CC BY
16
УДК 547.514.72:544.183.26
В. А. Бабкин, Д. С. Андреев, В. В. Трифонов, А. В. Игнатов, Н. Г. Лебедев, О. В. Стоянов, Г. Е. Заиков
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛ НАФТАЛИНА И АНТРАЦЕНА МЕТОДОМ AB INITIO В РАМКАХ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МОДЕЛИ ГРАФЕНОВ
Ключевые слова: квантово-химический расчет, метод AB INITIO, нафталин, антрацен, кислотная сила.
Впервые выполнен квантово-химический расчет молекул нафталина и антрацена методом ABINITIO 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 = 37 и 36). Установлено, что молекулы нафталина и антрацена относятся к классу очень слабых кислот (pKa>14).
Keywords: quantum chemical calculation, method AB INITIO, naphthalene, anthracene, acid strength.
First quantum-chemical calculation of the molecules of naphthalene and anthracene by AB INITIO method in 6-311G** basis with geometry optimization of all parameters by standard gradient method has been performed. The optimized geometric and electronic structure of these compounds has been obtained. Their acid strengthes (pKa = 37 and 36 respectively) have been theoretically evaluated. We have established that the researched molecules relate to a class of very weak acids (pKa>14).
Введение
Результаты расчетов
Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2-гибридизации и соединённых посредством с- и п-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа и ~5^103 Вт^м-]^К-1 соответственно) [1]. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники [2] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах [3]. Несмотря на открытие графенов еще в 2004 Геймом и Новоселовым [4] до сих пор квантовохимические расчеты методом AB INITIO даже линейных графенов в 1,2,3,4,5,6 и т.д. гексогонов в рамках молекулярных моделей не выполнялись, что несомненно представляет интерес с точки зрения получения новых закономерностей на электронном наноуровне в изучаемых объктах.
В связи с этим, целью настоящей работы является квантово-химический расчет молекул нафталина и антрацена [5] методом AB INITIO в базисе 6-311G** с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в PC GAMES S [6], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе и теоретическая оценка их кислотной силы, как первого шага в изучении вышеотмечавшихся закономерностей. Для визуального представления модели молекул использовалась известная программа MacMolPlt [7].
Оптимизированное геометрическое и электронное строение, общая энергия и электронная энергия молекул нафталина и антрацена получены методом AB INITIO в базисе 6-311G** и показаны на рис.1, 2 и в табл.1-3. Применяя известную формулу рКа=49.04-134.6ЦтахН+ [8], с успехом используемую, например, в работах [9-10], (qmaxH+ = +0.09 и +0,1 - максимальные заряды на атоме водорода, рКа- универсальный показатель кислотности см. табл.1) находим значения кислотной силы равные рКа = 37 и 36 соответственно.
Таблица 1 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы нафталина
Длины связей R,A Валентные углы Град
C(2)-C(1) 1.41 C(5)-C(6)-C(1) 121
C(3)-C(2) 1.42 C(1)-C(2)-C(3) 119
C(4)-C(3) 1.36 C(12)-C(2)-C(3) 122
C(5)-C(4) 1.42 C(2)-C(3)-C(4) 121
C(6)-C(5) 1.36 C(3)-C(4)-C(5) 120
C(6)-C(1) 1.42 C(4)-C(5)-C(6) 120
H(7)-C(3) 1.08 C(2)-C(1)-C(6) 119
H(8)-C(4) 1.08 C(2)-C(3)-H(7) 119
H(9)-C(5) 1.08 C(3)-C(4)-H(8) 120
H(10)-C(6) 1.08 C(4)-C(5)-H(9) 120
C(11)-C(1) 1.42 C(5)-C(6)-H(10) 120
C(12)-C(2) 1.42 C(1)-C(6)-H(10) 119
C(13)-C(12) 1.36 C(2)-C(1)-C(11) 119
C(13)-C(14) 1.42 C(1)-C(2)-C(12) 119
C(14)-C(11) 1.36 C(14)-C(13)-C(12) 120
H(15)-C(12) 1.08 C(2)-C(12)-C(13) 121
H(16)-C(13) 1.08 C(11)-C(14)-C(13) 120
H(17)-C(14) 1.08 C(1)-C(11)-C(14) 121
H(18)-C(11) 1.08 C(2)-C(12)-H(15) 119
C( 12)-C( 13)-H( 16) 120
C( 14)-C( 13)-H( 16) 120
C( 11 )-C( 14)-H( 17) 120
C(1)-C(11)-H(18) 119
Рис. 1 - Геометрическое и электронное строение
молекулы нафталина. (Е0=-1006514 кДж/моль, Еэл=-2215545 кДж/моль)
Таблица 2 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы антрацена
Длины связей R,A Валентные углы Град
C(2)-C(1) 1.42 C(5)-C(6)-C(1) 121
C(3)-C(2) 1.44 C(1)-C(2)-C(3) 119
C(4)-C(3) 1.35 C(12)-C(2)-C(3) 122
C(5)-C(4) 1.43 C(2)-C(3)-C(4) 121
C(6)-C(5) 1.35 C(3)-C(4)-C(5) 120
C(6)-C(1) 1.44 C(4)-C(5)-C(6) 120
H(7)-C(3) 1.08 C(2)-C(1)-C(6) 119
H(8)-C(4) 1.08 C(2)-C(3)-H(7) 119
H(9)-C(5) 1.08 C(3)-C(4)-H(8) 120
H(10)-C(6) 1.08 C(4)-C(5)-H(9) 119
C(11)-C(1) 1.39 C(5)-C(6)-H(10) 121
C(12)-C(2) 1.39 C(1)-C(6)-H(10) 119
C(13)-C(12) 1.39 C(2)-C(1)-C(11) 119
C(13)-C(14) 1.42 C(1)-C(2)-C(12) 119
C(13)-C(20) 1.44 C(14)-C(13)-C(12) 119
C(14)-C(11) 1.39 C(20)-C(13)-C(12) 122
H(15)-C(12) 1.08 C(2)-C(12)-C(13) 121
H(16)-C(11) 1.08 C(11)-C(14)-C(13) 119
C(17)-C(14) 1.44 C(19)-C(20)-C(13) 121
C(18)-C(17) 1.35 C(17)-C(14)-C(13) 119
C(19)-C(18) 1.43 C(1)-C(11)-C(14) 121
C(20)-C(19) 1.35 C(20)-C(13)-C(14) 119
H(21)-C(17) 1.08 C(2)-C(12)-H(15) 119
H(22)-C(18) 1.08 C(1)-C(11)-H(16) 119
H(23)-C(19) 1.08 C(11)-C(14)-C(17) 122
H(24)-C(20) 1.08 C(14)-C(17)-C(18) 121
C(17)-C(18)-C(19) 120
C(18)-C(19)-C(20) 120
C(14)-C(17)-H(21) 119
C(17)-C(18)-H(22) 120
C(18)-C(19)-H(23) 119
C(19)-C(20)-H(24) 121
№
Рис. 2 - Геометрическое и электронное строение молекулы антрацена. (Е0 = -1407281 кДж/моль, Еэл = -3430187 кДж/моль)
Таблица 3 - Общая энергия (Е0), электронная энергия (Еэл), максимальный заряд на атоме водорода ^тахн+) и универсальный показатель кислотности (рКа) молекул
Мономер -Ео (кДж/моль) -Еэл (кДж/моль) a H+ nmax pKa
Нафталин 1006514 2215545 +0,09 37
Антрацен 1407281 3430187 +0,1 36
Таким образом, нами впервые выполнен квантово-химический расчет молекул нафталина и антрацена методом AB INITIO в базисе 6-311G**. Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этих соединений. Теоретически оценена их кислотная сила, рКа = 37 и 36. Установлено, что нафталин и антрацен относятся к классу очень слабых Н-кислот (pKa>14).Кроме того, необходимо отметить, что полученные результаты весьма близки расчетам,выполненным методом MNDO [5].
Литература
1. Balandin A. A. cond-mat/0802.1367
2. Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40, 228 (2007)
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Графен
4. K.S. Novoselov, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 666 (2004); D0I:10.1126/science.1102896
5. Бабкин В.А., Трифонов В.В., Лебедев Н.Г., Дмитриев В.Ю., Андреев Д.С., Стоянов О.В., Заиков Г.Е. Квантово-химический расчет нафталина и антрацена методом MNDO в приближении линейной молекулярной модели графена. г. Казань. Вестник Казанского технологического университета. 2013г., Т16, №7, с.7-9.
6. 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, andanothers. J. Comput. Chem.14, 1347-1363, (1993).
7. Bode, B. M. and Gordon, M. S. J. Mol. Graphics Mod., 16, 1998, 133-138.
8. Babkin V.A., Fedunov R.G., Minsker K.S. and anothers. Oxidation communication, 2002, №1, 25, 21-47.
9. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Потапов С.С., Игнатов А.В., Стоянов О.В., Заиков Г.Е. Влияние
местоположения гидроксильной группы в бензольном кольце на кислотную силу некоторых молекул производных оксистиролов. г.Казань. Вестник Казанского технологического университета. 2013г., Т16, №19, с.43-46.
10. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Игнатов А.В., Денисов А.А., Бахолдин И.И., Ярошевская Х.М., Заиков Г.Е.
Влияние метокси-группы в бензольном кольце на кислотную силу некоторых производных метокси-стиролов. г.Казань. Вестник Казанского технологического университета. 2013г., Т16, №22, с.17-20.
© В. А. Бабкин - д-р хим. наук, проф., нач. научн. отдела Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, Babkin_v.a@mail.ru; Д. С. Андреев - асп. Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, power_words@mail.ru; В. В. Трифонов - студ. Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; А. В. Игнатов - студ. Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та; Н. Г. Лебедев - д-р физ.-мат. наук, проф. каф. теоретической физики и волновых процессов ФизТех при ВолГУ, lebedev.ng@mail.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф.. зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mail.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики РАН, Москва, chembio@sky.chph.ras.ru.
© V. A. Babkin - Doctor of Chemical Sciences, prof., Head of Science department of Volgograd State Architecture Building University, Sebryakov's Branch, Babkin_v.a@mail.ru; D. S. Andreev - graduate student of Volgograd State Architecture Building University, power_words@mail.ru; V. V. Trifonov - student of Volgograd State Architecture Building University; A. V. Ignatov -student of Volgograd State Architecture Building University; O. V. Stouanov - Doctor of Engineering Sciences, professor of department technology of plastic masses of KNRTU, stoyanov@mail.ru; G. E Zaikov - Doctor of Chemical Sciences, prof. Institute of biochemical physics RAS, Moskau, chembio@sky.chph.ras.ru.
