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二甲基二氯硅烷单体用途广泛,市场需求量大。工业上有机硅厂一般采用直接合成法生产二甲单体。如何解决长期使用这种方法而产生的副产物堆积问题一直受到国内外科学工作者的关注。本文采用歧化法将副产物一甲基三氯硅烷和三甲基一氯硅烷歧化合成二甲,是变废为宝之举。 AlCl3为该歧化法反应中最常用的催化剂。但因为升华温度低,在反应过程中AlCl3会有所损耗,造成浪费。故对传统的催化剂进行改进,制备出新型高性能的催化剂是学者们目前研究的重点。本文用理论计算方法,探讨了复盐型催化剂和金属改性催化剂的催化活性,以期为二甲歧化生产实验提供更多参考数据。 本文采用密度泛函方法,在6-31G或LAN L2DZ水平下,分别对引入不同金属阳离子的复盐型催化剂参与的制备二甲的歧化反应进行了理论计算,探究了改性前后催化剂的催化活性变化。所得结论如下: (1)采用B3LYP/6-31G方法研究了NaCl和AlCl3-ZSM-5催化剂的反应过程,从反应构型和热力学角度进行了分析,可知复盐化后,Na和Cl形成了独特的正四面体构型,从而赋予了复盐较高的稳定性;计算所得正逆反应活化能都很小,正逆反应容易发生;复盐的能量比反应物(AlCl3/ZSM-5和NaCl)形成的吸附复合物能量低,表明复盐的热稳定性较高。 (2)采用B3LYP/LANL2DZ方法,对Fe(Fe2+、(FeCl2)+)改性催化剂参与的歧化反应机理进行计算。结果表明对于AlCl3/Fe2+-ZSM-5和AlCl3/(FeCl2)+-ZSM-5这两种催化剂参与的反应体系,主反应的速控步活化能很高,歧化反应难以发生。另外从前线轨道分析,Fe改性后催化剂分子的整个电子云排布发生了改变,L酸位电子云密度减小,酸位原子对轨道的贡献率降低。说明Fe改性效果不佳。故在后续实验中可以不用考虑采用Fe改性的催化剂。 (3)利用B3LYP/LANL2DZ方法,对Zn(Zn2+、ZnCl2)改性催化剂参与的歧化反应机理进行计算研究。计算结果表明,对于AlCl3/Zn2+-ZSM-5、AlCl3/ZnCl2-ZSM-5催化剂参与的反应体系,前者主反应活化能变化不大,略有增加。后者主反应速控步的活化能很高,主反应难以发生。分析前线轨道可知催化剂的L酸位是反应的活性位点,但因为Zn2+、ZnCl2的加入,L酸位电子云密度变低,电子云主要集中于Zn周围。而且Zn本身也是一个L酸中心,后期将计算其的催化活性,预期Zn将替代Al成为新的活性中心。 (4)采用B3LYP/6-31G方法,计算研究了(AlCl)2+、(BCl)2+改性催化剂参与的歧化反应机理。计算结果表明,对于AlCl3/(AlCl)2+-ZSM-5、AlCl3/(BCl)2+-ZSM-5催化剂参与的反应体系,改性使得主反应中的速控步活化能变低,反应较易发生。并且改性只降低了的主反应第一步的活化能,这颠覆了因反应第一步活化能限制而反应不能发生的局面。另外副反应的活化能并未同时降低,特别是B改性的反略有升。因此催化剂在加快主反应的同时抑制副反应的发生。从前线轨道分析可知,改性后歧化反应的活性位(AlCl2-)中各原子对轨道的贡献率增大。故加入(AlCl)2+、(BCl)2+,催化剂的催化活性变大,利于歧化反应进行。后续实验操作中,可以采用(AlCl)2+、(BCl)2+改性的负载型催化剂来催化一甲与三甲的歧化反应,以期能提高二甲的产率。 最后总结:AlCl3/Fe2+-ZSM-5、AlCl3/(FeCl2)+-ZSM-5、AlCl3/Zn2+-ZSM-5、AlCl3/ZnCl2-ZSM-5、AlCl3/(AlCl2)+-ZSM-5和AlCl3/(BCl2)+-ZSM-5这五种催化剂对制备二甲的歧化反应有着不同的催化效果。且催化活性强弱顺序为AlCl3/(AlCl2)+-ZSM-5>AlCl3/(BCl2)+-ZSM-5>AlCl3/Zn2+-ZSM-5>AlCl3/(FeCl2)+-ZS M-5>AlCl3/ZnCl2-ZSM-5>AlCl3/Fe2+-ZSM-5。本文所得计算结果能为后续实验的开展提供理论参考,具有较好的现实意义。