CC BY
1
МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ КРЕЗОЛА В ВОЗДУХЕ ПО КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ
СПЕКТРАМ
П.Н. Алиев, студент
Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева (Россия, г. Астрахань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-10-2-136-139
Аннотация. В статье проводится анализ населённости трёх изомеров молекулы крезола на основе статистики Больцмана. В рамках теории функционала плотности DFT/B3LYP с базисным набором 6-31G(d) выполняется вычисление колебательных спектров данных изомеров. Приводятся теоретические ИК- и КР-спектры крезола с учётом населённости изомеров. Данные спектры могут служить образцом для обнаружения крезола в воздухе по экспериментально снятым колебательным спектрам.
Ключевые слова: крезол, изомеры крезола, ИК-спектр, КР-спектр, Gaussian, молекулярное моделирование.
В настоящее время методы колебательной спектроскопии активно используются в области техносферной безопасности и экологии как средств быстрой и недорогой, в отличие от газовой хроматографии, возможности обнаружения того или иного соединения в воздухе [1-3]. Не являются исключением и вредные для человеческого организма ксентобио-тики, возникающие на предприятиях, например, при переработке нефтепродуктов. К таким соединениям относится крезол [4-5]. Крезол при вдыхании оказывает пагубное влияние на функционирование нервной системы, а также может вызывать сильные химические ожоги кожи и слизистых оболочек. Поэтому актуальным для обеспечения техносферной безопасности является возможность экстренной проверки воздуха на наличие данного соединения.
Анализ населённости изомеров крезола
Молекула крезола представляет собой метил-замещённый фенол. Как известно из органической химии, крезол имеет 3 изомера [5], отличающихся между собой положением метилового радикала -CH3 относительно гидроксильной группы -OH. Согласно номенклатуре ИЮПАК, 2-метилфенол носит название орто-крезола (о-крезол), 3-метилфенол -мета-крезола (м-крезол) и 4-метилфенол - пара-крезола (п-крезол). На рисунке 1 представлены структурно-динамические модели упомянутых изомеров с использованием программы «GaussView 5.0.8», которые были оптимизированы к минимуму потенциальной энергии по теории функционала плотности с базисным набором 6-31G(d) программы «Gaussian 09» [6].
Рис. 1. Структурно-динамические модели молекулы крезола: (а) - о-крезол, (б) - м-крезол, (в) - п-крезол.
Согласно статистике Больцмана по значениям энергий молекул был выполнен расчёт констант равновесия каждого изомера в конденсированном состоянии вещества, исходя
из чего была получена населённость изомеров крезола. Результат вычислений представлен в таблице 1.
Таблица 1. Населённость изомеров к
резола
Изомер Энергия E, a.u. Разница энергий AE, a.u. Константа равновесия к Населённость P, %
Орто-крезол -346,78352657 0,00000000 1,00000000 55,72
Мета-крезол -346,78293207 0,00059450 0,53485542 29,81
Пара-крезол -346,78224577 0,00128080 0,25972174 14,47
Из данных приведённой таблицы можно заметить, что наиболее вероятным изомером крезола является о-крезол, далее по уменьшению вероятности идут м- и п-крезолы. Учёт населённости изомеров в дальнейшем проводился путём произведения характерного значения того или иного спектра на долю населённости данного изомера.
Теоретические колебательные спектры крезола
В рамках того же квантово-химического метода был выполнен расчёт фундаментальных частот колебаний функциональных групп каждого из изомеров крезола в виде теоретических ИК- и КР-спектров. Упомянутые спектры были сложены с учётом населённости. Таким образом, получены колебательные спектры крезолов в целом. Данные спектры представлены на рисунках 2 и 3.
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750
\Vavenumber, ст"1
Рис. 2. Теоретический ИК-спектр крезолов
Wavenumber, cm" Рис. 3. Теоретический КР-спектр крезолов
Заключение
На основе химической структуры крезола были построены структурно-динамические модели его изомеров - о-, м-, и п-крезола. Данные изомеры были оптимизированы к минимуму энергии согласно квантово-химическому методу DFT/B3LYP/6-31G(d). Вычислена населённость изомеров.
В рамках того же метода были получены теоретические колебательные спектры каждого из изомеров, которые далее были сложены с учётом населённости. Полученные теоретические спектры могут служить эталонами при анализе воздуха на территории нефтеперерабатывающих предприятий методами ИК- и КР-спектроскопии на избыточное содержание паров крезола.
Библиографический список
1. Илларионова Л.В., Аносова Е.Б. Токсическая и пожарная опасность современных синтетических материалов, применяющихся в строительстве // Химическая безопасность. - 2017. - Т. 1. - № 2. - С. 176-182.
2. Котоменкова О.Г. Использование инфракрасной спектроскопии для оценки качества и безопасности текстильных материалов // Швейная промышленность. - 2015. - № 4. - С. 17-20.
3. Панькин Д.В. и др. Применение метода спектроскопии комбинационного рассеяния в экологическом анализе // Всероссийская научная конференция с международным участием «Земля и космос» к столетию академика РАН КЯ Кондратьева. - 2020. - С. 270-275.
4. Зайцева Н.В., Клейн С.В., Седусова Э.В. Установление и доказательство вреда здоровью гражданина, наносимого негативным воздействием факторов среды обитания // Здоровье населения и среда обитания. - 2013. - № 11 (248). - С. 4-6.
5. Зайцева Н. В. и др. Обоснование концентраций в крови фенола и алкилфенолов (о-, м-, п-крезолы), обеспечивающих приемлемый уровень риска для здоровья населения // Гигиена и санитария. - 2011. - № 1. - С. 90-93.
6. Gaussian 09, Revision A.02, M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, et al, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.
THE METHOD OF DETECTING CRESOL IN THE AIR BY VIBRATIONAL SPECTRA P.N. Aliev, Student
Astrakhan State University named after V.N. Tatishchev (Russia, Astrakhan)
Abstract. The article analyzes the population of three isomers of the cresol molecule based on Boltzmann statistics. Within the framework of the DFT/B3LYP density functional theory with a base set of 6-31G(d), the vibrational spectra of these isomers are calculated. Theoretical IR and Raman spectra of cresol are given, taking into account the population of isomers. These spectra can serve as a sample for the detection of cresol in the air from experimentally captured vibrational spectra.
Keywords: cresol, cresol isomers, IR spectrum, Raman spectrum, Gaussian, molecular modeling.
