量子化学理论在现代化学中应用的研究
化学最初是建立在原子分子学说上的一种实验科学,研究分子的行为和分子间的反应,对分子的认识和改造足化学科学的首要任务。化学与理论化学在20世纪都取得了辉煌的成就,但未获得社会应有的认可,理论化学尤其未受到应有的重视。量子化学是应用物理学的量子力学原理和方法来研究化学体系的结构和化学反应性能的科学。随着量子理论的发展,量子化学目前正成为化学结构理论的基础,成为广大化学家所使用的工具。实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质,使整个化学领域发生了巨大的变革和进步。现代化学不再是纯实验科学了。论文针对现代化学中的几个课...
化学最初是建立在原子分子学说上的一种实验科学,研究分子的行为和分子间的反应,对分子的认识和改造足化学科学的首要任务。化学与理论化学在20世纪都取得了辉煌的成就,但未获得社会应有的认可,理论化学尤其未受到应有的重视。量子化学是应用物理学的量子力学原理和方法来研究化学体系的结构和化学反应性能的科学。随着量子理论的发展,量子化学目前正成为化学结构理论的基础,成为广大化学家所使用的工具。实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质,使整个化学领域发生了巨大的变革和进步。现代化学不再是纯实验科学了。论文针对现代化学中的几个课题,采用量子化学计算结合实验共同对相关体系进行了研究,对量子化学在现代化学中的应用进行了有益的尝试。 卟啉化合物足一类特殊的大环共轭芳香体系,血红素、叶绿素为这类化合物的典型代表。这类化合物的应用十分广泛,尤其在仿生催化上具有重要的研究意义。卟吩环是卟啉类化合物的基本结构,对其电子结构和构型的正确描述是研究卟啉类物质的基础。采用传统的从头算HF方法和DFT方法在不同的基组水平上对卟吩结构进行几何优化和NMR计算,并对结果进行了比较。采用DFT的方法计算得到的构型参数与实验结构之间有更好的吻合性,说明考虑电子相关能在该类物质的结构计算中不可忽视。在DFT计算方法中,同样基组水平采用不同的泛函得到的优化构型也并不完全相同,同时考虑定域项和非定域项的B3LYP方法得到了更接近实验值的结果。采用STO-3G基组得到的优化构型是卟吩与其互变异构体之间相互转化反应历程中的二级鞍点结构。对NMR的计算,DFT方法显然也比传统HF方法更合适。 白炭黑是一种超细具有活性的SiO2粒子,是橡胶工业中一种重要的补强填料,但白炭黑的加工性能始终是制约其应用的瓶颈。为了改善其加工性能,必须对二氧化硅进行表面改性。采用KH-792,KH-590和KH-570等不同硅烷偶联剂对纳米SiO2进行了改性处理并用于SSBR橡胶的补强,对改性后的SiO2和补强后的橡胶的一些宏观性能进行了检测。采用量子化学的计算方法对改性SiO2及其补强SSBR单元进行了结构优化和频率计算,并进一步进行了成键分析。结果表明:硅烷偶联剂对SiO2粉体改性对改善加工性能作用明显,不同硅烷偶联剂的种类和结构对二氧化硅补强橡胶的机械物理性能有影响。偶联剂KH-792与二氧化硅接枝形成的Si-O键的键长最短,O的电负性最大,说明它与二氧化硅的键合最为紧密。KH-792中两个N原子的孤对电子有较大的离域化效应使补强橡胶具有更高的拉伸强度和延展性。偶联剂KH-590接枝二氧化硅后另一端的有机基团S显示较大的S-C键键长,有从偶联剂断裂的趋势,在反应过程容易释放出硫自由基(S-),与橡胶分子发生交联反应,提高了胶料的交联密度,大大加强了其定伸应力和撕裂强度。不同硅烷偶联剂、二氧化硅和SBR之间所形成的化学键的有着明显差异,这些差异是导致补强橡胶宏观机械物理性能之间差异的根本原因。 氮氧化物(NOx)对生态环境、工农业生产和人体健康均有巨大的危害。因此对NOx化物的脱除越来越引起人们的重视,选择性催化还原技术及其催化剂的研究是其中重要的课题之一。制备了Ag/Al2O3及Ag/USY分子筛催化剂,测试了其比表面积和活性。采用原位红外技术对Ag/Al2O3催化剂上丙烯选择性催化还原NOx的反应进行了研究。结果表明,Ag/Al2O3催化剂上丙烯还原NOx在350℃以上才能有较高的NOx转化率,较为合适的反应温度区间是400~450℃。在Ag/Al2O3催化剂表面的SCR反应中,NCO和CN足反应的关键中间物种,对N2+C3H6的活化能够极大丰富反应体系中的这些物种,给SCR反应活性带来明显的促进。采用密度泛函的方法对Ag/Al2O3催化剂上NO、O2及不同的还原剂的吸附结构进行了全优化,并对全优化构型进行频率计算和NBO分析。根据热力学计算的结果,反应体系中NO、O2能白发的吸附与催化剂的活性组分Ag上,该吸附有力地削弱了原来的分子之间的成键,有利于SCR反应的发生,这也是催化剂活性的体现。尽管常见的几种还原剂并不能自发吸附于活性组分表面,但是还原剂碳链的减少和不饱和度增加有利于其在催化剂上的吸附,对增强反应活性是有利的。对反应的重要中间物种NO3在活性组分上Ag和Ag+上的三种吸附结构形式进行了计算。结果表明形成的三种吸附结构中,以单齿吸附的反应活性最强。同样的吸附,NO3在Ag+上的吸附对与NO键的影响更为强烈。因此在进一步的实验中可以通过控制催化剂表面酸性以达到生成更多单齿活性中间物种的目的,同时可以调控Ag在载体上的负载量达到活性表面选择的目的。 论文研究表明量子化学理论研究和实验研究的结合是现代化学的必经之路。
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作者: 任慧
学科专业: 应用化学
授予学位: 博士
学位授予单位: 北京化工大学
导师姓名: 屈一新
学位年度: 2008
语 种: chi
分类号: O641.121
在线出版日期: 2010年1月19日