星际空间中某些含硫分子生成机理的理论研究

摘要

星际分子及其谱线的发现被誉为20世纪60年代天文学上的四大发现之一.至今科学家已经陆续发现了160多种星际分子.其中包含的元素种类也延伸到 H、C、N、P、S、O等许多在地球上广泛存在的生命元素.在物质极其稀薄和极端低温的苛刻条件下,对这些星际分子形成和转化过程的研究对于推断恒星的早期形成演化过程和生命的起源有重要的意义.怎么样利用实验室的条件来模拟这些星际分子,自由基或者离子的形成及消耗过程,长期以来一直是天体物理化学家和实验化学家的研究方向和目标,现在这方面的工作已经开展得非常广泛和深入,并形成了一门交叉学科“星际化学”.近年来,人们对星际分子的观测和讨论取得了显著进展,寻找和确认新的复杂星际分子并理解其形成和演化过程成为天文、物理和化学等多领域关注的热点.
　　近几十年来,星际分子的结构,光谱性质和形成的研究一直吸引着化学工作者的关注,但其中多是关于含 C、H、N、O等分子的报道很少见有含硫分子或者离子的报道.最近十年来含硫星际分子才引起了化学工作者的广泛兴趣,包括硫碳簇的稳定性等等.到目前为止,H2CS、CH3SH、CS2等等这些含硫星际分子已在星际中相继观测到,但关于它们形成的机理研究甚少.因此从理论上详细研究这些物质形成的机理是一件非常有意义的工作.
　　因此本文将深入得探讨在星际空间中一些含硫元素的分子如 H2CS、CS2、CH3SCHO等它们可能的形成途径,以及星际空间中一些小分子如 H2O、HF、HCN、NH3等对生成这些分子的催化作用.
　　综合以上几点,在查阅文献的基础上,本文采用量子化学中的密度泛函方法,在B3LYP/6-311+G**水平上,对星际空间中某些含硫分子形成机理及在小分子H2O、HCN、HF、NH3等催化作用下的形成机理进行系统研究。研究的具体内容主要包括以下几点:
　　1.H2CS形成的机理研究
　　本文采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311+G**理论水平上,系统研究了CS和H2分子的反应,同时研究了在星际空间中的小分子 H2O、HF、NH3、HCN催化作用下 CS和H2的反应,计算了反应的过渡态,并从活化能的角度对这些小分子的催化效能进行了比较.计算结果发现:
　　1.1在无催化剂下,碳化硫与氢气分子反应的能垒较高,通常情况下很难发生,且反应为放热反应.但星际介质中的小分子 H2O、HF、NH3等通过氢键作用对反应起到了很好的催化作用.并且从理论上随着参与反应的小分子数目的增加,催化效能增强,反应的势垒明显降低.
　　1.2经计算,星际空间中能形成氢键的小分子 H2O、HF、NH3对反应都有催化作用,但催化能力不同,氟化氢和氨气分子的催化效能相差无几,但它们的催化作用比水分子要好.具体的催化效能顺序依次为:3HF>3H2O>2HF>2H2O>HF>NH3>H2O.
　　2. HCOOCH3和CH3SCHO形成的机理研究
　　2.1以星际空间存在的一氧化碳和甲醇作为反应物,并用星际空间中存在的小分子H2O、HF作催化剂,研究它们对反应的催化效能及在星际空间中形成甲酸甲酯的可能性。计算结果发现小分子的催化效能依次为3HF>2HF>3H2O>2H2O>HF>H2O.
　　2.2以CH3SH和CO为反应物,用H2O、HCN、NH3、HF作为为催化剂,找出各反应的过渡态并通过IRC进行验证,最后从活化能的角度来比较活化能势垒,研究这些小分子可能的催化作用.计算结果发现小分子的催化效能依次为3HF>2HF>3H2O>2H2O>NH3>HF>H2O>HCN.
　　3.CS2形成机理的研究
　　以CS和H2S为反应物,分别用H2O、2H2O、HF、2HF作催化剂,采用量子力学计算方法研究它们对反应的影响.结果发现:
　　3.1在无催化剂下,碳化硫与硫化氢气分子反应的能垒较高,通常情况下很难发生,且生成物的能量比反应物能量低,因此反应为放热反应.通过计算发现星际空间中的小分子H2O、HF通过氢键作用对反应起到了催化作用,但催化作用不是很明显,催化效果不是特别理想.但从理论上随着参与反应的小分子数目的增加,催化效能增加,反应的势垒会降低.
　　3.2经计算,星际空间中能形成氢键的小分子 H2O、HF对反应都有催化作用,但催化剂不同催化能力也不同,氟化氢的催化作用比水分子要好.具体的催化效能依次为:2HF>2H2O>HF>H2O.

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第一章 绪论

§1.1 星际空间及星际分子简介

§1.2 研究意义

§1.3 发展和现状

§1.4 研究工作

参考文献

第二章 计算方法和理论基础

§2.1 引言

§2.2 基组的问题

§2.3 从头计算方法的三个近似

§2.4 Hartree-Fock 方程

§2.5 Hartree-Fock-Roothann 方程

§2.6 密度泛函理论（DFT）

§2.7 过渡态理论（TST）和反应途径（IRC）

参考文献

第三章 星际空间中硫代甲醛的形成机理研究

§3.1 引言

§3.2 计算方法

§3.3 硫代甲醛反应机理研究

§3.4 结果与讨论

§3.5 本章结论

参考文献

第四章 星际空间中甲酸甲酯和甲硫醇甲酸酯的形成研究

§4.1 引言

§4.2 计算方法

§4.3 甲酸甲酯反应机理研究

§4.4 甲硫醇甲酯形成的机理研究

§4.5 本章结论

参考文献

第五章 星际空间中二硫化碳形成的理论研究

§5.1 引言

§5.2 计算方法

§5.3 硫代甲醛反应机理研究

§5.4 结果与讨论

§5.5 本章结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢