HTPB与不同固化剂反应的实验与分子模拟*

通过微观层面和宏观实验两种方法分别对端羟基聚丁二烯(HTPB)和不同固化剂反应的情况进行研究。使用福井函数中Hirshfeld charge电荷分布反映了官能团羟基(—OH)和异氰酸酯基团(—NCO)的电荷变化情况。N=C键长的计算揭示了反应过程中异氰酸酯基团(—NCO)上N=C键长成先增大而后趋于稳定现象,且通过搜索过渡态得到二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)的2位和4位异氰酸酯基团、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)链上和环上的异氰酸酯基团的活化能分别为123.60kJ.mol_-1、157.82kJ.mol_-1和133.09kJ.mol_-1、223.30kJ.mol_-1和167.62kJ.mol_-1。此外,通过黏度测试方法得出HTPB-TDI、HTPB-IPDI和HTPB-MDI三种体系的黏度变化规律,从宏观层面上得出各体系反应快慢程度与模拟相同的结果,即HTPB-MDI>HTPB-TDI>HTPB-IPDI。     

α-丙氨酸限域在不同尺寸的扶椅型单臂碳纳米管内的手性转变机制——基于氨基做质子转移桥梁

采用量子力学与分子力学组合的方法,在ONIOM(MP2/6-311++G(3df,3pd):UFF)//ONIOM(B3LYP/6-31+G(d,p):UFF)理论水平,研究了不同尺寸的扶椅型单壁碳纳米管内,α-丙氨酸基于氨基做质子转移桥梁实现手性转变的反应机理.反应通道研究发现:在不同尺寸的扶椅型SWCNT内,手性转变反应均有a和b两个通道,a通道是手性C上的质子转移只以氨基上的N为桥;b通道是手性C的质子转移以羰基O和氨基N顺次为桥。势能面计算表明:SWCNT的孔径越小,反应能垒越低;在SWCNT(5,5)内,a通道最高能垒为198.7 k J·mol~(-1),比单体在此通道的最高能垒266.1 k J·mol~(-1)明显降低,b通道最高能垒为285.0 k J·mol~(-1),比单体在此通道的最高能垒326.6 k J·mol~(-1)也有明显的降低。结果表明:生命体内α-丙氨酸在纳米生物通道的手性转变过程主要是以氨基为质子转移桥梁实现;较小尺寸的纳米管反应器对α-丙氨酸手性转变反应的限域催化作用明显。     

酯交换法制备醋酸异丁酯的动力学研究

醋酸异丁酯作为一种绿色溶剂在硝化纤维、涂料、油墨、黏合剂、增香剂和药物等化工产业中有广泛的应用.采用改造的强化固定床反应器,以醋酸甲酯和异丁醇为原料,阳离子交换树脂为催化剂,合成醋酸异丁酯,并对其工艺条件进行优化,探究循环流量、催化剂装载量、反应物摩尔比以及反应温度对合成醋酸异丁酯的影响,以指导工业放大化应用.采用UNIFC基团贡献法计算各个组分的活度系数,获得了不同温度下酯交换反应的平衡常数以及标准摩尔反应焓变、标准摩尔反应熵变、标准摩尔生成吉布斯自由能等热力学数据(Δ_rH~0=10.86 k J·mol~(-1),Δ_rS~0=26.52 J·mol~(-1)·K~(-1)).最后使用拟均相模型建立了在强化固定床反应器中的反应动力学方程,正反应的活化能为75.73 k J·mol~(-1),逆反应的活化能为64.87 k J·mol~(-1).     

O（^3p）原子与丙酮和3.3—2甲基—2—丁酮化学反应动力学研究

用流动微波放电—化学发光方法测定O(~3p)原子与CH_3COCH_3和CH_3COC(CH_3)_3的化学反应速率常数k=3.37±1.00×10~(-12)exp(-7.03±0.22kcal.mol~(-1)/RT) (丙酮 0(~3p),T=373-503K)和k=4.61±2.60×10~(-11)exp(-5.46±0.44kcal·mol~(-1)/RT) (3.3-2甲基-2-丁酮 O(~3p),T=303-503K)并就测定的O(~3p)原子与一系列酮分子反应速率常数进行了讨论,估算了O(~3p)原子与各类C—H键反应速率的Arrhenius参数。发现与羰基相邻的C—H键与O(~3p)反应的活化能要略大于非相邻的同类键反应的活化能。还根据Evans-Polanyi关系式,对这些键的键能进行了讨论。     

H_(12)MDI氨酯化反应动力学

依据—NCO与—OH二级反应特性,建立了动力学方程。采用二正丁胺滴定法,分别研究了4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(H_(12)MDI)与聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)、聚己二酸-1,4-丁二醇酯二醇(PBA)、1,4-丁二醇(BDO)在不同温度下的反应特性。研究结果表明:H_(12)MDI与PTMG、PBA和BDO反应活化能E a分别为60.9 k J/mol、113.0 k J/mol和42.2 k J/mol,H_(12)MDI与醇类化合物反应时活性较低。     

TDI-TMP预聚物的结构表征及反应动力学

采用红外光谱、核磁共振、高分辨质谱对甲苯二异氰酸酯(TDI)与三羟甲基丙烷(TMP)反应预聚物进行表征,并通过高效液相色谱-质谱联用追踪反应中各低聚物中间体的含量,研究TDI和TMP的反应动力学.研究表明:TDI-TMP加成反应为二级反应;温度对TDI中2位和4位—NCO的反应选择性有显著影响,反应温度从50℃升高到80℃,2位—NCO选择性从0.41增加到0.64;在80℃下,三步反应的反应速率常数分别为0.185 40、0.037 89和0.011 40 mol~(-1)·L~(-1)·min~(-1),活化能分别为12.76、16.58和25.63 k J/mol,反应第三步较前两步对温度更加敏感,故反应后期适当提高温度有利于反应的充分进行.     

O（^3p）原子与乙醚和异丙醚化学反应速率常数的测定

用流动放电-化学发光技术测定了O(~3p)原子与乙醚和异丙醚总包二级反应速率常数。反应速率常数与温度关系可表达为k_1=(1.91±0.70)×10~(-11)exp[-(2.14±0.16)kcal·mol~(-1)/RT]·cm~3·molec.~(-1)·s~(-1) [O(~3p) 乙醚] k_2=(3.25±0.80)×10~(-11)exp[-(2.57±0.20)kcal·mol~(-1)/RT]·cm~3·molec.~(-1)·s~(-1) [O(~3p) 异丙醚] 还讨论了醚分子中氧原子对α-位C—H键能及其反应活化能的影响。结果表明,氧原子使α位C—H键能减弱而降低了反应活化能。     

HPAR／HDIT聚氨酯材料的热降解动力学

用热重-红外联用和动态力学热分析法研究了羟基丙烯酸树脂与六亚甲基二异氰酸酯三聚体反应生成的聚氨酯材料(PU)在254 nm紫外线(UV)照射加速老化前后的热降解动力学,结果表明在N2氛中硬链段热降解成含—NCO的化合物,而软链段热降解成含—COOR或—CO—的化合物,热降解是一级反应.在4个不同温度阶段,热降解反应的活化能(E)和频率因子随温度的变化而变化.UV照射前,PU硬链段的E在40.4~43.7 k J/mol,软链段的E在144.5~163.4 k J/mol,硬链段的热稳定性比软链段差.经UV照射8 500 h后,硬链段的E在43.3~50.6 k J/mol,软链段的E在136.5~157.2 k J/mol,PU的最大热降解速率温度降低了2~7 K.UV照射虽劣化了软链段的热稳定性,但也使PU进一步发生聚合,玻璃化转变温度有所提高.     

理论研究水和甲酸催化甲胺与羟基自由基的反应

本文采用量子化学计算方法和变分过渡态理论研究了水或甲酸的催化作用下羟基自由基提取甲胺中甲基氢和氨基氢的反应机理和动力学.在MC-QCISD//MP2/6-311++G(d,p)理论水平下计算的势能面表明,水或甲酸催化作用下的过渡态形成了很强的氢键,提取甲基氢反应过渡态的相对能量从裸反应的0.72 kcal·mol~(-1)分别降低到-4.59和-9.78 kcal·mol~(-1);提取氨基氢的反应过渡态相对能量则从裸反应的-0.40 kcal·mol~(-1)分别降低到-2.25和-9.12 kcal·mol~(-1).然而,提取甲基氢的速控步的能垒却从5.93 kcal·mol~(-1)变为5.68和7.30 kcal·mol~(-1);提取氨基氢的能垒则从4.81 kcal·mol~(-1)增加到8.04 kcal·mol~(-1)和7.96 kcal·mol~(-1).但是,动力学计算表明298 K下水或甲酸催化下的反应速率常数分别比裸反应小3或2个数量级,而且考虑水或甲酸催化该反应前驱络合物的浓度后,计算得到的有效速率常数则分别降低6或8个数量级,因此水或甲酸均不能加速大气中甲胺与羟基的提氢反应.     

NCO自由基与H反应的机理和动力学

研究采用密度泛函理论中的B3LYP方法,在6-311G(d,p)基组水平下,优化反应物、产物、中间异构体和过渡态分子,得到可靠的几何构型和频率.通过内禀反应坐标计算,确认了四条反应通道,并且以通道中中间体、过渡态相对能量为基础,讨论了各反应通道的优先顺序.在反应中,H和NCO的初始连接有两种方式,H分别进攻NCO两端的N和O,进行无势垒加合,得到两个低能中间体HNCO和HOCN.HNCO中∠NCO从172.9°减小到69.0°,生成一个相对能量较高但N—C键较长的中间体,该中间体发生N—C键断裂生成主要产物P1(CO+NH).从HNCO和HOCN出发均可生成次要产物P2(CN+OH),而从HNCO出发还有另一条生成产物P3(CH+NO)的路径,反应沿该路径进行的可能性较小.     

芘衍生物有机半导体分子的电荷传输性质

使用密度泛函理论在B3LYP/6-311++G**理论水平计算芘及其五个衍生物分子的电荷传输速率.结果显示:在芘分子中引入OH、CH_3O、F和C≡N、CH≡C不饱和键基团将影响电荷传输性能.引入具有不饱和键基团可以设计成有机半导体分子.五个衍生物分子中,引入C≡N的分子空穴传输速率最大,为4.511cm~2·V~(-1)·s~(-1).引入CH≡C的分子电子传输速率最大,为2.443cm~2·V~(-1)·s~(-1).     

稀土铕聚氨酯发光材料的合成及性能

以对羟基苯甲酸和丙烯酰胺为配体,合成了铕-对羟基苯甲酸-丙烯酰胺三元稀土配合物,利用该三元稀土配合物中游离的羟基作为活性基团,以二丁基二月桂酸锡（T-12）为催化剂,与具有活性基团异氰酸根的甲苯-2,4-二异氰酸酯（TDI）反应制备新的键合型稀土高分子聚氨酯发光材料。通过红外、热分析和荧光光谱分析表征了发光材料的结构、热稳定性和发光性能,结果表明,TDI中异氰酸根的特征2270cm^-1吸收峰消失,含羟基的铕配合物与异氰酸酯单体反应完全;在214nm波长激发下,配合物及发光材料在619nm和592nm处均能发出较强的特征荧光,预计在新型发光涂料方面有着广阔的应用前景。     

异佛尔酮二异氰酸酯与聚乙二醇的反应动力学研究

采用~(13)C-NMR及二正丁胺滴定法研究了端羟基聚乙二醇(PEG)与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)之间反应的动力学特征,发现在三苯基铋(TPB)的催化下,对[NCO]是零级反应,即反应与IPDI分子上两个-NCO基团的活性无关,当以二月桂酸二丁基锡(DBTDL)为催化剂时,对[NCO]为二级反应,而且与异佛尔酮脂环的碳原子相连的-NCO表现较强的反应能力.采用DBTDL与TPB混合催化时,反应表现为二者的加和作用,混合催化剂的应用有利于前期反应的加速和后期反应的完善,提出了不同反应条件下的反应机理。     

四甲基二硅氮烷的合成及饱和蒸汽压数据的测定与关联

以二甲基氯硅烷为原料,低温下与氨气反应生成四甲基二硅氮烷,采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对产物结构进行了确认.利用斜式沸点仪测定了四甲基二硅氮烷在绝压10～100 kPa之间的沸点数据,采用Antoine方程和Clarke-Glew方程分别对饱和蒸气压数据进行了加权最小二乘法拟合,得到了四甲基二硅氮烷的Antoine方程参数(A=8.8976,B=1190.70,C=-63.25 K)和Clarke-Glew方程参数(Δ■H■(298.15 K)=36.82 kJ·mol~(-1),Δ■G■(298.15 K)=6.96 kJ·mol~(-1),Δ■C■(298.15 K)=-47.53 J·K~(-1)mol~(-1)).利用基团贡献法估算了四甲基二硅氮烷的临界参数,并结合Antoine方程和Clarke-Glew方程参数估算了四甲基二硅氮烷的偏心因子.     

锰、钴卟啉高价氧化物氧化环己烷制备己二酸反应机理的理论研究

采用密度泛函方法研究了锰、钴卟啉的高价氧化物种(PMnIVO,PCoIVO)氧化环己烷制备己二酸反应的机理。计算通过计算环己烷第一步羟基化、第二步羟基化、C—C键断裂生成1,6己二醛以及1,6己二醛氧化生成己二酸四步反应历程,得到了各基元反应的过渡态,分析了其几何结构、反应的活化能以及反应焓。发现第二步羟基化的夺氢基元反应的活化能最高,对于PMnIVO,PCoIVO分别为31.31 kcal·mol-1、29.00 kcal·mol-1,是整个反应的速控步骤。1,6环己二醇失去两个氢原子C—C键发生断裂的活化能分别为8.67和8.69 kcal·mol-1,比环己烷羟基化的活化能较低,而且反应焓为负值,说明环己烷C—C键断裂容易发生。研究还发现钴卟啉高价氧化物种能使环己烷的C—C键自行发生断裂,更有利于目标产物的生成。     

关于化学热力学计算中的量纲问题

本文明确地指出了:热化学反应方程式中的计量系数v_i并不是一个无因次量而有单位“mol”;Van′t Hoff等温式△G°=-RTLnK_P中△G°的量纲是J或KJ而不是J·mol~(-1)或KJ·mol~(-1);化学反应的标准焓变△H°和标准嫡变△S°的量纲并不是J·mol~(-1)和J·K~(-1)·mol~(-1),而是J和K~(-1),这样,下列诸式:lnKa=-(△G°)/RT=(-△H°)/RT (△S°)/T=(nF E°)/RT在量纲上才都合理;这里应当指出的是,式中R的量纲已变为J·K~(-1)而不是J.mol~(-1)K~(-1);不论是用动力学方法还是热力学方法导出的化学平衡常数,其单位均为[压力或浓度单位]△v,△v为无因次量.     

N_3H_3分子取代基效应的的量子化学研究

计算了羟基(—OH)和甲基(—CH3)对环丙氮烷和丙氮烯的取代基效应.环丙氮烷引入羟基后,1,2-二羟基环丙氮烷和1,2,3-三羟基环丙氮烷的N—N单键显著增长,而羟基的引入使丙氮烯分子的NN双键的键长变短,N—N单键的键长变长.引入甲基后,环丙氮烷的键长增长,而丙氮烯的NN双键的键长增长,N—N单键的键长变短.取代基引入后,N原子的孤对电子与N—O(N—C)键之间发生相互作用,整个分子的超共轭作用增强.随着取代基数目的增多,总能量和生成热降低,取代基数目与分子能量之间具有较好的相关性.     

喹啉水溶液与羟基自由基的作用机理研究

利用脉冲辐解技术对喹啉水溶液与羟基的作用机理进行了详细研究,对其瞬态吸收峰进行了归属,初步考察了这些瞬态粒子的生成和衰减行为。研究表明,·OH 与喹啉在碱性条件下反应生成 OH-加合物,生成速率常数为5.2×10~(10)mol~(-1)·s~(-1);在酸性条件下喹啉先与氢离子反应生成喹啉阳离子,它再与羟基发生加成反应,反应速率常数为7.90×10~(10)mol~(-1)·s~(-1),从而为喹啉的氧化降解提供了理论基础。     

Pt_(18)团簇催化肉桂醛选择性加氢反应机理研究

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在6-31+G(d,p)基组水平上,重点研究Pt_(18)团簇对肉桂醛选择性加氢反应的催化作用.对反应通道上反应物、中间体、过渡态和产物进行结构优化.通过能量和振动频率分析以及内禀反应坐标(IRC)计算证实了过渡态和中间体的合理性.结果表明:Pt_(18)团簇催化肉桂醛选择性加氢反应有6条不同的反应路径,其中,C=O键加氢产物的最低活化能为98.42 k J/mol;C=C键加氢产物的最低活化能为122.88 k J/mol.综合分析发现Pt_(18)团簇催化肉桂醛选择性加氢反应中C=O键加氢所需的活化能最低.     

天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基的催化作用

采用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法,研究了单体天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基对氢迁移反应的催化作用.反应通道研究发现:天门冬氨酸手性转变有a,b,c和d 4个反应通道.a是手性C上的H以氨基N为桥,转移到手性C另一侧;b是手性C上的H顺次以羰基O和氨基N为桥,转移到手性碳另一侧;c是手性C上的H只以羰基O为桥,转移到手性碳另一侧;d是羧基内H迁移后,手性C上的H再以羰基O为桥,转移到手性碳另一侧.势能面计算表明:a通道是优势反应通道,最高能垒为258.2 kJ·mol~(-1),来自手性C上的H向氨基N转移的过渡态;2个水分子构成的链使该能垒降为117.1 kJ·mol~(-1),水分子和羟自由基构成的链使该能垒降为98.6 kJ·mol~(-1).