H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯和甲醇甲基化的反应机理

李玲玲 Janik J. Michael 聂小娃 宋春山 郭新闻

引用本文: 李玲玲, Janik J. Michael, 聂小娃, 宋春山, 郭新闻. H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯和甲醇甲基化的反应机理[J]. 物理化学学报, 2013, 29(07): 1467-1478. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304262 shu
Citation:  LI Ling-Ling, Janik J. Michael, NIE Xiao-Wa, SONG Chun-Shan, GUO Xin-Wen. Reaction Mechanism of Toluene Methylation with Dimethyl Carbonate or Methanol Catalyzed by H-ZSM-5[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(07): 1467-1478. doi: 10.3866/PKU.WHXB201304262 shu

H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯和甲醇甲基化的反应机理

  • 基金项目:

    新世纪优秀人才项目(NCET-04-0268) (NCET-04-0268)

    教育部111 计划工程基金和大连理工大学网络与信息化中心高性能计算部基金资助 

摘要:

对二甲苯是重要的石油化工产品之一, 可以通过甲苯甲基化生产. 本文采用“our own-N-layeredintegrated molecular orbital+molecular mechanics”(ONIOM)和密度泛函理论(DFT)结合的方法, 计算了H-ZSM-5催化甲苯与碳酸二甲酯(DMC)和甲醇甲基化反应机理. 考察了反应物吸附和产物脱附. 描述了主要的中间物种和过渡态的结构. 用计算的速率常数来估计甲苯甲基化反应的动力学活性. H-ZSM-5 催化的甲苯与DMC和甲醇甲基化的机理不同. 甲苯和DMC甲基化包括DMC完全解离, 接着甲基化生成二甲苯异构体. 相比而言, 在甲苯甲基化反应中, 甲醇作为甲基化试剂的活性比DMC更好. 甲苯和甲醇甲基化的分步反应路径和联合反应路径的本征活化能相似. 在773 K, 分步反应路径的速率常数比联合反应路径更高. 在甲苯和这两种试剂甲基化的反应中, 生成对二甲苯为动力学优先, 而间二甲苯为能量最低产物. 我们的计算结果和实验观察到的现象一致.

English

    1. [1]

      (1) Zhu, Z. R.; Chen, Q. L.; Xie, Z. K.; Yang,W. M.; Li, C.Microporous Mesoporous Mat. 2006, 88, 16. doi: 10.1016/j.micromeso.2005.08.021

      (1) Zhu, Z. R.; Chen, Q. L.; Xie, Z. K.; Yang,W. M.; Li, C.Microporous Mesoporous Mat. 2006, 88, 16. doi: 10.1016/j.micromeso.2005.08.021

    2. [2]

      (2) Inagaki, S.; Kamino, K.; Kikuchi, E.; Matsukata, M. Appl. Catal. A: Gen. 2007, 318, 22. doi: 10.1016/j.apcata.2006.10.036(2) Inagaki, S.; Kamino, K.; Kikuchi, E.; Matsukata, M. Appl. Catal. A: Gen. 2007, 318, 22. doi: 10.1016/j.apcata.2006.10.036

    3. [3]

      (3) Zhao, Y.; Tan,W.;Wu, H. Y.; Zhang, A. F.; Liu, M.; Li, G. M.;Wang, X. S.; Song, C. S.; Guo, X.W. Catal. Today 2011, 160,179. doi: 10.1016/j.cattod.2010.05.036(3) Zhao, Y.; Tan,W.;Wu, H. Y.; Zhang, A. F.; Liu, M.; Li, G. M.;Wang, X. S.; Song, C. S.; Guo, X.W. Catal. Today 2011, 160,179. doi: 10.1016/j.cattod.2010.05.036

    4. [4]

      (4) Xue, B.; Li, Y. X.; Deng, L. J. Catal. Commun. 2009, 10, 1609.doi: 10.1016/j.catcom.2009.04.028(4) Xue, B.; Li, Y. X.; Deng, L. J. Catal. Commun. 2009, 10, 1609.doi: 10.1016/j.catcom.2009.04.028

    5. [5]

      (5) Tan,W.; Zhao, Y.;Wu, H. Y.;Wang, X. S.; Guo, X.W. Acta Petrolei Sinica 2011, 27, 719. [谭伟, 赵岩, 吴宏宇, 王祥生, 郭新闻. 石油学报, 2011, 27, 719.](5) Tan,W.; Zhao, Y.;Wu, H. Y.;Wang, X. S.; Guo, X.W. Acta Petrolei Sinica 2011, 27, 719. [谭伟, 赵岩, 吴宏宇, 王祥生, 郭新闻. 石油学报, 2011, 27, 719.]

    6. [6]

      (6) Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 590. [刘述斌. 物理化学学报, 2009, 25, 590.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332(6) Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 590. [刘述斌. 物理化学学报, 2009, 25, 590.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332

    7. [7]

      (7) Sun, H.; Mumby, S. J.; Maple, J. R.; Hagler, A. T. J. Phys. Chem. 1995, 99, 5873. doi: 10.1021/j100016a022(7) Sun, H.; Mumby, S. J.; Maple, J. R.; Hagler, A. T. J. Phys. Chem. 1995, 99, 5873. doi: 10.1021/j100016a022

    8. [8]

      (8) Fu, Y. C.; Zhu, H. Y.; Shen, J. Y. Thermochim. Acta 2005, 434,88. doi: 10.1016/j.tca.2005.01.021(8) Fu, Y. C.; Zhu, H. Y.; Shen, J. Y. Thermochim. Acta 2005, 434,88. doi: 10.1016/j.tca.2005.01.021

    9. [9]

      (9) Kim,W. B.; Kim, Y. G.; Lee, J. S. Appl. Catal. A: Gen. 2000,194, 403. doi: 10.1016/S0926-860X(99)00386-5(9) Kim,W. B.; Kim, Y. G.; Lee, J. S. Appl. Catal. A: Gen. 2000,194, 403. doi: 10.1016/S0926-860X(99)00386-5

    10. [10]

      (10) Wang,W.; Seiler, M.; Hunger, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105,12553. doi: 10.1021/jp0129784(10) Wang,W.; Seiler, M.; Hunger, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105,12553. doi: 10.1021/jp0129784

    11. [11]

      (11) Ivanova, I. I.; Corma, A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 547.doi: 10.1021/jp961468k(11) Ivanova, I. I.; Corma, A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 547.doi: 10.1021/jp961468k

    12. [12]

      (12) Corma, A.; Llopis, F.; Viruela, P.; Zicovichwilson, C. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 134. doi: 10.1021/ja00080a016(12) Corma, A.; Llopis, F.; Viruela, P.; Zicovichwilson, C. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 134. doi: 10.1021/ja00080a016

    13. [13]

      (13) Corma, A.; Sastre, G.; Viruela, P. M. J. Mol. Catal. A: Chem.1995, 100, 75. doi: 10.1016/1381-1169(95)00129-8(13) Corma, A.; Sastre, G.; Viruela, P. M. J. Mol. Catal. A: Chem.1995, 100, 75. doi: 10.1016/1381-1169(95)00129-8

    14. [14]

      (14) Mirth, G.; Lercher, J. A. J. Phys. Chem. 1991, 95, 3736.doi: 10.1021/j100162a055(14) Mirth, G.; Lercher, J. A. J. Phys. Chem. 1991, 95, 3736.doi: 10.1021/j100162a055

    15. [15]

      (15) Vos, A. M.; Rozanska, X.; Schoonheydt, R. A.; van Santen, R.A.; Hutschka, F.; Hafner, J. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2799.doi: 10.1021/ja001981i(15) Vos, A. M.; Rozanska, X.; Schoonheydt, R. A.; van Santen, R.A.; Hutschka, F.; Hafner, J. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2799.doi: 10.1021/ja001981i

    16. [16]

      (16) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.(16) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.

    17. [17]

      (17) Dapprich, S.; Komáromi, I.; Byun, K. S.; Morokuma, K.;Frisch, M. J. J. Mol. Struct. -Theochem 1999, 462, 1.doi: 10.1016/S0166-1280(98)00475-8(17) Dapprich, S.; Komáromi, I.; Byun, K. S.; Morokuma, K.;Frisch, M. J. J. Mol. Struct. -Theochem 1999, 462, 1.doi: 10.1016/S0166-1280(98)00475-8

    18. [18]

      (18) Nie, X.W.; Janik, J. M.; Guo, X.W.; Song, C. S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 4071. doi: 10.1021/jp209337m(18) Nie, X.W.; Janik, J. M.; Guo, X.W.; Song, C. S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 4071. doi: 10.1021/jp209337m

    19. [19]

      (19) Maihom, T.; Boekfa, B.; Sirijaraensre, J.; Nanok, T.; Probst, M.;Limtrakul, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6654. doi: 10.1021/jp809746a(19) Maihom, T.; Boekfa, B.; Sirijaraensre, J.; Nanok, T.; Probst, M.;Limtrakul, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6654. doi: 10.1021/jp809746a

    20. [20]

      (20) Olson, D. H.; Kokotailo, G. T.; Lawton, S. L.; Meier,W. M.J. Phys. Chem. 1981, 85, 2238. doi: 10.1021/j150615a020(20) Olson, D. H.; Kokotailo, G. T.; Lawton, S. L.; Meier,W. M.J. Phys. Chem. 1981, 85, 2238. doi: 10.1021/j150615a020

    21. [21]

      (21) Kokotailo, G. T.; Lawton, S. L.; Olson, D. H.; Meier,W. M.Nature 1978, 272, 437. doi: 10.1038/272437a0(21) Kokotailo, G. T.; Lawton, S. L.; Olson, D. H.; Meier,W. M.Nature 1978, 272, 437. doi: 10.1038/272437a0

    22. [22]

      (22) Vankoningsveld, H.; Vanbekkum, H.; Jansen, J. C. Acta Crystallogr., Sect. B Struct. Sci. 1987, 43, 127. doi: 10.1107/S0108768187098173(22) Vankoningsveld, H.; Vanbekkum, H.; Jansen, J. C. Acta Crystallogr., Sect. B Struct. Sci. 1987, 43, 127. doi: 10.1107/S0108768187098173

    23. [23]

      (23) Zhang, J.; Zhou, D. H.; Ni, D. Chin. J. Catal. 2008, 29, 715.[张佳, 周丹红, 倪丹. 催化学报, 2008, 29, 715.](23) Zhang, J.; Zhou, D. H.; Ni, D. Chin. J. Catal. 2008, 29, 715.[张佳, 周丹红, 倪丹. 催化学报, 2008, 29, 715.]

    24. [24]

      (24) Li, J. H.; Zhou, D. H.; Ren, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27,1393. [李惊鸿, 周丹红, 任珏. 物理化学学报, 2011, 27,1393.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110631(24) Li, J. H.; Zhou, D. H.; Ren, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27,1393. [李惊鸿, 周丹红, 任珏. 物理化学学报, 2011, 27,1393.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110631

    25. [25]

      (25) Zuo, S. Y.; Zhou, D. H.; Ren, J.;Wang, F. J. Chin. J. Catal.2012, 33, 1367. [左士颖, 周丹红, 任珏, 王凤娇. 催化学报, 2012, 33, 1367.](25) Zuo, S. Y.; Zhou, D. H.; Ren, J.;Wang, F. J. Chin. J. Catal.2012, 33, 1367. [左士颖, 周丹红, 任珏, 王凤娇. 催化学报, 2012, 33, 1367.]

    26. [26]

      (26) Rappe, A. K.; Upton, T. H. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 7507.doi: 10.1021/ja00045a026(26) Rappe, A. K.; Upton, T. H. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 7507.doi: 10.1021/ja00045a026

    27. [27]

      (27) Van Speybroeck, V.; Van der Mynsbrugge, J.; Vandichel, M.;Hemelsoet, K.; Lesthaeghe, D.; Ghysels, A.; Marin, B. G.;Waroquier, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 888. doi: 10.1021/ja1073992(27) Van Speybroeck, V.; Van der Mynsbrugge, J.; Vandichel, M.;Hemelsoet, K.; Lesthaeghe, D.; Ghysels, A.; Marin, B. G.;Waroquier, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 888. doi: 10.1021/ja1073992

    28. [28]

      (28) Van der Mynsbrugge, J.; Visur, M.; Olsbye, U.; Beato, P.;Bjørgen, M.; Van Speybroeck, V.; Svelle, S. J. Catal. 2012, 292,201. doi: 10.1016/j.jcat.2012.05.015(28) Van der Mynsbrugge, J.; Visur, M.; Olsbye, U.; Beato, P.;Bjørgen, M.; Van Speybroeck, V.; Svelle, S. J. Catal. 2012, 292,201. doi: 10.1016/j.jcat.2012.05.015

    29. [29]

      (29) Vreven, T.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1419.(29) Vreven, T.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 2000, 21, 1419.

    30. [30]

      (30) Chai, J. D.; Head- rdon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008,10, 6615. doi: 10.1039/b810189b(30) Chai, J. D.; Head- rdon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008,10, 6615. doi: 10.1039/b810189b

    31. [31]

      (31) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 03,Revision A.01; Gaussian Inc.: Pittsburgh, PA, 2003.(31) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 03,Revision A.01; Gaussian Inc.: Pittsburgh, PA, 2003.

    32. [32]

      (32) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(32) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

    33. [33]

      (33) Dibenedetto, A.; Aresta, M.; Giannoccaro, P.; Pastore, C.; Papai,I.; Schubert, G. Eur. J. Inorg. Chem. 2006, 5, 908.(33) Dibenedetto, A.; Aresta, M.; Giannoccaro, P.; Pastore, C.; Papai,I.; Schubert, G. Eur. J. Inorg. Chem. 2006, 5, 908.

    34. [34]

      (34) Kirumakki, S. R.; Nagaraju, N.; Chary, K. V. R.; Narayanan, S.J. Catal. 2004, 221, 549. doi: 10.1016/j.jcat.2003.09.013(34) Kirumakki, S. R.; Nagaraju, N.; Chary, K. V. R.; Narayanan, S.J. Catal. 2004, 221, 549. doi: 10.1016/j.jcat.2003.09.013

    35. [35]

      (35) Su, K.; Li, Z. H.; Cheng, B.W.; Liao, K.; Shen, D. X.;Wang, Y.F. J. Mol. Catal. A: Chem. 2010, 315, 60. doi: 10.1016/j.molcata.2009.08.027(35) Su, K.; Li, Z. H.; Cheng, B.W.; Liao, K.; Shen, D. X.;Wang, Y.F. J. Mol. Catal. A: Chem. 2010, 315, 60. doi: 10.1016/j.molcata.2009.08.027

    36. [36]

      (36) Aresta, M.; Dibenedetto, A.; Fracchiolla, E.; Giannoccaro, P.;Pastore, C.; Pápai, I.; Schubert, G. J. Org. Chem. 2005, 70,6177. doi: 10.1021/jo050392y(36) Aresta, M.; Dibenedetto, A.; Fracchiolla, E.; Giannoccaro, P.;Pastore, C.; Pápai, I.; Schubert, G. J. Org. Chem. 2005, 70,6177. doi: 10.1021/jo050392y

    37. [37]

      (37) Mazar, M. N.; Al-Hashimi, S.; Bhan, A.; Cococcioni, M.J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19385. doi: 10.1021/jp306003e(37) Mazar, M. N.; Al-Hashimi, S.; Bhan, A.; Cococcioni, M.J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19385. doi: 10.1021/jp306003e

    38. [38]

      (38) Lee, C. C.; rte, R. J.; Farneth,W. E. J. Phys. Chem. B 1997,101, 3811. doi: 10.1021/jp970711s(38) Lee, C. C.; rte, R. J.; Farneth,W. E. J. Phys. Chem. B 1997,101, 3811. doi: 10.1021/jp970711s

    39. [39]

      (39) Li, L. L.; Nie, X.W.; Song, C. S.; Guo, X.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 754. [李玲玲, 聂小娃, 宋春山, 郭新闻. 物理化学学报, 2013, 29, 754.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201302063(39) Li, L. L.; Nie, X.W.; Song, C. S.; Guo, X.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 754. [李玲玲, 聂小娃, 宋春山, 郭新闻. 物理化学学报, 2013, 29, 754.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201302063

    40. [40]

      (40) Zeng, Z. H., Pan, G. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 1989, 5, 145.[曾昭槐, 潘贵生. 物理化学学报, 1989, 5, 145.] doi: 10.3866/PKU.WHXB19890204(40) Zeng, Z. H., Pan, G. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 1989, 5, 145.[曾昭槐, 潘贵生. 物理化学学报, 1989, 5, 145.] doi: 10.3866/PKU.WHXB19890204

    41. [41]

      (41) Wang,W.; Buchholz, A.; Seiler, M.; Hunger, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 15260. doi: 10.1021/ja0304244(41) Wang,W.; Buchholz, A.; Seiler, M.; Hunger, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 15260. doi: 10.1021/ja0304244

    42. [42]

      (42) Vos, M. A.; Nulens, L. H. K.; Proft, D. F.; Schoonheydt, A. R.;Geerlings, P. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2026. doi: 10.1021/jp014015a(42) Vos, M. A.; Nulens, L. H. K.; Proft, D. F.; Schoonheydt, A. R.;Geerlings, P. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2026. doi: 10.1021/jp014015a

    43. [43]

      (43) Rabiu, S.; Al-Khattaf, S. Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 39.doi: 10.1021/ie071038o(43) Rabiu, S.; Al-Khattaf, S. Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 39.doi: 10.1021/ie071038o

    44. [44]

      (44) Ramakrishna, M.; Subhash, B.; Musti, S. R. Ind. Eng. Chem. Res. 1991, 30, 281. doi: 10.1021/ie00050a001(44) Ramakrishna, M.; Subhash, B.; Musti, S. R. Ind. Eng. Chem. Res. 1991, 30, 281. doi: 10.1021/ie00050a001

    45. [45]

      (45) Odedairo, T.; Balasamy, R. J.; Al-Khattaf, S. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 3169. doi: 10.1021/ie1018904(45) Odedairo, T.; Balasamy, R. J.; Al-Khattaf, S. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 3169. doi: 10.1021/ie1018904

    46. [46]

      (46) Vinek, H.; Lercher, J. J. Mol. Catal. 1991, 64, 23. doi: 10.1016/0304-5102(91)85125-L

      (46) Vinek, H.; Lercher, J. J. Mol. Catal. 1991, 64, 23. doi: 10.1016/0304-5102(91)85125-L

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7310
  • 文章访问数:  2546
  • HTML全文浏览量:  95
文章相关
  • 发布日期:  2013-06-14
  • 收稿日期:  2013-01-29
  • 网络出版日期:  2013-04-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章