hybrid Quantum Chemical Studies for the Reaction Mechanism and the Control of Chemical Processes in the Supercritical Water

超临界水中反应机理和化学过程控制的混合量子化学研究

基本信息

  • 批准号:
    13450327
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 8.51万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
  • 财政年份:
    2001
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2001 至 2002
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

(1) Ab initio density functional theory calculations have been performed to investigate the catalytic role of water molecules in the oxidation reaction of ethanol : CH_3CH_2OH + nH_2O -> CH_3CHO + H_2 + nH_2O (n = 0, 1, 2 ). The results show that the potential energy barrier for the reaction is 88.0 kcal/mol in case of n =0, while it is reduced by 〜 34 kcal/mol when two water molecules are involved (n = 2 ) in the reaction. As a result, the rate constant increases to 3.31x10^<-4>s^<-1>, which shows a significant catalytic role of water molecules in the ethanol oxidation reactions.(2) A real-space-grid quantum mechanical / molecular mechanical (QM/MM) simulations have been carried out to investigate the role of the water solvent on the novel ethanol oxidation reaction catalyzed by two water molecules through proton transfer mechanism. We have considered two thermodynamical conditions of solutions for the calculations; ambient(AW) and supercritical water(SCW). The QM/MM simulations have revealed that the solvation energy for the transition state(TS) is larger than that of the reactant state in the SCW resulting in the reduction of the activation energy by 3.7 kcal/mol. While, in the AW, the energy barrier is raised by 7.2 kcal/mol. Radial distribution functions show that hydrogen bonding between the solvent and the water molecules that participate in the reaction seriously collapses when the complex is changed from the reactant to the TS in the AW, suggesting that the closely packed hydrogen bond network attached to the reactant disturbs the proton migration to take place. A reaction mechanism by stepwise proton translocations has also been examined and found to be minor as compared with the concerted one.
(1)已经进行了从头密度的功能理论计算,以研究水分子在乙醇的氧化反应中的催化作用:CH_3CH_2OH + NH_2O-> CH_3CHO + H_2 + H_2 + NH_2O(n = 0,1,2)。结果表明,在n = 0的情况下,反应的势能屏障为88.0 kcal/mol,而当反应中涉及两个水分子(n = 2)时,则将其减少〜34 kcal/mol。结果,速率常数增加到3.31x10^<-4> s^<-1>,该速率显示了水分子在乙醇氧化物反应中的显着催化作用。(2)通过在两次转移水解乙醇氧化物的作用中,实现了真实的空间量子机械 /分子机械 /分子机械(qm / mm)的真实空间量子机械 /分子机械(qm / mm),这两种作用是在乙醇中的作用。 机制。我们考虑了两个用于计算的热力学条件。环境(AW)和超临界水(SCW)。 QM/MM模拟表明,过渡态(TS)的溶液能大于SCW中反应态的溶液能量,导致活化能减少3.7 kcal/mol。而在AW中,能量屏障则由7.2 kcal/mol提出。径向分布函数表明,当溶液与参与反应的水分子之间的氢键在AW中从反应物转换为TS时严重崩溃,这表明紧密堆积的氢键网络连接到反应物上,proton子迁移到了质子迁移。与协同的反应机制相比,还检查了逐步质子翻译的反应机制,并且发现较小。

项目成果

期刊论文数量(44)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
堀 拓実: "実空間差分法による非周期系第一原理分子動力学法の開発とその応用-塩化メチルと水酸化物のイオンのS_N2反応-"Japan Chemistry Program Exchange Journal. 13. 21-28 (2001)
堀工:“利用实空间有限差分法开发非周期第一原理分子动力学方法及其应用——氯甲烷与氢氧根离子的S_N2反应——”日本化学计划交流杂志13. 21-28(2001年)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Hideaki Takahashi: "A Hybrid QM/MM Method Employing Real Space Grids for QM Water in the TIP4P Water Solvents"Journal of Computational Chemistry. 22. 1251-1261 (2001)
Hideaki Takahashi:“采用真实空间网格的混合 QM/MM 方法,用于 TIP4P 水溶剂中的 QM 水”计算化学杂志。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Hideaki Takahashi: "Ethanol oxidation reactions catalyzed by Water molecules : CH_3CH_2OH+nH_2O-> CH_3CHO+H_2+nH_2O(n=0,1,2)"Chemical Physics Letters. 363. 80-86 (2002)
高桥秀明:“水分子催化的乙醇氧化反应:CH_3CH_2OH nH_2O-> CH_3CHO H_2 nH_2O(n=0,1,2)”《化学物理快报》。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Hideaki Takahashi: "Real Space Ab Initio Molecular Dynamics Simulations for the Reactions of OH radical/OH Anion with Formaldehyde"The Journal of Physical Chemistry A. 105. 4351-4358 (2001)
Hideaki Takahashi:“OH 自由基/OH 阴离子与甲醛反应的真实空间从头算分子动力学模拟”物理化学杂志 A. 105. 4351-4358 (2001)
  • DOI:
  • 发表时间:
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  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Takumi Hori: "Hybrid QM/MM Molecular Dynamics Simulations for an Ionic S_N2 Reaction in the Supercritical Water : OH^-+CH_3Cl->CH_3OH+Cl^-"Journal of Computational Chemistry. 24. 200-221 (2002)
Takumi Hori:“超临界水中离子 S_N2 反应的混合 QM/MM 分子动力学模拟:OH^- CH_3Cl->CH_3OH Cl^-”计算化学杂志。
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