(CH3)2S与O2气相反应机理的理论研究

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近年来,海洋二甲基硫(DMS)的研究一直是海洋科学研究领域中的一个热点。生源硫化物二甲基硫(DMS),是海洋主要的挥发性硫化物,也是大气硫化物的重要来源,其在大气中的氧化产物关系着酸雨形成、全球气候变化等问题。因此研究二甲基(DMS)在大气中的氧化过程,对于上面现象的形成具有一定的意义。本论文即是利用量子化学计算方法对(CH3)2S(DMS)与O2的反应势能面进行了理论研究,期望得出整个反应的机理,并为实验提供较好的预测。主要的实验步骤如下:1. 首先,我们研究O2和二甲基硫(DMS)反应的第一步的问题,我们初步认为O2直接进攻二甲基硫(DMS)分子中的S原子。我们利用半经验的计算方法MNDO,对于我们设想的过渡态结构做初步的计算,计算频率通过虚频的数目判断是过渡态还是稳定态。2. 然后选择我们认为合理的过渡态,采用二级微扰的方法在6-31G*基组下做过渡态。随后运用IRC方法对反应路径进行追踪,寻找过渡态两端的反应物和产物,对于我们需要的反应物和产物运用MP2/6-31G*方法对它们的结构进行优化。3. 优化好的结构我们再利用更加高级的方法——CCSD(T),计算反应物和产物的单点能。对于单点能采用零点能校正。 <WP=58>4. 分析计算所得的数据,计算出各个参与反应的物种相对与反应物的相对能量。做出二甲基硫(DMS)与氧气O2的反应机理的相对能量图。通过该图可以寻找到我们想要得到的反应路径。我们的结果:我们得到两条可以生成产物的反应路径,一条生成的是自由基,另外一条生成的是甲醛(formaldehyde)。路径1 :(CH3)2S +O2( MH1 (图 7) ( TSTH1 (图 14) ( MH2 (图 6) ( TSTH2 (图 15 ) ( CH3SCH2 (图 20)+ HO2 (图 21)O2分子从二甲基硫的侧面进攻,先是通过相互作用生成一个稳定络合物中间体MH1,MH1吸收能量会变成过渡态TSTH1,TSTH1不稳定会释放出能量变为另外一个中间体MH2,MH2在高温的情况下可能吸收能量到达一个较高能量的过渡态TSTH2,通过TSTH2生成我们所预测的产物,两种自由基:CH3SCH2和HO2。路径2 :(CH3)2S +O2 ( TST0 (图 6) ( M1 (图 7) ( TST1 (图 8 ) ( M2 (图 9) ( TST2 (图 10) ( M3 (图 11) ( TST3 (图 12) ( M4 (图 13) ( TST4 (图 14) ( M5 (图 15) ( TST5 (图 16) ( CH3SOH (图 18) + CH2O (图 17)在TST0中我们可以通过看结构图看到S-O之间已经形成一个键,此键的键长为1.705 ?。与此同时,O-O之间的距离拉大到1.403 ?,已经超过正常的O-O键的键长。TST0可以继续吸收能量从而转变为一个新的稳定体,M1。M1与TST0看起来很相似,但是我们仔细观察就会发现此时S-O之间的键长变得更短了,长度为1.651 ?。如果能量继续升高的话,M1就可以转变到一个能量更高的过渡态TST1,在TST1中我们可以看到外边的那个氧原子已经向一侧偏离了。<WP=59>TST1释放出能量变成一个稳定的中间体M2,中间体M2可以通过过渡态TST2到达一个新的中间体M3,在M3中我们可以观察到S-O-C-H-O好象是要形成一个五元环。但是这五个原子不在同一个平面内,我们想要得到五个原子在一个平面内的构型,于是我们找到了一个新的过渡态TST4,通过TST4我们得到了我们想要的一个稳定体M5,在M5中我们可以看到这五个原子几乎是在同一个平面内了。从M5出发,我们找到了一个很重要的过渡态TST5,通过TST5,我们得到了我们预期想要得到的产物——甲醛。我们通过ab intio计算研究了(CH3)2S+O2两个反应路径,探讨了它们的反应机理。得到如下主要结论产生自由基O2H的反应比较容易发生,过渡态相对反应物的最高能量为19.59 kcal/mol,相应最大势垒为15.24 kcal/mol。这是一个吸热反应(吸热17.65 kcal/mol),但比较容易发生。生成甲醛H2CO的反应是一个放热反应(59.58 kcal/mol), 过渡态相对反应物的最高能量为49.52 kcal/mol,相应最大势垒为34.15 kcal/mol, 反应难度比第一个大。
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