激发态Ti＋(3d14s2)与丙炔醇气相反应理论研究

用量子化学密度泛函(DFT)方法研究了激发态Ti^＋(3d¹4s²)与丙炔醇(PPA)气相反应的机理. 在B3LYP/DZVP水平上, 优化了反应的两个通道的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 并在MP4/[6-311＋G**(C,H,O)＋Lanl2dz (Ti)]水平上计算了各驻点的单点能量. 为了确证过渡态的真实性, 在B3LYP/DZVP水平上进行了内禀坐标(IRC)计算和频率分析, 获得了二重态反应势能面, 确定了反应机理. 研究结果表明生成产物为[C₃H₃O]^＋和Ti—H的通道是主要反应途径.     

D-苯丙氨酸与Cu＋(1S0, 3d10)气相反应理论研究

用量子化学密度泛函(DFT)方法研究D-苯丙氨酸与一价基态金属阳离子Cu^＋在气相中反应的机理. 在B3LYP/6-31G*水平上, 优化了反应包含的4个反应通道的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 并采用B3LYP/DZVP, B3LYP/[6-311＋G**(C,H,O)＋Lanl2dz(Cu)], B3LYP/6-311＋G**, MP2/6-311＋G** 等方法对各驻点进行了单点能计算. 通过对计算结果的分析, 获得了其单重态反应势能面的一般轮廓、各驻点几何构型优化参数, 明确了其反应机理.     

CH2＝CHCl与O(3P)反应的理论研究

用量子化学密度泛函理论和QCISD (Quadratic configuration interaction calculation)方法, 对O(³P)与CH₂CHCl的反应进行了理论研究. 在UB3LYP/6-311＋＋G(d,p), UB3LYP/6-31＋＋G(3df, 3pd)计算水平上, 优化了反应物、产物、中间体和过渡态的几何构型, 并在UQCISD(T)/6-311＋＋G(2df,2pd)水平上计算了单点能量. 为了确证过渡态的真实性, 在UB3LYP/6-311＋＋G(3df,3pd)水平上进行了内禀坐标(IRC)计算和频率分析, 并确定了反应机理. 研究结果表明, 反应主要产物为CH₂CHO和Cl.     

CH3O与ClO双自由基反应机理的量子化学研究

在QCISD(T)/6-311＋G(d,p)//B3LYP/6-311＋G(3df,3pd)水平上, 对CH₃O与ClO双自由基反应进行了理论研究. 结果表明, 该反应共有三个反应通道, 产物分别为HOCl＋CH₂O, CH₂O₂＋HCl和CH₃Cl＋O₂(¹Δ). 不论从动力学角度, 还是从热力学角度看, 形成产物HOCl＋CH₂O的通道均是最有利的, 因此为主要反应通道, 这与实验观察到的结果是一致的.     

SiH2自由基与HNCO反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了SiH₂自由基与HNCO的反应机理, 并在B3LYP/6-311＋＋G**水平上对反应物、中间体、过渡态进行了全几何参数优化, 通过频率分析和内禀反应坐标(IRC)确定了中间体和过渡态. 为了得到更精确的能量值, 又用QCISD(T)/6-311＋＋G**方法计算了在B3LYP/6-311＋＋G**水平优化后的各个驻点的相对能量. 计算结果表明SiH₂自由基与HNCO的反应有五条反应通道, 其中顺式反应通道SiH₂＋HNCO→IM3→ TS4→IM5→TS5→IM6→SiH₂NH＋CO反应能垒最低, 为主反应通道.     

SiH2自由基与HNCO反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了SiH₂自由基与HNCO的反应机理, 并在B3LYP/6-311＋＋G**水平上对反应物、中间体、过渡态进行了全几何参数优化, 通过频率分析和内禀反应坐标(IRC)确定了中间体和过渡态. 为了得到更精确的能量值, 又用QCISD(T)/6-311＋＋G**方法计算了在B3LYP/6-311＋＋G**水平优化后的各个驻点的相对能量. 计算结果表明SiH₂自由基与HNCO的反应有五条反应通道, 其中顺式反应通道SiH₂＋HNCO→IM3→ TS4→IM5→TS5→IM6→SiH₂NH＋CO反应能垒最低, 为主反应通道.     

RN (R＝CH3, CH3CH2)异构化及脱氢反应的量子拓扑研究

利用量子化学从头算CASSCF方法在6-311＋G (d, p)基组水平上对单线态和三线态RN (R＝CH₃, CH₃CH₂)异构化反应及RN脱氢反应的微观机理进行了理论研究. 在MP2/6-311＋G (d, p)和CCSD/6-311＋G (d, p)水平上进行了单点能校正. 单态和三态势能面的交叉点(ISC)的存在清楚地说明了基态反应物³RN异构化为基态产物¹R'NH (R'＝CH₂, CH₃CH)的过程. 电子密度拓扑分析显示在整个异构化过程中有两种类型的结构过渡态: 单态反应通道为T型过渡态, 三态反应通道为环状过渡态. 单线态RN脱氢反应通道中“原子-分子键”的存在说明两个H原子是以H₂的形式从RN中脱去的.     

气相中Y＋, Zr＋, Nb＋与CO2反应的理论研究

以Y^＋, Zr^＋, Nb^＋与CO₂反应作为第二前过渡金属离子与CO₂反应的范例体系. 采用密度泛函UB3LYP方法, 对于Y, Zr, Nb采用Stuttgart赝势基组, 对于CO₂采用6-311＋G(2d)基组, 计算研究了三种金属离子在基态和激发态时与CO₂气相反应的机理. 结果表明三种金属离子与CO₂反应以高自旋进入反应通道, 在反应过程中发生系间窜越, 以低自旋中间体和最终产物离开反应通道. 用内禀坐标单点垂直激发计算的方法找到了势能面交叉点, 并作了相应的讨论. 因为有金属离子的参与, 使单分子CO₂的强吸热分解反应变为生成CO和MO^＋的放热过程.     

气相中Y＋, Zr＋, Nb＋与CO2反应的理论研究

以Y^＋, Zr^＋, Nb^＋与CO₂反应作为第二前过渡金属离子与CO₂反应的范例体系. 采用密度泛函UB3LYP方法, 对于Y, Zr, Nb采用Stuttgart赝势基组, 对于CO₂采用6-311＋G(2d)基组, 计算研究了三种金属离子在基态和激发态时与CO₂气相反应的机理. 结果表明三种金属离子与CO₂反应以高自旋进入反应通道, 在反应过程中发生系间窜越, 以低自旋中间体和最终产物离开反应通道. 用内禀坐标单点垂直激发计算的方法找到了势能面交叉点, 并作了相应的讨论. 因为有金属离子的参与, 使单分子CO₂的强吸热分解反应变为生成CO和MO^＋的放热过程.     

HO2自由基与NO2反应通道的理论研究

应用密度泛函理论DFT/B3LYP对HO₂＋NO₂反应进行了研究, 在B3LYP/6-311G^**和CCSD(T)/6-311G^**水平上计算了HO₂自由基与NO₂分子反应的单重态和三重态反应势能面, 计算结果表明, 单重态反应势能面中的直接氢抽提反应机理是此反应的主要反应通道, 即HO₂自由基的氢原子转移到NO₂分子的氮原子上形成产物P₁ (HNO₂＋³O₂), 另一个可能的反应通道是单重态反应势能面上HO₂中的端位氧原子进攻NO₂分子中的氮原子形成中间体1 (HOONO₂), 接着中间体1 (HOONO₂)经过氢转移形成产物P₂ (trans-HONO＋³O₂), 以上两个反应通道都是放热反应通道, 分别放热90.14和132.52 kJ•mol^－1.     

HO2自由基与NO2反应通道的理论研究

应用密度泛函理论DFT/B3LYP对HO₂＋NO₂反应进行了研究, 在B3LYP/6-311G^**和CCSD(T)/6-311G^**水平上计算了HO₂自由基与NO₂分子反应的单重态和三重态反应势能面, 计算结果表明, 单重态反应势能面中的直接氢抽提反应机理是此反应的主要反应通道, 即HO₂自由基的氢原子转移到NO₂分子的氮原子上形成产物P₁ (HNO₂＋³O₂), 另一个可能的反应通道是单重态反应势能面上HO₂中的端位氧原子进攻NO₂分子中的氮原子形成中间体1 (HOONO₂), 接着中间体1 (HOONO₂)经过氢转移形成产物P₂ (trans-HONO＋³O₂), 以上两个反应通道都是放热反应通道, 分别放热90.14和132.52 kJ•mol^－1.     

煤炭燃烧过程中N2O消除反应机理的密度泛函理论研究

用密度泛函理论B3LYP方法对煤炭燃烧过程中N₂O的消除反应进行研究。选用6-311++G**和aug-cc-pVTZ基组,优化了反应通道上反应物、过渡态和产物的几何构型。预测了它们的热力学性质(总能量、焓、熵和吉布斯自由能)及其随温度的变化。预测N₂O+CO反应的活化能为200 kJ·mol^-1,与实验值193±8 kJ·mol^-1较一致。计算了500~1 800 K 温度范围的反应速率常数。在N₂O的分解中,N₂O与H和CN自由基的反应为动力学优先进行的反应,其活化能为50~55 kJ·mol^-1。在B3LYP/aug-cc-pVTZ level水平下,N₂O+CN反应是热力学最有利的自发反应,其吉布斯自由能变化为-407 kJ·mol^-1。     

CH3SH与NO2的反应机理及动力学

在G3B3, CCSD(T)/6-311＋＋G(d,p)//B3LYP/6-311＋＋G(d,p)水平上详细研究了CH3SH与基态NO2的微观反应机理. 在B3LYP/6-311＋＋G(d,p)水平得到了反应势能面上所有反应物、过渡态和产物的优化构型, 通过振动频率分析和内禀反应坐标(IRC)跟踪验证了过渡态与反应物和产物的连接关系. 在CCSD(T)/6-311＋＋G(d,p)和G3B3水平计算了各物种的能量, 得到了反应势能面. 利用经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)并结合小曲率隧道效应模型(SCT), 分别计算了在200～3000 K温度范围内的速率常数kTST, kCVT和kCVT/SCT. 研究结果表明, 该反应体系共存在5个反应通道, 其中N进攻巯基上H原子生成CH3S＋HNO2的通道活化势垒较低, 为主要反应通道. 动力学数据也表明, 该通道在200～3000 K计算温度范围内占绝对优势, 拟合得到的速率常数表达式为k1CVT/SCT＝1.93×10－16T0.21exp(－558.2/T) cm3&;#8226;molecule－1&;#8226;s－1.     

Criegee自由基CH2O2与H2O反应机理及动力学的理论研究

在6-311＋G(2d,2p)水平下, 采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 研究了Criegee 自由基CH₂O₂与H₂O的反应. 结果表明反应存在三个通道: CH₂O₂＋H₂O®HOCH₂OOH (R1); CH₂O₂＋H₂O®HCO＋OH＋H₂O (R2); CH₂O₂＋H₂O®HCHO＋H₂O₂ (R3), 各通道的势垒高度分别为43.35, 85.30和125.85 kJ/mol. 298 K下主反应通道(R1)的经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)的速率常数k^TST与k^CVT均为2.47×10^－17 cm³•molecule^－1•s^－1, 而经小曲率隧道效应模型(SCT)校正后的速率常数k^CVT/SCT为 5.22×10^－17 cm³•molecule^－1•s^－1. 另外, 还给出了200～2000 K 温度范围内拟合得到的速率常数随温度变化的三参数Arrhenius方程.     

气相中Cu＋和Zn＋与SCO反应的理论研究

为更清晰地揭示M^＋与SCO基元反应的机理, 采用密度泛函B3LYP方法, 在6-311＋＋G**基组水平上研究了Cu^＋＋SCO和Zn^＋＋SCO反应体系. 对反应势能面上各驻点的几何构型进行了全优化, 用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证. 在Cu^＋与SCO的反应中, 对影响反应机理和反应速率的势能面交叉现象进行了讨论, 运用Hammond假设和Yoshizawa等的内禀反应坐标垂直激发的计算方法找到了势能面交叉点. 计算结果表明, C—S和C—O键的活化都是通过插入消去机理, 但C—S键的活化在能量上更占优势. 计算确认了标题反应的主通道, 所有的计算结果与实验吻合.     

BrO与CH3SH反应机理的量子化学及拓扑研究

利用密度泛函和电子密度拓扑分析方法对BrO与CH₃SH反应的微观机理进行了理论研究. 在B3LYP/6-311G (d, p)水平上对反应势能面上的各驻点进行几何构型的全优化; 振动分析和IRC计算证实了中间体和过渡态的真实性和相互连接关系; 计算得到了各反应通道的活化能, 并进行了零点能校正. 计算结果表明: 该反应存在7个反应通道, 其中生成CH₃S＋HOBr和CH₃SO＋HBr的通道为主要反应通道. 通过对反应过程中部分驻点的电子密度拓扑分析, 首次发现了接近平面的四元环状过渡态, 从而拓展了原来对环状结构过渡态定义的适用范围.     

BrO与CH3SH反应机理的量子化学及拓扑研究

利用密度泛函和电子密度拓扑分析方法对BrO与CH₃SH反应的微观机理进行了理论研究. 在B3LYP/6-311G (d, p)水平上对反应势能面上的各驻点进行几何构型的全优化; 振动分析和IRC计算证实了中间体和过渡态的真实性和相互连接关系; 计算得到了各反应通道的活化能, 并进行了零点能校正. 计算结果表明: 该反应存在7个反应通道, 其中生成CH₃S＋HOBr和CH₃SO＋HBr的通道为主要反应通道. 通过对反应过程中部分驻点的电子密度拓扑分析, 首次发现了接近平面的四元环状过渡态, 从而拓展了原来对环状结构过渡态定义的适用范围.     

Theoretical Study on the Mechanism of the Gas-phase Reaction of Sc＋ with Propargyl Alcohol

In order to elucidate the reaction mechanisms of reaction Sc^＋ with propargyl alcohol (PPA), the triplet potential energy surface for the reactions has been theoretically investigated using a DFT method. The geometries for the reactants, intermediates, transition states and products were completely optimized at B3LYP/DZVP level. The single point energy of each stationary point was calculated at MP4/(6-311＋G** for C, H, O and Lanl2dz for Sc^＋) level. All the transition states were verified by the vibrational analysis and the internal reaction coordinate (IRC) calculations. The present results show that the reaction takes an insertion-elimination mechanism both along the O—H and C—O bond activation branches, but the C—O bond activation is much more favorable in energy than the O—H bond activation. All theoretical results not only support the existing conclusions inferred from early experiment, but also complement the pathway and mechanism for this reaction.