|
Komplexképződéssel járó elemi reakciók kinetikájának leírására alkalmas elméleti módszerek fejlesztése
|
súgó
nyomtatás
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
|
Projekt adatai |
|
|
azonosító |
108966 |
típus |
K |
Vezető kutató |
Lendvay György |
magyar cím |
Komplexképződéssel járó elemi reakciók kinetikájának leírására alkalmas elméleti módszerek fejlesztése |
Angol cím |
Development of methods for the description of complex-forming bimolecular reactions |
magyar kulcsszavak |
elemi kémiai reakció, reakciókinetika, reakciódinamika, reakciósebességi elmélet |
angol kulcsszavak |
elementray chemical reaction, reaction kinetocs, reaction dynamics, reaction rate theory |
megadott besorolás |
Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | Ortelius tudományág: Fizikai kémia |
|
zsűri |
Kémia 1 |
Kutatóhely |
Anyag- és Környezetkémiai Intézet (HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont) |
résztvevők |
Bencsura Ákos Mayer István Nagy Tibor Nagy Tibor Rozgonyi Tamás Szabó Péter Vikár Anna
|
projekt kezdete |
2013-09-01 |
projekt vége |
2018-08-31 |
aktuális összeg (MFt) |
26.988 |
FTE (kutatóév egyenérték) |
8.80 |
állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A jelen projekt célja az elemi reakciók elméleti leírására alkalmas módszerek fejlesztése. A fő cél olyan reakciók elméleti kezelésének megoldása, amelyekben a reaktánsok közt gyengén kötött komplexek képződhetnek. A van der Waals típusú erők hatására kialakuló komplexek reakciókinetikai szerepe meglehetősen nehezen kezelhető, különösen gázfázisban. A komplexek viselkedésének kinetikai jellemzése általában az RRKM módszerrel történik, amelyet nem két, egymáshoz gyengén kötött egységből álló rendszerek, hanem egyetlen kovalensen kötött egység reakcióinak leírására dolgoztak ki. A projektben először felmérjük, hogy kémiailag inert partnerrel ütközve milyen valószínűséggel történik 1. a komplex energiavesztése, stabilizálódása, 2. a komplex szétesése és 3. a komplexbeli energiaáramlás hatékonyságának megnövekedése. Ennek ismeretében lehetővé válik az RRKM módszer módosítása, adaptálása a komplex kinetikai szerepének leírására, lehetőség szerint folyadékfázisban is. A komplexképződéssel járó reakciók egyik kezelési lehetősége, hogy alkalmazzuk azt az eljárást, hogy a rendszer komplexitását úgy redukáljuk, hogy egyes szabadsági fokokat befagyasztunk. Ezt a módszert gyakran használják, amikor egy reakció leírása az összes szabadsági fokot figyelembe vevő kvantummechanikai módszerekkel nem lehetséges. Egyáltalán nem ismert azonban, hogy ezzel milyen mértékben torzítjuk a rendszer leírását. Azt tervezzük, hogy a modellek hiányosságainak szisztematikus felmérése alapján értékeljük az úgynevezett redukáltdimenziós módszereket, és megtaláljuk a hibák kompenzációjának lehetőségeit.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A reakciókinetika és -dinamika jelenleg használatos elméletei alkalmazhatóságának korlátai vannak, egyrészt a modellek természete, másrészt a dimenziók számának nagysága miatt. A bevált elméletek például nem alkalmasak a bimolekulás reakciók reaktánsai közt gázfázisban keletkező van der Waals komplexek kinetikai szerepének adekvát leírására. A jelenlegi reakciókinetikai gyakorlatban a komplexet az RRKM módszerrel szokás kezelni, amelynek alapfeltevése, hogy az energiaáramlás az összes szabadsági fok közt sokkal gyorsabb, mint a kémiai reakció időskálája. Egy van der Waals komplex két fragmense között azonban az energiaáramlás lassú. Emiatt 1. a komplex képződésekor felszabaduló energia tovább marad a disszociáció szabadsági fokában, mint egy erősen csatolt kovalensen kötött molekula vagy gyök esetén, ami a bomlás lehetőségét növeli; 2. a partnerek kémiai reakciójának kedvező szabadsági fokban is kisebb az esélye az energia felhalmozódásának. A projektben szisztematikusan felmérjük, hogy mi az energiaáramlás szerepe, időskálája, és ennek ismeretében kidolgozzuk az adekvát egyszerűsített modelleket. Alkalmazhatósági probléma merül fel akkor is, amikor a reakciók dinamikai kezelését úgy egyszerűsítjük, hogy egyes szabadsági fokokról feltételezzük, hogy a reakció szempontjából passzívak, mozgásuk elhanyagolható. A számított hatáskeresztmetszetek és a kísérleti eredmények összehasonlításakor általában eltekintkenek attól, hogy milyen torzítást vezetünk be a modell „csonkolása” révén. A dimenzióredukció szisztematikus vizsgálatával megállapítjuk a torzítás mértékét és megkeressük korrekcióra alkalmas lehetőségeket.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Egyes igen fontos komplex kémiai folyamatok kísérleti vizsgálata nem kivitelezhető a valóságban érvényesülő körülmények között, mint például a légkör kémiája vagy a belső égésű motorok robbanása. Ilyen rendszerek leírására számítógépes modelleket kell alkalmazni, amelyekkel lehetővé válik például, hogy új vegyületek (pl. bioüzemenyag-jelöltek) ipari alkalmazásakor az újfajta légkörszennyezők reakcióit, esetleges a káros hatásukat előre jósolni lehessen, vagy egy égésen alapuló berendezés működését optimálni tudjuk. A modellek helyességének alapja, hogy milyen pontosan ismerjük azoknak az elemi kémiai reakcióknak a sebességi együtthatóját, amelyek a modellek építőelemei. A sebességi együttható legmegbízhatóbb forrása a kísérlet, amely azonban sok esetben nem kivitelezhető. A hiányzó adatokat elméleti módszerek segítségével lehet megszerezni. Egyes reakciótípusok, például a direkt bimolekulás reakciók, vagy gyökök, molekulák unimolekulás reakciói rutinszerűen kezelhetők az átmenetiállapot-elmélettel és kiegészítéseivel. Ugyanezeket a módszereket használják a reakciókinetikában olyan reakciók leírására is, ahol a módszer alapjául szolgáló feltételezés nincs bizonyítva vagy nyilvánvalóan nem teljesül. Ez a helyzet az olyan a bimolekulás reakciók esetén, amelyekben a reaktánsok gyengén kötött van der Waals-komplexet képeznek. A túlzott egyszerűsítés olyankor is torz eredményekre vezethet, amikor a reakciók finom dinamikai részleteinek felderítésére szolgáló módszerekben a reakcióban közvetlenül részt nem vevő szabadsági fokokat befagyasztják. A projektben azt tervezzük, hogy a reakciók részletes vizsgálatában kapott eredmények alapján felmérjük az eddig használt módszerek korlátait és az általuk szolgáltatott eredmények hibáit, és ezek ismeretében olyan új módszereket dolgozunk ki, amelyekkel a hiba kiszűrhető, elkerülhető, vagy korrigálható. Az ilyen módszerek alkalmazásával lehetséges lesz a környezetvédelemben és az energetikai iparban alkalmazott komplex reakciókinetikai modellek megbízhatóságának növelése. A vizsgálatok alapkutatási jelentősége, hogy lehetővé válik, hogy jobban megértsük az olyan reakciók természetét, amelyekét az eddigi módszerek nem írták le helyesen.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Sok olyan kémiai rendszer vesz körül bennünket, mint pl. a légkör, amely igen összetett és folyamatosan változik. A változások sok ú.n. elemi kémiai reakció egymás utáni illetve egymás melletti sorozatának következményei. Mivel az ilyen rendszereket kísérleti úton a természetük miatt nem lehet kellő részletességgel vizsgálni, számítógépes modellezéssel kell információt szerezni róluk. Modellezés révén lehet például egy új ipari termék (pl. bioüzemenyag) bevezetése előtt felmérni a belőle a légkörbe jutó szennyezők átalakulásait, azok lehetséges következményeit. A modellek helyessége függ attól, hogy milyen pontosak a bennük szereplő elemi reakciólépések sebességét jellemző adatok. Ilyen paraméterek mérése nem minden reakcióra és reakciókörülményre lehetséges. A hiányzó adatok megszerzése és a mért adatok értelmezése elméleti módszerekkel lehetséges. Vannak reakciótípusok, amelyek elméleti leírására még nem dolgozták ki a megfelelő módszereket, helyettük más célra kidolgozott, a kérdéses reakciótípus esetén nem megbízható eljárásokat használnak. Ilyenek például az olyan reakciók, amelyekben a reakcióban résztvevő partnerek gyengén kötött komplexet tudnak képezni. A projekt célja, hogy felderítsük e komplexek dinamikájának részleteit, és olyan módszereket dolgozzunk ki, amelyek képesek a komplexek részvételével lejátszódó reakciók kinetikájának valósághű elméleti leírására. A kifejlesztendő eljárásokkal megbízható adatokat lehet majd kapni a reakció sebességének hőmérséklet- és nyomásfüggéséről. Az új, pontos adatok segítségével lehetővé válik a bonyolult, például a légkörkémiában és az égések kémiájában használatos modellek megbízhatóságának jelentős növelése.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The purpose of the present project is the development of theoretical methods for the treatment of elementary chemical reactions. The main goal is the appropriate treatment of reactions in which the reactants can form weakly bound complexes. The reaction kinetic role of complexes bound by van der Waals type forces is not trivial to describe, especially in the gas phase. The behaviour of the complexes is generally handled by RRKM theory that was developed for the description of a single strongly bound complex instead of a pair of weakly connected fragments. In the project we first explore the probability of various outcomes of the collision of a complex with and inert partner, namely 1) the stabilization of the complex due to energy loss; 2) the decomposition of the complex and 3) the increase of the efficiency of the energy flow within the complex. Based on the results, we plan to develop modifications of RRKM theory, enabling it to describe the role of the complex, if possible, also in the liquid phase. An approximate way of the treatment of complex-forming bimolecular reactions is that the size of the numerical problem is reduced by freezing certain degrees of freedom. This approach is often used in quantum scattering calculations on bimolecular reactions, when the full-dimensional calculation is not feasible. However, the kind and magnitude of the bias introduced by dimension reduction is not known. We plan to evaluate various reduced-dimensionality methods based on a systematic examination of their flaws and explore the possible ways of correcting for them.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The applicability of the theoretical methods used in reaction kinetics and dynamics is limited by factors like the nature of the models and the large number of the degrees of freedom to be handled. The commonly used rate theories are not appropriate for the adequate description of the kinetic role of van der Waals complexes formed in the gas phase by reactants of bimolecular reactions. In the general current practice, the processes involving such complexes are handled by RRKM theory, a basic assumption of which is that the energy flow among degrees of freedom is much faster than the time scale of the chemical reaction itself. However, the energy flow in van der Waals complexes is slow between the two fragments. As a consequence, 1. the energy released when the complex is formed stays relatively long in the degree of freedom of dissociation, which increases the chance of decomposition; 2. the probability of the accumulation of energy in the degree of freedom corresponding to the intrinsic chemical step is reduced. In the proposed project we intend to quantify the role of energy flow, its time scale, and, based on the results, we develop simplified models that adequately handle such systems. A similar problem arises in reaction dynamics where, in order to simplify the treatment of polyatomic systems, the degrees of freedom not directly involved in the reaction are assumed to be inactive and rigid. When comparing the calculated cross sections with experiments, the bias due to the truncation of the dimensionality of the system is disregarded. We plan to systematically study the nature and magnitude of the bias due to dimension reduction, and propose schemes for its correction
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Experimental study of certain important complex chemical systems, such as chemistry of the atmosphere or the explosion of fuel in an engine is not possible under their operating conditions. Information about such systems can be obtained from computer modeling, making possible the assessment of the fate and harmfulness of pollutants originating from the industrial application of new chemicals (such as novel biofuels) or optimization of the operation of an internal combustion engine. The goodness of the models depends on the accuracy of the rate constants of the elementary chemical reactions constituting them. The most reliable source of rate constants is their measurement, which, however, often can not be performed under the required conditions. The missing data can be obtained using theoretical methods. For the description of certain kinds of reactions, such as direct bimolecular reactions or simple unimolecular reactions, routine procedures involving transition state theory and its extensions are available. The same methods are used in reaction kinetics for the calculation of rate constants of reactions for which the fulfillment of the basic assumptions of the theory is not proven or obviously does not hold. This applies to bimolecular reactions in which the reactants, before the chemical reaction, form a weakly bound complex. Similarly, biased results emerge from models of the detailed dynamics of elementary reactions, if the degrees of freedom not directly participating in the reaction are frozen. In the present project we propose a detailed study of the reactions in question and the assessment of the adequacy of the methods routinely applied for the calculation of rate constants, including their limitations and the accuracy of their outcome. using this information, we plan to develop methods that allow one to sort out, avoid or correct the errors. Application of the new methods will help us to increase the reliability of models used in environment protection and in the energetics industry. The importance of the planned studies from the point of view of basic research is that they will allow us to understand more precisely the nature of reactions that were not properly described by previous methods.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. There are numerous chemical systems we encounter in everyday life that are rather complex and change continuously. The changes result from the simultaneous and sequential occurrence of so-called elementary chemical reactions. Due to their extreme complexity, an exhaustive experimental study of such systems is not feasible. The way of getting information about them is computer modeling. Computer simulations are used to forecast the reactivity of the atmospheric pollutants emitted before novel industrial products (for example, a biofuel) are introduced. The reliability of such models depends on the accuracy of the parameters characterizing the rate of the elementary reactions. Experimental measurement of the kinetic parameters is not possible for every reaction and all conditions. For the determination of the missing data and the interpretation of the results theoretical methods are needed. For certain types of reactions the proper theoretical treatment has not yet been established and they are described by existing methods that are not appropriate at the conditions of the type of reaction. An example is the class of reactions in which the reaction partners can form a weakly bound complex. The purpose of our project is the exploration of the details of the dynamics of complexes, and development of theoretical methods appropriate for the description of reactions of this type. With such methods one can provide reliable data characterizing the temperature- and pressure dependence of the reaction rate. The accuracy of the kinetic data will enhance the reliability of the results produced by the complex models used, for example, in atmospheric and combustion chemistry.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Közleményjegyzék |
|
|
Cs. Fehér, M. Papp, Á. Gömöry, L. Nagy, J. Wouters, G. Lendvay, R. Skoda-Földes: Synthesis of 2-Ureido-4-ferrocenyl Pyrimidine Guests. Investigation of Complementary Molecular Recognition of 2,6-Diaminopyridine, Organometallics 36, 4023–4032, 2016 | Kovács E, Sághy P, Turczel G, Tóth I, Lendvay G, Domján A, Anastas PT, Tuba R: Metathesis o renewable polyene feedstocks - Indirect evidences of the formation of catalytically active ruthenium allylidene species, J ORGANOMET CHEM 847: 213-217, 2017 | Nagy Tibor, Lendvay György: Adiabatic Switching Extended to Prepare Semiclassically Quantized Rotational-Vibrational Initial States for Quasiclassical Trajectory Calculations, J PHYS CHEM LETT 8: 4621-4626, 2017 | Tajti A, Lendvay G, Szalay PG: Dimol Emission of Oxygen Made Possible by Repulsive Interaction, J PHYS CHEM LETT 8: (14) 3356-3361, 2017 | Tajti A, Lendvay G, Szalay PG: Dimol Emission of Oxygen Made Possible by Repulsive Interaction, J PHYS CHEM LETT 8: (14) 3356-3361, 2017 | Kovács E, Sághy P, Turczel G, Tóth I, Lendvay G, Domján A, Anastas PT, Tuba R: Metathesis o renewable polyene feedstocks - Indirect evidences of the formation of catalytically active ruthenium allylidene species, J ORGANOMET CHEM 847: 213-217, 2017 | Nagy Tibor, Lendvay György: Adiabatic Switching Extended to Prepare Semiclassically Quantized Rotational-Vibrational Initial States for Quasiclassical Trajectory Calculations, J PHYS CHEM LETT 8: 4621-4626, 2017 | Annalise L. Van Wyngarden, Kathleen A. Mar, Jim Quach, Anh P. Q. Nguyen, Aaron A. Wiegel, Shi-Ying Lin, Gyorgy Lendvay, Hua Guo, Jim J. Lin, Yuan T. Lee, and Kristie A. Boering: The non-statistical dynamics of the 18O + 32O2 isotope exchange reaction at two energies, J. Chem. Phys. 141, 064311 (2014) pp 1-11, 2014 | Busch Anna, González-García Núria, Lendvay György, Olzmann Matthias: Thermal Decomposition of NCN: Shock-Tube Study, Quantum Chemical Calculations, and Master-Equation Modeling, J PHYS CHEM A 119: (28) 7838-7846, 2015 | Szabó Péter, Lendvay György: A Quasiclassical Trajectory Study of the Reaction of H Atoms with O2(1Δg), J PHYS CHEM A 119: (28) 7180-7189, 2015 | Csaszar Z, Farkas G, Benyei A, Lendvay G, Toth I, Bakos J: Stereoselective coordination: a six-membered P,N-chelate tailored for asymmetric allylic alkylation., DALTON T 44: (37) 16352-16360, 2015 | Szabó Péter, Lendvay György: Dynamics of Complex-Forming Bimolecular Reactions: A Comparative Theoretical Study of the Reactions of H Atoms with O2(3Σg–) and O2(1Δg), J PHYS CHEM A 119: (50) 12485-12497, 2015 | Tibor Nagy, Anna Vikár , György Lendvay: Oscillatory reaction cross sections caused by normal mode sampling in quasiclassical trajectory calculations, J CHEM PHYS 144: (1), 2016 | Anna Vikár, Tibor Nagy, György Lendvay: Testing the Palma-Clary Reduced Dimensionality Model Using Classical Mechanics on the CH4 + H -> CH3 + H2 Reaction, J PHYS CHEM A 120: (27) 5083-5093, 2016 | Sridhar A Lahankar, Jianming Zhang, Timothy K Minton, Hua Guo, Lendvay Gy: Dynamics of the O-Atom Exchange Reaction 16O(3P) + 18O18O(3Σ-g) -> 6O18O(3Σ-g) + 18O(3P) at Hyperthermal Energies, J PHYS CHEM A 120: 5348-5359, 2016 | Annalise L. Van Wyngarden, Kathleen A. Mar, Jim Quach, Anh P. Q. Nguyen, Aaron A. Wiegel, Shi-Ying Lin, Gyorgy Lendvay, Hua Guo, Jim J. Lin, Yuan T. Lee, and Kristie A. Boering: The non-statistical dynamics of the 18O + 32O2 isotope exchange reaction at two energies, J. Chem. Phys. 141, 064311 (2014) pp 1-11, 2014 | Busch Anna, González-García Núria, Lendvay György, Olzmann Matthias: Thermal Decomposition of NCN: Shock-Tube Study, Quantum Chemical Calculations, and Master-Equation Modeling, J PHYS CHEM A 2015: , 2015 | Csaszar Z, Farkas G, Benyei A, Lendvay G, Toth I, Bakos J: Stereoselective coordination: a six-membered P,N-chelate tailored for asymmetric allylic alkylation., DALTON T 44: (37) 16352-16360, 2015 | Szabó Péter, Lendvay György: A Quasiclassical Trajectory Study of the Reaction of H Atoms with O2(1Δg), J PHYS CHEM A 2015: , 2015 | Anna Vikár, Tibor Nagy, György Lendvay: Testing the Palma-Clary Reduced Dimensionality Model Using Classical Mechanics on the CH4 + H -> CH3 + H2 Reaction, J PHYS CHEM A 120: (27) 5083-5093, 2016 | Sridhar A Lahankar, Jianming Zhang, Timothy K Minton, Hua Guo, Lendvay Gy: Dynamics of the O-Atom Exchange Reaction 16O(3P) + 18O18O(3Σ-g) -> 6O18O(3Σ-g) + 18O(3P) at Hyperthermal Energies, J PHYS CHEM A 120: 5348-5359, 2016 | Tibor Nagy, Anna Vikár , György Lendvay: Oscillatory reaction cross sections caused by normal mode sampling in quasiclassical trajectory calculations, J CHEM PHYS 144: (1) , 2016 | Busch Anna, González-García Núria, Lendvay György, Olzmann Matthias: Thermal Decomposition of NCN: Shock-Tube Study, Quantum Chemical Calculations, and Master-Equation Modeling, J PHYS CHEM A 119: (28) 7838-7846, 2015 | Szabó Péter, Lendvay György: A Quasiclassical Trajectory Study of the Reaction of H Atoms with O2(1Δg), J PHYS CHEM A 119: (28) 7180-7189, 2015 | Szabó Péter, Lendvay György: Dynamics of Complex-Forming Bimolecular Reactions: A Comparative Theoretical Study of the Reactions of H Atoms with O2(3Σg–) and O2(1Δg), J PHYS CHEM A 119: (50) 12485-12497, 2015 | Farkas G, Császár Z, Stágel K, Nemes E, Balogh S, Tóth I, Bényei A, Lendvay G, Bakos J: Efficient stereochemical communication in phosphine-amine palladium-complexes: exploration of N-substituent effects in coordination chemistry and catalysis, J ORGANOMET CHEM 846: pp. 129-140., 2017 | Góger Szabolcs, Szabó Péter, Czako G, Lendvay G: Flame inhibition chemistry: Rate coefficients of the reactions of HBr with CH3 and OH radicals at high temperatures determined by quasiclassical trajectory calculations, ENERG FUEL &:, 2018 | L Szi-Ferenc, Zs Császár, Gy Lendvay, A Bényei, Sz Balogh, B Nánási, G Farkas, J Bakos: Synthesis of zwitterionic phosphapalladacycles: unusual reactivity pattern of six-membered P,N-chelates, ORGANOMETALLICS 37: (14) pp. 2203-2206., 2018 | Pekkanen TT, Timonen RS, Lendvay G, Rissanen MP, Eskola AJ: Kinetics and Thermochemistry of the Reaction of 3-Methylpropargyl Radical with Molecular Oxygen, P COMBUST INST &:, 2018 | Tibor Nagy, Anna Vikár, György Lendvay: A General Formulation of the Quasiclassical Trajectory Method for Reduced-Dimensionality Reaction Dynamics Calculations, PHYS CHEM CHEM PHYS 20: pp. 13224-13240., 2018 | Császár Zs, Stágel K, Balogh Sz, Bényei A, Lendvay Gy, Farkas G, Bakos J: Steric effects enforce double stereoselective N-coordination in twelvemembered binuclear palladium(II)-complexes containing chiral bridging aminoalkyl-phosphine ligands, J ORGANOMET CHEM 855: pp. 59-62., 2018 |
|
|
|
|
|
|
vissza »
|
|
|