气相中Fe+、Cu+与CO和N2O的反应的量子化学计算研究

论文摘要

近几十年来,一些实验化学家在利用感应偶合等离子体/选择离子流动反应管（ICP/SIFT）串联质谱仪等研究过渡金属离子M+及其氧化物阳离子MO+与小分子的气相催化反应中,发现过渡金属离子和它们的氧化物阳离子对小分子的N-O键、C-O键和C-C键等具有独特的活化作用。近十几年来,理论化学家在研究过渡金属气相反应中发现基态反应物（或中间体）和基态产物有着不同的自旋态,整个反应前后频繁出现自旋多重度改变的现象,即反应不遵守“自旋守恒定律”。尽管有人在十几年前就已经提出了势能面交叉是两态反应根本机制的说法,但由于受当时自旋守恒定律的影响,直到1994年,高技术实验手段发展,使得人们在整个反应途径中,才检测到该类反应的确违背了“自旋守恒定律”。这样势能面交叉是两态反应根本机制的说法才被人们慢慢地接受。为了更好地解释这些现象,近几年实验化学家和理论化学家一直不断地深入研究两态反应微观机理。如今,出于对催化反应过程中精确反应机理进行探讨的需要,两态反应已经引起了国际上实验化学家和理论化学家的浓厚兴趣。本文对几个特殊的体系（Fe+、Cu+离子分别和N2O、CO的反应）进行了深入细致的研究,得到了一些很有意义的结论。本文以量子化学中的分子轨道理论、过渡态理论为理论基础,参考Armentrout、B?hme、Schwarz和Schr?der等人的实验观测结果,运用密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算方法对所研究的体系进行了深入细致的计算研究,通过计算找出反应中各物种（包括过渡态）的优化构型,进而得到体系势能面上反应物、中间体产物和过渡态等构型数据,以及热力学数据和轨道的有关信息。我们用这些数据综合分析反应机理问题。全文共分四章。第一章概述了量子化学这一前沿领域的发展和应用,以及两态反应理论背景和研究现状。第二章简要地介绍了量子化学计算方法,主要包括量子化学基本理论和反应势能面、势能面相交与不相交规则、过渡态理论、系间窜越的选择规则和自然键轨道理论（NBO）。前两章主要概括了本文工作的理论背景和理论依据,为我们的研究提供了可靠的量子化学理论基础和实践基础。第三章,我们选取了第一后过渡金属离子Fe+在CO与N2O的反应体系起的催化作用作为研究对象,着重分析了第一后过渡金属离子Fe+对N-O键及FeO+对C-O键的活化作用和不同自旋态金属离子的夺氧能力,并通过对势能面交叉点前线轨道的分析来深入理解“系间窜越”。第四章中,我们选取了第一后过渡金属阳离Cu+在CO与N2O的反应体系起的催化作用作为研究对象,着重分析了第一后过渡金属阳离子Cu+对N-O键及CuO+对C-O键的活化的反应机理,并对两态反应（TSR）过程进行了深入的研究。在研究过程中,首先,我们主要运用电荷转移、自然键轨道（NBO）分析和分子轨道理论结合其它分析方法对初始复合物和过渡态的形成、性质进行了讨论。其次,对反应路径做了简单的描述,使反应的微观机理一目了然。第三,先用Hammond假设推断出势能面交叉的大致位置,再进一步运用Yoshizawa等的内禀坐标单点垂直激发态的方法,即在一自旋态的IRC反应坐标点所对应的构型上,计算该构型在另一自旋态下的单点能量,得到了一自旋态势能面上IRC反应坐标投影在另一自旋态势能面上的势能曲线,从而找到一自旋态IRC曲线与另一自旋态势能面相交的交叉点。最后,我们选了一个势能面交叉点为代表来讨论自旋翻转行为,即研究一个势能面交叉点的前线分子轨道,来理解“系间窜越”现象,讨论两势能面交叉的情况。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 第一节 量子化学的发展和应用
• 第二节 两态反应的研究背景及其进展
• 第三节 本文主要工作
• 参考文献
• 第二章 量子化学的基础理论和计算方法
• 第一节 量子力学的基本假设
• 1.1 量子力学的几个基本概念
• 1.2 量子力学的五个基本假设
• 1.2.1 假设Ⅰ—状态函数和概率
• 1.2.2 假设Ⅱ—力学量与线性自共轭（Hermite）算符
• 1.2.3 假设Ⅲ—态叠加原理
• 1.2.4 假设Ⅳ—态随时间变化的Schr（o|¨）dinger方程
• 1.2.5 假设Ⅴ— Pauli互不相容原理
• 第二节 定态Schr（o|¨）dinger方程和三个基本假设
• 2.1 定态Schr（o|¨）dinger方程
• 2.2 关于定态Schr（o|¨）dinger方程求解的三个基本假设
• 2.2.1 非相对论近似
• 2.2.2 Born-Oppenheimer近似
• 2.2.3 轨道近似（又称单电子近似）
• 第三节 反应势能面
• 3.1 势能面上临界点的几何性质
• 3.2 势能面的相交与不相交规则
• 第四节 活化络合物理论
• 4.1 传统过渡态理论
• 4.2 变分过渡态理论
• 第五节 密度泛函理论简介
• 第六节 基组的选择和频率分析及零点能的计算
• 6.1 最小基组
• 6.2 分裂基组
• 6.3 极化基组
• 6.4 弥散函数
• 6.5 第三周期以后的原子基组
• 6.6 频率的计算
• 6.7 零点能的计算
• 第七节 自然键轨道理论（NBO）概述
• 参考文献
• +在CO与N₂O反应中催化作用的计算研究'>第三章 气相中Fe⁺在CO与N₂O反应中催化作用的计算研究
• 第一节 引言
• 第二节 计算方法
• 第三节 结果和讨论
• 3.1 结构和能量
• 3.2 初始反应复合物的形成
• 3.3 反应机理
• +与N₂O的反应机理'>3.3.1 Fe⁺与N₂O的反应机理
• +与CO的反应机理'>3.3.2 FeO⁺与CO的反应机理
• 3.4 NBO电荷分析
• 3.5 反应在两个势能面上的交叉行为
• 3.6 不同自旋态金属离子夺氧能力的估算
• 3.7 结论
• 参考文献
• +在CO与N₂O反应中催化作用的计算研究'>第四章 气相中 Cu⁺在CO与N₂O反应中催化作用的计算研究
• 第一节 引言
• 第二节 计算方法
• 第三节 结果和讨论
• 3.1 结构和能量
• 3.2 初始反应中间体的形成
• 3.3 反应机理
• +与N₂O的反应机理'>3.3.1 Cu⁺与N₂O的反应机理
• +与CO的反应机理'>3.3.2 CuO⁺与CO的反应机理
• 3.4 NBO电荷分析
• 3.5 反应在两个势能面上的交叉行为
• 3.6 不同自旋态金属离子夺氧能力的估算
• 3.7 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录