AIM和ELF理论方法及应用的新拓展

本项目的研究是在现有AIM和ELF理论框架的基础上，提出新的电子密度拓扑分析模型，建立新的计算方法和程序，探讨分子结构和化学反应性能新的表征方法及规律。对利用量子化学计算方法得到的密度矩阵进行处理，分别得到电子密度、电子自旋密度、π电子密度、激发态电子密度以及分子生成密度差等，并利用新的模型方法进行拓扑分析研究，探讨这些电子分布函数及电子定域函数的关键点、原子界面、Basin等处的拓扑指标和积分，建立化学键分类和定量描述的新模型和指标。通过对典型弱键体系(氢键、卤键、锂键、惰性原子键、非典型键等)等的电子密度拓扑分析，总结这些弱键体系的异同点，讨论其作用本质。研究反应途径 (IRC) 中化学键的断裂和生成过程，并将这一理论方法应用到固体材料的结构和性能的研究中，探讨晶体中原子（离子）之间的成键作用。

本项目的研究改进了现有的电子密度拓扑程序：对量子化学计算方法得到的密度矩阵进行处理，分别得到电子密度差、电子自旋密度、π电子密度、激发态电子密度以及分子生成密度差等，推出了新版本GTA-2012程序。并利用新的模型方法对典型体系中的化学键进行了研究。主要包括 (1) 氢键、卤键、锂键等弱化学键的性质研究：讨论了π电子在含苯的弱相互作用体系中的作用、卤键的结构和作用本质，并对氢键和卤键进行了比较研究。结果表明，π电子在π型氢键和卤键的形成过程中起着重要作用。氢键和卤键的主要区别在于原子积分性质的不同，氢键的形成引起氢原子能量的升高，而卤键的形成伴随卤原子能量的降低。氢原子积分性质的变化程度与氢键键能无关，而卤原子积分性质的变化程度随卤键强度的增加而增大。(2) 晶体中的化学键性质研究：对主族金属簇合物及过渡金属簇合物中的金属-金属键性质进行了理论研究，利用电子定域函数的关键点、原子界面、Basin等处的拓扑指标和积分等拓扑性质对两类金属-金属键的性质进行了分析比较。(3) 反应过程中的化学键变化的电子密度拓扑分析，讨论了其作用本质。主要讨论了CH3SO异构化和(H)FNO异构化反应途径过程中化学键的断裂和生成情况，从AIM和ELF理论角度讨论化学键的变化。接果表明，AIM和电子定域函数ELF均是描述化学反应过程中的化学键变化的有力工具。该本项目的研究进一步丰富和发展了AIM 理论，促进了化学键理论的发展。