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。     

甲苯热解机理的AM1研究(Ⅰ)热力学分析

在实验的基础上,本文用Gaussian98程序包中AM1法UHF计算,对碳材料用碳前驱体甲苯的热裂解反应机理进行了研究。在对反应物,产物自由基的结构进行能量梯度法全优化的同时,计算了不同温度下的标准热力学参数（298－1073K）。热力学计算结果表明：（1）当甲苯的热裂解温度相对较低时（773K左右）,热力学计算结果首先支持苯环上甲基C－H键的断裂生成苯基自由基并继而生成联二甲苯的反应;随着温度的提高（达1073K时）,生成苯自由基和甲基自由基的反应比例将大生成苄基自由基的比例;该反应机理与实验结果基本一致。（2）采用Gaussian98程序包中AM1法中的UHF计算,较适合低级芳香烃热裂解反应机理的理论研究。     

碳前驱体CH3ArCH2NH2热解反应的热力学和动力学DFT研究

在实验研究基础上,通过量子化学理论计算对碳前驱体CH3ArCH2NH2的热裂解机理作了进一步的研究.利用Gaussian98程序包中AM1方法及DFTUB3LYP/3-21G*方法,对化合物5种可能热裂解路径的热力学和动力学计算结果表明,CH3ArCH2NH2热裂解的主反应路径为生成自由基CH3ArCH2*和NH2*,其主反应路径AM1计算的活化能Ea=230.78kJ/mol,DFT计算的活化能Ea=321.18kJ/mol;比较键焓计算的数据与相应的实验数据,发现DFT计算结果与实验结果吻合得较好;通过分析优化的反应物及产物自由基的部分结构参数,了解了理论支持主反应的原因;计算的产物自由基的空间构型表明主反应路径生成的产物自由基相互间若进行稠环缩合反应,将获得分子平面取向性很好的稠环芳烃产物.     

碳前驱体CH3ArCH2NH2热解反应的热力学和动力学DFT研究

在实验研究基础上 ,通过量子化学理论计算对碳前驱体 CH3 Ar CH2 NH2 的热裂解机理作了进一步的研究 .利用 Gaussian98程序包中 AM1方法及 DFT UB3 LYP/3 -2 1 G*方法 ,对化合物 5种可能热裂解路径的热力学和动力学计算结果表明 ,CH3 Ar CH2 NH2 热裂解的主反应路径为生成自由基 CH3 Ar CH2 ·和 NH2 · ,其主反应路径 AM1计算的活化能 Ea=2 3 0 .78k J/mol,DFT计算的活化能 Ea=3 2 1 .1 8k J/mol;比较键焓计算的数据与相应的实验数据 ,发现 DFT计算结果与实验结果吻合得较好 ;通过分析优化的反应物及产物自由基的部分结构参数 ,了解了理论支持主反应的原因 ;计算的产物自由基的空间构型表明主反应路径生成的产物自由基相互间若进行稠环缩合反应 ,将获得分子平面取向性很好的稠环芳烃产物     

碳/碳复合材料碳源化合物乙苯热裂解机理的热力学研究

主要采用Gaussian 03程序中的密度泛函理论(DFT),在UB3LYP/6-31G*水平上对碳材料用碳源化合物乙苯的初期热裂解反应机理进行了研究.对反应物和产物的结构进行了能量梯度法全优化,计算了不同温度下(298～1573 K)的热力学参数.结果表明:在298～1573 K下,热力学首先支持生成甲苯自由基和甲基自由基的反应为主反应路径.低温下,生成苯乙基自由基(α位脱氢)的反应比例大于生成苯基自由基的反应,而高温下(823 K),生成苯基自由基的反应比例大于苯乙基自由基(α位脱氢)的反应.     

鸟嘌呤受羟基自由基损伤反应机理的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)研究羟基自由基与鸟嘌呤分子加成反应的过渡态, 并进行内禀反应坐标(IRC)反应路径解析, 结果表明, 羟基自由基加成到鸟嘌呤碳碳双键上. 利用B3LYP/6-31++G**对反应物、反应物络合物、过渡态以及产物络合物等反应通道上各个能量驻点的能量进行了计算, 得到反应活化能E_a=28.0867 kJ/mol. AIM计算结果显示, 过渡态结构中鸟嘌呤分子碳碳双键结构被削弱, 羟基自由基氧原子与鸟嘌呤分子碳碳双键中的C4原子具有较强的相互作用, 双键中剩余的π电子离域到了环体系中.     

CH_3自由基和O（~3P）反应机理的量子化学研究

用分子轨道从头计算MP2（full）方法和密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法 研究了CH_3自由基和三线态O原子反应的微观机理，优化得到了反应途径上的反应 物、过渡态、中间体和产物的几何构型，通过振动分析对过渡态和中间体构型进行 了确认，在G3不平上计算了能量，同时用经典过渡态理论对该反应的绝对速率常数 进行了理论计算。研究结果表明：CH_3自由基与O（~3P）反应有四条不同的放热反 应通道，主反应通道为IM1→TS1→CH_2O + H，同时反应可彻底裂解生成CO, H_2 及H。     

HNCO与CX（X=F，Cl，Br）自由基反应机理的密度泛函理论研究

用量子化学密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31+G~*水平上按BERNY能量梯度解 析全参数优化了HNCO与CX（X=F,Cl,Br）反应势能面上各驻点的几何构型,通过 振动频率分析确认了中间体和过渡态,内禀反应坐标（IRC）对反应物、中间体、 过渡态和产物的相关性予以证实,对各驻点进行了零点能校正（ZPE）在此基础上 计算了反应能垒。研究结果表明,与HNCO和其它小分子自由基反应不同,HNCO与 CX自由基反应首先发生分子间H原子迁移,随后N与CX的C（1）原子相互靠近成键并 生成较稳定的中间体,再发生N-C（2）键的断裂,完成N向C（1）上的迁移并进一 步解离为产物。反应按反应物→TS1→IM→TS2→产物通道进行。反应为放热反应。     

H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯和甲醇甲基化的反应机理

对二甲苯是重要的石油化工产品之一, 可以通过甲苯甲基化生产. 本文采用“our own-N-layeredintegrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)结合的方法, 计算了H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯(DMC)和甲醇甲基化反应机理. 考察了反应物吸附和产物脱附. 描述了主要的中间物种和过渡态的结构. 用计算的速率常数来估计甲苯甲基化反应的动力学活性. H-ZSM-5 催化的甲苯与DMC和甲醇甲基化的机理不同. 甲苯和DMC甲基化包括DMC完全解离, 接着甲基化生成二甲苯异构体. 相比而言, 在甲苯甲基化反应中, 甲醇作为甲基化试剂的活性比DMC更好. 甲苯和甲醇甲基化的分步反应路径和联合反应路径的本征活化能相似. 在773 K, 分步反应路径的速率常数比联合反应路径更高. 在甲苯和这两种试剂甲基化的反应中, 生成对二甲苯为动力学优先, 而间二甲苯为能量最低产物. 我们的计算结果和实验观察到的现象一致.     

高密度烃燃料四氢环戊二烯三聚体的合成及热裂解

以双环戊二烯为原料,经D-A反应及催化加氢合成了高密度烃燃料四氢环戊二烯三聚体(THTCPD).该三聚体的密度为1.082 g/cm3,体积热值为47.5 MJ/L,闪点为120℃,凝固点为48~49℃.采用裂解器与色谱-质谱联用技术,对THTCPD的热裂解进行了在线监测,结果表明温度对裂解反应影响较大.对裂解产物的结构进行了分析,产物以甲烷、乙烯、丙烯、环戊烯、环戊二烯、苯和甲苯为主.依据产物结构及单分子自由基反应模型,推测得到了9种路径的裂解机理.采用X3LYP法进行了各自由基的热力学计算,得到各反应路径的相对能量及路径比.通过不同温度下的裂解转化率,计算得到热裂解反应动力学方程,经线性拟合得到活化能Ea=6.67×104kJ/mol,指前因子A=133.75.     

HNCO+OH-→NH2+CO2反应理论研究

用从头算UHF/6-31G基组研究了异氰酸和羟基生成氨基和二氧化碳即HNCO+OH→NH2+CO2的反应机理.优化得到了反应途径上的过渡态和中间体,并通过振动分析对过渡态和中间体进行了确认.在UMP4/6-31G水平上计算了它们的能量,同时对零点能进行了较正.计算结果表明:此反应是多步反应,先后通过3个过渡态(TS1,TS2,TS3),2个内旋转位垒(PSI,TSII),4个中间体(IM1,IM2,IM3,IM4),其中,IM3→TS2这一步为整个反应的决速步骤,速控步的活化能为202.388lJ/mol.与异氰酸和羟基作用的另一反应通道(即HNCO+OH→H2O+NCO)的活化能(69.038kJ/mol)比较,可看出所研究反应通道为次要反应通道,这与实验结果是一致的.     

NH自由基与臭氧反应机理的理论研究

用量子化学从头计算方法,在HF/6-31 ++ G**水平研究了臭氧与NH三线态活性自由基反应的微观机理,优化得到反应物、过渡态、中间体和产物的几何构型.用MP2/6-31++G**//HF/6-31 ++ G**方法计算能量,同时进行零点能校正.研究结果表明:NH三线态活性自由基与O3反应首先生成稳定中间体HNO3,然后中裂解生成HNO和O2.     

甲基苯热裂解机理的理论研究

在半经验UAM1方法及从头算UHF／3－21G*水平的基础上，用考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP／3－21G＊方法对碳前驱体甲基苯的热裂解反应机理进行了研究，并对反应物、产物自由基及过渡态的结构进行了能量梯度法全优化。计算结果表明，甲基苯的热裂解温度较低时，首先支持苯环甲基上的C－H键断裂，继而发生生成联二甲苯的反应。随着温度的提高，生成苯自由基的反应比例将增加，同时发生少量的苯环上C－H键断裂的反应。该反应机理与实验结果相一致；用密度泛函方法UB3LYP／3－21G*计算的反应标准焓变ΔH与实验值吻合较好。     

CuCl2催化（2-甲基辛烷-2,3-二烯-4-基）磷酸乙酯氯代环化反应机理理论研究

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法对CuCl2催化的(2-甲基辛烷-2,3-二烯-4-基)磷酸乙酯氯代环化反应机理进行了理论研究.在6-31+G(d)基组水平上对反应机理中所有反应物、过渡态、中间体和产物进行了优化,通过能量和振动频率分析以及IRC计算证实了中间体和过渡态的合理性.在相同基组水平上应用自然键轨道(NBO)理论和分子中的原子(AIM)理论分析了复合物的成键特征和轨道间相互作用.反应物R和催化剂CuCl2可通过IA和IB两条可行反应通道生成中间体IM9,控制步骤活化能分别是129.61和142.10kJ/mol.中间体IM9到产物P也有两条反应路径PA和PB,控制步骤活化能分别是179.55和9.83kJ/mol.整个反应机理中IA→PB和IB→PB反应通道可能同时发生,反应控制步骤活化能最低反应通道为IA→PB.     

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.     

苯胺和乙二醇生成吲哚反应机理的DFT理论研究

利用传统过渡态理论研究了苯胺和乙二醇生成吲哚反应的机理,设计了四种可能的反应通道.优化计算了反应物、产物和每个通道中可能的中间体和过渡态的几何构型,找出并确认了每个反应通道中各基元反应的可能过渡态和活化能.经分析对比给出该反应可能的主反应通道.同时初步探讨了在经过渡态TS1的基元反应中加入催化剂Ag后的反应机理.加入催化剂后,反应的活化能降低.     

CuCl2催化（2-甲基辛烷-2，3-二烯-4-基）磷酸乙酯氯代环化反应机理理论研究

采用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法对CuCl2催化的（2-甲基辛烷-2,3-二烯-4-基）磷酸乙酯氯代环化反应机理进行了理论研究．在6-31＋G（d）基组水平上对反应机理中所有反应物、过渡态、中间体和产物进行了优化,通过能量和振动频率分析以及IRC计算证实了中间体和过渡态的合理性．在相同基组水平上应用自然键轨道（NBO）理论和分子中的原子（AIM）理论分析了复合物的成键特征和轨道间相互作用．反应物R和催化剂CuCl2可通过IA和IB两条可行反应通道生成中间体IM9,控制步骤活化能分别是129．61和142．10kJ／m01．中间体IM9到产物P也有两条反应路径PA和PB,控制步骤活化能分别是179．55和9．83kJ／m01．整个反应机理中IA—PB和IB—PB反应通道可能同时发生,反应控制步骤活化能最低反应通道为IA→PB．     

马来酰亚胺阴离子聚合链引发反应机理研究

以氢氧根离子催化马来酰亚胺聚合反应为例,通过理论计算探讨了在DMF溶剂(ε=36.7)中阴离子聚合链引发阶段的微观机理,在DFT(B3LYP/6-311G*)水平搜索得到反应路径,相同水平上对反应物中间体、过渡态和产物进行几何优化和振动分析,并经过IRC验证.发现在反应过程中氢氧根先进攻酰亚胺的碳,经过一过渡态最终生成氢氧根连接在碳碳双键上的阴离子,证明反应机理为阴离子聚合.由于活化能较小,所以聚合反应在较温和的条件下即可进行.     

气相中H2O2与N2O反应机理的探讨

采用RHF/AM1方法研究了H2O2与N2O的反应机理.计算结果表明,该反应是多步反应,先后通过2个过渡态（TS1,TS3）,1个内旋转位垒（TS2）,2个中间体（IM1,IM2）.其中从反应物Re到TS1为整个反应的决速步骤,速控步骤的活化能为323.04 kJ•mol－1.整个反应为一放热反应,放出的热量为147.67kJ•mol－1.     

一种以双π自由基为中间体的亚甲基重排机理的理论研究

用AM1方法对C~1~1H~1~0的热转换反应进行了理论上的研究; 计算结果验证了Scott推测的以不寻常的基态双π自由基为中间体的亚甲基重排机理, 并且得到了反应途径中的各个过渡态、中间体以及反应过程中各个过渡态的活化能。