Квантово-химический расчет тетрацена и пентацена методом MNDO в приближении линейной молекулярной модели графена Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.64:544.183.25

В. А. Бабкин, В. В. Трифонов, Н. Г. Лебедев, В. Ю. Дмитриев,

Д. С. Андреев, О. В. Стоянов, Г. Е. Заиков

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕТРАЦЕНА И ПЕНТАЦЕНА МЕТОДОМ MNDO

В ПРИБЛИЖЕНИИ ЛИНЕЙНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МОДЕЛИ ГРАФЕНА

Ключевые слова: квантово-химический расчет, метод MNDO, тетрацен, пентацен, кислотная сила.

Впервые выполнен квантово-химический расчет молекул тетрацена, пентацена методом MNDO с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединений. Теоретически оценена их кислотная сила (рКа=33). Установлено, что эти близкие к графену соединения, относятся к классу очень слабых кислот (рКа>14).

Keywords: quantum chemical calculation, method MNDO, tetracene, pentacene, acid strength.

For the first time it is executed quantum chemical calculation of a molecule of tetracene, pentacene method MNDO with optimization of geometry on all parameters. The optimized geometrical and electronic structure of this connection is received. Acid force of these molecules is theoretically appreciated. It is established, that it to relate to a class of very weak H-acids (рКа=33 where pKa-universal index of acidity).

Целью настоящей работы является квантово-химический расчет молекул тетрацена и пентацена методом MNDO с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом встроенным в PC GAMESS [1], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе и теоретическая оценка их кислотной силы. Представленные модели, очевидно, являются кластерными линейными моделями графена [2]. Для визуального представления модели молекулы использовалась известная программа MacMolPlt [3].

Результаты расчетов

Оптимизированное геометрическое и электронное строение, общая энергия и электронная энергия молекул тетрацена, пентацена получено методом MNDO и показано на рис.1,2 и в табл.1-4. Применяя известную формулу [4-5] рКа=42.11-147.^™^+ (где qmaxH+ = +0.06 - максимальный заряд на атоме водорода, рКа- универсальный показатель кислотности) ,с успехом используемую

,например в работах [6-12] , находим значение кислотной силы этих соединений рКа=33.

Таким образом, нами впервые выполнен квантово-химический расчет молекул тетрацена, пентацена методом MNDO. Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединения. Теоретически оценена их кислотная сила рКа=33. Установлено, что молекулы этих пи-римидинов обладают одинаковой кислотной силой и относится к классу очень слабых Н-кислот (рКа>14).

Н30 N¿1 43°

Рис. 1 - Геометрическое и электронное строение молекулы тетрацена.

(Е0= -238163 кДж/моль, Еэл= -1510135 кДж/моль)

Таблица 1 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы тетрацена

Длины связей R,A Валентные углы Град Атом Заряды на атомах молекулы

C(1)-C(2) 1.46 C(3)-C(2)-C(1) 118 C(1) -0.04

C(2)-C(3) 1.46 C(14)-C(11)-C(1) 122 C(2) -0.04

C(3)-C(4) 1.37 C(4)-C(3)-C(2) 121 C(3) -0.04

C(4)-C(5) 1.45 C(11)-C(1)-C(2) 119 C(4) -0.06

C(5)-C(6) 1.37 C(5)-C(4)-C(3) 120 C(5) -0.06

C(6)-C(1) 1.46 C(12)-C(2)-C(3) 123 C(6) -0.04

H(7)-C(3) 1.09 C(6)-C(5)-C(4) 120 H(7) 0.06

H(8)-C(4) 1.09 C(1)-C(6)-C(5) 121 H(8) 0.06

H(9)-C(5) 1.09 C(2)-C(1)-C(6) 118 H(9) 0.06

H(10)-C(6) 1.09 C(11)-C(1)-C(6) 123 H(10) 0.06

C(11)-C(14) 1.43 C(4)-C(3)-H(7) 120 C(11) -0.02

C(11)-C(1) 1.40 C(5)-C(4)-H(8) 118 C(12) -0.02

C(12)-C(2) 1.40 C(6)-C(5)-H(9) 121 C(13) -0.04

C(13)-C(12) 1.43 C(1)-C(6)-H(10) 118 C(14) -0.04

C(14)-C(13) 1.44 C(13)-C(14)-C(11) 119 H(15) 0.06

H(15)-C(12) 1.09 C(17)-C(14)-C(11) 122 H(16) 0.06

H(16)-C(11) 1.09 C(1)-C(2)-C(12) 119 C(17) -0.02

C(17)-C(18) 1.40 C(20)-C(13)-C(12) 122 C(18) -0.04

C(17)-C(14) 1.43 C(2)-C(12)-C(13) 122 C(19) -0.04

C(18)-C(19) 1.46 C(17)-C(14)-C(13) 118 C(20) -0.02

C(19)-C(20) 1.40 C(12)-C(13)-C(14) 119 H(21) 0.06

C(20)-C(13) 1.43 C(18)-C(17)-C(14) 122 H(22) 0.06

H(21)-C(17) 1.09 C(2)-C(12)-H(15) 120 C(23) -0.04

H(22)-C(20) 1.09 C(14>C(n)-H06) 118 C(24) -0.06

C(23)-C(24) 1.37 C(19)-C(18)-C(17) 119 C(25) -0.06

C(23)-C(18) 1.46 C(23)-C(18)-C(17) 123 C(26) -0.04

C(24)-C(25) 1.45 C(20)-C(19)-C(18) 119 H(27) 0.06

C(25)-C(26) 1.37 C(24)-C(23)-C(18) 121 H(28) 0.06

C(26)-C(19) 1.46 C(13)-C(20)-C(19) 122 H(29) 0.06

H(27)-C(26) 1.09 C(23)-C(18)-C(19) 118 H(30) 0.06

H(28)-C(25) 1.09 C(14)-C(13)-C(20) 119

H(29)-C(24) 1.09 C(26)-C(19)-C(20) 123

H(30)-C(23) 1.09 C(18)-C(17)-H(21) 120

C(13)-C(20)-H(22) 118

C(25)-C(24)-C(23) 120

C(26)-C(25)-C(24) 120

C(19)-C(26)-C(25) 121

C(18)-C(19)-C(26) 118

C(19)-C(26)-H(27) 118

C(26)-C(25)-H(28) 121

C(25)-C(24)-H(29) 118

C(24)-C(23)-H(30) 120

HP нде 42*1 N¿8 ЩЗ

ш>°'№ ьц£ нгг Kzi Н34

Рис. 2 - Геометрическое и электронное строение молекулы пентацена.

(Е0= -290156 кДж/моль, Еэл= -2000892 кДж/моль)

Таблица 2 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах пентацена

Длины связей R,A Валентные углы Град Атом Зарядні на атомах молекулы

C(1)-C(2) 1.46 С(3)-С(2)-С(1) 118 C(1) -0.04

C(2)-C(3) 1.46 C(14)-C(11)-C(1) 122 C(2) -0.04

C(3)-C(4) 1.37 C(4)-C(3)-C(2) 121 C(3) -0.04

C(4)-C(5) 1.45 C(11)-C(1)-C(2) 119 C(4) -0.06

C(5)-C(6) 1.37 C(5)-C(4)-C(3) 120 C(5) -0.06

C(6)-C(1) 1.46 C(12)-C(2)-C(3) 123 C(6) -0.04

H(7)-C(3) 1.09 C(6)-C(5)-C(4) 120 H(7) 0.06

H(8)-C(4) 1.09 C(1)-C(6)-C(5) 121 H(8) 0.06

H(9)-C(5) 1.09 C(2)-C(1)-C(6) 118 H(9) 0.06

H(10)-C(6) 1.09 C(11)-C(1)-C(6) 123 H(10) 0.06

C(11)-C(14) 1.44 C(4)-C(3)-H(7) 120 C(11) -0.02

C(11)-C(1) 1.39 C(5)-C(4)-H(8) 118 C(12) -0.02

C(12)-C(2) 1.39 C(6)-C(5)-H(9) 121 C(13) -0.04

C(13)-C(12) 1.44 C(1)-C(6)-H(10) 118 C(14) -0.04

C(14)-C(13) 1.45 С(13)-С(14)-С(11) 118 H(15) 0.06

H(15)-C(12) 1.09 СС17)-С(14)-С(11) 122 H(16) 0.06

H(16)-c(ii) 1.09 С(1)-С(2)-С(12) 119 C(17) -0.02

С(17)-С(18) 1.41 С(20)-С(13)-С(12) 122 C(18) -0.04

C(l7)-C(l4) 1.41 С(2)-С(12)-С(13) 122 C(19) -0.04

С(18)-С(19) 1.45 С(17)-С(14)-С(13) 119 C(20) -0.02

C(l9)-C(20) 1.41 C(12)-C(13)-C(14) 118 H(21) 0.06

С(20)-С(13) 1.41 С(18)-С(17)-С(14) 122 H(22) 0.06

H(21)-C(17) 1.09 C(2)-C(12)-H(15) 120 C(23) -0.02

H(22)-C(20) 1.09 C(14)-C(11)-H(16) 118 C(24) -0.04

С(23)-С(24) 1.39 С(19)-С(18)-С(17) 119 C(25) -0.04

С(23)-С(і8) 1.44 СС23)-С(18)-С(17) 122 C(26) -0.02

С(24)-С(25) 1.46 СС20)-С(19)-С(18) 119 H(27) 0.06

С(25)-С(26) 1.39 СС24)-С(23)-С(18) 122 H(28) 0.06

С(26)-С(і9) 1.44 С(13)-С(20)-С(19) 122 C(29) -0.04

H(27)-C(26) 1.09 С(23)-С(18)-С(19) 118 C(30) -0.04

H(28)-C(23) 1.09 С(14)-С(13)-С(20) 119 C(31) -0.06

С(29)-С(32) 1.37 СС26)-С(19)-С(20) 122 C(32) -0.06

С(29)-С(24) 1.46 C(18)-C(17)-H(21) 119 H(33) 0.06

С(30)-С(25) 1.46 C(13)-C(20)-H(22) 119 H(34) 0.06

С(3і)-С(30) 1.37 С(25)-С(24)-С(23) 119 H(35) 0.06

С(32)-С(3і) 1.45 С(29)-С(24)-С(23) 123 H(36) 0.06

H(33)-C(29) 1.09 С(26)-С(25)-С(24) 119

H(34)-C(30) 1.09 С(32)-С(29)-С(24) 121

H(35)-C(31) 1.09 С(19)-С(26)-С(25) 122

H(36)-C(32) 1.09 С(29)-С(24)-С(25) С(18)-С(19)-С(26) С(30)-С(25)-С(26) C(19)-C(26)-H(27) C(24)-C(23)-H(28) С(31)-С(32)-С(29) С(24)-С(25)-С(30) С(25)-С(30)-С(31) С(30)-С(31)-С(32) C(32)-C(29)-H(33) C(25)-C(30)-H(34) C(30)-C(31)-h(35) C(31)-C(32)-H(36) 118 118 123 118 120 120 118 121 120 120 118 121 118

Таблица 3 - Общая энергия(Е0), электронная энергия (Ем), максимальный заряд на атоме водорода ^тахН+), универсальный показатель кислотности (рКа) молекул тетрацена, пентацена

№ Молекулы -Е0 кДж/моль а н+ 4max рКа

1 тетрацена, -238163 +0.06 33

2 пентацена -290156 +0.06 33

Литература

1. M.W.Shmidt, K.K.Baldrosge, J.A. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Enseh, S.Koseki, N.Matsvnaga., K.A. Nguyen, S. J. SU, and anothers. J. Comput. Chem.14, 1347-1363, (1993).

2. K. S. Novoselov, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 666 (2004); DOI: 10.1126/science.1102896

3. B.M. Bode and M.S. Gordon J. Mol. Graphics Mod., 16, 1998, 133-138.

4. V.A. Babkin, R.G. Fedunov, K.S. Minsker and anothers. Oxidation communication, 2002, №1, 25, 21-47.

5. V.A. Babkin and others/ Oxidation communication, 21, №4, 1998, pp 454-460.

6. В.А. Бабкин, В.Ю. Дмитриев, Г.Е. Заиков. Квантовохимический расчет молекулы мономера катионной полимеризации гексен-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 93-95.

7. В.А. Бабкин, В.Ю. Дмитриев, Г.Е. Заиков. Квантовохимический расчет молекулы мономера катионной полимеризации гептен-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ ,2010г., с 95-97.

8. В.А. Бабкин, В.Ю. Дмитриев, Г.Е. Заиков. Квантовохимический расчет молекулы мономера катионной полимеризации декен-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 97-99.

9. В.А. Бабкин, В.Ю. Дмитриев, Г.Е. Заиков. Квантовохимический расчет молекулы мономера катионной полимеризации нонен-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 99-102.

10. В.А. Бабкин, В.Ю. Дмитриев, Г.Е. Заиков. Квантовохимический расчет молекулы мономера катионной полимеризации октен-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 103-104.

11. В.А. Бабкин, Д.С. Андреев. Квантово-химический расчет молекулы изобутилена методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 176-177.

12. В.А. Бабкин, Д.С. Андреев. Квантово-химический расчет молекулы 2-метилбутена-1 методом MNDO. В сборнике научных статей: Квантово-химический расчет уникальных молекулярных систем. Т.1 -Волгоград: изд-во ВолГУ, 2010 г., с 177-179.

© В. А. Бабкин - д-р хим. наук, проф. нач. научн. отдела Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурностроительного ун-та, Babkin_v.a@mail.ru; В. В. Трифонов - студ. того же ун-та, dr.t2v@mail.ru; Н. Г. Лебедев - проф. каф. теоретической физики и волновых процессов Физ-тех. ВолГУ; В. Ю. Дмитриев - асп. ВолгГАСУ; Д. С. Андреев - студ. Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, power_words@mail.ru, О. В. Стоянов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, chembio@sky.chph.ras.ru.