分子筛催化的戊烯骨架异构反应机理

在密度泛函理论中的B3LYP/6-31G(d,p)水平上研究了分子筛催化戊烯骨架异构的微观作用机制,分别对各个基元反应进行了内禀反应坐标(IRC)解析。结果表明:戊烯的骨架异构存在2种反应机理:烷氧基中间体机理和类甲基环丙烷中间体机理。而烷氧基中间体机理又包括2个反应途径,1个是甲基迁移,另1个是乙基迁移。因此,整个异构反应存在3个反应途径。甲基迁移机理和乙基迁移机理都含有3个基元步骤,其中速控步骤分别是甲基迁移和乙基迁移,对应的活化能分别为206.17和207.31 kJ·mol-1,二者几乎相等,表明2个反应途径从能量的角度来说是互相竞争的。类甲基环丙烷中间体机理分2步,碳链扭转和甲基的迁移,反应中间体具有高离子性和高能量的物种。反应速控步骤是碳链扭转反应,其活化能是147.93 kJ·mol-1,明显低于甲基迁移和乙基迁移2个反应途径的能垒,意味着类甲基环丙烷中间体的反应途径更容易发生。     

DFT法研究3-羟基丙烯醛的双键旋转异构反应机理

利用密度泛函理论(DFT)分别在B3LYP/6-31G**和B3LYP/6-311＋＋G**的计算水平上优化了基态3-羟基丙烯醛分子在双键旋转异构反应过程中的平衡态以及过渡态的几何构型，分析了反应过程中键参数的变化，计算了该反应的内禀反应坐标(IRC)，发现在重排反应途径上存在一个四元环骨架的中间体.通过振动分析对平衡态和过渡态进行了确认，并得到了零点能.计算结果表明，基态3-羟基丙烯醛分子的双键旋转异构反应经过两步完成，第一步反应位垒稍高，第二步反应位垒较低，存在着发生重排反应的可能性.     

2-羟基咪唑在气相和水中的异构平衡和质子迁移的从头算计算和Monte Carlo模拟

采用从头算方法在MP2/6-31＋G^*水平上研究了2-羟基咪唑分子在孤立分子和一水合物的异构体的相对稳定性和可能的质子迁移反应, 分析了一个水分子的参与对2-羟基咪唑分子异构体的相对稳定性和质子迁移速率的影响, 采用Monte Carlo模拟方法研究了反应体系在水溶液中反应的溶剂化效应. 结果表明: 2-羟基咪唑分子的孤立分子和一水合物的最稳定异构体相同, 都为酮式. 直接质子迁移反应在水溶液中活化能垒有轻微增加, 但产物能量得到降低; 水助催化质子迁移反应在水溶液中的活化能垒和产物能量都得到明显降低. 综合气相和水相的计算结果, 2-羟基咪唑水助催化的质子迁移反应较易进行, 且在水溶液中进行容易, 可以很容易被实验观察到.     

丁醇醛和丁醇酸热解形成CO和CO2机理的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/cc-pVTZ,对模型化合物2,3,4-羟基丁醛的脱羰基和2,3,4-羟基丁酸的脱羧基反应机理进行了量子化学理论研究。对两种模型化合物分别设计了三种热解反应途径,计算了不同温度下各热解反应途径的标准热力学及动力学参数。计算结果表明,纤维素热解过程中CO₂和CO的逸出分别与脱羧基和脱羰基反应相对应,脱羧基和脱羰基反应均为分子内氢原子转移的协同过程。脱羰基反应是吸热反应,而脱羧基反应是放热反应。饱和丁醇醛的脱羰基反应反应能垒为288.8 kJ/mol,脱水后的不饱和烯醇醛的脱羰基反应能垒增大;饱和丁醇酸的脱羧基反应能垒较高,为303.4 kJ/mol,脱水后的不饱和烯醇酸的脱羧基反应能垒明显减小,这说明脱水有利于CO₂的生成。     

氢键链质子接受能力对质子转移反应影响的理论研究

采用密度泛函B3LYP方法,6-311+g(d,p)基组,对甲酸与质子性溶剂分子形成的HCOOH-S_1-S_2(S_1和S_2分别为H_2O和NHF2)复合物在气相时发生的基态三质子转移反应过程进行了理论研究.4个甲酸复合物HCOOH-H_2O-H_2O,HCOOH-NHF2-NHF2,HCOOH-H_2O-NHF2及HCOOH-NHF2-H_2O中发生的三质子转移反应都是以异步协同质子迁移方式进行的.甲酸复合物中的氢键链组成和连接方式对基态三质子转移反应能垒有显著影响.HCOOH-S_1-S_2复合物中氢键链的质子接受能力可以表示为a×β1+b×β2(a+b=1).当a=0.45,b=0.55时,HCOOH-S_1-S_2中氢键链的质子接受能力和HCOOH-S_1-S_2复合物中的质子转移反应能垒成线性关系.氢键链的质子接收能力越强,反应能垒越低.     

β-羟基丙醛基态与激发态氢迁移反应的从头算研究

本文用从头算RHF和UHF方法在3-21G基组上研究了β-羟基丙醛基态和激发态分解为甲醛和乙烯醇的反应机理。优化得到了各反应途径的过渡态和中间体, 其结果为: 基态β-羟基丙醛经过一个六元环过渡态和一个氢键中间体形成产物, 反应属于氢迁移和断键的协同过程; 激发三态β-羟基丙醛的分解途径首先经过一个氢迁移六元环过渡态形成双自由基中间体, 然后该中间体的分解包括两条相互竞争的途径, 它们各自经过一个断碳碳键的过渡态和一个氢键激-基态配合物中间体而形成两类产物, 一类为甲醛的基态和乙烯醇的激发态, 另一类为甲醛的激发态和乙烯醇的基态。激发态反应的两条通道均属于先氢迁移后断键分解的分步过程, 且反应的第二步为速控步骤。计算结果表明, 激发态反应活化位垒都比基态的低。     

喹唑啉酮互变异构的理论计算

采用密度泛函理论B3LYP/6-311+G(d,p)方法,计算并考察了喹唑啉酮进行结构互变的质子迁移过程的两种可能途径:(a)分子内质子迁移,(b)水助质子迁移.结果表明,途经b所需要的能垒小,氢键在降低反应能垒方面起重要作用.     

水合甘氨酸体系水桥式质子迁移的理论研究

水分子与甘氨酸作用会导致甘氨酸羧基上的质子迁移到氨基上,质子可以通过水分子链进行迁移。采用密度泛函理论的B3LYP/6-31++g**方法研究了水分子链的逐渐增长（1~5个水分子）对质子迁移的影响,发现水分子数少于5时,质子迁移一步完成;水分子数为5时,质子迁移经由一个中间体,需两步完成;水分子链的增长使质子迁移反应的自由能越来越低,但是反应的活化能越来越高,即在热力学上有利于质子迁移反应,在动力学上不利于质子迁移反应。     

L-缬氨酸旋光异构的两种光反应可能途径

利用密度泛函理论(DFT)和从头算分子轨道理论对L-缬氨酸的旋光异构光反应机理进行了研究. 分别用B3LYP和MP2方法在6-311++G(d, p)基组级别上全优化得到了S₀和T₁态反应路径上的反应物、产物、中间体以及过渡态结构的几何构型, 给出了反应能垒, 利用含时密度泛函理论(TD-DFT)中的B3LYP/6-311++G(d, p)方法优化得到了S₁态反应路径上的平衡态几何构型. 通过分析反应途径上各个驻点的几何构型特征, 确定了L-缬氨酸在激发态可能通过手性碳上的氢原子以羰基氧或氨基氮为中转媒介发生质子迁移来完成旋光异构反应. 进一步用自洽反应场理论中的极化连续模型(PCM)方法探讨了溶剂化效应对旋光异构反应机理的影响.     

丙酮酸和苯甲酰甲酸热分解反应的速率常数

用从头算方法在6-31G的水平上研究了丙酮酸和苯甲酰甲酸热分解反应的机理．反应过程中各驻点都进行MP2相关能校准．计算结果表明：这两个反应都是羟基氢经历五元环过渡态迁移到α-羰基氧上形成氢键中间体;然后氢键中间体直接分解成异构体和二氧化碳;最后异构体经历三元环过渡态异构化成相应的醛．其中氢迁是决速步骤．在MP2／6-31G／／HF／6-31G基础上,对应于这两个反应速控步骤的活化位垒分别是186．0kJ·mol-1和169．3kJ·mol-1．在传统过渡态理论的基础上,计算了这两个反应在一定温度范围内热速率常数,理论的计算结果与实验值有很好的吻合．