硝基化合物的解离反应及异氰酸与NO反应的理论计算研究

摘要

本论文从理论上系统的研究并讨论了以下三个反应体系：
　　 (1)硝基甲烷正、负带电离子解离反应位垒的计算研究；(2)2-硝基丙烯热解反应机理和电子密度拓扑研究；(3)异氰酸与NO自由基反应机理研究.
　　 获得的主要研究结果如下：
　　 对于反应体系(1)，采用密度泛函DFT(B3LYP)计算方法为研究手段，在6-311++G**基组水平上重点计算研究硝基甲烷两种带电结构[CH3NO2]+和[CH3NO2]-分子内H原子向O原子转移后的O-N键的解离机理和反应位垒.结果表明，硝基甲烷及其带电离子的构型不同，旋转位垒数值的大小有所差异；对于两个带电离子的解离反应来说，硝基甲烷正离子[CH3NO2]+发生氢转移后O-N键的断裂是两步反应，第一步是分子内的H原子转移到O原子上，生成中间体[CH2N(OH)O]+，反应位垒是106.5kJ/mol,第二步是中间体中O-N键的断裂，这步的反应位垒是105.5 kJ/mol.理论计算给出的产物带电状态与实验一致；硝基甲烷负离子[CH3NO2]-中氢向氧转移及O-N键的断裂反应一步完成，并生成一氢键复合物(H-Complex)，该反应位垒是176.2kJ/mol,H-Complex可进一步解离成CH2NO自由基和[OH]-负离子，或是带负电的[CH2NO]-和OH自由基.
　　 对于反应体系(2)，采用密度泛函DFT(B3LYP)方法，在6-311G**、6-311++G**以及cc-pvtz基组水平上，优化了2-硝基丙烯的热解反应途径，及反应途径上各驻点(反应物、过渡态及中间体)的几何结构，研究了各反应沿极小能量途径反应分子几何构型的变化和各原子上电荷的变化.从量子拓扑学的角度，对反应通道内禀反应坐标(IRC)上的各点进行了电子密度拓扑初步研究，讨论了反应过程中化学键的断裂、生成以及化学键的变化规律.结果表明，2-硝基丙烯的热解反应有3种反应通道，其中甲基上的H原子进攻硝基上的O原子生成CH2CCH2和HNO2的反应位垒为199.6 kJ/mol，而O原子进攻亚甲基C原子首先生成中间体Int1的位垒为200.3kJ/mol,Int1进一步有两种产物通道：首先,C-C键断裂生成CH3CNO和CH2O的反应位垒为144.7kJ/mol；其次,C-N键断裂生成化合物CH3C2H2ONO的反应位垒为224.9 kJ/mol.因此，2-硝基丙烯热解生成CH2CCH2和HNO2或生成CH3CNO和CH2O的可能性最大.
　　 对于反应体系(3)，采用MP2从头算法，在6-311+G*基组水平上初步研究了HNCO与NO自由基的反应机理.全参数优化了反应过渡态、中间体的几何构型，并通过振动分析对过渡态结构进行了确认，然后依据内禀反应坐标(IRC)理论，计算分析了反应途径上分子结构的变化过程；并得出各步反应的反应位垒.结果表明，HNCO与NO自由基的反应有2种通道，通道1生成产物HNNO和CO，通道2生成一环状化合物，从计算结果来看，第一步反应位垒偏高，为240.2kJ/mol,因此整个反应从动力学角度较难进行.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章序言

1.1量子化学的发展简史

1.2本文的主要工作、理论价值及实践意义

1.2.1研究内容

1.2.2课题研究的意义

1.2.3课题研究的现状概述

第二章理论基础和计算方法

2.1从头计算方法

2.1.1分子轨道法的三个基本近似

2.1.2分子轨道理论

2.1.3基函数

2.2电子相关问题

2.2.1物理图象

2.2.2电子相关能

2.2.3相关能计算方法

2.3内禀反应坐标理论

2.4过渡态理论（Transition State Theory,TST）

2.5选择从头算基函数的规则及基组含义

第三章硝基甲烷正、负带电离子氢转移和直接解离反应位垒的比较研究

3.1研究方法

3.2计算结果与讨论

3.2.1硝基甲烷带电离子的结构性质

3.2.2硝基甲烷及其带电离子旋转位垒的计算和比较

3.2.3硝基甲烷及其带电离子稳态构型的振动频率

3.2.4硝基甲烷正离子分子内氢转移及O-N键断裂反应机理

3.2.5硝基甲烷负离子分子内氢转移及O—N键断裂反应机理

3.3硝基甲烷正、负离子氢转移及N-O键解离反应研究结论

第四章2-硝基丙烯热解反应的密度泛函计算研究

4.1研究方法

4.2计算结果与讨论

4.2.1反应物、过渡态、中间体的几何构型及反应沿IRC的变化

4.2.2硝基丙烯反应途径的电子密度拓扑初步研究

4.2.3反应路径上的反应位垒和反应热的计算

4.3结论

第五章异氰酸与NO反应机理研究

5.1研究方法

5.2计算结果与讨论

5.2.1各个反应中间体、过渡态的几何结构

5.2.2各个反应中结构沿IRC的变化

5.2.3各反应通道反应位垒的计算

5.3结论

第六章全文总结

参考文献

论文发表情况

致 谢