聚烯烴反應(yīng)教學仿真技術(shù)輔助實驗案例
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【摘要】聚烯烴反應(yīng)機理是高分子化學課程中的重要教學內(nèi)容其理論性強、抽象,學生理解困難。以一個聚烯烴化學反應(yīng)理論設(shè)計及實驗實施為例，嘗試將仿真技術(shù)應(yīng)用于化學實驗教學。通過使用仿真方法優(yōu)化催化劑分子構(gòu)型，并分析兩種催化劑反應(yīng)機理的異同，進而理解學習聚烯烴反應(yīng)機理。二者的結(jié)合能夠使學生獲取化學實驗課程的前沿知識，掌握仿真研究的技術(shù)，同時加深對高分子化學理論知識的學習。
【關(guān)鍵詞】聚烯烴；茂金屬類催化劑；非茂金屬類催化劑；實驗；仿真模擬
引言
對于化學專業(yè)的學生來講，完成實驗教學環(huán)節(jié)是學生熟悉、鞏固和掌握理論知識的重要手段。通過對實驗的預(yù)習、完成實驗的過程以及對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理，可以更好地理解知識，鍛煉動手能力。但是有一些實驗項目在實驗室完成操作環(huán)節(jié)存在很大的難度，如：聚烯烴的催化反應(yīng)，該反應(yīng)機理是高分子化學課程中的重要內(nèi)容，是教學重點也是難點，聚合時烯類單體首先在過渡金屬引發(fā)劑活性中心上進行配位、活化，隨后單體分子相繼插入進行鏈增長的過程。完成此類實驗反應(yīng)需要無水、無氧、高真空的條件，操作時有一定的危險性，不適宜實驗室開設(shè)。為了解決該問題，采用計算機仿真模擬技術(shù)［1-2］，使學生在安全的環(huán)境下，使用仿真模擬技術(shù)完成該實驗。筆者從2017年開始使用高斯軟件開設(shè)聚烯烴反應(yīng)機理仿真模擬化學實驗，并在教學中使用，效果良好。學生在進行該模擬實驗的過程中可以直觀清晰地學習理論知識，更好地理解聚烯烴反應(yīng)機理，同時掌握計算機仿真模擬高斯（Gaussian）［3］軟件的使用。
1實驗?zāi)康?/p>
（1）使學生了解烯烴聚合Cossee機理［4］，認識金屬催化劑介導(dǎo)的烯烴配位聚合機理，體會計算化學在化學研究中的重要性。（2）使學生加深對課堂知識的理解程度，掌握如何從眾多計算結(jié)果中選擇、記錄、整理以及分析數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和應(yīng)用型技能。
2實驗原理
聚烯烴具有密度小、耐腐蝕性、常溫下良好的抗沖擊性、可重復(fù)利用等特點，在材料、包裝、電子、汽車以及醫(yī)療等方面有廣泛應(yīng)用［5-6］。烯烴聚合反應(yīng)及其反應(yīng)機理的研究對聚烯烴的應(yīng)用發(fā)展具有重要的推動作用。本文通過模擬催化烯烴聚合反應(yīng)機理，加深學生對聚烯烴反應(yīng)機理的理解。
3仿真模擬方法
本實驗使用計算軟件Gaussian09和GaussView進行研究，采用密度泛函方法（DFT）［7］研究在不同類型催化劑催化下乙烯插入步驟以及其插入原理的異同。在B3LYP/LANL2DZ［7］水平上優(yōu)化了反應(yīng)中的駐點，包括反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體和過渡態(tài)等的構(gòu)型。
4結(jié)果與討論
4.1二氯型催化劑的構(gòu)型
選擇了一種茂金屬催化劑Me2Si(Cp)2TiCl2（ACl2）和一種非茂金屬催化劑{ƞ2-1-［C(H)=N(2，6-diflfluorophenyl)］-2-O-3-tBu-C6H3}2TiCl2（BCl2），兩種催化劑均以金屬鈦Ti為中心原子，他們在乙烯聚合反應(yīng)中均表現(xiàn)出高催化活性的特點。本次實驗主要研究學習聚烯烴反應(yīng)機理，比較乙烯在這兩種催化劑聚合的插入步驟以及插入原理。圖1中的二氯型催化劑，需要由諸如甲基鋁氧烷之類的助催化劑激活，生成具有催化活性的陽離子催化劑物種來進行催化。活性催化劑是帶正電性的，帶有烷基或增長的高分子鏈。為了簡單起見，下面文中用甲基來表示烷基，將陽離子活性中心指定為AMe+和BMe+，并將它們稱為催化劑。因此，研究的反應(yīng)實際上是乙烯插入AMe+和BMe+的C-Ti鍵。
4.2乙烯在茂金屬類催化劑中的插入
AMe+是典型的茂金屬類，C2H4在AMe+的C-M鍵中的插入遵循Cossee機理。乙烯在AMe+中的插入反應(yīng)首先形成AMe+和C2H4之間的配合物AMe+_C2H4，再經(jīng)過過渡態(tài)AMe+_TS，最后到達產(chǎn)物AMe+_PR。圖2給出了乙烯插入AMe+的能量分布，圖3給出了沿插入路徑的駐點（陽離子催化劑，配合物，過渡態(tài)，產(chǎn)物）的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。如圖2能量曲線所示，乙烯首先與AMe+的Ti中心配位，形成比反應(yīng)物能量低13.0kcal/mol的AMe+_C2H4，說明它比反應(yīng)物更穩(wěn)定。如圖3所示，在AMe+_C2H4形成后，與乙烯插入到AMe+形成過渡態(tài)AMe+_TS。由圖2可知，在能量方面，過渡態(tài)AMe+_TS比AMe++C2H4低8.8kcal/mol；同時與配合物AMe+_C2H4的能量相比，插入位壘為4.2kcal/mol。產(chǎn)物AMe+_PR的能量比反應(yīng)物（AMe++C2H4）低26.0kcal/mol。由以上結(jié)果可知插入過渡態(tài)較低（4.2kcal/mol），放熱較多（26.0kcal/mol），所以ACl2對乙烯聚合反應(yīng)具有較好的促進作用。
4.3乙烯在非茂金屬類催化劑中的插入
乙烯插入非茂金屬類（BMe+）的機理與插入茂金屬類AMe+的機理相似，但能量不同。圖2比較了乙烯插入到BMe+和插入AMe+的能量分布。雖然在過渡態(tài)BMe+_TS之前存在一個能量最小值（BMe+_C2H4），但與茂金屬催化劑AMe+_C2H4中的-13.0kcal/mol相比較，最小值僅比反應(yīng)物低-3.6kcal/mol。如圖3所示，在BMe+_C2H4形成后，BMe+進行插入形成過渡態(tài)BMe+_TS。與對應(yīng)反應(yīng)物（BMe++C2H4）相比，過渡態(tài)BMe+_TS的能量為1.4kcal/mol，而茂金屬催化劑AMe+_TS的能量低得多，為－8.8kcal/mol。結(jié)果分析表明：茂金屬催化劑產(chǎn)生的活性陽離子催化劑更易于被乙烯攻擊配位，從而形成穩(wěn)定的配位絡(luò)合物；與之相反，由于非茂金屬催化劑產(chǎn)生的活性陽離子催化劑具有更多的空間位阻，形成配位絡(luò)合物。非茂金屬催化劑形成產(chǎn)物BMe+_PR時的放熱量為－30.0kcal/mol。能量結(jié)果同樣表明，BCl2對乙烯聚合也有促進作用。
4.4結(jié)論
本仿真實驗?zāi)M了聚烯烴反應(yīng)機理，分別計算了乙烯在不同類型催化劑中的插入能量。C2H4在AMe+中的插入形成穩(wěn)定的配合物，而在BMe+中的插入僅形成弱的配合物。乙烯C2H4在這兩種催化劑的插入步驟相同，插入原理也都遵循Cossee機理。
5結(jié)語
該仿真模擬實驗不僅彌補了真實實驗難以實施的不足，而且起到了幫助學生深刻理解課堂教學內(nèi)容的作用，充分發(fā)揮了學生的積極性和創(chuàng)造性。經(jīng)過該仿真模擬實驗的開展與實踐，學生能了解到高分子化學的前沿知識，對于以后培養(yǎng)應(yīng)用型人才也有一定的益處。
［參考文獻］
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［2］于淑媛，鄭慧敏，任萍，等.儲氫材料仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于材料化學實驗的探索［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2018，18（3）:54-57.
［5］陳敏，陳昶樂.官能團化聚烯烴:新催化劑、新聚合調(diào)控手段、新材料［J］.高分子學報，2018（11）:1372-1384.
［6］沈昊宇，金國新.新型后過渡金屬烯烴聚合催化劑—鎳系烯烴聚合催化劑［J］.化學進展，2003，15（1）:60-66.
作者：于淑媛 張亞曼 趙云杰 李童譜 陳曉鈺 任萍 張成根 單位：廊坊師范學院