Расчет оптимальных параметров молекулы с использованием специального программного обеспечения
Тема данной работы является расчет
оптимальных параметров молекулы состоящей из катиона имидазолия и аниона
тетрафторобората. Для расчета параметров мы воспользуемся следующими
программами:
Gaussian 09 (программный пакет для расчета структуры и свойств молекулярных
систем в газофазном и конденсированном состоянии, включающая большое
разнообразие методов вычислительной химии, квантовой химии, молекулярного
моделирования)
GaussView 5.0 (вспомогательная программа которая поможет нам обработать
результаты полученные в программе Gaussian 09)
AIMQB (программный пакет, который будем использовать для расчета зарядов
ядер атомов в полученных молекулах и для нахождения критических точек бассейнов
атомов)
AIMStudio (программа, которая позволяет анализировать результаты расчета в
программе AIMQB)
С помощью программы GaussView 5.0 мы
построили приблизительную структуру катиона имидазолия. С помощью функций
программы мы строим определенную команду, по которой программа Gaussian 09
выполняет расчет необходимых нам параметров, для катиона имидазолия она
выглядит так
# opt (maxcycle=600)
b3lyp/6-31gkat
Где в первой строчке мы задаем
команду
opt - расчет оптимальных параметров молекулы
maxcycle=600 - максимальное количество шагов которое может использовать
программа для выполнения расчета оптимизации
b3lyp/6-31g - это тип решения уравнения Шредингера, с помощью которого
система и определяет оптимизированные параметры
В третьей строчке находится названия
файла который программа будет рассчитывать
В пятой строчке у нас находятся
заряд молекулы (+1) и мультиплетность (1)
Далее следуют координаты нахождения
атомов в пространстве, которые мы получаем при приблизительном построении
молекулы в GaussView 5.0
Полученный текстовый документ
переводим в формат. GJF для Gaussian 09.
После этого программа Gaussian 09
будет рассчитывать параметры нашей молекулы и ответ нам выдаст в файле форматом
Output file. Полученный файл мы просматриваем с помощью GaussView 5.0 и
получаем структуру необходимой нам молекулы (Рис. № 1)
Рис. № 1 структура катиона
имидозолия
На рис. № 1 указана структура
катиона имидазолия, где синим цветом обозначены атомы азота (№1 и 2), серым
атомы углерода (№3,4,5,9,13), белым цветом атомы водорода.
Из полученной структуры мы видим,
что в молекуле есть двойная связь между 4 и 5 атомами углерода, и две
локализованных связи между 2 и 3, 1 и 3 атомами.
Энергия молекулы - 305.14222023 a.
u. или - 801,15 Мдж/моль. Также программа нам распределение электронной
плотности по поверхности молекулы
Рис. № 2 распределение электронной
плотности по поверхности катиона имидозолия
На рис. № 2 мы видим распределения
электронной плотности по поверхности молекулы, красным цветом обозначены
положительно заряженные зоны а зеленным цветом отрицательно заряженные.
Полученную молекулы в расчете
Gaussian 09 мы рассчитываем в программе AIMQB, для получения зарядов на атомах
в молекуле и нахождения критичных точках между бассейнами атомов, ответ нам
дается в формате. sumwiz
Полученный результат открываем с
помощью программы AIMStudio (рис № 3)
Рис. № 3 расположение критических
точек связей
На рис № 3 мы видим катион
имидазолия, зеленные точки между атомами на связях это критические точки бассейнов
атомов.
Также расчет нам дал результат
заряда каждого атома в молекуле (табл. №1)
Табл. № 1. заряды на атомах в
катионе имидазолия
№
|
атом
|
Заряд (q)
|
1
|
N1
|
-0.998622
|
2
|
N2
|
-0.998591
|
3
|
C3
|
+0.831012
|
4
|
C4
|
+0.326848
|
5
|
C5
|
+0.326793
|
6
|
H6
|
+0.146728
|
7
|
H7
|
+0.146742
|
8
|
H8
|
+0.165821
|
9
|
C9
|
+0.281730
|
10
|
H10
|
+0.085388
|
11
|
H11
|
+0.085383
|
12
|
H12
|
13
|
C13
|
+0.281712
|
14
|
H14
|
+0.085389
|
15
|
H15
|
+0.074704
|
16
|
H16
|
+0.085388
|
Σ
|
|
+1.001122
|
Из таблицы №1 мы видим что суммарный
заряд катиона имидазолия равен +1.001122. Таким образом мы рассчитали параметры
которыми будем оперировать в дальнейших расчетах. Это структура вещества,
распределение электронной плотности по поверхности молекулы, заряды на атомах в
молекуле.
Такие же расчеты мы проводим для
аниона тетрафторбората
Строим приблизительную структуру и
файл команды для программы расчета, он у нас имеет вид
# opt (maxcycle=300)
b3lyp/6-31g
Где в первой строчке
opt - команда для расчета оптимизации
maxcycle=300-максимальное количество шагов системы, надо заметить что для
аниона тетрафторбората необходимо меньше шагов чем для катиона имидазолия, так
как в нем меньше атомов чем в катионе
В 3 строчке название файла который
мы рассчитываем. Заряд молекулы - 1, а мультиплетность 1. Дальше идут
координаты атомов в пространстве.
Данный файл обрабатываем в программе
Gaussian 09 и результаты открываем в программе GaussView 5.0 и получаем
структуру нашего аниона (рис 4)
параметр молекула катион анион
Рис. 4 структура аниона
тетрафторбората
На рис. 4 мы видим структуру аниона
тетрабората. Светло-караловым цветом обозначен атом бора (№1), светло голубым
цветом атомы фтора (№ 2,3,4,5). Гибридизация этой молекулы sp3, то есть молекула
имеет вид тетраэдра. Имена такую структура и предлагает нам программа.
Расстояние между атомом брома и фтором одинаково во всех 4 случаях
Энергия молекулы - 424.43406867 a.
u. или - 1114,351647 Мдж/моль
С помощью GaussView 5.0
рассматриваем распределение елктронной плотности по поверхности молекулы (рис.
№ 5)
Рис. № 5 распределение електронной
плотности по поверхности аниона тетрафторбората
На рис №5 изображенно распределение
елктронной плотности по поверхности аниона тетрафторбората, где желтым и
оранжевым показаны положительно заряженные зоны а бордовым отрицательно
Полученный результат пересчитываем
на критические точки граници бассейнов атомов и заряды атомов с помощью AIMQB.
Полученный файл открываем с помощью
AIMStudio (рис. №6)
Рис. № 6 критические точки связей
тетрафторборат аниона
На рис № 6 зелеными точками
обозначены критические точки связей. Также из расчета AIMQB мы взяли заряд на
атомах в молекуле аниона (табл. №2)
Таблица № 2. Заряд атомов в молекуле
тетрафторборат аниона
#
|
атом
|
Заряд (q)
|
1
|
B1
|
+2.241243
|
2
|
F2
|
-0.810001
|
3
|
F3
|
-0.810001
|
4
|
F4
|
-0.810001
|
5
|
F5
|
-0.810001
|
Σ
|
|
-0.998761
|
Суммарный заряд этой молекулы больше
чем - 1, как видно из табл. №2