$TiO_2$(110) 표면에서 물의 OH 결합 활성화가 어떤지 전자적 메카니즘에 의해 이루어지는 extended Hiickel 방법을 통해 알아보았다. 물분자는 $3a_1$오비탈의 시그마 상호작용 겨로가로 5배위 $Ti^{4+}$원자바로위에 수직으로 흡착한다. 이 결합구조에서는 물분자의 H원자가 $TiO_2$의 2배위 bridging $O^{2-}(O_b)$원자와 너무 멀리 떨어져 있으므로 OH 결합 해리를 촉진시키는 수소결합 상호 작용을 할 수 없으므로 물분자를 $O_b$ 원자쪽으로 기울여 수소결합이 형성되도록 한다. 이 경우 $O_b$ P 오비탈로부터 흡착 물분자의 LUMO $2b_1$반 결합성 오비탈로 전자밀도의 이동이 일어나고 또 물의 $3a_1$오비탈(약한 결합성)로부터 $Ti^{4+} 3d_{z2}$오비탈로 전자밀도의 이동이 일어남으로써 물의 OH 결합이 상당히 약화됨을 확인할 수 있었고 그 결과 OH와 H로 해리할 것이라는 해석이 가능하다.
Trigonal bipyramid 구조를 갖는 착물의 쌍극자모멘트를 계산하는 새로운 방법을 발전시켰다. 근사분자궤도 함수법 및 원자가 결합법을 사용하여 몇개의 trigonal bipyramid 구조를 갖는 착물의 쌍극자모멘트를 계산하였으며 근사분자궤도 함수로 계산한 값이 실험치에 보다 가까운 값을 주었다. 이 쌍극자모멘트 계산방법을 trigonal bipyramid 구조를 갖는 착물의 기하학적인 구조를 예측하는 데 도움이 된다.
본 연구에서는 상수원에서 문제시 되고 있는 미량오염물질의 처리에 대한 연구를 하기 위해선 많은 시간과 비용이 소요되는데, 이를 절감하기 위한 대안으로 양자화학적 기반의 범밀도함수이론(Density Functional Theory, DFT)을 활용하여 물질간의 상호 반응성 및 분해과정을 해석하였다. 본 연구에서 다루고 있는 물질은, 최근 낙동강 수계에서 빈번히 검출되고 있는 Sulfonamide 물질 3종(sulfamethazine, sulfathiazole, sulfamethoxazol)을 선정하였으며, 이론적인 연구로는 DFT모델링, 실험적 연구로는 UV-VIS 및 FT-IR 등의 분광분석을 하여 비교 및 검증을 하였다. DFT모델링을 실시한 결과 Sulfonamide물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital)와 오존의 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 사이에서 반응이 가장 유리하며, Sulfonamide 물질의 HOMO를 가시화 한 결과 Sulfanilamide기에서 전자밀도가 높게 나타나므로 Sulfanilamide기에서 반응이 활발할 것이라 예측되었다. UV-VIS 실험결과 260 nm에서 Sulfanilamide기가 검출되었으며, 오존산화시 검출된 Sulfanilamide기가 빠르게 사라짐을 알 수 있었다. FT-IR분석결과로써 Sulfanilamide기에서도 그 한 부분인 아민기(N-H)에서 가장 활발한 제거반응이 일어남을 알 수 있었으며 이러한 결과로부터 DFT모델링 방법을 통해서 정수처리 공정에 대해서 반응을 예측할 수 있음을 확인하였다.
Electrophilic substitutions on β-position of 2,5-dimethyl pyrrole have been investigated theoretically. The electron donating methyl groups enrich electron densities on C-3, C-4 positions and π* interactions with methyl groups substituted on C-2 and C-5 positions pushed up the HOMO level of the pyrroles consequently induce rapid substitutions on C-3, C-4 sites. Substitution of phenylsulfonyl group on nitrogen stabilized LUMO levels through weak π bonding interactions. Unexpected deoxidation reaction underwent on the sulfonyl group substituted at C-3 position. The structures were solved by X-ray crystallography. Meanwhile, gas phase HF/6-31G* and density functional method (B3LYP/6-31G*) calculations gave favorable energies for 1-phenylsulfinyl pyrrole (6) over 3-phenylsulfinyl pyrrole (5) by 3.6-4.7 kcal/mol which is contrary to the experimental result. However the methods involve the effects of molecular polarizability and solvent, molecular dynamics (MD) and ab-initio self consistent reaction field (SCRF) calculations showed same trend as experiments. According to MD calculations, compound 5 is more stable than compound 6 by 4.15 kcal/mol and the SCRF, HF/6-31G* calculations gave more stable energy value for structure 5 than 6 by 0.03 kcal/mol.
The spin density of ${\beta}-MnO_2$ structure was theoretically investigated by $DV-X_{\alpha}$ (the discrete variation $X{\alpha}$) method, which is a sort of the first principle molecular orbital method using Hatre-Fock-Slater approximation. The used cluster model was $[Mn_{14}O_{56}]^{-52}$. The ${\beta}-MnO_2$ is a paramagnetic oxide semiconductor material having the energy band gap of 0.18 eV and an 3 loan-pair electrons in the 3d orbital of an cation. This material exhibits spin-only magnetism and has the magnetic ordering temperature of 94 K. Below this temperature its magnetism appears as antiferromagnetism. The calculations of electronic state showed that if the initial spin condition of input parameters changed, the magnetic state changed from paramagnetic to antiferromagnetic. When d orbital of all Mn atoms in cluster had same initial spin state as only up spin, paramagnetic spin density distribution appeared by the calculation. On the other way, d orbital had alternately changed spin state along special direction the resulted spin distribution showed antiferromagnetism.
Density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) calculations have been employed to investigate the molecular structures and absorption spectra of two dyes containing diphenylaniline and 4-diphenylamino-diphenylaniline as donor moiety (TPA1 and TPA3). The geometries indicate that the strong conjugation is formed in the dyes. The electronic structures suggest that the intramolecular charge transfer from the donor to the acceptor occurs, and the electron-donating capability of 4-diphenylamino-diphenylaniline is stronger than that of diphenylaniline. The computed highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels are -5.31 and -4.90 eV, while the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energies are -2.29 and -2.26 eV for TPA1 and TPA3, respectively, revealing that the interfacial charge transfer between the dyes and the semiconductor electrode are electron injection processes from the photon-excited dyes to the semiconductor conduction band. Furthermore, all the experimental absorption bands of TPA1 and TPA3 have been assigned according to the TDDFT calculations.
Semiempirical MO calculations are applied to estimate the substituent effects on acylations of the nonfused N-vinyl-2-amino $\beta-lactams$ having frameworks analogous to 3-cephems. The stabilization energy for the reaction intermediate of the nucleophilic attack by the hydroxide ion is selected as the reactivity index and calculated by AM1 and PM3 methods for the model $\beta-lactams$ with substituents at the C1 and N-vinyl terminal positions. The reactivities are larger for -SH connected to the C1 and strong $\pi-acceptors$ at the N-vinyl terminal implying the large reactivity for known active cephalosporins. Quantum chemical calculation of stabilization energy could be useful in correlating antibiotic activities of many compounds obtained as derivatives of a lead compound.
Kim, Na-Ri;Kim, Su-Jin;Kim, Jin-Dong;Huh, Do-Sung;Shim, Young-Key;Choe, Sang-Joon
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제30권1호
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pp.205-213
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2009
This study reports on the geometry optimizations and electronic structure calculations for methyl pyropheophorbide (MPPa), tropolonyl methyl pyropheophorbides (TMPPa, ITMPPa), and cationic tropolonyl methyl pyropheophorbides ($TMPPa^+{{\cdot}BF_4}^-,\;ITMPPa^+{{\cdot}BF_4}^-,\;TMPPa^+,\;and\;ITMPPa^+$) using Local Spin Density Approximation (LSDA/ 6-31G*) and the Restricted Hatree-Fock (RHF/6-31G*) level theory. From the calculated results, we found that substituted cationic tropolonyl groups have larger structural effects than those of substituted neutral tropolonyl groups. The order of structural change effects is $ITMPPa^+ > ITMPPa^+{{\cdot}BF_4}^-$ > ITMPPa, as a result of the isopropyl group. Because it is an electron-releasing group, the substituted isopropyl group electronic effect on a 3-position tropolone increases the Highest Occupied Molecular Orbital and Lowest Unoccupied Molecular Orbital (HOMO-LUMO) energy gap. It was constituted that the larger the cationic characters of these photosensitizers, the smaller the HOMOLUMO band gaps are. The orbital energies of the cationic systems and the ions are stronger than those of a neutral system because of a strong electrostatic interaction. However, this stabilization of orbital energies are counteracted by the distortion of chlorin macrocycle, which results in a large destabilization of chlorin-based compound HOMOs and smaller destabilization of LUMOs as shown in TMPPa (ITMPPa), $TMPPa^+{{\cdot}BF_4}^- (ITMPPa^+{{\cdot}BF_4}^-),\;and\;TMPPa^+\;(ITMPPa^+)$ of Figure 6 and Table 6-7. These results are in reasonable agreement with normal-coordinate structural decomposition (NSD) results. The HOMO-LUMO gap is an important factor to consider in the development of photodynamic therapy (PDT).
고전압에서도 사용 가능한 바인더 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라 이에 적합한 내산화성이 우수한 바인더를 양자화학적 모델링에 기반하여 제안하고자 하였다. 각 고분자 poly(acryl amide)(PAM), poly(methyl acrylate)(PMA), poly(vinylidene fluoride)(PVDF), poly(hexafluropropylene)(PHFP)에 대하여 반경험적 방법(Semi-empirical method) 및 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT) 방법을 이용하여 단량체부터 사량체까지의 고분자 바인더에 대한 최고 점유 분자 궤도함수(Highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지와 이온화 에너지(Ionization Potential, IP) 값을 구하여 실험 값과 비교하였다. 밀도범함수 방법으로 해석한 결과, PHFP, PVDF, PMA, PAM 순으로 고분자의 내산화성이 좋은 것으로 시뮬레이션을 통해 예측되었고, 이러한 결과는 선형 훑음 전압-전류법(Linear Sweep Voltametry, LSV)으로부터 얻은 실험값과 일치하였다. 또한 이 결과는 HOMO 오비탈의 구조를 분석하여 내산화성이 좋은 원인을 규명하였다.
Bond lengths, harmonic vibrational frequencies and dissociation energies of TlAt are calculated at ab initio molecular orbital and density functional theory using effective spin-orbit operator and relativistic effective core potentials. Spin-orbit effects estimated from density functional theory are in good agreement with those from ab initio calculations, implying that density functional theory with effective core potentials can be an efficient and reliable methods for spin-orbit interactions. The estimated $R_e$, $ω_e$ and $D_e$ values are 2.937 ${\AA}$, 120 $cm^{-1}$, 1.96 eV for TlAt. Spin-orbit effects generally cause the bond contraction in Group 13 elements and the bond elongation in the Group 17 elements, and spin-orbit effects on Re of TlAt are almost cancelled out. The spinorbit effects on $D_e$ of TlAt are roughly the sum of spin-orbit effects on $D_e$ of the corresponding element hydrides. Electron correlations and spin-orbit effects are almost additive in the TlAt molecule.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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