[发明专利]计算机计算芳烃加氢反应活化能及反应速率常数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学反应动力学领域，具体地，涉及一种利用计算机计算不同温度下的芳烃加氢反应活化能及反应速率常数的方法。

背景技术

分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。近代反应速率理论指出，两个分子发生反应时必须经过一个过渡态-活化络合物，该过渡态具有比反应物分子和生成物分子都要高的势能，互撞的反应物分子必须具有较高的能量足以克服反应势能垒，才能形成过渡态而发生反应，此即活化能的本质，因此，反应活化能体现在能量上，即为过渡态能量与对应温度下的反应物能量的差值。

反应活化能是化学动力学的重要参数，利用不同温度下的反应活化能可以进一步计算得到对应温度下的反应速率常数。阿伦尼乌斯公式k＝Ae^-E/RT是表现反应速率常数与温度变化关系的经验公式。在该公式中，k为反应速率常数，E为反应活化能，A为指前因子，R为摩尔气体常数，T为热力学温度。将上式积分可以得到lnk＝lnA-E/RT。芳烃加氢反应是复杂的串联反应过程，一般认为是一级反应，遵循自由基反应机理，求得一定温度下各步基元反应的反应速率常数或其反应速率常数的比值，对判断反应历程以及产物分布具有重要的意义。

然而，阿伦尼乌斯经验公式的前提是假设认为反应活化能E是与温度无关的常数，因此，在传统的实验方法中，通过实验测出不同温度下的k值，并将lnk对1/T作图，可求出E值，该方法中，lnk与1/T是一条直线。也存在由实验归纳出的k与T的经验关系式来求得E值的方法。然而在实际操作中，反应活化能E随着温度是有变化的，lnk与1/T并不是一条很好的直线，传统方法通过实验其实无法或很难求出不同温度下的反应活化能E，并且由于实验工作量大、实验材料不易制备等多方面条件的影响，求出的反应活化能E的准确性也受到限制。也有研究人员利用定量网络分析方法对芳烃加氢的反应速率进行计算，但需要考虑大量参数的影响，计算复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用计算机计算不同温度下的芳烃加氢反应活化能及反应速率常数的方法，该方法计算迅速、操作简单、设备要求低、测定范围广、并且准确性高。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用计算机计算不同温度下的芳烃加氢反应活化能及反应速率常数的方法，该方法包括以下步骤：1)利用MS软件的Visualizer模块画出芳烃加氢反应的反应物分子式和生成物分子式，得到与所述反应物分子式和生成物分子式对应的反应物结构数据文件和生成物结构数据文件；2)利用MS软件的Forcite模块中的Geometry Optimization功能对所述反应物结构数据文件和生成物结构数据文件进行分子力学能量最小化处理，得到能量最小反应物结构数据文件和能量最小生成物结构数据文件；3)利用MS软件的DMol³模块中的Geometry Optimization 功能对所述能量最小反应物结构数据文件和能量最小生成物结构数据文件进行量子力学结构优化处理，得到能量最小反应物构象文件和能量最小生成物构象文件，并且利用MS软件的DMol³模块中的Energy功能对所述能量最小反应物构象文件进行计算，得到不同温度下的反应物能量；4)利用MS软件的Reaction Preview功能生成反应的轨迹文件，并利用MS软件的DMol³模块中的TS Search功能搜索反应过渡态构型，得到过渡态构型文件；5)利用MS软件的DMol³模块中的Energy功能对所述过渡态构型文件进行计算，得到不同温度下的过渡态能量；6)计算不同温度下的过渡态能量与对应温度下的反应物能量的差值，得到所述各个温度下的芳烃加氢反应活化能；以及7)利用所述各个温度下的芳烃加氢反应活化能计算得到对应温度下的芳烃加氢反应速率常数。

优选地，步骤2)中对所述反应物结构数据文件和生成物结构数据文件进行分子力学能量最小化处理时，可选用力场Universial或力场COMPASS或力场cvff。

优选地，下列任一种情况下，可选用函数LDA-VWN或函数GGA-BLYP或函数RPBE，可选用基组DNP或基组DND，可将函数Charge取值为0-0.3之间的任意值：步骤3)中对所述能量最小化的反应物结构数据文件和能量最小化的生成物结构数据文件进行量子力学结构优化处理时；步骤3)中计算不同温度下的反应物能量时；步骤4)中进行反应过渡态构型搜索时；或步骤5)中计算不同温度下的过渡态能量时。