卤代甲基自由基、卤代烷和氢氟醚类化合物与一些自由基反应机理及动力学性质的理论研究

摘要

卤代甲基自由基(例如CH2F，CH2Cl和CH2Br)是卤代烃或者包含卤素的废料燃烧中产生的重要中间体，在燃烧及大气化学中起着举足轻重的作用。氯氟烷(HCFCs)和氢氟醚(HFEs)与CFCs具有相似的物理化学性质，曾被作为CFCs的第一代和第三代替代物已经在诸多工业领域得到应用。为了更好的评价氟氯烷和氢氟醚对大气环境的影响，确定它们在同温层中的大气寿命是很有必要的。因此，深入研究它们的反应机理和动力学行为，对进一步揭示它们对环境的影响及其大气寿命，对控制环境污染等方面有着重要的意义。
　　 本论文利用从头算和密度泛函方法研究了卤代甲基自由基(CH2Br、CHBrCl和CH2I)、卤代烷(CH2ClF和C2H5I)和氢氟醚(CF3OCHFCF3)与大气中活泼自由基和原子反应的微观机理，并在所得的反应势能面基础上，对卤代烷和氢氟醚的系列反应进行了动力学性质的计算。对该类反应的速率常数、产物分支比及其对温度的依赖关系做出了可靠的理论预测，从而为进一步研究和利用这些反应提供了理论依据。本论文的主要结果有：
　　 1.CH2Br/CHBrCl+NO2反应机理的理论研究：1)对于CH2Br+NO2反应，CH2Br中的C原子可无能垒的进攻NO2中的O原子形成初始络合物H2BrCONO-trans和H2BrCONO-cis。从H2BrCONO-trans出发，可生成两个主要产物CH2O+BrNO和CHBrO+HNO。2)对于CHBrCl+NO2反应，可得到三种主要产物CHClO+BrNO、CHBrO+ClNO和CBrClO+HNO。在这三种产物中，CHClO+BrNO是最主要产物，CHBrO+ClNO和CBrClO+HNO分别是第二和第三可行的产物。3)CH2Br+NO2和CHBrCl+NO2势能面很相似。对于这两个反应来说，三重态势能面由于存在高位垒，所以很难进行，可以忽略。
　　 2.对于CH2I+NO2反应机理的理论研究：1)CH2I中的C原子可无能垒的进攻NO2中的不用原子(N原子或O原子)形成初始络合物H2ICNO2、H2ICONO-trans和H2ICONO-cis。2)从H2ICONO-trans出发，可生成两个主要的产物CH2O+INO、CHIO+HNO和一个二级产物CH2O+I+NO。CH2O+INO是最主要产物，CHIO+HNO是第二可行的产物。我们的计算得到的主要产物与实验上观测到的CH2I+NO2反应的结论相一致。3)CH2I+NO2和CH2Br+NO2势能面很相似。对于这两个反应来说，三重态势能面由于存在高位垒，所以很难进行，可以忽略。通过电负性方面和能垒方面的分析，我们预测CH2I+NO2反应比CH2Br+NO2反应快与实验结果相一致。
　　 3.利用双水平直接动力学方法系统研究了Cl+CH2FCl反应。在QCISD(T)/6-311++G(d，p)//MP2/6-311G(d，p)水平下获得了反应的势能面信息。反应共有三条反应通道，即H-提取、Cl-提取和F-提取。计算得到的势能垒值表明，H提取通道为主要反应通道，生成产物CHFCl+HCl。在220-3000 K温度范围内计算了三条通道的结合小曲率隧道效应的正则变分过渡态速率常数。计算值和已有的实验值符合的很好。总反应速率的三参数Arrheniun表达式，(单位：cm3molecule-1s-1)：k(T)=1.48×10-17T2.04exp(-913.91/T)。
　　 4.运用双水平直接动力学方法研究了多通道反应C2H5I+Cl。势能面是采用MP2方法结合对C，H和Cl采用6-311++G(d，p)基组，对于I采用三-ξ包含有效核赝势的系统收敛基组(aug-cc-pVTZ-PP)得到的。再利用CCSD(T)和QCISD(T)方法对反应体系中的所有稳定点和MEP上选取的部分点进行了高水平能量校正。该反应，共有四条反应通道，计算了三条氢提取反应通道和相应的氘取代反应通道的速率常数以及反应速率分支比。温度在1200K以下时，亚甲基氢提取通道是主要的。但是当温度升高时，甲基氢提取通道开始具有竞争性。总反应在220-1500K温度范围内的速率常数三参数表达式为k(T)=2.33×10-16T1.83exp(-185.01/T)cm3 molecule-1 s-1。氘取代同位素效应(KIE)在低温区间较为重要，而在高温区间影响不大。
　　 5.运用双水平直接动力学方法研究CF3CHFOCF3(HFE-227 mc)+OH以及CF3CHFOCF3+Cl反应的反应机制，所有稳定点的几何构型和频率以及最小能量路径。利用同构反应(R7.3a-R7.4c)，在理论上估算了CF3CHFOCF3和CF3CFOCF3自由基的标准生成焓数据。计算的这两个反应的包含小曲率隧道效应校正的改进的正则变分过渡态速率常数(ICVT/SCT)与相应的可利用的实验值吻合的很好。速率常数计算结果表明，对于CF3CHFOCF3+Cl反应，速率常数是正温度效应，对于CF3CHFOCF3+OH，在低温区域(220-250 K)表现为负温度效应。两个反应速率的三参数Arrheniun表达式分别为，(单位：cm3 molecule-1s-1)：k1=2.87×10-21T2.80exp(-1328.60/T)：k2=3.26×10-16 T1.65exp(-4642.76/T)。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

一、引言

二、自由基化学反应

三、本论文所选体系的研究背景

(一)卤代甲基自由基CH2Br/CHBrCl、CH2I与NO2反应的研究意义

(二)卤代烷CH2FCl和C2H5I与Cl原子反应的研究意义

(三)氢氟醚CF3CHFOCF3与OH自由基和Cl原子反应的研究意义

四、本论文的主要工作

参考文献

第二章 理论基础和计算方法

一、引言

二、势能面(Potcntial Energy Surface)

三、从头算自洽场方法

四、从头算后自洽场方法

(一)电子相关能

(二)微扰理论(Mollwr-Pleset Pertubration Theory)

(三)组态相互作用(Configuration Interaction)

五、密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)

六、基组的选择

七、单点能校正方法(组合算法)

八、内禀反应坐标理论

九、过渡态理论

(一)传统过渡态理论

(二)变分过渡态理论

(三)改进的正则变分过渡态理论

十、隧道效应校正

参考文献

第三章 CH2Br/CHBrCl与NO2自由基-自由基反应机理的理论研究

一、引言

二、计算方法

三、结果与讨论

(一)CH2Br+NO2反应

(二)CHBrCl+NO2反应

(三)与实验比较

(四)CHXBr+NO2(X=H和C1)反应机理的比较

四、结论

参考文献

第四章 CH2I与NO2自由基-自由基反应机理的理论研究

一、引言

二、计算方法

三、结果与讨论

(一)初始化连接

(二)异构化和分解路径

(三)反应机理

(四)与实验比较

(五)CH2I和CH2Br与NO2反应机理的比较

四、结论

参考文献

第五章 双水平直接动力学方法研究CI+CH2FCl反应的微观机理和速率常数

一、前言

二、计算方法

三、结果与讨论

(一)稳定点性质

(二)最小能量路径计算

(三)速率常数计算

四、结论

参考文献

第六章 C2H5I与Cl原子反应的微观机理和动力学的理论研究

一、引言

二、计算方法

三、结果与讨论

(一)稳定点电子结构

(二)反应路径性质

(三)速率常数的计算

四、结论

参考文献

第七章 CF3CHFOCF3与OH自由基和Cl原子反应的理论研究

一、引言

二、计算方法

三、结果与讨论

(一)稳定点的电子结构计算

(二)能量

(三)反应路径性质

(五)速率常数的计算

四、结论

参考文献

致谢

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