Результати виконаної роботи

Вступ

 

Інформація про будову речовини має велике значення у сучасній хімії. Предмет будова речовини дуже цікавий та важливий, тому що можливості цього предмету дозволяють проводити квантовохімічні дослідження, розрахунки, використовуючи комп’ютерні технології. Квантовохімічний розрахунок дає можливість визначити енергію, електронну структуру хімічної частинки, геометричні характеристики молекули (кут, довжину хвилі, торсійний кут), дипольні моменти молекул, теплоти хімічних реакцій, потенціальні криві для внутрішніх обертань, ентропію хімічних сполук, електронну густину, енергію хімічних зв’язків, енергії дисоціації хімічних зв’язків, електронну спорідненість, проводити розрахунок і аналіз ІЧ-спектрів.

Метою роботи є вивчення залежності деяких властивостей молекул від їх конфігурації шляхом квантовохімічного розрахунку.

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні задачі:

Ø Встановити рівноважні геометричні конфігурації досліджуваних об’єктів та розрахувати параметри їх електронної будови;

Ø Провести конформаційний аналіз об’єктів;

Ø Розрахувати вертикальний та адіабатичний потенціал іонізації; для цього провести відповідні квантовохімічні розрахунки катіон-радикалів;

Ø Розрахувати електронну спорідненість; для цього провести відповідні квантовохімічні розрахунки аніон-радикалів;

Ø Розрахувати енергію розриву хімічного зв’язку.

Лабораторна робота № 1

Моделювання та розрахунок молекулярної структури хімічних частинок

Теоретична частина.

Речовина - ансамбль хімічних частинок, однакових за будовою та властивостями. Для того, щоб дізнатися будову речовини, треба знати будову хімічних частинок - знати з яких атомів вони складаються, і як останні пов'язані та розташовані один відносно іншого. Таке модельне уявлення внутрішнього устрою хімічної частинки зветься конфігурацією.

Конфігурація молекули може бути рівноважною чи усередненою. Рівноважна молекулярна конфігурація - конфігурація молекул, що відповідає мінімуму їх повної енергії.

Щоб описати молекулярну структуру, треба знати параметри молекулярної геометрії - довжини валентних зв'язків, валентні та торсійні кути.

В усіх комп'ютерних програмах використовуються квантовохімічні методи розрахунку енергії та електронної структури хімічних частинок - методи розрахунку молекул основані на наближеному розв'язку рівняння Шредингера (АМ1, РМ3, МNDO).

Спочатку для молекули проводиться оптимізація молекулярної геометрії - це пошук такого просторового положення атомів, при якому загальна потенціальна енергія частинки є мінімальною, - а вже потім квантовохімічний розрахунок.

Для квантовохімічного розрахунку в цій роботі використовувався метод MNDO. Це метод квантовохімічного розрахунку енергій та електронної структури хімічних частинок. Цей метод був впроваджений в 1977 році і для параметризації цього методу було використано всього 39 сполук. Метод MNDO є дещо застарілим методом розрахунку і поступається місцем більш новим методам, таким як, AM1, PM3 та PM6. Також у цій роботі використовувались такі комплекси програм структурної хімії як HyperChem 8.0 та MOPAC 97.

Оптимізацію вказаних структурних елементів хімічної частинки було проведено використовуючи процедуру «eigenvector following» за алгоритмом Бейкера.

В цій роботі використовувалися такі ключові слова:

 

Ключові слова	Ключове слово забезпечує
PM3	Розрахунок електронної структури буде проведено цим методом
1SCF	Розрахунок електронної структури для заданої геометричної конфігурації молекулярної системи в режимі статичної моделі
EF	Оптимізацію вказаних структурних елементів хімічної частинки процедурою «Eigenvector Following» за алгоритмом Бейкера
LET GNORM	Оптимізацію вказаних структурних елементів хімічної частинки з вказаною граничною величиною норми градієнта, при досягненні якої програма завершує процес розрахунку і переходить до видачі результатів
CHARGE	Квантовохімічний розрахунок з вказаною величиною заряду молекулярної системи або атома
DOUBLET	Розрахунок атомів, радикалів та іон-радикалів, хімічних частинок з непарним числом електронів
T	Максимальний час в секундах, який відводиться для квантовохімічного розрахунку
GRADIENTS	Виведення блоку інформації з величинами норми градієнта для кожного структурного елемента, який оптимізувався
VECTORS	Виведення лише тієї частини блоку МО, яка включає граничні МО
VECTORS ALLVEC	Виведення повного блоку МО
BONDS	Виведення блоку порядків зв’язків
ENPART	Розрахунок та виведення енергій двохатомних взаємодій
FORCE THERMO(298) ISOTOPE ROT=1	Розрахунок та виведення ентропії

 

У роботі досліджувалися наступні об'єкти:

- син та анти - конформації пероксиазотистої кислоти;

-   син та анти - конформації дихлорметилпероксиазотистої кислоти.

Мета. Освоєння методики моделювання заданої конфігурації молекулярних систем.

Завдання до лабораторної роботи.

1. Використовуючи програмний комплекс побудувати моделі син і анти-періпланарних конформацій пероксиазотистої кислоти (O)NOOH та дихлорметилпероксиазотистої кислоти (O)NOOCHCl₂ відповідно до заданих молекулярних параметрів:

для sp-конформації (O)NOOH: <NOOH=90^o, <OON(O)=0^o;

для ap-конформації (O)NOOH: <NOOH=90^o, <OON(O)=180^o;

для sp-конформації (O)NOOCHCl₂: <NOOC=90^o, <OON(O)=0^o;

для ap-конформації (O)NOOCHCl₂: <NOOC=90^o, <OON(O)=180^o.

2. Провести квантовохімічні розрахунки sp- та ap- конформацій (O)NOOH та (O)NOOCHCl₂ в режимі оптимізації молекулярної геометрії, використовуючи програмний комплекс MOPAC 97.

Результати виконаної роботи

Для того, щоб підготувати файл з розширенням zmt необхідно, використовуючи програму HyperChem, побудувати 3D модель молекулярного об’єкта. Отриману модель молекули зберегли у файлі з розширенням zmt (для цього в меню File вибрали Save As та розширення zmt). Дала назву файлам син-(O)NOOH.zmt та син-(O)NOOCHCl₂.zmt, антисин-(O)NOOH.zmt та антисин-(O)NOOCHCl₂.zmt.

У файлі з розширенням zmt зберігається така інформація, як довжина хімічного зв’язку, величина валентного кута, величина кута торсійного фрагмента.

Програма МОРАС працює з файлами, що мають розширення dat. Такий файл підготовлюється наступним чином: використовуючи програму Total Commander, скопіювали отриманий раніше zmt файл завдяки функції «Копія (F5)», при цьому змінюючи розширення zmt на dat.

У файлі з розширенням dat зберігається така інформація: ключові слова, Z-матриця, величини довжин зв’язку, валентних кутів, торсійних кутів.

Файл з розширенням dat має ключові слова, які займають 2 рядка, інформацію користувача, яка займає 1 рядок, Z-матриця починається з 4 рядка і закінчується 0 або пустою строчкою.

В ключових словах вказали:

MNDO - цим методом розрахували електронну структуру;

EF - оптимізацію молекулярної геометрії виконали процедурою Eigenvector Following за алгоритмом Бейкера;

LET GNORM=0.01 - параметри молекулярної геометрії розрахували з граничною величиною норми градієнта 0.01;

GRADIENTS - вивели у файлі результатів величини норми градієнта для кожного геометричного параметра, який оптимізується;

T=3600 - вказали необхідний час для розрахунку в секундах;

VECTORS ALLVEC - вказали, щоб у файлі результатів виводився блок молекулярних орбіталей;

BONDS - вказали, щоб у файлі результатів виводився блок порядків зв’язків;

ENPART - вказали, щоб у файлі результатів виводився блок енергій двоатомних взаємодій, розрахованих в наближенні Маллікена.

У третьому рядку вказали назву речовини та її формулу.

Щоб організувати запуск на виконання завдання в середовищі Total Commander, а також для проведення квантовохімічного розрахунку з використанням MOPAC: курсором помітили файл МОРАС-97.еxe і натиснули комбінацію клавіш Ctrl і Enter. В командному рядку з`явилось ім’я файла МОРАС-97.exe. Курсором помітили файл з розширенням dat і натиснули комбінацію клавіш Ctrl і Enter. В командному рядку з`явилось ім’я файла. Курсор перенесли в командний рядок і вилучили розширення dat та крапку. Для запуску програми МОРАС-97 натиснули клавішу Enter. В робочому вікні MS-DOS з`явилася інформація про хід квантовохімічного розрахунку.

Короткий набір результатів квантовохімічного розрахунку зберігається у файлі з розширенням arc.

Повний набір результатів квантовохімічного розрахунку зберігається у файлі з розширенням out.

В arc та out файлах значиться така інформація - повна енергія, відстань між атомами, ентальпія, дипольні моменти, енергія ВЗМО та НВМО та інше.

Висновки. Виконавши лабораторну роботу я засвоїла методику моделювання заданої конфігурації молекулярних систем на прикладі sp- та ap-конформацій; навчилась проводити квантовохімічний розрахунок молекул O)NOOH та (O)NOOCHCl₂; навчилась працювати з програмами MOPAC 97 та Total Commander; ознайомилась зі структурою arc та out файлів.