有机共轭小分子AMOEBA极化力场的参数化及其应用

作     者：师亲 

作者单位：陕西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹世伟

授予年度：2018年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：AMOEBA可极化力场 静电势 原子多极势 分子间相互作用能 原子极化率 外重组能 

摘      要：有机共轭分子体系及其衍生物在有机半导体材料中占有重要的地位,引起了人们的广泛关注。衡量有机半导体材料性能的重要指标之一是电荷转移速率,电荷转移速率越大,导电性能越好,所以影响电荷转移速率大小的因素成为本论文关注的重点。在本论文中,我们选择含氮杂环同源二聚体和并苯类晶体作为我们的研究对象,利用AMOEBA可极化力场,首先在可极化力场标准范德华色散参数和默认原子极化率的前提下,通过拟合不同密度泛函下的原子多极参数得到静电势,进而得到含氮杂环分子间相互作用能;然后对并苯类分子间参数的极化率利用QTAIM方法进行重新拟合,同样基于可极化力场标准范德华色散参数来评估并苯类的外重组能。具体内容如下:第一章:简要介绍了有机半导体电荷传输材料的分类,从而引出了有机共轭分子体系由于其自身的特性,在有机半导体电荷传输材料中扮演着重要的角色;同时介绍了电荷转移过程的几个主要步骤,简单概括了电荷转移积分、重组能、分子堆积和温度等几种影响电荷转移速率的相关因素。第二章:介绍了量子化学、密度泛函理论和AMOEBA可极化力场的发展及其基本原理,并简要概述了第一性原理和力场计算方法的优缺点。由于高计算成本,通过第一性原理来处理大体系的一些性质是不切实际的;传统的力场通常采用固定的原子点电荷(APC)来描述静电相互作用,这些APC可以通过在某些特定的分子表面拟合QM计算的静电势(ESP)得到。但是,由于点电荷的各向同性的性质,对于刚性π共轭平面分子的计算具有很大的挑战性。此外,由于使用了固定的静电模型,这些力场缺乏对环境电荷的响应能力,所以,原子多极(AMP)的采用使得AMOEBA可极化力场能够很好的描述静电势,同时力场中默认的Thole原子极化率也能够很好的响应电子极化。基于以上原因,AMOEBA可极化力场成为我们的首选方法。第三章:基于有机共轭分子体系,我们首先选择含氮杂环同源二聚体作为我们的研究对象,利用AMOEBA可极化力场基于不同密度泛函方法,通过GDMA得到的含氮杂环同源二聚体的原子多极参数,在使用AMOEBA可极化力场标准范德华色散参数和默认原子极化率的前提下,将获得的分子间相互作用能与CCSD(T)/CBS标准值进行比较,我们发现所有的密度泛函的分子间相互作用能值与标准值的均方根误差均小于～1.0kcal/mol。在所有选用的密度泛函中,泛函M11和LC-VV10是两种可选的用于产生原子多极的泛函,基于这两种方法拟合得到的静电势能更接近MP2方法的静电势能甚至更好。紧接着,我们分析了四个不同构象的含氮杂环二聚体静电势能,研究发现,在四个所选的体系中,静电势能在总的分子间相互作用能中占主要成分,极化能和范德华相互作用能的比重会随着二聚体的构象不同而变化。第四章:我们选用并苯类分子晶体作为我们的第二个研究对象,利用AMOEBA可极化力场,对并苯类分子间参数的原子极化率利用QTAIM方法进行重新拟合,使得C和H原子的极化率不只是固定为一个定值,而是会随着他们所处的环境变化而变化的。范德华参数依然采用AMOEBA力场默认值,静电势参数是基于B3LYP/6-31G*水平拟合得到的原子多极。首先通过力场先得到并苯类晶体总的重组能,再利用四点法模型得到并苯类晶体的内重组能,两者相减得到并苯类晶体外重组能。并利用第一性方法对AMOEBA可极化力场得到的并苯类内重组能和外重组能进行了评估,验证了 AMOEBA可极化力场的合理性;在研究中,我们发现共轭长度一定时,并苯类外重组能随电荷转移距离的增加而不断增加;电荷转移距离一定时,随着共轭长度的不断增大,外重组并未表现出明显的变化趋势,但内重组能表现出不断减小的趋势。