Квантово-химические расчёты зарядов олигоэтилентриэтоксисилана – как основа устойчивости промежуточного и переходного состояний

АННОТАЦИЯ

В статьи рассматривается квантово-химические методы расчеты олигоэтилентриэтоксисилана. Дается предварительная оценка геометрию молекулы и проводится расчеты устойчивость промежуточного и переходного состояний. При этом используется методы квантовой химии, для получения информацию об электронной плотности, распределении электронной плотности.

ABSTRACT

The article discusses quantum-chemical methods for calculating oligoethylenetriethoxysilane. A preliminary estimate of the geometry of the molecule is given and the stability of the intermediate and transition states is calculated. In this case, the methods of quantum chemistry are used to obtain information about the electron density, the distribution of the electron density.

Ключевые слова: полуэмпирические методы, PM3, трехмерная структура, тетраэтоксисилан, низкомолекулярный полиэтилен, олигоэтилентриэтоксисилан.

Keywords: semi-empirical methods, PM3, three-dimensional structure, tetraethoxysilane, low molecular weight polyethylene, oligoethylene triethoxysilane.

Введение

В настоящее время кремниевые органические системы и материалы широко используются во всех областях. Они обладают рядом ценных свойств: высокой термостойкостью, морозо- и светостойкостью и др.

Исследования, проведенные советскими учеными в 1935-1939 гг. было обнаружено, что кислородсодержащие соединения кремния, такие как SiO₂ или другие неорганические кислородсодержащие соединения кремния, имеют тенденцию к образованию полимеров. Полимеры, содержащие силоксановые атомные группы и боковые органические радикалы, непосредственно связанные с атомами кремния, были первоначально синтезированы и описаны в этих работах и названы полиорганосилоксанами [1 – 2].

Есть три свойства, которые отделяют кремний от углерода:

1. Кремний имеет сродство к кислороду, которое трудно отделить от кислорода. 2. Кремний реагирует при высоких температурах, но медленно реагирует с атомами при комнатной температуре (химики говорят, что его энергия активации высока). 3. Соединения ковалентного кремния (гидриды, фториды и хлориды) нестабильны (в отличие от соединений углерода), легко окисляются на воздухе и разлагаются в воде (химики считают, что атомная структура кремния содержит атомные орбитали d-уровня, и поэтому он на четыре порядка похож на углерод. вместо этого образует шесть химических связей).

Известно, что кремний отличается от углерода тем, что это еще один элемент с более крупными и сложными атомами. К счастью, все элементы обладают химическими «индивидуальными» и уникальными химическими свойствами.

Следующим важным шагом в открытии нового химического состава кремния было производство в 1865 году в Германии нескольких кремниевых органических соединений французским химиком Чарльзом Фриделем и американским химиком Джеймсом Мейсоном. Эти органические производные кремния были новыми типами соединений, в которых эти органические группы были напрямую связаны с кремнием, а не кислородом или каким-либо другим элементом, таким как тетраэтилсилан - бесцветная жидкость (точка кипения 15-40°C)), устойчивый в воде и на воздухе.

В этом отношении они значительно отличались от отношений, которые установил Джек Эбельман. В соединениях, которые он получил, например в тетраэтоксисилане (бесцветная гидролизуемая жидкость с температурой кипения 1660°С), органические группы были связаны с кремнием кислородом.

Молекулы TEOS проходят в 4 этапа согласно замене 4 этоксигрупп на гидроксильные группы. Расчеты реагентов и продуктов в этих реакциях позволяют определить характер изменения энтальпии на разных стадиях, спрогнозировать смещение равновесия в этих обратимых процессах, а также учесть влияние молекул растворителя. Перед такими расчетами необходимо построить модели ультрамикронного и микронного масштабов [3].

Экспериментальная часть

Целью данной работы является выполнение квантово-химических расчетов молекул реагентов и продуктов на разных стадиях реакции поликонденсации. Они обладают высокими защитными свойствами, низким водопоглощением, стабильностью свойств в широком диапазоне температур, не разлагаются под воздействием атмосферных факторов. Квантово-химические расчеты проводились с использованием лицензионного пакета программ Gaussian-09. Аналогичные расчеты приведены в [4-5].

Используя методы квантовой химии, можно получить информацию об электронной плотности, распределении электронной плотности, областях потенциальных реакций и различных спектроскопических расчетах. Методы квантовой химии в настоящее время являются самыми дешевыми, простыми и универсальными методами изучения электронной структуры молекул. Однако полностью отказаться от традиционных экспериментальных методов исследования веществ невозможно. Потому что традиционные методы учитывают все внешние факторы. Из-за сложной природы веществ, температуры, растворителей, катализаторов и так далее.

Распределение зарядов в атомах молекулы исследуемого вещества показывает, что кремний проявляет высокие заземляющие свойства из-за высокого сродства к электрону атома кислорода в молекуле исходного материала (рис.1.).

Было обнаружено, что атом углерода в этиленовой связи в образовавшемся олигомере органического кремния был связан с электромагнитным атомом кислорода и что величина заряда электрона в направлении атома углерода была равна заряду атома кислорода (рис.2.).

Рисунок 2. Распределение зарядов в атомах молекулы олигоэтилентриэтоксисилана

Распределение заряда на атоме кремния составляет 1,173 в тетраэтоксисилане и 1,193 в олигоэтилентриэтоксисилане. Увеличение этого заряда на атоме кремния вызывает образование олигомера.

Были изучены квантово-химические расчеты веществ, выбранных для синтеза кремнийорганических веществ, результаты которых приведены в таблице. Электронная структура и энергетические свойства выбранных молекул (полная энергия, энергия образования, теплота образования, энергия электронов, ядерная энергия, дипольный момент, заряд атома кислорода) и их реакционный центр могут быть предварительно определены.

Таблица 1.

Квантово-химические расчеты используемых соединений

Значения проанализированной полной энергии, энергии образования, теплоты образования, энергии электронов, ядерной энергии, дипольного момента, заряда атома кислорода также показывают, что полученные результаты соответствуют общим законам. На основании представленных выше результатов также можно сделать вывод о легкой полимеризации синтезированного вещества.

Квантово-химические расчеты первичных химикатов, математическое моделирование полученных результатов важны при планировании химических реакций, особенно при определении технологических параметров реакций и при разработке технологий.

Выводы. В этой статье представлены квантово-химические расчеты исходных материалов и образованных соединений: трехмерная структура молекулы, распределение заряда и электронная плотность каждого атома в молекуле, полная энергия молекулы, энергия и теплота образования молекулы, энергия электронов, ядерная энергия и дипольные моменты атомов, входящих в состав молекулы.

Список литературы:

1. Андрианов К. А. // Журнал общей химии (ЖОХ), 8, 1255 (1938).
2. Котон М. М. ЖПХ, 12, 1435 (1939).
3. Гусейнова С. Н. Расчет и свойства кремнийорганических нитрилов и их неорганических производных. Дисс. Уфа - 2017 г. С. 125.
4. Ахмедов В.Н., Олимов Б.Б., Назаров Ш.К. Электронная структура и квантово-химические расчёты виниловых эфиров фенолов // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2020. № 4 (70).
5. Абдурахмонов С.Ф., Умаров Б.Б., Худоярова Э.А. Синтез и исследование методами ик спектроскопии и квантовой химии малоноилгидразона салицилового альдегида // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2020. № 10(76).