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烷基咪唑离子液体的电子结构及其催化反应机理的理论研究

刘坤辉  
【摘要】:本论文采用量子化学的从头算(ab initio)和密度泛函理论(DFT)对1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐等四种烷基咪唑离子液体的电子结构进行了理论研究,并研究了离子液体中1-乙基-3-甲基咪唑阳离子催化戊烯双键异构的反应机理。 离子液体是完全由正负离子组成的液体,在环境友好的催化反应中显示出广阔的应用前景。本论文采用从头算和密度泛函理论对气相模型下的烷基咪唑离子液体进行了量子化学研究。在B3LYP/6-311++G(d,p)计算水平上,优化得到离子对的最稳定结构,发现烷基咪唑离子液体的阴阳离子存在着氢键等弱相互作用,这对分析和筛选离子液体的结构有重要意义。经零点能(ZPE)及基组重叠误差(BSSE)校正后得到离子对的相互作用能,在振动分析的基础上发现咪唑环上靠近阴离子的C-H键的伸缩振动频率发生红移,且振动强度加强,进一步说明了该氢原子与阴离子之间形成了氢键弱相互作用;此外通过自然键轨道(NBO)分析阴阳离子间的电荷分布,发现阴阳离子间有电荷转移,且该C-H键上的氢原子电荷变化最为明显。通过理论计算研究了解了离子液体的微观结构,为分析烷基咪唑离子液体的热力学性质、化学组成与其结构的关系提供了理论信息。 为探索离子液体在催化反应中的作用,采用密度泛函理论研究了离子液体中1-乙基-3-甲基咪唑阳离子([EMIM]~+)催化戊烯双键异构的反应机理,通过振动分析、内禀反应坐标(IRC)等的分析从微观角度了解该催化反应的细节。计算结果表明:在B3LYP/6-311G的计算水平上,1-戊烯异构化为2-戊烯的位垒为54.41kcal.mol~(-1),2-戊烯异构化为1-戊烯的位垒为57.6kcal.mol~(-1),可以预见1-乙基-3-甲基咪唑阳离子对戊烯的双键异构化反应而言是一个较好的催化剂。


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