FCC汽油噻吩类硫化物烷基化硫转移反应机理的量子化学

 以各种甲基噻吩与2-甲基丁烯-2在催化剂作用下的烷基化反应为模型反应,对 FCC 汽油的噻吩类硫化物的定位效应和烷基化反应机理进行了从头算的量子化学研究。采用 LST/QST/CG 进行过渡态搜索,验证仲正碳离子进行重排转变为叔正碳离子的可行性和具体途径。结果表明,计算得到的叔正碳离子的能量低于仲正碳离子的,仲正碳离子重排为叔正碳离子是放热过程,该反应的能垒仅19.74 kJ/mol。2-甲基噻吩的烷基化反应是典型的亲电取代反应,对中间体 IM 及产物P进行结构优化,以分子复合物R和 IM 为起点进行 LST/QST/CG 过渡态搜索,所得过渡态TS1 经优化后的几何构型的能量为-2.072×10⁶ kJ/mol,在132 cm^-1有唯一的虚频;以 IM 和P为起点进行LST/QST/CG 过渡态搜索,所得过渡态 TS2经优化后的能量为-2.071×10⁶ kJ/mol, 在128.9 cm^-1处有唯一虚频。     

异丁烷-丁烯烷基化体系基元反应网络研究

利用分子模拟方法,对异丁烷-丁烯烷基化反应体系中C₄和C₈碳正离子可能进行的各类基元反应进行了研究。结果表明,对于C₄碳正离子而言,2种伯丁基碳正离子的能量明显较高,而仲丁基碳正离子和叔丁基碳正离子的能量分别比伯正丁基碳正离子低71.94kJ/mol和125.99kJ/mol;对于C₈碳正离子而言,所有的伯碳正离子在结构优化时,均自发地异构成了相应的C₈仲碳正离子或叔碳正离子。这表明异丁烷-丁烯烷基化反应体系中C₄和C₈伯碳正离子不可能存在,或者说存在几率很低。依据量子化学计算结果,确定了异丁烷-丁烯烷基化反应体系中可能存在的碳正离子中间体,依据碳正离子反应假设,确定了12种烯烃质子化反应、29种碳正离子异构化反应、32种碳正离子与丁烯的加成反应、30种碳正离子与异丁烷之间的负氢离子转移反应和18种碳正离子脱附反应。在此基础之上,构建了涉及60个物种和121个基元反应的具有较强预测能力的基元反应网络。     

酸催化下四氢呋喃阳离子均聚机理的量子化学研究

 摘要：应用量子化学方法探讨了酸催化下四氢呋喃的阳离子均聚机理。在Gaussian03软件中，采用DFT中的B3LYP/6-311G++(d,p)方法对四氢呋喃、仲氧鎓离子以及叔氧鎓离子进行了几何构型的全优化，确定了各个构型的电子结构、键长和前线轨道能量等参数，并运用前线轨道理论从微观层次上分析了四氢呋喃的阳离子均聚机理。求取了四氢呋喃与仲氧鎓离子反应的过渡态，并根据频率分析和内禀反应坐标计算对该过渡态的合理性进行了确认，绘出了该步反应的势能面曲线，得到该步反应的能垒为182.012 kJ/mol。     

庚烯与H2S在酸性催化剂上反应机理研究II-噻吩/烷基噻吩生成机理

 为了研究催化裂化汽油中噻吩类含硫化合物的生成机理，分别在小型固定流化床(FFB)装置和小型流化床装置(ACE)中考察了庚烯与H₂S、己硫醇在固体酸催化上的反应。结果表明，在固体酸催化剂上己硫醇主要分解为H₂S与烯烃，转化为噻吩类含硫化合物的概率很小。因此，在庚烯与H₂S反应中，噻吩及烷基噻吩的生成不是以饱和硫醇为过渡态，而是以不饱和硫醇为过渡态。烯烃在催化剂的L酸中心作用下失去负氢离子生成烯基正碳离子，烯基正碳离子与H₂S结合生成不饱和硫醇，不饱和硫醇接着进行负氢离子转移、环化，并进一步脱氢生成噻吩或烷基噻吩。在400℃~500℃下, 噻吩及烷基噻吩的生成反应是吸热反应，其平衡收率比较高。不饱和硫醇过渡态经负氢离子转移、环化后再夺氢生成四氢噻吩的反应是放热反应, 平衡收率很低。固体酸催化剂提供了大量具有脱氢活性中心的L酸，且烯烃与H₂S在贫氢的酸催化环境里反应只有生成具有共轭结构的五元噻吩才是最稳定的，因此噻吩或烷基噻吩是烯烃与H₂S反应的主要产物。噻吩与烯烃发生烷基化反应生成烷基噻吩，烷基噻吩在酸性催化剂表面上发生负氢离子转移、环化、脱氢反应生成甲基苯并噻吩。     

Hβ催化剂上噻吩烷基化脱硫

以己烯-噻吩-二甲苯-甲基环己烷模拟FCC汽油体系、Hβ为催化剂进行了噻吩烷基化脱硫的研究,结合理论分析和实验结果发现,在此体系中的反应以噻吩烷基化、二甲苯烷基化和己烯低聚为主.随着反应的进行,噻吩烷基化、二甲苯烷基化和己烯低聚过程的产物分布变化存在明显区别.     

催化裂化生成干气的反应机理研究

 以4-甲基辛烷、4- 乙基辛烷为模型化合物，采用分子模拟技术，研究了催化裂化过程生成干气的反应化学。结果表明，烷烃分子首先在催化剂酸性中心作用下发生质子化反应，烷烃分子链上易受到氢质子进攻的位置一般在其叔碳原子或碳链中心碳原子附近的C-H键或C-C键处，形成反应过渡态-五配位正碳离子，反应过渡态主要以桥式结构形式存在，随后共价键的异裂主要发生在烷烃分子链上桥式活化结构α位的C-H键或C-C键处，前者异裂生成H2，当后者相连的是小于碳三的小分子基团时，异裂就会生成CH4、C2H6、C2H4等干气分子。     

HY催化C4烷基化中异丁烯质子化反应的分子模拟

采用MS QMERA中QM和MM（量子力学和分子力学）相结合的方法,选用84T HY分子筛簇模型,研究了HY分子筛催化C4烷基化反应中异丁烯质子化反应过程。结果表明,异丁烯首先吸附在分子筛上形成π-络合物,再通过正碳离子的过渡态生成表面烷氧基团;质子化反应的活化能能垒为98.74 kJ/mol,比单纯H⁺进攻异丁烯的能垒高。过渡态时烷基片段的正电荷数最高（0.675 e）,且过渡态构象对应于势垒的最高点,极易向反应物或产物转化;同时,过渡态时Al-O1和 Al-O2的键长大致相等,而在反应物和生成物时的键长差异较大,表明处于过渡态的正碳离子不稳定。     

碱处理ZSM-5分子筛催化噻吩烷基化反应性能及其反应动力学

分别采用Na2CO3和TPA+/CO_3~(2-)混合碱处理ZSM-5分子筛,用XRD、SEM、BET和Py-IR等手段对碱处理前后的ZSM-5分子筛催化剂进行表征,并考察其催化噻吩烷基化反应性能。结果表明,TPA+/CO_3~(2-)混合碱处理后的ZSM-5分子筛(HZ(CO_3~(2-)-TPA+))比表面积和孔径最大、B酸量最多且最适合催化噻吩烷基化反应。在反应温度120℃、反应压力1.0 MPa、反应空速1.0h-1、反应时间6.0h,HZ(CO_3~(2-)-TPA+)分子筛催化噻吩烷基化转化率最高,为99.1%。在最佳工艺条件下研究了碱处理前后ZSM-5分子筛催化噻吩烷基化反应动力学。结果表明,碱处理前后ZSM-5分子筛催化噻吩烷基化反应动力学均符合一级反应速率方程,HZ、HZ(CO_3~(2-))、HZ(CO_3~(2-)-TPA+)分子筛上噻吩类硫化物烷基化反应的活化能分别为57.15kJ/mol、49.14kJ/mol、43.71kJ/mol,反应指前因子分别为1.660×107 h-1、4.335×106 h-1、1.365×106 h-1。     

离子液体催化二苯醚与正十二烯单烷基化反应的研究

研究以氯代1-丁基-3-甲基咪唑氯铝酸盐([BM IM]C l-A lC l3)离子液体为催化剂催化二苯醚与正十二烯的单烷基化反应,采用气-质联用技术对产物进行分析,考察反应温度、离子液体与正十二烯的摩尔比以及离子液体中A lC l3的摩尔分数(即离子液体的酸强度)等反应条件对产物选择性的影响。实验结果表明,反应温度的升高有利于4-位异构体的生成;当反应温度为80℃、离子液体与正十二烯的摩尔比为0.50、离子液体的酸强度为0.67时,产物十二烷基二苯醚中5-位和6-位异构体的选择性最高,可达33.99%。     

N-羟乙基取代2,3,3-三甲基吲哚方酸菁染料的铜离子识别性能

以2,3,3-三甲基-3 H吲哚为原料,与2-溴乙醇发生烷基化反应后得到N-羟乙基-2,3,3-三甲基-3 H吲哚溴盐中间体,再将所得的季铵盐与方酸脱水缩合反应得到方酸菁染料。在吲哚烷基化反应中,n(2,3,3-三甲基-3 H吲哚)∶n(2-溴乙醇)=1∶1.1,在78℃反应8.5h,收率为50.73%;在脱水缩合反应中,n(N-羟乙基-2,3,3-三甲基-3 H-吲哚)∶n(方酸)=2∶1,在118℃反应24h,收率为51.25%。该染料对于金属铜离子具有较高的灵敏性和选择性,方酸菁染料在铜离子作用下吸收和发射光谱中主峰均发生蓝移,且铜离子识别范围在(1~5.5)×10-5 mol/L,染料与铜离子的结合比为2∶1,推测了染料与铜离子的结合机理。     

N-羟乙基取代2,3,3-三甲基吲哚方酸菁染料的铜离子识别性能

以2,3,3-三甲基-3 H吲哚为原料,与2-溴乙醇发生烷基化反应后得到N-羟乙基-2,3,3-三甲基-3 H吲哚溴盐中间体,再将所得的季铵盐与方酸脱水缩合反应得到方酸菁染料。在吲哚烷基化反应中,n(2,3,3-三甲基-3 H吲哚)∶n(2-溴乙醇)=1∶1.1,在78℃反应8.5h,收率为50.73%;在脱水缩合反应中,n(N-羟乙基-2,3,3-三甲基-3 H-吲哚)∶n(方酸)=2∶1,在118℃反应24h,收率为51.25%。该染料对于金属铜离子具有较高的灵敏性和选择性,方酸菁染料在铜离子作用下吸收和发射光谱中主峰均发生蓝移,且铜离子识别范围在(1~5.5)×10-5 mol/L,染料与铜离子的结合比为2∶1,推测了染料与铜离子的结合机理。     

液相与气相碳四烷基化反应热力学的异同

针对异丁烷和2-丁烯烷基化反应过程,进行了液相和气相反应的热力学计算,包括反应焓、吉布斯自由能、热力学常数及平衡组成。分析了液相碳四烷基化与气相碳四烷基化反应热力学的异同。结果表明,液相碳四烷基化反应的平衡常数比气相的高3~5个数量级,表明烷基化反应在液相条件下更容易自发进行。液相碳四烷基化的三甲基戊烷(TMP)平衡选择性高于气相的。气相烷基化反应产物的平衡选择性对温度和压力的变化更敏感。正丁烷的添加对气相和液相2种碳四烷基化反应条件下的平衡选择性和平衡转化率均无影响。从热力学角度看,碳四烷基化反应更适宜在液相条件下进行。     

庚烯与H2S在酸性催化剂上的反应机理 Ⅰ.硫醇、硫醚生成机理

为了研究催化裂化汽油中硫化物的生成机理,在小型固定流化床(FFB)装置中考察了不同质量分数的庚烯与H2S在固体酸催化剂上的反应.结果表明,庚烯与H2S的反应主要生成噻吩类硫化物、部分硫醇、少量硫醚和痕量四氧噻吩等硫化物;庚烯质量分数越高,生成硫化物的量越多;噻吩类硫化物中生成量最大的甲基苯并噻吩的生成量也随着庚烯质量分数增加而线性增长.烯烃在催化剂B酸活性中心上吸附形成正碳离子,正碳离子与H2S结合生成硫醇,硫醇的生成遵循正碳离子机理.硫醇与烯烃反应生成硫醚.当反应温度为400～500℃,庚烯与H2S反应中,生成硫醇、硫醚的反应均为放热反应,硫醇的平衡收率较低,硫醚的平衡收率更低一些.     

2-噻吩乙酸合成方法的改进

以噻吩、乙酸酐为原料,考察了不同催化剂对噻吩酰基化反应的影响;以中间产物2-乙酰噻吩(Ⅰ)为原料,研究了溶剂、相转移催化剂对中间产物氧化重排反应的影响。实验结果表明:负载型杂多酸H3PW12O40/SiO2为酰基化反应适宜催化剂。在氯仿为溶剂,适量聚乙二醇400作为相转移催化剂时,中间产物2-乙酰噻吩氧化重排生成2-噻吩乙酸甲酯(Ⅱ),(Ⅱ)经水解得产物2-噻吩乙酸(Ⅲ),经重结晶后产物产率可达66.8%。用1 H NMR,IR对产物结构进行了表征。     

二甲苯异构化的反应化学

采用分子模拟计算方法计算了二甲苯的分子轨道、3种二甲苯与H⁺之间的相互作用,以及二甲苯异构化过程中2种分子内反应机理的能量路径和过渡态。结果表明,苯环骨架异构（简称1,3-迁移）的过渡态路径比甲基在苯环上转移（简称1,2-迁移）路径复杂,且1,3-迁移路径过渡态最高能垒值220.5 kJ/mol远高于1,2-迁移的过渡态最高能垒85.1 kJ/mol。由此推测,甲基在苯环上转移的1,2-迁移为二甲苯分子内异构化反应的主要机理路径。     

原油中金刚烷同系物同分异构体丰度差异及影响机制

塔里木盆地轮古地区原油主要受到了气洗与热裂解这2种次生作用影响，使得原油具有较高丰度的金刚烷组分。采用GC?MS?MS技术定量表征全油中的金刚烷系列化合物，分析了不同成熟度油样中各金刚烷及其同系物同分异构体的相对丰度，发现无论是金刚烷同分异构体还是金刚烷同系物之间，均表现出以下特征：成熟度较低的油样中仲碳位取代的金刚烷占优，而成熟度较高的原油中叔碳位取代的金刚烷较高。这表明原油中金刚烷同系物异构体的丰度差异可以作为区分油样成熟度的定性指标。从化学机理方面应用价键理论分析认为，仲碳位取代金刚烷异构体中1个sp³杂化轨道被C—H单键占据，叔碳位取代金刚烷异构体4个sp³杂化轨道均被C—C单键占据，所以叔碳位取代金刚烷的原子轨道重合度高，键能大，可能是金刚烷系列中甲基取代在叔碳位比在仲碳位的热稳定性更高的本质原因。同时随着金刚烷碳数增加，化合物饱和蒸气压递减的物理性质也解释了气洗作用对金刚烷系列化合物差异化富集的现象。     

离子液体合成长链烷基苯

以常压下合成的氯代1-丁基-3-甲基咪唑氯铝酸盐([BMIM]Cl-AlCl3)离子液体作催化剂,通过正交实验考察其对苯与正十二烯的烷基化反应性能,研究了温度、苯/烯摩尔比和离子液体量等反应条件对转化率和2-位异构体选择性的影响。与传统催化剂相比,降低了反应温度、苯/烯摩尔比和催化剂用量。离子液体在25℃、AlCl3/正十二烯摩尔比为0.07、苯/烯摩尔比等于8时就具有很高的催化活性。     

HY分子筛催化异丁烷/丁烯烷基化反应中氢负离子转移过程的模拟

建立了120T HY分子筛模型,应用QM/MM方法,揭示了叔/仲丁基烷氧基团(t-butyl alkoxide/s-butyl alkoxide,TBA/SBA)与异丁烷分子发生氢负离子转移反应的机理,并分析比较了二者的异同。结果表明,碳正离子是氢负离子转移反应的过渡态。与TBA相比,SBA与异丁烷分子发生氢负离子转移反应的能垒高出27.5kJ/mol。这是由于TBA的C—O键长大于SBA,因而C—O键断裂所需能量更低,导致反应能垒更低。C—O键断裂后,TBA生成叔丁基碳正离子,SBA生成仲丁基碳正离子,前者中心碳原子所带电荷大于后者,因而与仲丁基碳正离子相比,叔丁基碳正离子更容易与异丁烷分子形成C—H—C"三中心两电子"结构。     

大孔磺酸树脂CT175催化噻吩与异丁烯烷基化硫转移反应的研究

以CT175树脂为催化剂,考察了噻吩与异丁烯烷基化的反应性能。研究结果表明,CT175树脂催化剂在常压、80℃、气体(异丁烯与氮气摩尔比为1/1)流量7.5 ml/min、反应液体原料(含4 g/L噻吩的苯溶液)质量空速2.64h-1的条件下,噻吩烷基化转化率高达99％以上。并用不同原料对CT175树脂催化噻吩与异丁烯烷基化反应中的失活行为及再生性能进行了考察,研究发现,原料中的二烯烃是导致催化剂失活的主要原因,失活后的催化荆的再生实验表明此催化剂有良好的再生性能。     

FCC汽油硫化物在ZSM-5催化剂上的加氢脱硫路径

 采用气相色谱-原子发射光谱(GC-AED)方法,考察了催化裂化(FCC)汽油中的硫化物和相应模型硫化物在ZSM-5催化剂上的催化转化性能.结果表明, FCC汽油硫化物总转化率为86.3%, 其中,硫醚和四氢噻吩的转化率都达到100%, 硫醇、噻吩、烷基噻吩和苯并噻吩的转化率分别为96.6%、78.8%、85.8%和81.4%. 3-甲基噻吩在ZSM-5催化剂上的转化产物中含有噻吩、2-甲基噻吩、2,5-二甲基噻吩、2,4-二甲基噻吩和2,3-二甲基噻吩.烷基噻吩和苯并噻吩硫化物在ZSM-5催化剂上脱硫反应网络中, 一方面含有直接加氢脱硫反应, 另一方面含有包括歧化、异构化和裂解等反应的间接加氢脱硫反应.