Расчет энергетических характеристик гидразоноиндола

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Химико-технологический институт

Кафедра технологии органического синтеза

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Расчет энергетических характеристик гидразоноиндола

Руководитель, проф., д.х.нН.П. Бельская

Студент гр. XЗ-580801Д.С. Бутырина

Екатеринбург, 2013

Введение

молекула гидразоноиндол орбиталь атом

Цели и задачи курсового проекта: провести расчет зарядов на активных центрах молекулы гидразоноиндола, энергий граничных орбиталей. Определить коэффициенты разложения по атомным орбиталям.

Так же в работе проведено сравнение длин связей между атомами в молекуле гидразоноиндола, рассчитанных полуэмперическим методом РМ3, с данными кристаллографии.

Методы исследования: при выполнении работы применялся программный комплекс MOPAC, а также программа визуализации ChemBio3D, которые обеспечивали надежность и корректность квантово-химических расчетов.

Теоретическая часть

Основные физические законы, необходимые для построения математической теории большей части физики и всей химии, полностью известны, трудность только в том, что точное применение этих законов приводит к слишком сложным уравнениям. Следовательно, желательно развить приближенные практические методы, которые могут объяс-нить главные особенности сложных атомных систем без привлечения слишком сложных расчетов

П.А.М. Дирак

Поиск оптимальных путей решения молекулярного уравнения Шрёдингера в рамках схемы ССП изначально шел по двум основным направлениям. Первое из них включает методы ab initio, которые даже в настоящее время редко применяются для расчета молекул и молекулярных фрагментов, содержащих более 10 атомов. Второе - так называемые полуэмпирические методы, в последнее время приобретающие все большую популярность благодаря бурному развитию органической и биоорганической химии. Именно создание и совершенствование этих методов позволило квантовой химии стать рабочим инструментом химика и внедриться в лабораторную практику.

Неэмпирические (ab initio) методы, оставаясь наиболее точными и последовательными расчетными методами квантовой химии, тем не менее обладают принципиальными недостатками, затрудняющими их широкое применение:

• большая трудоемкость расчетов, связанная с тем, что время расчета растет как n4 (где n - число базисных атомных орбиталей (АО)), требует применения суперкомпьютеров уже для молекул с n~200-250

• до сих пор не решена проблема полного учета корреляционной энергии Ecorr, величина которой в некоторых случаях сопоставима с энергией достаточно прочной ковалентной связи, хотя и мала по сравнению с полной энергией молекулы (Etot).

Таким образом, точность расчета должна быть повышена еще, по крайней мере, на порядок!

Полуэмпирические методы являются попыткой решить указанные проблемы.

Используются следующие полуэмперические методы:

Полное пренебрежение дифференциальным перекрыванием (CNDO) - один из первых полуэмпирических методов. Используется для вычисления электронных свойств основного состояния систем с закрытой оболочкой, оптимизации геометрии и общей энергии.

Метод Частичного Пренебрежения Дифференциальным Перекрытием (INDO) - использует приближение нулевого дифференциального перекрывания (НДП) при вычислении двухэлектронных кулоновских и обменных интегралов. Полезен для вычисления электронных свойств основного состояния систем с открытыми и закрытыми оболочками, изучения спиновых плотностей, оптимизации геометрии и общей энергии.

Метод модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием (MNDO) - полуэмпирический метод ССП. Более корректно описывает отталкивание неподеленных электронных пар за счет учета всех двухэлектронных интегралов, содержащих пары атомных орбиталей одного и того же атома, перекрывание атомных орбиталей различных атомов игнорируется (пренебрежение двухатомным дифференциальным перекрыванием).

Модифицированное промежуточное пренебрежение дифференциальным перекрыванием (MINDO) - модифицированный метод INDO. Параметризация резонансных (b_nm) и кулоновских (g_AB) интегралов изменена таким образом, чтобы обеспечить возможность расчета теплот образования, орбитальных энергий, спектров, поверхностей потенциальной энергии. Так, резонансные интегралы b_nm рассчитываются в MINDO по формуле

b_nm=G_AB (I_m +I_n)S_nm ,

где G_AB - безразмерный эмпирический параметр, характеризующий типы взаимодействующих атомов.

AM1 - модель Остин 1: полуэмпирический квантово-химический метод, использующий одну из параметризаций модельного гамильтониана, предложенных группой М. Дьюара. Параметрами служат энергия электрона на валентной орбитали свободного атома, двухцентровые одноэлектронные интегралы, резонансные интегралы, калиброванные по теплотам образования молекул в основном электронном состоянии. Параметры скорректированы на завышение остов-остовного отталкивания при R_АВ > 3 Е. Методом AM1 находят оптимизированные геометрические конфигурации, общую энергию молекул, электронные свойства и теплоту образования. Метод полезен для молекул, содержащих элементы первого и второго периодов периодической таблицы, но не переходные металлы. Качество результатов в большинстве случаев приближается к уровню расчетов ab initio и превосходит метод MNDO, особенно при описании водородных связей.

PM3 (параметрическая модель 3) - версия параметризации метода AM1; дает лучшие оценки теплот образования.

В наиболее простых Полуэмпирических расчетах каждая молекулярная орбиталь для валентных электронов определяется как решение одноэлектронного уравнения Шрёдингера с оператором Гамильтона, содержащим модельный потенциал (псевдопотенциал) для электрона, находящегося в поле ядер и усредненном поле всех остальных электронов системы. Такой потенциал задают непосредственно с помощью элементарных функций или основанных на них интегральных операторов. В сочетании с ЛКАО-приближением подобный подход позволяет для многих сопряженных и ароматических молмолекулярных систем ограничиться анализом p-электронов, для координационных соединений-пользоваться расчетными методами поля лигандов теории и кристаллического поля теории и т.п. При изучении макромолекул, например белков, или кристаллических образований нередко пользуются методы, в которых электронное строение не анализируется, а определяется непосредственно поверхность потенциальной энергии .

Для расчета энергетических характеристик был выбран метод РМ3, так как после минимизации и оптимизации молекулы дал результаты, наиболее близкие к данным для сравнения.

Расчетная часть

Вещество для расчета- гидразоноиндол:

Была выполнена минимизация энергии и пространственная оптимизация молекулы по средствам программного комплекса МАРОС методом РМ3 (рис.1)

Рис.1 Молекула гидразоноиндола (метод РМ3)

В результате расчетов получены следующие энергетические характеристики молекулы :

Энергия образования: 93.79075 KCAL

Потенциал ионизации: 8.43603

Дипольный момент: 2.919

Также получены данные о зарядах на каждом атоме молекулы (таб.1)

Таблица 1. Данные о зарядах на атомах молекулы гидразоноиндола

Для сравнения был представлен кристалл этого вещества, расчитанный методом кристаллографии (рис.2)

Рис.2 Кристалл гидразоноиндола

Было проведено сравнение данных кристаллографии (длин связи между атомами) с данными, получеными при расчетах по методу РМЗ. Результаты сравнения в таблице 2.

Таблица 1. Сравнение длин связей в молекуле гидразоноиндола

Из таблицы видно, что значения длин связей, полученных по методу РМ3, близки к экспериментальный, процент погрешности не высок. Следовательно, данный полуэмперический метод подходит для расчета.

Заключение

В ходе исследовательской работы в рамках курсового проекта были рассчитаны энергетические характеристики молекулы гидразоноиндола.

Были изучены полуэмперические методы расчета, используемые в квантовой химии. На практике был применен метод РМ3.

Список литературы

http://do.gendocs.ru/docs/index-148018.html#4240223

http://www.chem.ac.ru/Chemistry/Soft/MOPAC.ru.html

В.И. Барановский. Квантовая механика и квантовя химия. Уч. пособие. 2008 год.

Хигаси, Баба, Рембаум. Квантовая органическая химия. 1967 год.

Гурвич Л.В. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. 1974 год.

Размещено на Allbest.ru