CC BY
13
УДК547.64:544.183.25: 547.64:544.183.26
В. А. Бабкин, А. В. Игнатов, Д. С. Андреев, О. В. Савченко, В. Т. Фомичёв, К. Ю. Прочухан, Г. Е. Заиков
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН ИЗОМЕРОВ ПЕНТЕНА
Ключевые слова: квантово-химический расчет, AB INITIO, MNDO, пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1,
3-метилбутен-1, 2-метилбутен-2, кислотная сила.
В настоящей статье представлены квантово-химические расчеты изомеров пентена - пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2 методами MNDO и AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом. Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединений. Установлено, что все изучаемые молекулы пентенов обладают одинаковой кислотной силой (рКа = 35-36) и относятся к классу очень слабых кислот (pKa>14).
Keywords: quantum chemical calculation, AB INITIO, MNDO, pentene-1, cis-pentene-2, trans-pentene-2, 2-methylbutene-1, 3-
methylbutene-1, 2-methylbutene-2, acid strength.
This article presents quantum-chemical calculations of the pentene isomers - pentene-1, cis-pentene-2, trans-pentene-2, 2-methylbutene-1, 3-methylbutene-1 and 2-methylbutene-2 performed by the AB INITIO method in the 6-311G** basis and the MNDO method with geometry optimization of all parameters by the standard gradient method. Optimized geometric and electronic structure of these compounds has been obtained. We have established, that the researched molecules have equal acid strength (pKa = 34-36) and relate to the class of very weak acids (pKa>14).
Введение
Пентены представляют собой низкокипящие жидкости, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. Известно [1], что пентены имеют 6 изомеров, включая цис- и трансизомеры: пентен-1 (а-амилен), цис-пентен-2 (цис-Р-амилен), транс-пентен-2 (транс-Р-амилен), 2-метилбутен-1 (у-изоамилен), 3-метилбутен-1 (а-изоамилен) и 2-метилбутен-2 (Р-изоамилен).
Пентены достаточно хорошо изучены экспериментальными физико-химическими
методами [1]. Кроме того, уже начаты исследования некоторых изомеров на электронном наноуровне методами квантовой химии [9-10], но тем не менее, до настоящего времени систематизация данных по квантово-химическим расчётам вышеприведённых изомеров пентена различными методами, и, в частности, MNDO и AB INITIO, не выполнялась.
В связи с этим, целью настоящей работы является систематизация данных квантово-химических расчетов всех шести молекул изомеров пентена - пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2, выполненных методами MNDO и AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в программу Firefly [2], который частично основан на исходном коде GAMESS (US) [3], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе и теоретическая оценка их кислотной силы по методике, неоднократно использовавшейся, например, в работах [5-8]. Для визуального представления модели молекулы использовалась программа MacMolPlt [4].
Результаты расчетов
Общая энергия (Е0 , кДж/моль), максимальный заряд на атоме водорода (qmaxH+), универсальный показатель кислотности (рКа) изомеров пентена
показаны в табл. 1 (метод AB INITIO) и табл. 2 (метод MNDO), из которых видно, что они обладают одинаковой кислотной силой (pKa = 3436) [9-10].
Таким образом, нами впервые представлены данные систематических квантово-химические расчетов молекул изомеров пентена - пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2, выполненных методами AB INITIO в базисе 6-311G** и MNDO. Теоретически оценена их кислотная сила рКа = 3436. Установлено, что изучаемые изомеры пентенов обладают одинаковой кислотной силой и относятся к классу очень слабых Н-кислот (pKa>14).
Таблица 1 - Общая энергия (Е0 , кДж/моль), максимальный заряд на атоме водорода (qmaxH+), универсальный показатель кислотности (рКа) изомеров пентена методом AB INITIO
№ Изомер Ео, кДж/моль q H+ 4max рКа
1 пентен-1 [9] -512376 +0,1 36
2 цис-пентен-2 [9] -512379 +0,1 36
3 транс-пентен-2 [9] -512379 +0,1 36
4 2-метилбутен-1 [9] -512384 +0,1 36
5 3-метилбутен-1 [9] -512376 +0,1 36
6 2-метилбутен-2 [9] -512379 +0,11 34
Таблица 2 - Общая энергия (Е0 , кДж/моль), максимальный заряд на атоме водорода ^тахН+), универсальный показатель кислотности (рКа) изомеров пентена методом М^БО
№ Изомер Е0, кДж/моль q H+ Hmax рКа
1 пентен-1 [10] -75621 +0,05 35
2 цис-пентен-2 [10] -75395 +0,05 35
3 транс-пентен-2 [10] -75398 +0,05 35
4 2-метилбутен-1 [10] -75268 +0,04 36
5 3-метилбутен-1 [10] -76150 +0,05 35
6 2-метилбутен-2 [10] -75284 +0,05 35
Литература
1. https://ra.wikipedia.org/wiki/neHreHbi
2. Alex A. Granovsky, Firefly version 8, www http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
3. M.W. Shmidt, K.K. Baldrosge, J.A. Elbert, M.S. Gordon, and anothers General Atomic and Molecular Electronic Structure Systems. J. Comput. Chem. №14. Р. 1347-1363, 1993
4. B.M. Bode and M.S. Gordon. MacMolPlt: A Graphical User Interface for GAMESS. J. Molec. Graphics. №16. Р. 133-138, 1998.
5. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Заиков Г.Е., Яруллин А.Ф. Квантово-химический расчёт некоторых молекул жидких кристаллов методом MNDO и AB INITIO. Вестник Казанского технологического университета. 2012, №8, С. 103-114
6. В.А.Бабкин, Д.С.Андреев, Ю.А.Сангалов, Е.С.Титова, С.С.Потапов. Квантово-химический расчет изоолефинов и диенов. Монография. г.Волгоград, Изд-во ВолГУ, 2011г.,78 с.
7. Бабкин В. А., Дмитриев В. Ю., Заиков Г. Е. Квантово-химический расчет молекулы а-глюкозы методом AB
INITIO. (Нобелевская премия 1902, Эмиль Фишер). В сборнике научных статей кафедры МиЕНД СФ ВолгГАСУ «Квантовохимический расчет уникальных молекулярных систем». Т. 2. Изд- во ВолГУ, г. Волгоград, 2010 г. с. 16-18.
8. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Фомичев В.Т., Титова Е.С. Квантово-химический расчет молекулы 4-дифторметокси-2-этилсульфанил-1,3-дигидропирими-дина методом AB INITIO. Вестник Волгоградского гос. ун-та. Сер.10, Инновационная деятельность, Вып.7, 2012, с.46-48
9. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Крутилин А.А., Прочухан К.Ю., Заиков Г.Е. Изомеры пентенов. Квантово-химический расчёт методом AB ИМТЮЮ. Вестник технологического университета. 2016, Т.19, №2, С.11-13.
10. Babkin V.A., Ignatov А.У., Andreev D.S., Chulkova A.V., Prochukhan K.Yu., Zaikov G.E. Isomers of pentene: theoretical estimation of acid strength. Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №16, С.69-71.
© В. А. Бабкин - д-р хим. наук, проф., академик РАЕ, babkin_v.a@mail.ru; А. В. Игнатов — бакалавр Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; Д. С. Андреев - асп. Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, power_words@mail.ru; О. В. Савченко - к.ф.-м.н. доц. кафедры математических и естественно-научных дисциплин Себряковского филиала Волгоградского государственного технического университета, sfmen12@yandex.ru; В. Т. Фомичёв - д-р техн. наук, проф., зав. каф. прикладной химии Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; К. Ю. Прочухан - канд. хим. наук, доц. кафедр ВМС и ОХТ химического факультета Башгосуниверситета, dissovet2@rambler.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., каф. технологии пластических масс КНИТУ, chembio@sky.chph.ras.ru.
© V. A. Babkin - Doctor of Chemical Sciences, professor, academician of international academy "Contenant", academician of Russian Academy of Nature, E-mail: Babkin_v.a@mail.ru; A. V. Ignatov - Bachelor of Engineering of Volgograd State Architecture Building University, Sebryakov's Branch; D. S. Andreev - graduate student of Volgograd State Architecture Building University, power_words@mail.ru; O. V. Savchenko - Candidate of Physico-mathematical Sciences, professor of department "Mathematical and Natural Sciences" of Volgograd State Architecture Building University, Sebryakov's Branch, sfmen12@yandex.ru; V. T. Fomichev — Doctor of Engineering Sciences, professor of department "Applied Chemistry" of Volgograd State Architecture Building University; K. Yu. Prochukhan — Candidate of Chemical Sciences, professor of HMC department of Bashkir State University, dissovet2@rambler.ru; G. E. Zaikov - Doctor of Engineering Sciences, professor of department "Technology of plastic masses" of KNRTU, chembio@sky.chph.ras.ru.
