木质素二聚体模型物裂解历程的理论研究

木质素作为生物质的主要成分之一, 是生物油的重要组分, 在工业生产中有着重要的应用. 生物质高温裂解液化制备生物油的过程伴随着木质素的裂解, 因此研究木质素高温裂解历程, 对生物油的制备有很大的帮助. 利用密度泛函方法对木质素在高温条件下的裂解历程进行理论研究, 并通过对各步反应的热力学焓变计算, 确定了初次裂解的路径为Cα—Cβ和β-O-4热裂解路径. 根据进一步的研究预测了裂解反应的主要产物.     

钾盐催化纤维素快速热裂解机理研究

在红外辐射机理试验装置上进行了钾盐催化纤维素快速热裂解机理研究。试验发现，钾盐在抑制生物油生成的同时，促进了炭和气体的生成。结合反应前后金属盐电镜图以及生物油和焦炭中金属离子质量分数的检测，证实钾盐的催化作用主要发生在固相中，以离子形式选择性催化了不同类别的反应，加速了分子断键过程中的裂变和歧化反应。在抑制左旋葡聚糖生成的同时，促进了糖类以外产物的形成，提高了生物油中乙醇醛、乙醛以及小分子的醇类、酮醛类化合物的数量。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅱ. 机理分析

针对在热辐射反应器上得到的纤维素热裂解实验结果，对左旋葡聚糖、1-羟基-2-丙酮以及乙醇醛等一次产物的生成机理进行了分析研究。在气相产物快速析出并急冷的条件下，乙醇醛和1-羟基-2-丙酮二种产物的生成与LG的生成呈现出竞争反应。基于这一结果，我们建立了竞争反应动力学模型，并分别对乙醇醛和1-羟基-2-丙酮进行了模拟，得出二种产物的生成具有相似的动力学行为，表明这两种竞争化合物具有相同的初始反应。分析认为，纤维素的热裂解通过活性纤维素这一反应前体以异裂和均裂两种热解途径进行分解，其中转糖基作用下糖苷键的异裂断开形成了包括LG以及其同分异构体的脱水糖；缩醛结构的开环以及环内C—C键的断裂形成乙醇醛、1-羟基-2-丙酮以及CO等其它小分子化合物。在Brodio-shafizadeh模型的基础上提出了反应机理模型，并按照该模型对高辐射源温度下纤维素热裂解LG的生成进行了模拟，计算结果与实验数据吻合较好。     

氯化钙催化纤维素热裂解动力学研究

用差示热重分析仪对氯化钙纤维素热裂解动力学催化影响进行了研究。结果表明，氯化钙对焦炭的形成具有强烈的促进效果，使热裂解最终残留物产率从5％提升到10％以上，氯化钙的存在影响到热失重初始阶段活性纤维素的生成，使热重曲线向低温侧移动，并在低温段产生了小的失重速率峰。通过热重分析发现，氯化钙催化条件下纤维素热裂解动力学参数被分为了三段，分别对应于活性纤维素的生成、炭化和活性纤维素转化为挥发分产物三个区间，并依次成为整体失重过程的控制步骤。结合Broido-Shafizadeh机理分析以及与纯纤维素热裂解动力学参数的对比，氯化钙对这三个主要反应步骤都产生了促进效果，其中以催化焦炭的生成最为明显，在促进焦炭化的过程中，降低了气体产物的生成比率。     

纤维素快速热裂解机理试验研究 Ⅰ. 试验研究

在热辐射反应器上对纤维素快速热裂解过程中主要一次产物的生成规律进行了研究。结合焦油的GC-MS分析，发现左旋葡聚糖（LG）作为最重要的液体产物，占据了焦油质量的45w%～85w%。LG的生成主要集中在550 ℃～650 ℃中温辐射源区域，其产量随温度的变化存在一最佳值，约在640 ℃左右得到54.4w%的最高产率。乙醇醛(HAA)作为焦油的第二重要组分，在焦油中达到了6w%～14w%的比例，与之含量接近的还有1-羟基-2-丙酮(Acetol)，约为3.5w%～8w%。它们的产率在相当大的范围内随温度的升高而增加，表明高温有利于它们的生成。同时分析表明乙醇醛、1-羟基-2-丙酮是在与LG的竞争过程中作为纤维素热裂解一次产物直接生成的。     

苯甲撑肼基二硫代甲酸甲酯热裂解的机理研究

采用密度泛函理论对苯甲撑肼基二硫代甲酸甲酯的热裂解反应机理进行了研究. 计算结果表明, 烯胺碳上氢的六元环迁移途径比硫酰胺氢的四元环迁移途径更容易发生. 同时, 从机理上解释了苯环上的取代基电子效应对该类化合物裂解的影响, 即吸电子基抑制裂解反应的发生, 而推电子基则产生相反的效果.     

纤维素热裂解过程中活性纤维素的生成和演变机理

在辐射加热闪速热裂解实验台上获取了一种可溶性的黄色固体中间产物, 在两个不同辐射热流下其产量随着反应的进行均呈现升高-稳定-再升高的变化趋势. 高效液相色谱分析发现, 其主要成分包括低聚糖、葡萄糖、左旋葡聚糖、丙酮醛等. 将其中的纤维二糖、纤维三糖等低聚糖, 以及葡萄糖等单糖的混合物归为活性纤维素. 在高热流下, 活性纤维素的相对产量呈现先升后降的趋势, 在可溶性产物中的含量可高达68%(w, 质量分数), 且聚合度较高的低聚糖占主导地位. 在低热流下活性纤维素产量相对较低, 最高达到约57%(w), 更多地由聚合度较低的糖类组成. 在高温下活性纤维素极不稳定, 易降解生成聚合度更低的糖类, 甚至焦炭、挥发份和气体产物. 最后提出了一个改进的机理模型, 描述了活性纤维素的生成和演变的反应路径.     

纤维素单体热解机理的热力学研究

为了了解纤维素热解机理, 结合相关实验结果对纤维素单体(β-D-吡喃葡萄糖)的热解设计了四种热解反应途径. 利用Gaussian 03程序, 采用密度泛函理论(DFT), 在UB3LYP/6-31G(d)水平上, 对各反应物和产物的几何结构进行了能量梯度法全优化, 计算了不同温度下各反应路径的热力学参数. 计算结果表明: 所有反应均为吸热反应; 当温度在550 K以上时, 所有反应都能自发进行. 从热力学的角度分析, 热解更有利于发生开环反应而形成乙醇醛、1-羟基-2-丙酮、CO等小分子产物.     

聚对苯二甲酸丁二醇酯二聚体热降解机理的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法 M06-2X/6-311G(d)研究了聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)二聚体的热降解机理,对PBT二聚体热解过程设计了八条可能反应路径,计算了每条反应路径的各基元反应步的热力学及动力学参数。计算结果表明,在PBT初始热解过程中,主链发生协同反应的反应能垒明显低于自由基反应的能垒,因此,通过协同反应生成的对苯二甲酸、对苯二甲酸单丁烯酯、对苯二甲酸二丁烯酯和二对苯二甲酸-1,4-丁二酯是PBT初始热解主要产物。主链通过六元环过渡态进行的协同反应的反应能垒低于通过四元环过渡态的,PBT主链的断裂主要通过六元环过渡态的协同反应而进行。此外,还讨论了PBT主要产物的二次降解反应,研究发现,在二次降解反应过程中主要以协同反应为主,生成1,3-丁二烯、四氢呋喃、苯、CO₂、苯甲酸等主要产物。     

酸洗预处理对纤维素热裂解的影响研究

为获得液体产量的最大化和提高产物中糖类的质量分数,采用盐酸（3%、5%、7%）、磷酸（7%）和硫酸（7%）对纤维素进行酸洗预处理。不同酸洗预处理下纤维素的微观结构和聚合度变化表明,酸处理损坏了纤维素的物理结构,并使聚合度大幅度降低。在“┣”形石英玻璃反应器的快速热裂解试验装置上进行了不同酸处理前后的纤维素热裂解试验,发现酸浸泡处理后,生物油产率下降,相应的气体和焦炭产率提高,并且随着酸浓度的提高,该趋势逐渐增强。与盐酸和磷酸相比,硫酸对生物油的生成具有更强的抑制作用,这表明,酸对纤维素交联和脱水反应的催化效果。通过GC-MS色质联机分析技术对生物油成分进行分析,发现酸的存在并没有改变生物油成分的种类,但使化合物之间的相对质量分数发生了变化。左旋葡聚糖的质量分数随稀酸溶液浓度的增加呈下降趋势,原因是残留在物料中的微量酸以催化脱水和交联反应的方式,对其生成起抑制作用。     

Theoretical Studies on the Structures,Thermodynamic Properties,Detonation Performance,and Pyrolysis Mechanisms for Six Dinitrate Esters

Density functional theory (DFT) has been employed to study the geometric and electronic structures of six dinitrate esters including ethylene glycol dinitrate (EGDN), diethylene glycol dinitrate (Di‐EGDN), triethylene glycol dinitrate (Tri‐EGDN), tetraethylene glycol dinitrate (Tetra‐EGDN), pentaethylene glycol dinitrate (Penta‐EGDN) and hexaethylene glycol dinitrate (Hexa‐EGDN) at the B3LYP/6‐31G* level. Their IR spectra were obtained and assigned by vibrational analysis. Based on the frequencies scaled by 0.96 and the principle of statistic thermodynamics, the thermodynamic properties were evaluated, which were linearly related with the number of CH₂CH₂O groups as well as the temperature, obviously showing good group additivity. Detonation performances were evaluated by the Kamlet‐Jacobs equations based on the calculated densities and heats of formation. It was found that density, detonation velocity, detonation pressure decreased with the increase of the number of CH₂CH₂O groups. Thermal stability and the pyrolysis mechanism of the title compounds were investigated by calculating the bond dissociation energies (BDE) at the B3LYP/6‐31G* level. For the nitrate esters, the O‐NO₂ bond is a trigger bond during a thermolysis initiation process.     

木聚糖单体热解机理的理论研究

采用Gaussian 03程序中的密度泛函（DFT）理论B3LYP/6-31＋＋G（d,p）方法,对木聚糖一个循环单元的热解机理进行了理论研究.设计了八条热解路径,对每条路径中反应物、中间体、过渡态和产物进行能量梯度全优化,并对过渡态进行了IRC验证,在298～1098 K温度范围内计算了每个路径的热力学及动力学参数....     

双环-HMX结构和性质的理论研究

在DFT-B3LYP/6-311G*水平上, 计算研究了高能化合物四硝基四氮杂双环辛烷(双环-HMX) α和β两种异构体的结构和性质. 比较分子对称性、分子内氢键和环张力等几何参数以及分子总能量和前线轨道能级等电子结构参数, 发现α比β稳定. 分子中N—N键较长, N—N键集居数较小, 预示该键为热解和起爆的引发键. 基于简谐振动分析求得IR谱频率和强度. 运用统计热力学方法求得200～1000 K温度的热力学性质. 以非限制性半经验PM3方法探讨其热解机理, 求得各反应通道的过渡态和活化能, 发现热解始于侧链N—NO₂键的均裂. 还从理论上预测了该化合物的密度、爆速和爆压, 有助于寻求高能量密度材料(HEDM).     

Thermodynamic Properties of Crystalline Cellulose Allomorphs Studied with Dispersion-Corrected Density Functional Methods

The phonon properties and thermodynamics of four crystalline cellulose allomorphs, Iα, Iβ, II, and III1, have been investigated using dispersion-corrected density functional theory (DFT). In line with experimental findings, the free energy differences between the studied cellulose allomorphs are small, less than 1 kJ/mol per atom. The calculated specific heat at constant volume (Cv) has been compared with the available experimental data in the temperature range 10–300 K. Quasiharmonic approximation has been employed to study thermodynamics and specific heat at constant pressure (Cp). For the studied temperature range of 10–400 K, the specific heat of all cellulose allomorphs shows very similar behavior. The calculated and experimental specific heat agree well at low temperatures below 100 K, but the deviation between theory and experiment increases with temperature. This may be due to increasing phonon anharmonicity as the temperature increases.     

六硝基芪衍生物的红外光谱和热力学性质的理论研究

用量子化学密度泛函理论方法,在B3LYP/6-31G*水平下,对六硝基芪衍生物进行了几何构型全优化和电子结构计算。通过振动分析,求得它们的红外光谱并作归属。将理论计算IR谱与已知实验结果进行比较,表明本文所提供的计算结果是可靠的。对谐振频率以0.96进行标度后基于统计热力学原理求得它们的热力学性质,探讨了热力学性质随硝基数、氨基数、羟基数和温度变化的规律,发现有很好的线性关系,体现了很好的基团加和性。     

戊唑醇的分子结构、理论计算及热力学性质研究

在甲苯溶剂中利用缓慢蒸发法得到1-(4-氯苯基)-4,4-二甲基-3-(1H-1,2,4-三唑基甲基)戊醇-3（戊唑醇）的单晶,通过 X射线单晶结构分析法测定其晶体结构,晶体属单斜晶系,空间群为P2(1)/c,晶胞参数为：a = 1.1645(1) nm,b = 1.6768(2) nm,c = 1.7478(2) nm,β= 92.055(2),Dcalc.= 1.199 g/cm3,Z = 4,F(000)= 264。运用密度泛函理论 (DFT) B3LYP得到其优化几何构型并得到其频率。计算得到的结构参数与相应的实验值十分接近。运用微热量仪对标题物进行比热容测定,在所测温度范围283~353 K内,比热容随温度呈稳定的线性变化,根据测定的比热容方程,计算出戊唑醇以298.15 K为基础在283~353 K温区的的热力学函数：焓、熵和吉布斯自由能。     

烟酸二聚体的结构与性质

用密度泛函理论B3LYP方法选取6-311+G(d,p)基组对烟酸-烟酸复合物进行了量子化学计算研究, 通过在相同水平下的频率振动分析发现了势能面上存在7个极小值点, 其最稳定构型1对应一N…H—O型强氢键, 其结合能在消除基组重叠误差后为-48.3 kJ·mol-1. 通过自然键轨道(NBO)分析, 研究了电荷转移及轨道相互作用. 通过自洽反应场(SCRF)理论中的极化连续模型(PCM)在介电常数分别为1.0(真空)、2.247(苯)、10.36(二氯乙烷)、20.7(丙酮)、32.63(甲醇)、78.39(水)的不同溶剂环境下重新优化烟酸复合物势能面上最稳定构型1, 研究了溶剂对烟酸复合物几何构型及结合能的影响. 发现溶剂化作用增大了烟酸复合物分子间的结合能, 导致N…H距离减小. 当溶液介电常数在1.0-32.63范围时, 溶剂效应十分显著, 当介电常数大于32.63后, 溶剂化作用趋于稳定.     

对苯二甲酸二苯酯类液晶化合物光谱和二阶非线性光学性质的理论研究

在密度泛函理论B3LYP/6-31G*水平上计算对苯二甲酸二苯酯类液晶化合物分子的几何结构、振动光谱、电子光谱和非线性光学性质, 分析讨论端接基对其光谱与非线性光学性质的影响. 结果表明, 端接基的引入对该类分子的几何结构影响不大. 烷氧基的链长对分子振动光谱的影响很小, 端基引入CN时, C＝O的伸缩振动频率蓝移9 cm^－1. TD-DFT计算表明, 最大吸收光谱源于分子中HOMO→LUMO的p→p*跃迁, 对应的最大吸收波长值在313～375 nm之间, 属于紫外区. 端接强供电子基团可以提高分子的二阶非线性光学性质.