卡宾与醚C-H键插入反应的理论研究(Ⅲ)--CX2(X=H, F, Cl)与甲乙醚C-H键插入反应

用量子化学从头计算方法在MP2/6-31G(d)水平上研究了CX2(X=H, F, Cl)与甲乙醚的C-H键插入反应. 在甲乙醚的 3个不同的C-H键(即甲基中α-C-H键, 乙基中α-C-H键和β-C-H键)上, 反应势垒分别为123.8, 32.5, 157.3 kJ/mol(X=Cl)和254.3, 130.0, 304.2 kJ/mol(X=F). 亚甲基与毗邻氧原子的各C-H键插入反应没有势垒, 与乙基中β-C-H键插入势垒仅3.4 kJ/mol. 甲乙醚中乙基α-C上的C-H键最有利于CX2的插入, 甲基上的C-H键次之, 乙基β-C上的又次之.     

木质素二聚体模型化合物热解机理的量子化学研究

β-O-4连接是木质素主体结构单元之间的主要联结方式。采用密度泛函理论方法B3LYP,在6-31G (d, p)基组水平上,对β-O-4型木质素二聚体模型化合物(1-愈创木基-2-(2-甲氧基苯氧基)-1,3丙二醇)的热解反应机理进行了研究。提出了三种热解反应途径:C_β-O键均裂的后续反应、C_α-C_β键均裂的后续反应以及协同反应。对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化,计算了各热解反应途径的标准动力学参数。分析了各种主要热解产物的形成演化机理以及热解过程中温度对热解机理的影响。计算结果表明,C_β-O键的均裂反应和协同反应路径(1)和(3)是木质素二聚体热解过程中主要的反应路径,而C_α-C_β键的均裂反应和协同反应路径(2)和(5)是主要的竞争反应路径;热解的主要产物是酚类化合物如愈创木酚、1-愈创木基-3-羟基丙酮、3-愈创木基-3-羟基丙醛、愈创木基甲醛和乙烯等。在热解低温阶段协同反应是热解过程中的主要反应形式,而在高温阶段自由基均裂反应是热解过程的主要反应形式。     

木质素模化物紫丁香酚热解机理的量子化学研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/6-31G++(d,p),对木质素模化物紫丁香酚的热解反应机理进行了量子化学理论研究。提出了三种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化。计算了各热解反应途径的标准动力学参数,分析了各种主要热解产物的形成演化机理。键离解能计算结果表明,紫丁香酚中CH₃-O键的键离解能最小,各种键离解能的大小顺序为CH₃-O < O-H < CH₃O-C_aromatic < CH₂-H < HO-C_aromatic < C_aromatic-H。在反应路径(1)中,主要热解产物是3-甲氧基邻苯二酚,其形成反应的总能垒为366.6 kJ/mol;在反应路径(2)中主要热解产物是2-甲氧基-6-甲基苯酚,其形成反应的总能垒为474.8 kJ/mol;在反应路径(3)中形成邻甲氧基苯酚的总能垒很低,为21.4 kJ/mol,这表明,在连接甲氧基的碳原子上加氢后能够有效地降低木质素芳环模化物紫丁香酚去甲氧基反应的反应能垒。     

左旋葡聚糖热解机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31++G(d,p)方法,对纤维素热解的主要产物左旋葡聚糖的热解反应机理进行了理论计算分析,设计了四种可能的热解反应途径, 对各种反应的反应物、产物和过渡态的结构进行了能量梯度全优化。计算结果表明,左旋葡聚糖开环成链状中间体时,首先,左旋葡聚糖中的两个半缩醛键C(1)-O(7)和C(6)-O(8)断裂,经过渡态TS₁形成中间体IM₁,同时,C(6)-O(7)结合成键使C(5)-C(6)-O(7)形成环状结构,该反应的能垒较高,为296.53 kJ/mol,然后IM₁经过渡态TS₂转变为中间体IM₂,该反应的能垒为234.09 kJ/mol;对IM₂设计了四条可能的反应路径,反应路径2和3能垒较低,是IM₂最可能的热解反应途径;在反应路径1和4中都包含了脱羰基反应,其反应能垒较高,不易发生。     

C-甲基硝酮与丙烯腈1,3-偶极环加成反应从头算研究

用从头算方法在MP2 / 6 31G(d)水平上研究了C 甲基硝酮与丙烯腈 1,3 偶极环加成反应 ,该反应可生成endo 4,exo 4,endo 5 ,exo 5四种不同的产物 ,反应势垒分别为 8.35、17.2 3、-0 .18和 4.88kJ/mol。在C 甲基硝酮与丙烯腈接近的过程中 ,首先生成 3个不同的氢键复合物 ,相对能量为 -4 7.8、-4 6 .6和 -33 .7kJ/mol。由这 3个不同的氢键复合物导致了 4个不同的过渡态而形成 4个不同的产物     

氯原子与甲酸反应的反应路径和动力学研究

用从头算UMP2方法采用6-311+G基组详细研究了Cl原子与甲酸反应的最佳反应 路径，对所有驻点都进行了G2单点能校正，结果表明：在Cl与HC0OH反应的过程中 ，Cl原子主要夺取trans-HCOOH中C端的H原子，产生cis—HOCO基团，反应的势垒为 16．7kJ／mol．考虑Cl原子存在下的二级反应，cis—HOCO将通过通道Rla1和Rla2 生成trans-HOCOCl再分解为最终产物CO2.cis-HOCO和trans-HOCO自由基与Cl原子的 反应为放热和无势垒过程．而HOCO和HOCOCl两个中间体的cis—到trans-转化势垒 分别为15．1和33．5kJ/mol．由于构型的原因，HOCOCl分解成CO2和HCl必须通过 trans-构型来进行．这步反应的势垒较高，为131．0kJ/mol．298K时，采用经典过 渡态理论计算得到的引发步骤的H-迁移反应的速率常数与实验值符合很好．也计算 了甲酸二聚体与Cl原子的H-迁移反应的速率常数．     

6-甲基-4-羟基嘧啶单体及二聚体质子转移过程的理论研究

应用密度泛函理论的B3LYP/6-311+G(d)方法研究了6-甲基-4-羟基嘧啶单体及二聚体质子转移的异构化反应.对反应势能面的研究发现,该化含物可能存在9种单体异构体,对其最稳定的单体构型进行分析.各单体间异构化反应的过渡态共有9种,反应的活化能最小为22.06 kJ/mol,最大为356.55 kJ/mol,最可能的反应路径在室温下即可进行. 研究了2种二聚体及其异构化反应的过渡态,发现二聚体均比其对应的单体稳定,而且质子转移所需要的活化能仅为20.13 kJ/mol,比单体低很多. 氢键在这种变化中起了主要作用,由单体和二聚体的总能量计算了氢键的键能.     

CX_2(X=H,F,Cl)与甲基异丙基醚C-H键插入反应的理论研究

用从头计算方法在MP2 /6 31G(d)水平上研究了CX2 (X =H ,F ,Cl)与甲基异丙基醚的C -H键插入反应。CCl2 与甲基异丙基醚两个不同的α C的C -H键插入势垒分别为 117.2kJ/mol (甲基 )和 2 0 .6kJ/mol (异丙基 )。CF2 与异丙基α C的C -H键上插入势垒为 12 0 .0kJ/mol,在插入甲基上C -H键时会引起C -O键的断裂。CH2 的插入反应则不需要势垒。对CX2 与二甲醚、甲乙醚、甲基异丙基醚、甲基苄基醚上各种不同的C -H键插入势垒进行了比较 ,甲基和苯基都促使其毗邻的C -H键更容易被CX2 所插入     

铑(Ⅰ)催化烯烃碳酰化反应机理:手性聚稠环过程的对映选择性

采用密度泛函理论方法研究了[Rh(R,R-DIOP)]+[DIOP=(1R,2R)-1,2-O-异丙叉-1,2-二醚氧基-1,2-双(二苯基磷基)乙烷]催化下苯并环丁酮手性聚稠环过程在气相、四氢乙呋喃(THF)及水中的反应机理.计算结果表明,在气相中反应容易进行,经TS2形成六元环的过程为决速步骤,但产物无明显的对映选择性.在THF中,S-和R-通道的C—C键活化能垒仅由79.5和69.3 kJ/mol提高到80.2和88.8 kJ/mol,未改变反应的实质;Rh与2个C原子的配位明显弱于气相,相对于催化剂和反应物自由能之和,S-和R-通道的反应总能垒分别提高到63.8和68.1 kJ/mol.对于S-通道,溶剂THF使经TS2的能垒升至112.0 kJ/mol,仍为整个过程的决速步骤;然而对R-通道,溶剂使经TS1形成五元环过程的能垒升至91.5 kJ/mol,但使经TS2的能垒由78.9 kJ/mol降至77.7 kJ/mol,IM1→TS1成为决速步骤.在以水为溶剂时,经TS1形成五元环的过程成为2个通道的决速步骤,其在S-和R-通道中的能垒分别为102.5和94.9 kJ/mol.因此,溶剂改变了反应的决速步骤及能垒.3种方法均预测R-通道为主反应路径,但THF能明显增加产物的对映选择性.采用自然键轨道(NBO)电荷分析了反应过程中电荷的变化.     

新型催化剂Mo配合物催化乙烯加氢反应的机理

采用密度泛函B3LYP方法,对新型催化剂MoX2(X=O,S,Se)催化C_2H_4加氢反应机理进行了研究.结果表明MoX2对C_2H_4加氢有较好的催化作用,主要包括2种反应途径.以MoS2为例,先活化H—H键再与C_2H_4反应(先形成MoX2-H_2中间体,R1)和先活化CC键再与H_2反应(先形成MoX2-C_2H_4中间体,R2和R3).第二种途径包括H_2从催化剂同侧(R3)和异侧(R2)攻击C_2H_4.路径R1和R3活化能比无催化剂条件下低311.62~318.85kJ/mol,具有明显的能量优势,其中,路径R3活化能最低,为24.33kJ/mol,表明该反应最容易进行.电子结构分析表明MoX2能够削弱H—H和C=C的强度,降低H_2和C_2H_4的轨道能级,使C_2H_4加氢更容易进行.     

氢气存在下煤焦水蒸气气化： II 修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气/惰性气气化及水蒸气/氢气气化。考察神府煤焦在875℃~950℃时与水蒸气/惰性气的气化反应和水蒸气/氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0.996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251.990kJ/mol,指前因子为5.97877×10⁹min^-1。     

Pyrolysis mechanism of carbon matrix precursor cyclohexane(III)—pyrolysis process of intermediate 1-hexene

The pyrolysis mechanism of important intermediate 1-hexene of carbon matrix precursor cyclohexane was studied theoretically. Possible reaction paths were designed based on the potential surface scan and electron structure of the initial C–C bond breaking reactions. Thermodynamic and kinetic parameters of the possible reaction paths were computed by UB3LYP/6-31+G* at different temperature ranges. The results show that 1-hexene pyrolyzes at 873 K. When below 1273 K, the major reaction paths are those that produce C₃H₄, and above 1273 K, the major reaction paths are those that produce C₃H₃ from the viewpoint of thermodynamics. From the viewpoint of kinetics, the major product is C₃H₃, it results from the pyrolysis reaction of 1-hexene cracking bond C₃–C₄ and generating C₃H₅ and C₃H₇ with the activation energy ΔE₀^≠θ=296.32 kJ/mol. Kinetic results also show that product C₃H₄ accompany simultaneously, which is the side reaction starting from the pyrolysis of 1-hexene forming C₄H₇ and C₂H₅ with the activation energy of 356.73 kJ/mol. When reaching 1473 K, the rate constant of the rate-determining steps of these two reaction paths do not show much difference, which means both the reaction paths exist in the pyrolysis process at the high temperature. The above results are basically in accordance with mass spectrum analysis and far more specific.     

氧化反应对胜利褐煤水蒸气气化反应的促进作用Ⅰ:宏观反应特性研究

在φ80×3 000mm耐高温不锈钢管气流床反应器中,以150-180μm胜利褐煤为气化原料,考察了800和900℃时添加氧气前后褐煤转化率的变化,研究了氧化反应对水蒸气气化反应影响的宏观特征。结果表明,添加氧气后褐煤转化率明显大于O_2和H_2O气氛下褐煤转化率之和,即向水蒸气气氛添加氧气后褐煤转化率的增幅大于氧气氧化作用导致的褐煤转化率的增幅,随着H_2O含量增大以及温度的升高此现象愈加明显。该协同作用主要是氧化反应对水蒸气气化反应的促进作用造成的。利用φ40×200 mm石英圆筒流化床反应器进行了类似的实验,也发现了该协同作用。同时,借鉴收缩核模型并结合气流床气化实验条件推导了水蒸气气化宏观动力学方程,得到的速率方程(Z-(1-x))~(1/3)=(tβk_(H_2O)/Rρ_C)φ_(H_2O)=K_(H_2Oφ_(H_2O))与实验值吻合较好,添加氧气后水蒸气气化反应速率和水蒸气气化反应表观速率常数K_(H_2O)明显增大,这是氧气对水蒸气气化反应促进作用的动力学特征。     

添加CaO的准东煤中温水蒸气气化特性的研究

以内在碳捕集气化为背景,利用加压热重分析仪开展CaO对准东煤中温(700-750℃)水蒸气气化反应动力学特性的影响研究,采用氮气吸附仪对准东煤焦的比表面积进行测定,并对煤中不同赋存形态碱金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行测定。结果表明,准东煤中的可溶性碱金属元素能有效催化气化反应,引入的二氧化碳吸收剂CaO与碱金属间表现出协同催化作用。水洗后的准东煤焦活性最高,添加CaO后的气化活性最好。Ca/C物质的量比对准东煤气化特性的影响研究表明,CaO的添加存在饱和量,Ca/C物质的量比为1.0较为合适。利用均相模型(HM)、缩核模型(SCM)以及修正体积模型(MVM)对反应动力学实验数据进行拟合,结果表明,修正体积模型可以较好地体现添加CaO的准东煤中温水蒸气气化反应动力学特性,由此获得反应活化能为160.90 kJ/mol。     

CO2气氛下生物焦气化反应动力学参数的实验研究：Ⅰ.活化能

利用热重分析仪在750~1 000 ℃对四种生物质进行了CO₂等温气化实验。结果表明,各生物质焦的气化反应性随气化温度的升高而增加。用碳转化率为20%时的瞬时气化反应速率r_0.2对反应速率r进行无量纲化,发现在实验温度范围内,各焦炭的无量纲气化反应速率-碳转化率曲线均存在两种变化趋势。利用等转化率法求取了四种生物焦在碳转化率达到20%后的气化反应活化能,发现同一种焦炭的气化反应活化能受碳转化率的影响较小,而不同种类焦炭的活化能主要受到焦中无机矿物成分的影响。各焦炭的活化能与焦中碱金属含量与固定碳含量的比值W_C/W_FC存在近似的线性关系：E=233.9-1 005.7×（W_C/W_FC）。若忽略催化效应的影响,焦炭本征气化反应的活化能趋于某一定值,约为234 kJ/mol。     

蒙古国巴嘎诺尔(Baganuur)褐煤水蒸气气化制富氢合成气及其固有矿物质的催化作用

利用固定床气化-色谱联用装置,考察了蒙古国巴嘎诺尔(Baganuur)褐煤的水蒸气气化反应性能,研究对比了巴嘎诺尔褐煤原煤BN-R、盐酸洗煤BN-HCl、氨水洗煤BN-NH₄OH、先酸洗后碱处理煤BN-HCl-NaOH及原煤和盐酸洗煤热解预处理煤样BN-R-Char与BN-HCl-Char在水蒸气气化过程中气态产物H₂、CO和CO₂的生成规律.研究结果表明,上述煤样的水蒸气气化过程中H₂、CO和CO₂的生成速率存在明显差异,与盐酸洗煤样相比,BN-R、BN-HCl-NaOH及BN-R-Char比对应矿物质脱除煤样的水蒸气气化速率高,充分说明巴嘎诺尔褐煤中某些固有矿物质对其水蒸气气化反应具有显著的催化作用,显著提高了其气化反应速率,使起始气化温度和气化反应主体温度均降低100 ℃以上,在提高H₂和CO₂生成量同时,还降低了CO生成量,制得了高H₂/CO(物质的量比)的合成气.用盐酸脱除矿物质所得BN-HCl同BN-HCl-Char的水蒸气气化性能相似.与BN-R相比,BN-HCl与BN-HCl-Char水蒸气气化反应性明显下降,说明对巴嘎诺尔褐煤水蒸气气化起催化作用的矿物质成分在盐酸洗脱的矿物质中.经过分析,发现矿物质对巴嘎诺尔褐煤水蒸气气化反应的催化作用,主要是通过提高水煤气变换反应速率实现的.最后,结合文献报道,提出了巴嘎诺尔褐煤水蒸气气化反应过程中矿物质的原位催化机理.     

重油残渣焦水蒸气气化反应特性的研究

采用常压热重分析仪,研究了重油残渣焦的水蒸气气化反应性,主要考察了热解温度、升温速率、停留时间及气化反应温度、气化剂分压对重油残渣焦水蒸气气化反应的影响,并借助XRD对残渣焦进行了分析表征。结果表明,气化温度950℃,60%水蒸气分压条件下,快速热解焦比慢速热解焦的气化反应性高;随制焦温度(500~900℃)的提高及停留时间的延长,焦的气化反应性降低。气化温度是影响重油残渣焦气化反应的主要因素,在900~1 050℃,温度每提高50℃,重油残渣焦气化反应时间几乎减半;随着水蒸气分压的提高,气化反应速率增加,但当气化剂分压高于60% 时,其对气化反应影响较小。采用均相模型和缩核模型对重油残渣焦气化曲线进行模拟,结果发现,缩核模型模拟相关性较好,其活化能为195.0 kJ/mol,指前因子A₀为2.6×10⁷min^-1。     

生物油TG-FTIR分析与热解气化特性研究

以稻壳快速热解产物生物油为对象,在对其进行热重红外检测的基础上,结合生物油及其轻质、重质组分的热解气化实验,研究了生物油热解气化过程及气体产出特性。结果表明,生物油的热解气化分为两个阶段,一是轻质组分的快速挥发热解;二是重质组分的裂解气化与缩合缩聚,活化能分别为35~38 kJ/mol和15~22 kJ/mol。温度升高,热解气化效率增加,以H₂和CO为主的合成气产量增多,但气体产物热值降低。气体中H₂主要来自轻质组分的热解气化,而重质组分则裂解产生较多的CO、CH₄等物质。