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本论文以溶液中的两个化学反应(①CH3CH2OH+HBr-CH3CH2Br+H2O②CH3CH2Br+H2O→CH3CH2OH+HBr)为例,在6-31+G(d)基组水平上,使用MP2方法对气相下的机理进行了研究。我们使用相同的基组和方法,并应用Tomasi的极化连续介质模型(PCM),在水溶剂(介电常数ε=78.39,298.15K)的条件下又对两个溶液反应在溶剂下的反应途径进行了量化计算。对比分析气相和溶剂中的研究结果,得出了两个溶液反应的总反应机理和反应条件。最后,从反应物和产物分子中的原子电荷出发,使用Klopman的软硬酸碱理论对溶液中以分子形式参加的反应进行了说明。
通过计算和分析,我们得到以下结论:
(1)本文研究的两个溶液反应彼此并非互为可逆反应,因为两个反应均不是基元反应(对称性不匹配),而是多步反应。因此,两个溶液反应需要不同的反应条件才能发生。
(2)乙醇和溴化氢在酸性水溶液中的反应途径需要吸收的能量最少,是溴化氢和乙醇的最优反应途径。反应过程中氢质子(H+)改变了原来的反应历程,将气相条件下的分子反应转化成了溶液中的离子反应,反应速率加快。整个反应,H+保持不变,具有催化剂性质。并且,在酸性条件下HBr和CH3CH2OH的反应是不可逆的,因逆反应需要吸收很高的能量(250.9kcal/mol)。
(3)溴乙烷在碱性水溶液中的最优途径是溶剂(水)下亲核取代反应SN2历程:第一步是溴乙烷和氢氧根(OH-)通过能垒(2.6kcal/mol)较低的过渡态TS2生成乙醇(CH3CH2OH);第二步溶液中游离的溴负离子与水相互作用(吸收能量:55.4kcal/mol)生成溴化氢,同时释放出氢氧根离子(OH-)。整个反应过程氢氧根(OH-)起催化剂作用。虽然SN2历程第一步过渡态TS2的能垒(2.6kcal/mol)较低,但是第二步溴负离子与水的相互作用需吸收能量55.4kcal/mol,因而,整个反应需要加热。
(4)从反应物和产物分子的原子电荷出发,使用Klopman的软硬酸碱理论对溶液中以分子形式参加的反应进行了说明,得到以下两个结论:
关于反应①有:软硬+硬软→软软+硬硬,这类溶液中的分子反应需加H+作催化剂关于反应②有:软软+硬硬→软硬+硬软,这类溶液中的分子反应需加OH-作催化剂溶液中的分子反应(如本论文研究的两个溶液反应),是人为创造环境使分子反应变成离子反应才得以进行的。
本文的研究具有一定的学术意义,对教学工作者的教学和实验工作者研究相关的实验具有一定的参考价值。