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反應(yīng)路徑搜索的介紹
2023-11-03
技術(shù)中心

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反應(yīng)路徑搜索

      實(shí)際化工產(chǎn)業(yè)中通常涉及催化劑設(shè)計(jì),反應(yīng)合理性判定,合成路徑副產(chǎn)物分析等科研任務(wù)。從微觀層面對實(shí)際生產(chǎn)中涉及到的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行高精度的理論探究,從而清楚了解每個(gè)反應(yīng)步驟的具體細(xì)節(jié),對提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本來說具有重要意義。由此得到的反應(yīng)路徑信息能夠:
  • 1.準(zhǔn)確預(yù)測通量實(shí)驗(yàn)的極限值,減少高通量實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

  • 2.有效評估產(chǎn)物的產(chǎn)率分布,減少反應(yīng)路線開發(fā)成本。

  • 3.具體掌握反應(yīng)的微觀機(jī)理,高效調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程。

     

     例如,在圖1所示一個(gè)經(jīng)典的工業(yè)催化反應(yīng)體系中,底物A會(huì)在不同反應(yīng)位點(diǎn)(1,2,3和4)上發(fā)生反應(yīng),最終在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)為不同產(chǎn)物的選擇性差異:如圖1所示,1號反應(yīng)位點(diǎn)對應(yīng)的產(chǎn)物E選擇性為98.0 %,2號反應(yīng)位點(diǎn)對應(yīng)的產(chǎn)物F選擇性為0.4 %,4號反應(yīng)位點(diǎn)對應(yīng)的產(chǎn)物G選擇性為1.6 %,實(shí)驗(yàn)未能檢測到3號反應(yīng)位點(diǎn)對應(yīng)的產(chǎn)物。

圖1 化工生產(chǎn)中一個(gè)經(jīng)典的催化反應(yīng)體系

     通過計(jì)算第一步反應(yīng)(底物A反應(yīng)生成B,C和D)的勢能變化,就已經(jīng)能夠?qū)@一實(shí)驗(yàn)結(jié)果做定性解釋,如圖2所示??梢悦黠@看出,1號位點(diǎn)(圖2黑線)發(fā)生的反應(yīng)作為主反應(yīng),有著最低的反應(yīng)能壘和最穩(wěn)定的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。而實(shí)驗(yàn)中未檢測到3號位點(diǎn)(圖2藍(lán)線)對應(yīng)的產(chǎn)物,也與其顯著較高的反應(yīng)能壘(約是主反應(yīng)的2倍)以及較差的產(chǎn)物穩(wěn)定性高度一致。而2號(圖2紅線)和4號位點(diǎn)(圖2綠線)的反應(yīng)能壘及其產(chǎn)物穩(wěn)定性介于上述二者之間,也能夠與實(shí)驗(yàn)相符合。

圖2 底物A在4種不同反應(yīng)位點(diǎn)的第一步反應(yīng)中的勢能變化情況

    從上面的例子可以看出,通過計(jì)算反應(yīng)的勢能變化,就能夠非常有效地解釋相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而,化工生產(chǎn)中涉及到的反應(yīng)往往會(huì)更加復(fù)雜,想要獲取完整的反應(yīng)路徑勢能信息比較困難。前人在此方面已經(jīng)做了許多努力,在此基礎(chǔ)上,我們自主開發(fā)了用于反應(yīng)路徑搜索的一系列方法。結(jié)果如圖3所示。

圖3 底物A在4種不同反應(yīng)位點(diǎn)的反應(yīng)路徑搜索結(jié)果

     可以看到,除了實(shí)驗(yàn)中指出的產(chǎn)物,反應(yīng)路徑搜索方法還能夠進(jìn)一步探索更多可能的反應(yīng),得到一批新的產(chǎn)物和更多可能的反應(yīng)路徑。這些反應(yīng)過程中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息和能量信息都在搜索過程中被保存下來,不同反應(yīng)路徑的難易程度也能夠通過比較過渡態(tài)的能壘值(圖3藍(lán)色數(shù)據(jù))定性判別。借助反應(yīng)路徑搜索方法能夠在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)提高研發(fā)效率,完善更加全面的反應(yīng)信息,幫助理解化工體系中的各種微觀反應(yīng)機(jī)理。

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