CC BY
14
УДК 547.64:544.183.25
В. А. Бабкин, А. В. Игнатов, Д. С. Андреев, А. А. Крутилин, К. Ю. Прочухан, Г. Е. Заиков
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ МОЛЕКУЛ ИЗОМЕРОВ
3-МЕТИЛБУТЕН-1 И 2-МЕТИЛБУТЕН-2 МЕТОДОМ AB INITIO
Ключевые слова: квантово-химический расчет, метод AB INITIO, 3-метилбутен-1, 2-метилбутен-2, кислотная сила.
В настоящей статье представлены квантово-химические расчеты молекул 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2 методом AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом. Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединений. Теоретически оценена их кислотная сила (рКа =36 и 34). Установлено, что молекулы 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2 относятся к классу очень слабых кислот (pKa>14)
Keywords: quantum chemical calculation, method AB INITIO, 3-methylbutene-1, 2-methylbutene-2, acid strength.
This article presents the quantum-chemical calculations of the molecules 3-methylbutene-1 and 2-methylbutene-2 in the 6-311G** basis has been performed by the AB INITIO method with geometry optimization of all parameters by the standard gradient method. Optimized geometric and electronic structure of these compounds is obtained. Their acid strengths (pKa = 36 and 34) are theoretically evaluated. We have established that the researched molecules relate to the class of very weak acids (pKa>14).
Введение
Пентен - классический олефин электрофильной полимеризации, имеющий 6 изомеров [1-2]. Первые результаты квантово-химических расчётов полуэмпирическим методом MNDO были опубликованы в работах [3-6]. Очевидно, что квантово-химический расчёт этих субстратов методом AB INITIO есть шаг вперёд по сравнению с полуэмпирическими методами в связи с тем, что этот метод более точно оценивает их энергетические характеристики [7]. В ряду изучаемых мономеров - пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2 - первые четыре были рассчитаны методом AB INITIO в работах [8-9].
В связи с этим, целью настоящей работы является квантово-химический расчет пятого и шестого мономеров пентена из
вышепредставленного ряда - 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2, методом AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в программу Firefly [10], который частично основан на исходном коде GAMESS (US)
[11], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе и теоретическая оценка их кислотной силы. Для визуального представления модели молекулы использовалась программа MacMolPlt
[12].
Результаты расчетов
Оптимизированное геометрическое и электронное строение, и квантово-химические характеристики молекул 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2, полученные методом AB INITIO в базисе 6-311G**, показаны на рис.1-2 и в табл.1-3. Применяя корреляционное соотношение рКа = 49.04-134.61qmaxH+ [13-14] (qmaxH+ = +0,1 и +0,11 -максимальные заряды на атомах водорода, рКа -универсальный показатель кислотности (табл.1-4),
определяем значения кислотной силы, равное рКа = 36 и 34.
Н11
Рис. 1 - Геометрическое и электронное строение молекулы 3-метилбутен-1 (метод AB INITIO) (Е0= -512376 кДж/моль)
Рис.2 - Геометрическое и электронное строение молекулы 2-метилбутен-2 (метод AB INITIO) (Е0= -512379 кДж/моль)
Таблица 1 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы 3-метилбутен-1 (метод AB INITIO,)
Длины связей R,A Валентные углы Град
C(2)-C(14) 1.53 C(3)-C(14)-C(2) 111
C(3)-C(1) 1.32 C(4)-C(14)-C(2) 111
C(4)-C(14) 1.53 C(3)-C(14)-C(4) 111
H(5)-C(1) 1.08 C(3)-C(1)-H(5) 122
H(6)-C(1) 1.08 C(3)-C(1)-H(6) 122
H(7)-C(2) 1.09 C(14)-C(2)-H(7) 111
H(8)-C(2) 1.09 C(14)-C(2)-H(8) 111
H(9)-C(2) 1.09 C(14)-C(2)-H(9) 111
H(10)-C(3) 1.08 C(1)-C(3)-H(10) 119
H(11)-C(4) 1.09 C(14)-C(4)-H(11) 111
H(12)-C(4) 1.09 C(14)-C(4)-H(12) 111
H(13)-C(4) 1.09 C(14)-C(4)-H(13) 111
C(14)-C(3) 1.51 C(1)-C(3)-C(14) 126
H(15)-C(14) 1.09 C(3)-C(14)-H(15) 108
Таблица 2 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы 2-метилбутен-2 (метод AB INITIO)
Длины связей R,A Валентные углы Град
C(2)-C(14) 1 52 C(3)-C(14)-C(2) 122
C(3)-C(1) 1 51 C(4)-C(14)-C(2) 116
C(4)-C(14) 1 51 C(3)-C(14)-C(4) 122
H(5)-C(1) 1 08 C(3)-C(1)-H(5) 111
H(6)-C(1) 1 09 C(3)-C(1)-H(6) 112
H(7)-C(2) 1 09 C(14)-C(2)-H(7) 111
H(8)-C(2) 1 08 C(14)-C(2)-H(8) 111
H(9)-C(2) 1 09 C(14)-C(2)-H(9) 111
H(10)-C(3) 1 08 C(1)-C(3)-H(10) 116
H(11)-C(4) 1 09 C(14)-C(4)-H(11) 111
H(12)-C(4) 1 09 C(14)-C(4)-H(12) 111
H(13)-C(4) 1 08 C(14)-C(4)-H(13) 112
C(14)-C(3) 1 32 C(1)-C(3)-C(14) 125
H(15)-C(1) 1 09 C(3)-C(1)-H(15) 112
Таблица 3 - Общая энергия (Е0 , кДж/моль), максимальный заряд на атоме водорода (qmaxH+) и универсальный показатель кислотности (рКа) мономеров (метод AB INITIO)
№ Мономер Ее 4max рКа
1 3-метилбутен-1 -512376 +0,1 36
2 2-метилбутен-2 -512379 +0,11 34
Заключение
В настоящей работе был выполнен квантово-химический расчет молекул 3-метилбутен-1 и 2-
метилбутен-2 методом AB INITIO в базисе 6-311G*. Определено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединений. Теоретически оценена их кислотная сила (рКа = 36 и 34). Установлено, что олефины 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2 относятся к классу очень слабых Н-кислот (pKa>14).
Литература
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Пентены
2. http://www.xumuk.rU/encyklopedia/2/3230.html
3. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Прочухан Ю.А., Прочухан К.Ю., Стоянов О.В., Заиков Г.Е. Пентен-1 и цис-пентен-2. Теоретическая оценка кислотной силы. Вестник технол. ун-та. 2015. Т.18, №13, с.12-14.
4. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Савченко О.В., Прочухан К.Ю., Заиков Г.Е. Изомеры транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1. Теоретическая оценка кислотной силы. Вестник технол. ун-та. 2015. Т.18, №14, С.27-29.
5. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Фомичёв В.Т., Прочухан К.Ю., Заиков Г.Е. Изомеры 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2. Теоретическая оценка кислотной силы. Вестник технол. ун-та. 2015. Т.18, №15, с.21-23.
6. 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 ун-та. 2015. Т.18, №16, С.69-71.
7. В.Г. Цирельсон. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. 421 с.
8. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Прочухан К.Ю., Заиков Г.Е. Квантово-химический расчёт молекул изомеров пентен-1 и цис-пентен-2 методом AB INITIO. Вестник технол. ун-та. 2015. Т.18, №16, С.71-73
9. Бабкин В.А., Игнатов А.В., Андреев Д.С., Прочухан К.Ю., Заиков Г. Е. Квантовохимический расчёт молекул изомеров транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 методом AB INITIO. Вестник технологического ун-та. 2015. Т.18, №19, С.40-42
10. Alex A. Granovsky, Firefly version 8, www http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
11. 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)
12. B.M. Bode and M.S. Gordon. MacMolPlt: A Graphical User Interface for GAMESS. J. Molec. Graphics. №16. Р. 133-138, 1998.
13. Бабкин В.А., Андреев Д.С.. Квантово-химический расчет молекулы 2-метилбутена-1 методом AB INITIO. В сборнике статей кафедры МиЕНД СФ ВолгГАСУ «Квантово-химический расчёт уникальных молекулярных систем» г. Волгоград, изд-во ВолГУ, том 1, с. 159-161.
14. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Фомичев В.Т., Титова Е.С. Квантовохимический расчет молекулы 4-дифторметокси-2-этилсульфанил-1,3-дигидропиримидина методом AB INITIO. Вестник Волгоград. гос. ун-та. Сер.10, Инновационная деятельность, Вып.7, 2012. С.46-48
© В.А. Бабкин — д-р хим. наук, проф., академик РАЕ, [email protected]; А. В. Игнатов — бакалавр Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; Д. С. Андреев — асп. Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, [email protected]; А.А.Крутилин — к.т.н., доц. каф. «Строительные материалы и строительные технологии» Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, [email protected]; К. Ю. Прочухан - канд. хим.наук, доц. кафедр ВМС и ОХТ химического факультета Башгосуниверситета, [email protected]; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., каф.технологии пластических масс КНИТУ, [email protected].
© V. A. Babkin - Doctor of Chemical Sciences, professor, academician of international academy "Contenant", academician of Russian Academy of Nature, E-mail: [email protected]; 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, [email protected]; A.A. Krutilin — Candidate of Engineering Sciences, professor of department "Construction materials and building technologies" of Volgograd State Architecture Building University, Sebryakov's Branch, [email protected]; K. Yu. Prochukhan — Candidate of Chemical Sciences, professor of HMC department of Bashkir State University, [email protected]; G. E. Zaikov - Doctor of Engineering Sciences, professor of department "Technology of plastic masses" of KNRTU, [email protected].
