臭氧引发的萜烯化合物大气反应机理的理论研究

论文摘要

萜烯类化合物是一类以异戊二烯为基本结构单元的化合物,包括所有的异戊二烯聚合物及其衍生物,是自然界中排放量最大的非甲烷烃类化合物。其排放量巨大,种类繁多,而且结构多样。多数萜烯分子中含有一个或多个不饱和碳碳双键,因此这类化合物有很高的还原活性,被认为是光化学和二次有机气溶胶生成的重要前体物,易与大气中的臭氧、羟基自由基、氮氧化物等在大气对流层中很重要的物质起光化学反应,生成醛、酮、酸光化学氧化剂等二次污染物,这些产物多是含氧或含氮的难挥发性和半挥发性的有机物,这种半挥发性的有机物以物理或化学过程吸附在颗粒物表面或吸收在颗粒物的内部,形成二次有机气溶胶（Secondary Organic Aerosol,SOA）。二次有机气溶胶粒子尺度小,平均寿命长,对环境危害很大,不仅会影响空气能见度,影响全球气候变化,而且严重威胁人类的健康。萜烯的臭氧化反应是形成二次有机气溶胶的重要过程之一。本文以几种构型各不相同的单萜烯化合物（柠檬烯,芳樟醇,罗勒烯和月桂烯）为模型,采用高水平量子化学理论密度泛函方法（Density FunctionalTheory,DFT）,在UB3LYP/6-311+G（3df,2p）//UB3LYP/6-31G**水平上对这几种萜烯化合物臭氧化转化为其他挥发性小的化合物的反应机理做出系统研究与分析,获得了许多有价值的研究成果:1、计算出了柠檬烯、芳樟醇、罗勒烯和月桂烯分别与臭氧反应过程中包括反应物,中间体,过渡态和产物在内的各驻点的相关信息,利于我们进一步理解SOA的化学形成过程。研究的结果表明:柠檬烯与O3反应时,环外加成反应的势垒要比环内加成反应的高,所以环内加成占较大比例;芳樟醇与O3反应时,＞C=C（CH3）2双键上的加成反应占较大比例;罗勒烯和月桂烯与O3反应时,也是＞C=C（CH3）2双键上的加成反应占较大比例。上述结论与实验上所得的结论是一致的。2、采用过渡态理论（Transition State Theory,TST）、正则变分过渡态理论（Canonical Variational Transition,CVT）方法以及零曲率隧道效应校正（Zero-Curvature Tunneling Correction,ZCT）和小曲率隧道效应校正（Small-Curvature Tunneling Correction,SCT）对柠檬烯与臭氧反应过程中的各个基元反应进行了直接动力学计算,结果表明:各基元反应有着明显的变分效果,且变分效果随着温度的升高而增强;而隧道效应不明显,变化趋势是随着温度的升高而降低。3、每种萜烯臭氧化过程的后续反应中,中间体与H2O反应生成羧酸时,H2O可以看作为OH迁移的催化剂,促进了化学反应的快速进行,在此过程中,加水反应容易进行,而脱水反应的势垒较高,不易发生。而NO抽提过氧化烃中的O的反应是很容易发生的,是由热力学和动力学共同控制的。4、芳樟醇与臭氧反应还可以生成几种呋喃衍生物,这与实验上所测结果也是一致的。5、根据基元反应的Gibbs自由能可知,一旦O3引发反应,氧化过程将自发进行。所得到的产物具有很高的极性和水溶性,它们以物理或化学过程吸附在颗粒物表面或吸收在颗粒物的内部,形成对大气环境和人类危害都很大的二次有机气溶胶粒子。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及现状
• 1.2 理论基础和计算方法
• 参考文献
• 第二章 柠檬烯与臭氧反应的机理研究及动力学计算
• 2.1 引言
• 2.2 选柠檬烯为模型化合物的依据和意义
• 2.3 计算方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 芳樟醇与臭氧反应的机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 罗勒烯和月桂烯分别与臭氧反应的机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 工作展望
• 附录
• 柠檬烯与臭氧反应通道中各驻点的构型参数
• 芳樟醇与臭氧反应通道中各驻点的构型参数
• 罗勒烯和月桂烯分别与臭氧反应通道中各驻点的构型参数
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表