新型催化劑Mo配合物催化乙烯加氫反應的機理

楊瑞彩

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院，河南焦作 454000）

從化學品自身角度來講，相比于其他種類的化學品，烯烴的產(chǎn)量較大，且在碳碳雙鍵的作用下，其更容易發(fā)生聚合反應或是加成反應。將氫氣與吸凈組合到一起進行加成反應的方法現(xiàn)階段已經(jīng)廣泛應用于科學研究中，相關技術已經(jīng)十分成熟，而近幾年，研究者開始關注金屬Mo這種新型的催化劑，其在加氫反應的應用中也越來越廣泛，具有較好的催化效果，本文主要針對相關問題進行了具體研究。

1 新型催化劑Mo配合物催化乙烯加氫反應的過程

首先，要在無催化的大背景下模擬乙烯加氫的反應，反應過程中，反應勢能面和過渡態(tài)的結構呈現(xiàn)出了多樣化的趨勢，從最終的反應結果來看，要想得到C2H6，只需要1個過渡態(tài)即可，主要的反應原料是C2H4和H2，從TS的角度來看，在實際進行加成反應的過程中出現(xiàn)了一個四元環(huán)，H—H鍵的長度和C—C鍵的長度都有所增加，但是H（1）和C（1）的長度有縮短的趨勢，因此，要想直接進行加氫操作，難度相對較大。

本次研究中，研究人員主要使用新型催化劑Mo配合物催化乙烯加氫進行了反應機理的相關研究。

2 新型催化劑Mo配合物催化乙烯加氫對最終反應結果的影響

C2H4在實際進行加氫反應的過程中，如果使用Mo進行催化，從反應途徑的角度來講大致可以分成兩種，第一種是“IM1+C2H4”，第二種是“IM2+H2”，其中，第二種反應途徑又可以分為兩個方面，在C2H4最初開始進行加氫反應的階段，如果直接使用Mo進行催化，H2和Mo可以直接實現(xiàn)高質量的配合，與此同時，C2H4和Mo也能實現(xiàn)較高質量的配合，在此基礎上，有效提升IM2和IM1兩種物質的穩(wěn)定性，從結合能的角度來講，兩種反應方式分別可以達到134kJ/mol和319kJ/mol。從實際的反應結果來看，相比于催化物Mo作用之前，原本處于IM1中的H（1）—H（2）鍵和原本處于IM2中的C（1）—C（2）鍵長度均有增加的趨勢，但是，增加的幅度相對較小，說明在實際反應的過程中，兩個化學鍵都有被削弱的趨勢。

而在第一種途徑中，實際反應的過程中IM1會與C2H4呈現(xiàn)出逐漸接近的反應態(tài)勢，隨著兩者之間距離的拉近，IM1中的H-H鍵也會相應的受到影響，當距離拉近到一定程度，H—H鍵就會自然斷裂，進而形成H原子，Mo原子會與其中一個被釋放出來的H鍵組合，成為獨立的化學鍵。而隨著與C2H4距離的進一步拉近，Mo原子和H原子又會逐漸分離，在此基礎上持續(xù)接近C原子，形成新的化學鍵，TS1過渡態(tài)也會在此過程中實現(xiàn)轉化，在這一結構中，Mo原子和原有的兩個H原子之間的距離也會縮小，小于IM1距離。在此過程中，在反應物C2H4的作用下，C（1）—C（2）反應鍵的長度也會相應的提升，直到進入到IM4后，長度會繼續(xù)提升，直到IM4在反應的過程中發(fā)生分解，最終轉化成Mo原子和C2H4原子，從而有效降低加氫反應的難度。

“IM2+H2”反應途徑中，實際反應路徑大致可以分為以下兩種，第一種是IM2+H2先向著TS2轉化，再轉化成IM4（R2）；第二種是IM2+H2先向著IM3轉化，再轉化成TS3，最后再轉化成IM4（R3）。在第一種轉化方式中，Mo原子側面的碳碳雙鍵會受到H2的攻擊，在此基礎上，在過渡態(tài)TS2的作用下轉化成IM4，從反應過程來看，TS2這種結構中，H2加成的流程十分接近于在沒有催化劑的情況下TS的結構。在TS2的結構中，以TS結構作為參照，C（1）—C（2）反應鍵的長度也會相應的提升，需要注意的是，C（1）—C（2）和C（1）—H（1）兩個化學鍵之間的距離會相應縮小，在這一路徑中，測得的活化能為356kJ/mol，在沒有使用催化劑的前提下，兩者之間的活化能沒有明顯差異，但是在過渡態(tài)的能量方面會出現(xiàn)較大的差異。在第二種路徑中，即R3的路徑中，在對于Mo原子的碳碳雙鍵進行攻擊的過程中，H2會從同側進行攻擊，在過渡態(tài)正式形成之前，出現(xiàn)中間體IM3的概率相對較高，之后會在過渡態(tài)TS3的作用下向著IM4轉化。TS3結構的角度來講，C（1）原子、C（2）原子、Mo原子在反應的過程中會分別與H（1）原子以及H（2）原子相結合，最終形成一個四元環(huán)。

為了清楚Mo配合物在反應的過程中，使用不同配體可能給催化性能帶來的影響，研究人員模擬了三種Mo配合物在催化C2H4過程中的加氫反應，同時以反應過程為主要依據(jù)，繪制了在對C2H4進行催化的過程中催化劑的加氫反應路徑以及具體的相對能量變化圖，同時繪制了三種催化劑在實際反應的過程中出現(xiàn)的過渡態(tài)結構和中間體。

從繪制結果來看，三種催化劑的反應路徑無明顯差異，過渡態(tài)的結構和中間體也呈現(xiàn)較大相似性，最顯著的差異是活化能的差異以及結構參數(shù)的差異，催化劑會先與H2發(fā)生催化反應，同時與C2H4發(fā)生加成反應，這也在一定程度上間接驗證了前面的結論，說明在沒有催化劑的情況下，這條路徑的反應難度相對較高，只有在H2從同側展開攻擊活動的過程中，反應的難度才能真正得到有效控制。而從異側加成的角度來看，由于活化能相對較高，從反應路徑的角度來講，活化能與無催化劑情況下相似，這間接說明了這一路徑的實現(xiàn)難度相對較高。從上述研究結果來看，研究人員在確定反應路徑時，需要充分考慮現(xiàn)實情況，在充分了解原子特性的基礎上，選擇最恰當?shù)姆磻绞?，最大限度地降低反應出現(xiàn)問題的概率。

從IM1的角度來看，研究人員在研究的過程中得出了這樣的結論，IM1在能量最低的情況下，大約可以達到-310kJ/mol，說明在所有中間體中，這是最穩(wěn)定的一種形式，從結構參數(shù)的角度來看，IM1中間體中，H與Mo之間的距離也達到了最高值。由此可以得出結論，Mo原子與H原子之間的距離越接近，中間體結構的穩(wěn)定性越高。

3 新型催化劑Mo配合物催化乙烯加氫的反應機理

從本質角度來講，乙烯加氫反應就是C—C化學鍵和H—H化學鍵斷裂之后，C原子和H原子之間的重新組合，重新形成C—H化學鍵。但是在此過程中，C—C化學鍵和H—H化學鍵的軌道能級差也會相應的發(fā)生變化，電子躍遷的難度會增加，因此，很難直接形成乙烯加氫反應。

對反應過程中的勢能面變化情況進行分析，在加入催化劑的情況下，實際反應過程中活化能也會相應的受到抑制，因此，為了有效分析新型催化劑Mo的催化機理，以其中一種Mo原子為例，分析了自然界軌道，從分析結果來看，H2在與催化劑Mo作用的過程中，會直接形成中間體IM1，在這一過程中，H2成鍵軌道的占據(jù)數(shù)也會相應受到抑制，但是反鍵軌道的占據(jù)數(shù)會相應的擴大，在此基礎上，有效削弱H—H化學鍵的強度。與此同時，在形成IM1之后，H—H的軌道能級會縮小2.44左右，同時，C—C化學鍵和H-H化學鍵的能級差也會相應的受到影響，進而降低電子在不同軌道間躍遷的難度，達到控制加氫反應難度的目標。

而從C2H4在與催化劑Mo反應過程中形成中間體IM2的角度來看，結果與中間體IMI的形成過程存在較大的差異，IM2中間體中的C原子和C原子之間會實現(xiàn)重新組合，產(chǎn)生新的化學鍵，在此基礎上，使C—C化學鍵和H—H化學鍵的能級差得到削弱，達到推動C2H4和H2產(chǎn)生加成反應的目的。

4 結束語

綜上所述，本次研究主要使用的是密度泛涵理論體系下的DFT方法，研究了C2H4加氫反應實現(xiàn)過程中使用新型催化劑Mo的效果，從理論角度出發(fā)研究了相應的反應機理。研究結果顯示，這種反應方式具有很好的前景，在未來的研究領域以及生產(chǎn)領域具有非常高的推廣價值。但是，要最終保證反應效果，兩種反應路徑需要根據(jù)現(xiàn)實情況合理選擇，在此基礎上，有效降低反應難度，提升反應效益。