过渡态理论在化学体系中的2个应用实例*

在大学本科一二年级的物理化学教学中,化学动力学章节的学习涉及到对不同时间尺度的认识。本文利用过渡态理论得到的速率常数表达公式,以乙烷分子碳/碳单键旋转和水分子氢键交换的动力学过程为例,对这2个应用实例的动力学过程所发生的时间尺度做出估算。这些时间尺度的估算对于学生理解不同动力学过程的物理图像至关重要,同时也有助于加强学生对重要公式的理解并能够将这些公式在化学体系中灵活运用。     

单分子水对CH_2SH+NO_2反应机理影响的理论研究

在B3LYP/6-311++G(2df,p)水平下对单分子水参与下的CH_2SH+NO_2反应的微观机理进行了研究.为了获得更准确的能量信息,采用HL复合方法和CCSD(T)/aug-ccpvtz方法进行单点能校正.结果表明,加入单分子水后的CH_2SH+NO_2反应体系,共经过10条不同的反应路径,得到6种反应产物.与裸反应(CH_2SH+NO_2)相比,水分子在反应中起到了明显的正催化作用.不仅使生成产物trans-HONO的能垒(-52.84kJ·mol~(-1))降低了176.94kJ·mol~(-1),而且不需经过复杂的重排和异构化过程便可得到产物cis-HONO.在生成产物cis-HONO通道(Path3和Path4)中,活化能垒分别为143.65和126.70kJ·mol~(-1),而其裸反应的活化能垒却高达238.34kJ·mol~(-1).生成HNO_2的通道中(Path5和Path6)活化能垒分别为295.23和-42.19kJ·mol~(-1).其中Path6的无势垒过程使HNO_2也成为该反应的主要产物.另外,单分子水还可通过氢迁移的方式直接参与CH_2SH+NO_2的反应,活化能垒(TS7-TS10)分别为-10.62,151.03,186.22和155.10kJ·mol~(-1).除直接抽氢通道中的(Path8-Path10)外,其余反应通道均为放热反应,在热力学上是可行的.     

[C_2mim][Ala]丙氨酸离子液体水溶液粘滞流动的活化参数

在288.15-328.15 K温度范围内,测量了不同浓度的氨基酸离子液体[C_2mim][Ala]水溶液的密度和粘度,根据J ones-Dole方程得到了较大正值的粘度B系数并且dB/dT0。借助Feakins理论,计算了溶质对溶液粘滞流动活化自由能贡献Δμ_2~(≠0),根据Δμ_2~(≠0)随温度的线性变化,进而得到流动活化熵ΔS_2~(≠0)和活化焓ΔH_2~(≠0);在E yring液体粘度的过渡态理论基础上,提出了预测离子液体[C_2mim][Ala]水溶液粘度的半经验新方法,其预测值与相应的实验值很好的一致。     

三价羰基硫离子(OCS3+)二体解离过程模拟研究

基于Gaussian量子化学模拟软件采用不同基组(6-31G^**和TZVP)下的B3LYP方法对基态三价羰基硫离子(OCS³⁺)的势能曲线进行分析,得到了三价羰基硫离子可能的解离通道.当固定C—O键长为OCS分子的构型键长时(2.1a.u.),通过模拟基态OCS³⁺离子沿着C—S键断裂的势能曲线,发现沿着C—S键的势能曲线是一个具有小势垒的排斥态;相反,当固定C—S键长为OCS分子的构型键长时(2.9a.u.),基态OCS³⁺离子沿着C—O键的势能曲线是一个势垒较大的排斥态,根据弗兰克-康登原理可知,基态OCS³⁺离子倾向于以断裂C—S键的方式进行解离.通过搜索基态OCS³⁺离子过渡态、IRC路径分析进一步确定了基态OCS³⁺离子具体的解离通道：OCS³⁺→CO⁺+S²⁺.最后通过对反应物和产物的Mulliken电荷分布和键长的分析,得到与前面一致的结论.     

单个水分子对HO2+H2S反应主通道影响的理论研究

采用CCSD(T)/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-311+G(2df,2p)方法对HO2+H2S反应及单分子水参与其主通道的微观机理和速率常数进行了研究.结果表明,HO2+H2S反应主通道为生成产物为H2O2+HS的通道,其表观活化能为14.94 kJ/mol.考虑单分子水对主产物通道的影响发现,所得的势能面比无水参与的反应复杂得多,经历了H2O…HO2+H2S(RW1),HO2…H2O+H2S(RW2)和H2O…H2S+HO2(RW3)3个通道,RW1~RW6共6个路径.其中通道RW1是水分子参与HO2+H2S反应主通道的优势通道.在216.7~298.2K温度范围内通道RW1的有效速率常数呈现出正温度系数效应,在298 K时,k’RW 1/ktotal达到54.2%,表明在实际大气环境中水分子对HO2+H2S反应的主通道具有明显影响.     

钴卟啉过氧中间体向环己烷夺氢的密度泛函计算

采用密度泛函理论计算方法模拟了简单钴卟啉过氧中间体PCo-O2与环己烷C6H12的作用,分析了反应路径中各驻点能量和反应过渡态分子构型。研究结果表明,PCo-O2向底物环己烷夺氢的反应可以延正方向进行,二线态PCo-O2更具反应活性,反应过程中Co-O键得到加强,O-O键被削弱。依据理论计算结果,探讨了四苯基钴卟啉催化环己烷氧化生成环己醇和环己酮的反应机理,指出反应延Lyons高价金属氧代物机理生成环己醇,而反应循环中产生的烷基自由基可以延烷基过氧化过渡金属配合物反应机理进行生成环己酮。     

H3反应势能面的构建——计算化学实验设计

介绍一个针对高年级本科生的物理化学探索性实验。通过计算化学手段构建H3反应势能面,使学生初步掌握Gaussian03W,Gaussview5．0和Origin软件的使用,深入理解反应过渡态理论,并进一步了解目前势能面的研究动态。     

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。     

A DFT Study on the Stable Structures and Dissociation Mechanism of C3O6 Cluster

Using geometrical optimization and DFT method at the B3LYP/6-31G (d) level, nineteen equilibrium geometries were identified, and three transition states of dissociation reaction of C3O6 clusters were also found. The vibrational frequencies and intrinsic reaction coordinate (IRC) verification at the same level were computed to verify the transitions. And then we calculated the dissociation energies and analyzed the dissociation channels. The computational results show that the dissociation energies of C3O6 isomers relative to three CO2 are between 1.509 × 103 and 10.61 × 103 kJ·kg-1, and the energy barriers of the reactions are 92.857, 131.138 and 185.793 kJ·mol-1. Both the high dissociation energies and high energy barriers show that C3O6 clusters studied in this paper are stable enough to be used as high-energy-density materials.     

自动化势能面搜索方法新进展

本文简要介绍了势能面搜索的两个主要问题,即过渡态搜索和全局势能面搜索,并针对这两个问题介绍了本研究组最近发展的3种方法,即限制最小化双子算法、偏置势函数辅助限制性最小化双子算法以及势能面随机行走方法．这3种方法均只需计算一阶梯度,能够用于快速自动化的搜索过渡态以及势能面．通过几个典型例子分别说明了3种方法的特点及优势．