兖州煤大分子结构模型构建及其分子模拟

结合兖州煤的工业分析与元素分析及¹³C CP/MAS NMR实验结果构建了其大分子结构模型;芳香化合物以苯为主;脂肪结构以脂肪侧链、环烷烃和氢化芳环的形式存在,且甲基、亚甲基和次甲基的含量相当;17个氧原子分别以羧基、羰基与羟基型式存在;三个氮原子分别以吡啶与吡咯的形式存在;五个硫原子以噻吩型硫的型式存在。采用分子力学（MM）和分子动力学（MD）对兖州原煤化学结构模型进行能量最小化模拟,显示稳定大分子结构的主要能量按大小排序依次为范德华能、键扭转能、键角能与键伸缩能;分子内芳香层片之间的π－π相互作用,使其以近似平行的方式排列。量子化学半经验方法（AM1）模拟结果表明,羰基碳原子相连的C－C键的活性比较高;模型中与S相连的C原子、边缘C原子都有较多的负电荷,易于发生氧化反应,而芳香碳原子所带电荷较少,稳定性很高。
     

弥勒褐煤结构特征及其分子模型构建

以云南弥勒褐煤为研究对象,采用元素分析、傅里叶变换红外光谱、¹³C固体核磁共振波谱以及X射线光电子能谱等现代分析技术,获取了弥勒褐煤的结构参数信息。其中,芳香度为38.79%,芳香环取代基数量为3。芳香碳结构主要为苯和萘,脂肪碳结构以甲基、亚甲基为主;氧主要存在于醚氧、羧基和羰基中;氮主要以吡咯氮和吡啶氮的形式存在;硫主要为硫酚或硫醇。根据分析结果,构建出弥勒褐煤的分子结构模型,分子式为C₁₄₇H₁₄₈O₃₆N₂S。采用半经验法PM3基组和密度泛函理论M06-2X泛函对分子构型进行优化,优化后的模型立体构型显著,且芳香层片在空间上呈现不规则排列,各芳香环之间主要通过甲基、亚甲基、甲氧基以及脂肪环连接。模拟FT-IR光谱和模拟¹³C NMR波谱均与实验谱图吻合良好,证明了弥勒褐煤分子模型的准确性和合理性。     

煤液化沥青分析表征及结构模型

对从煤液化残渣中萃取出的沥青类物质进行了固体13C-CP/MAS NMR分析、元素分析、红外光谱分析(FT-IR)和光电子能谱(XPS)分析,得到煤液化沥青的芳香结构单元信息及相关结构参数信息。结果表明,煤液化沥青芳香桥碳与周碳之比为0.115,芳香碳原子的存在形式以苯结构为主;脂肪结构多以甲基和环状亚甲基形式存在;氧主要以羰基、酯基的形式存在;氮主要以吡咯的形式存在。利用结构参数和分析表征结果构建了煤液化沥青的大分子结构模型,并运用13C-NMR预测软件ACD/CNMR Predictor计算了煤精制沥青大分子结构模型的13C化学位移。根据计算结果对大分子结构模型进行了修正,获得了与实验谱图吻合较好的大分子结构模型。     

内蒙五牧场矿区11号煤层原煤大分子结构特征及其形成机制

在对内蒙古自治区呼伦贝尔市伊敏盆地五牧场区11号煤层原煤工业分析、元素分析、¹³C-NMR、FT-IR、XPS等分析基础上,获得了煤大分子结构中碳骨架信息、脂肪结构以及含氧官能团类型及比例、氮原子的存在形式和比例等结构信息。以此为基础,构建了煤的大分子结构模型,并应用 ¹³C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor 对其进行了修正, 获得与实验核磁共振谱图吻合较好的大分子结构模型。大分子结构的芳香结构单元以苯、萘、蒽、菲为芳香结构单元,数量分别是1、2、2、1,醚键、氢化芳环以及邻位亚甲基作为连接芳香结构的主要桥键;氧原子以酚羟基、羰基、羧基的形式存在,数量分别是7、3、2;氮原子分别以吡啶和吡咯的形式存在,甲基和脂肪短链分布在芳香单元的边缘。与相邻矿区的褐煤及相近变质程度的神东长焰煤的比较发现,其形成机制主要是在高温低压环境下,热演化过程中快速失去各种含氧官能团,导致短链脂肪类物质的形成,而低压环境则有利于热演化过程中形成的各种小分子物质逸散导致自由基的缩聚,形成较大的芳香结构单元,但是直链脂肪类物质的存在具有位阻效应,不利于芳香结构单元的定向排列,导致所谓的"化学成分成熟超前于其结构成熟"现象。     

柳林3#镜煤吡啶残煤大分子结构模型及分子模拟

对柳林3^#镜煤吡啶抽提残煤(LLR)进行了¹³C CP/MAS NMR和XPS分析,结合元素分析和工业分析,构建了其大分子模型。LLR结构中芳香部分以蒽为主,脂肪结构主要以脂肪侧链的形式存在,氧原子分别以醚键、羟基和羰基形式存在,氮原子以吡咯和吡啶的形式存在。运用¹³C NMR预测软件ACD/CNMR predictor计算了大分子结构模型的¹³C化学位移。与实验¹³C NMR谱图相比较,对LLR的大分子结构模型进行了修正,获得了¹³C NMR计算谱能和实验谱图吻合较好的大分子结构模型。采用分子模拟对LLR化学结构模型进行能量优化,结果表明,大分子结构的能量按其大小排序主要为范德华能、键扭转能、键角能与键伸缩能。芳环之间的平行排列在该结构模型中占有很小的比例。最后通过添加周期性边界条件得到该煤的密度为1.22 g/cm³。量子化学半经验方法(PM 3)模拟结构表明,脂肪侧链中的C-C键较长,因而活性较高;边缘碳原子带有较多的负电荷,易于发生氧化反应;芳香碳原子所带电荷较少,稳定性很高。     

C_nP_4~4(n=1～7)团簇结构与能量的密度泛函研究

使用分子图形软件设计出多种CnP-4(n =1～ 7)的结构模型 ,并进行B3LYP密度泛函几何构型优化和振动频率计算 .最稳定的CP-4和C2 P-3 都是平面环状结构 .最稳定的CnP-4(n =3 ,5 ,7)结构在直碳链的一端连接 1个磷原子且另一端是P3 C的四元环的平面结构 .最稳定的CnP-4(n =4,6)结构在直碳链的一端连接 1个磷原子且另一端是P3 的三元环的锄状结构 .直碳链可与平面环的磷原子生成大π键 .大多数构型是由C2 ,C3 ,C4子结构以环状或链状方式组成的 .碳原子与磷原子以交替方式排列的结构数量少、能量高 .     

CnP-4(n=1～7)团簇结构与能量的密度泛函研究

摘要使用分子图形软件设计出多种CnP4^-(n=1-7)的结构模型,并进行B3LYP密度泛函几何构型优化和振动频率计算．最稳定的CP4^-和C2P3^-都是平面环状结构．最稳定的CnP4^-(n=3,5,7)结构在直碳链的一端连接1个磷原子且另一端是P3C的四元环的平面结构．最稳定的CnP4^-(n=4,6)结构在直碳链的一端连接1个磷原子且另一端是P3的三元环的锄状结构．直碳链可与平面环的磷原子生成大π键．大多数构型是由C2,C3,C4子结构以环状或链状方式组成的．碳原子与磷原子以交替方式排列的结构数量少、能量高．     

基于亲电试剂对活泼两性离子中间体捕捉而实现的芳香碳氢键不对称官能团化

<正>Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,13098~13101通过金属卡宾参与而实现的碳氢键官能团化是构建碳碳键的一种十分可靠和高效的方法.过去的几十年中,基于金属卡宾参与而实现的sp3碳氢键的不对称官能团化已经得到了广泛研究.然而,通过金属卡宾而实现的芳香sp2碳氢键的不对称官能团化仍面临着巨大的挑战.目前除了分子内的反应,或以较为活泼的杂原子芳香环为底物的反应被报道之外,尚无分子间的全碳芳香环sp2碳氢键的不对称官能团化被报道.华东师范大学化学系胡文浩与邢栋     

分子力学和分子动力学方法研究不同变质程度烟煤的分子结构

采用分子力学和分子动力学模拟方法 ,研究了不同变质程度烟煤的三维分子构型和能量参数。结果表明 :随变质程度的增加 ,煤分子内平行的芳香片层结构增大。不同变质程度烟煤分子在团聚前后的成键相互作用能仅略有变化 ,其中扭转能Et 的变化相对较为显著 ,并且扭转能随煤阶的增加呈逐渐减小的趋势。非成键作用能 ,特别是超过三个原子的范德华作用能 ,是煤中的重要相互作用能 ,是模型分子团聚的重要驱动力 ,对于烟煤分子聚集状态的形成起着决定性的作用。同时随煤阶的升高 ,超过三个原子的范德华作用能逐渐增加。模型分子的总势能随煤阶的变化呈两头高、中间低的趋势 ,与煤的一些宏观物理性质有一定的相一致性。     

基于FTIR和XRD法分析阜新长焰煤结构特征

为了研究阜新长焰煤的大分子结构,通过测定12个煤样品的工业分析和元素分析,选取最接近平均值的煤样CYM-9作为实验样品,采用傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和单轴压缩实验对煤样进行研究,通过与抚顺长焰煤结构特征进行对比,进一步分析煤的微晶结构参数及其力学特性。研究结果表明:CYM-9煤样的基本结构特征参数芳氢率(farH)为0.47,氢碳原子比(H/C)为0.858,芳碳率(farC)为0.747,脂肪烃支链长度(CH3/CH2)为0.617。与抚顺长焰煤结构相比,其芳碳率较大,芳香核缩合程度较大,芳香结构单元排列秩序较规则;煤样XRD图谱具有002峰和100峰两条明显的峰,层间距(d002)为0.3816nm,层片堆砌高度(Lc)为1.2462nm,层片直径(La)为1.0136nm,芳香堆砌层数(N)为4.26;煤样的平均峰值强度为9.24MPa,达到峰值强度时平均应变值为23.58×10-3,平均弹性模量为405MPa。     

煤化程度对煤基固体酸结构及其水解纤维素性能的影响

利用煤具有缩合芳环、脂肪侧链及含氧官能团的结构特点，采用不同煤化程度的煤为碳源，在不同炭化温度下制备了煤基固体酸催化剂（CSA）。通过XRD、FT-IR、¹³C NMR对催化剂结构进行了表征。以还原糖和葡萄糖的产率为考察指标，探讨了煤化程度和炭化温度对煤基固体酸非均相催化水解纤维素的影响。结果表明，煤作为碳源具有传统碳源所不具备的结构优势，煤基固体酸碳层片上除含有磺酸基、酚羟基和羧基外，还含有传统碳基固体酸不具备的桥键（-O-、-CH₂-）和侧链（-CH₃、-OCH₃、-CH₂CH₃）。除磺酸基外，其余均由煤的结构演化而来。随着炭化温度的升高，催化剂的芳香度增大、活性基团的种类和数量减少、磺酸基密度逐渐下降，且随着煤化程度增加，煤基固体酸结构可调性降低，所需要的最佳炭化温度也逐渐降低。不同种类的煤基固体酸在水解纤维素过程中表现出了较高的活性，其中，霍林河煤基固体酸的活性最高。水解活性受催化剂芳香片层大小及堆叠高度、片层之间桥键和磺酸基密度等因素的影响，是众多活性基团协同作用的结果。     

氧化反应对胜利褐煤水蒸气气化反应的促进作用Ⅱ.作用机理研究

在φ80×3 000 mm耐高温不锈钢管反应器中,进行了N2/N2+O2/N2+H2O/N2+O2+H2O气氛下800和900℃的胜利褐煤气化实验,采用红外光谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱和烟气在线分析等研究了添加氧气前后半焦的物理结构、官能团及煤气组成的变化,旨在探讨氧化反应促进水蒸气气化反应的作用机理。结果表明,氧化反应对水蒸气气化反应的促进作用可用半焦的微观结构变化和水蒸气气化解离吸附机理解释。氧化反应的开孔和扩孔作用使碳颗粒微孔数量、比表面积、孔容、吸附量明显增加,更多的碳表面活性位暴露出来,也促进了半焦中甲基、亚甲基、C=O键、C-O键的断裂和高活性的羧基COO-和大量氢自由基的生成,这些都有利于水蒸气气化反应的进行,尤其在高温和水蒸气含量较高时。同时,氧气的加入改变了反应气氛中CO2、CO、H2相对含量和水蒸气分子/活性炭原子内能,也有利于水蒸气气化反应的进行,这与水蒸气气化解离吸附机理相吻合。     

溶剂极性控制下的煤抽余物吸附甲烷能力研究

基于原煤和有机溶剂抽余物的等温吸附实验结果,对比分析溶剂极性与其煤抽余物吸附甲烷能力变化关系,探讨抽提溶剂极性差异对煤抽余物吸附甲烷能力控制的地球化学机理。结果表明,煤溶剂抽余物等温吸附甲烷曲线都遵循Langmuir方程,且二硫化碳(CS₂)和苯(C₆H₆)溶剂抽提作用增大了煤吸附甲烷量,四氢呋喃(THF)和丙酮溶剂抽提作用减小了煤吸附甲烷量。实验发现,煤抽余物吸附甲烷能力变化与抽提溶剂极性成负相关关系,该现象可用相似相容原理解释:CS₂和C₆H₆溶剂极性较弱,抽提出较多具有非极性结构(-CH₃和-CH₂-)的烷烃和芳烃,为甲烷在煤表面吸附增多了吸附位而增强了抽余物吸附甲烷能力,THF和丙酮溶剂极性较强,抽提出较多具有极性结构(-CHO、-OH、和-COOH)的非烃和沥青质,减少了吸附位而降低煤抽余物的甲烷吸附能力。     

先锋褐煤及其热溶残煤的过氧化氢氧解

利用1-甲基萘（1-MN）对先锋褐煤进行热溶,并在温和条件下分别对原煤及其热溶残煤进行过氧化氢氧化。结合元素分析和FT-IR对各级产物进行结构表征,用GC/MS对氧化反应水溶性产物的甲酯化衍生物进行分析。结果表明,先锋褐煤在1-MN中的热溶率较低,320 ℃下热溶残煤（TR）的收率为81.01%,该煤主要以共价键交联的大分子结构为主,非共价键缔合的小分子含量较低,并以脂肪结构为主,含一定量的羰基以及少量的羟基和芳香结构。原煤和热溶残煤氧化水溶性产物中α,ω-二羧基烷酸含量较高,同时还发现,相当含量的芳香酸及三元羧酸存在,其中,α,ω-二羧基烷酸主要以丙二酸和丁二酸为主;原煤中可溶小分子易被氧化并生成较复杂的产物。与原煤相比,热溶残煤结构更为规整,氧化主要以共价键交联的大分子结构的氧化解聚为主,氧解率较低,水溶性氧解产物也较简单,种类较少,据此推测先锋褐煤的桥键主要以为-CH₂-和-CH₂-CH₂-为主。     

典型烟煤热解机理的反应动力学模拟

建立合理有效的烟煤大分子模型，采用基于反应力场（Reactive Force Field，ReaxFF）的分子动力学方法模拟1400-2600 K典型烟煤的热解过程，得出产物分布和中间自由基的演变历程。研究表明，随着热解温度的升高，焦炭产量先增加后降低，焦油产量的变化趋势与焦炭相反，热解气产量单调增加。煤在低温下热解主要发生一次反应，生成焦油自由基碎片和小分子气体；高温下焦油碎片的二次反应显著，生成含量较多但数量较少的焦炭及含量与数量较多的小分子气体。2000 K是一次反应向二次反应的温度转折点。在高温热解时，煤中的C与H逐渐迁移到焦炭和焦油中，而含氧官能团较为活跃，O逐渐迁移到热解气中。二次反应阶段，O最活泼，H次之，C最稳定。热解过程中最先产生的气体是H₂O；NH₃主要来源于二次反应；H₂S在二次反应阶段被消耗转化为其他产物；H₂产量最多，且随热解温度升高而增加，尤其在二次反应中大量生成，主要源于裂解产生的氢自由基碰撞和芳香结构的缩合。基于ReaxFF模拟结果得到煤热解失重活化能为39.45 kJ/mol。     

煤焦油重组分沥青质性质分析及对加氢裂化生焦影响的推测

从中/低温煤焦油中切取重组分,提取了重组分C7-沥青质,并以此重组分为原料进行了高压釜加氢实验,通过1H-NMR、XRD、FT-IR、SEM、元素分析和相对分子量测定等手段对重组分沥青质结构参数、官能团、表观形态等方面进行了分析,并将其与加氢过程中生焦情况进行了关联。结果表明,C7-沥青质基本结构单元以稠环芳烃为中心,周围分布少而短的侧链,侧链以小于3个碳的短直链正构烷基为主,相对分子量小,芳香片层没有堆积结构。O是该沥青质中氢键主要来源,大多分布在环氧烷烃和醚类结构中,外围的O数量低,分子间氢键更难形成,结构单元之间缔合性弱,沉积聚合慢而均匀。沥青质中短侧链不易断裂,在反应过程中产生的稠环芳烃自由基少,缩合能力小,使该馏分油生焦能力低,具有较高的加氢潜质。     

煤显微组分分子结构模型的量子化学研究

采用分子力学和半经验量子化学方法，研究了神木煤显微组分的分子结构模型，比较了镜质组和惰质组分子模型的能量构成、不同类型键的键长和键裂解能。研究结果表明，扭转能和范德华能是分子中的主要作用力，取代基对体系能量有明显影响，烷基取代基使体系能量增加，而苯基取代基使体系能量降低；脂肪C—C键长比芳香C—C键长长，说明脂肪C—C在受热过程中比芳香C—C更容易断裂分解。对各键裂解能的计算结果表明，Car—Cal键的裂解能高于Cal—Cal，Car—O醚键的裂解能高于Cal—O醚键。而惰质组结构模型中除C—O醚键外，各键的裂解能均高于镜质组，说明惰质组结构模型比镜质组有较高的热稳定性。