КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ЗАРЯДОВ КРЕМНИОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ – КАК ОСНОВА УСТОЙЧИВОСТИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО И ПЕРЕХОДНОГО СОСТОЯНИЙ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены квантово-химические расчеты исходных материалов и образующихся соединений. Расчеты определили трехмерную структуру молекулы, распределение заряда и электронную плотность каждого атома в молекуле, полную энергию молекулы, энергию и теплоту образования молекулы, энергию электронов, энергию ядер и дипольные моменты атомов, из которых состоит молекула.

ABSTRACT

This paper presents quantum-chemical calculations of the starting materials and the resulting compounds. The calculations determined the three-dimensional structure of the molecule, the charge distribution and electron density of each atom in the molecule, the total energy of the molecule, the energy and heat of formation of the molecule, the energy of electrons, the energy of nuclei, and the dipole moments of the atoms that make up the molecule.

Ключевые слова: тетраэтоксисилана, метакремниевая кислота, олигофенолформалдегидтриэтоксисилана, олигофенолформалдегидомета-силиката, полуэмпирические методы, PM3, трехмерная структура

Keywords: tetraethoxysilane, metasilicic acid, oligophenol formaldehyde triethoxysilane, oligophenol formaldehyde metasilicate, semi-empirical methods, PM3, 3D structure.

Востребованность любого материала определяется научно-техническими проблемами, возникающими при использовании материала. В настоящее время синтез кремнийсодержащих органических соединений и получение на их основе кремнийорганических материалов становится требованием времени. Это связано с тем, что использование органических соединений кремния во многих отраслях, включая машиностроение, строительство, электроэнергетику, транспорт, авиацию, оборону, медицину, текстиль и косметику, еще больше увеличит спрос на них. Важно синтезировать кремнийорганические материалы, определить их свойства, а также разработать конкретные свойства на основе изучаемых химических соединений.

Кремнийорганические полимеры отличаются от других типов полимеров строением макромолекул наличием кремнекислородных (силоксановых) связей. В них молекулы состоят из кремнеземного скелета и разветвленных радикалов.

Неорганические кремнийсодержащие полимеры сочетают в себе свойства силикатных материалов с высокой термостойкостью, прочностью и эластичностью синтетических полимеров, химической стойкостью. Их получают путем синтеза низкомолекулярных кремнийорганических соединений (алкил, арил) из силоксанов.

Благодаря таким свойствам низкомолекулярных кремний-неорганических полимеров (ГЖК-10, ГЖК-11, ГЖК-93, ГЖК-94), как гидрофобность и пластичность, низкому водопоглощению, стабильности свойств в широком диапазоне температур и нераспадаемости при воздействии атмосферных факторов применяют в качестве добавок к краскам, смесям и бетонам для фасадов, устойчивым к влажным условиям. Также он устойчив к различным химическим веществам и растворителям, агрессивному воздействию атмосферы, ионизирующего излучения и света.

Синтетические каучуки получают на основе высокомолекулярных кремнийорганических полимеров линейного строения. Применяются в строительстве в качестве герметиков, изоляционных паст, клеев.

Кроме того, высокомолекулярные кремнийсодержащие неорганические полимеры обладают термостойкостью и чистотой выше 4000°С. Их основу составляют термостойкие лаки и эмали, клеи, газобетон, волокнистые и слоистые пластики.

Последние научные исследования привели к широкому использованию искусственно полученных дисперсных аморфных силикатов — аэрозолей, силикагелей и аэрогелей, состоящих из наноразмерных частиц.

Кремнийорганические полимеры существенно отличаются от других полимеров прежде всего пористостью и площадью поверхности. В формировании структуры кремнийорганического полимера, по-видимому, может иметь значение каждый этап его генезиса - образование полимера в реакции тетраэтоксиксана (ТЭОС), структура коллоидного раствора (геля) с полимером; взаимный рост частиц и формирование каркаса нанодисперсного силикагеля.Важно иметь представление о структуре и энергетических свойствах участников реакций полимеризации модели строения геля. Расчет реагентов и продуктов в этих реакциях позволяет установить характер изменения энтальпии, оценить смещение равновесия в этих необратимых процессах, учесть влияние молекул растворителя. Такие расчеты, конечно, необходимо производить до построения моделей ультрамикронного и микронного размера. Целью данной работы является проведение квантово-химических расчетов реагентов и молекул продуктов в производстве кремнийорганических полимеров.

Молекулярное моделирование на основе квантовой механики частично отличается, во-первых, оно в основном описывает химические явления; во-вторых, он использует не только квантовые, но и классические уравнения. В отличие от других методов моделирования веществ и материалов, в молекулярном моделировании основными взаимодействующими структурными элементами являются частицы, размеры которых не превышают размеров отдельных молекул.

Квантово-химические расчеты выполнены методом PM3 с использованием лицензионного пакета программ Gaussian-09. Для всех молекул была проведена полная оптимизация геометрии.

Поскольку фенолы очень активны в реакциях электрофильного обмена, они также реагируют со слабыми электрофилами – альдегидами и кетонами – в присутствии кислот или оснований. Конденсация фенола с формальдегидом в щелочной или кислой среде дает фенольные спирты (гидроксиметилфенолы):

Распределение заряда при атоме кремния составляет 1,193 для тетраэтоксиоксилана, 1,202 для синтезированного тригидроксилана олигофенолформальдегида, 1,154 для метакремниевой кислоты и 1,149 для метилсиликата олигифенолформальдегида. Уменьшение этого заряда на атоме кремния приводит к образованию кремнийорганического вещества. Изучен квантово-химический анализ выбранных веществ и результаты по синтезу кремнийорганических соединений представлены в табличной форме. Электронное строение и энергетические свойства выбранных молекул (полная энергия, энергия образования, теплота образования, энергия электронов, энергия ядер, дипольный момент, заряд атома кислорода) и их реакционный центр могут быть заданы заранее.

Таблица 1.

Квантово-химические расчеты используемых соединений

Анализируемые значения полной энергии, энергии образования, теплоты образования, энергии электронов, ядерной энергии, дипольного момента и заряда атома кислорода также показывают, что полученные результаты соответствуют общим закономерностям.

Таким образом, на основании вышеприведенных результатов также можно сделать вывод, что синтезированное вещество легко полимеризуется. Квантово-химические расчеты первичных химических веществ, математическое моделирование полученных результатов имеют важное значение при планировании химических реакций, особенно при определении технологических параметров реакций и при разработке технологий. Это, в свою очередь, позволяет получить информацию о реакционной способности реагентов и, исходя из этого, о продуктах реакции.

Список литературы:

1. Беков, Улугбек Сафарович и Фируз Фазлидинович Рахимов. «Спектральный анализ кремнийорганических соединений на основе фенола». Универсум: химия и биология 5-2 (83) (2021): 27-30.
2. Беков, Улуғбек Сафарович. "Квантово-химические расчеты зарядов олигоэтилентриэтоксисилана-как основа стабильности промежуносерочносо." Универсум: химия и биология 11-1 (77) (2020): 78-80.
3. Рахимов Ф.Ф., Ахмедов В.Н., Махмуджонов С. Синтез и исследование основных свойств кремнийорганических полимеров ХХII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием) тезисы докладов Нижний Новгород, 23-25 апреля 2019 г.
4. Rakhimov F. F., Akhmedov V. N. Physico-chemical analysis of poly vinylethynyltrie to Xysisilane //ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal. – 2021. – Т. 11. – №. 10. – С. 1782-1787.
5. Ахмедов В.Н., Ниязов Л.Н., Рахимов Ф.Ф., Паноев Н.Ш. Метод получения кремнийорганических соединений Новости науки Казахстана Научно–технический журнал № 3 (141) Алматы 2019 35-43 С
6. Беков У. С., Рахимов Ф. Ф. Спектральный анализ кремнийорганических соединений на основе фенола //Universum: химия и биология. – 2021. – №. 5-2 (83). – С. 27-30.
7. Rakhimov F.F., Sharipov A.A. Technology for producing hydrophob concrete based on silicon organic polymers EPRA International Journal of Research and Development (IJRD) December 2021 Volume: 6  Issue: 12 136-140 р.
8. Rakhimov F.F., Ibodova S.I., Kholikova G.K. Synthesis of organosilicon polymer based on hydrolyzed polyacrylonitrile //International Scientific and Current Research Conferences. – 2021. – С. 1-4.
9. Рахимов Ф.Ф. Технология получение поливинилетинилтриэтоксисила на основе тетраэтоксисилана // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 10(91). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12347