膦銠催化劑對丁二烯系共聚物中C=C鍵加氫的模擬研究

方 偉 羅春桃 袁 煒 申宏鵬 張彩霞

（神寧集團煤化工分公司研發中心，銀川 750411）

研究與開發

膦銠催化劑對丁二烯系共聚物中C=C鍵加氫的模擬研究

方 偉 羅春桃 袁 煒 申宏鵬 張彩霞

（神寧集團煤化工分公司研發中心，銀川 750411）

采用分子模擬方法研究對C=C鍵的催化加氫過程，構建了各基元反應中的分子模型，并通過構建動力學模型計算了各分子所具有的能量，從而計算出各基元反應的能量變化，揭示了各基元反應的機理，最終解釋三苯基膦氯化銠催化劑在丁二烯系共聚物中對C=C鍵催化加氫的反應機理。

分子模擬；三苯基膦氯化銠；加氫

膦銠催化劑是一種常用的加氫催化劑，用途廣泛，可用于雙鍵氫甲酰化反應、實現較溫和條件下催化加氫、共聚物C=C鍵的選擇加氫[1-4]。其中，利用三苯基氯化銠可以對共聚物C=C鍵進行選擇加氫這一性質，對丙烯腈-丁二烯共聚物（NBR）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）分子鏈上丁二烯單元C=C鍵的加氫，而不破壞丙烯腈單元上的碳氮不飽和鍵，可以制備出高性能、高附加值的氫化丁腈橡膠和氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯[5-7]。

分子模擬可以對分子的形態、能量及化學反應過程進行有效的模擬計算[8-9]。本文利用分子模擬方法對多碳α-烯烴（4-甲基-1-戊烯）催化加氫的過程進行模擬，研究三苯基膦氯化銠對丁二烯共聚物中C=C鍵催化加氫的反應機理。在模擬加氫反應中，根據體系中分子運動情況，假定對反應過程起決定作用的是三苯基膦氯化銠與氫氣分子運動速率及其絡合物向聚合物分子中C=C鍵運動、吸附、加氫及脫附的速率，與體系中丁二烯系聚合物的分子大小無關[10]。因此，可以將1個聚合單元拿出，并簡化為1個3-甲基-1-戊烯分子，通過模擬催化劑對3-甲基-1-戊烯加氫過程來反映催化劑對聚合物分子的加氫過程。

1 分子模型構建及化學能計算

通過分子模擬方法構建三苯基膦氯化銠對3-甲基-1-戊烯催化加氫反應過程中所涉及的各種結構，并進行分子優化后計算各種結構化學能。

該反應可能涉及的分子：(a)三苯基二氫氯化銠（RhClH2(PPh3)3），(b)二苯基二氫氯化銠（RhClH2(PPh3)2），(c)烯烴與膦銠催化劑形成的配體（RhClH2((C=C)PPh3)2），(d)二苯基氯化銠（RhCl(PPh3)2），(e)三苯基膦（Ph3），(f)氫氣（H2），(g)3-甲基-1-戊烯（CH2=CHCH(CH3)C2H5），(h)3-甲基戊烷（C2H5CH(CH3)C2H5）。 對以上分子結構進行模擬，結果如圖1。

對構建的加氫循環過程中的各分子結構進行優化，并計算得出各個分子具有的化學能，結果如表1。

表1 反應過程中各分子化學能Tab 1 Molecular chemical energy during reaction process

2 確定基元反應及能量變化

根據計算出的各結構化學能，三苯基膦氯化銠對于化合物中C=C鍵的加氫作用過程見圖2[11]。

從圖2可以看出，二苯基二氫氯化銠具有加氫活性。具體加氫過程為：首先，三苯基膦氯化銠脫去一分子三苯基膦變為二苯基膦氯化銠，在銠周圍形成較大空位空間；然后，氫氣在二苯基膦氯化銠較大空位處與銠配位成鍵并斷裂H—H鍵，形成氫配位的二苯基膦二氫氯化銠，由于銠上氯原子的吸引，2個氫原子都偏向氯的方向，從而使得氫-銠-氫之間的鍵角非常大，形成較大的可插入空間；接著，多碳α-烯烴中的C=C鍵由于二苯基膦二氫氯化銠催化劑的吸引，在其最可能插入的空間處，C=C鍵中的2個碳原子分別與催化劑上2個氫原子配位，形成碳-碳-氫-氫-銠的5元環結構，而這種結構屬于不穩定結構，氫-銠容易斷裂，從而使C=C鍵飽和，形成二苯基氯化銠和加氫后的3-甲基戊烷；另外二苯基二氫氯化銠可以得到一分子三苯基磷形成三苯基二氫氯化銠，而三苯基二氫氯化銠又可失去一分子三苯基膦形成二苯基二氫氯化銠。

催化加氫過程涉及的各基元反應方程式：

4個基元反應都為可逆反應，對于正反應方向，將表1中的各分子的化學能帶入循環過程中各基元反應，計算各基元反應(1)～(4)正方向能量變化：

根據計算結果可知，基元反應(1)、(2)、(4)正方向為吸熱反應，基元反應(3)正方向為放熱反應。

3 小結

通過分子模擬的方法，構建各基元反應中的分子模型，研究三苯基膦氯化銠對多碳α-烯烴中的C=C加氫的反應，了解膦銠催化劑加氫的原理及膦銠催化劑對丁二烯系共聚物中丁二烯聚合單元的加氫過程；得出了循環反應中各分子的化學能及各基元反應的能量變化，從一定程度上解釋了三苯基膦氯化銠對丁二烯系共聚物加氫的機理。

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Simulation Research on the Hydrogenation to Double Bond in Butadiene Comploymer by Triphenylprosphine Rhodium Chloride Catalyst

Fang Wei,Luo Chuntao,Yuan Wei,Shen Hongpeng,Zhang Caixia

(The Research&Development Center of the Coal Chemical Industry Company of SNCG,Yinchuan 750411)

Molecular simulation was used to study the progress of hydrogenation to C=C double bond and the molecular model of every elementary reaction were designed.The energy of every molecular and the energy change of every elementary reaction was calculated though designing the dynamics model of every elementary reaction.Using this method,the mechanism of every elementary reaction could be disclosed,ultimately the mechanism of hydrogenation to the C=C double bond of the nitrile-butadiene comploymer could also be interpretted.

molecular sumulation;triphenylprosphine rhodium chloride;hydrogenation

TQ325.1+5，TQ015.9

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.02.06

2012-02-15