离子液体催化二氧化碳与环氧化合物反应机理的理论研究

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近些年来,全球“温室效应”愈演愈烈,形势严峻,不容乐观。因而对主要成分气体——二氧化碳(CO2)进行催化利用,一直是众多课题组的研究重点。随着CO2的研究越来越多,各种高效的CO2催化剂被研究报道,由CO2转化得到的有价值的化学品的报道逐渐增多。在从多催化剂中,离子液体催化剂具有很优良的催化特性。离子液体通常表现出低熔点、低饱和蒸气压、高热稳定性、结构易于修饰等特点,被广泛用于CO2催化转化的研究。另一方面,随着理论与计算化学的发展,将理论计算与实验研究相结合也变得广泛起来,理论计算既能补充微观数据,又可以佐证实验结果。因此在本文中,我们针对实验课题组利用离子液体作催化剂、催化CO2转化的反应机理了理论研究,研究内容主要集中在以下两个方面:1、双离子液体催化剂(BmimBr,BmimOAc)作用下,CO2、环氧乙烷、与不同性质的胺类一锅合成噁唑烷酮,分析导致产物收率存在差异的机理研究。我们的理论计算结果显示影响收率的关键步骤在于胺类氨基与开环结构之间的加成反应。胺类氨基氮原子的NBO电荷大小以及反应时氢键的强弱决定了加成反应能垒的高低。以苯胺参与的反应为基准,我们计算得到的反应能垒按吸电子基取代胺、给电子基取代胺、饱和脂肪胺依次增大,对应着三者参与反应的收率依次减小。2、氨基官能化咪唑型离子液体催化CO2和环氧氯丙烷合成碳酸氯丙烯酯的反应机理研究。我们主要计算了侧链氨基(属三级胺)在活化CO2分子时,有溶剂水参与催化反应的机理。DFT计算结果证实,环氧化合物中的氧原子因与Intra-IL1中咪唑二位氢(C2-H)形成氢键而发生开环反应;CO2分子的活化需借助H2O分子,二者反应形成H2CO3,随后解离成HCO3-的形式参于反应。胺类分子作为催化剂可以调控HCO3-的浓度,有助于产物产率的提高。
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