探析分子筛催化的烯烃裂解及戊烯异构反应机理的理论研究

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1、北京化工大学博士学位论文分子筛催化的烯烃裂解及戊烯异构反应机理的理论研究姓名：郭玉华申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：陈标华;蒲敏20071213摘要分子筛催化的烯烃裂解及戊烯异构反应机理的理论研究分子筛催化的烯烃裂解以及戊烯异构化是两个重要的石油化工过程。本文利用量子化学密度泛函理论和分层计算的方法，采用分子筛簇模型系统地研究了烯烃裂解和戊烯异构化反应机理，从微观结构和能量的角度揭示了分子筛酸催化作用本质。主要内容及结果如下：1．采用ONIOM(B3LYP／6-31G(d,p)：UFF)分层计算方法，研究了劬C5直链烯烃在HY

2、和H-ZSM-5分子筛上的吸附性质。理论计算结果表明烯烃与分子筛的酸性位相互作用形成兀配位的超分子复合物。得到的乙烯在HY分子筛上的吸附能接近它的实验观测值，表明了oNIOM方法能够恰当地描述本文所研究的体系。随着烯烃碳链的增长，烯烃的吸附能增加，这个增加量近似为一个常数。与烷烃在分子筛上的吸附具有相同的规律。烯烃双键位置对烯烃的吸附能影响很大，2位烯烃的吸附能要远大于l位烯烃的。烯烃在不同类型分子筛上的吸附性能也有很大的差别，小孔径H．ZSM-5分子筛上的吸附能比大孔径的HY分子筛的大，而且碳原子数越多，这种差别越大。从微观结构上看，

3、吸附的烯烃与H．ZSM-5分子筛酸性位的距离要远大于／-／Y分子筛的。这些现象是由于不同类型分子筛的微孔结构产生的静电作用是不同的，孔径减小这种作用增强。北京化工大学博士学位论文2．在密度泛函B3LYP／6-31G(d，p)水平上，研究了分子筛催化的C4．CIoa烯烃裂解反应机理。采用3T分子筛簇模型来模拟分子筛的酸性位。研究得出，c4-cloa烯烃的裂解具有相同的反应途径。每个反应都是酸性位质子直接进攻烯烃双键端基的碳原子，然后B位置的C．C键断裂。尽管仅有相应于C-C键断裂的过渡态被发现，但IRC计算表明分子筛催化的烯烃裂解反应实际

4、上按照两步机理进行，存在一个吸附的、短寿命的碳正离子作为中间体。然而，在3霸奏模型上并没有得到它的稳定构型。计算得到的烯烃裂解真实活化能比对应的烷烃裂解实验值低，这个结果与文献报道的烷氧基中间体裂解机理的结果相反，表明碳正离子的反应路径更有利。但由于醇盐在分子筛孔道易于形成，因而醇盐中间体的反应途径也可能发生，这样中间体就可能有两种存在形式。烯烃裂解真实的活化能几乎与碳链长度无关(约为44kcal／m01)，这与烷烃裂解的实验结果是一致的。3．为了考察分子筛骨架结构对烯烃裂解机理的影响，采用，ONIOM(B3LYP／6—31G(d,p)

5、：UFF)方法研究了H—ZSM一5分子筛催化的1．己烯裂解反应。计算结果揭示出，H-ZSM．5上的裂解机理与在3T、5T簇模型上的相同。然而，在H-ZSM．5分子筛上优化得到了稳定的碳正离子，发现烯烃裂解反应中存在碳正离子中间体的途径，这说明分子筛的骨架结构对碳正离子的稳定性有着非常重要的影响。还发现吸附的碳正离子是一个活性的高能物种，只需要很小的活化能(7．24kcal／m01)就能发生C—C键的断裂。因此，本文推测碳正离子应该具有Ⅱ摘要非常短的寿命。这样能够合理地解释为什么在分子筛孔道内通过NMR几乎很少观测到碳正离子。扩展的骨架结

6、构对吸附能和裂解反应的表观活化能都有很大的影响，与实验上烷烃裂解情况相比考虑了分子筛环境所得到的结果是合理的。4．在密度泛函的B3I=yP睡3mO：t,p)水平上，采用3T分子筛簇模型系统地研究了戊烯的双键异构、顺反异构和骨架异构反应机理。从理论上揭示了这三种反应复杂的、相互关联的微观作用机制，解释了所观测的实验现象。主要结果如下：1．戊烯的双键异构存在两个反应途径，即连续反应机理和协同反应机理。连续反应机理包括两个基元步骤，涉及烷氧基物种作为反应的中间体。协同反应仅包含一个基元步骤，质子转移和双键转移以协同方式进行。协同反应具有较低的

7、能垒，避免了高稳定的烷氧基中间体的生成，因此在低温下这个反应途径将起主导地位。然而由手烷氧基的形成比较容易，因此高温下两个反应途径应该是相互竞争的。两个反应途径的提出很好地解释了为什么在低温和高温时所观测的实验现象不同。综合考虑两个反应途径，1．戊烯双键顺式异构的真实活化能是在19．25．19．92keal／mol范围内，而反式异构的真实活化能是在17．93．20．54kcal／mol范围内，表明1．戊烯顺式异构和反式异构的能力相差不大，与实验结果相符。为了考察分子筛骨架结构对戊烯异构过程的影响，采用ONIOM(B3LYP／6—31G(

8、d，p)：UFF)分层计算方法，研究了大孔径的HY分子筛催化1．戊烯反式双键异构的协同反应机理。结果揭示出，HY分子筛上计算的1一戊烯反式双键异构的真实活化能111北豪化工大掌博士学位论文(20．67kca