氯代烃自由基与NOx分子的系列反应以及N,N-二甲基甲酰胺的光解离反应的研究

来源 :中国科学院化学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq120110023
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时间分辨傅立叶变换红外光谱方法(TR-FTIR)可以在很宽的频率范围内获得产物的红外信号,广泛应用于探测瞬态物种的红外发射、凝聚态以及气态的时间分辨发射及吸收光谱,是进行化学反应动力学等研究的一种高效光谱技术。本论文以时间分辨傅立叶变换红外发射光谱为主要实验手段,并结合量子化学计算方法,选取了大气化学、燃烧化学领域中重要的氯代烃自由基与氮氧化物(NOx)的反应动力学为主要研究内容,此外还研究了N,N-二甲基甲酰胺在193 nm条件下的光解机理,这些研究结果可望为相关领域提供解决问题的最基本依据。   三氯乙烯基C2C13是含氯碳氢化合物燃烧过程中的重要中间体,在多环芳香烃(PAH)、烟炱以及焦炭的形成过程中起着重要的作用。对于氯代乙烯基C2C13与NOx(x=1,2)的两个反应,采用实验技术结合理论计算方法,作者进行了首次研究。(1)对于C2Cl3+NO反应,采用时间分辨傅立叶变换红外发射光谱,我们观测到初生态产物C12CO、CINCO、NCO以及CCl3NCO,从而确定了四个反应通道:Cl2CO+ClCN、CINCO+CCl2、CCl3+NCO和CCl3NCO,结合量子化学计算,进一步阐明四个不同产物通道所经历的反应途径,发现四元环结构中间体、双环结构中间体以及三元环结构中间体是导致这些反应通道形成的关键反应中间体。在实验中,通过改变光解激光的波长生成具有不同内能的C2Cl3自由基,发现反应通道的相对产率随自由基内能的改变发生显著的变化,通过理论计算结果得到很好的解释。(2)对于C2Cl3+NO2反应,时间分辨傅立叶变换红外发射光谱观测到了CO、NO、Cl2CO和NO2四种基元产物。计算结果发现在反应起始阶段存在N-进攻生成硝基复合物C2C13-NO2和O-进攻生成亚硝酸盐复合物C2C13-ONO两种模式的加合反应。计算发现四个热力学允许的反应通道:C2Cl3O+NO(CO+ CCl3+NO)、CINO+C12CCO、CC13CO+NO和CICNO+C12CO,很好地解释了实验中观测到的相应产物。此外,初始加合物C2Cl3-NO2/C2Cl3-ONO也可发生反向分解回到反应物,在这过程中发生振动传能而生成振动激发的NO2。此外作者对比了C2Cl3+NO2和C2H3+NO2两个反应的差别,以考察氯取代对反应机理的影响,发现两个反应在初始加合过程存在差别,并通过计算C2H3被逐渐氯取代后自由基的电荷分布,讨论了引起进攻模式差异的本质原因。   氯代甲基自由基,例如CH2Cl、CHCl2和CCl3是在燃烧中重要的活性中间物。用时间分辨傅立叶变换红外发射光谱研究了系列氯代甲基自由基CHxC13-x(x=0-2)与NO2的反应。对CCl3+NO2反应,作者观测到的产物有CCl20、NO和CO;对CHCl2+NO2反应,观测到的产物有CHClO、NO、CO和HCl;对CH2Cl+NO2反应,观测到的产物有CHCIO、CH2O、NO、CO、CO2和HCl。通过对这些反应产物的指认,确定了其相应的反应通道,发现了CO、CO2及HCl等前人未曾实验观测的产物通道。结合已有的量子化学计算结果,作者讨论了这三个反应的反应机理,并通过对比三个反应的产物通道、反应速率及反应机理等,初步讨论了氯取代效应对CHxCl3-x(x=0-2)+NO2反应的影响。   N,N-二甲基甲酰胺(DMF)广泛应用于工业生产中,且其分子中包含由RCONR2的类肽键结构,可以作为多肽的模型分子,研究该类分子与紫外光的相互作用机制,在光对蛋白质的作用等领域具有重要的启示作用。本论文采用纳秒时间分辨傅立叶变换红外光谱技术,探测了DMF在193 nm紫外光照射条件下的多个光解产物HCO、CH3、CO和NHCO,其中CO、NHCO为本实验首次确认观测到的初级光解产物。根据观测到的产物,我们确认了四个光解产物通道,其中两个三体分裂的通道为首次确认,并结合已有的理论计算结果,讨论了DMF在193 nm条件下的光解机理。另外,作者还观测到母体分子的多个红外发射谱峰,讨论了振动激发的光解产物与母体分子之间发生的v-v近共振传能。
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