非共轭自由基聚合物电荷传输DFT研究 原创

自由基导体的分子设计：重组能、电子耦合与Marcus电荷转移速率

关键词：自由基聚合物 | 密度泛函理论 | 重组能 | 电子耦合 | Marcus理论

一、文章简要介绍

非共轭自由基聚合物是一类新兴的有机电子材料：主链不导电，电荷传输和氧化还原活性集中在悬挂的自由基基团上，而聚合物骨架主导热力学与力学性能。这种模块化设计让电子性能与力学性能可以解耦调控，在可充电电池、电化学器件和固态电子器件中都有广阔应用前景。

然而，目前自由基聚合物研究几乎全部集中在TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基）一种化学上，其电荷传输的真实上限、结构-功能关系的普适性都还是未知数。本文（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 11994）采用密度泛函理论（DFT）系统研究了p型、n型和双极性三类开壳层化学的电荷转移特性，为发展下一代自由基聚合物提供了第一套分子设计准则。

我们重点关注其中三个关键结论：一是TEMPO并非代表性自由基，而是因强电荷局域化表现出异常高的重组能；二是通过表面采样算法全面扫描自由基-自由基相对取向，发现分子间相互作用偏好构型与最大化电荷传输构型之间存在巨大错配；三是这些结果指明了利用定向相互作用促进电荷传输的可行设计方向。

二、仿真步骤

整个研究以量子化学计算为核心，辅以蒙特卡洛构象采样算法，技术路线如下：

第一步，初始结构与力场预优化。基于UFF通用力场在Avogadro中生成五种自由基（TEMPO、TEMPO-DM、galvinoxyl、PTIO、verdazyl）的初始几何构型。

第二步，DFT几何优化与频率验证。使用ωB97X-D3泛函在Orca 4.0.1中优化中性态与带电态结构：中性/阳离子用def2-TZVP基组，阴离子用ma-def2-TZVP基组以更好描述弥散轨道；频率计算验证均为能量极小点。

第三步，表面采样算法生成构象库。对自由基每个重原子以固定最近邻距离（3Å和5Å）生成采样表面，每个表面点随机采样20个离子取向构型，每个等值面汇总约6000次DFT单点计算。同时构建27种ad hoc取向（质心间距0.2Å步进至11Å）作为对照。

第四步，结合能与电子耦合计算。结合能按E_b=E_dimer-E_radical-E_ion计算（阴离子对做counterpoise校正）；电子耦合H_AB取Kohn-Sham Fock矩阵的前线轨道非对角元，p型用阳离子LUMO与中性SOMO，n型用中性SOMO与阴离子HOMO。

第五步，重组能与Marcus速率。内重组能按四点法（reactant/产物几何与电子态交叉）计算，外重组能用Born溶剂化模型估算（取n=1.5、ε=3.0）；电荷转移速率按半经典Marcus理论计算，并以结合能Boltzmann加权得到期望值。

三、关键结果与发现

第一，表面采样算法显著优于ad hoc方法。SSC构型库完整复现了AHC发现的耦合高低取向，还发现了更多中间结合能、高耦合构型；TEMPO结合能最小值约-11 kcal/mol出现在环质心间距6-8Å处。

第二，位阻保护以电荷传输为代价。对比TEMPO与其去甲基类似物TEMPO-DM：TEMPO-DM的期望电子耦合约为TEMPO的2倍，最高耦合取向位于两个氮氧基错位斜交处，而TEMPO在该区域耦合低约一个数量级——这有助于解释TEMPO晶体实测低电导率。

第三，自由基离域化是突破位阻限制的关键。galvinoxyl、PTIO、verdazyl的自旋密度均比TEMPO更离域，其高电子耦合区域与低结合能（能量有利）区域部分重合，而TEMPO存在明显的结合能-耦合错配。

第四，性能排序明确。galvinoxyl总重组能最低（0.42 eV）且n型耦合最高，预测电荷转移速率最高（约10^11 s^-1量级）；PTIO更适合空穴传输，verdazyl更适合电子传输；TEMPO类电荷转移速率低约3个数量级。

第五，对工程设计的指导是：在设计自由基聚合物时，应优先选择自旋离域程度高、位阻保护适度的开壳层化学，并通过取代基工程引入静电相互作用，引导分子堆积朝向高电荷传输取向，避免TEMPO式强局域化与过度位阻保护的组合。

图1 五种自由基的化学结构、氧化还原反应与自旋密度分布（ωB97X-D3/def2-TZVP优化）

图2 TEMPO二聚体结合能与电子耦合对比：ad hoc构型（AHC）与表面采样构型（SSC）

图3 TEMPO与TEMPO-DM在5Å最近邻距离下的结合能与电子耦合等值面（前视图）

图4 galvinoxyl、PTIO与verdazyl自由基的结合能与电子耦合等值面（n型与双极性）

图5 五种自由基的重组能、期望电子耦合与电荷转移速率对比（Marcus理论）

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：

①密度泛函理论（DFT）计算：几何优化、频率分析、单点能、自旋密度、前线轨道分析，支持ωB97X-D3、B3LYP等泛函与多种基组；

②电荷传输性质计算：重组能（四点法）、电子耦合（Fock矩阵元法）、Marcus理论电荷转移速率、玻尔兹曼加权期望值；

③分子动力学（MD）模拟：力场构建、无定形聚合物建模、构象采样与平衡态性质（密度、Tg、扩散系数）计算；

④蒙特卡洛构象采样：二聚体/多体体系表面采样、取向-性质映射、结合能等值面与电子耦合等值面分析；

⑤材料设计咨询：基于计算结果的开壳层化学筛选、取代基工程与堆积取向设计建议。

如有相关模拟需求，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。