碳氢化合物的活化及氧化理论研究*

通过理论方法研究碳氢化合物的活化及氧化,可以对不同催化剂及氧化剂的反应机理形成深刻认识,从而指导设计合成更加高效的碳氢化合物活化及氧化催化剂。本文总结了近几年在碳氢化合物的活化及氧化领域的一些新进展,涉及的底物包括从甲烷到碳原子数等于6的烃类,而催化剂及氧化剂包括有机金属化合物和无机化合物（如分子筛催化剂、金属团簇和金属氧化物等）。文章底物的碳原子数为依据进行分类编排,对每一类底物的活化及氧化介绍不同催化剂及氧化剂的反应过程,着重比较了各类催化剂及氧化剂的异同。     

水对5-氟尿嘧啶质子转移影响规律的研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法, 在6-311++G(d, p)基组上研究了由质子转移引起的5-氟尿嘧啶(5-FU)的异构化反应. 共研究了38个含水与不含水的构型, 其中包括15个过渡态结构. 研究发现, 在5-氟尿嘧啶周围存在两类不同的区域, 在其中一类区域中, 水分子能促进质子转移的发生；而在另一类区域中, 水分子却能阻碍质子转移的发生. 通过与尿嘧啶质子转移过程相比较, 发现在各种情况下5-氟尿嘧啶异构化为烯醇式的几率均比尿嘧啶的大, 在一定程度上解释了为什么5-氟尿嘧啶具有优良抗癌作用的同时具有一定的毒副作用.     

甲酰胺水溶液的分子动力学模拟

为了解重要的生化模型甲酰胺在水溶液中的微观结构, 采用全原子力场在全浓度范围内对甲酰胺溶液进行了分子动力学模拟, 得到了溶液的径向分布函数, 分析计算了溶质和溶剂分子间的相互作用, 对甲酰胺和水分子的氢键缔合情况进行了分析. 研究发现羰基侧的H原子与水分子能形成C—H…O弱相互作用. 在作者早期的研究中发现, 此相互作用对于阻碍甲酰胺的异构化具有重要意义, 特别是当甲酰胺在溶液中含量增大时, 此相互作用更加不能忽视. 全浓度溶液的模拟表明, 甲酰胺在稀浓度区可以促进水局部结构的增强, 随FM浓度增加, 由水的自身缔合转变为水与FM的交叉缔合, 在FM高浓度区, 两者的交叉缔合将逐渐被甲酰胺自身的线状缔合代替.     

CO_(2)加氢制甲酸理论研究及高效铁基催化剂设计北大核心CSCD

CO_(2)加氢制甲酸由于需同时活化惰性氢气及CO_(2)而富有挑战性,同时此过程原子经济性100%,具有很好的理论和现实研究价值,但文献中报道的活性较好的催化剂均为贵金属催化剂.为了开发活性更高的用于CO_(2)加氢制甲酸的铁基催化剂,我们采用理论计算方法研究了12种不同种类的PNP-Fe(PNP=2,6-(二-叔丁基-磷甲基)吡啶)化合物催化CO_(2)加氢制甲酸的过程.理论研究结果表明,CO_(2)加氢制甲酸反应过程包括H2活化及CO_(2)插入金属氢键两个步骤,H_(2)活化过程是整个反应的速控步骤.催化剂吡啶环上进行P原子取代可以显著降低H_(2)活化能垒.基于以上发现,我们设计了一种新颖的高效铁基催化剂,使用此催化剂催化CO_(2)加氢制甲酸反应,速控步骤能垒只有85.6 kJ/mol,催化活性与贵金属的比较接近.我们研究的12种铁基催化剂速控步骤能垒范围为85.6~126.4 kJ/mol,显示了配体良好的调控催化活性能力.     

溶液环境中水对甲酰胺质子迁移影响的密度泛函研究

甲酰胺酮式和烯醇式的互变异构(FM→FA)可被视为DNA中生物碱基点突变的一个模型. 使用B3LYP密度范函的计算方法, 在B3LYP/6-311++G**的基组条件下运用SCRF溶液模型研究了溶液环境对甲酰胺互变异构的影响. 研究表明, 从水分子对甲酰胺异构的作用进行划分, 分子的周围有三个不同的区域, 和气态计算结果一致, 在一些区域中, 水对异构起到了催化的作用; 而在其它区域中, 水分子却能阻碍反应的进行,保护酮式, 同时溶液环境的存在也使两种作用得到了加强和削弱. 溶液状态下的质子转移研究将会对水分子对中心分子的异构化研究提供参考, 同时也部分解释了试验中酮式比例高于烯醇式的现象.     

质子梯度转移酸性复合物及其在乙酸香叶酯合成中的催化能力

萜烯酯是一类重要的化学中间体和产品,广泛应用于香料、食品和医药等领域.酸催化的酯化反应是目前工业合成萜烯酯最流行的反应之一.已有用于合成萜烯酯催化剂的报道,并且大多数催化剂具有较高的催化活性,但多数催化剂没有在催化活性、选择性、稳定性和回收性等综合性能上表现出突出优势.质子型离子液体具有结构可调、易合成及易与产物分离的特点,被认为是酯化反应的绿色催化剂和分离剂.早期的质子型离子液体催化酯化研究主要集中在低碳链饱和有机酸酯的合成,对于易氧化的萜烯醇酯化研究较少.因为Br?nsted碱上的N原子含有一个孤对电子,在质子型离子液体阳离子形成的过程中,酸上的质子传递到这个N原子上时会伴随着较大的吉布斯自由能改变.这个质子与Br?nsted碱紧紧键合着,并使其酸性与游离酸相比减弱.众所周知,离子液体的催化活性强烈依赖于其酸强度.所以与游离酸相比,质子型离子液体在酯化反应中的催化活性常常被削弱.本课题组合成了一类新型的"质子梯度转移酸性复合物(PGTACs)"催化剂,通过核磁共振、质谱、红外光谱及元素分析等表征方法,发现其具有有别于常规质子型离子液体的键合模型,即同时具有一个N-H共价键和一个N…H氢键.这主要是由于阳离子1,10-邻菲罗啉具有高度的对称结构,且阳离子上的两个N原子位置较近.当第一个酸上的质子与碱上的第一个N原子键合后会对第二个酸上的质子与碱上的第二个N原子的键合造成较大的空间位阻,从而使后者以氢键键合方式存在.此外,为了进一步了解键合的两个质子的差异性,我们通过理论计算对其结构进行了优化,同样证明了N-H共价键和N…H氢键的存在,并得到它们的键长分别为1.032-1.036?和3.068-3.571?.本文对PGTACs的催化能力进行了系统研究,发现该类催化剂兼具强酸催化剂的高催化活性和弱酸催化剂的高选择性两方面优势,可选择性地高效催化合成乙酸香叶酯.当催化剂加入量为2%摩尔分数,反应时间为2 h,反应温度为50℃时,香叶醇转化率和乙酸香叶酯选择性分别高达99.5%和96.9%;而对于易氧化的萜烯酯(如乙酸芳樟酯、乙酸-α-松油酯和乙酸-4-松油酯等)仍有高于85%的收率.此外,研究还发现PGTACs催化剂是一类反应诱导自分离催化剂,反应初期可快速溶于反应体系中形成均相,反应结束后自动与产物分离,形成液液双相.此反应过程不仅有效解决了固体催化剂的传质阻力限制,还强化了反应,实现了反应与分离的耦合.最后,我们采用拟均相模型(PH model)对实验数据进行了拟合,为后续过程设计提供了宝贵的基础数据.