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。     

Pu-H2体系从头算分子动力学的研究

本文应用Gaussian09程序,通过密度泛函理论的相关方法,对钚-氢气体系进行了计算和分析。计算得到了钚与氢气的沿势能剖面的各个特殊点的几何结构。通过约化密度梯度分析方法分析了反应路径中的所有特殊结构的化学键的性质。通过从头算分子动力学的计算,由直接经典轨迹的计算结果得到了反应体系的几何结构、能量随时间的变化,并分析得到体系的大部分能量转化为反应产物的振动能。     

NH3与BeH2反应机理的密度泛函理论研究

金属-N-H体系储氢材料在放氢反应过程中往往伴随着NH_3的释放,且NH_3会对材料的储放氢性能产生重要影响.采用密度泛函理论当中的杂化密度泛函(B3LYP)方法,6-311G(d,p)基组水平上对NH_3与BeH_2的微观反应机理进行了理论计算分析,对得到的中间体和过渡态进行频率计算和内禀反应坐标(IRC)分析,以判断中间体和过渡态的正确性和相互连接关系.使用QCISD方法在6-311G(d,p)基组水平对各驻点的单点能进行计算,给出能量信息.计算结果表明:BeH_2与NH_3主要以摩尔比为1:2进行反应,分两步氢取代过程,生成产物Be(NH_2)_2和2H_2.反应所释放的H_2中两个H原子分别来源于BeH_2和NH_3,反应的关键是脱氢,主要在于克服N—H键断裂所需能量.相比较而言从NH_3中脱氢比从—NH_2中脱氢较易.     

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.     

2-[（4-氯苯基亚氨基）甲基]-8-羟基喹啉质子转移的理论研究

研究了2-[（4-氯苯基亚氨基）甲基]-8-羟基喹啉的三种质子转移途径：分子内质子转移、水分子辅助质子转移和甲醇分子辅助质子转移.以该席夫碱化合物的晶体结构作为模型,在B3LYP/6-31＋G（d）水平上,优化得到稳定态和过渡态的几何构型.对三类质子转移前后的结构、能量、红外光谱、化学位移进行研究,结果表明水分子辅助质...     

HNCX(X=O,S)和F反应机理及电子密度拓扑分析

采用G383//B3LYP/6-311++G(d,p)方法研究了HNCX(X=O,S)与F原子的反应机理.找到了六条可能的反应通道,计算结果表明,该反应的主产物为HF+NCX(X=O,S).对反应过程进行了电子密度拓扑分析,讨论了反应过程中化学键的断裂和生成规律,找到了HNCX(X=O,S)和F反应过程中的T型结构过渡...     

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。     

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.     

炔丙型硫Ylide环丙烷化反应及其立体选择性

炔丙型硫Ylide与丙烯酸酯的反应是一个多反应竞争的复杂反应, 通常环丙烷化产物收率很低. 本文通过对反应底物的优化, 成功获得了高收率、高选择性的反式环丙烷化产物. 同时利用Gaussian 03程序, 选择密度泛函BHHLYP方法, 6-31G**基组对反应路径及过渡态模型进行了计算, 进而采用密度泛函理论中的B3LYP方法, 选择6-31G**基组, 对顺、反式产物的热稳定性进行了分析, 明确了该反应的高非对映选择性是由过渡态的能量差异和产物的热稳定性两个因素共同决定的, 而过渡态的能量差异可以归于分子内弱的立体电子效应的不同.