Интенсивность полос поглощения в ИК-спектрах

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

ИНТЕНСИВНОСТЬ ПОЛОС ПОГЛОЩЕНИЯ В ИК-СПЕКТРАХ

Интегральная интенсивность ИК-полосы поглощения для основного тона, как известно, пропорциональна квадрату производной дипольного момента молекулы по нормальной координате (?м/?Q)². Происхождение зависимости дипольного момента от Q связано как со смещением атомов, несущих заряд, так и с изменением самих зарядов или заселенностей АО.

Для расчета интенсивностей достаточно вычислить дипольный момент для равновесного и неравновесного значений Q, что существенных технических трудностей не представляет, хотя требует знания формы колебания. Из полуэмпирических методов для расчета интенсивности ИК-полос поглощения используются методы ППДП/2, ЧПДП, МЧПДП/3 и МПДП. Результаты находятся в полуколичественном согласии с экспериментом, т.е. квантовохимический расчет позволяет определить, какие линии должны быть интенсивными, какие - слабыми, а какие экспериментально наблюдать невозможно. Сказать, что какой-либо из перечисленных выше методов дает более точные результаты, не удается. По-видимому, все зависит от выбора молекул.

С более высокой точностью можно рассчитать различия интенсивностей линий однотипных колебаний в рядах сходных по строению молекул. Так, для полосы валентного колебания связи С=С у производных этилена получена довольно хорошая корреляция с экспериментом. В этой работе было бы уместно сделать следующий шаг и дать объяснение экспериментально обнаруженным закономерностям, в частности более высокой интенсивности полос поглощения у молекул с электронодонорными заместителями. Однако на практике решать такие задачи трудно, так как обычно наблюдаемый эффект обусловлен не одним ведущим термом, а их совокупностью.

Неэмпирические методы позволяют получить более точные результаты по сравнению с полуэмпирическими расчетами при вычислении интенсивности ИК-линий поглощения. Так, в работе показано, что интенсивности линий в ИК-спектрах ацетилена, этилена и этана, вычисленные в минимальном базисе, получаются в одинаковой степени заниженными и умножение вычисленных значений на коэффициент 1,2 приводит к хорошему количественному согласию с экспериментом. Однако расчеты интенсивностей линий в ИК-спектрах поглощения более сложных углеводородов и молекуле гетероатомами показывают, что в минимальном базисе достаточно точных результатов получить не удается. Для достижения количественного согласия с экспериментом базис необходимо расширять; причем необходимо включать в него поляризационные орбитали.

В некоторых работах удалось подобрать базисы специально для расчета интенсивности линий в ИК-спектрах поглощения. Однако в большинстве случаев эти базисы не являются универсальными и пригодны лишь для сравнительно узкого класса молекул. Наиболее удачный результат получен в работе [167]. Ее авторам благодаря специальному подбору орбитальных экспонент и коэффициентов группировки удалось подобрать достаточно универсальный базис 3.1 без поляризационных орбиталей, который достаточно широко используется в настоящее время. Например, в работе в этом базисе вычислены интенсивности линий в ИК-спектрах NН₃, РН₃, NF₃ и РF₃. Результаты вычислений правильно передали относительные интенсивности линий, но абсолютные значения получились завышенными приблизительно в 1,5 раза. Для достижения хорошего количественного согласия с экспериментом для абсолютных значений интенсивностей ИК-линий в базис необходимо включать поляризационные орбитали, причем для деформационных орбиталей этот эффект выражен сильнее [169].

Таким образом, мы видим, что, хотя в области разработки квантовохимических методик вычислений интенсивностей полос поглощения в ИК-спектрах в настоящее время сделано очень много, хорошо апробированных способов расчета пока нет. Поэтому использовать результаты квантовохимических расчетов для интерпретации экспериментальных данных в этой области следует с определенной осторожностью. Однако с их помощью уже сегодня удается решать некоторые задачи и получать ответы на вопросы, представляющие интерес для специалистов в области молекулярной спектроскопии. Например, можно с достаточно высокой точностью определять знаки производных дипольного момента. Если производные достаточно велики, то их знаки одинаковы при расчетах всеми методами, как полуэмпирическими, так и неэмпирическими, и их можно считать более или менее надежными; различия получаются только для некоторых деформационных колебаний связей С--Н.

Сведения об электронном строении и свойствах органических соединений в возбужденных состояниях очень скудны. Они сравнительно мало доступны для эксперимента, и возможность привлечения методов квантовой химии представляется очень важной. Следует отметить, что изучение возбужденных состояний имеет большое значение не только для характеристики оптических свойств молекул, но и для понимания особенностей и механизмов фотохимических реакций.

Приближение Хартри - Фока для молекул с замкнутой оболочкой, описанное в гл. 1, позволяет рассчитать волновую функцию основного состояния Ш_о. При изучении электронно-возбужденных состояний в схему расчета необходимо внести некоторые изменения. Наиболее простой модификацией является приближение виртуальных орбиталей [170], в котором все одноэлектронные МО рассчитываются стандартным методом Хартри - Фока для основного состояния при расположении на каждой занятой МО пары электронов с противоположными спинами. После нахождения самосогласованных коэффициентов разложения МО по АО, энергий МО и полной энергии молекулы, один из электронов "переносится" с занятой МО m на вакантную МО r. Энергию такого перехода вычисляют как разность энергий электрона на этих МО:

Е(m>r) = Е(r) -Е(m) - (J_mr - 2K_mr),

где J_mr и K_mr - кулоновский и обменный интегралы,

J_mr= <mm|rr>; K_mr= <mr|mr>.

Величина (J_mr - 2K_mr) учитывает образование вакансии на МО m при электронном переходе m>z. Основной недостаток приближения виртуальных орбиталей заключается в том„ что все МО при электронном переходе считаются неизменными.

Другими способами, широко используемыми для изучения геометрии и электронной структуры молекул в возбужденных состояниях, являются ограниченный и неограниченный методы Хартри-Фока для открытых оболочек и полуэлектронный метод Дьюара.

Уравнения, необходимые для проведения расчетов ограниченным методом Хартри-Фока электронных волновых функций для соединений с открытыми оболочками, получены Рутаном. Они значительно сложнее, чем для систем с замкнутыми оболочками, но в работах предложены вполне приемлемые способы их решения, и в настоящее время ограниченный метод Хартри-Фока применяется некоторыми авторами для неэмпирических расчетов геометрии возбужденных состояний. При использовании неограниченного метода Хартри-Фока для каждой электронной пары вводят два разных набора линейных комбинаций АО, соответствующих электронам с разными спинами. Каждое электронное состояние описывается своим набором коэффициентов, определяющих заселенность МО электронами. Коэффициенты разложения МО по АО определяются из системы уравнений, полученной в работе. В этом приближении электроны перестают быть спаренными, энергии МО для электронов с разными спинами не совпадают (рис. 3.1). Основной недостаток неограниченного метода Хартри-Фока заключается в том, что найденная волновая функция не является собственной функцией квадрата спинового оператора. Таким образом, мы получаем неточное решение, которое может быть улучшено лишь введением дополнительной и весьма трудоемкой процедуры проектирования. Без проектирования энергии возбужденных состояний, вычисленные этим методом, получаются сильно заниженными.

Pис. 3.1 Заполнение МО электронами при расчете волновых функций возбужденных состояний.

В основу полуэлектронного метода Дьюара [176] положены стандартные уравнения Рутана для молекул с замкнутыми оболочками, когда на каждой МО находятся по два электрона, но с измененным числом электронов на двух МО, между которыми произошел электронный переход. Такое описание возбужденного состояния с сохранением стандартных формул ограниченного метода Хартри-Фока для систем с замкнутыми оболочками, по существу, означает заселение МО, занятых одним электроном, двумя половинками электрона с противоположными спинами (см. рис. 3.1). При этом в матричные элементы фокиана войдут интегралы кулоновского взаимодействия между половинками электрона, и неправильно будет учтено обменное взаимодействие между неспаренными электронами. Необходимые в связи с этим поправки Дьюар предложил ввести в итоговые величины полной энергии, сохранив стандартные выражения Рутана для вычисления матричных элементов фокиана. В таком приближении обычные программы для молекул с замкнутыми оболочками изменяются при переходе к изучению возбужденных состояний в наименьшей степени. При этом, однако, коэффициенты разложения МО по базису АО определяются с помощью минимизации неточного выражения для полной энергии. В этом заключается основной недостаток полуэлектронного метода Дьюара.

Наиболее точные результаты для электронно-возбужденных состояний можно получить методом конфигурационного взаимодействия (KB), краткое описание которого дано во введении. При использовании полуэмпирических методов обычно учитывают взаимодействие только между однократно возбужденными состояниями. В этом варианте метода KB волновые функции синглетных электронно-возбужденных состояний Ш_m>r, вычисленные в приближении виртуальных орбиталей, составляют базисный набор:

Ш_m>r= const det[ц₁(1)б(1)ц₁(1')в(1')

ц_m-1(m - 1)в(m - 1)ц(m')в(m')

ц_n(n)б(n)ц_n(n')в(n')ц_r(r)б(r)]

Линейные комбинации этих функций дают более точные волновые функции возбужденных состояний.

здесь m, r, q и t - индексы, которые могут варьироваться от 1 до N, где N - заданный размер матрицы KB (может варьироваться в широких пределах). Коэффициенты С^qt_mr определяются диагонализацией матрицы, построенной из элементов <Ш_m>r|H|Ш_m'_>r'>. Функции Ш_m>r являются однодетерминантными, Ф_q>t, - многодетерминантными. Однако для большинства электронно-возбужденных состояний основной вклад в Ф_q>t дает только одна однодетерминантная функция, а другие вносят лишь небольшую поправку, отражающую изменение МО при возбуждении.

Таблица 3.2 Геометрия молекул в нижнем синглетном электронно-возбужденном состоянии.

Преимущества и недостатки каждого из рассмотренных выше методов исследованы еще недостаточно, но, по-видимому, все они вполне пригодны для расчета геометрии и электронной структуры возбужденных состояний органических соединений. Примеры расчетов геометрии синглетных возбужденных состояний разными методами приведены в таблице 3.2. Согласие с экспериментом получается неплохое. При этом следует отметить, что для спектроскопии и фотохимии нужны не абсолютные значения геометрических параметров, приведенные в таблице, а их изменение при электронном возбуждении; последнее передается квантовохимическими методами намного точнее. ик спектр дьюар хартри фок

С точки зрения затрат машинного времени наиболее экономичным является полуэлектронный метод Дьюара, поэтому он наиболее широко используется в полуэмпирических расчетах. Неэмпирические вычисления чаще всего проводят неограниченным методом Хартри-Фока, однако это, по-видимому, связано с тем, что он включен в наиболее широко распространенные программы ГАУССИАН-76, -80 и -82.

Размещено на Allbest.ru