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。     

叠氮酸与氨氰环加成反应的理论研究(英文)

采用B3LYP、QCISD、MP2方法在6-311+G(d)基组水平上对叠氮酸与氨氰环加成反应进行了详细研究。首先对所有的反应物、过渡态和产物的构型进行了全参数优化,并用频率分析和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行确认。以步长为0.1(amu)1/2 bohr的内禀反应坐标方法在B3LYP/6-311+G(d)方法和基组水平上计算了内禀反应坐标s为(-3.00～3.00)(amu)1/2 bohr范围内反应的键长、振动频率、NBO电荷变化情况。根据统计热力学方法和用Wigner校正的Eyring过渡态理论,计算了(200～450)K温度范围内反应热力学函数及速率常数,探讨了温度对反应的影响。结果表明,反应经过过渡态TS生成5-AT的活化能为117.14 kJ/mol(B3LYP)、130.18 kJ/mol(QCISD)和106.24 kJ/mol(MP2),产物的相对能量为-74.24 kJ/mol(B3LYP)、-87.01 kJ/mol(QCISD)和-79.09 kJ/mol(MP2);反应随温度的升高更具有动力学优势,但在热力学上低温下更易于进行,因此,结合热力学和动力学因素,我们认为(300～350)K是该反应的适宜温度。     

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.     

氢原子和乙腈反应的振动光谱和反应机理

在B3LYP／6-311 G**上,氢原子和乙腈的反应被深入研究。经过零点能校正后能位面被作了出来。用振动模式分析充分研究了所有反应通道以阐明反应机理。由计算可以得出,碳加成通道是能量上最有利的,主要产物是HCN,CH4和C2H6。     

密度泛函方法的ZSM-5分子筛上苯与乙烯烷基化反应机理研究

采用密度泛函(DFT)方法对于ZSM-5分子筛上苯与乙烯的烷基化反应机理进行研究。选取了包含酸性质子的8T原子簇模型代表ZSM-5分子筛的部分结构。采用B3LYP/6-31G(d)水平从生成能与反应活化能角度对于烷基化反应发生时可能存在的2种联合机理和一种分步机理进行了计算与比较。结果表明,联合反应机理中乙烯的质子化和C-C键的形成同时发生,而分步机理开始于乙醇盐中间体的生成,随后与苯反应生成反应产物。分步机理中乙醇盐中间体生成步骤的活化能(124.55 kJ/mol)低于联合机理的反应活化能(168.98 kJ/mol和156.06 kJ/mol),而烷基化步骤的活化能(209.35 kJ/mol)高于联合机理的反应活化能,由此可以推断ZSM-5分子筛上苯与乙烯的烷基化反应时2种机理同时发生,存在竞争关系。     

甲胺磷碱性水解机理与反应速率常数理论计算

运用密度泛函(DFT)理论,研究了农药甲胺磷分子在碱性条件下,水解微观反应机理和速率常数。在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上分别优化了水溶液相反应途径上各反应态的几何结构,溶剂化模型采用连续极化连续模型(CPCM)。并用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)计算,分别确认了过渡态的结构和反应途径。计算结果表明,反应决速步骤为第一步氢氧根离子进攻反应物,对3个不同离去基团(甲氧基TS2、甲硫基TS1和氨基TS5)活化自由能分别为15.64 kcal/mol、17.19 kcal/mol和25.80 kcal/mol。采用经Wigner校正的Eyring过渡态理论,计算了(100～1200)K温度范围内的各通道反应速率方程分别为,InK(C-O)=11.19524-2.37134×1000/T;Ink(C-S)=11.68184-3.28612×1000/T;Ink(C-N)=12.03234-7.73338×1000/T,3个方程的相关系数分别为R=-0.99809;-0.99891;-0.99981。计算结果显示甲胺磷在碱性条件下不稳定,能水解,并首先解离的是甲氧基和甲硫基,反应具有较大的自发反应趋势,氨基在碱性条件下不易离去。研究结果为解析有机磷杀虫剂在不同条件下的水解反应机制提供理论依据。     

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。     

氟乙烯与氧分子的反应机理分析

不饱和的氯氟烃可能与空气中的氧分子直接反应生成原子氧,抑制臭氧分解为氧分子和氧原子的过程进行,从而保护臭氧层。本文通过研究不饱和氯氟烃的代表物CH_2=CHF与单线态和三线态氧分子的反应机理,讨论其直接与氧分子反应生成氧原子的可能性及相关的反应和产物。在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上,对CH_2=CHF和O_2反应及相关过程进行了计算和分析,具体包括:优化反应物、过渡态、中间体以及产物的几何构型;通过振动分析,确认过渡态、中间体以及产物;从过渡态出发进行内禀坐标(IRC)计算:反应体系中各基元反应的标准Gibbs自由能变计算;并通过零点能校正计算反应活化能。由此得出:氟乙烯与单线态氧分子反应生成的产物中有原子氧、乙酰氟、HF、CH_2=C=O、CH_3F、CO、氟乙醛,其中最稳定的产物是乙酰氟和氧原子;CH_2=CHF与氧分子反应生成抑制臭氧分解平衡的氧原子是可以自发进行的。     

NO~+和C_6H_6相互作用的理论研究

[C_6H_6NO]~+离子,在芳香化合物的亚硝化反应中,可形成两类较为重要的中间体。用密度泛函理论,在B3LYP/6-311++G~(**)基组水平上对NO~+…C_6H_6复合物体系的两类中间体可能构型进行了自由优化,得到了13个能量极小的复合物。结果显示,NO~+和C_6H_6结合方式分三类:(a)～(e)为第Ⅰ类,结构为NO~+中的N或O原子与苯环以π-π堆积作用结合形成的π复合物;(f)～(j)为第Ⅱ类,结构为C2原子上的H转移到苯环的其它C上形成σ复合物;(k)～(m)为第Ⅲ类,结构为C2原子上的H转移到N或O原子上,形成质子转移σ复合物。在考虑零点能(ZEP)和基函数重叠误差(BSSE)校正基础上,得到了各复合物的结合能。通过计算得出,第Ⅰ类复合物的结合能在(153～199)kJ/mol之间,第Ⅱ类复合物的结合能在(83～92)kJ/mol之间,第Ⅲ类复合物的结合能在(189～244)kJ/mol之间,其中复合物的最稳定构型为第Ⅲ类σ复合物中的m结构,即质子H连在N原子上的结构,其结合能为-243.93 kJ/mol。复合物的键长、原子净电荷等都表明,NO~+与C_6H_6结合时电子从苯环向NO...     

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。     

Pyrolysis mechanism of carbon matrix precursor cyclohexane--the formation of condensed-ring aromatics and the growing process of molecules

Based on the experiments, the UAM1 method was adopted to investigate benzene condensation of an important intermediate and the molecule growing mechanism during the cyclohexane pyrolysis process. The conclusions were drawn as follows: (1) from the viewpoint of thermodynamics, the condensation of benzene and C4H5* is a spontaneous reaction and the rising temperature will increase the spontaneous tendency of the reaction. (2) From the viewpoint of kinetic, the condensation of benzene and C4H5* is a two-step reaction. The rate-determining step is step 2 of hydrogen removal from intermediate C10H10 (I1) with the activation energy of 350.61 kJ/mol below 1473 K while the rate-determining step is step 1 that free radical C4H5* attacks benzene to form intermediate C10H10 (I1) with the activation energy DeltaE(0)(not equal to theta)=31.74 kJ/mol above 1473 K. (3) The space structure, electronic structure and thermodynamics parameters of molecular reaction of dense-ring aromatizing compounds can be used to replace the resonance energy and free valence to judge the activation of thermodynamic reaction of compounds. And (4) the analysis of the space structure, electronic structure and thermodynamic parameters show that the growing process of molecules with benzene used as initial reactants becomes more easier as the multi-ring aromatizing molecular system increases.     

Ab initio calculations on the five-membered alumino-silicate framework rings model: implications for dissolution in alkaline solutions

An ab initio restricted Hartree-Fock calculation utilising the standard 6-31G basis set was used to calculate total energies after PM3 calculations of energy-optimised geometries for the five-membered alumino-silicate framework rings cluster for a total of ten T sites. Calculations have shown that in the absence of protons or other ions, the most favourable sites for 1A1, 2A1 and 3A1 substitution of Si are the T6, T1 and T9 sites respectively. With more Al atoms replacing Si in a cluster, T-O bond lengths and T-O-T angles show lengthening and sharpening trends respectively, which indicates that the structure is distorted to a more relaxed symmetry with Obr atoms moving outwards. The calculated bond lengths and angles have been shown to match the values observed in previous studies, including those for a four-membered alumino-silicate single ring cluster. Based on the optimised five-membered alumino-silicate framework rings model, a further ab initio HF calculation has been conducted on ring breakage for releasing Al(Q3) and Si(Q3) centres to form T(OH)4 and HOT(OM)3 tetrahedra under local and highly alkaline environment. The obtained results suggest that Al(Q3) compared with Si(Q3) breaks more readily with the exothermal reaction enthalpy being in excess of -244.4 kJ/mol, while the most reactive Si(Q3) centre shows an exothermal reaction enthalpy of only -33.8 kJ/mol. This indicates that Al dissolves in preference to Si in local environment. The dissolution mechanism of the five-membered Al-Si framework rings model in highly alkaline solutions has been suggested to be composed of an ion-pairing reaction and an interaction between the remaining broken ring cluster triple bond TOH and MOH.     

卟吩内氢迁移反应机理的密度泛函研究

将密度泛函理论应用于卟吩内氢迁移反应机理的理论研究,计算反式卟吩trans-PH2和顺式卟吩cis-PH2的结构参数、总能量、电子密度和振动频率等参数。计算发现trans-PH2比cis-PH2的能量低29．13 kJ／mol(接近实验数据25．0 kJ／mol)。振动分析表明中间态TS-PH2只有一个虚频,而中间态SS-PH2有两个虚频,可以判定TS-PH2是分步反应机理的过渡态,而且同步反应历程比分步反应历程需要更大的活化能,因此可得出卟吩内氢迁移反应采用分步反应历程的结论。此研究表明,密度泛函理论的计算结果与实验数据能够较好地相吻合,能直观地表述卟吩内氢迁移反应的机理,从理论上解释了该反应采用分步反应机理。     

分子筛合成过程中三聚铝硅酸盐生成机理的DFT研究

采用密度泛函理论研究了在分子筛合成的碱性环境中铝硅酸盐三聚体的生成机理.在B3LYP/6-31 G(d,p)计算水平上对反应物、过渡态和产物分别进行了几何结构的全优化和频率计算,通过内禀反应坐标的方法验证了反应路径,并计算了反应的活化能.采用COSMO-RS模型考虑了溶剂效应.结果表明,二聚硅酸分子SiOSi(OH)6和单体铝酸根离子Al(OH)**的缩聚反应可以按照协同方式进行,SiO-Al桥键的形成与水分子的脱除同时发生,最终生成铝硅酸盐的三聚体.计算得到的缩聚反应活化能为80.1 kJ/mol.     

6-巯基嘌呤质子转移异构化的量子化学计算研究

采用密度泛函B3LYP方法,在6-311G(d,p)基组水平上对6-巯基嘌呤质子转移引起的硫酮式与硫醇式互变异构反应机理进行了计算研究,获得了互变异构过程的反应焓、活化能、活化吉布斯自由能和质子转移反应的速率常数等参数。计算结果表明,6-巯基嘌呤无论是孤立分子还是一水合物,其硫酮式TP2是最稳定的异构体。计算结果同已有实验结果相符。由硫酮式通过分子内质子转移向硫醇式异构化找到4条反应通道(P1,P2,P3,P4),各通道的活化能分别为114.0,133.9,128.0,95.1 kJ·mol~(-1)。当水分子参与反应以双质子转移机理异构化时,活化能垒显著降低,各通道的活化能依次降为51.2,63.0,70.5,42.8 kJ·mol~(-1),可见,水助催化有利于硫酮式向硫醇式转变。计算结果还表明,氢键的强弱对TP2一水合物的稳定性会有一定的影响。     

1-(4-硝基苯基)-3-(5,6-二甲基-1,2,4三氮唑)-三氮烯质子迁移的理论研究

采用密度泛函B3LYP在6-31G*基组下,对有机显色剂1-(4-硝基苯基)-3-(5,6-二甲基-1,2,4三氮唑)-三氮烯(NPDMTT)的各种可能结构进行质子迁移的3种可能途径:(a)分子内质子迁移,(b)水助质子迁移,(c)甲醇助质子转移的计算,得到了各种途径异构体的相对能,获得了它们的互变异构过程的活化能、活化吉布斯自由能和质子转移反应的速率常数等性质。计算结果表明,分子内质子转移形成的各种异构体相对能量较大,当水分子或甲醇分子参与反应时,异构体的相对能量明显减小,但无论是孤立分子、一水合物还是一甲醇合物,其最稳定的异构体都相同,均为A2。溶剂化效应对异构化能垒的影响较大。最稳定的异构体分子内质子转移在N11和N13间转移的速控步骤的活化能为130.9 kJ.mol-1,反应速度常数为2.172×10-11s-1;当水分子参与反应以双质子转移机理异构化时,活化能显著降低,有利于三氮异构化,其中异构体质子在N11和N13间转移的速控步骤的活化能为22.55 kJ.mol-1,反应速度常数为3.617×107s-1;当醇分子参与反应以双质子转移机理异构时,活化能减小得更多,其中异构体质子在N11和N13间转移的速控步骤的活化能为2.384 kJ.mol-1,反应速度常数为9.032×1011s-1。计算结果还表明,氢键作用在增大NPDMTT一水合物和NPDMTT一甲醇合物相对稳定性、降低质子转移异构化反应活化能等方面起着重要作用。     

四苯并卟啉/酞菁结构及其内氢反应迁移理论研究

采用B3LYP/6-31G**法在Gaussian03程序下,优化四苯并卟啉/酞菁的结构和能量,并寻找与内氢迁移反应相关的过渡态构型.计算结果表明,中心空穴缩小、共轭效应的增强都有利于内氢迁移,但中心空穴的影响要大很多.     

A combined QM/MM study of the nucleophilic addition reaction of methanethiolate and N-methylacetamide

A combined quantum mechanical (QM) and molecular mechanical (MM) method was used to study the nucleophilic addition reaction of methanethiolate to N-methylacetamide (NMA) in the gas phase and aqueous solution. At the B3LYP/aug-cc-pVDZ//HF/6-31 + G(d) level, the ion-dipole complex was found to be the global minimum on the potential energy surface in the gas phase with a binding energy of 21.2 kcal/mol. The complex has a C-S distance of 4.33 A, and no stabilized tetrahedral intermediate was located. The computed potential of mean force in water shows that solvent effects stabilize the reactants over the tetrahedral adduct by 36.5 kcal/mol, and that the tetrahedral intermediate does not exist for the present reaction in water. The present study provides an initial step for modeling the cysteine protease hydrolysis reactions in enzymes.