尹東光,高文亮,張彩霞,張靜靜,張海東

(1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 400044;2.重慶工商大學(xué)廢油資源化裝備與技術(shù)教育部工程研究中心,重慶400067)

引 言

偏二甲肼(UDM H)是一種廣泛應(yīng)用的液體火箭推進(jìn)劑,同時(shí)它又是一種高毒性化合物。李正莉[1]等采用量子化學(xué)計(jì)算方法對(duì)其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性能進(jìn)行了研究。相關(guān)手冊(cè)[2]中收錄其化學(xué)鍵解離能的數(shù)據(jù)相對(duì)陳舊,有必要進(jìn)行嚴(yán)格的理論計(jì)算加以比較和驗(yàn)證。

化學(xué)鍵解離能(BDE)是反映物質(zhì)化學(xué)鍵強(qiáng)弱的一種重要參數(shù)[2]。Hartree-Fock(H-F)及微擾理論(M Pn)方法因?yàn)樵谔幚黹_(kāi)殼層體系存在自旋污染而不適合BDE 的計(jì)算,更高級(jí)別的從頭算法如CCSD、QCISD 等不僅由于計(jì)算量大,應(yīng)用的體系受到限制,而且當(dāng)采用的基組不夠大時(shí)仍會(huì)大大低估BDE 值。為了克服以上方法的不足,J.A.Pople 和G.A.Petersson 分別發(fā)展了G aussian-n(G n)理論和CBS(Complete Basis Sets)理論的組合從頭算方法。Gn 理論一般采用M P2(FU)/6-31G(d)進(jìn)行分子幾何構(gòu)型優(yōu)化,如G3[3]理論,而G3B3[4]與G3的區(qū)別在于其使用密度泛函理論的B3LYP 方法進(jìn)行幾何構(gòu)型的優(yōu)化和零點(diǎn)振動(dòng)能計(jì)算。CBS-Q[5]方法采用UM P2(FC)/6-31G+幾何優(yōu)化構(gòu)型,CBSQB3[6]與CBS-Q 的區(qū)別類(lèi)似于G3B3 和G3。

組合從頭算方法可以作為BDE 的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法[7]。Hongyan Sun 等[8]利用CBS-QB3 方法,通過(guò)等鍵反應(yīng)得到甲基肼(MM H)中CH 3N(—H)NH 2 鍵解離能為330.5 kJ/mol,與郭慶祥等[9]利用G3B3 得到的結(jié)果320.1 kJ/mol 相差僅為10.4 kJ/mol。M .A.Bohn[10]利 用 B3LYP 方 法 對(duì) 肼(N2H4)、甲基肼、偏二甲肼和1,2-二甲肼(SDM H)的N—N 鍵BDE 進(jìn)行了計(jì)算。

本研究利用量子化學(xué)組合從頭算法和密度泛函理論方法對(duì)UDM H 分子的BDE 正值進(jìn)行了計(jì)算和比較,以期能獲得準(zhǔn)確的UDM H 的BDE 值。

1 計(jì)算模型及方法

除組合從頭算方法以外,UDM H 分子及相關(guān)自由基的幾何構(gòu)型在(U)B3LYP[11]/6-31G(d)的水平上進(jìn)行優(yōu)化,并在同一水平進(jìn)行振動(dòng)頻率計(jì)算,所得頻率值均為正值,無(wú)虛頻存在,證明所得結(jié)構(gòu)均為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。然后分別采用B3LYP 、BM K[12]和B3P86[13]泛函方法,對(duì)偏二甲肼及相關(guān)自由基進(jìn)行單點(diǎn)電子能量的計(jì)算,單點(diǎn)能的計(jì)算基組采用6-311++G(2df,2p),對(duì)焓值的校正項(xiàng)采用(U)B3LYP/6-31G(d)水平的結(jié)果。所有計(jì)算采用Gaussian 03[14]程序包完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 組合從頭算方法的計(jì)算結(jié)果

表1 列出了組合從頭算方法對(duì)偏二甲肼BDE的計(jì)算結(jié)果。從表1可以看出,幾種組合從頭算方法得到的BDE 數(shù)據(jù)非常接近,相差僅為幾個(gè)kJ/mol,尤其是對(duì)N—N、N—H 鍵,與文獻(xiàn)[2]值非常接近,且均在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。而對(duì)N—C 和C—H鍵,文獻(xiàn)[3]收錄的BDE 數(shù)據(jù)為1964年發(fā)表文獻(xiàn)[15]中的數(shù)據(jù),尤其對(duì)于N—C 鍵,原文獻(xiàn)[15]采取與胺類(lèi)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)類(lèi)比的方法得到N—C 鍵的BDE,而非實(shí)驗(yàn)測(cè)定值(未給出誤差范圍),所以其數(shù)值可信度更值得商榷。在甲基肼中,N—C 鍵BDE為(295.81±10.46)kJ/mol[2],偏二甲肼與甲基肼結(jié)構(gòu)極其類(lèi)似,推測(cè)其N(xiāo)—C 鍵的BDE 值應(yīng)該非常接近,這與組合從頭算方法所得結(jié)果(約260 kJ/mol)吻合。由于組合從頭算方法具有很高的精度及其普遍成功性,本研究推薦以上組合從頭算方法得到的數(shù)據(jù)作為偏二甲肼N—C 和C—H 鍵的BDE值。

組合從頭算方法G3 和CBS-Q 與G3B3 和CBS-QB3 得到的數(shù)據(jù)差距很小,說(shuō)明采用M P2 或B3LYP 方法進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化對(duì)偏二甲肼BDE 計(jì)算影響不大,同時(shí)也可以說(shuō)明得到的數(shù)據(jù)是可信的。

通過(guò)比較偏二甲肼中4 種類(lèi)型化學(xué)鍵的BDE數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn),偏二甲肼分子內(nèi)最弱的化學(xué)鍵為N—N 和N—C 鍵,推測(cè)偏二甲肼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)容易發(fā)生這兩個(gè)鍵的斷裂,這與文獻(xiàn)[15]結(jié)果一致。

表1 組合從頭算方法的BDE 計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated BDEs by composite ab initio methods

2.2 密度泛函理論計(jì)算結(jié)果

分別利用限制性開(kāi)殼層方法(RO)和非限制性(U)方法,采用B3LYP 方法,計(jì)算了偏二甲肼各個(gè)化學(xué)鍵的BDE,結(jié)果列于表2。通過(guò)與CBS-QB3 方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),限制性開(kāi)殼層方法得到的結(jié)果要明顯優(yōu)于非限制性方法。這是由于自由基是一種開(kāi)殼層體系,非限制性計(jì)算方法存在自旋污染效應(yīng)而引起的,因此推薦利用限制性開(kāi)殼層方法進(jìn)行相關(guān)BDE 的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示,B3LYP 方法系統(tǒng)地低估了BDE,最大誤差達(dá)到約40 kJ/mol。所以,B3LYP 方法不適合于計(jì)算偏二甲肼及與之類(lèi)似結(jié)構(gòu)化合物(如其他肼類(lèi)物質(zhì),下同)的BDE,或必須經(jīng)系統(tǒng)校正后才可以應(yīng)用于鍵解離能的計(jì)算。

利用(RO)BM K 方法計(jì)算得到的偏二甲肼BDE 值見(jiàn)表2。比較發(fā)現(xiàn),(RO)BM K 的計(jì)算結(jié)果非常接近組合從頭算方法的結(jié)果,誤差約為6 kJ/mol,且具有相對(duì)系統(tǒng)性,經(jīng)系統(tǒng)校正后可以達(dá)到組合從頭算方法的計(jì)算精度。因此,選擇(RO)BMK 方法作為偏二甲肼及相關(guān)類(lèi)似結(jié)構(gòu)化合物鍵解離能的計(jì)算方法。

(RO)B3P86 方法對(duì)偏二甲肼N—H 和C—H鍵的解離能具有很好的計(jì)算結(jié)果,且稍?xún)?yōu)于BM K方法。對(duì)N—N 鍵解離能的計(jì)算結(jié)果與BM K 方法很接近,對(duì)N—C 鍵的計(jì)算結(jié)果則較差,與CBSQB3 的結(jié)果相差15 kJ/mol。因此(RO)B3P86 方法更適合計(jì)算偏二甲肼及類(lèi)似結(jié)構(gòu)化合物X—H 鍵的鍵解離能(X表示任意原子),與文獻(xiàn)[15]結(jié)論一致。

表2 用密度泛函理論方法和CBS-QB3 計(jì)算的BDE 值Table 2 Calculated BDEs by DFT and CBS-QB3

3 結(jié) 論

(1)文獻(xiàn)[2]收錄的N—C 和C—H 鍵解離能數(shù)據(jù)可能存在誤差,推薦高精度的組合從頭算方法得到的數(shù)據(jù)作為偏二甲肼N—C 和C—H 鍵BDE 的參考值。

(2)限制性開(kāi)殼層方法所得結(jié)果要優(yōu)于非限制性方法。B3LYP 方法的計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)性地低估了BDE,(RO)BM K 方法的計(jì)算結(jié)果普遍較好,(RO)B3P86適合N —H 和C—H 鍵BDE 的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,偏二甲肼分子中N—N 和N—C 鍵的BDE 最低。

[1]李正莉,王煊軍,張有智.偏二甲基肼親核性的量子化學(xué)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2007,30(5):49-52.

LI Zheng-li,WANG Xuan-jun,ZHANG You-zhi.The quantum chemical investigation on the nucleophilicity of UDMH[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2007,30(5):49-52.

[2]羅渝然.化學(xué)鍵能數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]Curtiss L A,Raghavachari K,Redfern P C,et al.Gaussian-3(G3)theory for molecules containing first and second-row atoms[J].J Chem Phys,1998,109(18):7764-7776.

[4]Baboul A G,Curtiss L A,Redfern P C,et al.Gaussian-3 theory using density functional geomet ries and zero-point energies[J].J Chem Phys,1999,110(16):7650-7657.

[5]Ochterski J W,Petersson G A,Montgomery J A Jr.A complete basis set model chemistry.V.Extensions to six or more heavy atoms[J].J Chem Phys,1996,104(7):2598-2619.

[6]Montgomery J A Jr,Frisch M J,Ochterski J W,et al.A complete basis set model chemist ry.VII.Use of the minimum population localization method[J].J Chem Phys,2000,112(15):6532-6542.

[7]YU Yi-Yun,FU Yao,LIU Lei,et al.Theoretical study of remote substituent effects on X—H (X=CH2,NH,O)bond dissociation energies of azulene[J].Chinese J Chem,2007,25(7):1014-1022.

[8]S UN Hong-yan,Law Chung K.Thermochemical and kinetic analysis of the thermal decomposition of monomethylhydrazine:an elementary reaction mechanism[J].J Phys Chem A,2007,111(19):3748-3760.

[9]SONG Ke-sheng,LIU Lei,GUO Qing-xiang.Effects of geminal disubstitution on C -H and N -H bond dissociation energies[J].Tetrahedron,2004,60:9909-9923.

[10]Bohn M A,Klapotke T M.DFT and G2M P2 calculations of the N-N bond dissociation enthalpies and enthalpies of formation of hydrazine,monomethylhydrazine and symmetrical and unsymmetrical dimethylhydrazine[J].Z Naturforsch B,2004,59b:148-152.

[11]Becke,A D Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior[J].Phys Rev A,1988,38(6):3098-3100.

[12]Boese A D,Martin J M L J.Development of density functionals for thermochemical kinetics[J].J Chem Phys,2004,121(8):3405-3416.

[13]Perdew J P.Density-functional approximation for the correlation energy of the inhomogeneous electron gas[J].Phys Rev B,1986,33(12):8822-8824.

[14]Frisch M J,T rucks G W,Schlegel H B,et al.Gaussian 03.Revision E.01[M].Pittsburgh,PA:Gaussian Inc,2004.

[15]Eberstein I J.The gas phase decomposition of hydrazine propellants,AD-607334[R].New Jersey:Princeton University,1964.