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关于十六烷酸甲酯氢提取反应速率常数研究

大C-会员头像-www.bzwz.com标准物质网 大C 0 335 2021-11-22
【摘要】氢提取反应作为燃料消耗的主要反应路径在燃烧过程中占据非常重要的地位。本文采用一种基于能量的分块方法(GEBF)将CCSD(T)一F12a/cc—pVTZ应用到十六烷酸甲酯(c15H31c0ocH3)与氢原子发生的氢提取反应高精度能垒的计算中,并基于此分析了M06—2x/6—311++G(d,P)方法计算的反应能垒的精确性。然后采用过渡态理论计算反应速率常数,计算结果显示在C15H31COOCH3+H体系中,靠近酯基的a位点的氢提取反应不再占据主导地位,氢提取反应倾向于发生在离酯基较远的亚甲基位点,而较难发生在靠近酯基的部分位点和两个甲基位点上。我们分析发现,大分子中数量众多的低频振动对于速率常数的计算有很大的影响,因此为了得到更精确的速率常数,应该将大分子的低频振动处理为分子内阻尼转动。
  • 化石燃料燃烧所带来的环境污染问题的加重使得世界范围内越来越多研究者致力于寻找替代燃料来满足内燃机中节能减排的要求。其中生物柴油以其优越的环保性,可再生性和良好的燃烧性能受到研究者们广泛的重视和关注为了将生物柴油更好的应用到发动机中,有必要对生物柴油进行燃烧化学反应动力学研究。鉴于详细的生物柴油化学反应动力学模型往往包含大量的物质和基元反应,在实际的研究中,人们通常优先考虑对重要反应的研究,例如,生物燃料的氢提取反应就是研究重点之一。前人对各种脂肪酸甲酯的研究都发现了燃料与H自由基发生的氢提取反应在中高温下不仅对燃料的消耗起主要作用,而且对燃料反应活性也有重大影响,因此我们将生物柴油与H自由基发生的氢提取反应作为我们目前的研究重点。

    尽管氢提取反应对生物柴油或其替代物的燃烧特性有如此重要的影响,但由于研究的匮乏,前人在构建生物柴油或其替代物的燃烧反应模型中不得不采用类比方法来估测该氢提取反应的速率常数。一方面,有的生物柴油模型中以烷烃,烯烃甚至醇类各个相似位点的氢提取反应速率常数来类比酯类分子各个位点的氢提取反应速率。

    另一方面,以小分子酯类如丁酸甲酯的各个位点的氢提取反应速率来类比大分子酯类各个位点的氢提取反应速率也是常用的估计方法。但是无论哪种类比方法都会为模型带来较大误差,因此有必要开展对大分子脂肪酸甲酯的氢提取反应的理论研究。然而,对大分子酯类的氢提取反应的动力学研究首要的困难就是获得大分子的高精度反应能量。尽管前人研究并发展了很多精确计算能量的方法,比如CCSD(T)方法配合外推到CBS基组计算可得到误差在4.6kJ.mol以内的反应能垒和反应焓,QCISD(T)方法配合CBS基组时可以使得能垒误差在4.2kJ.mol以内,反应焓误差降低到2.5kJ.mol以内。然而,这些方法都不适用于含有超过10个非氢原子的体系因而,迫切需要一种方法可以将这些高精度方法应用于生物柴油这种的大分子体系中。

    为了达到这一目的,我们在之前的研究工作中采用李等发展的一种基于能量的分块方法(generalizedenergy—basedfragmen—tation,以下简称GEBF)研究了CH2+1COOCH3(n=4,5)氢提取反应的高精度能垒,研究结果证明GEBF方法可以在获得误差在0.4kJ.mol的反应能垒的情况下大幅度的减少计算量。

     


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