O-乙酰基-吡喃木糖热解反应机理的理论研究

为了从微观上理解半纤维素热解过程及其主要产物的形成演变机理,采用密度泛函理论方法B3LYP/6-31G++(d,p),对O-乙酰基-吡喃木糖的热解反应机理进行了量子化学理论研究。在热解过程中,O-乙酰基-吡喃木糖中的O-乙酰基首先脱出,形成乙酸和中间体IM₁,该步反应能垒为269.4 kJ/mol。IM₁进一步发生开环反应形成IM₂,开环反应能垒较低,为181.8 kJ/mol。对中间体IM₂设计了四种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化,计算了各热解反应途径的热力学和动力学参数。计算结果表明,反应路径(4)和反应路径(2)是O-乙酰基-吡喃木糖热解的主要反应通道,乙酸、乙醛、乙醇醛、丙酮、CO、CO₂、CH₄等小分子产物是热解的主要产物。这与相关实验结果分析是一致的。     

铑(Ⅰ)催化烯烃碳酰化反应机理:手性聚稠环过程的对映选择性

采用密度泛函理论方法研究了[Rh(R,R-DIOP)]+[DIOP=(1R,2R)-1,2-O-异丙叉-1,2-二醚氧基-1,2-双(二苯基磷基)乙烷]催化下苯并环丁酮手性聚稠环过程在气相、四氢乙呋喃(THF)及水中的反应机理.计算结果表明,在气相中反应容易进行,经TS2形成六元环的过程为决速步骤,但产物无明显的对映选择性.在THF中,S-和R-通道的C—C键活化能垒仅由79.5和69.3 kJ/mol提高到80.2和88.8 kJ/mol,未改变反应的实质;Rh与2个C原子的配位明显弱于气相,相对于催化剂和反应物自由能之和,S-和R-通道的反应总能垒分别提高到63.8和68.1 kJ/mol.对于S-通道,溶剂THF使经TS2的能垒升至112.0 kJ/mol,仍为整个过程的决速步骤;然而对R-通道,溶剂使经TS1形成五元环过程的能垒升至91.5 kJ/mol,但使经TS2的能垒由78.9 kJ/mol降至77.7 kJ/mol,IM1→TS1成为决速步骤.在以水为溶剂时,经TS1形成五元环的过程成为2个通道的决速步骤,其在S-和R-通道中的能垒分别为102.5和94.9 kJ/mol.因此,溶剂改变了反应的决速步骤及能垒.3种方法均预测R-通道为主反应路径,但THF能明显增加产物的对映选择性.采用自然键轨道(NBO)电荷分析了反应过程中电荷的变化.     

阿拉伯呋喃糖热解机理的密度泛函理论研究

采用密度泛涵理论(DFT)方法M062X/6-311++G(d,p)对阿拉伯呋喃糖的热解过程进行了理论研究.对其可能发生的化学反应共设计了6条热解路径,一种热解方式是呋喃糖通过H原子转移发生开环而得到中间体2,这一步反应的热裂解反应能垒是181.5 kJ/mol,并对该中间体2设计了3条反应路径分别为1-3,或开环后得到中间体26,其热解路径为6;另一种热解方式是先脱水后进行开环反应设计了2条可能的热解路径分别为4和5.对各反应路径中所有化合物的结构进行了能量梯度全优化,并计算了各热解反应途径的热力学和动力学参数.通过对计算结果分析得到呋喃热解的主反应通道为2,3和5,其热解速控步反应能垒分别为321.5,300.2和339.9 kJ/mol.乙醇醛、乙醛、CO、糠醛和丙酮等小分子是热解的主要产物.这与相关实验结果一致.     

吡喃葡萄糖热解机理的量子化学理论研究

采用密度泛函理论方法 B3LYP/6-31G++(d,p),对纤维素的一个循环单体β-D-吡喃葡萄糖的热解反应机理进行了量子化学理论研究。设计了四种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化,计算了各热解反应途径的标准动力学参数。计算结果表明,反应路径1中速控步的活化能为297.02 kJ.mol,反应路径2中速控步的活化能为284.49 kJ.mol,与反应路径3,4相比,反应路径1,2的反应能垒更低,是主要的热解反应通道,乙醇醛、1-羟基-2-丙酮、5-羟甲基糠醛、CO等小分子产物是热解的主要产物。这与相关实验结果分析是一致的。     

镍配合物催化N-烯丙基酰胺异构化反应机理

采用密度泛函理论(DFT)方法,对镍配合物Ni(PPh3)2催化N-烯丙基酰胺异构化生成N-丙烯基酰胺的微观反应机理进行了计算.反应涉及了C—H键活化、异构化及还原消除生成新的C—H键等步骤.对C—H键活化和异构化步骤,分别考虑了Ni(PPh_3)_2和Ni(PPh_3)的催化活性,发现均为前者对应的能垒更低;对异构化步骤,分别考虑了π-烯丙基和σ-烯丙基机理,发现前者能垒更低.在整个反应路径中,生成产物E异构体的决速能垒为141.8 kJ/mol,与生成Z异构体的决速能垒(141.1 kJ/mol)仅差0.7 kJ/mol,与实验上E/Z选择性不高(56/44)一致.Pd(PPh_3)_2催化的决速中间体和过渡态的计算表明,生成E和Z异构体的决速能垒较高,均超过175 kJ/mol,与实验上Pd(PPh_3)_4没有催化活性一致.Ni(PPh_3)_2和Pd(PPh_3)_2催化活性不同,可由Ni的d电子对烯丙基阴离子π*反键的反馈作用较Pd更强来解释.此外,通过反应物中不同取代基对产物E/Z选择性影响的分析,发现E/Z选择性不同是由各取代基在生成E和Z异构体的决速过渡态中所受空间位阻不同所导致.     

左旋葡聚糖热解机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31++G(d,p)方法,对纤维素热解的主要产物左旋葡聚糖的热解反应机理进行了理论计算分析,设计了四种可能的热解反应途径, 对各种反应的反应物、产物和过渡态的结构进行了能量梯度全优化。计算结果表明,左旋葡聚糖开环成链状中间体时,首先,左旋葡聚糖中的两个半缩醛键C(1)-O(7)和C(6)-O(8)断裂,经过渡态TS₁形成中间体IM₁,同时,C(6)-O(7)结合成键使C(5)-C(6)-O(7)形成环状结构,该反应的能垒较高,为296.53 kJ/mol,然后IM₁经过渡态TS₂转变为中间体IM₂,该反应的能垒为234.09 kJ/mol;对IM₂设计了四条可能的反应路径,反应路径2和3能垒较低,是IM₂最可能的热解反应途径;在反应路径1和4中都包含了脱羰基反应,其反应能垒较高,不易发生。     

锰配合物催化CO2加氢生成甲酸的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对锰配合物催化二氧化碳加氢生成甲酸的反应进行了理论研究. 整个催化循环主要包括氢气活化和二氧化碳氢化2个阶段. 计算结果表明, 甲酸的参与明显降低了氢气活化的反应能垒; 二氧化碳的氢化过程遵循外层机理并且氢转移是分步进行的, 决速步骤为氢负离子的转移过程, 自由能垒为21.0 kJ/mol. 对配合物中硫原子上的取代基R进行了调变, 研究结果表明, 当R为吸电子基团时能降低氢气裂解和二氧化碳氢化过程中质子转移的能垒, 而当R为推电子基团时有利于氢负离子的转移,当R=CF₃时整个反应的能量跨度(80.4 kJ/mol)最小.     

木质素模化物紫丁香酚热解机理的量子化学研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/6-31G++(d,p),对木质素模化物紫丁香酚的热解反应机理进行了量子化学理论研究。提出了三种可能的热解反应途径,对各种反应的反应物、产物、中间体和过渡态的结构进行了能量梯度全优化。计算了各热解反应途径的标准动力学参数,分析了各种主要热解产物的形成演化机理。键离解能计算结果表明,紫丁香酚中CH₃-O键的键离解能最小,各种键离解能的大小顺序为CH₃-O < O-H < CH₃O-C_aromatic < CH₂-H < HO-C_aromatic < C_aromatic-H。在反应路径(1)中,主要热解产物是3-甲氧基邻苯二酚,其形成反应的总能垒为366.6 kJ/mol;在反应路径(2)中主要热解产物是2-甲氧基-6-甲基苯酚,其形成反应的总能垒为474.8 kJ/mol;在反应路径(3)中形成邻甲氧基苯酚的总能垒很低,为21.4 kJ/mol,这表明,在连接甲氧基的碳原子上加氢后能够有效地降低木质素芳环模化物紫丁香酚去甲氧基反应的反应能垒。     

污泥热解中HCN与CaO的反应机理:密度泛函理论研究

采用密度泛函理论对污泥热解中CaO与HCN在低温段的反应进行了研究。在B3LYP/6-311++(3df,2p)水平上计算得到了反应路径上各驻点的几何构型与频率,并在此构型上使用CCSD(T)/cc-pVQZ进行单点能计算。结果表明,两个HCN分子吸附于CaO后,质子发生转移时出现反应路径中最大能垒(310.33 kJ/mol)。使用经典过渡态理论拟合了反应中各步骤的阿累尼乌斯公式,计算了三种典型温度下各步骤的反应速率,发现质子转移为该反应的决速步骤,且温度越高CaO对HCN的作用效果越好。     

碳源甲基苯热裂解机理的密度泛函动力学研究

在热力学研究的基础上,用UB3LYP/3-21G^*方法对甲苯热裂解机理进行了动力学研究。计算得到了甲苯的5种热裂解路径的活化能。用过渡状态理论,计算得到了这些路径在298～1223K温度范围内的速率常数。动力学计算结果表明：甲苯在热解温度低于963K时的主反应路径为甲苯热裂解生成苄基自由基的反应,其速控步的活化能△E~0^θ^≠=402.27kJ/mol;当温度高于963K达1223K左右时,主反应路径转为苯环上脱甲基生成苯基和甲基自由基的路径,该路径的活化能△E~0^θ^≠=456.91kJ/mol。以上研究结果与实验结果相一致。     

HZSM-5催化甲苯和甲醇烷基化反应机理的密度泛函理论研究

对二甲苯(PX)是重要的有机化工原料,主要用于生产对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二甲酯(DMT), PTA和 DMT可经缩聚生产化纤、合成树脂和塑料等聚酯产品. PX主要通过甲苯歧化、二甲苯异构化或甲苯与 C9芳烃烷基转移等方式生产.由于三种二甲苯和乙苯的沸点接近,需要经过吸附分离或深冷分离才能得到高纯度的 PX,传统工艺物料循环量大,设备庞大,操作费用高.而通过甲苯和甲醇烷基化反应直接高选择性生成 PX,可大大降低成本,具有非常高的经济效益和研究价值.自1970年代以来,国内外众多科研院所对甲苯和甲醇烷基化催化剂进行了广泛研究,但催化剂选择性和稳定性仍需进一步提高.为了加深对甲苯和甲醇烷基化反应的认识,指导催化剂开发,有必要对甲苯和甲醇烷基化生成二甲苯的反应机理进行深入研究.当前甲苯和甲醇烷基化机理研究主要存在以下问题：(1)计算得到的能量多为电子能,而非自由能;(2)所采用的模型多为团簇模型,使用 ONIOM方法,对长程作用力描述不充分;(3)认为甲苯只有一种吸附状态;(4)没有考虑偕烷基化反应.本文采用周期性模型,通过密度泛函理论研究了 HZSM-5分子筛上甲苯和甲醇烷基化反应机理,通过计算熵得到了反应自由能,并考虑了偕烷基化反应.由于甲基的存在,在甲苯的吸附态中,甲基会伸向孔道的不同方向,因此我们认为甲苯有多种吸附态,而不同的吸附态会生成不同的二甲苯.结果表明,甲苯可以在对位、间位、邻位和偕位上通过协同机理或分步机理发生烷基化反应.在协同机理中,甲苯在对位、间位、邻位和偕位发生烷基化反应的自由能垒分别为167,138,139和183 kJ/mol.在分步机理中,甲醇脱水生成甲氧基的自由能垒为145 kJ/mol,是决速步骤;而甲苯和甲氧基对位、间位、邻位和偕位烷基化的自由能垒分别为127,105,106和114 kJ/mol.两种机理中 PX的生成能垒均比 MX和 OX高,与文献报道的结果不同.文献均认为, PX的生成能垒最低.一方面这可能是由于所采用模型的不同,本文采用周期性模型,能更充分考虑长程作用力的影响;另一方面可能是由于对甲苯吸附态的不同处理,我们认为甲苯有多种吸附态,不同的吸附态会生成不同的二甲苯,而文献均只考虑了一种甲苯吸附态.但是,在实验中, PX选择性最高.这可能是由于：(1) PX在 HZSM-5孔道的扩散速率比 MX和 OX高2–3个数量级;(2)甲苯和甲醇烷基化生成的 MX和OX迅速发生异构化反应生成 PX,异构化反应速率高于甲苯烷基化速率.两种机理中, C8H11+都是重要的中间物种,它可以反馈一个质子给分子筛骨架,生成二甲苯;也可以脱烷基生成甲烷和乙烯等气相产物.研究发现,甲烷的生成是由于 C8H11+物种中的一个 H质子从苯环上的碳原子转移到甲基上的碳原子造成的,计算得到的对位、间位和邻位 C8H11+生成甲烷的能垒分别为136,132和134 kJ/mol.由于十元环孔道的限制, HZSM-5孔道中很难通过甲苯歧化反应生成苯;偕烷基化生成的碳正离子有可能脱烷基生成乙烯和乙烷等产物,进而生成苯.碳正离子脱烷基反应生成了大量气相产物,造成反应液收降低.碳正离子脱烷基反应与甲醇制烯烃过程的烃池机理相一致,因此甲苯和甲醇烷基化反应也遵循烃池机理.     

Pd/Cu(111)双金属表面催化糠醛脱碳及加氢的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)研究糠醛在最稳定Pd/Cu(111)双金属表面上的吸附构型和糠醛脱碳及加氢的反应机理。结果表明,当糠醛初始吸附于O_3-Pd-top、O_7-Cu-hcp位时,吸附构型最稳定,其吸附能为73.4 kJ/mol。糠醛在Pd/Cu(111)双金属表面上更易发生脱碳反应。对于糠醛脱碳反应,所需活化能较低,各个基元反应均为放热反应,糠醛更易先失去支链上的H形成(C_4H_3O)CO,然后中间体脱碳加氢得到呋喃,其中,C_4H_3O加氢生成呋喃所需活化能(72.6 kJ/mol)最高,是反应的控速步骤。对于加氢反应,糠醛与首个氢原子的反应需要最大的活化能(290.4 kJ/mol),是反应的限速步骤。     

异戊烯与甲醇成醚反应机理的量子化学研究

对2-甲基-1-丁烯、2-甲基-2-丁烯与甲醇反应生成甲基叔戊基醚的反应历程进行了量子化学研究, 结果表明, 反应过程包括两个基元步骤: 2-甲基-1-丁烯和2-甲基-2-丁烯与氢离子作用生成碳正离子, 活化能分别为E1=2.26 kJ/mol, E2=7.72 kJ/mol; 甲醇与叔碳正离子反应成醚, 活化能为E3=1.29 kJ/mol, 碳正离子的生成是反应的速控步骤. 2-甲基-1-丁烯与2-甲基-2-丁烯相互转化的异构化活化能分别为E'1=4.40 kJ/mol, E'2=63.11 kJ/mol, 高于成醚的活化能, 反应体系不发生烯烃相互转化的异构化反应.     

Quantum mechanical study of the ring-closing reaction of the hexatriene radical cation

The ring-closing reaction of hexatriene radical cation 1(*)(+) to 1,3-cyclohexadiene radical cation 2(*)(+) was studied computationally at the B3LYP/6-31G* and QCISD(T)/6-311G*//QCISD/6-31G* levels of theory. Both, concerted and stepwise mechanisms were initially considered for this reaction. Upon evaluation at the B3LYP level of theory, three of the possible pathways-a concerted C(2)-symmetric via transition structure 3(*)(+) and stepwise C(1)-symmetric pathways involving three-membered ring intermediate 5(*)(+) and four-membered ring intermediate 6(*)(+)-were rejected due to high-energy stationary points along the reaction pathway. The two remaining pathways were found to be of competing energy. The first proceeds through the asymmetric, concerted transition structure 4(*)(+) with an activation barrier E(a) = 16.2 kcal/mol and an overall exothermicity of -23.8 kcal/mol. The second pathway, beginning from the cis,cis,trans rotamer of 1(*)(+), proceeds by a stepwise pathway to the cyclohexadiene product with an overall exothermicity of -18.6 kcal/mol. The activation energy for the rate-determining step in this process, the formation of the intermediate bicyclo[3.1.0]hex-2-ene via transition structure 9(*)(+), was found to be 20.4 kcal/mol. More rigorous calculations of a smaller subsection of the potential energy hypersurface at the QCISD(T)//QCISD level confirmed these findings and emphasized the importance of conformational control of the reactant.     

Computational study on the electrocyclic reactions of [16]annulene

The electrocyclic reactions of [16]annulene have been investigated by ab initio and DFT calculations. Among the six conformers of [16]annulene identified, 3, with Cs symmetry, is taken as the starting reactant for the cyclization reactions of [16]annulene, even though it is 31.4 kJ mol(-1) less stable than the most stable conformer, 1. The pathways of the electrocyclic reactions from reactant 3 to two tricyclic products, 5 and 6, have been found. All pathways identified are stepwise, i.e., the two ring closure processes occur one after the other. Among the pathways found, the ones with the lowest overall barrier for reactions 3 --> 5 and 3 --> 6 have the same rate-determining step and hence the same overall barrier, 131.0 kJ mol(-1). Thus, based on the barriers calculated, it is not possible to determine whether 5 or 6 is the dominant product in the cyclization reaction of 3.     

含氮煤焦还原NO反应路径研究

采用量子化学密度泛函理论结合热力学和动力学分析研究了含氮煤焦还原NO的途径;从微观角度探究了含氮煤焦还原NO的间接还原和直接异相还原两种途径,分析了NO还原过程中的能量变化。结果表明,含氮煤焦先产生中间体NH_2再还原NO(间接还原)的过程决速步能垒值较直接异相还原NO的决速步能垒值高183.76 kJ/mol;由能垒角度分析,含氮煤焦与NO直接发生异相还原的过程更为有利。从热力学角度分析,含氮煤焦直接异相还原NO为可自发进行的单向放热反应,较间接还原过程有利。动力学分析结果表明,含氮煤焦间接还原NO的过程决速步速率常数较直接异相还原至少低10个数量级,说明含氮煤焦直接异相还原NO的路径更容易发生。     

Cu(111)面上糠醇加氢生成2-甲基呋喃的反应机理

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法,详细研究了糠醇在Cu(111)面上反应生成2-甲基呋喃的反应历程,优化了糠醇在Cu(111)面的吸附模型,并采用完全线性同步和二次同步变换的方法,对三种可能的反应机理中的各反应步骤进行了过渡态搜索.结果表明,糠醇主要通过支链上OH与Cu(111)面相互作用,易形成ψCH2和ψCH2O中间体(ψ代表呋喃环).糠醇进一步加氢机理很可能为:引入的氢物种明显降低了糠醇分解形成的中间体ψCH2的活化能,并促进了它的形成;中间体ψCH2更易从糠醇中获得H而生成2-甲基呋喃.该过程的控速步骤为ψCH2O*→ψCHO*+H*,活化能为199.0kJ/mol,总反应是2ψCH2OH=ψCH3+ψCHO+H2O.     

Ab Initio Study on the Mechanism of Cycloaddition Reaction between Silylene Carbene （H_2Si=C：） and Acetone

The mechanism of cycloaddition reaction between singlet silylene carbene and acetone has been investigated with CCSD(T)//MP2/6-31G method. From the potential energy profile, it can be predicted that the reaction has two competitive dominant reaction pathways. One consists of two steps: (1) the two reactants (R1, R2) firstly form a four-membered ring intermediate (INT4) through a barrier-free exothermic reaction of 585.9 kJ/mol; (2) Then intermediate (INT4) isomerizes to CH3-transfer product (P4.1) via a transition state (TS4.1) with energy barrier of 5.3 kJ/mol. The other is as follows: on the basis of intermediate (INT4) created between R1 and R2, intermediate (INT4) further reacts with acetone (R2) to form the intermediate (INT5) through a barrier-free exothermic reaction of 166.3 kJ/mol; Then, intermediate (INT5) isomerizes to a silicic bis-heterocyclic product (P5) via a transition state (TS5), for which the barrier is 54.9 kJ/mol. The presented rule of this reaction: the [2+2] cycloaddition effect between the π orbital of silylene carbene and the π orbital of π-bonded compounds leads to the formation of a four-membered ring intermediate (INT4); The unsaturated property of C atom from carbene in the four-membered ring intermediate (INT4) results in the generation of CH3-transfer product (P4.1) and silicic bis-heterocyclic compound (P5).