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H-ZSM-5分子筛催化4-MBP与甲醇甲基化的反应机理
引用本文:李玲玲,聂小娃,宋春山,郭新闻. H-ZSM-5分子筛催化4-MBP与甲醇甲基化的反应机理[J]. 物理化学学报, 2015, 31(1): 56-66. DOI: 10.3866/PKU.WHXB201411052
作者姓名:李玲玲  聂小娃  宋春山  郭新闻
作者单位:1. 辽宁科技学院冶金工程学院,辽宁 本溪 117004; 大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,PSU-DUT联合能源研究中心,辽宁 大连116024
2. 大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,PSU-DUT联合能源研究中心,辽宁 大连116024; 宾夕法尼亚州立大学能源与矿物工程系能源研究所,PSU-DUT联合能源研究中心,宾夕法尼亚16802,美国; 宾夕法尼亚州立大学化学工程系,宾夕法尼亚16802,美国
3. 佐治亚理工学院化学与生物工程学院,亚特兰大30332-0100,美国
4. 大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,PSU-DUT联合能源研究中心,辽宁 大连116024
基金项目:辽宁省教育厅科学研究一般项目基金(L2014503), 辽宁科技学院博士科研启动基金项目(1406B08), 新世纪优秀人才项目(NCET-04-0268)及教育部111计划工程基金和大连理工大学网络与信息化中心高性能计算部资助
摘    要:4,4?-二甲基联苯(4,4?-DMBP)是生产高性能聚合物材料的重要前驱体,可以通过4-甲基联苯(4-MBP)甲基化制得.本文采用“our own-N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)方法研究H-ZSM-5分子筛孔内4-MBP和甲醇择形甲基化的反应机理,考虑了分步和协同反应机理.分步机理的活化能低于协同机理.在两种反应机理中,4,4?-DMBP为动力学优先生成产物.过渡态择形的特征也使甲基化更容易生成4,4?-DMBP.在分子筛孔内,4-MBP 异构化生成3-甲基联苯(3-MBP)的反应被抑制.在分子筛外表面,4-MBP异构化生成3-MBP比甲基化反应更有动力学优势,导致4,4?-DMBP选择性降低.对外表面进行改性将会抑制4-MBP异构化反应,并使反应在分子筛孔内进行,因此可以提高4,4?-DMBP的选择性. H-ZSM-5催化择形和非择形反应的计算结果与实验现象一致.

关 键 词:ONIOM  甲基化  甲醇  4-MBP  H-ZSM-5  
收稿时间:2014-09-16
修稿时间:2014-11-05

Reaction Mechanism of Methylation of 4-Methylbiphenyl with Methanol over H-ZSM-5 Zeolite
LI Ling-Ling , JANIK J Michael , NIE Xiao-Wa , SONG Chun-Shan , GUO Xin-Wen. Reaction Mechanism of Methylation of 4-Methylbiphenyl with Methanol over H-ZSM-5 Zeolite[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2015, 31(1): 56-66. DOI: 10.3866/PKU.WHXB201411052
Authors:LI Ling-Ling    JANIK J Michael    NIE Xiao-Wa    SONG Chun-Shan    GUO Xin-Wen
Abstract:Themethylation of 4-methylbiphenyl (4-MBP) can yield 4,4''-dimethylbiphenyl (4,4''-DMBP), an important precursor for advanced polymers. The reaction mechanismof the shape-selective methylation of 4-MBP with methanol within the pores of H-ZSM-5 zeolite was studied, using“our own-N-layered integrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM) and density functional theory (DFT) methods. Stepwise and concerted mechanisms were considered, with the former having a lower activation energy. 4,4''-DMBPis kinetically favored by both mechanisms. Transition state selectivity accounts for the preferential methylation to 4,4''-DMBP. The isomerization of 4-MBPto 3-methylbiphenyl (3-MBP) is restricted within the zeolite. The isomerization of 4-MBP to 3-MBPis kinetically favored over methylation on the external zeolite surface, which causes a decrease in 4, 4''-DMBP selectivity. Passivating the external surface will suppress 4-MBP isomerization, therefore increasing 4,4''-DMBP selectivity by restricting reaction within the zeolite. The computational results of shape-selective and non-selective reactions over H-ZSM-5 zeolite well account for the experimental observations.
Keywords:ONIOM  Methylation  Methanol  4-MBP  H-ZSM-5
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