外电场调控氢原子转移的理论研究

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氢原子转移(Hydrogen-Atom Transfer,HAT)涉及生命活动、化学化工、能源能量转换等过程的关键步骤。氢原子转移是甲烷活化转化、水裂解制氢研究中的热点问题。随着定向外电场(Oriented External Electric Field,OEEF)作为未来化学中的智能试剂的概念的提出,探索定向电场调控氢原子转移的微观本质成为目前化学领域的非常基础的科学问题之一。因此,本论文发挥计算化学前瞻性的优势,以探究外电场微观催化本质为出发点,以构建概念框架为落脚点,通过归纳、总结外电场催化对几类经典的氢原子转移体系基元步骤动力学的调控作用的规律性,为未来催化剂设计提供理论支撑。在本论文中,我们采用量子化学计算方法对外电场作用于X-H与Y·(X、Y=H、OH、NH2及CH3)的反应进行了深入的理论研究,通过分类讨论,得到了以下结论:1)外电场可降低反应能垒,这些体系包括:Y=H,X=H、OH、NH2及CH3;Y=CH3,X=NH2、CH3。对SOMO(Singly occupied molecular orbital)-LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)能隙分析发现,增大外电场强度,能隙降低,电子跃迁变得容易,从而使反应能垒随之下降;对偶极矩分析可以看出,施加外电场后,过渡态结构的极性增大,反应更易向正方向进行,促进产物生成。2)外电场使反应能垒上升,这些体系包括:Y=CH3,X=OH;Y=NH2、OH,X=OH、NH2。对SOMO-LUMO能隙分析发现,增大外电场强度,能隙升高,电子跃迁难度增加,从而使反应能垒上升。对NBO电荷分析发现,荷电量多的原子更易吸引氢原子转移。随着外电场增大,HX分子中X原子的荷电量增多,氢原子向自由基Y·的转移过程受到阻碍,从而使反应能垒上升。
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