H-ZSM-5分子筛催化4-MBP与甲醇甲基化的反应机理

4,4?-二甲基联苯(4,4?-DMBP)是生产高性能聚合物材料的重要前驱体,可以通过4-甲基联苯(4-MBP)甲基化制得.本文采用“our own-N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)方法研究H-ZSM-5分子筛孔内4-MBP和甲醇择形甲基化的反应机理,考虑了分步和协同反应机理.分步机理的活化能低于协同机理.在两种反应机理中,4,4?-DMBP为动力学优先生成产物.过渡态择形的特征也使甲基化更容易生成4,4?-DMBP.在分子筛孔内,4-MBP 异构化生成3-甲基联苯(3-MBP)的反应被抑制.在分子筛外表面,4-MBP异构化生成3-MBP比甲基化反应更有动力学优势,导致4,4?-DMBP选择性降低.对外表面进行改性将会抑制4-MBP异构化反应,并使反应在分子筛孔内进行,因此可以提高4,4?-DMBP的选择性. H-ZSM-5催化择形和非择形反应的计算结果与实验现象一致.     

苯和甲醇在H-ZSM-5催化剂上甲基化的反应机理

采用"our own-N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics"(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)结合的方法,在5T、12T、104T_9和104T_(12)H-ZSM-5模型中研究了苯和甲醇甲基化的分步和协同机理。描述了中间体物种和过渡态的结构。考察了H-ZSM-5催化剂Br?nsted(B)酸强度对苯和甲醇甲基化反应机理的影响。反应活化能结果表明,在B酸强度更强的H-ZSM-5催化剂上,苯和甲醇甲基化反应更容易发生,反应活化能更低。随着B酸强度增强,分步机理的反应活化能比协同机理的反应活化能降低的更多。B酸强度增强对分步机理更有利。当分步机理成为主导反应路径时,分步机理中甲醇脱水步骤生成的甲氧基中间体进一步生成大体积烃类的副反应会导致H-ZSM-5催化剂因积炭而失活。合理调变H-ZSM-5催化剂的酸强度对提高催化剂的催化活性和稳定性有重要意义。     

H-ZSM-5分子筛催化二甲苯异构化的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)和ONIOM方法, 研究了H-ZSM-5分子筛上二甲苯异构化机理. 描述了中间体物种和过渡态的结构. 反应物吸附和产物脱附对二甲苯异构化的反应趋势有重要影响. 反应活化能的计算结果表明, 在H-ZSM-5分子筛延伸的孔道结构中, 异构化反应沿着生成间二甲苯的方向进行. 但是较高的脱附能使生成的间二甲苯滞留在分子筛孔道中,其进一步异构化生成对二甲苯具有动力学优势. 对二甲苯产物在分子筛孔道的酸中心上可选择性生成. 在H-ZSM-5分子筛外表面, 不受延伸孔道结构的静电限制时, 二甲苯异构化生成间二甲苯产物, 其可以很容易从活性位上脱附. 非选择性异构化降低了对二甲苯的选择性. 因此, 对H-ZSM-5分子筛外表面改性能够抑制二甲苯的非选择性异构化, 因此限制了反应在分子筛孔道中进行, 提高了对二甲苯的选择性. 二甲苯异构化相对反应速率常数的计算结果也表明, 在分子筛外表面上, 生成间二甲苯的异构化反应速率较快. 升高反应温度会降低对二甲苯的选择性.     

H-β和H-MOR分子筛催化甲苯与叔丁醇叔丁基化反应机理:QM/MM研究

本文采用分层计算(own-N-layered integrated molecular orbit+molecular mechanics, ONIOM)和密度泛函理论(DFT)组合的方法,系统地研究了H-β和H-MOR催化甲苯与叔丁醇叔丁基化反应机理.依据结构参数分析和相对自由能结果,考察了沿叔丁基化路径的共吸附复合物和过渡态结构的稳定性,对比研究了分子筛的催化性能.在116T ONIOM2模型中, H-MOR催化甲苯叔丁基化反应的自由能垒更低,证明其催化活性比H-β更好.随着温度从298 K升高为453 K,两种催化剂催化甲苯叔丁基化反应的能垒都降低,说明温度对促进甲苯转化有重要作用.与3-叔丁基甲苯相比, H-β和H-MOR分子筛通过形成更稳定的C4-过渡态结构可以获得非常高的4-叔丁基甲苯选择性.相对反应速率常数的计算结果也表明, 4-叔丁基甲苯为动力学优先生成产物,并且发现H-β对C4位的选择性比H-MOR更高.     

芳香烴烷基化反应中的異构化及空间位阻

1.在以正丙醇及正丁醇为试剂进行对二甲苯及对称三甲苯的烷基化反应中,证明在70—80°及80％硫酸的催化下,伯烷基实际上全部异构化为相应的仲烷基。 2.根据产物中异构体的相对含量,计算在邻二甲苯烷基化时生成1,2,3-异构体与生成1,2,4-异构体两反应活化自由能差(△F(?)—△F(?))。无论所用的试剂为伯醇或仲醇,在75°进行异丙基化时,算得数值为1.2千卡/克分子,仲丁基化时为1.6千卡/克分子;以异丁醇为试剂进行叔丁基化时两反应活化自由能差约为2.9千卡/克分子。 3.文中讨论对二甲苯及对称三甲苯进行叔丁基化时的空间位阻。此外尚列有二甲苯和三甲苯的若干烃基取代物之物理常数。     

金属氧化物改性的HZSM-5上甲苯与甲醇的烷基化反应

 考察了La2O3,MgO以及La2O3-MgO复合改性的HZSM-5催化剂的孔结构、表面酸性和吸附性能,以及它们在甲苯与甲醇烷基化反应中的催化性能. 未经改性的HZSM-5上甲苯甲基化反应产物组成为热力学平衡组成,而改性后的催化剂上目标产物对二甲苯选择性提高,但反应活性下降. La2O3改性使HZSM-5孔径缩小,孔道变窄,强酸和弱酸酸量均降低,目标产物选择性明显提高; MgO主要分布在沸石外表面和孔口,因而MgO改性的HZSM-5孔口尺寸稍有缩小,另外强酸酸量减少,弱酸酸量略有上升,对二甲苯选择性略有提高; 而La2O3-MgO复合改性的催化剂上对二甲苯选择性显著提高,达到93%. 结果表明,反应的对位选择性是孔径和表面酸性同时调变的结果,孔径效应比酸性分布对催化剂的对位选择性影响更大.     

氧化钙室温催化碳酸丙烯酯和甲醇的酯交换合成碳酸二甲酯

 在室温条件下用氧化钙催化碳酸丙烯酯（PC）和甲醇的酯交换反应，高收率、高选择性地合成了碳酸二甲酯（DMC）．在假设羟丙基甲基碳酸酯（HPMC）是反应中间产物的基础上，计算了甲醇、PC和HPMC的电荷分布，并推论出可能的副反应PC的聚合．通过考察反应温度对DMC选择性和收率的影响，证明了关于中间体HPMC和副反应PC聚合的假设．考察了加料顺序、反应温度对DMC生成速率的影响，并在此基础上提出了氧化钙催化PC和甲醇酯交换合成DMC的可能机理．     

邻二甲苯氧化反应动力学的研究

研究了邻二甲苯液相氧化生成邻甲苯甲醇、邻甲苯甲醛、邻甲苯甲酸,邻苯二甲酸、苯甲酸和苯酞等七组份主,付反应动力学。提出了串、并联宏观反应历程。假定它们为一级反应,推导出各组份的反应动力学方程式,并求得各反应的反应速率常数及表观活化能。所得计算值与实验值相符合,使假设机理得以证实。     

HZSM-5催化甲苯和甲醇烷基化反应机理的密度泛函理论研究

对二甲苯(PX)是重要的有机化工原料,主要用于生产对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二甲酯(DMT), PTA和 DMT可经缩聚生产化纤、合成树脂和塑料等聚酯产品. PX主要通过甲苯歧化、二甲苯异构化或甲苯与 C9芳烃烷基转移等方式生产.由于三种二甲苯和乙苯的沸点接近,需要经过吸附分离或深冷分离才能得到高纯度的 PX,传统工艺物料循环量大,设备庞大,操作费用高.而通过甲苯和甲醇烷基化反应直接高选择性生成 PX,可大大降低成本,具有非常高的经济效益和研究价值.自1970年代以来,国内外众多科研院所对甲苯和甲醇烷基化催化剂进行了广泛研究,但催化剂选择性和稳定性仍需进一步提高.为了加深对甲苯和甲醇烷基化反应的认识,指导催化剂开发,有必要对甲苯和甲醇烷基化生成二甲苯的反应机理进行深入研究.当前甲苯和甲醇烷基化机理研究主要存在以下问题：(1)计算得到的能量多为电子能,而非自由能;(2)所采用的模型多为团簇模型,使用 ONIOM方法,对长程作用力描述不充分;(3)认为甲苯只有一种吸附状态;(4)没有考虑偕烷基化反应.本文采用周期性模型,通过密度泛函理论研究了 HZSM-5分子筛上甲苯和甲醇烷基化反应机理,通过计算熵得到了反应自由能,并考虑了偕烷基化反应.由于甲基的存在,在甲苯的吸附态中,甲基会伸向孔道的不同方向,因此我们认为甲苯有多种吸附态,而不同的吸附态会生成不同的二甲苯.结果表明,甲苯可以在对位、间位、邻位和偕位上通过协同机理或分步机理发生烷基化反应.在协同机理中,甲苯在对位、间位、邻位和偕位发生烷基化反应的自由能垒分别为167,138,139和183 kJ/mol.在分步机理中,甲醇脱水生成甲氧基的自由能垒为145 kJ/mol,是决速步骤;而甲苯和甲氧基对位、间位、邻位和偕位烷基化的自由能垒分别为127,105,106和114 kJ/mol.两种机理中 PX的生成能垒均比 MX和 OX高,与文献报道的结果不同.文献均认为, PX的生成能垒最低.一方面这可能是由于所采用模型的不同,本文采用周期性模型,能更充分考虑长程作用力的影响;另一方面可能是由于对甲苯吸附态的不同处理,我们认为甲苯有多种吸附态,不同的吸附态会生成不同的二甲苯,而文献均只考虑了一种甲苯吸附态.但是,在实验中, PX选择性最高.这可能是由于：(1) PX在 HZSM-5孔道的扩散速率比 MX和 OX高2–3个数量级;(2)甲苯和甲醇烷基化生成的 MX和OX迅速发生异构化反应生成 PX,异构化反应速率高于甲苯烷基化速率.两种机理中, C8H11+都是重要的中间物种,它可以反馈一个质子给分子筛骨架,生成二甲苯;也可以脱烷基生成甲烷和乙烯等气相产物.研究发现,甲烷的生成是由于 C8H11+物种中的一个 H质子从苯环上的碳原子转移到甲基上的碳原子造成的,计算得到的对位、间位和邻位 C8H11+生成甲烷的能垒分别为136,132和134 kJ/mol.由于十元环孔道的限制, HZSM-5孔道中很难通过甲苯歧化反应生成苯;偕烷基化生成的碳正离子有可能脱烷基生成乙烯和乙烷等产物,进而生成苯.碳正离子脱烷基反应生成了大量气相产物,造成反应液收降低.碳正离子脱烷基反应与甲醇制烯烃过程的烃池机理相一致,因此甲苯和甲醇烷基化反应也遵循烃池机理.     

甲苯热裂解机理的AM1研究(Ⅱ)动力学分析

在（Ⅰ）报热力学的基础上,本文用Gaussian98程序包中AM1法UHF计算,对碳材料用碳前驱体甲苯热裂解机理进行了动力学研究,通过用QST2方法寻找过渡态并经过内禀反应坐标IRC验证。计算得到了甲苯5种热裂解路径的活化能;用过渡态理论,计算了得到了这些路径在298－1073K温度范围内的速率常数。动力学计算结果表明：甲苯在热解温度低于963K时的主反应路径为甲苯热裂解生成苄基自由基的反应;该主反应路径又是经过由反应物→中间体→产物而完成,速控步为反应物→中间体,速控步的活化能△E^O=E(TS1′）-E（R）=227.20kJ.mol^-1;当温度高于963K或1073K左右时,主反应路径转为苯环上脱甲基生成苯基和甲基自由基的路径。以上研究结果与实验结果相一致。     

Syngas conversion beyond chemical equilibrium by in situ bimolecular reaction

An in situ bimolecular reaction, in which syngas is fed with toluene as a secondary reactant (hereafter Tol in situ methylation), was studied over bifunctional catalysts comprised of methanol synthesis catalyst and H-ZSM-5 in a fixed-bed down-flow reactor at 460 psig. When physically mixed with H-ZSM-5 to form bifunctional catalysts, CrZ_HZ (Cr₂O₃/ZnO + HZSM-5) catalyst showed much higher activity than CZA_HZ (CuO/ZnO/Al₂O₃ + H-ZSM-5) in the Tol in situ methylation, while CrZ catalyst exhibited substantially lower activity than CZA in methanol synthesis. CO conversion to methanol in the Tol in situ methylation was estimated by Bz in situ methylation. The CO conversion to methanol was calculated to be in the range of 11–27 %, while that in methanol synthesis over CrZ was about 5 % at most due to chemical equilibrium limitation. By employing a silicalite-coated H-ZSM-5 (Sil/HZ) in bifunctional catalyst, xylene selectivity and para-xylene yield were much improved in the Tol in situ methylation.     

碘甲烷在碳酸二甲酯直接合成中的作用

Dimethyl carbonate (DMC) is an environmentally friendly compound and a substitutive intermediate for highly toxic phosgene or dimethyl sulfate in carbonylation and methylation reactions as well as a promising octane booster. The common methods for its preparation are the oxidative carbonylation of methanol catalyzed by a variety of transition metal ions and the transesterification of ethylene carbonate or propene carbonate with methanol[1]. The direct synthesis of DMC from carbon dioxide and methanol is a challenging route in which the most abundant carbon resources and a main greenhouse gas is used as feedstock. A new method for the direct synthesis of DMC catalyzed by the methoxide of main group metal has attracted more and more attention since it was reported[2～6] . However the lower conversion of the reaction has become the main obstacle for its application. In this letter, an efficient promoter for the direct synthesis of DMC is reported.     

H-ZSM-5分子筛硅铝比对其催化的甲醇转化丙烯选择性的影响

本研究合成了一系列硅铝比不同（SiO₂/Al₂O₃=50-4000），但晶粒粒径相近的ZSM-5分子筛，并考察了硅铝比对甲醇转化反应丙烯选择性的影响。采用XRD、N₂吸附-脱附、NH₃-TPD和Py-FTIR方法对合成的HZSM-5分子筛进行物化性质表征。实验结果表明，随着硅铝比的增大，初始甲醇转化率降低，其中，硅铝比为50-1600的样品可以实现甲醇的完全转化。在甲醇完全转化的条件下，随着硅铝比的增大，丙烯选择性单调增加，从机理角度出发，揭示了甲醇转化制丙烯反应中，甲基化/裂化循环相较于甲基化/脱烷基化循环进行程度更大。此外，本研究提出了在甲醇完全转化条件下，保证最大丙烯选择性所需要的临界酸密度值（[AS]_S），当甲醇进料量为0.162g/min时，该临界值为0.175μmol/m²。     

Complex Reaction Environments and Competing Reaction Mechanisms in Zeolite Catalysis: Insights from Advanced Molecular Dynamics

The methanol‐to‐olefin process is a showcase example of complex zeolite‐catalyzed chemistry. At real operating conditions, many factors affect the reactivity, such as framework flexibility, adsorption of various guest molecules, and competitive reaction pathways. In this study, the strength of first principle molecular dynamics techniques to capture this complexity is shown by means of two case studies. Firstly, the adsorption behavior of methanol and water in H‐SAPO‐34 at 350 °C is investigated. Hereby an important degree of framework flexibility and proton mobility was observed. Secondly, the methylation of benzene by methanol through a competitive direct and stepwise pathway in the AFI topology was studied. Both case studies clearly show that a first‐principle molecular dynamics approach enables unprecedented insights into zeolite‐catalyzed reactions at the nanometer scale to be obtained.     

微孔/微介孔H-ZSM-5分子筛上甲苯甲醇的烷基化性能

以不同硅铝比的H-ZSM-5分子筛为研究对象,考察了Na OH碱处理、酒石酸处理及Na OH碱处理-酒石酸处理相结合的方法对其物化性能和催化性能的影响.处理前后分子筛的表征结果表明,酸处理和碱处理可通过调变催化剂的酸性和孔道结构影响其催化性能.酸处理对低硅铝比H-ZSM-5的酸性和催化性能影响较大,而碱处理则主要影响高硅铝比分子筛的酸性和催化性能.酸处理和碱处理相结合则能同时调变分子筛的酸性和孔道结构,进而提高其在甲苯甲醇制二甲苯反应中的催化活性.其中,碱处理的高硅铝比H-ZSM-5分子筛表现出最优异的催化活性.     

From CO2 to dimethyl carbonate with dialkyldimethoxystannanes: the key role of monomeric species

The formation of dimethyl carbonate (DMC) from CO(2) and methanol with the dimer [n-Bu(2)Sn(OCH(3))(2)](2) was investigated by experimental kinetics in support of DFT calculations. Under the reaction conditions (357-423 K, 10-20 MPa), identical initial rates are observed with three different reacting mixtures, CO(2)/toluene, supercritical CO(2), and CO(2)/methanol, and are consistent with the formation of monomeric di-n-butyltin(iv) species. An intramolecular mechanism is, therefore, proposed with an Arrhenius activation energy amounting to 104 ± 10 kJ mol(-1) for DMC synthesis. DFT calculations on the [(CH(3))(2)Sn(OCH(3))(2)](2)/CO(2) system show that the exothermic insertion of CO(2) into the Sn-OCH(3) bond occurs by a concerted Lewis acid-base interaction involving the tin center and the oxygen atom of the methoxy ligand. The Gibbs energy diagrams highlight that, under the reaction conditions, the dimer-monomer equilibrium is significantly shifted towards monomeric species, in agreement with the experimental kinetics. Importantly, the two Sn-OCH(3) bonds are prompt to insert CO(2). These results provide new insight into the reaction mechanism and catalyst design to enhance the turnover numbers.