李星彥，王墨，戴璇，彭新華，唐雙凌

（1 南京理工大學化學與化工學院，江蘇 南京 210094；2 南京理工大學環(huán)境與生物工程學院，江蘇 南京 210094）

核燃料組件在反應堆中受到中子輻射，發(fā)生裂變并達到規(guī)定的卸料比燃耗后從反應堆中卸出，后處理廠通常采用PUREX 流程提取核燃料中的鈾、钚和其他裂變元素[1]。PUREX流程用硝酸將核燃料溶解，然后用一定配比的磷酸三丁酯（TBP）和稀釋劑組成的萃取劑進行液-液萃取，稀釋劑通常選用無臭煤油，其主要成分是正十二烷[2]。

迄今為止，乏燃料后處理發(fā)生了多起事故，對設備和建筑物造成了不同程度的破壞，同時也對環(huán)境造成了嚴重的污染[3-8]。在高溫和強輻射的情況下，TBP、正十二烷以及它們的水解、輻解的降解產物長時間與硝酸接觸發(fā)生了硝化、氧化等反應，生成紅色的油狀物質，即“紅油”，當“紅油”的溫度高于130℃時會發(fā)生熱失控而導致爆炸[9]。

關于“紅油”的研究主要集中在TBP與HNO3的熱分解，而正十二烷作為稀釋劑在此體系中的反應卻少有研究[10-16]。烷烴中只有C—C 鍵和C—H鍵，在輻照下γ 射線能量為1.24×106eV，而C—C鍵和C—H鍵的能量分別為3.61eV和4.28eV，因此正十二烷容易受到硝酸誘導的輻射分解生成短鏈烷烴，研究表明短鏈烷烴比正十二烷更容易發(fā)生硝化反應[17]，這可能是“紅油”不穩(wěn)定的原因之一，且HNO3在高溫和強輻射條件下極易分解出棕紅色的NO2氣體[18-20]，而NO2也因其較強的硝化能力和原子經濟性而廣泛應用于硝化反應的研究[21-25]。

本文旨在研究“紅油”體系中可能發(fā)生的反應，對反應條件和機理等進行探索，以期增加對“紅油”體系的認識和了解。同時，系統研究了正己烷在NO2體系中的硝化行為，這種硝化方法為脂肪烴特別是低碳烷烴的硝化制備硝基烷烴提供了全新的思路和線索，為以后的工業(yè)應用奠定了良好的實驗基礎?；诖?，本研究以正己烷為底物、NO2為硝化劑對正己烷硝化反應進行了研究，探究了不同反應條件對硝化反應的影響，并采用密度泛函理論（DFT）研究了NO2硝化正己烷的反應機理，求得各可能反應機理的過渡態(tài)及其活化能Ea，從而確定NO2硝化正己烷較優(yōu)的反應機理，通過分析反應過程中體系的分子結構、原子電荷和IR 振動頻率的變化規(guī)律，揭示了硝化反應的實質。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

正己烷、碳酸氫鈉，分析純，麥克林試劑有限公司；二氧化氮（NO2），純度為99.9%，南京特種氣體有限公司；無水硫酸鈉，分析純，國藥化學試劑有限公司。

TZPR-50 型高壓反應釜，上海巖征儀器有限公司； GC-2014C 型氣相色譜儀、 GCMSQP2020NX 型氣相色譜-質譜聯用儀，日本島津公司。

1.2 正己烷NO2硝化反應

稱 取 0.86g （10mmol） 正 己 烷 和 0.92g（20mmol）冷的NO2液體加入50mL 智能反應釜中，密封后設置溫度、時間及轉速。反應完成后冷卻至室溫后取出反應液，加入5% NaHCO3水溶液吸收過量的二氧化氮，并將有機相洗至中性，用去離子水洗滌多次后使用無水硫酸鈉干燥，通過氣相色譜內標法（氯苯為內標）分析正己烷的轉化率。色譜柱條件：色譜柱為WondaCAP （30m×0.25mm×0.25μm）；進樣口溫度為250℃；柱溫，60℃下保持1min，以8℃/min 的速率升至150℃，再保持12min；分流比為16∶1；溶劑為二氯甲烷。通過氣質聯用儀對產物進行定性分析，采用面積歸一法計算各產物選擇性。色譜分析條件：溶劑為二氯甲烷；色譜柱型號為SH-Rxi-5Sil MS（30m×0.25mm×0.25μm）；以氦氣作為載氣，流量為14.0mL/min；程序升溫法，50℃保持3min，以15℃/min 升溫至280℃保持5min；不分流；進樣口溫度為250℃。質譜條件（EI）：離子源溫度為200℃；電子能量為70eV；掃描范圍m/z=33～600。

2 結果與討論

2.1 反應溫度的影響

反應溫度對NO2硝化劑的硝化能力有較大的影響，于是首先考察了溫度對于正己烷硝化反應的轉化率以及各產物的選擇性的影響。表1為不同溫度對正己烷-NO2體系轉化率的影響，結果表明：當溫度從100℃升高到120℃時，正己烷的轉化率不斷升高，而繼續(xù)提高反應溫度，正己烷的轉化率幾乎不變。在反應溫度上升過程中，各個反應產物的選擇性并沒有發(fā)生明顯的變化，1-硝基己烷的選擇性較低，保持在2%左右，2-硝基己烷和3-硝基己烷的選擇性分別保持在60%和40%左右。因此，最終確定120℃為較適宜的反應溫度，故而在實際蒸發(fā)濃縮過程中應及時通入冷卻水降溫，將溫度控制在120℃以下，以保證后處理過程的安全。

表1 不同反應溫度對正己烷硝化反應①的影響

2.2 物料配比對反應的影響

二氧化氮的沸點為21℃且溶于正己烷，隨著反應溫度的升高，正己烷中的二氧化氮會發(fā)生氣化，與正己烷發(fā)生硝化反應，于是探究二氧化氮的用量對正己烷硝化反應的影響。表2為不同摩爾比對正己烷-NO2體系轉化率和選擇性的影響，當摩爾比為1∶0.5時轉化率只有32.0%；隨著正己烷-NO2摩爾比不斷升高，正己烷的轉化率顯著提高；當摩爾比大于1∶2 時，轉化率有了顯著的提高，達到了85.9%，然而繼續(xù)增大NO2的用量轉化率并沒有顯著地升高；從各產物的選擇性來看，1-硝基己烷的選擇性仍較低，保持在2%左右，2-硝基己烷和3-硝基己烷的選擇性相當，但是摩爾比對于選擇性并沒有什么影響。選用摩爾比為1∶2 時的二氧化氮用量比較適宜，過高的NO2濃度對后處理工藝有不利的影響，因此在后處理的過程中因設計合理的排風口，降低反應容器內NO2的濃度，從而避免事故的發(fā)生。

表2 不同摩爾比對正己烷硝化反應①的影響

2.3 反應時間的影響

圖1為不同反應時間對正己烷-NO2體系轉化率的影響，當反應時間僅發(fā)生到30min時，轉化率達到了65.7%；隨著反應時間的延長轉化率不斷提高，當反應時間為4h時，轉化率為85.9%，繼續(xù)延長反應時間，轉化率沒有明顯提高。綜上所述，NO2硝化正己烷的較優(yōu)反應條件為：反應溫度為120℃，正己烷與NO2摩爾比為1∶2，反應時間為4h。在該反應條件下，正己烷轉化率可達85.9%，在后處理過程中應及時更換稀釋劑，避免硝化產物的累積，導致其對后處理的工藝效率有不利的影響。

圖1 不同反應時間對正己烷-NO2體系轉化率的影響

2.4 反應機理計算

2.4.1 反應機理分析

烷烴的硝化反應大多是自由基反應，且NO2與正己烷的硝化反應可能發(fā)生在1-位、2-位、3-位上，每個位置均有三種可能的反應途徑。圖2 為2-位上的硝化反應途徑，其他發(fā)生在1-位、3-位的反應途徑與之類似。在途徑(1)中，NO2中的N原子進攻2-位上的H 原子，經過渡態(tài)TS1 得到中間體HNO2和正己烷自由基，正己烷自由基與NO2反應得到2-硝基己烷或者2-亞硝酸己烷酯；同理在途徑(2)中，NO2中的O原子進攻2-位上的H原子，經過過渡態(tài)HONO和正己烷自由基，隨后正己烷自由基和NO2反應得到2-硝基己烷或者2-亞硝酸己烷酯；途徑(3)中，NO2中的N原子直接進攻2-位，經過過渡態(tài)TS3得到2-硝基己烷并且脫去一個氫原子。

圖2 NO2硝化正己烷2-位的3個可能的反應途徑

2.4.2 計算方法

在B3LYP/6-311++G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G*[26]水平下對途徑(1)、(2)和(3)各駐點進行分子幾何優(yōu)化和頻率計算。結果與分析中各駐點的能量均包含了B3LYP/6-31G*水平的零點能校正。所有過渡態(tài)有且只有一個虛頻，通過內稟反應坐標（IRC）計算證實了各個過渡態(tài)確實連接了反應物和中間體。由于NO2和正己烷自由基都具有自由基的性質，所以計算一律采用非限制性模式。所有計算均通過Gaussian09W 程序進行，在B3LYP/6-31G*計算水平下優(yōu)化出各個反應途徑中各駐點的平衡幾何，并且通過振動分析沒有虛頻。隨后在B3LYP/6-311++G(3df,2pd)較高的計算水平下完成單點能的計算，收斂精度取程序內定值。

2.4.3 反應過程各駐點的能量

正己烷自由基與NO2反應得到2-硝基己烷和2-亞硝酸己烷酯屬于雙自由基無壘反應，通過比較同分異構體的總能量確定最終產物，采用B3LYP/6-31G*計算水平分別計算同分異構體的總能量，結果表明：2-硝基己烷總能量為-1159388.252kJ/mol，2-亞硝酸己烷酯總能量為-1159382.398kJ/mol，2-硝基己烷的能量比2-亞硝酸己烷酯的能量低5.854kJ/mol，這表明2-硝基己烷為硝化反應的主要產物。

表3為 B3LYP/6-311++G(3df, 2pd)//B3LYP/6-31G*計算水平下的NO2硝化正己烷各反應物、過渡態(tài)能量及其活化能（Ea），進一步判斷硝化反應機理，可以明顯看出NO2中N原子直接進攻C原子發(fā)生在各個位置上需要的反應活化能都在267～273kJ/mol 之間，遠遠高于途徑(1)和途徑(2)的活化能Ea，這表明途徑(3)從反應機理上很難發(fā)生。對比途徑(1)和途徑(2)，發(fā)生在2-位和3-位的活化能Ea僅相差1～2kJ/mol，而發(fā)生在1-位的活化能Ea要高出16～18kJ/mol，這表明該硝化反應主要發(fā)生在2-位和3-位且這兩個位置可能存在競爭反應，計算結果與實驗結果保持一致。

表3 B3LYP/6-311++G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G*方法計算各可能反應路徑中NO2硝化正己烷各反應物、過渡態(tài)能量（E）和活化能（Ea）

圖3為NO2中O原子進攻2-位H原子的決速步驟的內稟反應坐標（IRC）分析示意圖，該圖進一步表明，過渡態(tài)確實連接著反應物（R）和中間體（IM2），因此上述計算求得的過渡態(tài)（TSx）和反應活化能（Ea）是可信的。

圖3 NO2中O進攻正己烷2-位H原子的決速步驟的內稟、反應坐標（IRC）

2.4.4 分子結構

表4 NO2中O原子進攻正己烷2-位H反應的部分分子幾何參數（鍵長、鍵角和二面角）的變化

圖4 NO2中O原子進攻2-位H時的過渡態(tài)TS2的結構及對應的原子序號

2.4.5 原子電荷

表5 NO2中O原子進攻正己烷2-位H原子反應中原子自然電荷的變化 單位：e

2.4.6 IR譜

紅外光譜能提供許多官能團的信息，表6 為NO2中O進攻正己烷2-位H反應過程中反應物、過渡態(tài)和中間體振動頻率的變化?？梢钥闯?，反應物在1654cm-1處有強特征峰，對應—NO2彎曲振動；2907～2986cm-1處的幾個中等強度的吸收峰對應烷烴的C—H 的伸縮振動峰。過渡態(tài)TS2 有且只有唯一的虛頻-1417cm-1，保證了過渡態(tài)結構的準確性；在1571cm-1有強吸收峰，表明趨向于反應物R或中間體IM2。從中間體的振動頻率來看，IM2 在1634cm-1有強吸收峰，對應于HONO分子的面內彎曲振動，尤其在3024cm-1處，其峰強度達到了381km/mol，這是由于中間體中O－H 鍵的伸縮振動引起的，這同樣也表明了O—H鍵的形成。

表6 NO2中O原子進攻正己烷2-位H原子反應過程中振動頻率的變化 單位：cm-1

3 結論

（1）考察了反應溫度、摩爾比和反應時間對正己烷NO2硝化反應的影響，結果表明：反應溫度為120℃，正己烷與NO2摩爾比為1∶2，反應時間為4h時硝化正己烷轉化率可達85.9%，1-硝基己烷的選擇性遠低于2-硝基己烷和3-硝基己烷，且2-硝基己烷和3-硝基己烷的選擇性相當，改變反應條件對各產物的選擇性并沒有影響。

（2）采用B3LYP/6-311++G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G*計算方法計算NO2硝化正己烷的反應機理，結果表明：決速步驟為NO2中O原子進攻正己烷中H原子的可能性更大。

（3）硝化反應發(fā)生在1-位的活化能遠大于2-位和3-位，且發(fā)生在2-位的活化能僅小于3-位1kJ/mol，這表明1-位的選擇性較低，2-位的選擇性與3-位的選擇性相當，與實驗結果保持一致。從分子幾何結構、原子電荷、IR 振動頻率數據表明C—H鍵的斷裂和O—H的形成是一個協同過程，只有與主要參與硝化反應相連或相近的分子幾何參數及其原子電荷有明顯的變化。