Observation of conformation-specific pathways in the photodissociation of 1-iodopropane ions.

Many molecules can rotate freely around single bonds and thereby interconvert between different conformations, such as gauche and anti 1,2-disubstituted ethane, a classic example of conformational isomerism. Even though rotation occurs rapidly at room temperature, the product selectivity seen in some reactions has been explained by conformation-dependent reaction mechanisms: if reactant molecules differing only in their conformation are located at different positions on the reaction path, they may undergo different reactions. But a direct verification of this effect is difficult, because the energy barrier separating conformational isomers is so low that under ambient conditions reactants with more than one conformation will be present. But by using temperatures low enough to suppress the interconversion between different conformations, gauche-1-iodopropane ions and anti-1-iodopropane ions have been selectively generated. Here we show that the kinetic energy released during the photodissociation of 1-iodopropane ions depends strongly on the conformation of the ions. Thermodynamic arguments and ab initio calculations indicate that this difference in kinetic energy release results from differences in the reaction mechanism, with gauche-1-iodopropane ions forming 2-propyl ions and anti-1-iodopropane ions forming protonated cyclopropane ions. These findings suggest that the well-known concept of conformation selection forms the basis of a simple scheme for reaction control, thus providing in some cases an attractive alternative for more involved schemes that utilize the phase and pulse shape of laser beams to control chemical reactions.     

A class of non-precious metal composite catalysts for fuel cells

Fuel cells, as devices for direct conversion of the chemical energy of a fuel into electricity by electrochemical reactions, are among the key enabling technologies for the transition to a hydrogen-based economy. Of several different types of fuel cells under development today, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have been recognized as a potential future power source for zero-emission vehicles. However, to become commercially viable, PEFCs have to overcome the barrier of high catalyst cost caused by the exclusive use of platinum and platinum-based catalysts in the fuel-cell electrodes. Here we demonstrate a new class of low-cost (non-precious metal)/(heteroatomic polymer) nanocomposite catalysts for the PEFC cathode, capable of combining high oxygen-reduction activity with good performance durability. Without any optimization, the cobalt-polypyrrole composite catalyst enables power densities of about 0.15 W cm(-2) in H2-O2 fuel cells and displays no signs of performance degradation for more than 100 hours. The results of this study show that heteroatomic polymers can be used not only to stabilize the non-precious metal in the acidic environment of the PEFC cathode but also to generate active sites for oxygen reduction reaction.     

Forward scattering due to slow-down of the intermediate in the H + HD --> D + H(2) reaction

Quantum dynamical processes near the energy barrier that separates reactants from products influence the detailed mechanism by which elementary chemical reactions occur. In fact, these processes can change the product scattering behaviour from that expected from simple collision considerations, as seen in the two classical reactions F + H(2) --> HF + H and H + H(2) --> H(2) + H and their isotopic variants. In the case of the F + HD reaction, the role of a quantized trapped Feshbach resonance state had been directly determined, confirming previous conclusions that Feshbach resonances cause state-specific forward scattering of product molecules. Forward scattering has also been observed in the H + D(2) --> HD + D reaction and attributed to a time-delayed mechanism. But despite extensive experimental and theoretical investigations, the details of the mechanism remain unclear. Here we present crossed-beam scattering experiments and quantum calculations on the H + HD --> H(2) + D reaction. We find that the motion of the system along the reaction coordinate slows down as it approaches the top of the reaction barrier, thereby allowing vibrations perpendicular to the reaction coordinate and forward scattering. The reaction thus proceeds, as previously suggested, through a well-defined 'quantized bottleneck state' different from the trapped Feshbach resonance states observed before.     

限域在扶手椅型SWBNNT内Lys分子手性转变的反应机理

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法, 研究限域在扶手椅型单壁氮化硼纳米管(SWBNNT)内赖氨酸(Lys)分子手性转变的反应机理. 采用原子中心密度矩阵传播（ADMP)分子动力学方法, 研究Lys分子在SWBNNT(5,5)内手性转变反应通道入口与出口势能面上的动态反应路径, 给出中间体和产物的微观动态反应图像. 结果表明： 随着纳米管管径的减小, 限域其中的Lys分子骨架C原子间的键角明显增大; 手性C上的H与氨基N的距离逐渐变小; 在SWBNNT(5,5)内, 通过2个基元反应Lys分子实现了手性转变; 在SWBNNT(6,6)和SWBNNT(7,7)内, 通过3个和4个基元反应Lys分子实现了手性转变 ; 在SWBNNT(5,5)内, Lys分子手性转变反应决速步骤自由能垒降为最低值190.1 kJ/mol. 在 SWBNNT(7,7)内, 决速步骤能垒与裸反应基本相同.     

煤热解过程中二次反应作用建模

为了弥补实验方法在研究煤热解中二次反应机理的不足,基于单体结构、碎片断裂、官能团理论和化学反应原理,建立了改进的煤粉热解模型。该模型可以由煤粉特性、反应条件预测热解产物产率及释放过程,将挥发份释放的模拟结果与一些实验结果比较,吻合较好。在此模型基础上,研究产物释放随终温的变化及二次反应的作用。结果表明:反应终温升高挥发份产率的增加主要来源于轻质气体的增加。一次反应气体产物的二次反应对热解过程有抑制作用,随着反应进行,由于化学反应平衡的移动,该抑制作用减弱,通过化学平衡原理分析了该作用的机理。     

NH2与ClO自由基反应机理

利用量子化学理论方法。研究了与大气臭氧层损耗密切相关的自由基反应NH2＋ClO的微观机理。在密度泛函B3LYP／6-311＋G（d,p）水平上优化得到反应路径上的反应物，过渡态，中间体和产物的几何构型，并通过振动频率分析对过渡态和中间体进行了确认。在高级电子相关组态相互作用QCISD（T）／6-311＋G（d，p）水平上进行了单点能计算，得到了反应体系的势能面信息,结果表明，该反应经过缔合、H-转移和离解等过程，最终可以得到五种产物，分别为H2NO＋Cl，H2NClO，HCl＋HNO，H2＋NO＋Cl和NH＋HClO,由于形成产物H2NO＋Cl的活化势垒较低，因而是主要反应通道，而形成产物NH＋HClO的通道从动力学上看是最不利的。     

腺嘌呤质子迁移异构化反应及其芳香性的密度泛函研究

用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-31G**水平上研究了腺嘌呤的分子内质子迁移异构化反应,对反应势能面进行了研究,对反应物、产物和过渡态进行了几何构型优化,在同一水平下计算了单点能量,并用频率振动模式和内禀坐标(IRC)确证了过渡态的存在,反应的活化能为184.96KJ/mol.在GIAO-HF/6-31G*//B3LYP/6-31G**水平对反应物、产物和过渡态的非相关性化学位移(NICS)进行了计算,利用NICS 值对反应过程中芳香性进行分析,发现在异构化反应过程中六员环的芳香性变化很大而五员环的芳香性基本不变.     

CH_xO(x=1,2)与NH_y(y=0,1,2)自由基反应机理的理论计算

采用MP2方法,在6-311G**和6-311++G**基组水平上优化CH2O、CHO分别与N、NH、NH2发生吸氢反应时的过渡态结构,通过振动分析,对过渡态结构进行确认;在此基础上,应用IRC理论分析了最小能量途径(MEP)上相互作用分子间化学键的变化;采用QCISD方法在6-311++G**基组水平下对各反应驻点进行单点能量校正,计算了反应活化位垒.研究表明所有反应均以协同方式进行,从反应物CH2O与N、NH、NH2到最终产物CO、NH3,反应均放热,产物渐趋稳定;6个反应中,链式反应(1)、(5)是最容易的反应途径.通过反应途径的量子拓扑分析,发现CH2O与N、NH、NH2反应化学键的断开与形成基本上都处于过渡态(S=0)附近,CHO与N、NH、NH2反应时,键的形成和断开在过渡态之后.     

生物柴油多组分替代混合物化学反应路径分析

采用MD、MD9D和正庚烷三组分作为生物柴油混合替代物,替代物机理包含3 299种组分、10 806个基元反应。应用CHEMKIN-PRO反应速率分析法对燃烧氧化过程中燃料分子高低温主要反应路径和重要中间组分衍化过程进行了详细探究。结果表明:MD和MD9D在低温阶段主要通过脱氢加氧、异构化反应以及酮类物质的分解反应进行消耗,高温阶段主要是低温反应中间产物C—O、C—C键β分解反应、部分高温脱氢以及异构化反应最终生成C_2H_4等小分子产物。另外,MD和MD9D中不同碳原子位置C—H键能不同,邻近羧基以及C≡C双键碳原子处C—H键较弱,易发生脱氢反应生成烷酯基。在过氧酯基异构化生成过氧羧酯基过程中,不同环数过渡环张力大小以及反应势垒不同,异构化难易程度不同,而六元过渡环的张力较小,反应势垒较低,最易发生异构化反应,异构化反应产物更多。     

CO与HO2或NO2反应机理的计算研究

用密度泛函DFT（B3LYP）方法和MP2从头算方法，在6-311G（d，p），6-311＋＋G（d，p）基组水平上研究了CO＋HO2-C02＋OH，CO＋NO2-CO2＋NO2个反应的过渡态结构和反应机理，沿IRC分析指出反应均为协同完成的一步反应．同时计算了2个反应的活化位垒和反应焓变，并与实验估计值进行了比较．对CO与H02的反应采用MP2／6—311＋＋G（d，p）方法，计算所得反应位垒为100．98kJ／mol，与实验估计值93．60kJ／mol基本接近，对CO与N02的反应采用B3LYP／6—311＋＋G（d，p）方法，计算所得反应位垒为115．99kJ／mol，比实验估计值141．51kJ／mol低25．52kJ／mol．计算同时表明2个反应均为放热反应．     

熔合势垒厚度对熔合截面的影响

用多级势近似的方法计算了不同熔合势垒厚度对反应体系16O＋208Pb熔合几率的影响.计算表明,对垒下熔合,随着势垒厚度的增加,隧穿几率快速下降,入射能越低下降的越快;对垒上熔合,隧穿几率会随着势垒厚度的增加而增加,入射能越大上升的越快.如果选择适当的势垒厚度,可以使计算结果与实验数据符合的更好.这为进一步澄清熔合反应中熔合势垒的形状、极端垒下重离子熔合机制等相关研究提供参考.     

化学势的特征及外场作用下的普遍化表达形式

化学势是热力学强度量,在讨论组分可变的多组元热力学系统中有着重要的应用,介绍了化学势的引入过程和基本定义以及在不同状态下的表达式,论证了化学势是判断化学平衡的依据;证明了化学势是扩散、相变和化学反应的推动力。在能量公设的基础上,证明了在外场作用下化学势不仅与温度、压强及各组分的摩尔质量有关,还与外场的特征参数有关,导出了外场作用下化学势的普遍化表达式。利用这个普遍化表达式解释了地球表面大气的平衡分布。导出的外场作用下化学势的普遍化表达式为利用外场的协同作用强化传质过程提供了理论指导。     

丙烯酸丁酯共聚单元对氯乙烯聚合物热降解过程的影响

本文利用热重和DSC法研究了丙烯酸丁酯(BA)共聚单元对氯乙烯(VC)聚合物热降解过程的影响,发现VC-BA共聚物的侧基消除起始温度比PVC降低,而峰值温度和主链裂解温度却提高,侧基上有残存的C=O基存在,不象PVC侧基消除时伴有主链裂解产物选出。BA单元的引入,虽降低了侧基的热稳定性,却提高了消除反应及其产物共轭多烯的稳定性。B A对热降解的反应热效应影响不大。     

凝胶注模制备的铝铜坯体脱脂过程及动力学

通过凝胶注模工艺,采用非水基凝胶体系,成功地制备铝铜坯体.通过扫描电镜观察脱脂前聚合物完全包裹粉末颗粒,脱脂后金属坯体中聚合物完全脱除.通过反应机理得出聚合物三维网络结构的化学式.采用热分析手段、热重和红外连用系统分析金属坯体的脱脂过程,根据Coats-Redfern方法对非等温热失重率曲线的数据进行动力学研究,建立动力学方程.在不同的升温速率下聚合物脱脂反应级数为1,活化能在79.86～ 108.63 kJ ·mol-1范围内,指前因子反应指数在106-107min-1,活化能的结果表明反应对温度和动力学比较敏感.脱脂主要分为两个阶段,在240～ 350℃主要是聚合物链段的分解,在350～ 470℃主要是聚合物网状结构的解聚和解交联反应,同时脱脂阶段主要产生CO2、CO、NO2和H2O挥发性气体.     

IO与ClO自由基反应机理的理论研究

利用B3LYP方法研究了IO与ClO反应的微观机理,找到了反应过程中的稳定中间体和过渡态,并通过内禀反应坐标(IRC)计算确认了各驻点之间的相互转化关系.计算了各反应通道的能垒和离解能,对各个产物确认了最可能进行的反应通道,比较发现产生I原子的通道要比产生Cl原子的通道容易发生,其中生成l与OClO产物需要越过的势垒最小,因此I与OClO为主要产物,ICl与O2为次要产物.     

Selectivity in vibrationally mediated single-molecule chemistry

The selective excitation of molecular vibrations provides a means to directly influence the speed and outcome of chemical reactions. Such mode-selective chemistry has traditionally used laser pulses to prepare reactants in specific vibrational states to enhance reactivity or modify the distribution of product species. Inelastic tunnelling electrons may also excite molecular vibrations and have been used to that effect on adsorbed molecules, to cleave individual chemical bonds and induce molecular motion or dissociation. Here we demonstrate that inelastic tunnelling electrons can be tuned to induce selectively either the translation or desorption of individual ammonia molecules on a Cu(100) surface. We are able to select a particular reaction pathway by adjusting the electronic tunnelling current and energy during the reaction induction such that we activate either the stretching vibration of ammonia or the inversion of its pyramidal structure. Our results illustrate the ability of the scanning tunnelling microscope to probe single-molecule events in the limit of very low yield and very low power irradiation, which should allow the investigation of reaction pathways not readily amenable to study by more conventional approaches.     

9-硅蒽和9-锗蒽与烯烃杂Diels-Alder反应的理论研究

采用密度泛函理论方法在B3LYP/6-311G**水平研究了9-硅蒽和9-锗蒽与烯烃的杂Diels-Alder反应的微观机理、势能剖面,考察取代基对反应势能剖面的影响.计算结果表明,所研究反应均以协同非同步的方式进行,且Si(Ge)—C键总是先于C—C键形成.乙烯分子中C原子上的苯基取代基在热力学上对反应不利,但在动力学上的影响取决于产物中苯基与Si(Ge)原子之间的相对位置.9-硅(锗)蒽分子中Si(Ge)原子上的2,4,6-三甲基苯基取代基在热力学和动力学上均对反应不利.     

TATB高温高压下初始分解反应的分子动力学模拟

在凝聚相含能材料的反应过程中,反应体系往往需要高温高压的反应条件,且其中原子、分子的反应往往具有不同于气态分子的反应路径.因此,除需对体系分子的结构及电子性质进行计算分析外,还需对体系分子做反应动力学分析.本文采用ReaxFF分子动力学方法模拟了凝聚相下1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)分子的初始反应过程,通过对分子产物随时间的分布、分子产物在不同时间段内的分布等分析,总结了其在反应初期的一些反应过程.结果显示,C-NO2键的断裂及质子转移为引起更复杂化学反应的初始反应.     

二氟亚烷基卡宾与丙酮环加成反应的量化研究

用量子化学的二阶微扰和密度泛函理论研究了单重态二氟亚烷基卡宾和丙酮环加成反应的机理.在MP2/6-31G*和B3LYP/6-31G*基组水平上,优化得到了反应途径上反应物\,过渡态\,中间体和产物的几何构型;计算并考察了5种可能的反应途径,势能面上各驻点的构型参数\,振动频率和能量;通过振动分析对过渡态和中间体构型进行了确认.计算结果表明,二氟亚烷基卡宾与丙酮环加成反应的主要反应通道由3步组成:(1) 两反应物首先生成一富能中间体INT1b,它是一无势垒的放热反应,放出的热量为122.1 kJ/mol;(2) 中间体INT1b经过过渡态TS3a1异构化为另一中间体INT3a,其势垒为14.3 kJ/mol;(3) 中间体INT3a又经过过渡态TS4异构化四元环产物P4,其势垒为4.6 kJ/mol.     

2-氯吡啶光氯化夺氢反应机理的量子化学研究

用PM3方法研究了2-氯吡啶光氯化夺氢反应生成不同氯代产物的两个主要基元反应过渡态,并计算比较了不同反应路径活化能的高低.结果表明,不同产物以生成2,6-二氯吡啶的活化能最低.生成2,6-二氯吡啶两个连续的基元反应的活化能分别为9.43和15.56kJ/mol,反应优先生成2,6-二氯吡啶.