氧原子和甲基自由基反应机理的理论研究

用分子轨道从头算和密度泛函理论 (DFT)中的B3LYP方法以及适中基组 6 - 311+G(2df,2p)对氧原子与甲基CH3反应进行了系统的研究。计算给出了反应通道上各驻点物种的构型参数、振动频率和能量。结果表明 :CH2 OH比CH3O稳定 ,能量约低 2 6 .6 3kJ/mol,且生成氢和甲醛为其最主要反应通道。

三苯甲基自由基及其二聚体稳定性的理论研究

采用量子化学AM1MO方法优化了三苯甲基自由基及其两种二聚体的构型,并计算了反应物和二聚物的生成焓、活化能以及它们的电荷布居.计算结果表明,三苯甲基自由基是一种较稳定的自由基,在这个自由基中存在明显的共轭效应,分子中电子云呈平均化分布.它的二聚体1,4-环己二烯衍生物分子中的5个苯基排布在环己二烯环平面的两端,明显降低了苯基之间的空间排斥力,使二聚物-环己二烯衍生物分子的稳定性大大高于六苯乙烷.因此,三苯甲基自由基的二聚体是1,4-环己二烯衍生物而不是六苯基乙烷,得到了与实验事实一致的结果.

乙腈与甲基自由基反应的直接动力学研究

本文利用从头算分子轨道方法和变分过渡态理论研究了乙腈与甲基自由基反应的动力学性质 ,在 3 0 0～ 2 10 0K温度的范围内 ,利用传统过渡态理论和考虑到量子隧道效应的校正的变分过渡态理论计算了反应速率常数 ,结果表明变分作用很小 。

全硫取代三苯甲基自由基酯基衍生物与牛血清白蛋白的相互作用

采用荧光光谱、电子顺磁共振(EPR)波谱、紫外-可见吸收光谱和分子对接等技术研究了全硫取代三苯甲基(TAM)自由基酯基衍生物——ET-03与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,发现ET-03与BSA能自发发生结合作用;主要以疏水作用力结合在BSA亚结构域ⅡA(位点Ⅰ)和亚结构域ⅢA(位点Ⅱ)上;ET-03对BSA的荧光猝灭效应为动态、静态混合猝灭机制,且可能存在非辐射能量转移.研究结果表明,酯基衍生化TAM自由基与白蛋白能自发结合,有望用于蛋白构效关系研究;同时也提示将TAM自由基酯基衍生物用于活体成像或自旋标记物时应考虑其与蛋白相互作用的影响.

表面偶联甲基自由基实现低温高效甲烷氧化偶联

天然气作为一种低碳清洁能源,其储量大,价格低,被认为是最有前途的石油替代资源之一.而以天然气的主要成分——甲烷为原料来生产高价值化学品被认为是石化工业中实现天然气取代石油为原料新化工路线的技术基础,具有极为可观的社会经济价值.目前甲烷的化学利用主要采用间接转化法,即先从甲烷制合成气,再由合成气制备各种化工原料和油品.但该路线流程复杂,能耗大,生产成本高及投资大,具有明显的局限性,这促使着人们不断探索能量效率更高的甲烷直接转化技术.甲烷氧化偶联(OCM)是最重要的甲烷直接转化技术之一.自1982首次报道以来,人们开发了1000多种OCM催化剂,涉及元素超过68种,但C_(2)烃类(乙烷和乙烯)的收率普遍低于30%,尚未实现工业化.传统研究认为,OCM反应遵循“多相-均相”催化反应机理,甲烷在催化剂表面活化产生甲基自由基后,在气相中进行偶联生成乙烷和乙烯等产物.由于高温下甲基自由基很容易脱附到气相,传统的OCM催化剂一般只在甲基自由基的产生这一步发挥作用.而随后在气相中发生的甲基自由基均相反应并不受催化剂控制,在热力学驱动下,会倾向于深度氧化生成CO2等副产物,因此OCM反应中C_(2)的收率上限为25%–28%.理论上来说,只有当催化剂能够在甲基自由基偶联这一步发挥作用时,C_(2)物种的收率才可能打破上限,但目前尚未有催化剂实现甲基自由基可控表面偶联.本文提出并证实5wt%Na_(2)WO_(4)/SiO_(2)(5NaWSi)具有催化甲基自由基表面偶联的能力.在低温下,5NaWSi本身对于OCM没有催化活性,但是它的加入能够显著提高La_(2)O_(3)催化剂的C_(2)选择性,进而提高C_(2)收率,使其在570℃的低温下即可达到10.9%的C_(2)收率.在La_(2)O_(3)和5NaWSi之间加入一层甲基自由基淬灭剂——石英砂,这种提升作用随即消失,表明甲基自由基在5NaWSi上的表面偶联可能是C_(2)选择性和收率提升的主要原因.本文进一步采用同步辐射光电离质谱技术原位检测了反应过程中的自由基中间体,结果发现,La_(2)O_(3)表面产生的甲基自由基确实可以在5NaWSi表面进行偶联,进而提高C_(2)的选择性和收率.通过对5NaWSi的组成和结构进行分析,发现5NaWSi中的Na_(2)WO_(4)纳米团簇可能是甲基自由基偶联的活性位点,该位点不仅具有很强的甲基自由基吸附能力,为甲基自由基表面偶联提供机会,同时不会深度氧化C_(2)物种,有效地提高了C_(2)选择性.以此为基础建立理论模型,我们通过DFT计算对甲基自由基在5NaWSi表面的偶联机制进行了研究.结果表明,5NaWSi对甲基自由基具有很强的吸附能力,而吸附后的甲基自由基更倾向于偶联生成C_(2)产物,而不是β-H消除生成HCHO等副产物,表明5NaWSi确实是很好的甲基自由基表面偶联催化剂.甲基自由基表面偶联的证实为OCM催化剂的开发开辟了新方向.从双功能催化剂设计的角度出发,将OCM反应分解成甲烷活化和甲基自由基偶联这两个部分,并分别针对这两个部分来筛选和优化催化剂,将有望突破C_(2)收率上限,进而推进OCM的工业化进程.

高温瞬时热解法产生甲基自由基束

Chen等提出了用脉冲分子束快速通过高温加热管与射流冷却相结合的高温瞬时热解法可产生高纯度自由基,当以偶氮甲烷为前体时可获得性能良好的CH_3·自由基束,并成功地用于生长金刚石薄膜。但偶氮甲烷的制备比较复杂,且价格昂贵,不易长期保存。为此,我们选择2-叔丁基过氧化物(Di-t-butyl peroxide,DTBP)为前体,该化合物在1100K时热解速率比偶氮甲烷大100倍。本文用该化合物经高温瞬时热解获得了射流冷却和高纯度的甲基自由基,并由四极质谱测定了DTBP的热解产物及加热温度对解离率的影响。 1 实验 将4％(摩尔比)DTBP/He混合气体。(总压强101.3 kPa)经脉冲阀(General Valve Series 9)喷出,瞬时流过隔热用的Al_2O_3座管和Hexoloy SA高密度SiC加热管,由热解产生的产物和载气从加热管喷出经绝热膨胀进入真空室,形成的分子束通过2个漏勺准直后进入四极质谱(QMS)探测室,其中离子化器电子轰击能量为70eV。对解离产物作质量扫描,信号经放大器输入信号均分器(Boxcar PAR-162)录谱。加热管温度用Pt-Pt/Rh热电偶或灯丝辐射高温计测量。

氰基取代亚甲基自由基的氧气氧化: 新颖Criegee中间体NCC(H)OO顺、反异构体的红外光谱探测

本文采用基质隔离红外光谱分别对15.0 K温度下的HC(N2)CN/O2/N2和HCCNCO/O2/N2混合物(1/50/1000)的激光光解过程开展了实验研究.结果表明:两者在紫外激光光照下均可产生Criegee中间体NCC(H)OO的顺、反两种构象异构体.对NCC(H)OO的红外光谱解析得到了氧同位素(^18O)标记实验和BP86/6-311++G(3df,3pd)理论计算结果的支持.实验发现NCC(H)OO在紫外光照下可进一步与氧气分子发生二次反应,生成氰基甲醛和臭氧,而未得到被理论所预测的能量较低的双环氧乙烷异构体cyclic-NCC(O2)H.

卤素原子的引入对二苯甲基自由基光稳定性、光物理性质及电致发光器件性能的影响

通过在\%N\%-咔唑基-二(2,4,6-三氯苯)甲基自由基(CzBTM)的咔唑基团的3和6位引入卤素原子,合成了3个新的自由基分子(3,6-二氟-N-咔唑基)二(2,4,6-三氯苯)甲基自由基(F 2CzBTM)、(3,6-二氯-N-咔唑基)二(2,4,6-三氯苯)甲基自由基(Cl 2CzBTM)及(3,6-二溴-N-咔唑基)二(2,4,6-三氯苯)甲基自由基(Br 2CzTM).通过对比3个自由基分子与CzBTM的理论计算结果、电化学性质、光物理性质以及光稳定性,发现对于电子给-受体型的发光自由基,其光物理性质是外围取代基团的电负性和分子空间构型共同作用的结果.Cl 2CzBTM和Br 2CzTM具有较高的光致发光荧光量子效率,而F 2CzBTM在光照下具有最长的光致发光半衰期.与以CzBTM为发光层制备的电致发光器件相比,以Cl 2CzBTM和Br 2CzTM为发光层制备的有机电致发光器件的光谱均发生了蓝移,器件的最大外量子效率均有所提高,分别是其1.8倍和2.5倍.

二氟甲基自由基反应及其在^(18)F标记中的应用

随着正电子发射断层扫描(PET)技术的进步,高效^(18)F标记反应显现出重大的研究价值.同时,在有机氟化学的快速发展下,研究人员已开发出一系列产生二氟甲基自由基(·CHF_(2))的一碳合成子,得以被引入到^(18)F标记反应中.本文从化学原理出发,总结了近年来·CHF_(2)合成子、碳氢键活化反应及^(18)F标记的研究,并展望了未来的研究趋势.

PEG化氘代单磷酸三苯甲基自由基的高效合成及性能研究（英文）

电子顺磁共振(EPR)波谱联用外源性自旋探针技术是测量体内外pH的有效手段.有研究表明,单磷酸取代三苯甲基(p1TAM)自由基是目前用于检测pH的最理想的EPR探针.然而,这类探针的合成产率低、易受蛋白影响,极大限制了其生物应用.针对上述问题,本文提出了高效合成p1TAM自由基的方法,使其总产率从文献报道的1.6%提高到了25%;同时采用PEG修饰的方法避免了白蛋白(BSA)对其产生的干扰.进一步氘代实验结果证实:非氘代PEG化(p1TAM-H)衍生物(POP)虽与氘代PEG化(p1TAM-D)衍生物(dPOP)具有相似的pH敏感性(其pKa分别为6.80和6.79),但POP的EPR谱图较为复杂,而dPOP无论在低pH还是在高pH条件下均具有简单的EPR双峰信号;而且,dPOP具有比POP和p1TAM-H更好的检测灵敏性;此外,dPOP还具有较好的生物稳定性和氧气敏感性.因此,dPOP能够用来同时检测pH和氧气,有望在生物医学方面得到更好的应用.

用ESR检测过氧亚硝基氧化二甲基亚砜产生的甲基自由基

NO在体内具有重要的生物功能,如能防治血小板的凝聚,它是内皮细胞松弛因子(EDRF),又是神经传导的逆信使,在学习和记忆过程起着重要作用.但是它还是自由基,因而它化学性质活泼,反应性强,具有细胞毒性作用,在免疫杀伤过程中发挥着重要作用.最近研究发现,细胞在产生 NO 的同时,也产生超氧阴离子自由基.NO和超氧阴离子自由基具有非常高的反应速率常数(6.4×10~9mol^(-1)·s^(-1)),反应形成过氧亚硝基(ONOO^-).这是一种氧化性极强的物质,可氧化细胞膜脂和蛋白质的硫氢基,导致细胞损伤和疾病的发生.在碱性条件下,过氧亚硝基比较稳定,一旦质子化,立即分解产生类羟基和NO_2自由基.试验表明,在很多病理状态发生此反应,因而对过氧亚硝基的研究非常引人关注.但是过去的研究多是用ONOO^-氧化二甲基亚砜(DMSO)产生的醛类物质作为检测对象进行研究的.而ONOO^-损伤细胞成分很多是通过自由基机理的.还没有发现直接检测ONOO^-氧化反应产生自由基的报道.本文用自旋捕集技术直接捕捉到了 ONOO^-氧化 DMSO 产生的自由基.并且通过波谱解析和计算机模拟证明是甲基自由基.还利用这个自由基产生体系研究了一些抗氧化剂对甲基自由基的清除作用和对ONOO^-氧化活性的抑制作用.

甲基自由基的伏安法原位产生与检测

在过硫酸钾-乙酸盐、二甲亚砜或叔丁醇等体系中,用伏安法实现了甲基自由基·CH3原位产生和检测,这包括下列连续过程:过硫酸根S2O82经单电子极谱还原成硫酸根自由基SO4-·SO4-在电极表面引发与乙酸根、二甲亚砜或叔丁醇的自由基链反应产生了·CH3,·CH3单电子还原产生了它的极谱还原波,与用紫外光光解耦合电子自旋共振谱法等已有技术相比,本方法简单灵敏,有选择性.

氧原子与羟亚甲基自由基反应机理的理论研究

用量子化学从头计算法对氧原子与羟亚甲基自由基在最低双重态势能面上的反应进行了研究,计算了势能面上各驻点的构型参数、振动频率和能量。计算采用G2(MP2)理论方法。计算结果表明,反应首先形成中间体OCH_2OH,而后经不同过渡态解离为H_2CO+OH或H+HCOOH。由中间体形成甲醛和甲酸的过渡态的能量分别比反应物低202.5和355.3kJ/mol,计算得到2个反应通道的反应热分别为-314.1和-402.9kJ/mol,与实验结果(-307和-398kJ/mol)符合很好。根据能量数据可以预言形成甲酸的通道将是主要的反应通道。

甲基自由基与硅甲基自由基结构与电子性质的比较

采用理论方法考察了甲基自由基和硅甲基自由基的结构和电子性质。结果表明,甲基自由基上的C和H分别带负电荷和正电荷,而硅甲基自由基上的Si和H分别带正电荷和负电荷。无论是甲基自由基还是硅甲基自由基,锥形结构的中心原子成键轨道的p轨道成分多于平面结构的p轨道成分;平面结构比锥形结构的中心原子更倾向于负电性化。甲基自由基的Laplacian电子密度值的符号为负,而硅甲基自由基的Laplacian电子密度值的符号为正。从而证实了Pauling关于电负性差异导致结构不同的论断。

烯醇硅醚经三氯甲基自由基加成串联消除反应合成β,β-二氯-α,β-不饱和酮

以二叔丁基过氧化物(DTBP)作氧化剂,氯仿或四氯化碳作三氯甲基自由基源及反应溶剂,由芳酮衍生的烯醇硅醚经自由基加成串联消除反应合成了β,β-二氯-α,β-不饱和酮,反应无需金属催化剂,条件温和,烯醇硅醚底物具有良好的普适性.

4-磺酸酯-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基对大鼠组织和红细胞的抗脂质过氧化作用

研究了 4 磺酸酯 2 ,2 ,6,6 四甲基哌啶氮氧自由基 (STMP)的抗脂质过氧化作用 .结果表明 ,STMP显著抑制丙二醛 (MDA)的生成 ,其抑制心 ,肝 ,肾MDA生成的IC50 分别为 4 .4 ,3.2及 3.7μmol·L- 1;对抗溶血反应 ,其IC50 为 318.3μmol·L- 1;但不影响O2 ÷ 的生成 .

4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基的制备

阐述了一种新的氧化方法 ,即在二价金属盐 -过氧化氢 (3 0 % )氧化体系中 ,氧化 4 -羟基 -2 ,2 ,6,6-四甲基哌啶醇成4 -羟基 -2 ,2 ,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基 ,在 70℃下反应 1 0 h,产率 95

2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基/Ca(ClO)_2催化氧化甲基葡糖苷制备葡醛酸

采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基/Ca(ClO)2体系选择氧化甲基葡萄糖苷(简称甲苷)合成了葡萄糖甲苷酸盐,再用硫酸酸解葡萄糖甲苷酸盐,得到葡萄糖醛酸和副产物硫酸钙。考察了氧化工艺条件对葡萄糖醛酸收率的影响;用pH计监控反应过程,反应中间体和终产物用UV和HPLC检测。结果表明,该体系对甲苷伯羟基的氧化具有较好的催化活性和反应选择性,葡萄糖醛酸收率达到92%,且金属离子易于去除。和传统的淀粉HNO3氧化法工艺相比,该方法具有资源节约、环境友好的特点。

交联聚苯乙烯微球固载2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基的催化氧化性能与机理

将交联聚苯乙烯(CPS)微球表面固载有2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)的非均相催化剂微球(TEMPO/CPS)与过渡金属盐相结合,构成复合催化剂体系,用于分子氧对肉桂醇的氧化过程的研究。分别采用高价金属离子氧化性比硝酸根NO-3更弱和更强的两类过渡金属盐为助催化剂,与微球TEMPO/CPS构成组合催化剂,深入探索研究了其催化性能与催化机理。研究结果表明,几种过渡金属盐(如Fe、Cu、Mn、Co盐)与微球TEMPO/CPS形成的复合催化剂,可有效地催化分子氧对肉桂醇的氧化过程,将其转化为唯一的产物肉桂醛。以过渡金属硝酸盐为助催化剂,当硝酸盐结构中对应的高价态(氧化态)金属离子的氧化性比NO-3离子弱时(如Fe(NO3)3与Cu(NO3)2),正负离子共同发挥助催化作用;当硝酸盐结构中对应的高价态(氧化态)金属离子的氧化性比NO-3离子强时,比如Co(NO3)2与Mn(NO3)2对应的Co(Ⅲ)与Mn(Ⅲ)离子,金属离子单独发挥助催化作用,NO-3离子不起作用。实验结果表明,对于肉桂醇的分子氧催化氧化,在几种过渡金属盐中,Fe(NO3)3作为最适宜的助催化剂,温和条件下(55℃、常压O2),可高效地将肉桂醇转化为肉桂醛,转化率为92%。

亚甲基氰自由基(HCCN)与一氧化氮(NO)反应势能面的理论研究

在 CCSD( T) /6-3 1 1 G( d,p) //B3 LYP/6-3 1 1 G( d,p) +ZPE水平上对反应 HCCN+NO的二重态反应势能面进行了计算 ,得到了 4种产物 :P1 ( HCN+NCO) ,P2 ( OH+NCCN) ,P3 [HCN+( CNO) ]和 P4( HCN+CNO) .其中产物 P1为主要产物 ,P2为次要产物 ,P3和 P4很难得到 .在 G2 ( B3 LYP/MP2 /CC)水平 ,对产物 P1和 P2的反应通道的单点能量进行了校正 .