-(2-羟基苯基)乙酸乙酯.而该芳环羟化产物可自发脱氟,进一步在还原酶作用下生成脱氟产物2-(2-羟基苯基)乙酸乙酯,这一系列证据证实了“芳烃氧化物形成-NIH迁移”机制确实存在于P450催化芳环的羟化反应中.此外,通过混合簇连续体(HCC)模型计算对P450催化芳环羟基化反应过程和区域选择性机理进行了解释,结合NIH迁移的条件,推测环氧化中间体的化学性质以及水分子的影响是影响其环氧结构开环的关键因素.最后,为了验证P450催化芳环羟基化的“环氧化物形成-NIH迁移”机制的普遍性,本文进一步探究了P450催化天然底物肉桂酸甲酯的芳环羟基化过程.通过对其进行反应时间尺度监测,成功捕获了一个手性环氧中间体,利用分离所得的环氧化中间体进行反应性测试,发现其能自发转化成邻羟基产物3-(2-羟基苯基)-2-丙烯酸甲酯,这进一步证明了芳烃氧化物途径确实参与了P450催化的芳环羟基化.综上,本文成功证明了P450催化芳环羟基化的“芳烃氧化物形成-NIH迁移”机制并对其区域选择性机理进行了解析,不仅为P450催化芳环羟基化的芳烃氧化物途径提供了最直接的证据,为该反应过程中存在的区域选择性提供了新的见解,而且也为实现芳香化合物的不对称去芳构化提供了一种新的途径.

关键词：芳环羟基化细胞色素P450 芳烃氧化物区域选择性脱芳构化

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暗场显微镜下的纳米颗粒识别与观测细胞膜上的扩散运动——推荐一个化学测量学实验

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大学化学 2025年第2期40卷 121-129页

作者：孙元芳张然罗天张欣王翊如黄腾翔方宁厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室谱学分析与仪器教育部重点实验室福建厦门361005 化学国家级实验教学示范中心(厦门大学) 福建厦门361005 福建省能源材料科学与技术创新实验室福建厦门361102

单颗粒示踪是实现动态生物过程实时观测的重要技术突破,对于挖掘静态观察中所隐藏的机制尤为重要。随着光学显微成像的发展,商品化仪器能够轻松实现微观尺度下对于生物过程的实时观察。本实验采用纳米金、银材料作为成像探针,探讨了等... 详细信息

单颗粒示踪是实现动态生物过程实时观测的重要技术突破,对于挖掘静态观察中所隐藏的机制尤为重要。随着光学显微成像的发展,商品化仪器能够轻松实现微观尺度下对于生物过程的实时观察。本实验采用纳米金、银材料作为成像探针,探讨了等离激元纳米材料的尺寸效应;并设计活细胞成像实验,通过观察金纳米棒在细胞膜上的扩散运动将单颗粒示踪技术引入本科生教学,并将其作为化学测量学的示范性试验。本实验内容丰富、趣味性强,面向已基本掌握化学、化学生物学等基础知识并对化学测量学感兴趣的二、三年级本科生,旨在将单颗粒示踪领域研究前沿融入本科生教学,引导学生自主探索,有利于激发学生的科研兴趣与培养专业素养。

关键词：单颗粒示踪等离激元纳米颗粒活细胞成像科教融合综合化学实验

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基于完全活性空间自洽场的杂化多组态密度泛函方法λ-DFCAS

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高等学校化学学报 2021年第7期42卷 2218-2226页

作者：应富鸣计辰儒苏培峰吴玮厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室福建省理论与计算化学重点实验室化学化工学院厦门361005

提出了一种杂化多组态密度泛函新方法——λ-DFCAS.在λ-DFCAS方法中,电子相关能被分为静态和动态相关能.静态相关能由多组态波函数方法完全活性空间自洽场(CASSCF)得到,而动态相关能由密度泛函理论方法描述.两种相关能的杂化比例由一... 详细信息

提出了一种杂化多组态密度泛函新方法——λ-DFCAS.在λ-DFCAS方法中,电子相关能被分为静态和动态相关能.静态相关能由多组态波函数方法完全活性空间自洽场(CASSCF)得到,而动态相关能由密度泛函理论方法描述.两种相关能的杂化比例由一个可调节的参数λ控制.参数λ的取值取决于分子体系的多组态特性,在0~1之间变化,从而使得λ-DFCAS可以应用于各种强相关分子体系.该方法能够以与CASSCF相当的计算代价获得接近完全活性空间二阶微扰(CASPT2)的计算精度,并具备了大小一致性.

关键词：完全活性空间自洽场方法密度泛函理论多组态电子相关

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经典价键理论的从头算计算方法

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化学进展 2012年第6期24卷 1001-1007页

作者：苏培峰吴玮固体表面国家重点实验室、厦门大学化学化工学院、福建省理论与计算化学重点实验室厦门361005

价键理论是两大现代化学键理论之一,广泛应用于化学键本质和化学反应机理的研究。由于计算困难,价键理论应用局限于定性的讨论而无法有效地开展从头计算研究。现代经典价键理论在经典价键理论的理论基础上,引入合理有效的计算方法,提高... 详细信息

价键理论是两大现代化学键理论之一,广泛应用于化学键本质和化学反应机理的研究。由于计算困难,价键理论应用局限于定性的讨论而无法有效地开展从头计算研究。现代经典价键理论在经典价键理论的理论基础上,引入合理有效的计算方法,提高了价键计算的效率。本文回顾近年来经典价键理论从头算方法在提高计算精度和拓展研究范围方面的发展,并简要展望价键理论方法的发展趋势。

关键词：从头算价键方法发展复杂体系

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由锐钛矿(101)片卷曲成单壁纳米管的紧束缚密度泛函理论研究

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物理化学学报 2012年第8期28卷 1843-1848页

作者：刘昊林梦海谭凯厦门大学化学化工学院固体表面化学国家重点实验室福建省理论与计算化学重点实验室福建厦门361005

通过卷曲二维锐钛矿(101)周期性单层片(sheets)构造了一系列不同手性((n,0), (0,m), (n,m))的一维单壁TiO2纳米管. 用周期性紧束缚密度泛函理论(DFTB)方法计算并比较了不同管径和手性的TiO2纳米管在几何结构、电子性质等方面的差别. 结... 详细信息

通过卷曲二维锐钛矿(101)周期性单层片(sheets)构造了一系列不同手性((n,0), (0,m), (n,m))的一维单壁TiO2纳米管. 用周期性紧束缚密度泛函理论(DFTB)方法计算并比较了不同管径和手性的TiO2纳米管在几何结构、电子性质等方面的差别. 结果表明: 除了(6,0)管, 其余纳米管随着管径的增大, 应变能和能隙减小. 而在管径相同的情况下, 不同手性的(n,m)纳米管的应变能随着n/m的增加呈现先增大后减小的趋势, 能隙变化不大.

关键词：紧束缚密度泛函理论方法二氧化钛:锐钛矿纳米管

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乳胶清除蛋白LcpK30催化氧气裂解聚顺-1,4异戊二烯机理

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科学通报 2021年第22期66卷 2887-2897页

作者：吴鹏陈倩倩王斌举厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室厦门361005 福建省理论与计算化学重点实验室厦门361005

乳胶清除蛋白LcpK30是一种内型双加氧酶,其通过活化分子氧催化裂解化学惰性的聚顺-1,4异戊二烯,进而生成醛和酮.实验发现活性区域的谷氨酸148对活性有重大影响,然而其作用机制和整个反应机理仍然存在争议.本研究使用量子力学/分子力学... 详细信息

乳胶清除蛋白LcpK30是一种内型双加氧酶,其通过活化分子氧催化裂解化学惰性的聚顺-1,4异戊二烯,进而生成醛和酮.实验发现活性区域的谷氨酸148对活性有重大影响,然而其作用机制和整个反应机理仍然存在争议.本研究使用量子力学/分子力学组合方法研究了乳胶清除蛋白催化分子氧氧化裂解天然橡胶模型化合物的反应机理.计算结果显示谷氨酸148在反应过程中为质子化态,并与铁(Ⅲ)-超氧物种形成稳定氢键,因此其作用可能与调节铁(Ⅲ)-超氧物种与底物的位置有关.可能反应机理为:(1)铁(Ⅲ)-超氧物种的远端氧进攻底物碳碳双键,形成过氧烃自由基中间体;(2)近端氧回弹到碳自由基,形成过氧化物中间体和铁(Ⅱ)中心;(3)铁(Ⅱ)调节的过氧化物中间体O–O键还原裂解,生成邻二醇自由基负离子中间体;(4)邻二醇自由基负离子C–C键断裂,生成产物醛和酮.此外,计算发现,过氧化物中间体O–O键直接断裂反应能垒超过160 kJ/mol,表明铁(Ⅱ)的催化对于过氧化物中间体的后续转化至关重要.因此,本研究结果不仅加深对于Lcp_(K30)反应机理的理解,而且为Lcp酶降解合成橡胶材料的设计和工程化提供有用信息.

关键词：乳胶清除蛋白催化量子力学/分子力学组合方法反应机理橡胶降解血红素酶

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Non-Condon电子转移速率理论与含时波包方法

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化学进展 2012年第6期24卷 1166-1174页

作者：张伟伟钟欣欣司玉冰赵仪厦门大学化学化工学院、固体表面物理化学国家重点实验室和福建省理论与计算化学重点实验室厦门361005

随着电子转移理论在化学、材料科学、生物医学等领域的广泛应用,人们针对不同体系提出了多种电子转移理论模型。本文主要总结了近年来我们在non-Condon电子转移理论以及含时波包方法等方面的相关工作。首先阐述包含non-Condon效应的电... 详细信息

随着电子转移理论在化学、材料科学、生物医学等领域的广泛应用,人们针对不同体系提出了多种电子转移理论模型。本文主要总结了近年来我们在non-Condon电子转移理论以及含时波包方法等方面的相关工作。首先阐述包含non-Condon效应的电子转移速率理论并用于二噻吩四硫富瓦烯有机半导体迁移率的计算。而后介绍了包含量子相干效应的含时波包方法,并初步用于研究二聚芴分子三三态能量转移过程。另外,本文还阐述了如何采用量子化学计算获得电子转移速率的结构参数。

关键词：电子转移 non-Condon效应含时波包能量转移

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C_(18)环基过渡金属(Os,Ir)单原子对甲烷C—H的活化

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高等学校化学学报 2023年第11期44卷 120-127页

作者：张海平孔雪夏文生张庆红万惠霖厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室福建省理论与计算化学重点实验室厦门361005

由于高度的化学稳定性,作为天然气主要成分的甲烷分子的转化和利用极富挑战性和研究意义.然而,这一问题的突破有赖于甲烷C—H的活化,特别是温和条件下活化催化剂的研发.本文采用密度泛函理论方法计算考察了过渡金属TM(Os, Ir)单原子-碳1... 详细信息

由于高度的化学稳定性,作为天然气主要成分的甲烷分子的转化和利用极富挑战性和研究意义.然而,这一问题的突破有赖于甲烷C—H的活化,特别是温和条件下活化催化剂的研发.本文采用密度泛函理论方法计算考察了过渡金属TM(Os, Ir)单原子-碳18环(TMC_(18))对甲烷C—H的活化.结果表明,相对于TM单原子,TM单原子键合在碳18环上后,显著降低了甲烷C—H的活化能垒;而相较于TM单价阳离子,则削弱了C—H键裂解物种CH_(3)与TM的结合力.结合力较弱的TM-CH_(3),对物种CH_(3)的脱附或进一步转化为附加值高的化学品有利.对TM-碳18环间的作用进行分析发现,碳18环通过与TM的d-π共轭,呈现良好的储存和吸电子的作用,进而可以促进甲烷C—H活化能垒的降低.碳18环基TM单原子具有温和条件下高效活化甲烷C—H的潜力.

关键词：甲烷 C—H活化碳18环单原子密度泛函理论

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电中性团簇MCu_(2)O_(x)(M=Cu^(2+),Ce^(4+),Zr^(4+))上甲烷和二氧化碳直接合成乙酸的理论研究

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高等学校化学学报 2021年第9期42卷 2878-2885页

作者：钟声广夏文生张庆红万惠霖厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室福建省理论与计算化学重点实验室厦门361005

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了电中性团簇MCu_(2)O_(x)(M=Cu^(2+),Ce^(4+),Zr^(4+);x=3,4)的特性及其对甲烷和二氧化碳直接合成乙酸反应的影响.结果表明,团簇催化的反应由甲烷C-H活化、二氧化碳插入引起C-C偶联、CH3COO转向和氢迁移... 详细信息

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了电中性团簇MCu_(2)O_(x)(M=Cu^(2+),Ce^(4+),Zr^(4+);x=3,4)的特性及其对甲烷和二氧化碳直接合成乙酸反应的影响.结果表明,团簇催化的反应由甲烷C-H活化、二氧化碳插入引起C-C偶联、CH3COO转向和氢迁移4步构成.前两步为关键步骤,C-H和C-C各自与团簇活性位点间形成四中心结构并推动反应进行.电子自甲烷流出到团簇,再流入二氧化碳,使甲烷的C-H和二氧化碳的C=O得以活化,继而驱动C-C偶联.Ce,Zr引入至氧化铜团簇中后,团簇由原有的六元环结构衍变为六元环Ⅰ、掺杂原子分别位于中心和端末的双四元环Ⅱ和Ⅲ3种结构.团簇结构和电子自旋均会影响反应的进行.低自旋团簇有利于甲烷C-H活化,而高自旋团簇则有利于C-C偶联;在3种掺杂团簇结构中,处于三重态的结构Ⅲ团簇可以较好地兼顾C-H活化和C-C偶联.通过比较相同结构发现,Ce,Zr掺杂调变了氧化铜团簇活性位点的局域电荷,虽使其对甲烷C-H活化的能力略有下降,但却显著降低了C-C偶联反应的活化自由能垒,从而促进了反应的进行.掺杂原子Zr的助剂作用比Ce要大.

关键词：氧化铜改性甲烷二氧化碳乙酸密度泛函理论

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