Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences67487610.31857/S0207401X23040052MWHERNKinetics and mechanism of chemical reactions, catalysisКинетика и механизм химических реакций, катализUnknownInvestigation of Potential Energy Surfaces of Reaction Systems Containing Ethylene, Hydrogen, and Oxygen Atoms by Quantum Chemical CalculationsИсследование поверхности потенциальной энергии реакционных систем H + O + C2H4DavtyanA. G.ДавтянА. Г.arsentiev53@mail.ruManukyanZ. O.МанукянЗ. О.arsentiev53@mail.ruArsentevS. D.АрсентьевС. Д.arsentiev53@mail.ruTavadyanL. A.ТавадянЛ. А.arsentiev53@mail.ruArutyunovV. S.АрутюновВ. С.arsentiev53@mail.ruNalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of ArmeniaИнститут химической физики им. А.Б. Налбандяна Национальной академии наук Республики АрменияSemenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of SciencesФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук01042023424203028022025Copyright ©; 2023, А.Г. Давтян, З.О. Манукян, С.Д. Арсентьев, Л.А. Тавадян, В.С. АрутюновCopyright ©; 2023, А.Г. Давтян, З.О. Манукян, С.Д. Арсентьев, Л.А. Тавадян, В.С. Арутюнов2023А.Г. Давтян, З.О. Манукян, С.Д. Арсентьев, Л.А. Тавадян, В.С. АрутюновА.Г. Давтян, З.О. Манукян, С.Д. Арсентьев, Л.А. Тавадян, В.С. Арутюновhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/674876

In order to study the potential energy surfaces (PESs) of systems containing ethylene, hydrogen, and oxygen atoms, quantum chemical calculations are carried out using the hybrid B3LYP method of the density functional theory (DFT) and the composite CBS-QB3 method. An enthalpy diagram reflecting the PES of this reaction system is constructed. It is shown that the addition of a hydrogen atom to ethylene with the formation of an ethyl radical occurs through the formation of a van der Waals complex. The diagram of enthalpies of monomolecular reactions of decomposition and isomerization of the ethoxyl radical is presented in detail, and a conclusion is made about the probability of their occurrence. The global PES minimum of the system describing the sequential addition of hydrogen and oxygen atoms to ethylene is the hydroxyethyl radical. Intermediates CHCH2OH and CH2OCH2 are localized on the PES of the C2H4 + O system and possible pathways for their further transformation are analyzed. The data obtained make it possible to estimate the ranking of individual elementary reactions in the processes of combustion and oxidation of hydrocarbons and the probabilities of various directions for the transformation of chemical species in the studied systems

Поверхность потенциальной энергии (ППЭ) реакционной системы H + O + C2H4, которая играет важную роль в окислительной конверсии углеводородов в целом, была теоретически исследована с использованием различных квантовохимических методов. На ППЭ, соответствующей реакции атома кислорода с этиленом, локализован ряд ранее неизвестных интермедиатов, проанализированы возможные пути их дальнейшего превращения. Получены данные относительно последовательности энергетических уровней образования этоксильного радикала, представлена детальная диаграмма энтальпий мономолекулярных реакций его распада и изомеризации, сделан вывод о вероятности их протекания. Полученные результаты дают возможность оценочно ранжировать отдельные элементарные акты в процессах горения и окисления углеводородов и оценить вероятность различных направлений превращения химических компонентов в исследуемых системах.

ethyleneoxidationpotential energy surfaceDFT methodsB3LYPCBS-QB3Gaussian software packageэтиленокислениеповерхность потенциальной энергииметоды DFTB3LYPCBS-QB3программный пакет Gaussian.Ushakova A., Zatsepin V., Varfolomeev M., Emelyanov D. // J. Combust. 2017. V. 2017. Article 2526596; https://doi.org/10.1155/2017/2526596Манташян А.А. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 4. С. 18; https://doi.org/10.31857/S0207401X21040105Pogosyan N.M., Pogosyan M.Dj., Arsentiev S.D., Tavadyan L.A., Strekova L.N., Arutyunov V.S. // Pet. Chem. 2020. V. 60. № 3. P. 316; https://doi.org/10.1134/S0965544120030172Grigoryan R.R., Arsentev S.D. // Pet. Chem. 2020. V. 60. № 2. P. 187; https://doi.org/10.1134/S096554412002005XПогосян Н.М., Погосян М.Дж., Стрекова Л.Н., Тавадян Л.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2015. Т. 34. № 3. С. 35; https://doi.org/10.7868/S0207401X15030103Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 6. С. 7.Арсентьев С.Д., Тавадян Л.А., Брюков М.Г., Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 3.Волохов В.М., Зюбина Т.С., Волохов А.В., Амосова Е.С., Варламов Д.А. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 1. С. 3; https://doi.org/10.31857/S0207401X21010131Becke A.D. // Phys. Rev. A. 1988. V. 38. P. 3098; https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.3098Becke A.D. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 5648; https://doi.org/10.1063/1.464913Lee C., Yang W., Parr R.G. // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. P. 785; https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785Montgomery Jr.J.A., Frisch M.J., Ochterski J.W., Petersson G.A. // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 6. P. 2822; https://doi.org/10.1063/1.477924Nyden M.R., Petersson G.A. // Ibid. 1981. V. 75. № 4. P. 1843; https://doi.org/10.1063/1.442208Petersson G.A., Al-Laham M.A. // Ibid. 1991. V. 94. № 9. P. 6081; https://doi.org/10.1063/1.460447Petersson G.A., Tensfeldt T.G., Montgomery J.A. // Ibid. P. 6091; https://doi.org/10.1063/1.460448Petersson G.A., Malick D.K., Wilson W.G., Ochterski J.W., Montgomery J.A., Frisch M.J. // Ibid. 1998. V. 109. № 24. P. 10570; https://doi.org/10.1063/1.477794Montgomery Jr.J.A., Frisch M.J., Ochterski J.W., Petersson G.A. // Ibid. 2000. V. 112. № 15. P. 6532; https://doi.org/10.1063/1.481224Arsentev S.D., Mantashyan A.A. // React. Kinet. Catal. Lett. 1980. V. 13. № 2. P. 125; https://doi.org/10.1007/BF02074183Mantashyan A.A., Khachatryan L.A., Niazyan O.M., Arsentev S.D. // Combustion and Flame. 1981. V. 43. P. 221; https://doi.org/10.1016/0010-2180(81)90022-5Манташян А.А., Едигарян Н.Г., Хачатрян Л.А., Арсентьев С.Д. // Химия высоких энергий. 1989. Т. 23. № 1. С. 63.Yang K. // J. Amer. Chem. Soc. 1962. V. 84. № 5. P. 719; https://doi.org/10.1021/JA00864A007Азатян В.В., Налбандян А.Б., Цуй М.-Ю. // Докл. АН СССР. 1963. Т. 149. № 5. С. 1095.Jones W.E., Macknight S.D., Teng L. // Chem. Rev. 1973. V. 73. № 5. P. 407; https://doi.org/10.1021/CR60285A001Dupuis M., Wendoloski J.J., Takada T., Lester Jr.W.A. // J. Chem. Phys. 1982. V. 76. № 1. P. 481; https://doi.org/10.1063/1.442748Fueno T., Takahara Y., Yamaguchi K. // Chem. Phys. Lett. 1990. V. 167. № 4. P. 291; https://doi.org/10.1016/0009-2614(90)87170-VSmith B.J., Nguyen M.T., Bouma W.J., Radom L. // J. Amer. Chem. Soc. 1991. V. 113. P. 6452; https://doi.org/10.1021/ja00017a015Jursic B.S. // THEOCHEM. 1999. V. 492. № 1–3. P. 85; https://doi.org/10.1016/S0166-1280(99)00123-2West A.C., Kretchmer J.S., Sellner B., Park K., Hase W.L. et al. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. № 45. P. 12663; https://doi.org/10.1021/jp905070zWortmann-Saleh D., Engels B., Peyerimhoff S.D. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 38. P. 9541; https://doi.org/10.1021/J100089A029West A.C., Lynch J.D., Sellner B., Lischka H., Hase W.L. et al. // Theor. Chem. Acc. 2012. V. 131. Article 1123; https://doi.org/10.1007/s00214-012-1123-0West A.C., Lynch J.D., Sellner B., Lischka H., Hase W.L. et al. // Ibid. Article 1279; https://doi.org/10.1007/s00214-012-1279-7Westleyn F., Heron J.T., Cvetanovic R.J., Hampson R.F., Mallard W.G. NIST Standard Reference Database 17, Version 3.0. Gaithersburg, MD, USA National Institute of Standards and Technology, 1991.Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman, J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M.J., Heyd J.J., Brothers E.N., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T.A., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A.P., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J. Gaussian 16, Revision C.01. Wallingford. CT: Gaussian, Inc., 2016.Dennington R., Keith T.A., Millam J.M. GaussView, Version 6.1. Shawnee Mission, KS: Semichem Inc., 2019.Asatryan R., Davtyan A., Khachatryan L., Dellinger B. // J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. P. 11198; https://doi.org/10.1021/jp053047lAsatryan R.S., Davtyan A.H., Khachatryan L.A., Dellinger B. // Organohalogen Compd. 2002. V. 56. P. 277.Jursic. B.S. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1997. V. 2. Issue 3. P. 637; https://doi.org/10.1039/A603269IPeng C., Ayala P.Y., Schlegel H.B., Frisch M.J. // J. Comput. Chem. 1996. V. 17. № 1. P. 49; https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-987X(19960115)17: 1<49::AID-JCC5>3.0.CO;2-0Peng C., Schlegel H.B. // Isr. J. Chem. 1993. V. 33. P. 449; https://doi.org/10.1002/IJCH.199300051Agarwal J., Turney J.M., Schaefer H.F. // J. Phys. Chem. Lett. 2011. V. 2. № 20. P. 2587; https://doi.org/10.1021/jz201124jSchlegel H.B., Bhalla K.C., Hase W.L. // J. Phys. Chem. 1982. V. 86. № 25. P. 4883; https://doi.org/10.1021/J100222A010Feng Y., Niiranen J.T., Benosura A., Knyazev V.D., Gutman D. et al. // Ibid. 1993. V. 97. P. 871.Hase W.L., Schlegel H.B., Balbyshev V., Page M. // Ibid. 1996. V. 100. № 13. P. 5354; https://doi.org/10.1021/jp9528875Hase W.L., Schlegel H.B. // Ibid. 1982. V. 100. P. 5354; https://doi.org/10.1021/JP9528875Jones W.E., Macknight S.D., Teng L. // Chem. Rev. 1973. V. 73. № 5. P. 407; https://doi.org/10.1021/CR60285A001Franklin J.L., Dillard J.G., Rosenstock H.M., Herron J.T., Draxl K., Field F.H. Ionisation potentials, appearance potentials, and heats of formation of gaseous positive ions (NSRDS–NRS26). Washington: US National Bur. eau of Standards, 1969.Ruscic B., Pinzon R.E., Morton M.L., Srinivasan N.K., Su M.-C. et al. // J. Phys. Chem. A. 2006. V. 110. № 21. P. 6592; https://doi.org/10.1021/JP056311JBerkowitz J., Ellison G.B., Gutman D. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 11. P. 2744; https://doi.org/10.1021/j100062a009Ruscic B., Boggs J.E., Burcat A. et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2005. V. 34. № 2. P. 573; https://doi.org/10.1063/1.1724828Golden D.M. // J. Phys. Chem. A. 2012. V. 116. № 17. P. 4259; https://doi.org/10.1021/jp302009thttp://c3.nuigalway.ie/combustionchemistrycentre/mechanismdownloads/Nguyen T.L., Vereecken L., Hou X.J., Nguyen M.T., Peeters J. // J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. № 33. P. 7489; https://doi.org/10.1021/JP052970KKnyazev V.D., Arutyunov V.S., Vedeneev V.I. // Intern. J. Chem. Kinet. 1992. V. 24. № 6. P. 545; https://doi.org/10.1002/KIN.550240605Li X., Jasper A.W., Zádor J., Miller J.A., Klippenstein S.J. // Proc. Combust. Inst. 2016. V. 36. № 1. P. 219; https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.06.053Fu B., Han Y.C., Bowman J.M., Leonori F., Balucani N. et al. // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. № 22. P. 22A532; https://doi.org/10.1063/1.4746758Hu W., Lendvay G., Maiti B., Schatz G.C. // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. № 10. P. 2093; https://doi.org/10.1021/jp076716z