论文摘要
C、N、O和S的化学在不同领域受到大家的广泛关注,尤其是在天体物理化学中扮演着非常重要的角色。目前已有很多含C、N、O或S元素的小分子体系在星际空间中相继被发现。因此,详细地研究C、N、O或S等小分子体系的电子结构、成键性质和稳定性将有利于实验室或者星际空间对含有C、N、O或S元素的物种的指认以及有利于深入理解材料化学中气相沉积过程和反应机理。另外,质子化反应是化学和生物学中最简单但是又是最重要的反应之一,尤其是一些重要中性分子的质子化反应在离子化学条件下和星际空间中都是非常关键的反应。目前,在星际空间已经探测到多种正离子,例如:HCO+、HOC+、H3O+、N2H+、HCS+、H3+、HCNH+和HC3NH+等。本文在B3LYP/6-311++G（d,p）和CCSD（T）/6-311++G（2df,2p）水平下对[N,C,C,S]体系及其质子化物种[H,N,C,C,S]+体系、[N,C,C,O]体系的质子化物种[H,N,C,C,O]+体系和[H,N,C,C,S]体系的异构体结构、稳定性及成键性质进行了量子化学理论研究。并对[N,C,C,S]和[N,C,C,O]体系重要异构体的质子化反应过程和产物进行了讨论。在CCSD（T）/6-311++G（2df,2p）//B3LYP/6-311++G（d,p）水平下研究了[N,C,C,S]体系的势能面,分析了异构体的结构和稳定性。链状的NCCS E1是体系中能量最低的异构体,同时,链状的NCCS E1、CNCS E2和线性CCNS E5都处于较深的势阱当中,具有较高的动力学稳定性,在一定的实验室和星际条件下可能被观测。研究同时分析了这三个重要异构体的成键特性、计算了生成热等相关热力学性质。并详细讨论了相关异构体在实验室和星际空间中可能的形成过程。在精确的CCSD（T）/6-311++G（2df,2p）//B3LYP/6-311++G（d,p）理论水平下,计算了[H,N,C,C,S]+体系的双重态和四重态势能面。分析了异构体的结构和稳定性,并对具有较高稳定性异构体的成键特性进行了探讨。研究同时讨论了[N,C,C,S]体系异构体的质子化反应过程和反应产物,结果表明[N,C,C,S]体系异构体的质子化过程都是热力学非常有利的过程。对[H,N,C,C,S]+体系的双重态势能面和四重态势能面进行了比较研究,分析了四重态异构体的稳定性和四重态势能面对体系的贡献。在CCSD（T）/6-311++G（2df,2p）//B3LYP/6-311++G（d,p）水平下计算了[N,C,C,O]体系的质子化物种,[H,N,C,C,O]+体系的双重态势能面,分析了异构体的结构和稳定性。在优化得到的18个异构体中,其中能量最低的异构体是HNCCO+,共有8个异构体拥有较高的动力学稳定性,可以在实验室和星际中被观测。研究同时分析这8个重要异构体的成键特性。通过对[N,C,C,O]体系及其质子化物种[H,N,C,C,O]+体系的系统比较研究,表明[N,C,C,O]体系异构体的质子化过程在热力学上都是非常有利的过程,与[N,C,C,S]体系的异构体相一致。在CCSD（T）/6-311++G（2df,2p）//B3LYP/6-311++G（d,p）水平下计算得到了[H,N,C,C,S]体系的单重态势能面,分析了异构体的结构和稳定性。SC（H）CN E1是势能面上热力学最稳定的异构体。在优化得到的17个异构体中,共有10个异构体具有较高的动力学稳定性,可以成为实验室中检测的目标。研究同时分析了这10个异构体的成键特性,计算了这10个异构体的绝热电离势和垂直电离势。对[H,N,C,C,S]体系的单重态势能面和三重态势能面进行了比较研究,分析了三重态异构体的稳定性和三重态势能面对体系的贡献。