论文摘要
简单碳氢自由基（如甲酰基、乙烯基、乙炔基等）是有机化学中比较简单的物种，它们的结构和性质日益引起人们的广泛兴趣。自由基反应活性和反应历程的研究，已经在有机化学中占有很重要的地位，发展极为迅速。由于大多数自由基都比较活波，不容易稳定存在，而且它们的反应大都比较快，形成的中间体反应活性通常很大，所以在气相中只能瞬态存在，在传统条件下很难进行检测，对这些反应中间体进行结构和动力学的实验研究以揭示自由基的反应特性具有相当大的难度。气相条件下探测自由基的反应可以观察到最终产物，提供反应通道，然后由产物反推出可能的反应机理，但是对于反应过程中可能存在的活性中间体却不能提供直接的证据。而基质隔离技术对于活性物种的捕获有其独特的优越性，可以将反应中的活性中间体捕获下来，然后用常规的光谱方法检测。本论文运用低温基质隔离和红外光谱技术，结合同位素取代和理论计算研究了简单碳氢自由基的反应。本论文的研究工作主要包括两个部分，第一部分是研究简单碳氢自由基（主要是甲酰基和乙烯基）与氧气的反应。主要结果归纳如下：1、HCO与O2的反应。HCO自由基是由CH3OH前驱体在高频放电的O2／Ar作用下得到的。甲酰基HCO与O2在4K的氩基质中反应，首先形成过氧甲酸自由基HC（O）OO，在氩基质中其C=O和C-O伸缩振动的频率分别位于1821．5和957．3cm-1。结合理论计算表明该自由基的O-O键相对于C-H键位于cis-位置。过氧甲酸基在紫外-可见光作用下分解形成CO和CO2。反应过程可表示为：2、C2H3与O2的反应。C2H3自由基是由前驱体C2H4分子在高频放电的O2／Ar作用下得到的。C2H3自由基与O2反应得到过氧乙烯基trans-C2H3OO，在氩基质中其O-O伸缩振动和CH2面内弯曲振动的频率分别位于1140．7和875．5cm-1。理论计算结果表明该自由基具有Cs对称性，基态为2A″，其结构是O-O键相对于C-C键处于trans-位置。过氧乙烯基在λ>400nm可见光激发下发生分解，生成CH2OH+CO，在“基质笼”的束缚下，得到CH2OH（CO）络合物，其O-H、C≡O、C-O伸缩振动模式、HCOH扭转振动模式分别位于3604．5、2155．8、1188．2、1063．9和494．4 cm-1。反应途径可表示为：C2H3（2A′）+O2（3∑g1）→C2H3OO（2A″） C2H3OO+hV（λ>400 nm）→CH2OH+CO前人在气相条件下研究C2H3自由基与O2的反应，发现主要产物是HCO+H2CO，而没有观察到CH2OH+CO这个反应通道，理论计算表明在能量上生成CH2OH+CO要比生成HCO+H2CO更加有利。我们认为整个反应很可能是C2H3OO自由基在可见光的作用下，经过多步快速的光化学反应和热化学反应得到H2CO-HCO对，它会发生自身的质子转移过程，HCO的质子转移到H2CO的氧原子上，最终形成CH2OH-CO对。我们的实验说明在低温基质隔离条件下，CH2OH+CO是主要产物，这预示在气相条件下也可能会是主要产物。本论文的实验中，我们以碳氢小分子（甲醇和乙烯）为前驱体，通过高频放电，产生小分子自由基，并将它们冷冻隔离在低温氩基质中，研究它们与氧气的反应，在基质中捕获反应中间体，检测其红外吸收光谱，并结合理论计算研究其结构和成键性质。本论文涉及两个体系——甲酰基体系和乙烯基体系，这两个自由基的未成对电子都在C原子上，它们与氧气的反应基本机理可以表示为：R·+O=O→R-O-0…（?）…Products自由基与氧气反应时，O=O双键断裂形成O-O单键，一个O原子接到有未成对电子的C上，形成ROO自由基中间体，其中未成对电子位于端O原子上。在可见光等激发下，ROO自由基中间体进一步发生光诱导解离反应生成产物。当ROO自由基内包含有碳碳不饱和键时，中间体会通过异构化作用使得碳碳键的键级逐步弱化，之后再经过分子内的氢转移，将氢原子转移到电负性较大的氧原子上，进而分解得到相应的最终产物。本论文的另外一方面研究工作是结合紫外-可见光光解研究苯的重要衍生物——硝基苯的光化学行为。结果表明，硝基苯在紫外-可见光作用下分解生成苯氧基自由基和NO的络合物C6H5O-NO。对样品退火，C6H5O-NO络合物复合生成硝基苯的同分异构体亚硝基苯酯C6H5ONO。在氩基质中，C6H5O-NO络合物和C6H5ONO分子可以通过紫外一可见光光照和退火的方式相互转化。理论计算给出了这两种产物的结构，C6H5O-NO络合物基态是3A’，而C6H5ONO的基态为1A。本论文分为四章，第一章是绪论，第二章介绍实验方法和理论计算方法，第三章介绍碳氢自由基与氧气的反应，第四章介绍硝基苯的光异构化。
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