Интерфейс программы GaussView

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Р.В. Цышевский, Г.Г. Гарифзянова, Г.М. Храпковский

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ МЕХАНИЗМОВ

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Учебно-методическое пособие

Казань

КНИТУ

УДК 544.43:544.18

Авторы: Р.В. Цышевский, Г.Г. Гарифзянова, Г.М. Храпковский

Квантово-химические расчеты механизмов химических реакций: Учебно-методическое пособие/ Цышевский Р.В., Гарифзянова Г.Г., Храпковский Г.М., Изд-во КНИТУ, Казань, 2012. – 69 с.

Рассмотрен материал лабораторных работ по изучению механизмов химических реакций с использованием современных квантово-химических методов.

Предназначено для студентов очной, очно-заочной форм обучения химико-технологических направлений, изучающих дисциплину "Катализ и механизмы химических реакций".

Подготовлено на кафедре катализа ФГБОУ ВПО "КНИТУ".

Рецензенты: д-р хим. наук, проф. В.И. Коваленко

д-р хим. наук, проф. А.М. Кузнецов

д-р хим. наук, проф. Ю.Д. Орлов

Предисловие

В последние годы методы квантовой химии существенно расширили область своего применения. Еще сравнительно недавно, 25-30 лет тому назад, полуэмпирические квантово-химические методы использовались преимущественно для изучения молекулярной структуры, интерпретации результатов эксперимента, исследования корреляционных зависимостей параметров геометрической и электронной структуры органических соединений с их реакционной способностью. В настоящее время в связи с развитием средств вычислительной техники и совершенствованием неэмпирических методов стало возможным количественное изучение механизмов сложных многостадийных реакций, в том числе и каталитических процессов.

Сегодня можно констатировать, что квантово-химические методы стали важнейшим инструментом химического исследования; их результаты можно найти практически в любой статье, посвященной вопросам теоретической и прикладной химии. Существенно, что с каждым годом роль теоретических методов исследования непрерывно возрастает. Подобная тенденция прослеживается и при анализе присуждения Нобелевских премий по химии. Среди лауреатов Нобелевской премии по химии можно найти, таких выдающихся ученых, внесших значительный вклад в создание и развитие методов квантовой химии как Л. Полинг, Р. Малликен, Р. Хоффман, Р. Фукуи. В 1998 г. Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Поплу (за разработку вычислительных методов квантовой химии) и Вальтеру Кону (за развитие теории функционала плотности).

Знакомство с теоретическими основами и практическими аспектами использования квантово-химических методов безусловно необходимо химикам-технологам различных специальностей. В нашей стране в последние годы опубликован ряд учебников для химиков[1-7]. Наиболее удачным из них является книга профессора Цирельсона [1]. К сожалению, опубликованные работы из-за большого объёма и значительного времени, необходимого для их освоения, малопригодны для первоначального ознакомления с предметом. В Казанском национальном исследовательском технологическом университете изучению квантово-химических методов уделяется значительное внимание. Эта важная и сложная задача решается в различных общих и специальных курсах. Так, например, на протяжении многих лет сотрудниками кафедры неорганической химии читается курс квантовой химии и квантовой механики для будущих магистров различных специальностей. По материалам этих курсов подготовлено несколько учебных пособий [8, 9], в которых рассматриваются теоретические вопросы квантовой механики и квантовой химии, а также практические аспекты проведения квантово-химических расчетов.

На кафедре катализа КНИТУ для химиков-технологов различных специальностей читается курс «Катализ и механизмы химических реакций», одной из задач которого является получение студентами практических навыков проведения расчетов элементарных стадий многостадийных химических реакций, в том числе и каталитических процессов.

Опыт проведения практических занятий по данному курсу показал необходимость подготовки нескольких учебных и учебно-методических пособий, которые помогли бы студентам освоить новый для них и достаточно сложный материал.

Использование современных компьютеров позволяет проводить квантово-химические исследования за относительно небольшое время. Таким образом, за одно практическое занятие можно исследовать несколько различных механизмов, получить оценки величин энергии активации, константы скорости и предэкспоненциального множителя. В свою очередь использование программ визуализаторов позволяет студентам

· получить данные по геометрии реагентов, продуктов и переходного состояния реакции;

· проследить за изменениями, которые протекают в молекулярной структуре в процессе химической реакции;

В настоящем учебно-методическом пособии основное внимание уделяется методике проведения лабораторных работ по изучению механизмов химических реакций методами квантовой химии. Более подробное рассмотрение различных аспектов теоретического изучения механизмов химических реакций будет осуществлено в учебном пособии, которое в настоящее время готовится сотрудниками нашей кафедры и будет опубликовано позже.

Лабораторная работа № 1 Работа в программе GaussView.

1.1 Знакомство с интерфейсом программы GaussView

Интерфейс программы GaussView

После запуска программы в среде ОС Windows появляются главное и рабочее окна программы (Рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Главное и рабочее окна программы GaussView

Главное окно программы включает в себя Главное меню и Меню инструментов(Рис.1.2).

Главное меню состоит из пунктов: File, Edit, View, Calculate, Results, Windows, Help.

File – предназначен для работы с файлами. В этом пункте находятся следующие команды: New→Create Molecule Group (Ctrl + N) – создать новое рабочее окно программы, Open – открыть уже имеющийся на диске рабочий файл, Save (Ctrl + S) – сохранить файл.

View – позволяет управлять количеством отображаемых элементов рабочего окна программы. По умолчанию включены три пункта: Hydrogens – показывать атомы водорода, Dummies – показывать фиктивный атом, Bonds – показывать связи между валентно связанными атомами.

Для просмотра элементов и порядковых номеров атомов необходимо отметить галочками пункты Symbolsи Labels, соответственно.

Results – позволяет визуализировать параметры полученные по результатам расчета. В этом пункте находятся следующие команды: Vibrations – визуализация частот колебаний; Scan – визуализация кривой зависимости полной электронной энергии от изменения одного или нескольких геометрических параметров; IRC/Path – визуализация спусков по координате реакции; Optimization – визуализация графика изменения энергии в процессе оптимизации структуры молекулы.

Help –вызов справки по большинству вопросов работы с программой.

Рисунок 1.2 Главное меню и Меню инструментов

Меню инструментов.

В данном пункте мы рассмотрим только те функции, которые будут использоваться при выполнении лабораторных работ по данной дисциплине (см. Таблицу 1.1 и Рис. 1.2).

Таблица 1.1 Основные кнопки Меню инструментов программы GaussView

 

	Кнопка «Таблица элементов»
	Кнопка «Циклический фрагмент»
	Кнопка «Радикальный фрагмент»
	Кнопка «Изменение длины связи»
	Кнопка «Изменение валентного угла»
	Кнопка «Изменение двугранного угла»
	Кнопка «Удалить атом»
	Кнопка «Показать молекулярные орбитали»

 

1.2 Создание молекулы в программе GaussView

Создать молекулу в программе GaussView можно двумя способами:

 

· Последовательным добавлением атомов;

· Последовательным добавлением атомов, циклических и радикальных фрагментов.

 

Последний способ является более предпочтительным с технической точки зрения. Это объясняется тем, что циклические и радикальные фрагменты, заложенные в базу программы GaussView, имеют геометрическую структуру близкую к оптимальной, что существенно сокращает время проведения расчета оптимизации геометрических параметров молекулы. Особенно это становится заметным с увеличением размера изучаемой молекулярной системы.

Использование двух перечисленных способов создания молекул рассмотрено ниже в примерах 1.2.1 и 1.2.2.

Пример 1.2.1 Построение молекулы нитроэтана методом последовательного добавления атомов.

 

Основные этапы:

1. Открываем программу GaussView.

2. В Меню инструментов главного окна программы дважды нажимаем кнопку «Таблица элементов» (Таблица 1.1, Рис. 1.2). В появившемся окне Element Fragments выбираем атом углерода в sp³-гибридизации (Рис. 1.3).

3. Нажимаем на любую точку Рабочего окна программы. В результате данного действия в рабочем окне должна появиться молекула метана (Рис. 1.4).

 

Рисунок 1.3 Выбор фрагмента атома углерода

 

Рисунок 1.4 Молекула метана

 

4. Для построения молекулы этана необходимо в Рабочем окне программы нажать на один из атомов водорода молекулы метана (Рис. 1.5).

 

Рисунок 1.5 Молекула этана

 

5. Аналогично пункту «2» в окне «Таблица элементов» выбираем атом азота с валентностью III (Рис. 1.6) и замещаем один из атомов водорода молекулы этана на атом азота. Результатом выполнения первых пяти пунктов является молекула этиламина (Рис. 1.7).

 

Рисунок 1.6 Выбор фрагмента атома азота

 

Рисунок 1.7 Молекула этиламина

 

6. В окне «Таблица элементов» выбираем атом кислорода «Atom» и последовательно замещаем атомы водорода аминогруппы на атомы кислорода (Рис. 1.8). В результате указанных действий задается молекула нитроэтана (Рис. 1.9).

 

Рисунок 1.8 Выбор атома кислорода

 

 

Рисунок 1.9 Молекула нитроэтана

 

Пример 1.2.2. Построение молекулы 2-метил-1,3,5-тринитробензола методом последовательного добавления циклических и радикальных фрагментов.

Основные этапы:

1-3. Первые три этапа совпадают с первыми тремя этапами Примера 1.2.1.

4. Нажимаем два раза кнопку «Циклический фрагмент» в меню инструментов главного окна программы (Таблица 1.1, Рис. 1.2). В окне Ring Fragments выбираем циклический фрагмент, соответствующий молекуле бензола (Рис. 1.10) и замещаем в Рабочем окне программы один из атомов водорода молекулы метана (рис. 1.11) на бензол. В результате получаем молекулу метилбензола.

Рисунок 1.10 Выбор молекулы бензола	Рисунок 1.11 Молекула метилбензола

5. Нажимаем два раза кнопку «Радикальный фрагмент» в Меню инструментов главного окна программы (Таблица 1.1, Рис. 1.2). Выбираем радикальный фрагмент, соответствующий нитрогруппе (Рис. 1.12).

Рисунок 1.12 Выбор радикального фрагмента NO₂

Последовательно замещаем атомы водорода в положении 2, 4 и 6 на нитрогруппы (Рис. 1.13).

Рисунок 1.13 Молекула 2-метил-1,3,5-тринитробензола

Задание 1.2.1:

В программе GaussView создать молекулы:

1. тетранитрометана;

2. гексанитроэтана;

3. орто-, мета- и пара-нитроанилина;

4. 2-ацетилоксибензойной кислоты ;

5. 1-метил-2-этилбензола;

6. 2,2-динитроэтилендиамин (H₂N)₂C=C(NO₂)₂;

7. 1,2,3-тринитроксипропана .

Поиск по сайту: