气相中过渡金属活化C-H和C-C键的理论

发布时间：2017-11-03 10:28

  本文关键词：气相中过渡金属活化C-H和C-C键的理论

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【摘要】：化学反应可视为是旧键断裂和新键形成的过程,因此化学家一直致力于高选择性的实现目标化学键的断裂与合成的研究,特别是过渡金属参与的活化小分子的化学反应。一般地,在碳氢化合物中,C H和C C两个惰性化学键的活化过程会出现竞争反应,因而其反应机理的研究受到化学家的“追捧”。对于过渡金属及其化合物来说,它的化学性质与金属电子结构紧密相关,因此其参与的反应常会出现“自旋禁阻”现象,违背“自旋守恒”定律。化学反应由于电子的自旋翻转在不同势能面上进行,即发生“两态反应”或者“多态反应”(TSR/MSR),这会极大地影响反应势垒的高低和所得产物的分布。本文根据密度泛函理论(density functional theory,DFT)和耦合簇理论,运用Gaussian程序对第二排过渡金属中的Nb和Zr催化2-丁炔的反应分别进行了理论探究,顺利优化完成不同势能面上各个驻点的几何结构。此外,依据Crossing2004程序和GAMESS程序求得的信息最终确定了化学反应的最低能量路径。全文共由四章构成。第一章主要介绍了量子化学的发展以及两态反应的理论背景和定义。第二章简单的介绍了量子化学相关的理论知识,并对本论文提到的一些重要理论作了详尽的说明。第三章,以Davis等人的实验为基础,运用理论方法确定了各个反应路径的二、四重态势能面上驻点的几何结构,详细分析了各个路径的反应过程,进而确定发生在不同甲基上的协同路径c为最有利的脱氢路径。此外,由于C C键的活化过程需跨越较高的能垒,因此协同脱氢路径c也是整个反应中的主反应路径。最后根据势能面交叉缝处系间窜越几率的大小,确定了主反应的最优路径。第四章,以气相中Zr催化2-丁炔的反应为研究对象,做出了一、三重态上的反应势能面图,并且运用Curtin-Hammett原理分别对发生在同一甲基和不同甲基上的C H键的活化过程作了定量分析,最后着重分析了反应入口处的交叉点,据此确定了最低能量交叉点(minimum energy crossing point,MECP),并运用Landau-Zener非绝热跃迁公式计算该点处跃迁几率大小,找到了不同反应路径下的能量最低路径。
【关键词】：两态反应 密度泛函 自旋-轨道耦合 系间窜越
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O641.1
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 前言11-19
• 1.1 量子化学的概述11
• 1.2 两态反应理论的研究背景和进展11-13
• 1.3 本文主要工作13-15
• 参考文献15-19
• 第二章 理论基础简介19-34
• 2.1 反应势能面19-20
• 2.2 势能面的交叉与不相交原理20-22
• 2.3 最低能量交叉点(MECP)22-26
• 2.3.1 N原子分子的能量梯度22
• 2.3.2 N原子分子的Hessian矩阵22
• 2.3.3 Lagrange-Newton法搜索最低能量交叉点22-26
• 2.4 自旋-轨道耦合(SOC)26-28
• 2.4.1 自旋-轨道耦合作用26-27
• 2.4.2 自旋-轨道耦合(SOC)常数的计算27
• 2.4.3 Landau-Zener公式计算跃迁几率27-28
• 2.5 Curtin Hammett原理28-31
• 参考文献31-34
• 第三章 Nb与 2-丁炔分子自旋禁阻反应C H，C C键活化机理的理论研究34-50
• 3.1 引言34-35
• 3.2 计算方法35-36
• 3.2.1 几何构型优化35
• 3.2.2 自旋-轨道耦合常数及系间窜越几率计算35-36
• 3.3 结果与讨论36-43
• 3.3.1 初始复合物36-38
• 3.3.2 C H键的活化过程38-40
• 3.3.2.1 同一甲基上C H键的活化过程38-39
• 3.3.2.2 不同甲基上C H键的活化过程39-40
• 3.3.3 C C键的活化过程40
• 3.3.4 自旋耦合常数(SOC)和跃迁几率的计算40-42
• 3.3.5 最低反应路径42-43
• 3.4 结论43-44
• 参考文献44-48
• 支持信息48-50
• 第四章 Zr(~3F)与 2-丁炔分子自旋禁阻反应C H，C C键活化机理的理论研究50-63
• 4.1 引言50
• 4.2 计算方法与理论背景50-52
• 4.2.1 几何结构的优化50-51
• 4.2.2 自旋-轨道耦合计算51-52
• 4.3 结果讨论52-57
• 4.3.1 C H键的活化53-55
• 4.3.1.1 同一甲基C H键的活化53-54
• 4.3.1.2 不同甲基C H键的活化54-55
• 4.3.2 C C键的活化55-56
• 4.3.3 势能面交叉机理分析56-57
• 4.4 结论57-59
• 参考文献59-62
• 支持信息62-63
• 硕士期间发表的论文63-64
• 致谢64

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本文编号：1135810