铂催化2-烯炔苯甲醛水合环化反应的机理及化学选择性的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的计算方法, 研究了铂催化2-烯炔基苯甲醛水合环化反应的微观机理及化学选择性的根源. 计算结果表明, 首先炔基被催化活化而发生亲核环化生成吡喃铂中间体; 接着吡喃铂中间体与烯烃双键发生[3+2]环加成生成铂-碳卡宾复合物; 之后, 反应将沿2条路径进行, 得到产物3a或4a, 其中4a的生成需经两步水分子辅助的质子转移过程. 生成产物3a需要克服的活化能垒为146.5 kJ/mol; 对4a的生成, 烯醇式和酮式互变异构是决速步聚, 当一个水分子参与反应时, 对应的能垒为185.8 kJ/mol, 当2个和3个水分子参与反应时, 能垒分别降低到128.1和64.9 kJ/mol. 因此, 水分子参与催化得到产物4a的路径是有利的. 另外, 反应的选择性与在异构化过程中水的共催化作用有关. 以上结果很好地解释了实验现象, 并为铂催化水环化反应提供新的见解.     

二氢硫辛酸抗氧化性机理的理论研究

分别在B3LYP/6-31G(d,p)和B3LYP/6-311++G(d,p)水平下,对二氢硫辛酸及可能的解离途径中形成的自由基进行结构优化,采用S—H键解离焓(EBD)和分子的电离势(EIP)为理论指标,探讨了二氢硫辛酸可能的抗氧化性机理,并研究了溶剂(水和苯)效应的影响.结果表明,C(1)上S—H断裂形成的自由基b较易形成;以EBD和EIP为理论指标,可以较好的说明分子的抗氧化性及溶剂效应对抗氧化性的影响.随着溶剂的极性增加,EBD变化较小,而EIP则显著减小,表明溶剂效应对清除自由基的电子转移反应机理影响更大.分子最高占据轨道HOMO能级顺序与EIP数值所预测的抗氧化性顺序一致.     

气相中La催化乙烯脱氢及C-C键耦合的理论研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法研究了气相中过渡金属La在二、四重态势能面上催化C2H4的反应机理。全参数优化了二、四重态势能面上各个驻点的几何构型,同时对过渡态进行了频率分析,使用内禀反应坐标（IRC）方法验证了过渡态的准确性,通过AIM理论和NBO分析方法对主要的驻点进行了键分析,并对2IM1、2IM3进行了态密度分析。结果表明：La与C2H4的反应存在两种可能的路径,反应在二重态势能面上进行且均为放热反应。键分析表明初始复合物中La与C2H4分子之间为共价作用。     

钯催化氧化N—H键羰基化反应合成1,3,4⁃噁二唑⁃2(3H)⁃酮杂环化合物机理的理论研究

通过密度泛函理论(DFT)研究了钯催化氧化N—H键羰基化反应合成1,3,4-噁二唑-2(3H)-酮杂环化合物的反应机理. 计算结果表明, 这一反应的催化循环包含N1—H活化、 羰基插入、 N2—H活化和还原消除4个阶段. 反应首先通过协同金属化/去质子化机理活化N1—H键, 然后羰基插入Pd—N1键生成稳定的六元金属环中间体, 随后通过一步反应直接发生N2—H键活化, 最后还原消除. 其中, 羰基插入是整个催化循环的决速步骤, 能垒为102.0 kJ/mol. 研究了配体效应和取代基效应, 其结果与已有的实验结果一致.     

Ir(III)螯合物催化醚的硅氢化反应中负氢来源的机理研究

采用DFT方法对Ir（Ⅲ）螯合物催化乙醚硅氢化生成乙烷和乙基硅醚的反应展开理论研究.反应中[H-Ir-H],[H-Ir-Si],[Ir（HSiEt₃）]和[Et₃Si-Ir-（H）₃]化合物均为可能的负氢来源.理论研究表明[H-Ir-H]化合物是最优势的负氢来源.通过扭曲-相互作用能分析,发现其他三种可能的负氢来源不优势的原因在于HSiEt₃或SiEt₃基团对铱中心的络合.更为重要的,我们发现[H-Ir-H]化合物中适中的Ir-H键解离能,小位阻以及SiEt₃对醚的络合而产生的促进作用共同使得[H-Ir-H]化合物上的负氢转移相对优势.     

Mn(I)催化亚胺和炔烃脱氢偶联反应的机理研究

近年来随着过渡金属催化剂的发展和广泛使用, C—H键的活化成为了有机合成中的一大热点, 尤其是在构建有机化合物C—C键中应用广泛. 作为一种储量较大的廉价催化剂, Mn催化的C—H活化表现出巨大的应用价值和研究潜力. 我们采用密度泛函理论(DFT), 对1,4-二氧六环溶液中Mn活化C—H/N—H键实现[4+2]脱氢环化的反应机理进行了系统的研究. 我们发现该反应的催化循环包括溴负离子辅助的催化剂引发、炔烃的插入、双键迁移成环、β-H消除释放产物异喹啉以及催化脱氢循环的C—H键活化等步骤. 旨在深入理解Mn(I)活化C—H键脱氢气的具体过程, 为更多Mn催化的C—H活化反应提供理论依据.     

过渡金属离子与烷烃反应机理的理论研究──镍离子(2D)与丙烷反应中氢分子的还原消除机理

以Ni⁺与C₃H₈反应作为过渡金属离子与烷烃反应的范例体系,用B₃LYP密度泛函方法计算了[Ni,C₃,H₈]⁺基态势能面上各驻点的构型、频率和能量,结果表明,该反应的H₂分子消除需经历两个基元步骤,即Ni⁺首先插入一级或二级C-H键,然后经H转移过渡态异构化为较稳定的中间体,继而解离产生H₂分子.计算的反应热为142.28kJ/mol,与相应的实验值(127.85kJ/mol)符合较好.     

电催化析氢反应中的氢溢流效应

电解水制氢技术碳排放量低、能量利用率高、所得氢气纯度高,在多数制氢技术中具有显著优势,业已成为学术界和工业界的研究热点。其中,电催化析氢反应（HER）处于核心地位,常涉及多步氢转移过程和多个活性位点共同参与的情况。然而,这些活性位点之间的催化关联和潜在的氢溢流效应常被忽视。本文回顾了过渡金属氧化物、磷化物和硫化物等的电催化体系的析氢性能和反应机制;结合传统热催化理论,将参与氢溢流的活性位点抽象总结为初级和次级活性位点,并明晰了它们的催化关联和功能差异;本文将不仅为高效廉价析氢电催化剂的创制提供一种设计理念,也为进一步研究涉氢电催化反应中的氢转移行为提供参考。     

过亚硝酸异构化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过亚硝酸在水溶液中的异构化反应机理。在 B3LYP/6-31G水平基础上用梯度解析技术全自由度优化了反应物、产物和反应途径 中的中间产物及过渡态的几何构型，并通过振动频率分析加以确认，进行了内禀反 应坐标计算，确定了该反应的可能通道。结果表明：该反应为多通道强放热反应， 其中以羟基直接转移途经能垒最小，绝对反应速率常数值最大，因此，推测该通道 为主要的反应通道。     

中性水杨醛亚胺镍催化烯烃聚合反应链引发机理的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT),以乙烯为模型,在B3LYP/LANL2MB水平上研究了中性水杨醛亚胺镍催化烯烃聚合反应链引发机理.通过几何构型全优化,得到了链引发阶段的反应物、产物、中间体和过渡态的最可几构型.由于该催化剂中,与中心原子N i相联接的配体不对称性,使得反应存在两条可能路径(路径A甲基位于N i—O键的对位,路径B甲基位于N i—N键的对位).分别对这两条路径进行了分析和比较.结果表明反应并不只是简单地按一条路径进行,而是通过相互竞争,最终使反应在两条路径间转换,形成一条在能量上最为有利的反应途径.     

DFT Studies on Hydrogen Overfall Mechanism for Catalyzed Hydroisomerization of Pentane

The mechanism and related reaction paths in the hydroisomerization of n-pentane were studied by DFT calculations at the B3LYP/6-311++G** level. Two possible transition states were theoretically predicted and verified by the vibration frequency analysis as well as the calculations of intrinsic reaction coordinates (IRC). Furthermore, the related reaction barriers were evaluated by single point energy at the MP2/6-311++G** level with zero point vibration correction of DFT method. Thus, it is concluded that the isomerization might go through two pathways.     

SiHCl3-H2气相外延生长Si单晶反应机理的理论研究

采用密度泛函理论计算方法, 在B3LYP/6-311G*水平下, 计算并得到了SiHCl3与H2反应各反应通道上各驻点的构型、振动频率和能量. 结果表明, 在气相中SiHCl3分解的通道d和SiHCl3与H2反应的通道c为竞争反应, 但其均未还原出Si原子, 只有衬底Si参与SiHCl3-H2的反应, Si原子才淀积在Si衬底上.     

Au(111)面上噻吩加氢脱硫反应机理的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了噻吩在Au(111)面上的吸附模式, 并探讨了其在Au(111)面上可能的加氢脱硫反应机理, 对不同机理下各个基元反应的过渡态进行了筛选, 得到了各个步骤的能量变化及所需活化能.计算结果表明, 噻吩在Au(111)面上以S端倾斜吸附在Top位时最稳定.直接脱硫机理表明, 其所需活化能较低, 升高温度有利于提高脱硫反应产率, 但脱硫产物较难控制; 间接脱硫机理表明, 脱硫反应最可能按照加氢异构方式进行, 降低温度有利于脱硫反应产率的提高.随着反应的进行, 噻吩环中的C—S键键长逐渐增大, 键能逐渐减小, 有利于C—S键断裂, 具体步骤为:(1) C₄H₄S+H₂α,α-C₄H₆S; (2) α,α-C₄H₆S+H₂C₄H₈S; (3) C₄H₈S+H₂C₄H₁₀+S, 其中S原子的脱去步骤所需活化能最高, 为反应的限速步骤.     

开环茂金属成环及氢分子消除反应机理的理论研究

采用密度泛函方法(DFT)在M06-2X/def2-TZVPP//B3LYP/def2-TZVPP+ZPE水平下, 对以开环的(η⁵-C₅H₇)₂Ru为前驱体生成闭环(η⁵-C₅H₅)₂Ru的各种可能的反应路径进行了详细的研究. 最终确定其反应机理为: (η⁵-C₅H₇)₂Ru的一个η⁵-C₅H₇发生端碳成键的成环反应形成(η³-C₅H₇)Ru(η⁵-C₅H₇), 经过两步氢原子迁移到Ru原子上, 之后脱掉一个氢气分子形成(η⁵-C₅H₅)Ru(η⁵-C₅H₇), 而后另一个η⁵-C₅H₇再重复成环并进行两步氢迁移以及氢气分子消除而得到最终的产物(η⁵-C₅H₅)₂Ru.     

Pd催化甲醇裂解制氢的反应机理

基于密度泛函理论(DFT), 研究了甲醇在Pd(111)面上首先发生O—H键断裂的反应历程(CH3OH(s)→CH3O(s)+H(s)→CH2O(s)+2H(s)→CHO(s)+3H(s)→CO(s)+4H(s)). 优化了裂解过程中各反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型, 获得了反应路径上各物种的吸附能及各基元反应的活化能数据. 另外, 对甲醇发生C—O键断裂生成CH3(s)和OH(s)的分解过程也进行了模拟计算. 计算结果表明, O—H键的断裂(活化能为103.1 kJ·mol-1)比C—O键的断裂(活化能为249.3 kJ·mol-1)更容易; 甲醇在Pd(111)面上裂解的主要反应历程是: 甲醇首先发生O—H键的断裂, 生成甲氧基中间体(CH3O(s)), 然后甲氧基中间体再逐步脱氢生成CO(s)和H(s). 甲醇发生O—H键断裂的活化能为103.1 kJ·mol-1, 甲氧基上脱氢的活化能为106.7 kJ·mol-1, 两者均有可能是整个裂解反应的速控步骤.     

乙醇醛光解离机理的理论研究

采用多参考态方法, 在CASPT2//CASSCF/6-311+G(2df, 2p) 水平上计算了乙醇醛(HOCH2CHO)分子在三个最低电子态(S0、S1和T1)上驻点的电子结构和解离势能面。结合势能面交叉点,探讨了HOCH2CHO与波长有关的光解离机理,分析了可能的光解离产物。结果表明, 在实验光解波长240 – 400 nm的激发下,HOCH2CHO分子主要发生S1态上的解离反应或通过S0和S1态之间的振动相互作用驰豫到基态,随之发生基态解离反应。C-C键断裂生成基态光解产物HOCH2 (2A′)+ HCO (2A′)是最主要的反应途径;而在一定波长下,生成CH3OH + CO的基态协同反应、脱醛基氢及脱羟基通道都是能量上可行的反应途径。本文的计算结果和实验观察一致。     

Theoretical Studies on Reaction Mechanisms of HNCS with NH (X3∑)

The reaction mechanisms of HNCS with NH(X3∑) were theoretically investigated. The minimum energy paths (MEP) of the reaction were calculated by using the density functional theory(DFT) at the B3LYP/6-311 G** level. The equilibrium structural parameters, the harmonic vibrational frequencies, the total energies, and the zeropoint energies(ZPE) of all the species were calculated. The single-point energies along the MEP were further refined at the QCISD(T)/6-311 G** level. It was found that the mechanisms of the HNCS NH(X3∑) reaction involve two channels producing the HNC HNS and the N2H2 CS products. Channel 1 plays a dominant role and the HNC HNS are the main products. The reaction is exothermic.     

分子筛催化剂上正十六烷的临氢异构化反应

 对分子筛催化剂上正十六烷的临氢异构化反应进行了研究，考察了不同分子筛催化剂的活性和选择性，并对临氢异构化反应的产物分布进行了分析．在此基础上，对正十六烷的临氢异构化反应机理进行了初步探讨．结果表明，正十六烷在中孔分子筛催化剂上的临氢异构化反应主要在分子筛外表面和孔口进行，分子筛的择形作用对异构选择性的影响有限．这与一般情况下低分子量正构烷烃在择形分子筛上的临氢异构化反应有所不同．临氢异构化反应的异构选择性主要取决于催化剂酸性组分的酸性质，弱酸和中等强度的酸对异构化反应有利，而催化剂的活性则由酸性组分中B酸中心的数量和加氢组分的活性共同决定．     

硫代双烯酮二聚反应机理的理论研究

利用HF／6－31G*及半经验分子轨道AM1法,研究了硫代双烯酮及双三氟甲基硫代双烯酮二聚反应的反应机理,采用Berny梯度法优化得到反应的过渡态,并进行了振动分析确认,计算结果表明：（1）所有的二聚反应均是按照非同步的协同途径,经过扭曲的四元环过渡态进行的;（2）硫代双烯酮的二聚反应,三种可能的二聚方式中,生成对称四元杂环产物的二聚反应的活化焓最高;（3）双三氟甲基硫代双烯酮的二聚反应,生成对称四元杂环产物的二聚方式其活化焓比另外两种二聚方式的活化焓要低得多,这与实验中只观察到生成对称四元杂环产物的结果是一致的。