The fate of the tert-butyl radical in low-temperature autoignition reactions

化学 氢原子萃取 激进的 过渡状态 离解(化学) 活化能 分子内力 过渡态理论 键离解能 部分 计算化学 屏障激活 物理化学 反应速率常数 动力学 密度泛函理论 立体化学 有机化学 催化作用 物理 量子力学
作者
Kevin B. Moore,Justin M. Turney,Henry F. Schaefer
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:146 (19) 被引量:17
标识
DOI:10.1063/1.4983128
摘要

Alkyl combustion models depend on kinetic parameters derived from reliable experimental or theoretical energetics that are often unavailable for larger species. To this end, we have performed a comprehensive investigation of the tert-butyl radical (R• in this paper) autoignition pathways. CCSD(T)/ANO0 geometries and harmonic vibrational frequencies were obtained for key stationary points for the R• + O2 and QOOH + O2 mechanisms. Relative energies were computed to chemical accuracy (±1 kcal mol-1) via extrapolation of RCCSD(T) energies to the complete basis-set limit, or usage of RCCSD(T)-F12 methods. At 0 K, the minimum energy R• + O2 pathway involves direct elimination of HO2∙ (30.3 kcal mol-1 barrier) from the tert-butyl peroxy radical (ROO•) to give isobutene. This pathway lies well below the competing QOOH-forming intramolecular hydrogen abstraction pathway (36.2 kcal mol-1 barrier) and ROO• dissociation (35.9 kcal mol-1 barrier). The most favorable decomposition channel for QOOH radicals leads to isobutene oxide (12.0 kcal mol-1 barrier) over isobutene (18.6 kcal mol-1 barrier). For the QOOH + O2 pathways, we studied the transition states and initial products along three pathways: (1) α-hydrogen abstraction (42.0 kcal mol-1 barrier), (2) γ-hydrogen abstraction (27.0 kcal mol-1 barrier), and (3) hydrogen transfer to the peroxy moiety (24.4 kcal mol-1 barrier). The barrier is an extensive modification to the previous 18.7 kcal mol-1 value and warrants further study. However, it is still likely that the lowest energy QOOH + O2 pathway corresponds to pathway (3). We found significant spin contamination and/or multireference character in multiple stationary points, especially for transition states stemming from QOOH. Lastly, we provide evidence for an A∼-X∼ surface crossing at a Cs-symmetric, intramolecular hydrogen abstraction structure.
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