六氟化硫替代气体绝缘强度的官能团加和理论方法

doi:10.7503/cjcu20210495

摘要/Abstract

摘要：

绝缘强度是设计与发现新型SF₆替代气体的关键参数, 预测未知气体的绝缘强度通常采用基于量子化学计算建立的构效关系模型, 计算过程复杂、误差大、且无法正确描述具有特殊化学键的气体分子. 为了能够直观反映绝缘强度随结构的变化规律, 提出了官能团加和方法, 将分子结构分解为独立的官能团, 在一级近似下, 将优化后的官能团绝缘强度直接加和, 即可获得气体的绝缘强度. 与65种已知气体的实验绝缘强度对比, 官能团加和方法计算的绝缘强度与实验值相吻合, 平均绝对与相对偏差分别为0.0656与6.28%, 理论预测值与实验值的相关系数达到0.9879, 优于构效关系模型方法. 研究结果表明, 引入不饱和键或形成环结构, 同时避免孤立的CH_x, CF等基团, 而用CF₃, OCF₃, SCF₃等基团取代, 则有利于获得绝缘性能优异的气体分子.

关键词: 绝缘强度, 六氟化硫替代气体, 官能团加和, 构效关系模型, 分子设计

Abstract:

Dielectric strength is one of the most parameters for the design and discovery of novel eco-friendly replacement gases for SF₆. Various structure-activity relationship models had been widely used to predict the dielectric strength on the basis of the quantum chemistry calculated descriptors， which are computationally demanding and usually involve significant uncertainties and incapability of treating some specific compounds. In order to predict the dielectric strength of a gas straightforwardly， group additivity method was proposed in this work. Within the first-order approximation， the direct summation of the optimized individual contributions of the functional groups gives the overall dielectric strength. In comparison with a total of 65 insulating gases， the agreement between group additivity and experimental data is excellent. The mean absolute and relative deviations are 0.0656 and 6.28%， respectively. The correlation coefficient between theory and experiment is 0.9879， which are all superior to the structure-activity relationship models. The result reveals that inducing the unsaturated group or cyclic moiety and substituting the isolated CH_x and CF by CF₃， OCF₃， and SCF₃ is efficient to improve the dielectric strength.

Key words: Dielectric strength, SF₆ replacement gas, Group additivity, Structure-activity relationship model, Molecular design

中图分类号:

O641.1

TrendMD:

侯华, 王宝山. 六氟化硫替代气体绝缘强度的官能团加和理论方法. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3709.

HOU Hua, WANG Baoshan. Group Additivity Theoretical Model for the Prediction of Dielectric Strengths of the Alternative Gases to SF₆. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3709.

图/表 4

参考文献 29

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No.	Formula	E_r，exp.	E_r（GA）	E_r（QSAR）	No.	Formula	E_r，exp.	E_r（GA）	E_r（QSAR）
1	SF₆	1	0.97	0.87	34	SO₂F₂	0.73	0.78	0.82
2	SF₅CF₃	1.53	1.56	1.29	35	CF₃SO₂F	1.43	1.37	1.32
3	SeF₆	1.21	1.21	0.81	36	CF₃CN	1.5	1.65	1.68
4	CF₄	0.43	0.41	0.69	37	C₂F₅CN	1.98	1.98	1.92
5	CCl₄	2.36	2.35	1.54	38	n?C₃F₇CN	2.5	2.31	2.15
6	CF₃Cl	0.6	0.64	0.87	39	i?C₃F₇CN	2.2	2.06	2.02
7	CF₃I	1.21	1.23	0.84	40	CF₃OCF（CF₃）CN	1.94	2.10	2.28
8	CFCl₃	1.84	2.12	1.41	41	（CF₃）₂O	0.84	0.84	1.24
9	CF₂Cl₂	1.06	1.04	1.18	42	CF₃OC₂F₅	1.24	1.18	1.63
10	CF₂ClBr	1.32	1.23	1.16	43	（C₂F₅）₂O	1.51	1.51	1.98
11	CF₃Br	0.76	0.76	0.88	44	c?C₄F₈O	1.38	1.38	1.57
12	C₂F₆	0.8	0.77	1.07	45	（CF₃）₂S	1.5	1.50	1.32
13	C₃F₈	0.98	1.10	1.39	46	C₂F₅C（=O）F	1.59	1.65	1.98
14	C₄F₁₀	1.32	1.42	1.69	47	i?C₃F₇C（=O）CF₃	2.1	2.10	2.34
15	C₅F₁₂	1.75	1.75	1.98	48	i?C₃F₇C（=O）C₂F₅	2.7	2.43	2.67
16	C₆F₁₄	2.26	2.08	2.31	49	CF₃NO₂	1.34	1.34	1.18
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32	C₆F₆	1.4	1.40	1.40	65	CH₂=CHCF₃	0.8	0.80	1.05
33	SOF₂	1.42	1.42	0.99

No.	Formula	E_r，exp.	E_r（GA）	E_r（QSAR）	No.	Formula	E_r，exp.	E_r（GA）	E_r（QSAR）
1	SF₆	1	0.97	0.87	34	SO₂F₂	0.73	0.78	0.82
2	SF₅CF₃	1.53	1.56	1.29	35	CF₃SO₂F	1.43	1.37	1.32
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12	C₂F₆	0.8	0.77	1.07	45	（CF₃）₂S	1.5	1.50	1.32
13	C₃F₈	0.98	1.10	1.39	46	C₂F₅C（=O）F	1.59	1.65	1.98
14	C₄F₁₀	1.32	1.42	1.69	47	i?C₃F₇C（=O）CF₃	2.1	2.10	2.34
15	C₅F₁₂	1.75	1.75	1.98	48	i?C₃F₇C（=O）C₂F₅	2.7	2.43	2.67
16	C₆F₁₄	2.26	2.08	2.31	49	CF₃NO₂	1.34	1.34	1.18
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19	CF₂ClCFCl₂	2.37	2.19	1.80	52	CH₃Cl	0.32	0.33	0.34
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21	c?C₄F₈	1.28	1.28	1.49	54	CH₃I	1.12	0.92	0.59
22	c?C₆F₁₂［c?C₄F₆（CF₃）₂］	2.35	2.30	2.09	55	CH₂Cl₂	0.64	0.73	0.85
23	c?C₇F₁₄［c?C₆F₁₁CF₃］	2.24	2.43	2.04	56	CHCl₃	1.77	1.76	1.17
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25	c?C₅F₈	2.1	1.85	1.52	58	CHF₂Cl	0.44	0.53	0.63
26	c?C₆F₁₀	2.05	2.17	1.94	59	CHFCl₂	0.92	1.00	1.01
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28	CF₂=CFCF₃	1.01	1.16	1.13	61	CH₂FCl	0.39	0.39	0.78
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31	CF₃C≡CCF₃	2.19	2.19	1.52	64	CH₃CF₃	0.41	0.46	0.46
32	C₆F₆	1.4	1.40	1.40	65	CH₂=CHCF₃	0.8	0.80	1.05
33	SOF₂	1.42	1.42	0.99

No.	Functional group j	E_r，_j	No.	Functional group j	E_r，_j
1	CF	0.0245	18	―C≡N	1.2680
2	CCl	0.2568	19	―S≡N	0.8833
3	CBr	0.3772	20	>C=O	0.9172
4	CI	0.8477	21	>S=O	1.0956
5	SF	0.1622	22	>S（=O）₂	0.4529
6	SeF	0.2017	23	>S=N―	1.9863
7	>CF₂， =CF₂	0.3259	24	SCF₃	0.7500
8	c?CF₂	0.3200	25	OCF₃	0.4200
9	>CCl₂， =CCl₂	0.7127	26	NCF₃	0.0992
10	>CFCl， =CFCl	0.3672	27	―OCF₂―	0.3700
11	CF₃	0.3861	28	―NO₂	0.9539
12	CCl₃	2.0918	29	=CH	0.01
13	CF₂Cl	0.8550	31	=CH₂	0.4039
14	CFCl₂	1.3324	32	CH	-0.3296
15	=CF―， c?CF	0.4439	33	CH₂	0.0200
16	Aromatic CF	0.2333	34	CH₃	0.0722
17	―C≡C―	1.4178

No.	Functional group j	E_r，_j	No.	Functional group j	E_r，_j
1	CF	0.0245	18	―C≡N	1.2680
2	CCl	0.2568	19	―S≡N	0.8833
3	CBr	0.3772	20	>C=O	0.9172
4	CI	0.8477	21	>S=O	1.0956
5	SF	0.1622	22	>S（=O）₂	0.4529
6	SeF	0.2017	23	>S=N―	1.9863
7	>CF₂， =CF₂	0.3259	24	SCF₃	0.7500
8	c?CF₂	0.3200	25	OCF₃	0.4200
9	>CCl₂， =CCl₂	0.7127	26	NCF₃	0.0992
10	>CFCl， =CFCl	0.3672	27	―OCF₂―	0.3700
11	CF₃	0.3861	28	―NO₂	0.9539
12	CCl₃	2.0918	29	=CH	0.01
13	CF₂Cl	0.8550	31	=CH₂	0.4039
14	CFCl₂	1.3324	32	CH	-0.3296
15	=CF―， c?CF	0.4439	33	CH₂	0.0200
16	Aromatic CF	0.2333	34	CH₃	0.0722
17	―C≡C―	1.4178

Species	Experimental value	GA procedure
CF₃SO₂F	1.43	｛1×S（=O）₂+1×SCF₃+1×SF｝= 0.4529+0.7500+0.1622=1.37
c?C₆F₁₂	2.35	｛2×c?CF₂+2×c?CF+2×CF₃｝= 2×0.3200+2×0.4439+2×0.3861=2.30
c?C₄F₈O	1.38	｛2×c?CF₂+2×OCF₂｝= 2×0.3200+2×0.37=1.38
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CHF=CHCF₃	0.85	｛1×CF₃+2×=CH+1×=CF｝= 0.3861+2×0.01+1×0.4439=0.85
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