CrCl3對稠油O—H…O氫鍵削弱的密度泛函理論研究

劉紅飛 楊海霞

1寧夏大學物理電氣信息學院 （寧夏銀川 750021）

2中國礦業大學銀川學院 （寧夏銀川 750021）

CrCl3對稠油O—H…O氫鍵削弱的密度泛函理論研究

劉紅飛1楊海霞2

1寧夏大學物理電氣信息學院 （寧夏銀川 750021）

2中國礦業大學銀川學院 （寧夏銀川 750021）

采用第一性原理計算方法，使用Gaussian 03軟件，以CrCl3為催化劑，對稠油間O—H…O氫鍵的攻擊削弱情況進行了計算。結果表明，氫鍵鍵長增加，電荷發生了轉移，CrCl3有效地降低了分子間的能量，削弱了氫鍵。

鍵長 氫鍵 密度泛函理論 能量

隨著社會的發展，石油需求量不斷增加。但是，作為一種消耗性的化石能源，石油能源危機正在來臨。隨著常規石油的不斷消耗，原油儲量不斷減少，稠油成為了人們研究的重點[1-3]。稠油是由具有烷基支鏈并含雜原子的多環芳核和環烷芳核形成的三維締合網絡復雜結構，含有大量的氧、氮、硫雜原子，很容易和化合物上的氫原子形成O—H…X(X=O、N、S)氫鍵，導致內聚力大、黏度大[4-7]。在這些氫鍵中O—H…O氫鍵的鍵強最大，因此本文主要研究O—H…O氫鍵。由于稠油組成比較復雜，因此用呋喃中的O原子和丙酸中的羧基構成氫鍵作為代表進行研究。以CrCl3作為催化劑去攻擊氫鍵，對此構建模型并計算稠油氫鍵削弱的理論研究。

1 計算方法

采用基于DFT的B3LYP方法計算全部使用Gaussian03程序[8]。Cr原子使用Lanl2dz基組，C、H、O使用6-31+G*基組[9-10]，該法已被廣泛應用于過渡金屬與有機分子反應的開殼層體系電子結構計算。

2 結果及討論

經過對比CrCl3—CH3CH2COOH—C4H4O和CH3CH2COOH—C4H4O的鍵長及凈電荷數據（見表1），看出O19—H20…O5形成的氫鍵鍵長發生了明顯的變化，其H20…O5的鍵長由原來的1.956?變為3.917?，O5和H20之間的距離明顯增加，作用力顯著減小。而同時H20—O19的鍵長由原來的0.974?變為0.981?，距離變化不大，因此從鍵長上看O19—H20…O5氫鍵大為削弱。同時對比圖1和圖2可以看出加入CrCl3后，C4H4O向左旋轉導致O5向左旋轉，CH3CH2COOH中的H20—O19逆時針方向向右偏轉，同時兩者之間距離拉開。CH3CH2COOH和C4H4O的距離增加，作用力減小。

表1 CrCl3對CH3CH2COOH—C4H4O中O—H…O系統鍵長和凈電荷的影響

圖1 CH3CH2COOH—C4H4O的優化結構

O5所帶的電荷由-0.280變為-0.680，增加了0.4，H20所帶的電荷由0.477變為0.410，降低了0.067，O19所帶的電荷由-0.432變為-0.595，增加了0.163。雖然O5和O19電荷都增加了，但是氫鍵的強弱與鍵長和電荷都有關系，由于鍵長增加的更大一些，因此這時鍵長的變化是主要因素，因而整體會表現出氫鍵削弱的狀況。

圖2 CrCl3-CH3CH2COOH—C4H4O的優化結構

加入CrCl3后，系統的自旋多重度變為2，從能量上看（見表2），系統的α-HOMO（最高已占軌道）能量為-712.2 kJ/mol，α-LUMO（最低未占軌道）為-398.2 kJ/mol，前線能隙為355.9 kJ/mol；系統的β-HOMO能量為-313.6 kJ/mol，β-LUMO為-300.6 kJ/mol，前線能隙為13.0 kJ/mol，這兩個前線能隙小于沒有加催化劑時的前線能隙612.1 kJ/mol，使電子更容易發生躍遷，系統的穩定度降低，更活躍。

表2 CrCl3對CH3CH2COOH—C4H4O中O—H…O系統能量的影響kJ/mol

從鍵長、電荷、能量來看，CrCl3的加入，使得CrCl3—CH3CH2COOH—C4H4O中的氫鍵受到削弱，進而使稠油分子間的作用力減小，黏度降低，這表明CrCl3具有較好的降黏能力。

3 結論

計算表明：CrCl3的加入，使氫鍵鍵長增加、電荷轉移、系統的前線能隙由312.1 kJ/mol降低到355.9 kJ/mol和13.0 kJ/mol，電子更容易發生躍遷，系統的穩定度降低。稠油分子間作用力減小，其黏度降低，表明CrCl3具有較好的降黏能力。

[1]劉永建,鐘立國,范洪富,等.稠油的水熱裂解反應及其降黏機理[J].大慶石油學院學報,2002,26(3): 95-98.

[2]李美蓉,向浩,馬濟飛.特稠油乳化降黏機理研究[J].燃料化學學報,2006,34(2):175-178.

[3]劉永建,胡紹彬,聞守斌,等.地質催化稠油水熱裂解反應可行性研究[J].特種油氣藏,2007,14(5):84-87.

[4]Wilburn BE.Methacrylatepour pointdepressantsand compositions:US,4956111[P].1990.

[5]Mishra M K,Raymond G.Pour pointdepressantsvia anionic polymerization of(meth)acrylicmonomers:US,5834408[P]. 1998.

[6]Fischerj Terpolymerof ethylene,vinyl acetate and is obutylene use ful as pour point depressants in crude oils:US, 5256166[P].1993.

[7]Ritter Z.New polymers,mixtures thereof with poly(meth) acrylateestersand theuse theeof for improving the cold fluidity of crudeoil:US,4906702[P].1990.

[8]P JHay,W R Wadt.Ab inito effective core potentials for molecular calcuations.Potentials for the transition metal atoms Sc to Hg[J].J.Chem.Phys.,1985,82(1):270-283.

[9]P JHay,W RWadt.Ab inito effective core potentials for molecular calcuations:Potentials for K to Au including the outermost core orbitals[J].J.Chem.Phys.,1985,82(1): 290-310.

[10]C Gonzalez,H B Schlegel.Reaction path following in mass-weighted internal coordinates[J].J.Phys.Chem., 1990,94(14):5523-5527.

Study on O—H…O Hydrogen Bonds of Heavy Oil Weakened by CrCl3Using Density Functional Theory

Liu Hongfei Yang Haixia

Using the first-principles calculation method and the Gaussian 03 software,taking CrCl3as catalyst,the weakened situationsofO—H…O hydrogen bondsofheavy oil caused by CrCl3attack were calculated.The results showed that the lengths of hydrogen bonds increased,and the charge transfer occurred.It could be said that CrCl3reduced the energy between heavy oilmoleculesand weakened the hydrogen bondseffectively.

Bond length;Hydrogen bond;Density functional theory;Energy

TE 624.4

2013年11月

劉紅飛 男 1973年生 講師 碩士研究生 2006年畢業于武漢理工大學 主要從事材料方面的研究 已發表論文20余篇