Расчет оптимальных параметров молекулы с использованием специального программного обеспечения

Тема данной работы является расчет оптимальных параметров молекулы состоящей из катиона имидазолия и аниона тетрафторобората. Для расчета параметров мы воспользуемся следующими программами:

Gaussian 09 (программный пакет для расчета структуры и свойств молекулярных систем в газофазном и конденсированном состоянии, включающая большое разнообразие методов вычислительной химии, квантовой химии, молекулярного моделирования)

GaussView 5.0 (вспомогательная программа которая поможет нам обработать результаты полученные в программе Gaussian 09)

AIMQB (программный пакет, который будем использовать для расчета зарядов ядер атомов в полученных молекулах и для нахождения критических точек бассейнов атомов)

AIMStudio (программа, которая позволяет анализировать результаты расчета в программе AIMQB)

С помощью программы GaussView 5.0 мы построили приблизительную структуру катиона имидазолия. С помощью функций программы мы строим определенную команду, по которой программа Gaussian 09 выполняет расчет необходимых нам параметров, для катиона имидазолия она выглядит так

# opt (maxcycle=600) b3lyp/6−31g

imidas kat

Где в первой строчке мы задаем команду

opt — расчет оптимальных параметров молекулы

maxcycle=600 — максимальное количество шагов которое может использовать программа для выполнения расчета оптимизации

b3lyp/6−31g — это тип решения уравнения Шредингера, с помощью которого система и определяет оптимизированные параметры В третьей строчке находится названия файла который программа будет рассчитывать В пятой строчке у нас находятся заряд молекулы (+1) и мультиплетность (1)

Далее следуют координаты нахождения атомов в пространстве, которые мы получаем при приблизительном построении молекулы в GaussView 5.0

Полученный текстовый документ переводим в формат. GJF для Gaussian 09.

После этого программа Gaussian 09 будет рассчитывать параметры нашей молекулы и ответ нам выдаст в файле форматом Output file. Полученный файл мы просматриваем с помощью GaussView 5.0 и получаем структуру необходимой нам молекулы (Рис. № 1)

Рис. № 1 структура катиона имидозолия На рис. № 1 указана структура катиона имидазолия, где синим цветом обозначены атомы азота (№ 1 и 2), серым атомы углерода (№ 3,4,5,9,13), белым цветом атомы водорода.

Из полученной структуры мы видим, что в молекуле есть двойная связь между 4 и 5 атомами углерода, и две локализованных связи между 2 и 3, 1 и 3 атомами.

Энергия молекулы — 305.14 222 023 a. u. или — 801,15 Мдж/моль. Также программа нам распределение электронной плотности по поверхности молекулы Рис. № 2 распределение электронной плотности по поверхности катиона имидозолия На рис. № 2 мы видим распределения электронной плотности по поверхности молекулы, красным цветом обозначены положительно заряженные зоны, а зеленным цветом отрицательно заряженные.

Полученную молекулы в расчете Gaussian 09 мы рассчитываем в программе AIMQB, для получения зарядов на атомах в молекуле и нахождения критичных точках между бассейнами атомов, ответ нам дается в формате. sumwiz

Полученный результат открываем с помощью программы AIMStudio (рис № 3)

Рис. № 3 расположение критических точек связей На рис № 3 мы видим катион имидазолия, зеленные точки между атомами на связях это критические точки бассейнов атомов.

Также расчет нам дал результат заряда каждого атома в молекуле (табл. № 1)

Табл. № 1. заряды на атомах в катионе имидазолия

Из таблицы № 1 мы видим что суммарный заряд катиона имидазолия равен +1.1 122. Таким образом мы рассчитали параметры которыми будем оперировать в дальнейших расчетах. Это структура вещества, распределение электронной плотности по поверхности молекулы, заряды на атомах в молекуле.

Такие же расчеты мы проводим для аниона тетрафторбората Строим приблизительную структуру и файл команды для программы расчета, он у нас имеет вид

# opt (maxcycle=300) b3lyp/6−31g

BF4

Где в первой строчке

opt — команда для расчета оптимизации

maxcycle=300-максимальное количество шагов системы, надо заметить что для аниона тетрафторбората необходимо меньше шагов чем для катиона имидазолия, так как в нем меньше атомов чем в катионе В 3 строчке название файла который мы рассчитываем. Заряд молекулы — 1, а мультиплетность 1. Дальше идут координаты атомов в пространстве.

Данный файл обрабатываем в программе Gaussian 09 и результаты открываем в программе GaussView 5.0 и получаем структуру нашего аниона (рис 4)

параметр молекула катион анион Рис. 4 структура аниона тетрафторбората На рис. 4 мы видим структуру аниона тетрабората. Светло-караловым цветом обозначен атом бора (№ 1), светло голубым цветом атомы фтора (№ 2,3,4,5). Гибридизация этой молекулы sp3, то есть молекула имеет вид тетраэдра. Имена такую структура и предлагает нам программа. Расстояние между атомом брома и фтором одинаково во всех 4 случаях Энергия молекулы — 424.43 406 867 a. u. или — 1114,351 647 Мдж/моль С помощью GaussView 5.0 рассматриваем распределение елктронной плотности по поверхности молекулы (рис. № 5)

Рис. № 5 распределение електронной плотности по поверхности аниона тетрафторбората На рис № 5 изображенно распределение елктронной плотности по поверхности аниона тетрафторбората, где желтым и оранжевым показаны положительно заряженные зоны, а бордовым отрицательно Полученный результат пересчитываем на критические точки граници бассейнов атомов и заряды атомов с помощью AIMQB.

Полученный файл открываем с помощью AIMStudio (рис. № 6)

Рис. № 6 критические точки связей тетрафторборат аниона На рис № 6 зелеными точками обозначены критические точки связей. Также из расчета AIMQB мы взяли заряд на атомах в молекуле аниона (табл. № 2)

Таблица № 2. Заряд атомов в молекуле тетрафторборат аниона

Суммарный заряд этой молекулы больше чем — 1, как видно из табл. № 2