CHF+O2反应的理论研究

为了弄清CHF与O2反应在单重态势能面(PES)上的机理,我们在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上对该反应作了详细的理论研究。优化了反应势能面上的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,并在相同水平上用内禀反应坐标法确认了中间体和过渡态之间的相关性。为了获得准确的能量,我们将B3LYP/6-311++G(d,p)方法优化得的各驻点几何构型用QCISD/6-311++G(d,p)作了单点能计算。研究发现CHF+O2反应,第一步经无势垒络合生成HFCOO,然后经过一系列的异构化和断键过程,生成P1(HCO+FO)、P2(HF+CO2)和P3(CO+HOF)。其中P1(HCO+FO)通道最缺乏竞争力,而P2(HF+CO2)通道最有优势。在产物P2和P3的生成路径中,所有的过渡态能量都低于反应物,因而该反应在低温中起着重要作用。     

煤自燃生成一氧化碳和水的反应机理研究

应用傅立叶变换红外光谱仪研究煤在氧化自燃中不同温度所生成的气体产物.在30%～100%左右有水和二氧化碳气体析出,温度升至105℃～150%左右时,有一氧化碳生成.采用密度泛函B3LYP法,在6-311G基组水平上研究煤与氧发生自燃反应生成水和一氧化碳的反应体系,对反应势能面上各驻点的几何构型全优化,用频率分析法和内禀反应坐标(IRC)法验证过渡态.计算结果表明,煤自燃生成一氧化碳的反应是氧分子攻击苯环侧链上丙基末端的碳原子,使丙基生成带醛的基团(-CH2-CH2-CO-H)和水,而带醛的基团继续分解生成一氧化碳.由反应活化能可知,生成水和一氧化碳的反应是一个自发式反应.     

煤表面对多种气体分子混合吸附的微观机理

应用量子化学密度泛函理论,在6-311 g水平上对建立的吸附模型进行全优化.结果表明,煤的表面能够与多组分气体发生混合吸附.煤表面吸附氧、氮和二氧化碳分子组成的吸附态中,氧分子和氮分子在煤表面的侧链吸附,CO2则在苯环的上方.煤表面氨基上的C原子和N原子的电子向氧分子中的氧原子转移.煤表面吸附了二氧化碳和氮分子,氧分子所得的电子减少,表明如果煤表面吸附其它种类分子,则削弱了吸附氧的作用.吸附后O2的频率变化较大,N2和CO2的频率变化很小.煤表面与矿井采空区各种气体发生吸附时的亲和顺序为:氧气>水>二氧化碳>氮气>一氧化碳>甲烷.     

二氟卡宾与臭氧反应的理论研究

为了弄清二氟卡宾~1CF_2与~1O_3在单重态势能面上的微观反应机理,在B3LYP/6-311G(d,p)水平上对该反应作了详细的理论研究。优化了各反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,得到了相应的能量值,并在相同的水平上用内禀反应坐标(IRC)计算方法确认了过渡态和中间体之间的联系。研究得到~1CF_2+~1O_3反应的9种产物通道:P_1(F_2CO+~1O_2)、P_2(FCO+FOO)、P_3(CO_2+FOF)、P_4(CO_2+FFO)、P_5(CO_3+F_2)、P_6(v-CO_2+FOF)、P_7(CO_2+FO+F)、P_8(CO+F_2OO)和P_9(CO+FOOF)。其中P_1(F_2CO+~1O_2)为最主要产物通道,P_2(FCO+FOO)、P_3(CO_2+FOF)和P_4(CO_2+FFO)的产率依次减小,而其他通道对反应体系的产物贡献几乎可以忽略。     

CH3S与CH2SH自由基反应的密度泛函理论研究

用量子化学从头算和密度泛函理论(DFT)对CH3S与CH2SH自由基反应进行了研究。在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上优化了反应通道各驻点物种(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析的方法对过渡态结构及连接性进行了验证。在QCISD(T)/6-311++G(d,p)水平上计算了各物种的单点能,并对总能量进行了零点能校正。研究结果表明,CH3S与CH2SH反应为多通道反应,有3条可能的反应通道。反应物首先通过C-S键相互作用形成链状碳-硫偶合中间体IM1,再经过裂解和脱氢气机理生成主要产物P1(CH3SH+CH2S)和次要产物P2和P3。根据势能面分析,所有反应均为吸热反应。相对于CH3S与CH2SH,各产物能量分别为(-175.2,335.5和331.5)kJ.mol-1。     

气相和水相中氯代酚与单线态氧反应机理的研究

用密度泛函理论分别研究气相和水相中的6种氯代酚(2-CP,3-CP,4-CP,2,4-DCP,2,4,6-TCP和PCP)与单线态氧的反应机理。在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上,将可能路径上的反应复合物、过渡态和产物分别全优化几何结构和计算频率,通过内禀反应坐标(IRC)的方法验证反应路径,并在B3LYP/6-311+(2df,p)水平上计算单点能。采用极化统一模型(PCM)法探索溶剂效应。结果,不论气相还是水相,1,3加成生成1个烯丙基氢过氧化物和1,4加成生成1个酮类氢过氧化物,在热力学上均是可行的,但是在动力学上前者的能垒比后者更低,是优先路径。热力学更支持在水相中反应,而动力学则相反。能垒随氯代数量的增多而升高。     

BH2+与H2S反应机理的量子化学及电子密度拓扑研究

采用密度泛函方法B3LYP和耦合簇方法CCSD在6-311 G(d,p)条件中,研究BH_2~ 与H_2S的气相离子-分子反应的微观反应机理。优化反应势能面上各驻点的几何构型,通过振动分析和IRC计算证实中间体和过渡态的真实性和相互连接关系。采用电子密度拓扑分析反应(1)进程中的若干关键点,讨论反应进程中化学键的断裂、生成和变化规律,找到了该反应的结构过渡区(结构过渡态)和能量过渡态。     

组氨酸钴(Ⅱ)氧合过程的理论研究

构筑了组氨酸钴配合物及其氧合构型、双核氧合构型的模型,通过Guassian 03对上述结构进行构型优化并进行频率计算。利用计算结果对各构型的能量、几何构型及电子构型进行讨论,分析了组氨酸钴的氧合过程及老化机理。根据分析,组氨酸钴氧合主要历程是高自旋的未氧合构型氧合形成单核氧合构型,进一步氧合形成过氧桥桥联的双核氧合产物。双核氧合产物的HOMO轨道主要集中在双氧分子上,反应活性较高,易老化;而单核氧合构型中双氧上未配位的氧原子与氨基上的氢形成氢键,双氧自身能量下降,活性低,构型更稳定,表现出很好的氧合可逆性。     

O2在δ-Pu（100）表面吸附行为的第一原理研究

采用密度泛函理论结合周期性平板模型研究了O₂分子在δ-Pu（100）表面的吸附行为。结果表明O₂在δ-Pu表面吸附时分子键长增加并最终断裂,离解成2个原子态吸附,离解后的氧原子以心位和桥位吸附优先。最可能的吸附过程为:桥位平行吸附后2个氧原子处于2个心位;心位平行吸附的O₂分子通过旋转平移后,离解为一个心位和一个桥位吸附的氧原子。吸附能大小为2个氧原子的吸附能减去氧分子离解能。自旋限制和自旋极化2种水平计算获得的最稳定吸附方式吸附能分别为8.14 eV和7.29 eV。离解吸附后的电荷布局数,诱导表面功函、电子态等和单个O原子吸附结果一致。     

2-(4-甲氧基苯基)亚肼基乙酸与乙醛酸反应密度泛函理论研究

本文应用量子化学密度泛函理论(DFT)研究了2-(4-甲氧基苯基)亚肼基乙酸与乙醛酸的反应机理及动力学行为,并研究了不同取代基对反应的影响.在RB3LYP/6-31G*水平上,优化了各反应通道的反应物、中间体、过渡态及产物的几何构型,计算了各驻点的振动频率、零点能和电荷分布.计算结果表明,该反应有2条反应通道,分别生成(2Z)和(2E)-3(4-甲氧基苯基二氮烯基)丙烯酸.产物发生了键长的平均化和电荷的重新分布.两反应通道具有相同的反应入口,Z式产物为主要产物,2-(4-甲氧基苯基)亚肼基乙酸中苯环对位被给电子基团取代,有利于反应进行.     

亚硝酰氢与羟基自由基反应的密度泛函理论研究

用密度泛函理论研究了HNO OH反应机理。在(U)B3LYP/aug-cc-pVTZ水平上,优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型,获得了零点能校正后的反应势能曲线。研究表明:根据进攻方式的不同,有3个反应通道,反应通道不同则产物不同。反应的主要产物是NO H_2O,次要产物是NH_2 O_2;主要产物和次要产物与反应物的总能量之差(经零点能校正后)分别为-133.42 kJ/mol和150.44 kJ/mol。生成主要产物时主要反应通道的活化能为102.11 kJ/mol。     

电子消毒在非典时期的典型应用

许多爱好者可能还记得多年前曾经出现过臭氧消毒机这样一个产品,正是非典型性肺炎的暴发使人们又开始关注类似的产品。臭氧消毒机理:臭氧是氧的同构异形体,与二个原子的氧相比、臭氧分子多了一个氧原子,因而比氧气活泼得多,因此有人又将其称为活性氧。其氧化还原电位为2.8、比氯高,也就是说,臭氧比氯活泼,     

煤表面对多个氧分子的多层吸附机理研究

应用密度泛函理论,在6-311水平上研究煤表面与氧的吸附作用,比较煤吸附5个氧分子,其表面与氧分子化学键的变化情况,吸附后氧分子的键变长,但不断裂,煤表面的变化很小,证明煤表面吸附5个氧分子是物理吸附,根据优化后的几何结构,证明还是多层吸附.其中侧链吸附的氧分子键长变化最大,由1.2582 A变为1.3244 A,说明侧链吸附的氧分子最活泼.从电荷集居数分析可知,原子中电子转移的多少与化学键的变化成正比,转移越多,化学键变化越大.煤表面与5个氧分子组成的吸附态中,氧分子的振动频率变小,计算其吸附能为409.68 kJ/mol.     

氧分子在镍钛合金(100)表面吸附行为的研究

NiTi形状记忆合金作为一种广泛使用的生物医学材料，表面形成的氧化膜是其具有良好生物相容性的基础。氧分子在NiTi合金表面的吸附是其形成氧化膜的关键，应用离散变分Xα方法，首次对O2分子在B2结构NiTi(100)表面的吸附过程进行了理论研究，分别计算了在两种不同的O2分子吸附方式中Ti-O原子间的键级和电荷分布。结果表明：O2分子垂直接近NiTi(100)表面对其发生吸附更为有利。在吸附过程中，O2分子中只有一个氧原子被其最近邻的一个表面铁原子所吸附，而合金中其它表面原子及体相原子的电子结构没有变化。Mulliken集居数及局域态密度分析表明，吸附过程中铁原子与氧原子之间的相互作用主要是由2p(O)电子和4s，4p(Ti)电子贡献。     

富勒烯D_(3h)-C_(74)与氟原子相互作用的密度泛函理论研究

在密度泛函B3LYP/3-21G(d)水平下研究了D_(3h)-C_(74)与氟原子之间的自由基反应,在笼外一定距离扫描得到了氟原子与C_(74)笼相互作用的势能面,优化代表区中关键点的结构和能量得到了可能的自由基异构体,结果显示D_(34)-C_(74)F有9种自由基异构体。另外,探寻了各自由基异构体之间的过渡态和氟原子在不同关键点之间转化的反应机理,反应路径分析表明在两两异构体之间有且只有一个过渡态,即它们之间的反应是一步反应。除此之外,分析了9种自由基异构体的自旋密度并预测了第二个氟原子进攻的首选位置,同时采用密度泛函理论进一步讨论了由最稳定的自由基异构体加成得到的双氟衍生物C_(74)F_2的稳定性,结果表明第二个自由基氟原子和C_(74)F发生加成反应时主要以1,4-加成为主。     

HSO和HOO的反应机理及热力学性质

应用QCISD(T)//B3LYP/6-311+G(3df,2p)方法研究了HSO和HOO的反应机理,构建了反应的单、三重态势能剖面。研究发现,HSO和HOO反应在单、三重态势能面上包含2种机理,一种是抽氢机理:HSO中氧原子抽取HOO中氢原子或HOO的端基氧原子抽取HSO的氢原子。另一种是耦合脱水机理:HOO的OH基团与HSO的氢原子结合生成产物H2O和SOO。结果表明,抽氢机理有利于发生且HOO中端基氧原子夺取HSO的氢原子为抽氢主通道。此外发现抽氢反应容易发生在三重态势能面上,对应过渡态3TS1的活化能为6.73(k J·mol-1)。基于统计热力学原理预测了标题反应中所有稳定物种的生成焓(Δf H?298/Κ),熵(S?298/Κ)和热容(Cp,200～1000)Κ。理论结果与实验数据较为接近。     

卤代硝基芳烃致毒机理的DFT研究

采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31G*基组水平下,以乙硫醇（C₂H₅SH）作为含还原性巯基的生物蛋白大分子（R-SH）的简单模型物,全优化计算了4-氟硝基苯、4-氯硝基苯和4-溴硝基苯在生物体内的代谢还原中间体即其亚硝基化合物与乙硫醇反应的过渡态,从电子微观层次上探讨了卤代硝基芳烃的致毒机理。结果表明,卤代硝基芳烃至少存在两种致毒反应:一是被还原代谢前,与卤素相连的苯环碳可能受到亲核试剂进攻,卤原子被取代;二是其亚硝基代谢中间体与含巯基的蛋白质大分子发生反应,形成共价加合物。若在同一位置以不同卤素取代的硝基芳烃,其致毒反应机理类似,反应活性受卤素基团种类的影响较小。     

几种大黄蒽醌类化合物光敏性的量子化学计算

采用密度泛函方法,研究了大黄中几种蒽醌类化合物与氧分子以及DNA和RNA碱基之间的光敏反应。所有的激发态计算包括垂直激发能采用的都是含时密度泛函方法(TD.DFT)。计算结果表明:有氧条件下,大黄蒽醌类化合物在真空和溶剂中都能产生单重态氧~1O_2,而只有在水溶液中才能产生超氧负离子自由基O_2~(*-)无氧条件下,在水和乙醚溶剂中,大黄蒽醌类化合物可以损害DNA和RNA。     

甲硫醇、二甲硫醚、噻吩与过氧乙酸气相反应机理的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-311+G(d,p)基组水平上研究了CH_3SH、CH_3SCH_3、C_4H_4S与CH_3CO_3H的微观反应机理,全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型,振动分析和内禀反应坐标(IRC)分析结果证实了中间体和过渡态的真实性。结果表明,三个反应主要经历了O对S的进攻、H转移以及O-O键断裂的历程。其中噻吩反应的活化能最高,为87.9 kJ/mol,说明噻吩的氧化脱硫最困难。对于甲硫醇、二甲基硫醚、噻吩与过氧化氢反应来说,当加入乙酸做催化剂后,第一步反应的活化能皆得到大幅度的降低。     

Mo的亚硝酰基配合物催化的亚胺氢化反应机理的研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,对过渡金属Mo的二膦亚硝酰基氢化物[Mo(dimpp)(NO)(CO)_2(H)](MoH,dimpp=1,3-二(二甲基膦基)丙烷)催化的N-苯亚甲基甲胺(BIMA)氢化的反应机理进行了理论研究。Mo原子基于LANL2DZ基组,其它原子基于6-31+G(d,p)基组,对反应势能面上各稳定点和过渡态的进行了几何构型优化和振动频率分析。计算结果表明,该催化反应通过质子-负氢转移的离子氢化机理进行。催化循环由MoH质子化生成酸性η~2-H_2配合物MoHH开始,分3步进行:(1)η~2-H_2配体上的质子转移到亚胺的N原子上生成亚胺正离子;(2)负氢转移到亚胺正离子的碳原子上,生成产物胺;(3)氢分子与金属中心Mo配位生成MoHH。这3个步骤的活化能分别为5.7,8.1和3.6 kcal.mol~(-1)。