氢参与的两类重要分子反应机制的理论研究

论文摘要

人们对一些重要变化的认识早已不甘于停留在表面现象,对于一些与生活息息相关的重要化学反应,人们希望弄清其反应机理,并进而可以调控其反应过程。而这些都涉及到原子尺度的相互作用。由于目前测试技术的局限性,对于诸多过程,还不能进行直接的原子分子相互作用的观测,迫切需要借助其它手段来弥补实验上的不足。量子力学在处理原子分子等微观体系上取得的巨大成功,为从理论上对反应过程进行原子水平的分析提供了条件。依靠量子理论研究可以获得实验上难以观察到的微观信息,从而认识反应机理、解释实验现象。目前的处理分子问题的量子计算方法,被广泛用于从理论上研究分子的结构与其性质的关系、分子的结构与反应性的关系等诸多方面。本论文就是应用量子计算方法通过反应途径探测,研究了两类重要的与氢相关的反应机理的问题,主要内容概括如下：（1）理论上研究了固体材料储氢过程中从物理吸附到化学吸附的转变机制。物理吸附和化学吸附是H2分子在固体材料表面存在的两种形式。人们对这两种吸附形式关注较多,但是对于它们之间的转变研究较少。而这个转变过程直接影响储氢体系的动力学稳定性。我们采用密度泛函理论中的LDA近似研究了H2分子在纯的C20和硼取代C19B富勒烯表面从物理吸附到化学吸附的转变机制。我们首先根据轨道的性质分析了这个转变过程的难易程度。然后通过全优化的方法给出了这个转变过程中涉及到的包括稳定点和过渡态在内的高精度的势能面。我们计算的结果表明,H2分子在纯的C20表面的物理吸附能比在硼取代C19B富勒烯表面的物理吸附能小,对这两个体系,从物理吸附到化学吸附的转变过程中均要经过过渡态。但是这个转化过程的能垒非常低,尤其是在C19B表面,能垒更低。H2分子在C19B表面,发生了电荷转移,这是他们之间吸附强度大的本质原因。然而电荷转移同时也带来了另一个问题,就是H-H之间由于排斥作用,距离增大,使得H-H的解离变的容易,H2分子在C19B表面从物理吸附态更容易发生解离转化到化学吸附应该是由于这个原因。（2）另外,我们通过分析H2分子在纯的C20和硼取代C19B富勒烯以及两个C19B存在时氢分子与它们的不同作用机制,总结了氢气分子存在的四类分子形式,四种类型分别为自由状态的氢气分子；范德华吸附于纯碳材料表面的分子形式；与材料表面发生电荷转移,受到库仑作用吸附于材料表面；氢分子两端分别与吸附材料相互作用的两端受控吸附形式。其中第三类和第四类包含的作用形式比较复杂,既包含库仑作用,又有范德华作用。从这几种情况分析可以看出,通过分子间相互作用可以调控一个分子的状态。（3）从实际应用方面考虑,我们选用稳定性可以和C60相媲美且实验证实可以大量制取的C59B富勒烯为研究对象,研究了H2分子C59B富勒烯表面从物理吸附到化学吸附的转变机制。由于C59B的高稳定性和实验合成的可操作性,而且H2分子在其表面具有合适的物理吸附能,所以人们一度视其为一种非常有前景的储氢材料。我们的计算结果表明H2分子在C59B表面从物理吸附到化学吸附的转变过程需要经过一个过渡态,但是这个能垒非常的低,而且过渡态的能量低于入口能量（孤立H2分子和C59B的能量之和）,所以可以容易想到,C59B·H2（P）这一物理吸附体系的动力学稳定性非常差,在其释放出H2之前就先转化为化学吸附态。而化学吸附态位于较深的势阱中,从而,氢气的释放会受到影响。因此,从实用性考虑,这种材料的储氢性能还需重新评估。（4）采用自旋非受限的密度泛函理论,在B3LYP/6-31+G（d, p）水平上研究了沙利度胺分子对映体间的转换过程,目的是揭示其手性转换的机理。首先通过全优化的方法计算了孤立的沙利度胺分子本身不借助于外界环境自身发生手性转换的精确势能面,并且通过频率分析证明了势能面上的6个稳定点和6个过渡态的性质,得到了实现手性转换的两个路径。一个是先发生氢转移后实现异构化,另一个是先发生异构化,后实现氢转移。计算结果表明,孤立的沙利度胺分子自身发生的手性转换需要克服超过70Kcal/mol的能垒。这与实验上沙利度胺分子可以发生快速手性转换不相符。但是实验是在溶液中进行的,因此我们要考虑外界因素对此手性转换的影响。我们注意到前面得到的两个路径中能垒最高的一步是H的转移,所以,我们在两个路径的氢转移这一步均引入了两个水分子做氢转移的中间桥梁。在水分子的参与下两个路径H转移的能垒分别降低到31.94Kcal/mol和31.38 Kcal/mol.从而理论上阐明了沙利度胺分子的手性转换的机制,解释了沙利度胺分子为什么是在溶液中发生的。上述研究成果丰富了固体富勒烯材料储氢机制的理论依据,解释了沙利度胺分子手性对映体间转变方面的实验结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究反应机理的意义
• 1.2 氢能发展的瓶颈—贮氢
• 1.3 研究手性转换的意义
• 1.4 本文的选题
• 1.5 解决问题的理论途径
• 参考文献
• 第二章 理论基础和计算方法
• 2.1 自洽场分子轨道理论
• 2.1.1 分子体系的量子力学描述
• 2.1.2 Hartree-Fock方程
• 2.1.3 闭壳层分子的HFR方程
• 2.1.4 开壳层分子的HFR方程
• 2.2 微扰理论
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 基于波函数方法的困难和DFT理论的优点
• 2.3.3 Thomas-Fermi方法
• 2.3.4 Hohenberg-Kohn定理
• 2.3.5 Kohn-Sham方法
• 2.3.6 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.3.7 杂化方法
• 2.4 基组的选择
• 2.4.1 基函数
• 2.4.2 基组
• 2.5 势能面
• 2.5.1 势能面上的稳定点与过渡态
• 2.5.2 直积在求解势能面上的应用
• 2.6 布居数分析和频率分析
• 2.6.1 布居数分析
• 2.6.2 自然轨道Mulliken布居数
• 2.6.3 振动频率计算
• 2.7 内禀反应坐标（IRC）理论
• 参考文献
• 2分子在C₂₀和C₁₉B表面的吸附态'>第三章 H₂分子在C₂₀和C₁₉B表面的吸附态
• 3.1 前言
• 3.2 计算方法
• 2分子在C₂₀和C₁₉B表面的物理吸附'>3.3 H₂分子在C₂₀和C₁₉B表面的物理吸附
• 2分子从物理吸附态到化学吸附态的转变过程'>3.4 H₂分子从物理吸附态到化学吸附态的转变过程
• 3.5 基于分子间相互作用调控氢分子的状态
• 3.6 结论
• 参考文献
• 2分子在C₅₉B表面物理吸附到化学吸附转变机理的理论研究'>第四章 H₂分子在C₅₉B表面物理吸附到化学吸附转变机理的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 沙利度胺（Thalidomide）分子手性转变机制的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 孤立沙利度胺分子自身完成的手性转变
• 5.3.2 水在H转移中的作用
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 博士期间发表及完成的论文
• 致谢