随着计算机处理能力的不断提高,密度泛函理论方法得到了极大的发展,并已经被广泛应用到化学反应机理和物质结构研究的各个方面。本文在综述密度泛函理论发展的基础上,针对卤代联烯合成反应机理和金属富勒烯包合物结构等几个有趣的问题进行了分析和讨论。卤代联烯是重要的化工中间体。我们采用量子化学密度泛函理论(DFT)方法研究了N-卤代丁二酰亚胺(NXS)/三苯基膦(PPh3)体系下由炔丙基醇合成卤代联烯的反应机理。该反应历程可以描述如下,反应经历4个步骤：第一步是NXS与PPh3反应生成磷盐；第二步是磷盐与炔丙基醇发生亲电取代反应生成卤代中间体和丁二酰亚胺；第三步是得到的卤代中间体发生分子内的卤代脱氧反应得到炔丙基卤化物和卤代联烯：最后是炔丙基卤化物异构化得到卤代联烯。通过分析,我们发现NXS/PPh3催化下的卤代脱氧步骤是自由基过程,产物为卤代炔丙基卤化物和卤代联烯,反应势能面呈瀑布型,不具选择性。相比较而言,炔丙基卤化物向卤代联烯的异构化过程对反应最终产物的选择性起决定作用。此外,我们还考察了溶剂对异构化反应能垒的影响,发现反应能垒随溶剂的介电常数变化表现出单一的线性关系,这表明改变溶剂的介电性质可以影响和改变产物选择性。这一发现为对该有机催化体系的进一步优化提供了理论指导。金属和它们的杂原子团簇可以内嵌于富勒烯中形成金属富勒烯包合物。我们利用DFT理论方法对内嵌锕系元素金属富勒烯U@C82的结构和电子结构进行了研究,#5C82和#8C82碳笼是最适合于内嵌正一价和正四价U金属离子的碳笼,而#9C82碳笼则适合于内嵌U2+、U3+、U5+、和U6+四种金属离子。在所有的异构体中,U@#9C82在热力学上最稳定,即为实验上得到的U@C82的异构体。自旋电荷分析进一步证实了三价的金属富勒烯包合物U@#9C82的电子排布式是U3+@C823-,计算结果和实验上观察结果一致,也证实了这种研究方法同样适用于其他的内嵌锕系元素金属富勒烯的结构和电子结构研究。
