用分子模拟的方法确定TS-1催化环己酮胺肟化反应机理及速率控制态

论文摘要

多年来，由反应机理得到动力学的过程中，定态近似和速率控制步骤的概念一直起着重要的作用。然而，越来越多的研究者认为，无论对于基础研究还是应用研究，确定反应速率控制态的意义高于确认速率控制步骤。速率控制态对发现新型催化剂或者提高现有催化剂的性能具有重要的指导意义。钛硅分子筛催化的环己酮胺肟化反应，由于环境友好性以及肟重要的工业价值，得到广泛研究。然而，对于该反应的机理，尽管有大量试验研究，但目前仍然没能得到一致的结论。本研究使用密度泛函理论，选择含有缺陷位的钛硅分子筛模型进行模拟计算，详细研究了钛硅分子筛与双氧水作用催化环己酮胺肟化的反应机理。考虑到特殊的反应条件，一种新型的催化剂活性中心被提出，即Ti（η1-OOH）带有一个氨气配位体的结构，该结构与传统的无配位体或者以水为配位体的构型相比稳定性更强。在羟胺机理中，活性中心形成后，氨进攻与Ti原子相连的Ob原子，从而形成中间产物TS-1-O-NH3，该中间产物进一步反应生成羟胺。羟胺从催化剂脱附后，与环己酮反应先生成中间产物而后生成肟。对于亚胺机理，有催化剂参与以及无催化剂参与生成亚胺的机理都被研究，结果表明反应路径一致，都是经两步氢原子转移生成亚胺，亚胺再与活性中心作用生成肟。比较可发现催化剂催化作用明显，有效降低了活化能垒。通过动力学计算得到基元反应的活化能和速率常数。在亚胺机理中，由中间产物生成亚胺和生成肟的步骤能垒最高，分别为183.353kJ/mol和151.607kJ/mol。在羟胺机理中，由中间产物生成羟胺以及由中间产物生成肟的步骤能垒最高，分别为136.785kJ/mol和153.064kJ/mol。使用AUTOF软件计算TOF控制度，发现由中间产物生成羟胺和由中间产物生成亚胺过程的过渡态为TOF控制态使用量子力学和分子力学结合的方法研究了NH3，H2O2和H2O吸附对催化剂结构，频率和能量特征的影响。结果表明，Ti-O和Ti-Si的距离拉长，同时960cm-1的特征峰发生蓝移。比较发现，三种分子中，氨气与催化剂的相互作用最强。与单分子吸附相比，NH3和H2O2共吸附放出的能量更多。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 钛硅分子筛研究概述
• 1.1.1 钛硅分子筛构型研究
• 1.1.2 TS-1 活性中心的研究概述
• 1.1.3 TS-1 与 NH3、H2O 相互作用的研究概述
• 1.2 环己酮胺肟化反应的研究概述
• 1.2.1 催化反应机理
• 1.2.2 反应动力学研究
• 1.3 计算化学在催化领域的应用
• 1.3.1 密度泛函理论
• 1.3.2 QM/MM 量子力学和分子力学组合方法
• 1.3.3 催化过程的量子力模拟概述
• 1.4 分子动力学
• 1.4.1 过渡态理论
• 1.4.2 势能面以及速率方程的推导
• 1.5 选题的依据和论文的主要内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 论文主要内容
• 第二章 密度泛函理论计算环己酮胺肟化的反应机理
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 计算软件
• 2.1.2 模块简介
• 2.2 实验模型及方法
• 2.2.1 实验模型
• 2.2.2 实验方法介绍
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 反应活性中心的研究
• 2.3.2 羟胺形成过程
• 2.3.3 由羟胺形成肟的反应
• 2.3.4 亚胺的形成
• 2.3.5 亚胺生成肟的过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 环己酮胺肟化反应能量分析以及 TOF 决定态的计算
• 3.1 计算原理
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 构型的计算
• 3.2.2 能量的计算
• 3.2.3 TOF 控制度的计算
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 羟胺和亚胺经历能量分析
• 3.3.2 动力学分析
• 3.3.3 TOF 控制度
• 3.4 本章小结
• 第四章 NH3、H2O2、H2O 吸附对 TS-1 性质的影响
• 4.1 模拟原理
• 4.1.1 分子力学与量子力学结合方法简介
• 4.1.2 Materials Studio 软件中 Qmear 模块
• 4.1.3 GULP 模块中力场介绍
• 4.2 计算方法和模型
• 4.2.1 模型的选择
• 4.2.2 计算方法介绍
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 单原子吸附构型
• 4.3.2 双分子吸附
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢