HNCS與NO反應(yīng)機(jī)理的理論研究

王 永

(山東濱化濱陽(yáng)燃化有限公司，山東 濱州251800）

0 前言

異硫氰酸（HNCS）及其自由基NCS是含硫燃料燃燒過(guò)程中的重要物種，它的空間構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)與HNCO幾乎相同，是同時(shí)含S、N的氣相小分子化合物，可以與NO或其它物種反應(yīng)，因此受到科研工作者的廣泛關(guān)注。近年來(lái)文獻(xiàn)上關(guān)于HNCO與單原子、小分子及其自由基反應(yīng)機(jī)理的研究較多，HNCO與小分子反應(yīng)機(jī)理的研究也取得了很大進(jìn)展[1-4]。HNCS與NO原子反應(yīng)在理論上和實(shí)驗(yàn)上還未見(jiàn)報(bào)道。本文采用密度泛函理論方法，首次對(duì)HNCS與NO的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算方法

利用密度泛函理論（DFT）的三參數(shù)非局域交換泛函B3LYP[5-7]方法,采用6-31+G(d,p)基組對(duì)反應(yīng)體系中勢(shì)能面上的各駐點(diǎn)（反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體和過(guò)渡態(tài)）的幾何構(gòu)型進(jìn)行了全面的優(yōu)化。通過(guò)同一水平振動(dòng)頻率分析確認(rèn)了中間體和過(guò)渡態(tài)，并得到各駐點(diǎn)的零點(diǎn)校正能，并通過(guò)內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算并確認(rèn)了反應(yīng)物、中間體、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物的相關(guān)性,得到體系的勢(shì)能面信息。最后在MP2/6-31+G(d,p)水平上進(jìn)一步計(jì)算了優(yōu)化所得到的構(gòu)型的單點(diǎn)能。所有的計(jì)算均由Gaussian 03[8]程序完成。

2 結(jié)果與討論

設(shè)計(jì)的反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。首先NO自由基上的N原子進(jìn)攻HNCS上的N生成穩(wěn)定中間體Int1，由Int1發(fā)生分支反應(yīng)：（1）Int1 中的 NC 鍵發(fā)生斷裂生成 HNNO 和 CS;（2）Int1中的N原子上的O原子進(jìn)攻C原子生成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定中間體Int2，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)有兩種斷裂方式：a.N-O斷裂生成穩(wěn)定中間體Int3，Int3中的N原子上的H原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)N原子上生成中間體Int4，Int4中的C-N鍵斷裂進(jìn)而生成HNN+COS；b.N-N鍵斷裂生成穩(wěn)定中間體Int5，Int5中的C-N鍵斷裂生成HN，CS和NO。各反應(yīng)路徑涉及到的過(guò)渡態(tài)的幾何構(gòu)型見(jiàn)圖2，圖3是各反應(yīng)通道的反應(yīng)能壘圖。

圖1 HNCS與NO反應(yīng)路徑

2.1 各反應(yīng)通道的分析

當(dāng)NO與HNCS分子靠近時(shí)，由于離子誘導(dǎo)偶極相互作用，兩者快速直接復(fù)合形成中間體Int1。Int1的活性位N1–C鍵長(zhǎng)為1.321，略長(zhǎng)于HNCS分子中相對(duì)應(yīng)的C–N鍵長(zhǎng)1.182。而互相靠近的氮氧間距為1.188，略長(zhǎng)于典型N–N鍵長(zhǎng)。相比于初始反應(yīng)物，Int1為富能分子，可進(jìn)一步發(fā)生異構(gòu)化或解離反應(yīng)。

2.1.1 通道1

Int1經(jīng)過(guò)渡態(tài)Ts2轉(zhuǎn)變成HNNO和CS,Ts2中HNCS中N1原子與C原子間距增加為2.040，NO中的N2原子與HNCS中N1原子間距縮短至1.601，其虛頻為-403.5 cm-1，主要對(duì)應(yīng)于N1和N2兩原子的相向振動(dòng)。IRC計(jì)算證實(shí)它連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物是Int2和HNNO+CS。計(jì)算的反應(yīng)焓表明，生成Int3需要吸收約32.79 kcal/mol。

圖2 優(yōu)化得到的過(guò)渡態(tài)的幾何構(gòu)型

2.1.2 通道2

Int1通過(guò)Ts3異構(gòu)化為中間體Int2，這步的能壘高度為19.23 kcal/mol。Int2中C–O與N1–N2長(zhǎng)分別為 1.421與1.372。Ts3的頻率值為-146.9 cm-1，IRC計(jì)算證實(shí)它連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物是Int1與Int2，Int2經(jīng)過(guò)Ts4轉(zhuǎn)變成Int3。Int3經(jīng)過(guò)IRC分析H可以從一個(gè)N2轉(zhuǎn)移到另一個(gè)N1原子，最終生成的中間體Int4。Int4也是不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，經(jīng)IRC分析N2-C鍵的距離正在不斷變長(zhǎng)，最終斷裂生成HNN和COS。

2.1.3 通道3

通道3是從Int2開(kāi)始經(jīng)多步異構(gòu)得到的。Int2中的N2原子偏離分子平面最終斷鍵，形成Int5。中間經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)TS7，TS7中N1–N2原子間的距離為 2.102，該過(guò)程勢(shì)壘高度41.75 kcal/mol，其虛頻振動(dòng)主要是N1原子向背離N2原子方向振動(dòng)，頻率值為-521.8 cm-1，IRC計(jì)算證實(shí)其所連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物是Int2,Int5。Int2中N1-N2原子間的間距為1.372，N1–N2之間的鍵長(zhǎng)由原來(lái)Int1中的1.467變長(zhǎng)為2.102，單鍵最終斷裂。Int5進(jìn)一步發(fā)生異構(gòu)生成HN+NO+CS。

2.2 各反應(yīng)通道能壘的計(jì)算

圖3 反應(yīng)的能壘 (單位kcal/mol）

從圖3可知,反應(yīng)通道1中，NO自由基中的N原子進(jìn)攻HNCS中的N原子反應(yīng)生成穩(wěn)定的中間體Int1的反應(yīng)能壘為30.49 kcal/mol，Int1中N–C鍵發(fā)生斷裂生成HNNO和CS的反應(yīng)能壘為37.68 kcal/mol，兩步反應(yīng)的能壘都不是很高。反應(yīng)通道2中，中間體Int1生成中間體Int2的能壘為19.23 kcal/mol，中間體Int2生成中間體Int3的能壘相對(duì)高一些，為20.2 kcal/mol，中間體Int3生成中間體Int4的能壘為18.79 kcal/mol，此步反應(yīng)容易進(jìn)行，而中間體Int4生成產(chǎn)物HNN和CS的能壘最低，僅為0.19 kcal/mol。反應(yīng)通道3中，中間體Int2生成中間體Int5的反應(yīng)能壘為41.75 kcal/mol，比生成中間體Int3的能壘高一些，Int5最終發(fā)生直接斷鍵反應(yīng)生成產(chǎn)物NO,CS和HN。從熱力學(xué)角度來(lái)看，反應(yīng)通道1,2,3所需的熱量分別為 67.08 kcal/mol、51.58 kcal/mol、161.1 kcal/mol。就整個(gè)體系而言，第一步生成中間體Int1的能壘適中，在三個(gè)反應(yīng)通道中，通道1第二步反應(yīng)能壘較高，屬于吸熱反應(yīng)，通道3為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，通道2從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面考慮，是整個(gè)體系中更容易發(fā)生反應(yīng)的通道。

3 結(jié)論

本文在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上全參數(shù)優(yōu)化了反應(yīng)過(guò)程中各反應(yīng)物、中間體、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型。從中間體和過(guò)渡態(tài)的鍵長(zhǎng)變化看，每一步反應(yīng)均在向產(chǎn)物方向進(jìn)行，而且每一步所需克服的勢(shì)壘均高低不同。計(jì)算結(jié)果表明，NO首先與HNCS形成Int1，然后經(jīng)歷三條反應(yīng)通道，即通道 (1)HNCS+NO→Int1→Ts2→HNNO+CS;(2)Int1→Ts3→Int2→TS4→Int3→Ts5→Int4→Ts6→HNN+COS 通道(3)Int2→Ts7→Int5→HN+NO+CS。 從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面考慮，通道2為主反應(yīng)通道。

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