Электронная структура и квантово-химические расчёты ненасыщенных производных морфолина

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются геометрия молекул, расчёты изучения устойчивости промежуточных продуктов и переходных состояний морфолина и его производных с винилацетиленом. Приводятся теоретические расчёты таких результатов, как распределение электронной плотности зарядов в молекуле морфолина как исходного, так его ненасыщенных производных. Также приводятся результаты кванто-химических расчетов вышеуказанных соединений.

ABSTRACT

The article discusses the geometry of molecules, stability calculations of intermediate products and transition states of morpholine and its derivatives with vinylacetylene. Theoretical calculations of such results as the distribution of electron density, charges in the morpholine molecule of both the initial and its unsaturated derivatives are presented. The results of quantum chemical calculations of the above compounds are also presented.

Ключевые слова: 3D-структура молекул, морфолин, винилацетилен, N-морфолин-бутадиен-2,3, N-морфолин-бутин-2, полуэмпирические методы, AM1, MNDO, INDO, CNDO, ZINDO и RM3.

Keywords: 3D structure of molecules, morpholine, vinylacetylene, N-morpholine-butadiene-2,3, N-morpholine-butyn-2, semiempirical methods, AM1, MNDO, INDO, CNDO, ZINDO and RM3.

Теоретический подход основывается на методах квантовой химии и предполагает расчет переходного состояния изучаемой реакции и учет всех факторов, определяющих направление процесса и его энергетические составляющие [1].

Квантовая химия занимается рассмотрением химических и физических свойств веществ на атомном уровне (взаимодействия представлены в терминах электронно-ядерной структуры и квантовой механики). Поскольку сложность исследуемых объектов часто не позволяет найти определенное решение уравнений, описывающих процессы в химических системах, используются приближенные вычислительные методы. Вычислительная химия неразрывно связана с квантовой химией - наукой, в которой используются математические методы квантовой химии, адаптированные для создания специальных компьютерных программ, используемых для расчета молекулярных свойств, имитирующих амплитуду вероятности образования электронов в атомах и молекулярного поведения [2].

Приближение нулевого дифференциального перекрывания, параметризация полуэмпирических методов вычисляется с использованием таких как MNDO, INDO, CNDO, ZINDO, AM1, PM3, PM6 а также расчет молекулярных характеристик (энергия, геометрия молекулы, форма МО, заряды атомов, распределение электронного потенциала, дипольный момент) [3].

На базе экспериментальных методов определяются кинетические параметры процесса которые сопоставляются с физическими характеристиками реагирующих частиц. Трудности такого подхода обусловлены тем обстоятельством, что для многих радикальных реакций имеющиеся в литературе значения энергий активации приведены, зачастую, для различных условий эксперимента, получены в узком температурном диапазоне и определены разными методами, что не всегда пригодно для сравнительного анализа.

Обобщая их, была изучена структура электронного состояния используемых в исследовании алленовых и ацетиленых аминов и проведены квантово-химические расчеты. Значения, полученные для пространственной геометрии и электронной структуры молекулы морфолина, были обобщены с использованием полукруглых методов AM1 и RM3 и показаны на примере морфолина и его производных N-морфолин бутадиен- 2,3, N-морфолин бутин-2 (рис. 1).

Рисунок 1. 3D-структура молекулы морфолина

Распределение зарядов в атомах в исследуемых молекулах показывает, что атом кислорода в кольце молекул исходных материалов обладает высоким отрицательным зарядом, что проводит к повышению основных свойств атома азота.

Рисунок 2. Распределение зарядов в атомах в молекуле морфолина

Рисунок 3. Распределение электронной плотности в молекуле морфолина

Это говорит о том, что аминогруппа в исходном материале и электрофильный реагент обусловлены высокой электронной стабилизацией электрона в реакционном центре связывания вследствии реакции винилирования, которая происходит в этих центрах. Квантово-химические расчеты синтезированных соединений аллена и ацетиленовых аминов были также выполнены для подробного описания веществ и их использования в качестве базы данных (рис. 4). Получение ацетиленовых аминов проводили при нагревании в водном растворе (под давлением) при нагревании избыточным количеством морфолина.

Рис.унок 4. Распределение электронных плотностей в молекуле N-морфолин-бутадиен-2,3

Рисунок 5. Распределение электронных плотностей в молекуле N-морфолин-бутин-2

На основании анализа полученных результатов направлениия процесса винилирования определяется по атому азота аминогруппы, что подтверждается экспериментальными результатами и на основе спектрального анализа. Результаты представлены в виде иконок, диаграмм и таблиц.

Таблица 1.

Квантово-химические расчеты использованных соединений

Заключение

В данной работе приведены квантово-химические расчеты исходных материалов и образовавшихся соединений: трехмерная пространственная структура молекулы, распределение заряда и электронная плотность каждого из атомов в составе молекулы, полная энергия молекулы, энерги и теплота образования молекулы, энергия электронов, энергия ядра и дипольный моменты атомов в составе молекулы.

Список литературы:
1. F. Silversmith, Ernest; Nickon, Alex. Organic Chemistry: Modern Coined Terms and Their Origins Elsevier Science, 2013.- P.313.
2. Сирик А.В., Плисе Е.М., Русаков А.И. Квантово-химический анализ связи строения с реакционной способностью в реакциях отрыва свободными радикалами атома водорода от С-Н-связей. // Изв. вузов. Хим и хим. техн. -2004, том 47, вып. 7. - с. 43 - 47..
3. Кнунянц Л. И.Химическая энциклопедия, М. 1988, т. 1, стр. 366.
4. Бутырская, Е. В. Компьютерная химия: основы теории и работа с программами GAUSSIAN и GAUSSVIEW / Е. В. Бутырская. – М.: Солон Пресс, 2011. – 224 с.