分子模拟技术在茂金属催化剂研究中的应用

分子模拟技术自20世纪90年代以来发展迅速,现已成为新催化材料设计和开发的一种十分重要的方法和工具．本文利用分子模拟技术研究了茂金属催化剂催化丙烯聚合的反应历程,计算了不同结构的茂金属催化剂催化丙烯聚合反应的能量,提出了预测茂金属催化剂聚合活性、立体选择性的一种方法．研究表明,借助分子模拟技术,科研人员可以加深对所研究体系的理解,减少科研工作的盲目性,提高科研效率．     

从反应化学原理到工业应用Ⅰ S Zorb技术特点及优势

采用量子化学理论计算方法,对S Zorb脱硫反应机理进行了深入研究。结果表明,S Zorb技术的工艺过程实质上是高选择性催化加氢超深度脱硫过程,而不是简单的吸附过程。在S Zorb技术中,通过在加氢催化剂中添加H2S吸收组分ZnO,可有效地转移加氢脱硫过程中产生的H2S,建立一个H2S分压极低的反应环境,避免H2S与汽油中高辛烷值烯烃组分生成硫醇的副反应,同时使催化剂活性金属Ni处于零价态而具有对噻吩类含硫化合物很高的吸附活性,但对高辛烷值烯烃、芳烃组分仅有很低的吸附活性。在此基础上,提出了催化加氢-H2S吸收转移协同作用的催化加氢吸附脱硫机理,并指出保持催化剂中Ni处于零价态避免生成NiS是提高催化加氢脱硫选择性的关键。工业应用结果表明,S Zorb 技术在实现超深度脱硫的同时具有很好的辛烷值保留能力。     

分散性催化剂作用下噻吩类化合物的临氢转化规律

以有机钼为前驱体制备了分散性纳米RDC-Mo催化剂,采用微型反应釜进行了噻吩类模型化合物噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩(DBT)热转化及RDC-Mo催化临氢热转化反应,对比了热转化及催化临氢过程噻吩类模型化合物热转化反应效果。采用X射线衍射(XRD)及高分辨率的透射电镜(HRTEM)对所制备的分散型催化剂进行了分析表征。采用模拟计算方法深入研究了分散型催化剂催化临氢热转化显著提高噻吩类化合物转化率以及不同结构噻吩类反应差异的内因。结果表明：制备的分散型催化剂RDC-Mo具有高度分散纳米尺寸特征,其晶粒尺寸为3.63 nm。相比于热转化,高分散纳米催化剂RDC-Mo作用的催化临氢过程显著强化了噻吩类化合物的转化,使其转化率大幅度提高。高分散度纳米催化剂显著强化了噻吩类化合物与催化剂活性中心、H₂的可接近性;H₂经纳米催化剂活化形成的氢自由基强化噻吩类化合物中与S相连的芳环碳定向加氢,促使C—S键断裂能垒大幅下降,在较低温发生断裂;该反应路径正是造成分散型催化剂临氢体系显著提高噻吩类化合物裂化转化率的内在原因。受定向加氢的概率、在活性中心MoS₂吸附难易以及定向加氢后C—S键键长变化3方面的影响,不同结构噻吩类化合物转化率由大到小顺序为苯并噻吩、噻吩、二苯并噻吩。     

噻二唑二聚物/丁氧基三乙二醇复合物的合成

合成了噻二唑二聚物/丁氧基三乙二醇复合物。反应物的摩尔比及反应温度影响产物作为添加剂加入到润滑脂中的抗烧结性能。在最佳反应条件下,即n(噻二唑二聚物)∶n(丁氧基三乙二醇)=0.5∶1.0,反应温度125℃时,产率为85%。通过分子模拟、红外光谱、13C核磁共振及N、S元素的含量测定,探讨了产物的结构及反应机理。结果表明,噻二唑二聚物与丁氧基三乙二醇的摩尔比越大,在金属表面形成配位的噻二唑环的个数就越多,就会表现出更强的吸附特性,从而表现出更高的抗烧结性能。     

取代基对聚丙烯茂金属催化剂立体选择性影响的分子模拟研究

利用分子模拟技术构建了丙烯单体以不同方式与茂金属催化剂活性中心配位、插入形成的π配合物和四元环过渡态的模型；计算了四元环过渡态和π配合物构象能的差。发现催化剂中取代基的大小及其所处位置会明显影响构象能的差，从而显著地影响茂金属催化剂的立体选择性。关于取代基影响茂金属催化剂立体选择性结果的阐述，将有助于人们理性地设计和开发立体选择性更加理想的茂金属催化剂。     

重油胶体结构及温度效应与剪切效应的模拟

 为了研究重油的胶体结构及温度和流动状态等外部条件变化对胶体结构的影响, 选用了十种模型化合物代表重油的组成, 用耗散粒子动力学对重油胶体在不同温度、不同剪切速率下的变化情况进行了模拟。结果发现:重油体系以胶体的形式存在,胶粒是由一些从内到外极性逐渐变小的组分组成,在胶体体系中饱和分和单环芳烃为分散介质;重油体系的活化状态受温度的影响较大,并存在一个最佳活化温度;随着剪切速率的增加,重油体系的剪切黏度降低,表现出假塑性流体的特性。     

糠醛与芳烃分子间作用力的本质研究

采用分子动力学和量子力学相结合的方法,对糠醛精制润滑油基础油工艺中糠醛与不同环数芳香烃的相互作用进行了计算。结果表明：糠醛与芳香烃的相互作用能和静电作用能均随着芳环数目的增多而增大,这是由于多环芳烃的离域π电子更容易受到外部电场的诱导,从而产生诱导偶极矩;糠醛分子在与芳烃形成二聚体时,单体分子间有电子转移现象;溶剂分子偶极矩越大,溶剂分子与芳烃的静电相互作用越强;单体分子间电荷转移主要是由芳烃分子中的电子流向溶剂分子中侧链的氧原子。     

乙醛氧化生成乙酸反应机理的分子模拟

采用基于密度泛函理论(DFT)的量子化学方法研究了乙醛氧化生成乙酸的反应过程。结果表明：无氧条件下链引发过程最难发生,反应能垒达到380.78 kJ/mol,但氧气可将此过程的反应能垒降至116.26 kJ/mol;乙酰基自由基生成过氧乙酸以及链终止反应的各步骤的反应能垒均较低,反应较快;过氧乙酸转化为乙酸的反应较难发生,为整体反应过程的速率控制环节。此过程有2个可能的反应路径,速率控制步骤分别为过氧乙酸均裂生成乙酸自由基和羟基自由基的过程和过氧乙酸和乙醛反应生成乙醛单过氧乙酸酯中间化合物的过程,反应能垒分别为147.18、137.21 kJ/mol。     

水和羧酸钙对润滑油氧化产物聚集影响的分子动力学

采用分子动力学(MD)模拟的方法,研究了不同温度下润滑油氧化产生的极性小分子的聚集行为以及水和羧酸钙分子对其聚集的影响。研究结果表明：润滑油氧化产物分子可以通过氢键产生聚集,形成的氢键聚集体相互作用能为14~58 kJ/mol;随着温度的升高,键能较低的氢键不易形成或容易断裂,因此其聚集程度降低;当体系中含有水或羧酸钙分子时,不同温度下均发生明显的聚集,分别形成了润滑油氧化产物包裹的水分子团聚体或羧酸钙分子的聚集体。润滑油氧化产物与水和羧酸钙分子之间的相互作用能分别为24~60 kJ/mol和66~87 kJ/mol,其比各类润滑油氧化产物分子之间形成的氢键聚集体的相互作用能高,稳定性更好,因此可以在温度较高的条件下形成较稳定的聚集体。