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氯铝酸离子液体能够催化苯(C6H6)与长链烯烃的烷基化反应,与直链烷基苯(LAB)生产中常采用的氢氟酸或三氯化铝(AlCl3)催化剂相比,具有腐蚀性小、环境污染少等优点,但其对2-LAB选择性不高。由于相关的基础理论研究比较欠缺,因此对ILs催化反应机理的认识(包括催化剂结构,催化反应中间过程和过渡态结构等)就具有重要意义。
本论文使用Gaussian03计算软件包,在从头算和密度泛函(DFT)的水平上研究了氯铝酸离子液体(Et3NHCl-AlCl3)体系中涉及分子或离子的几何结构、电荷分布、离子间相互作用,猜测了烷基化反应的中间产物并确立了反应过渡态,通过对烷基化反应中涉及离子或分子的性质和反应活化能等量子化学参数的计算,与催化性能进行了关联,并结合苯与1-十二烯烷基化实验分析了烷基化反应机理,从而为ILs应用于LAB的研究和应用提供指导。
通过与实验数据对比的结果及计算效率两方面的综合考虑,最终确定B3PW91/6-311++G(d,p)为计算主要采用的方法和基组。根据不同体系特点,也采用了其它方法。
计算表明,Et3NHCl-AlCl3离子液体中阴离子主要以AlCl4-和Al2Cl7-的形式存在。关于阳离子方面得到的结论是:Et3N+HCl体系以Et3NH+Cl-的组合构型存在更加稳定,Et3NH+与Cl-难以自动转化为HCl,即B酸。HAl2Cl7与烯烃生成碳正离子(C+)需要克服的能垒较高,但不能排除C+来源于HAl2Cl7的可能性。HAl2Cl7可以从Al2Cl6和HCl反应得到,而HCl产生的原因较多,本论文对其中的一种可能即水与离子液体作用产生HCl的过程进行了考察。
十二烯(C12=)能够和H+反应生成碳十二正离子(C12+),能垒很低,即反应非常容易进行。正电荷位置不同的C12+几乎没有能量差别,相互间转化比较容易发生。
C12+进一步与C6H6反应生成C18+,无需克服任何能垒,反应自动进行。C18+的H+可通过与AlCl4-或Al2Cl7-的相互作用脱除,得到最终产物烷基苯。C-H断裂的能量为16.3 kcal/mol,表明脱除过程相对容易。但由于体系的庞大和复杂,还需在现有研究结果基础上进行深入研究。