Composite Chemical Bond Theory for Dielectric Strength of the Gases Insulation

doi:10.7503/cjcu20230418

Abstract

Abstract:

The search for the novel insulating gases to replace SF₆ is very challenging. Computational virtual screening is one of the viable protocols to identify the promising candidates with excellent dielectric performance. It is urgent to develop an accurate and rapid theoretical method for calculating dielectric strengths due to the massive computational resources. In this paper， a new calculation method of gas dielectric strengths based on the chemical bonds theory was established. Using the classical valence-bond structures of the molecules， the dielectric strength was obtained straightforwardly by summation of the individual characteristic dielectric strengths of the chemical bonds， as optimized with respect to the experimental training dataset. In comparison with 63 gases， the correlation coefficient and root-mean-square deviation of the theoretical model is 0.97 and 0.16， respectively. Moreover， the intrinsic relationship between chemical bond and dielectric strength was revealed. A few potentially valuable insulating gases are designed rationally for practical use.

Key words: Replacement gas for SF₆, Dielectric strength, Chemical bond, Structure-activity relationship, Virtual screening

CLC Number:

O641.1

TrendMD:

HENG Panpan, ZHANG Mi, HOU Hua, WANG Baoshan. Composite Chemical Bond Theory for Dielectric Strength of the Gases Insulation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230418.

Figures/Tables 6

References 37

1	Simmonds P. G.， Rigby M.， Manning A. J.， Park S.， Stanley K. M.， McCulloch A.， Henne S.， Graziosi F.， Maione M.， Arduini J.， Reimann S.， Vollmer M. K.， Mühle J.， O'Doherty S.， Young D.， Krummel P. B.， Fraser P. J.， Weiss R. F.， Salameh P. K.， Harth C. M.， Park M. K.， Park H.， Arnold T.， Rennick C.， Steele L. P.， Mitrevski B.， Wang R. H. J.， Prinn R. G.， Atmos. Chem. Phys.， 2020， 20（12）， 7271—7290
2	Franck C. M.， Chachereau A.， Pachin J.， IEEE Electr. Insul. Mag.， 2021， 37（1）， 7—16
3	Katagiri H.， Kasuya H.， Mizoguchi H.， Yanabu S.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2008， 15（5）， 1424—1429
4	Kieffel Y.， Irwin T.， Ponchon P.， Owens J.， IEEE Power Energy Mag.， 2016， 14（2）， 32—39
5	Mantilla J. D.， Gariboldi N.， Grob S.， Claessens M.， IEEE Electr. Insul. Conf.， 2014， 32（1）， 469—473
6	Koch M.， Franck C. M.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2015， 22（6）， 3260—3268
7	Beroual A.， Haddad A.， Energies， 2017， 10（8）， 1216
8	Rabie M.， Franck C. M.， Environ. Sci. Technol.， 2018， 52（2）， 369—380
9	Tian S.， Zhang X.， Cressault Y.， Hu J.， Wang B.， Xiao S.， Li Y.， Kabbaj N.， AIP Adv.， 2020， 10（5）， 050702
10	Rabie M.， Franck C. M.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2015， 22（1）， 296—302
11	Zhang M.， Gao K. L.， Hou H.， Wang B. S.， High Voltage Engineering， 2023， 49（7）， 2816—2830
	张咪，高克利，侯华，王宝山. 高电压技术， 2023， 49（7）， 2816—2830
12	Brand K. P.， IEEE Trans. Electr. Insul.， 1982， 17（5）， 451—456
13	Zhang B.， Chen L.， Li X.， Guo Z.， Pu Y.， Tang N.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2020， 27（4）， 1187—1194
14	Meurice N.， Sandre E.， Aslanides A.， VercauterenD. P.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2004， 11（6）， 946—948
15	Rabie M.， Dahl D. A.， Donald S. M. A.， Reiher M.， Franck C. M.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2013， 20（3）， 856—863
16	Zhang C.， Shi H.， Cheng L.， Zhao K.， Xie X.， Ma H.， IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul.， 2016， 23（5）， 2572—2578
17	Yu X.， Hou H.， Wang B.， J. Comput. Chem.， 2017， 38（10）， 721—729
18	Hou H.， Yu X. J.， Zhou W. J.， Luo Y. B.， Wang B. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（11）， 2477—2484
	侯华，余小娟，周文俊，罗运柏，王宝山. 高等学校化学学报， 2018， 39（11）， 2477—2484
19	Sun H.， Liang L.， Wang C.， Wu Y.， Yang F.， Rong M.， IEEE Access， 2020， 8（12）， 4204—4216
20	Hou H.， Wang B. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（12）， 3709—3715
	侯华，王宝山. 高等学校化学学报， 2021， 42（12）， 3709—3715
21	Lewis G. N.， J. Am. Chem. Soc.， 1916， 38（4）， 762—785
22	Pauling L.， J. Am. Chem. Soc.， 1931， 53（6）， 1367—1400
23	Feynman R. P.， Phys. Rev.， 1939， 56（4）， 340—343
24	Fradera X.， Austen M. A.， Bader R. F. W.， J. Phys. Chem. A， 1999， 103（2）， 304—314
25	Hoffmann R.， Shaik S.， Hiberty P. C.， Acc. Chem. Res.， 2003， 36（10）， 750—756
26	Wu W.， Su P.， Shaik S.， Hiberty P. C.， Chem. Rev.， 2011， 111（11）， 7557—7593
27	Bader R. F. W.， Chem. Rev.， 1991， 91（5）， 893—928
28	Levine D. S.， Head⁃Gordon M.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2017， 114（48）， 12649—12656
29	Savin A.， Nesper R.， Wengert S.， Fassler T. F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 1997， 36（17）， 1808—1832
30	Kraka E.， Zou W.， Tao Y.， WIREs： Comput. Mol. Sci.， 2020， 10（5）， e1480
31	Santos C. V.， Monteiro S. A.， Soares A. S. C.， Souto I. C.， Moura R. T.， J. Phys. Chem. A， 2023， 127（38）， 7997—8014
32	First Optimization， Rev. 10.0， 7D⁃Soft High Technology Inc.， Beijing， 2022
33	Pophristic V.， Goodman L.， Nature， 2001， 411（6837）， 565—568
34	Ghasemitabar H.， Movagharnejad K.， Fluid Phase Equilib.， 2016， 411（1）， 13—23
35	Joback K. G.， Reid R. C.， Chem. Eng. Commun.， 1987， 57（1）， 233—243
36	Lee A.， Frost L. S.， IEEE Trans. Plasma Sci.， 1980， 8（4）， 362—367
37	Banks R. E.， Barlow M. G.， Davies W. H.， Haszeldine R. N.， Müllen K.， Taylor D. R.， Tetrahedron Lett.， 1968， 36（7）， 3909—3910

No.	Formula	E_r，exp.	RMSD	MAD	MRD	No.	Formula	E_r，exp.	RMSD	MAD	MRD
1	SF₆	1.00	-0.03	0	0	33	CF₃SO₂F	1.43	-0.05	-0.02	-0.12
2	SF₅CF₃	1.53	0.03	0.05	0.05	34	CF₃CN	1.50	0.01	0.01	0.01
3	CF₄	0.43	-0.10	-0.02	-0.02	35	C₂F₅CN	1.98	-0.10	-0.13	-0.12
4	CCl₄	2.36	-0.11	-0.04	-0.73	36	C₃F₇CN	2.50	-0.26	-0.30	-0.30
5	CF₃Cl	0.60	0.21	0.28	0.12	37	i⁃C₃F₇CN	2.20	0.04	0	0
6	CF₃I	1.21	0.16	0.05	0.31	38	CF₃OCF（CF₃）CN	1.94	0.30	0.33	0.34
7	CFCl₃	1.84	-0.07	0	-0.51	39	CF₃OCF₃	0.84	-0.14	-0.02	0
8	CF₂Cl₂	1.06	0.23	0.30	-0.04	40	CF₃OC₂F₅	1.24	-0.17	-0.08	-0.06
9	CF₂ClBr	1.32	-0.02	0	-0.17	41	（C₂F₅）₂O	1.51	-0.08	0	0.02
10	CF₃Br	0.76	0.06	0.08	0.09	42	c⁃C₄F₈O	1.38	0.08	0.07	0.08
11	C₂F₆	0.80	-0.10	-0.05	-0.05	43	CF₃SCF₃	1.50	0.01	0	0
12	C₃F₈	0.98	0.09	0.12	0.12	44	C₂F₅CFO	1.59	-0.07	0	0
13	C₄F₁₀	1.32	0.11	0.12	0.12	45	i⁃C₃F₇C（O）CF₃	2.10	0.15	0.18	0.18
14	C₅F₁₂	1.75	0.05	0.04	0.04	46	i⁃C₃F₇C（O）C₂F₅	2.70	-0.08	-0.07	-0.08
15	C₆F₁₄	2.26	-0.10	-0.13	-0.13	47	CF₃NO₂	1.34	0	0	0
16	CF₃CF₂Cl	1.15	0.03	0.08	-0.09	48	SF₃≡N	1.37	0	0	0
17	CF₂ClCF₂Cl	1.71	-0.05	0	-0.34	49	CF₃N=SF₂	2.41	0	0	0
18	CF₂ClCFCl₂	2.37	-0.24	-0.18	-0.70	50	CH₃Cl	0.32	0.08	0.17	0
19	CF₃CCl₃	2.47	-0.34	-0.28	-0.80	51	CH₃Br	0.45	-0.04	0	0
20	c⁃C₄F₈	1.28	0.18	0.10	0.10	52	CH₃I	1.12	-0.16	-0.26	0
21	c⁃C₆F₁₂	2.35	-0.16	-0.28	-0.29	53	CH₂Cl₂	0.64	0.37	0.46	0.12
22	c⁃C₇F₁₄	2.24	0.32	0.18	0.17	54	CHCl₃	1.77	-0.14	-0.06	-0.57
23	c⁃C₄F₆	1.60	-0.13	-0.24	-0.24	55	CHF₃	0.27	-0.07	0.01	0.01
24	c⁃C₅F₈	2.10	-0.26	-0.40	-0.39	56	CHF₂Cl	0.44	0.23	0.31	0.14
25	c⁃C₆F₁₀	2.05	0.15	0	0	57	CHFCl₂	0.92	0.23	0.31	-0.03
26	CF₂=CFCl	0.69	0.50	0.52	0.36	58	CH₂F₂	0.27	-0.21	-0.13	-0.12
27	CF₂=CFCF₃	1.01	0.06	0.07	0.07	59	CH₂FCl	0.39	0.14	0.23	0.06
28	CF₃CF=CFCF₃	1.66	-0.22	-0.24	-0.23	60	CHF=CHCF₃	0.85	-0.05	-0.04	-0.03
29	CF₂=CF—CF=CF₂	1.40	0.05	0	0.02	61	CH₃CH₂Cl	0.40	0.09	0.18	0
30	CF₃C≡CCF₃	2.19	0	0	0	62	CH₃CF₃	0.41	-0.13	-0.05	-0.05
31	SOF₂	1.42	0	0	0	63	CH₂=CHCF₃	0.80	-0.14	-0.12	-0.11
32	SO₂F₂	0.73	0.05	0.10	0

No.	Formula	E_r，exp.	RMSD	MAD	MRD	No.	Formula	E_r，exp.	RMSD	MAD	MRD
1	SF₆	1.00	-0.03	0	0	33	CF₃SO₂F	1.43	-0.05	-0.02	-0.12
2	SF₅CF₃	1.53	0.03	0.05	0.05	34	CF₃CN	1.50	0.01	0.01	0.01
3	CF₄	0.43	-0.10	-0.02	-0.02	35	C₂F₅CN	1.98	-0.10	-0.13	-0.12
4	CCl₄	2.36	-0.11	-0.04	-0.73	36	C₃F₇CN	2.50	-0.26	-0.30	-0.30
5	CF₃Cl	0.60	0.21	0.28	0.12	37	i⁃C₃F₇CN	2.20	0.04	0	0
6	CF₃I	1.21	0.16	0.05	0.31	38	CF₃OCF（CF₃）CN	1.94	0.30	0.33	0.34
7	CFCl₃	1.84	-0.07	0	-0.51	39	CF₃OCF₃	0.84	-0.14	-0.02	0
8	CF₂Cl₂	1.06	0.23	0.30	-0.04	40	CF₃OC₂F₅	1.24	-0.17	-0.08	-0.06
9	CF₂ClBr	1.32	-0.02	0	-0.17	41	（C₂F₅）₂O	1.51	-0.08	0	0.02
10	CF₃Br	0.76	0.06	0.08	0.09	42	c⁃C₄F₈O	1.38	0.08	0.07	0.08
11	C₂F₆	0.80	-0.10	-0.05	-0.05	43	CF₃SCF₃	1.50	0.01	0	0
12	C₃F₈	0.98	0.09	0.12	0.12	44	C₂F₅CFO	1.59	-0.07	0	0
13	C₄F₁₀	1.32	0.11	0.12	0.12	45	i⁃C₃F₇C（O）CF₃	2.10	0.15	0.18	0.18
14	C₅F₁₂	1.75	0.05	0.04	0.04	46	i⁃C₃F₇C（O）C₂F₅	2.70	-0.08	-0.07	-0.08
15	C₆F₁₄	2.26	-0.10	-0.13	-0.13	47	CF₃NO₂	1.34	0	0	0
16	CF₃CF₂Cl	1.15	0.03	0.08	-0.09	48	SF₃≡N	1.37	0	0	0
17	CF₂ClCF₂Cl	1.71	-0.05	0	-0.34	49	CF₃N=SF₂	2.41	0	0	0
18	CF₂ClCFCl₂	2.37	-0.24	-0.18	-0.70	50	CH₃Cl	0.32	0.08	0.17	0
19	CF₃CCl₃	2.47	-0.34	-0.28	-0.80	51	CH₃Br	0.45	-0.04	0	0
20	c⁃C₄F₈	1.28	0.18	0.10	0.10	52	CH₃I	1.12	-0.16	-0.26	0
21	c⁃C₆F₁₂	2.35	-0.16	-0.28	-0.29	53	CH₂Cl₂	0.64	0.37	0.46	0.12
22	c⁃C₇F₁₄	2.24	0.32	0.18	0.17	54	CHCl₃	1.77	-0.14	-0.06	-0.57
23	c⁃C₄F₆	1.60	-0.13	-0.24	-0.24	55	CHF₃	0.27	-0.07	0.01	0.01
24	c⁃C₅F₈	2.10	-0.26	-0.40	-0.39	56	CHF₂Cl	0.44	0.23	0.31	0.14
25	c⁃C₆F₁₀	2.05	0.15	0	0	57	CHFCl₂	0.92	0.23	0.31	-0.03
26	CF₂=CFCl	0.69	0.50	0.52	0.36	58	CH₂F₂	0.27	-0.21	-0.13	-0.12
27	CF₂=CFCF₃	1.01	0.06	0.07	0.07	59	CH₂FCl	0.39	0.14	0.23	0.06
28	CF₃CF=CFCF₃	1.66	-0.22	-0.24	-0.23	60	CHF=CHCF₃	0.85	-0.05	-0.04	-0.03
29	CF₂=CF—CF=CF₂	1.40	0.05	0	0.02	61	CH₃CH₂Cl	0.40	0.09	0.18	0
30	CF₃C≡CCF₃	2.19	0	0	0	62	CH₃CF₃	0.41	-0.13	-0.05	-0.05
31	SOF₂	1.42	0	0	0	63	CH₂=CHCF₃	0.80	-0.14	-0.12	-0.11
32	SO₂F₂	0.73	0.05	0.10	0

Bond	E_r，B			Bond	E_r，B
Bond	RMSD	MAD	MRD	Bond	RMSD	MAD	MRD
C—H	-0.0547	-0.0293	-0.0294	C—N	0.8994	0.8478	0.8445
C—F	0.0836	0.1015	0.1026	C≡N	1.0630	1.0632	1.0659
C—Cl	0.5613	0.5795	0.4081	N=O	0.0949	0.0939	0.0939
C—Br	0.5715	0.5372	0.5375	S—F	0.1610	0.1665	0.1667
C—I	1.1223	0.9517	1.2091	S—C	0.5048	0.4456	0.4423
C—C	0.1983	0.1422	0.1387	S₄=O	1.0981	1.0869	1.0867
C=C	0.3742	0.3245	0.3308	S₆=O	0.2304	0.2491	0.1983
C≡C	1.2920	1.2969	1.2972	S=N	0.9379	0.9248	0.9245
C—O	0.1001	0.1055	0.1116	S≡N	0.8871	0.8704	0.8700
C=O	0.6230	0.6969	0.6972

Bond	E_r，B			Bond	E_r，B
Bond	RMSD	MAD	MRD	Bond	RMSD	MAD	MRD
C—H	-0.0547	-0.0293	-0.0294	C—N	0.8994	0.8478	0.8445
C—F	0.0836	0.1015	0.1026	C≡N	1.0630	1.0632	1.0659
C—Cl	0.5613	0.5795	0.4081	N=O	0.0949	0.0939	0.0939
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C—C	0.1983	0.1422	0.1387	S₄=O	1.0981	1.0869	1.0867
C=C	0.3742	0.3245	0.3308	S₆=O	0.2304	0.2491	0.1983
C≡C	1.2920	1.2969	1.2972	S=N	0.9379	0.9248	0.9245
C—O	0.1001	0.1055	0.1116	S≡N	0.8871	0.8704	0.8700
C=O	0.6230	0.6969	0.6972

[1]	JIA Changqing, MA Rui, QIAN Xicheng, QIN Zhaohai, XU Houqiang. Synthesis， Characterization， Biological Activity and Structure-activity Relationship of 6-N-heterocyclic Substituted Sanguinarine Derivatives [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(11): 20230231.
[2]	FENG Linyan, HU Xiaobo, YAN Miao, MIAO Changqing, CHEN Rui, GUO Jinchang, WANG Yingjin. Theoretical Study of MB₈C₄（M=Ca， Sr， Ba） Molecular Wheels Clusters with Dodeca-coordination Number in Plane [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230281.
[3]	YANG Dan, LIU Xu, DAI Yihu, ZHU Yan, YANG Yanhui. Research Progress in Electrocatalytic CO₂ Reduction Reaction over Gold Clusters [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220198.
[4]	ZHAO Yingzhe, ZHANG Jianling. Applications of Metal-organic Framework-based Material in Carbon Dioxide Photocatalytic Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220223.
[5]	GUO Jinchang, LIU Fanglin. Planar Pentacoordinate Silicon and Germanium in XBe₅H₆（X=Si， Ge） Clusters [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210807.
[6]	ZHANG Mi, TIAN Yafeng, GAO Keli, HOU Hua, WANG Baoshan. Molecular Dynamics Simulation of the Physicochemical Properties of Trifluoromethanesulfonyl Fluoride Dielectrics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220424.
[7]	LI Xiaolei, SUN Yunjiao, TANG Ying, WANG Changsheng. Rapid and Accurate Calculation of the Three⁃body Interaction Strength in the Hydrogen⁃bonded Complexes of Alcohols or Deoxyribose with Water [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3664.
[8]	HOU Hua, WANG Baoshan. Group Additivity Theoretical Model for the Prediction of Dielectric Strengths of the Alternative Gases to SF₆ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3709.
[9]	YE Chenghao, LIANG Heng, LI Enmin, XU Liyan, LI Peng, CHEN Guanghui. High-throughput Virtual Screening of CDK2/Cyclin A2 Target Inhibitors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3135.
[10]	YE Xiaodong, QI Guodong, XU Jun, DENG Feng. Glucose Oxidation on Au-supported SBA-15 Molecular Sieve ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 960.
[11]	WU Ting,CHEN Mengyao,XIAO Kaixia,ZHOU Yanmei,ZHANG Qingyou. Highly Selective Topological Index of Chemical Bonds and Its Applications^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(6): 1158.
[12]	CHANG Junpeng,ZHAO Jiarui,CHEN Sijia,MENG Kai,SHI Weini,LI Ruifang. Structure-activity Relationship of Antimicrobial Peptide SAMP1 and Its Analog Peptides^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 705.
[13]	LIU Yubo, ZHANG Nana, CHEN Jinjiao, ZHU Tong, ZHANG Jianing, LI Wenli. Discovery and Activity Verification of a O-GlcNAc Transferase Inhibitor by Structure-based Virtual Screening^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(6): 1185.
[14]	SHI Yanli, LIU Yubo, WU Sijin, LIU Yajun, ZHANG Jianing, LI Wenli. Virtual Screening and Activity Verification of Novel Inhibitors of ApIV 3C Protease^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(4): 701.
[15]	YU Min, HUANG Jingjing, MA Min, FU Ruiyan, YAN Yan, ZHANG Fusheng, YIN Junfeng, XIE Ningning. Zinc Chelating Activity and Quantitative Structure-activity Relationship of Tripeptides^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(2): 234.