ИСТИНА

Актуальность темы. Химические превращения, протекающие с расщеплением и/или образованием связей С–С и С–Н в углеводородных цепях, составляют основу многих многотоннажных промышленных каталитических процессов. Важнейшим из них является каталитический крекинг углеводородов нефти, протекающий при высоких температурах на кислотных центрах цеолитов. Высокие энергозатраты и несоответствие современным экологическим требованиям побуждают ученых и технологов искать альтернативные способы расщепления алканов в более мягких условиях. В последние годы актуальность решения этой задачи существенно возрастает в связи с необходимостью вторичной переработки и экономически оправданной утилизации больших количеств полиэтилена и полипропилена. Высокая термодинамическая и кинетическая устойчивость алканов обусловлена большими энергиями связей С–С и С–Н, что затрудняет протекание гомолитических реакций, с одной стороны, и низкой полярностью и поляризуемостью их молекул, что препятствует вовлечению их в гетеролитические процессы, с другой стороны. Известно лишь несколько реакций, протекающих с разрывом алифатических C–H и C–C связей в мягких условиях. Среди них наибольший интерес представляют H/D-изотопный обмен в алканах, открытый Григоряном (Григорян Э.А., 1984), а также мягкий гидрогенолиз алканов, обнаруженный Бассе и сотр. (Lefebvre F., 1999). Обе эти реакции протекают с участием гидридов ранних переходных металлов (V, Ti, Zr). Бассе и сотр. установили, что известные ранее из работ Ермакова и сотр. (Ермаков Ю.И. и соавт., 1975-1979) катализаторы полимеризации олефинов, представляющие собой гидриды титана и циркония, иммобилизованные на поверхности кремнезема, способны расщеплять алканы по связям С–С при температурах порядка 150°С. Рассматривая гидрогенолиз как процесс, обратный полимеризации олефинов, Бассе и сотр. предложили для описания его механизма схему, которая, как показал наш анализ, не дает адекватного объяснения всей совокупности накопленных экспериментальных фактов. Природа активных центров в каталитической системе Ермакова-Бассе до сих пор точно не установлена. Формирование каталитической системы осуществляется путем нанесения на поверхность кремнезема тетрааллильных или тетранеопентильных производных титана и циркония с последующим их гидрогенолизом в атмосфере водорода при 150°С. Из спектральных данных с несомненностью следует, что при этом на поверхности SiO2 всегда образуется несколько типов гидридов металлов, каждый из которых может выступать в качестве каталитического центра. Бассе и соавт. полагают, что таковыми являются поверхностные моногидриды [≡Si–O]3M–H (M = Zr, Ti) лишь на том основании, что именно они образуются в преобладающем количестве в избранных ими условиях. Между тем выяснение истинной природы каталитических центров в системе Ермакова-Бассе имеет ключевое значение для понимания механизма, оптимизации структуры катализатора и условий процесса. Современные методы квантовой химии высокого уровня позволяют получать надежные сведения о структуре активных центров и механизмах процессов в сложных каталитических системах, допускающие прямое сопоставление этих данных с экспериментом. В настоящей работе метод функционала плотности использован для изучения каталитической системы Ермакова-Бассе. Цель работы. Работа посвящена теоретическому исследованию механизмов гидрогенолиза линейных и разветвленных алканов, H/D-изотопного обмена в алканах и полимеризации этилена на поверхностных гидридах титана и циркония в каталитической системе Ермакова-Бассе. В работе предложены модели поверхностных гидридов четырехвалентных и трехвалентных титана и циркония. В качестве субстратов рассмотрены метан, этилен, пропан, н-бутан, н-пентан и неопентан. Для расчета использован метод функционала плотности (DFT) с использованием градиентно-корректированного неэмпирического функционала PBE, расширенных базисных наборов типа TZ2p и релятивистских поправок. Выбранный метод позволяет адекватно описывать строение и свойства сложных молекулярных систем, включающих атомы переходных металлов, при умеренных затратах вычислительных ресурсов. Полученные результаты сопоставляются с экспериментальными данными и результатами других теоретических исследований. Научная новизна. В работе впервые проведено теоретическое исследование механизмов и энергетических профилей каталитических процессов, протекающих на координационно-ненасыщенных гидридах Ti и Zr и сопровождающихся образованием и/или разрывом связей C–C и C–H в углеводородной цепи с использованием моделей поверхностных гидридов Ti и Zr. Установлено, что полимеризация этилена может протекать одинаково эффективно на моногидридах и дигидридах Ti(IV) и Zr(IV). В то же время, гидрогенолиз алканов с расщеплением C–C связей может осуществляться лишь на дигидридах Ti(IV) и Zr(IV) и/или на гидридах Ti(III) и Zr(III). Показано на примере неопентана, что расщепление разветвленных алканов может катализироваться всеми тремя типами поверхностных гидридов Zr, а также дигидридами Ti(IV) и гидридами Ti(III). Найдено, что наблюдаемую экспериментально изомеризацию неопентана на гидридах титана могут катализировать только гидриды трехвалентного металла. Изучены возможности повышения стабильности активных центров путем введения объемного -лиганда и показано, что такая модификация в случае дигидридов Zr(IV) не приводит к значительному снижению их активности в реакциях расщепления C–H и C–C связей алканов. Практическая значимость работы. Результаты проведенных квантово-химических исследований, позволившие выяснить природу активных центров каталитической системы Ермакова-Бассе, и полученные данные о термодинамических и кинетических характеристиках гидрогенолиза алканов на поверхностных гидридах разного строения, в том числе с объемным -лигандом у атома металла, открывают возможность для создания каталитических систем, обладающих улучшенными характеристиками. Апробация работы. Результаты исследований были представлены на семинарах лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии Химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, на Первой международной конференции «Высокоорганизованные каталитические системы» (Highly-Organized Catalytic Systems, HOCS-2002, Черноголовка, 25-27 июня 2002 г.) и Российско-Американском семинаре «Advances in the Understanding and Application of Catalysts» (Москва, 28-30 мая 2003 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, включая 4 статьи в научных журналах и тезисы двух докладов на конференциях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, включающих обзор литературы, описание метода расчета, результаты и их обсуждение, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 147 страниц, включая 36 рисунков, 41 таблицу и 36 схем. Список цитируемой литературы состоит из 64 наименований.