CN自由基与乙烯酮反应机理的理论研究

采用B3LYP和QCISD(T)方法计算得到了CN自由基与乙烯酮(CH2CO)双分子单碰撞反应势能面.结果表明,CN自由基与CH2CO的单碰撞反应存在三个最可能的反应通道.一是CN中C原子进攻CH2CO中亚甲基碳原子生成中间体NCCH2CO,然后中间体NCCH2CO中和—CO基团相接的C—C键断裂得到产物CH2CN CO;二是CN与CH2CO分子直接加成生成中间体CH2C(O)CN,然后这个中间体通过—CN基团的转移异构化到中间体NCCH2CO,进而通过第一条通道得到产物CH2CN CO;三是CN自由基直接从CH2CO中夺氢的氢迁移反应,由于存在一个15.44 kJ/mol的反应势垒及产物的能量较高,这个通道在整体反应动力学里是可以忽略的.目前的理论计算结果与实验结果符合,并有效地解释了此反应的具体机理过程.     

CH2SH与NO2双自由基反应机理的理论研究

在B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)水平上优化了标题反应驻点物种的几何构型, 并在相同水平上通过频率计算和内禀反应坐标(IRC)分析对过渡态结构及连接性进行了验证. 采用双水平计算方法HL//B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)对所有驻点及部分选择点进行了单点能校正, 构建了CH2SH＋NO2反应体系的单重态反应势能剖面. 研究结果表明, CH2SH与NO2反应体系存在4条主要反应通道, 两个自由基中的C与N首先进行单重态耦合, 形成稳定的中间体HSCH2NO2 (a). 中间体a经过C—N键断裂和H(1)—O(2)形成过程生成主要产物P1 (CH2S＋trans-HONO), 此过程需克服124.1 kJ•mol－1的能垒. 中间体a也可以经过C—N键断裂及C—O键形成转化为中间体HSCH2ONO (b), 此过程的能垒高达238.34 kJ•mol－1. b再经过一系列的重排异构转化得到产物P2 (CH2S＋cis-HONO), P3 (CH2S＋HNO2)和P4 (SCH2OH＋NO). 所有通道均为放热反应, 反应能分别为－150.37, －148.53, －114.42和－131.56 kJ•mol－1. 标题反应主通道R→a→TSa/P1→P1的表观活化能为－91.82 kJ•mol－1, 此通道在200～3000 K温度区间内表观反应速率常数三参数表达式为kCVT/SCT＝8.3×10－40T4.4 exp(12789.3/T) cm3•molecule－1•s－1.     

氧负离子自由基与乙烯反应机理的计算研究

在G3MP2B3理论水平下研究了氧负离子自由基(O^－)与乙烯(C₂H₄)的反应机理. 计算结果表明, O^－与C₂H₄经碰撞快速复合形成离子诱导偶极络合物中间体, 然后经历异构化、解离生成各种产物, 分别对应分子离子异构解离与复合电子剥离反应通道. 通过比较各个反应途径上势垒的相对高度, 发现主要产物通道为复合电子剥离通道, 相应的中性产物主要为c-C₂H₄O; 而分子离子解离通道的通道分支比较小, 其中生成水反应通道相应的阴离子产物主要是CH₂＝C^－. 当前的计算证实了以往实验观察的结论.     

CH2SH与NO2双自由基反应机理的理论研究

在B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)水平上优化了标题反应驻点物种的几何构型, 并在相同水平上通过频率计算和内禀反应坐标(IRC)分析对过渡态结构及连接性进行了验证. 采用双水平计算方法HL//B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)对所有驻点及部分选择点进行了单点能校正, 构建了CH2SH＋NO2反应体系的单重态反应势能剖面. 研究结果表明, CH2SH与NO2反应体系存在4条主要反应通道, 两个自由基中的C与N首先进行单重态耦合, 形成稳定的中间体HSCH2NO2 (a). 中间体a经过C—N键断裂和H(1)—O(2)形成过程生成主要产物P1 (CH2S＋trans-HONO), 此过程需克服124.1 kJ•mol－1的能垒. 中间体a也可以经过C—N键断裂及C—O键形成转化为中间体HSCH2ONO (b), 此过程的能垒高达238.34 kJ•mol－1. b再经过一系列的重排异构转化得到产物P2 (CH2S＋cis-HONO), P3 (CH2S＋HNO2)和P4 (SCH2OH＋NO). 所有通道均为放热反应, 反应能分别为－150.37, －148.53, －114.42和－131.56 kJ•mol－1. 标题反应主通道R→a→TSa/P1→P1的表观活化能为－91.82 kJ•mol－1, 此通道在200～3000 K温度区间内表观反应速率常数三参数表达式为kCVT/SCT＝8.3×10－40T4.4 exp(12789.3/T) cm3•molecule－1•s－1.     

CH3＋HNCO反应机理的理论研究

在6-311＋＋G**基组水平上,采用UMP2方法对自由基CH3与HNCO反应机理进行了研究，全参数优化了反应通道上各驻点的几何构型.结果表明, 自由基CH3与HNCO分子间反应有三条反应通道,第一为CH3与HNCO分子间经过生成一个稳定化能为4.56 kJ•mol－1的含氢键的分子复合物M后，经过渡态TS生成另一个产物复合物M′，然后分解为甲烷和NCO自由基；第二是CH3与HNCO分子间通过生成稳定反式中间体trans-int，其经过渡态trans-ts分解成产物CH3NH和CO；第三是CH3与HNCO分子间通过生成稳定顺式中间体cis-int，其经过渡态cis-ts分解成产物CH3NH和CO.比较三条反应通道的反应活化能，表明CH3与HNCO反应较易生成CH4＋NCO.     

CH_2CO+CH_2的多通道反应的理论研究

利用密度泛函(DFT)和自然键轨道理论(NBO)及高级电子耦合簇[CCSD(T)]和电子密度拓扑(AIM)方法,对单重态和三重态CH2与CH2CO反应的微观机理进行了研究.在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上优化了反应通道各驻点的几何构型.在CCSD(T)/6-311+G(d,p)水平上计算了各物种的单点能量,并对总能量进行了校正.计算表明,单重态CH2与CH2CO的C-H键可发生插入反应,与C=C、C=O可发生加成反应,存在三条反应通道,产物为CO和C2H4,从能量变化和反应速控步骤能垒两方面考虑,反应II更容易发生.对反应通道中的关键点进行了自然键轨道及电子密度拓扑分析.三重态CH2与CH2CO的反应存在三条反应通道,一条是与C-H键的插入反应,另一条是三重态CH2与C=C发生加成反应,产物为CO和三重态C2H4,通道II势垒较低,更容易发生.最后一条涉及双自由基的反应活化能最大,最难发生.     

气相质子转移反应中热化学和动力学的关系

质子键合的分子簇的离子－分子反应中的热化学和动力学关系的考察结果表明：对于非烷基锁闭的分子簇,如（C2H5OH）nH＋（5＝1-3）和（CH3OH）3H＋;与中性碱B的质子转移反应,属快速反应,其反应效率r是由总反应的自由能变化△γGm控制,而与反应过渡态的本质无关。那些反应可能存在两个中间体,因电子转移导致质子从分子簇内部转移到中性碱,进而导致二个或三个溶剂分子的直接蒸发;烷基锁闭的质子键合的二聚体,如（CH3CN）2H＋,（CH3OCH3）2H＋,（CH3COCH3）2H＋和（C3COOCH3）2H＋,与中性碱的质子转移反应,其效率远小于1;与总反应的△γGm无关     

CH3SS与OH自由基反应机理的理论研究

应用密度泛函理论(DFT)对CH3SS与OH自由基单重态反应机理进行了研究.在B3PW91/6-311+G(d,p)水平上优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法对过渡态进行了验证.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)水平上计算了各物种的单点能,并对总能量进行了零点能校正.研究结果表明,CH3SS与OH反应为多通道反应,有5条可能的反应通道.反应物首先通过不同的S—O键相互作用形成具有竞争反应机理的中间体IM1和IM2.再经过氢迁移、脱氢和裂解等机理得到主要产物P1(CH2SS+H2O),次要产物P2(CH2S+HSOH),P3(CH3SH+1SO)和P4(CH2SSO+H2),其中最低反应通道的势垒为174.6kJ.mol-1.     

模拟含双锌核的甲烷单加氧酶催化甲烷和乙烷羟基化理论研究

采用密度泛函B3LYP方法,研究含双锌核的甲烷单加氧酶催化底物CH3X (X=H,CH3) 羟基化的反应机理.用cis-(HCOO)(C3N2H4)Zn2(μ-O)2(COOH)(C3N2H4)(其中C3N2H4＝咪唑)模拟双锌核甲烷单加氧酶中的关键化合物Q.研究表明,反应通过自由基回弹机理发生.首先,底物CH3X (X=H,CH3)与Q中的一个桥形氧发生相互作用生成分子复合物QCH3X.然后,Q中的一个桥形氧进一步夺取底物中的氢原子,生成QH和XCH2双自由基.这两种双自由基很容易结合生成醇类分子复合物PXCH2OH,其中P= cis-(HCOO)(C3N2H4)Zn(μ-O)Zn(COOH)(C3N2H4).最后,分子复合物PXCH2OH脱去羟基化合物XCH2OH生成P.在298.15K和1atm的条件下,含双锌核甲烷单加氧酶Q催化CH4和CH3CH3羟基化反应在蛋白质溶液中的速率常数分别为6.414×10-19和1.542×10-6 dm3·mol-1·s-1.     

CH4和CO2合成乙酸中CO2与·H及·CH3相互作用的理论计算

采用量子化学密度泛函方法,对CO2与H及CH3自由基反应进行了理论计算,给出了CO2与H及CH3自由基相互作用的反应机理,提出了CO2与H及CH3自由基作用的4条反应路径.其中以H和CH3自由基进攻CO2的C原子反应为优先路径,主要产物为乙酸,而甲酸甲酯为动力学禁阻产物.计算结果与实验结果相当吻合.为CH4和CO2两步反应合成含氧化合物提供了理论解释和指导.     

CCl2自由基与H2O分子反应动力学研究

用213 nm激光光解CCl4产生CCl2自由基，用LP LIF技术测定了室温下基态CCl2自由基与H2O分子的反应速率常数为(5.45±0.95)×10－14 cm3•molecule－1•s－1.在G2MP2理论水平上计算了CCl2＋H2O反应的最低单重态势能面，揭示了插入与加成 消除两种反应机理，得到了三个可能的产物通道:HCl＋HClCO、HCl＋trans ClCOH以及HCl＋cis ClCOH.并用RRKM TST和传统过渡态理论计算了这三个通道的分支比及其温度效应.结果说明在低温下（273 K），插入机理的产物通道的分支比远大于加成 消除机理的产物通道， HCl＋HClCO是主要产物，分支比为77.4％，其次是HCl＋cis ClCOH，分支比为22.6％.而在高温下（3000 K），加成 消除机理的反应通道大于插入机理， HCl＋trans ClCOH分支比为82.3％.     

C2H3＋NO2反应速率常数的研究

利用激光光解C2H3Br产生C2H3自由基,在气相298 K, 总压2.66×103 Pa的条件下,研究C2H3与NO2的反应,用激光光解-激光诱导荧光（LP-LIF）检测中间产物OH自由基的相对浓度随着反应时间的变化关系,报导了双分子反应C2H3＋NO2的速率常数k(C2H3＋NO2)=(1.8±0.05)×10－11cm3•molec.－1•s－1,同时也得到OH＋NO2反应的速率常数k(OH＋NO2)=(2.1±0.15)×10－12 cm3•molec.－1•s－1.     

CH3SH与NO2的反应机理及动力学

在G3B3, CCSD(T)/6-311＋＋G(d,p)//B3LYP/6-311＋＋G(d,p)水平上详细研究了CH3SH与基态NO2的微观反应机理. 在B3LYP/6-311＋＋G(d,p)水平得到了反应势能面上所有反应物、过渡态和产物的优化构型, 通过振动频率分析和内禀反应坐标(IRC)跟踪验证了过渡态与反应物和产物的连接关系. 在CCSD(T)/6-311＋＋G(d,p)和G3B3水平计算了各物种的能量, 得到了反应势能面. 利用经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)并结合小曲率隧道效应模型(SCT), 分别计算了在200～3000 K温度范围内的速率常数kTST, kCVT和kCVT/SCT. 研究结果表明, 该反应体系共存在5个反应通道, 其中N进攻巯基上H原子生成CH3S＋HNO2的通道活化势垒较低, 为主要反应通道. 动力学数据也表明, 该通道在200～3000 K计算温度范围内占绝对优势, 拟合得到的速率常数表达式为k1CVT/SCT＝1.93×10－16T0.21exp(－558.2/T) cm3&;#8226;molecule－1&;#8226;s－1.     

普鲁士蓝类配位聚合物KCd[Cr(CN)6]•H2O的合成、 结构及多孔性能研究

以Cd2＋和[Cr(CN)6]3－为建筑基元通过自组装合成普鲁士蓝类配位聚合物KCd[Cr(CN)6]•H2O (1•H2O), 并用红外光谱、元素分析、单晶X射线衍射、粉末X射线衍射、热重分析和氮气吸附脱附等手段对其进行了表征. 配位聚合物1•H2O属于面心立方晶系, 空间群Fm-3m, 晶胞参数: a＝b＝c＝1.09059 mn, α＝β＝γ＝90°. 配位聚合物1•H2O是由K＋, Cd2＋, [Cr(CN)6]3－离子和一个结晶水分子组成的三维多孔结构. 热重分析结果表明失水样品1的骨架结构在120～ 200 ℃之间保持稳定. 氮气吸附脱附研究表明: 失水样品1具有683.6 m2•g－1的比表面积, 氮气最大吸附量为8.83 mmol•g－1.     

氧原子和甲基自由基反应机理的理论研究

用分子轨道从头算和密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法以及适中基组6-311+G(2df,2p)对氧原子与甲基CH3反应进行了系统的研究。计算给出了反应通道上各驻点物种的构型参数、振动频率和能量。结果表明： CH2OH比CH3O稳定,能量约低26.63 kJ/mol,且生成氢和甲醛为其最主要反应通道。     

CH3CH2+O(3P)反应机理的理论研究

The reaction for CH3CH2+O(3P) was studied by ab initio method. The geometries of the reactants, intermediates, transition states and products were optimized at MP2/6-311+G(d,p) level. The corresponding vibration frequencies were calculated at the same level. The single-point calculations for all the stationary points were carried out at the QCISD(T)/6-311+G(d,p) level using the MP2/6-311+G(d,p) optimized geometries. The results of the theoretical study indicate that the major products are the CH2O＋CH3, CH3CHO+H and CH2CH2+OH in the reaction. For the products CH2O＋CH3 and CH3CHO+H, the major production channels are A1: (R)→IM1→TS3→(A) and B1: (R)→IM1→TS4→(B), respectively. The majority of the products CH2CH2+OH are formed via the direct abstraction channels C1 and C2: (R)→TS1(TS2)→(C). In addition, the results suggest that the barrier heights to form the CO reaction channels are very high, so the CO is not a major product in the reaction.     

Product branching from the CH2CH2OH radical intermediate of the OH + ethene reaction

Using a crossed laser-molecular beam scattering apparatus and tunable photoionization detection, these experiments determine the branching to the product channels accessible from the 2-hydroxyethyl radical, the first radical intermediate in the addition reaction of OH with ethene. Photodissociation of 2-bromoethanol at 193 nm forms 2-hydroxyethyl radicals with a range of vibrational energies, which was characterized in our first study of this system ( J. Phys. Chem. A 2010 , 114 , 4934 ). In this second study, we measure the relative signal intensities of ethene (at m/e = 28), vinyl (at m/e = 27), ethenol (at m/e = 44), formaldehyde (at m/e = 30), and acetaldehyde (at m/e = 44) products and correct for the photoionization cross sections and kinematic factors to determine a 0.765:0.145:0.026:0.063:<0.01 branching to the OH + C(2)H(4), H(2)O + C(2)H(3), CH(2)CHOH + H, H(2)CO + CH(3), and CH(3)CHO + H product asymptotes. The detection of the H(2)O + vinyl product channel is surprising when starting from the CH(2)CH(2)OH radical adduct; prior studies had assumed that the H(2)O + vinyl products were solely from the direct abstraction channel in the bimolecular collision of OH and ethene. We suggest that these products may result from a frustrated dissociation of the CH(2)CH(2)OH radical to OH + ethene in which the C-O bond begins to stretch, but the leaving OH moiety abstracts an H atom to form H(2)O + vinyl. We compare our experimental branching ratio to that predicted from statistical microcanonical rate constants averaged over the vibrational energy distribution of our CH(2)CH(2)OH radicals. The comparison suggests that a statistical prediction using 1-D Eckart tunneling underestimates the rate constants for the branching to the product channels of OH + ethene, and that the mechanism for the branching to the H(2)O + vinyl channel is not adequately treated in such theories.     

Theoretical Study of Reaction Mechanism of 1-Propenyl Radical with NO

The reaction system of 1-propenyl radical with NO is an ideal model for studying the intermolecular and intramolecular reactions of complex organic free radicals containing C=C double bonds. On the basis of the full optimization of all species with the Gaussian 98 package at the B3LYP/6-311++G** level, the reaction mechanism was elucidated extensively using the vibrational mode analysis. There are seven reaction pathways and five sets of small molecule end products: CH2O+CH3CN, CH2CHCN+H2O, CH3CHO+HCN, CH3CHO+HNC, and CH3CCH+HNO. The channel of C3H5￠+NO→ IM1→TS1→IM2→TS2→IM3→TS3→CH3CHO+HCN is thermodynamically most favorable.