应用ABEEM/MM研究Al(Ⅲ)离子水分子体系

彭 楠，宫利东

（辽宁师范大学 化学化工学院， 辽宁 大连 116029）

应用ABEEM/MM研究Al(Ⅲ)离子水分子体系

彭 楠，宫利东

（辽宁师范大学 化学化工学院， 辽宁 大连 116029）

采用高水平的从头算方法，对铝离子水分子团簇 Al3+-(H2O)n(n=1-6) 在 MP2/6-31++G(d,p)水平下进行了结构的研究。采用了BSSE校正且在MP2/6-311++G(2d,2p)水平下对能量进行了计算，并运用原子-键电负性均衡浮动电荷模型(ABEEM/MM)，确定了Al3+-H2O的参数，将Al3+-H2O参数应用于Al3+-(H2O)n(n=1-6)体系中，计算内容包括结合能和连续结合能等，所得结果和从头算的结果符合较好。

铝离子水分子团簇；ABEEM/MM模型；结构优化计算

目前，普遍所采用的研究水合离子方法有X射线散射(XD)、核磁共振 (NMR)、AIMD[1]、分子动力学模拟(MD)等。然而，这些方法普遍耗费大量的时间和资源，因此需要采用便捷的、低能耗的方法势在必行。根据电负性均衡方法, 本课题组建立了原子-键电负性均衡方法(ABEEM)[2,3]可用来简单进行计算。

本文采用从头算方法，对 Al3+-(H2O)n(n=1～6)的结构、结合能，连续结合能等性质进行了计算，构建了Al3+-(H2O)n之间的精确势能函数。本论文所采用的模拟方法在计算上既节省了大量研究时间精力，也节省了资源，因此工作效率有很大的提高，其结果与其他模拟方法大体一致。

1 计算模拟方法

1.1 理论方法

本文用MP2方法，从头计算采用Gaussian03[4]程序完成,在MP2/6-311++G(d,p)//MP2/6-31++G (2d,2p)水平上进行计算。

1.2 ABEEM/MM理论模型建立

Eb表示键长的伸缩振动势能用Morse势能函数表示：

在ABEEM-7P[5]力场中用谐振势来表示：

θ为水分子中H-O-H键角，θeq为H-O-H的平衡键角，fθ为角力常数，Evdw表示van der Waals相互作用能，Eelec表示静电作用能。

总的能量表达式见表达式（4）：

公式（4）中，最后一项为Al3+与水分子之间的相互作用能，本文拟合的Al3+的具体关系为：

2 结果与讨论

2.1 结构优化

从图1可以清楚得到1到6个铝离子水分子团簇的结构和对称性情况，它们都是低能构型，并且能较稳定存在于水溶液中，可以为我们呈现空间立体效果，是研究结合能，连续结合能最基本的构型。

图1 Al3+(H2O)n（n=1-6）的低能集合构型（对称性）Fig.1 The low-energy conformations of Al3+(H2O)n（n=1-6）(symmetry)

从图2(A)，图2(B)可得出计算得到的键长，结合能随n的变化都成上升趋势，并且它们的变化相对明显，而连续结合能由图2(C)可看出逐渐下降，但结果都和从头算大体一致，这说明所采取的方法是合理的。

3 结束语

利用从头算方法，将原子-键电负性均衡方法融进分子力场ABEEM/MM 模型中建立金属离子水分子模型，将该模型应用到金属铝离子水分子团簇中，通过参数确定其势能函数，计算出铝离子水分子团簇的结构，当n从1增加到6, 键长逐渐变长。

图2 Al3+(H2O)n（n=1-6）的键长RAI-O(A)，总的结合能△En(B)和总的连续结合能△En-1(C)与n的变化曲线Fig.2 The RAl-O, total binding-energy △Enand successive binding-energy △En-1of Al3+(H2O)n(n=1～6) curve with n

表1 Al3+(H2O)n（n=1-6）的键长RAI-O、总的结合能△En,总的连续结合能△En-1Table 1 The RAl-O, total binding-energy △Enand successive binding-energy △En-1of Al3+(H2O)n (n=1～6)

这是由于随 n的增加, Al3+与每个水分子的平均相互作用在逐渐减弱，对于结合能随着 n的增加,逐渐均匀地增大而对于连续结合能刚开始变化较快，随后比较缓慢，总的趋势是逐渐减小，并且ABEEM/MM计算的键长RAl-O、结合能△En和连续结合能△En-1相对于从头算计算结果的平均绝对偏差分别为 0.001 2 Å、2.8 kcal·mol-1和3.6 kcal·mol-1，所得结果和从头算对比都取得了较好的结果，该文章为其它金属离子水团簇的研究提供了一定的参考价值。

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ABEEM/MM Simulation of Aluminum (Ⅲ) Cation Water Systems

PENG Nan，GONG Li-dong
（Liaoning Normal University, Liaoning Dalian 116029，China）

An ab initio method with high level was used to study aluminum ionic clusters Al3+-H2On(n=1～6) at the MP2/6-31++G(d,p) level. The energy was exactly calculated with BSSE correction at the MP2/6-311++G(2d,2p) level. Parameters of Al3+-H2O was determined with atom-bond electronegatibity equalization fluctuating charge mode (ABEEM/MM). The parameters were used in the study of aluminum (Ⅲ ) cation water clusters Al3+-H2On(n=1-6),including binding-energy and successive binding-energy. The results are well consistent with ab initio method.

Metal ion water clusters；ABEEM/MM model; Geometry optimization calculation

TQ 133

A

1671-0460（2012）09-0922-03

2012-03-24

彭楠（1986-），女，辽宁沈阳人，硕士，2012年毕业于辽宁师范大学物理化学专业，研究方向：理论与计算。E-mail：bsbs9494@163.com。