凝聚相质子转移和质子耦合电子转移反应的量子动力学理论研究

In this project, we study theoretically the quantum dynamics of chemical reactions involving the transfer of hydrogen nuclei, i.e., protons. Such processes are ubiquitous in chemistry and biology, including the proton transfer (PT), and proton coupled electron transfer (PCET) reactions. The proposed studies include: (1) Further development of theoretical frameworks to describe PT reaction within the mixed quantum-classical picture, and simulation of PT reactions in some typical biological systems; (2) New methods to account for the non-equilibrium non-adiabatic dynamics in photo-induced PCET reactions, and their application to realistic systems; (3) Development of theoretical methods for surface and electro-chemical PCET reactions that go beyond the Fermi’s golden rule. Expected results from this project include new theories and computational tools to study PT and PCET dynamics in condensed phase, and new insights of some important PT/PCET reactions.

质子转移（PT）和质子耦合的电子转移（PCET）反应在生物、化学、材料等诸多领域中十分重要。本项目拟通过理论和计算机模拟相结合的方法，研究凝聚相PT和PCET反应的量子动力学。研究内容包括进一步完善混合量子-经典图像下的质子转移动力学描述，并揭示一些典型PT反应中的量子动力学效应；发展能有效处理光诱导PCET反应中非平衡量子动力学的理论方法，以及在表面和电化学PCET反应中突破费米黄金规则限制的理论方法，并应用于实际PCET反应体系的研究。预期的研究结果对于对凝聚相量子动力学理论方法的发展，以及认识一些重要体系中PT/PCET反应中的量子力学效应，有重要的科学意义。

质子转移(PT)和质子耦合的电子转移(PCET)反应在生物、化学、材料等诸多领域中十分重要。本项目通过发展理论方法和在实际体系中的应用，研究了凝聚相PT和PCET反应的量子动力学，取得如下成果：（1）发展和完善了混合量子经典刘维尔（MQCL）方程基础上混合量子经典图像下质子转移的描述，并在新的理论框架下阐明二氢叶酸还原酶（DHFR）中的量子动力学效应。（2）发展描述了光诱导PCET反应的理论方法，并利用精确计算的结果研究了以往近似方法的有效性。（3）研究了蓝光受体蛋白（BLUF）中的PCET反应，阐明其中的量子动力学机理。（4）发展完善表面反应体系中，能有效描述强电子耦合条件下电荷转移反应的理论方法。本项目的研究，实现了预期目标，加深了对于凝聚相质子转移和质子耦合的电子转移反应的认识。