CC BY
10
УДК 547.64:544.183.25
В. А. Бабкин, А. В. Игнатов, Д. С. Андреев, К. Ю. Прочухан, Г. Е. Заиков
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ МОЛЕКУЛ ИЗОМЕРОВ
ТРАНС-ПЕНТЕН-2 И 2-МЕТИЛБУТЕН-1 МЕТОДОМ AB INITIO
Ключевые слова: квантово-химический расчет, метод AB INITIO, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, кислотная сила.
В настоящей статье представлены квантово-химические расчеты молекул транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 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). Установлено, что молекулы транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 относятся к классу очень слабых кислот (pKa>14).
Keywords: quantum chemical calculation, method AB INITIO, trans-pentene-2, 2-methylbutene-1, acid strength.
This article presents the quantum-chemical calculations of the molecules trans-pentene-2 and 2-methylbutene-1 in the 6-311G** basis has been performed by the AM1 method with geometry optimization of all parameters by the standard gradient method. Optimized geometric and electronic structure of these compounds is obtained. Their acid strength (pKa = 36) is theoretically evaluated. We have established that the researched molecules relate to the class of very weak acids (pKa>14).
Введение
Известно, что пентен - классический мономер катионной полимеризации, содержит 6 изомеров [12]. Квантово-химические расчёты были впервые выполнены в работах [3-6] полуэмпирическим методом MNDO. Несомненно, представляет интерес квантово-химический расчёт этих мономеров методом AB INITIO в связи с тем, что этот метод более точно оценивает эти энергетические характеристики [7]. В ряду изучаемых мономеров - пентен-1, цис-пентен-2, транс-пентен-2, 2-метилбутен-1, 2-метилбутен-2 и 3-метилбутен-1 - первые два были рассчитаны методом AB INITIO в работе [8].
В связи с этим, целью настоящей работы является квантово-химический расчет третьего и четвёртого изомеров пентена из представленного ряда -транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1, методом AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в PC GAMESS [9], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе и теоретическая оценка их кислотной силы. Для визуального представления модели молекулы использовалась программа MacMolPlt [10].
Результаты расчетов
Оптимизированное геометрическое и электронное строение, общая энергия и электронная энергия молекул транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 получены методом AB INITIO в базисе 6-311G** и показаны на рис.1-2 и в табл.1-2 и работах [11] Используя формулу рКа = 49.04-134.61qmaxH+ [12-16] (qmaxH+ = +0,1 — максимальный заряд на атоме водорода, рКа — универсальный показатель кислотности см. табл.1-4), находим значение кислотной силы, равное рКа = 36.
Таким образом, нами впервые выполнен кванто-во-химический расчет молекул транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 методом AB INITIO в базисе 6-311G*. Получено оптимизированное геометрическое и
электронное строение этого соединения. Теоретически оценена его кислотная сила рКа = 36. Установлено, что транс-пентен-2 и 2-метилбутен-1 относятся к классу очень слабых Н-кислот (рКа>14).
Рис. 1 - Геометрическое и электронное строение молекулы транс-пентен-2. (Е0= -512379 кДж/моль, Еэл= -962745 кДж/моль) [4]
Рис. 2 - Геометрическое и электронное строение молекулы 2-метилбутен-1. (Е0= -512384 кДж/моль, Еэл= -974896 кДж/моль)
Таблица 1 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы транс-пентен-2
Длины связей R,A Валентные углы Град
C(2)-C(1) 1.50 C(1)-C(2)-C(3) 128
C(3)-C(2) 1.32 C(2)-C(3)-C(4) 129
C(4)-C(3) 1.51 C(3)-C(4)-C(5) 112
C(5)-C(4) 1.53 C(2)-C(1)-H(6) 113
H(6)-C(1) 1.08 C(2)-C(1)-H(7) 110
H(7)-C(1) 1.09 C(1)-C(2)-H(8) 114
H(8)-C(2) 1.08 C(2)-C(3)-H(9) 117
H(9)-C(3) 1.08 C(3)-C(4)-H(10) 111
H(10)-C(4) 1.08 C(3)-C(4)-H(11) 108
H(11)-C(4) 1.09 C(4)-C(5)-H(12) 111
H(12)-C(5) 1.09 C(4)-C(5)-H(13) 111
H(13)-C(5) 1.09 C(4)-C(5)-H(14) 111
H(14)-C(5) 1.09 C(2)-C(1)-H(15) 110
H(15)-C(1) 1.09
Таблица 2 - Общая энергия (Е0 , кДж/моль), максимальный заряд на атоме водорода универсальный показатель кислотности (рКа) мономеров
Мономер Ее E -^эл Omax рКа
транс-пентен-2 -512379 -962745 +0,1 36
2-метилбутен-1 [11] -512384 -974896 +0,1 36
Литература
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/neHTeHbi
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 технологического университета. 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 технологического университета. 2015, Т.18, №14, с.27-29.
5. В.А. Бабкин, А.В. Игнатов, Д.С. Андреев, В.Т. Фоми-чёв, К.Ю. Прочухан, О.В. Стоянов, Г.Е. Заиков. Изомеры 3-метилбутен-1 и 2-метилбутен-2. Теоретическая
оценка кислотной силы. Вестник технологического университета. 2015, Т.18, №15, с.21-23.
6. Babkin V.A., Ignatov A.V., 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, 69-71.
7. В.Г. Цирельсон. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела.с.421.
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 технологического университета. 2015. Т.18, №16, с.71-73.
9. 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
10. B.M. Bode and M.S. Gordon. MacMolPlt: A Graphical User Interface for GAMESS. J. Molec. Graphics. №16. Р. 133-138, 1998.
11. 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. 159161.
12. 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, Т.15, №8, с.103-114.
13. В.А.Бабкин, Д.С.Андреев, Е.С.Титова, С.С.Потапов, Ю.А.Сангалов. Квантово-химический расчет изоолефи-нов и диенов. Монография. г.Волгоград, Изд-во ВолГУ, 2011г.,71 с.
14. Бабкин В. А., Дмитриев В. Ю., Заиков Г. Е. Квантово-химический расчет молекулы a-глюкозы методом AB INITIO. 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.
15. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Дмитриев В.Ю., Темнико-ва Н.Е., Заиков Г.Е. Квантово-химический расчет молекулы бицикло[6,1,0]нонана методом AB INITIO. Вестник Казанского технологического университета. 2012, №13, с. 115-116
16. Бабкин В.А., Андреев Д. С, Савченко О.В., Русанова С.Н., Заиков Г.Е. Квантово-химический расчет молекулы бицикло[4,1,0]гептана методом AB INITIO. Вестник Казанского технологического университета. 2012г. Т.15, №13,с. 111-112
© В. А. Бабкин - д-р хим. наук, проф., Себряковский филиал Волгоградского госуд. ун-та, babkin_v.a@mail.ru; А. В. Игнатов - бакалавр того же вуза; Д. С. Андреев - асп. Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; К. Ю. Прочухан -канд. хим. наук, доц. каф. ВМС и ОХТ Башкирского госуд. ун-та, dissovet2@rambler.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ.
© V. A. Babkin - Dr. Sci. (Chem.), prof., Engineering of Volgograd State Architecture Building University, Sebryakov's Branch, 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; K. Yu. Prochukhan - Ph.D., professor of HMC department of Bashkir State University, dissovet2@rambler.ru; G. E. Zaikov - Dr. Sci. (Chem.), professor of department "Technology of plastic masses" of KNRTU.
