分子动力学模拟冲击波加载下CL-20/BTF共晶的分解

本文采用Reax FF-lg分子反应性力场研究了六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和苯并三氧化呋咱(BTF)形成的共晶在冲击波加载下的反应情况。结果发现:冲击波速度为Us=9 km·s-1时,含能分子快速分解。冲击加载在不同方向上时,分解速率不同,冲击波沿X轴方向时分解最快。反应早期主要是N-NO2键的断裂,生成NO2。较大分子质量的团簇会出现在反应前期,随着反应的进行团簇数量增加。整个模拟过程中,主要产物N2的数目有较大波动,28 ps达最大值。冲击波速度对反应后期的影响较小。     

S→N烷基重排反应的机理和溶剂化效应

采用密度泛函理论的B3LYP方法、从头算的MP2方法和自洽反应场极化连续模型(PCM),在6-311++G(2d,2p)基组水平上研究了N,N’-二甲基-S-异苯并呋喃在气相和溶液中发生S→N烷基重排反应的机理、溶剂效应和取代基效应.结果表明:该反应通过四元环机理和双位迁移机理生成产物,在气相和溶剂水中,双位迁移途径的能垒均比四元环途径低,反应主要通过双位迁移途径生成产物.在气相,苯环上发生-Cl,-NO2和-OCH3取代时,双位迁移途径的能垒在MP2/6-311++G(2d,2p)水平上比没有取代时分别低4.18,7.61,4.96kJ/mol,反应的取代基效应不明显.而在溶剂水中,苯环上发生-Cl,-NO2和-OCH3取代时,双位迁移途径的能垒在PCM-MP2/6-311++G(2d,2p)水平上比气相时分别低37.73,39.96和37.17kJ/mol,反应的溶剂化效应非常明显.理论研究结果与实验观察结果一致.     

AuClx (x=1, 3)催化2-炔丙基苯酮与苯炔环化反应机理

对金属元素Au采用LanL2DZ基组,对非金属元素C,H,O,Cl采用6-31G*和6-311++G**基组,用密度泛函理论的B3LYP、B3PW91、UB3LYP方法和二阶微扰理论MP2方法研究了不同氧化态的金催化剂催化2-炔丙基苯酮与苯炔环化反应的机理.结果表明:在AuCl和AuCl3的作用下,反应均能通过[4+2]和[3+2]途径生成产物.但在AuCl催化下,[4+2]反应途径比[3+2]反应途径具有更低的活化自由能,反应主要通过[4+2]途径进行;而在AuCl3催化下,[4+2]反应途径与[3+2]反应途径的活化自由能相近,反应通过两条途径竞争生成产物.比较AuCl和AuCl3的催化效果发现,不同氧化态的金催化剂改变了反应的机理,该反应的活化自由能在AuCl作用下比在AuCl3作用下低11.18 kJ·mol-1.对于该反应,AuCl表现出了更好的催化活性.这些计算结果和实验现象相吻合.     

AuCl3催化炔酮分子内环化反应的机理

采用密度泛函理论的B3LYP方法研究炔酮发生分子内环化生成菲衍生物的反应机理.结果表明：在无催化剂和AuCl₃催化剂作用下,反应均可通过[2+2]和[6+2]途径生成产物.无催化剂时,两条途径控制步骤的能垒都较高,但是[2+2]途径的能垒比[6+2]途径的低32.01 kJ·mol^-1,故反应主要通过[2+2]途径进行.在AuCl₃催化作用下,反应的优势途径为[2+2]途径,其能垒为137.05 kJ·mol^-1.比较活化能发现,AuCl₃催化剂明显地降低了反应能垒,使反应能够顺利进行.     

FeCl3催化2-(1-丙炔基)-2’-乙酰基联苯环化反应的机理研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法研究了2-(1-丙炔基)-2’-乙酰基联苯分子内环化生成菲衍生物的反应机理。结果表明,该反应在无催化剂和FeCl3催化下均能通过四元环和八元环路径生成产物,其相应的决速步骤分别为四元环和八元环的生成过程。在无催化剂时,四元环路径和八元环路径的决速步骤的能垒相差仅6.8kJ·mol-1,两条路径为竞争反应。在FeCl3催化下,四元环路径决速步骤的能垒为137.52 kJ·mol-1,比八元环路径的低57.4 kJ·mol-1,为优势反应路径。该能垒比没有催化剂时低114.23 kJ·mol-1,表明FeCl3对于该反应具有强的催化作用,能够有效地提高反应速率,使反应在温和的条件下进行。     

2-(2-甲基烯丙基)-3-(3-甲基-1,2-丁二烯基)环己-2-烯酮重排生成八元环化合物反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31G(d,p)方法研究了2-(2-甲基丙烯基)-3-(3-甲基-1,2-丁二烯基)环己-2-烯酮重排生成八元环化合物在气相中的反应机理. 考虑了两条可能的反应途径: 途径1包含5个过程, 途径2包含两个过程. 从能量上看, 两条途径的决定速度步均是[1,5]氢迁移. 采用自洽反应场极化连续模型(PCM模型)和极化导体模型(CPCM模型)研究了反应体系在甲苯溶液中的溶剂效应. 结果表明, 气相和溶液中途径2均是较优途径, 并且甲苯对该反应的溶剂化效应不明显. 理论研究结果与实验观察结果一致, 并很好地解释了有关实验现象.     

H2CCF自由基与HNCO反应机理的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法, 在6-311＋＋G(d,p)基组水平上研究了H₂CCF自由基与HNCO的微观反应机理, 优化了反应过程中的反应物、中间体、过渡态和产物, 为了获得更精确的能量信息, 还在QCISD(T)/6-311＋＋G(d,p)基组水平上计算了各物质的能量．振动分析结果和IRC分析结果证实了中间体和过渡态的真实性, 计算所得的成键临界点电荷密度的变化也确认了反应过程．对于H₂CCF自由基与HNCO反应, 我们找到了六条可行的反应通道, 结果分析表明通道H₂CCF＋HNCO→IM3→TS5→H₂CCFH＋NCO控制步骤活化能最低, 是该反应的主要通道, 在此反应过程中有稳定的氢键复合物IM3生成, 还表现出氢原子迁移的反应特征．     

AuCl_3催化2-丙炔基-苯胺和丙炔反应机理的研究

采用密度泛函理论方法B3PW91研究了AuCl3催化剂作用下2-丙炔基-苯胺和丙炔环加成生成吲哚衍生物的反应机理。研究结果表明,吲哚衍生物的生成需要经过六个步骤,其中氢迁移过程具有最高的活化自由能为214.22 kJ/mol,是反应的速率控制步骤。整个反应是强放热的,AuCl3催化下反应能够顺利进行,而且AuCl3易于从产物上离去,所以,对于该反应AuCl3是一种有效的催化剂。     

FeCl3催化2-(1-丙炔基)-2’-乙酰基联苯环化反应的机理研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法研究了2-(1-丙炔基)-2’-乙酰基联苯分子内环化生成菲衍生物的反应机理。结果表明,该反应在无催化剂和FeCl3催化下均能通过四元环和八元环路径生成产物,其相应的决速步骤分别为四元环和八元环的生成过程。在无催化剂时,四元环路径和八元环路径的决速步骤的能垒相差仅6.8kJ·mol-1,两条路径为竞争反应。在FeCl3催化下,四元环路径决速步骤的能垒为137.52 kJ·mol-1,比八元环路径的低57.4 kJ·mol-1,为优势反应路径。该能垒比没有催化剂时低114.23 kJ·mol-1,表明FeCl3对于该反应具有强的催化作用,能够有效地提高反应速率,使反应在温和的条件下进行。     

N2在页岩干酪根上的吸附特征

采用密度泛函理论的wB97XD方法、RDG函数方法和counterpoise correction理论,研究氮气在干酪根C₂₈H₁₄O和氮掺杂干酪根C₂₇H₁₄ON上的吸附特征。结果表明：N₂在干酪根上的活性吸附位点为苯环上方中心位置,吸附能在8~10 kJ·mol^-1之间,N₂和干酪根之间的相互作用主要是范德华相互作用和空间排斥作用。氮掺杂改变了干酪根的构型和电子云分布,导致含氮杂环不再是稳定的活性吸附位点,增强了排斥作用,使吸附能略有减小。研究结果对理解干酪根吸附小分子的特征有重要意义,能够为页岩气的开采提供理论支持。