CH自由基和NO~2反应研究: I. 反应的热力学计算

探讨了CH自由基与NO~2反应的可能路径,通过计算确定了反应物,产物和稳定中间体的电子状态和平衡构型,并运用Gaussian-3方法和MRCISD方法对可能的反应路径进行了热力学计算。在多数情况下与实验值符合较好。对于个别与理论计算差别较大的实验值进行了评述。     

CH自由基和NO~2反应研究: I. 反应的热力学计算

探讨了CH自由基与NO~2反应的可能路径,通过计算确定了反应物,产物和稳定中间体的电子状态和平衡构型,并运用Gaussian-3方法和MRCISD方法对可能的反应路径进行了热力学计算。在多数情况下与实验值符合较好。对于个别与理论计算差别较大的实验值进行了评述。     

对两个SN2反应的从头计算研究

对S_N2反应势能面的研究是探讨有机和生物大分子反应机理的中心课题.对气相反应,精确的从头计算可得到与实验值相近的能垒值和实验无法确定的过渡态和反应路径等细     

O(3P)与卤代甲基反应的理论研究--Ⅰ.O(3P)+CH2Cl的反应机理

用量子化学从头算法对氧原子与CH2 Cl自由基的反应进行了研究 ,采用G2MP2方法计算了势能面上各驻点的构型参数、振动频率和能量 .给出了O( 3 P)与CH2 Cl反应的明确机理 .反应首先形成富能中间体OCH2 Cl,而后经各种复杂的解离或异构化途径生成产物 .计算的各个通道的反应热与实验结果相符 ,预测H CHClO和Cl CH2 O是反应的主要通道 .根据从头算的结果 ,用过渡态理论计算了反应的总速率常数 .反应速率常数与压力无关 ,在低温下有弱的负温度效应 .计算值与实验值符合很好 .     

碳前驱体CH3ArCH2NH2热解反应的热力学和动力学DFT研究

在实验研究基础上,通过量子化学理论计算对碳前驱体CH3ArCH2NH2的热裂解机理作了进一步的研究.利用Gaussian98程序包中AM1方法及DFTUB3LYP/3-21G*方法,对化合物5种可能热裂解路径的热力学和动力学计算结果表明,CH3ArCH2NH2热裂解的主反应路径为生成自由基CH3ArCH2*和NH2*,其主反应路径AM1计算的活化能Ea=230.78kJ/mol,DFT计算的活化能Ea=321.18kJ/mol;比较键焓计算的数据与相应的实验数据,发现DFT计算结果与实验结果吻合得较好;通过分析优化的反应物及产物自由基的部分结构参数,了解了理论支持主反应的原因;计算的产物自由基的空间构型表明主反应路径生成的产物自由基相互间若进行稠环缩合反应,将获得分子平面取向性很好的稠环芳烃产物.     

碳前驱体CH3ArCH2NH2热解反应的热力学和动力学DFT研究

在实验研究基础上 ,通过量子化学理论计算对碳前驱体 CH3 Ar CH2 NH2 的热裂解机理作了进一步的研究 .利用 Gaussian98程序包中 AM1方法及 DFT UB3 LYP/3 -2 1 G*方法 ,对化合物 5种可能热裂解路径的热力学和动力学计算结果表明 ,CH3 Ar CH2 NH2 热裂解的主反应路径为生成自由基 CH3 Ar CH2 ·和 NH2 · ,其主反应路径 AM1计算的活化能 Ea=2 3 0 .78k J/mol,DFT计算的活化能 Ea=3 2 1 .1 8k J/mol;比较键焓计算的数据与相应的实验数据 ,发现 DFT计算结果与实验结果吻合得较好 ;通过分析优化的反应物及产物自由基的部分结构参数 ,了解了理论支持主反应的原因 ;计算的产物自由基的空间构型表明主反应路径生成的产物自由基相互间若进行稠环缩合反应 ,将获得分子平面取向性很好的稠环芳烃产物     

烷基自由基β位裂解反应类反应势垒与速率常数的精确计算

提出反应类等键方法并用于高温燃烧机理中一类重要反应——烷基自由基β位裂解反应的反应势垒和速率常数的精确校正计算. 通过10种不同从头算水平对类反应中5个代表反应的反应势垒的计算发现, 用反应类等键反应方法和直接从头算方法获得的5 个代表反应的反应势垒最大绝对偏差的平均值分别为5.32 和16.16 kJ·mol^-1, 表明反应类等键反应方法计算的反应势垒对不同水平从头算方法的依赖性小, 可在较低从头算水平计算得到精确的反应势垒, 解决大分子体系反应势垒的精确计算问题. 此外应用反应类等键反应方法在BHandHLYP/cc-pVDZ 从头算水平计算了3 个代表反应的速率常数, 并与文献报道的实验值进行了比较, 其在500-2000 K温度区间内计算速率常数与实验速率常数中较大值与较小值的比值k_max/k_min的平均值为1.67, 最大值也仅有2.49. 表明应用反应类等键反应方法在较低从头算水平即可对同类反应的速率常数进行精确计算.最后在BHandHLYP/cc-pVDZ从头算水平用反应类等键反应方法计算了13个烷基自由基β位裂解反应的速率常数.     

1-三氯锡烷基-2,3-丁二烯和2-三氯锡烷基-1,3-丁二烯与甲醛反应的B3LYP研究

用密度泛函方法在B3LYP/6-31G^**水平上研究了1-三氯锡烷基-2,3-丁二烯和2-三氯锡烷基-1,3-丁二烯与甲醛的反应.优化得到各驻点的几何构型,通过振动分析和内禀反应坐标对过渡态进行了确认,解析了反应路径.并用SCRF(PCM)方法在同一水平上对在CH₂Cl₂溶液中的两反应进行了研究.计算了两反应在气相和CH₂Cl₂溶液中的活化能垒、自由能和平衡常数.结果表明,反应具有很强的选择性,主要得到1-三氯锡烷基-2,3-丁二烯与甲醛反应的产物.该结果与实验事实一致.     

酸性条件下正钛酸钛(IV)中心与过氧化氢反应机理的第一性原理研究

正钛酸钛(IV)中心与过氧化氢的溶液反应很早就已经开始被加以关注和研究, 因其在化学催化、分析化学以及精细陶瓷方面具有重要用途. 尽管如此, 其不同条件下的反应机理以及产物长期以来没有得到共识. 本文主要希望通过对特定条件下(pH<1), 对这一反应进行第一性计算研究. 其中计算主要采用B3LYP泛函和6-311G+(3df,2p)基组的组合, 对可能的反应路径进行分步以及总反应热的计算, 其结果(27 kJ/mol)与实验值较为接近. 通过仔细研究反应中分子轨道的变化, 指出成环反应和氢转移反应是整体反应的关键步骤, 采用单向连串反应假设对实验现象进行分析, 并决定其宏观反应动力学“准一级”的特征, 获得了对特定及一般实验条件下的结果的合理解释. 通过对这一反应机理的研究, 我们希望能够将其推广至其他过渡族金属中心与过氧化物结合的反应中, 得以指导高效环氧化催化剂及精细陶瓷的合成与制备.     

CH自由基和NO2反应研究Ⅱ.反应的动力学计算

采用MP2(FULL)/6-31G(d)方法从动力学计算上探讨了CH自由基与NO2反应的可能途径,找到了反应物,中间体及产物之间的能量通道和过渡态,报道了它们的构型、电子态及能量.并通过频率分析和IRC方法对所有的过渡态进行了验证.在此基础上求出了各步反应的活化能.在以前热力学研究的基础上,对于可能的反应通道进一步作了动力学分析,找到了反应主产物通道的分支比,与实验得到的分支比基本吻合.     

基于量子化学计算的BH4-水解制氢反应机理研究

采用密度泛函理论(DFT)和二阶微扰理论(MP2)对BH-4与两分子水反应制氢的微观机理进行了研究.在B3PW91/6-311++G(2df,2p)和MP2(full)/6-311++G(2df,2p)水平上优化了反应体系中所有反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,通过振动频率分析和内禀反应坐标(IRC)跟踪验证了过渡态的正确性.计算结果表明,反应生成氢气的过程是分四步进行,并存在两种可能的反应路径:路径1中,两分子的水分别在第一步、第三步参加反应;而路径2中,两分子的水分别在第一步、第二步参加反应;其中路径2的势垒比路径1低应为主反应路径.此外,两种反应路径都是强放热过程,且MP2法所得焓变值与所报道的实验值更接近.     

HNCO+HCO→NCO+CH2O氢转移反应的从头算及动力学研究

在UMP2(Full)/6-311G(d,p)计算水平上,优化了标题反应的反应物、过渡态、产物的几何结构,沿最小能量途径讨论了异氰酸(HNCO)和甲酰自由基(HCO)发生氢转移反应位能面上驻点的结构以及相互作用分子结构变化.指出该反应是一个N-H键断裂和C-H键生成的协同反应.进一步采用UQCISD(T,Full)方法对反应途径上的驻点进行了单点能量校正,得出该反应的计算位垒是91.47 kJ/mol,与实验值108.92 kJ/mol接近在500～2500K实验温度范围内,运用变分过渡态理论(CVT)计算得到的速率常数与实验观测值进行了比较     

·OH自由基与CH3CN反应机理及动力学

在CBS-QB3水平上研究了CH3CN 和·OH反应的势能面, 其中包括两个中间体和9个反应过渡态. 分别给出了各主要物质的稳定构型、相对能量及各反应路径的能垒. 根据计算的CBS-QB3势能面, 探讨了CH3CN+·OH反应机理. 计算结果表明, 生成产物P1(·CH2CN+H2O)的反应路径在整个反应体系中占主要地位. 运用过渡态理论对产物通道P1(·CH2CN+H2O)的速率常数k1(cm3·molecule-1·s-1)进行了计算. 预测了k1(cm3·molecule-1·s-1)在250-3000 K温度范围内的速率常数表达式为k1(250-3000 K)=2.06×10^-20T^3.045exp(-780.00/T). 通过与已有的实验值进行对比得出, 在实验所测定的250-320 K 范围内, 计算得到的k1的数值与已有的实验值比较吻合. 由初始反应物生成产物P1 (·CH2CN+H2O)只需要克服一个14.2 kJ·mol-1的能垒. 而产物·CH2CN+H2O生成后要重新回到初始反应物CH3CN+·OH, 则需要克服一个高达111.2 kJ·mol-1的能垒,这就表明一旦产物P1生成后就很难再回到初始反应物.     

一类有机体系分子内电子转移反应的理论研究

对1984年Miller和Closs设计的有机分子内电子转移反应体系的反应速率常数进行了直接理论计算研究,获得与实验值接近的结果,理论计算结果进一步证明了体系中反转区的存在.     

O(3P)+O2H——OH+O2反应机理的密度泛函理论研究

用密度泛函理论方法研究了O(³P)与O₂H反应生成羟基和氧分子的反应机理.在PW91/6-31+G^*水平上用梯度解析技术全自由度优化上述反应物、产物和反应路径上的中间体及过渡态几何构型,并通过频率振动分析加以确认,计算IRC反应路径及中间体异构化过程,确定了此反应的可能反应通道.结果表明:该反应是多通道多步骤的强放热反应.首先形成顺式或反式O₃H富能中间体,此过程无能垒;然后跨过一个能垒分解成产物OH和O₂.通道IM1→TS1比IM2→TS2克服的能垒要大,反应放热372.822kJ.mol^-1.IM1TS3IM2可相互转化.     

CH_3CN+CH_3→CH_2CN+CH_4氢消除反应的直接动力学研究

采用直接动力学方法,对乙腈与甲基的反应进行了理论研究.在BHandHLYP/6-311G(d,p)和MP2/6-311G(d,p)水平下获得,稳定点的几何结构、振动频率及最小能量路径(MEP),在G3(MP2)和MC-QCISD水平下对能量信息进一步确认.利用正则变分过渡态理论,结合小曲率隧道效应校正(CVT/SCT)方法计算了该反应在220K～2000K的速率常数,与实验值符合得很好.     

甲硫醇和氢原子反应的从头算直接动力学

利用双水平直接动力学方法对反应CH3SH+H的微观机理和动力学性质进行了理论研究.对于此反应的三个反应通道,即—SH和—CH3基团上的两个氢提取通道及一个取代通道,在MP2/6-311+G(d,p)水平上优化得到了各稳定点的结构及振动频率,并在G3(MP2)水平上进行了单点能量计算以获得更精确的能量信息;在此基础上运用结合小曲率隧道效应校正的变分过渡态理论(CVT/SCT)计算了各反应通道在220-1000 K温度区间的速率常数.计算结果表明提取—SH基团上H的反应通道R1在整个反应温度区间都是主要通道,而随着温度的升高,低温下的次要反应通道——取代通道R3变得越来越重要,并且在高温下将成为一个竞争的反应通道;提取—CH3基团上H的反应通道(R2)由于具有较高的反应能垒,因而,其对总反应速率常数的贡献可以忽略.计算得到的总反应速率常数与已有的实验值符合得很好,进而我们预测了该反应在220-1000 K温度范围内速率常数的表达式为:k=5.00×10-18T2.39exp(-119.81/T),为将来的实验研究提供参考.     

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．     

5,10-CH+-THF向邻苯二胺转移一碳单元反应的理论研究

叶酸辅酶在酶催化的一碳单元转移过程中具有重要的作用,已有大量的实验及实验模拟对其生物学功能进行了研究分析.本文用PM3半经验方法对5,10-CH⁺-THF向邻苯二胺转移一碳单元的反应进行了理论研究.结果表明,5,10-CH⁺-THF中的咪唑啉环有两种开环方式,从而使得该反应可以通过两种途径实现,每一种途径都经历了6个反应步骤,其中包括限制速度的两次质子转移步骤.优化计算了每个步骤所有可能的中间体和过渡态的结构和能量,并通过比较分析得到了各反应阶段的最优中间体和过渡态结构.     

吡啶光氯化反应过渡态和反应途径的量子化学研究

用量子化学B3LYP方法在3---21G*水平上优化吡啶光氯化反应加成取代反应机理生成邻、间、对位氯代吡啶不同反应途径的过渡态并对反应热和活化能进行了计算,对邻位反应途径进行了IRC反应路解析,计算结果表明邻位反应途径过渡态的能量最低,为－704.830027a.u.,生成2－氯吡啶所需的活化能最低,为114.60kJ/mol。光氯化反应主要产物为2－氯吡啶,与实验结果一致。IRC反应路径显示在反应过程中C(2)---H(7)键的断裂和C(2)-----Cl(8)键的生成是协同但不是同步的。