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研究生: 黃錦旋
論文名稱: 氧原子與氟乙烷、聯胺分子之反應動力學量子化學/RRKM計算化學研究
Quantum Chemistry/RRKM Calculation of O(1D)+C2H5F and O(1D)+N2H4 Reactions
指導教授: 孫英傑
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 100
中文關鍵詞: 氧原子氟乙烷聯胺分子反應動力學量子化學
論文種類: 學術論文
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  • 本篇論文使用quantum chemistry/RRKM的計算方法研究O(1D)與氟
    乙烷、聯胺分子在交叉分子束碰撞環境下的反應,研究各種產物生成的
    反應機制及路徑,進而計算各反應路徑的速率常數及產物產率分配。在
    氧+氟乙烷反應中,O(1D)會插入C-H鍵生成2-氟乙醇及1-氟乙醇,根據
    氟乙烷分子結構組成,2-氟乙醇與1-氟乙醇的生成比例假設為2:3。計
    算活化2-氟乙醇的分解路徑得到H、F、OH、HF、H2、H2O及CH2F產率
    依序為2.4、0.3、9.6、58.5、0.4、1.2及27.7%,與先前氧+乙烷研究之計
    算值H(6.7)、H2(0.8)、OH(7.9)、H2O(26.8)、CH3(60.1%)的產物趨勢相符,
    其中H2O產率有明顯不同,主要是HF脫除路徑影響H2O的產率。至於1-
    氟乙醇的斷鍵主產物為F自由基,脫除路徑則是HF為主。整體而言,氧
    +氟乙烷的插入反應產物以HF最多(83.4%),其次為F自由基(7.9%),此
    產物產率趨勢與氟甲烷的多重分解路徑的計算結果相符合。
    在氧+聯胺反應方面,激發態氧原子可插入N-H與N-N,其中插
    入N-H鍵形成活化H2NNHOH分子,由計算結果知悉此活化分子,是整
    體碰撞反應產物的主要來源,其中H及OH產率為0.8、29.4%,兩自由基
    生成趨勢與氧+氨的實驗值及計算值相符。整體分解路徑產物H、OH、
    NH2、H2O、H2、NH3及NH產率分別是0.8、29.4、12.9、54.5、0.5、1.5及0.4%。在此反應中H2O是主產物,不似氧+氨的計算結果以OH較多,
    此乃因OH基與α-氮或β-氮上的H進行脫除H2O的反應,當H2O的產率提
    高時,相對地斷鍵產生OH基的比率則會降低。同時在此研究中,我們
    亦計算活化N2H4O分子的H-shift反應路徑,發現此氫轉移路徑生成的主
    要產物是NH3(產率1.5%),以整體碰撞系統的產物而言,NH3不算是重要
    的產物,但是NH3的生成可以確認是來自於氫轉移反應。

    In the present thesis, we used Quantum Chemistry/RRKM
    calculation to examine the O(1D)+C2H5F and O(1D)+N2H4
    reactions in molecular beam collision-free environment. The
    product branching ratio of various products formed through the
    insertion mechanisms of these two reactions are presented. In the
    O(1D)+C2H5F reaction, O(1D) can insert into a C−H bond to form
    activated 2-fluoroethanol and 1-fluoroethanol. The product
    branching ratio of activated 2-fluoroethanol decomposition are
    58.5, 27.7, 9.6, 2.4, 1.2, 0.4, and 0.3% for the HF, CH2F, OH, H,
    H2O, H2, and F atom formation channels, respectively. These
    results are similar to ethanol decomposition results of 60.1, 26.8,
    7.9, 6.7, and 0.8% for the CH3, H2O, OH, H, and H2 formation
    channels, respectively, found in a previous study except the lower
    percentage H2O formation due to large amount of HF formed. For
    the 1-fluoroethanol, the main products are HF (87.1%) and F
    radical (8.7%). These results are in good agreement with the
    calculated result for the O(1D)+CH3F reaction found in a previous
    study.
    In the O(1D)+N2H4 reaction, both insertions of O(1D) into
    N-H and N-N bonds were examined. The activated H2NNHOH
    decomposition is assumed to be the major reaction channel in this
    reaction. The product branching ratios are 54.5, 29.4, 12.9, 1.5,
    0.8, 0.5, and 0.4 % for the H2O, OH, NH2, NH3, H, H2, and NH
    formation channels, respectively. Compared with the calculated
    results of O(1D)+NH3, large amount of H2O was produced, which
    was not seen in O(1D)+NH3 reaction. This is because elimination
    reaction of OH and β-H to form H2O is the major H2O formation
    channel. In addition, the calculation gave a low percentage of 1.5 %
    for the NH3 formation channel. The calculation showed the NH3
    formation takes place by an H-shift reaction.

    第一章、緒論 1-1 簡介-------------------------------------------------------- 1 1-2 研究目標-------------------------------------------------- 10 第二章、計算理論原理及方法 2-1 計算理論 2-1.1 全初始計算方法(ab initio method)中的Hartree-Fock 方法---------------------------------------------------- 12 2-1.2 密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT) --- 16 2-1.3 過渡狀態理論(Transition State Theory) ----------- 19 2-1.4 RRKM理論(Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus Theory)---- 21 2-1.5 變分RRKM理論(Varitational RRKM Theory, VRRKMT)-- 23 2-2 計算方法 2-2.1 量子化學計算---------------------------------------- 24 2-2.2 RRKM與VRRKM計算-------------------------------- 25 圖目錄 氧原子+氟乙烷反應動力學量子化學/RRKM計算 圖3-1.1 CFCH2OH的共振結構------------------------------- 34 圖3-1.2 O(1D)+C2H5F插入反應產物的位能圖比較-------- 56 圖3-1.3 CH2FCH2OH分子之多重分解路徑位能面圖------ 57 圖3-1.4 CHFOHCH3分子之多重分解路徑位能面圖------- 58 圖3-1.5 CH2FCH2OH分子多重分解反應產物的最佳化結構--- 59 圖3-1.6 CH2FCH2OH脫除反應中過渡狀態的最佳化結構-- 61 圖3-1.7 CHFOHCH3分子多重分解反應產物的最佳化結構---- 63 圖3-1.8 CHFOHCH3脫除反應中過渡狀態的最佳化結構--- 65 氧原子+聯胺反應動力學量子化學/RRKM計算 圖3-2.1 NNHOH與NNH2分子的共振結構示意圖--------- 74 圖3-2.2 H2NNHOH分子多重分解路徑之位能面圖-------- 88 圖3-2.3 H2NONH2分子多重分解路徑之位能面圖-------- 89 圖3-2.4 H2NNHOH與H2NONH2 分子H-shift 分解路徑的 反應位能面圖---------------------------------------- 90 圖3-2.5 O(1D)+N2H4反應中所有分子在B3LYP/6-311++G(d, p) 層級下的最佳化結構------------------------------- 91 圖3-2.6 O(1D)+N2H4反應中過渡狀態在B3LYP/6-311++G(d, p) 層級下的最佳化結構------------------------------- 93 表目錄 氧原子+氟乙烷反應動力學量子化學/RRKM計算 表3-1.1 比較O(1D)插入C2H5F、C2H6、C3H8、CH3F、CH4 的C-H鍵生成醇分子的反應熱-------------------- 28 表3-1.2 比較2-氟乙醇、氟甲醇與乙醇的鍵解離能------- 30 表3-1.3 比較2-氟乙醇與乙醇的脫除路徑的能量障礙與 反應熱------------------------------------------------- 33 表3-1.4 含氟化合物的分子結構係數----------------------- 34 表3-1.5 比較1-氟乙醇、2-氟乙醇及氟甲醇的鍵解離能--- 37 表3-1.6 比較1-氟乙醇、氟甲醇及乙醇活化分子的分解路 徑能量------------------------------------------------- 40 表3-1.7 O(1D)+C2H5F反應系統的產物計算的總能及零 點振動能---------------------------------------------- 42 表3-1.8 O(1D)+C2H5F反應系統的產物計算所得的相對 能量---------------------------------------------------- 45 表3-1.9 利用B3LYP/6-311++G(d,p) 來計算O(1D)+C2H5F 反應產物及過渡狀態的振動頻率------------------ 48 表3-1.10 利用MVTST 進行O(1D)+C2H5F 反應斷鍵部份之 變分過渡態的相關能量、鍵長以及振動頻率---- 52 表3-1.11 O(1D)+C2H5F反應之microcanonical速率常數---- 54 表3-1.12 O(1D)+C2H5F反應之理論計算產率---------------- 55 氧原子+聯胺反應動力學量子化學/RRKM計算 表3-2.1 比較H2NNHOH與NH2OH的分子結構------------- 67 表3-2.2 計算結果與Ball等人利用B3LYP/CBSB7計算結 果進行比較------------------------------------------- 68 表3-2.3 計算結果與Ball等人利用G3計算的能量值進行 比較--------------------------------------------------- 68 表3-2.4 比較H2NNHOH與NH2OH的鍵解離能------------- 70 表3-2.5 比較H2NNHOH與NH2OH斷鍵反應速率常數---- 71 表3-2.6 比較H2NNHOH與NH2OH脫除反應系統的能量 變化趨勢--------------------------------------------- 73 表3-2.7 含氮化合物之N-N鍵長比較---------------------- 74 表3-2.8 比較H2NNHOH與NH2OH兩分子系統的脫除反 應路徑速率常數------------------------------------- 75 表3-2.9 O(1D)+N2H4反應系統的產物利用B3LYP/6-311++G(d,p) 及CCSD(T)/6-311+G(3df,2p)計算的總能及零點 振動能------------------------------------------------ 79 表3-2.10 O(1D)+N2H4反應系統的產物利用B3LYP/6-311++G(d,p) 及CCSD(T)/6-311+G(3df, 2p)計算的相對能量----- 81 表3-2.11 利用B3LYP/6-311++G(d,p)來計算O(1D)+N2H4反 應產物及過渡狀態的振動頻率-------------------- 83 表3-2.12 利用MVTST進行O(1D)+N2H4反應斷鍵部份之變 分過渡態的相關能量、鍵長以及振動頻率------ 85 表3-2.13 O(1D)+N2H4反應之microcanonical速率常數-------------- 86 表3-2.14 O(1D)+N2H4反應之理論計算產率----------------- 87

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