Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное агентство по образованию

РХТУ им. Д.И Менделеева

Лабораторная работа № 1

«Неэмпирический расчет молекулы СH₃Cl»

Выполнил:

Проверил(а):

Москва 2018 г.

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАСЧЕТА.

Целью данной работы является изучение основных принципов работы при проведении квантово-химического расчета в программном комплексе GAMESS. Особенности выбора базисного набора и расчетного метода, оптимизация геометрии. Изучение методов интерпретации расчета и представления молекулы в виде вектора свойств на их основе.

Задача расчета: выбрать наименьший из возможных оптимальный базис для неэмпирического расчета длин связей и валентных углов исследуемой молекулы по программному комплексу GAMESS. На основании результатов расчета оценить стабильность и факторы, опре­деляющие реакционную способность этой молекулы.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА.

Расчет молекулы CH₃Cl осуществлен по программному комплексу GAMESS в стандартном базисном наборе Попла 6-31G^*. Этот базис является валентно-расщепленным, это значит, что валентные МО представлены линейными комбинациями 2 сжатых комбинаций гауссовых орбиталей, остовные МО – 1-й. На каждом неводородном атоме также центрировано по 6 компонент поляризационных d-функ­ций. Таким образом, базис для расчета молекулы CH₃Cl состоит из 40 функций:

1*C(1(1s) + 2*4(2s + 2p) + 6(3d)) = 15

1*Cl (1(1s) + 4(2s + 2p) + 2*4(3s + 3p) + 6(3d)) = 19

3*H(2*1(1s)) = 6

Σ = 15 + 19 + 6 = 40

Базис 6-31G^* является наименьшим из возможных базисов для расчета длин связей и валентных углов молекулы CH₃Cl с экспериментальной точностью. Добавление поляризационных d-функций необходимо для учета особенностей интерференции электронных оболочек атомов галогенов при образовании химической связи (поляризация за счет сильной ЭО атомов Cl и H).

3. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА.

1. Оценка стабильности молекулы.

Энтальпия образования молекулы CH₃Cl из простых веществ равна:

_fH⁰ (CH₃Cl) = E(CH₃Cl) – 1/2E(C₂) – 1/2E(Cl₂)– 3/2E(H₂) = - -499.074149+ ½*918.91282 + 3/2*1+ ½*75.37903 = -0,428185 а.е. = -26,868 ккал/моль = - 1124,199 кДж/моль

Вывод: Молекула CH₃Cl стабильна в стандартных условиях.

2. Свойства связей молекулы CH₃Cl_.

Уточненная геометрия и порядки связей молекулы CH₃Cl:

Связь Å порядок связи C-CL 1.785 0.942 H-C 1.078 0.936

Валентный угол CL/С\H 110.0

Валентность атомов по Коулсону в молекуле CH₃Cl:

ATOM ВАЛЕНТНОСТЬ

1 CL 0.915

2 C 3.749

3 H 0.907

Сопоставляя длину связей в молекуле CH₃Cl с их порядком и валентностью атомов, можно сделать вывод: Связи в молекуле CH₃Cl ковалентные.

3. Энергетическая диаграмма (а.е.):

4.Определение нуклеофильных и электрофильных свойств молекулы CH₃Cl.

Энергия ВЗМО молекулы CH₃Cl отрицательна (-0.4348 а.е.).

Вывод: Молекула CH₃Cl -- электрофил.

5. Определение жесткости и мягкости молекулы.

Энергетическая щель между ВЗМО и НВМО составляет +0.1948 -(-0.4348) = 0,6296 а.е. =

= 17,133 эВ > 1 эВ, соответственно, реагент является жёстким.

Вывод: Молекула CH₃Cl является жестким реагентом.

Жесткость молекулы CH₃Cl:

 = (Е_НВМО – Е_ВЗМО) = ½(0.1948 + 0.4348) = 0.3148 а.е. = 8,566 эВ

6. Определение положения реакционных центров.

Реакционная способность молекулы CH₃Cl как жесткого реагента определяется зарядами на ато­мах. Распределение зарядов на атомах по Малликену следующее:

ATOM ЗАРЯД

1 CL -0.109319

2 C -0.535630

3 H 0.214983

Вывод: Электрофильная атака будет протекать по атому углероду, нуклеофильная - по атомам водорода.

7. Оценка растворимости.

Электрический дипольный момент молекулы CH₃Cl имеет величину 2.246286 D.

Вывод: Молекула CH₃Cl растворима преимущественно в сильно полярных растворителях.