- •Часть 1. Компьютерное моделирование электронной структуры фуллерена с60
- •Введение
- •Лабораторная работа №1 «Основы работы в редакторе GaussView пакета Gaussian03»
- •1.1 Теоретическая часть
- •1.1.1 Программный комплекс Gaussian03
- •1.1.2 Редактор GaussView
- •1.2 Практическая часть
- •1.2.1 Построение молекул c использованием библиотек редактора GaussView
- •1.2.2. Примеры задания конфигурации молекул в редакторе GaussView
- •Вопросы
- •Лабораторная работа №2 «Численное моделирование электронной структуры молекул с использованием пакета Gaussian03»
- •2.1 Теоретическая часть
- •2.1.1 Основные методы расчета молекулярных структур
- •2.1.2 Неэмпирические методы расчета
- •2.1.2.1 Метод Хартри-Фока
- •2.1.2.2 Метод теории функционала плотности
- •2.1.3 Основные квантово- механические базисы
- •2.2 Практическая часть
- •2.2.1 Использование Gaussian Calculation Setup для установки параметров расчетов
- •2.2.2 Контрольный пример. Расчет характеристик молекулы кислорода o2
- •2.2.2.1 Визуализация электронной структуры атома кислорода
- •2.2.2.2 Зависимость полной энергии двух атомов кислорода от расстояния между ними
- •2.2.2.3 Расчет равновесного расстояния молекулы кислорода
- •Лабораторная работа №3 «Молекулярное строение и электронная структура молекулы фуллерена с60»
- •3.1 Теоретическая часть
- •3.1.1 Молекулярное строение фуллеренов c60
- •3.1.2 Получение фуллеренов
- •3.1.3 Свойства фуллеренов
- •3.1.4 Применение фуллеренов
- •3.1.5 Фуллериты
- •3.1.6 Электронная структура фуллеренов с60
- •3.2 Практическая часть
- •3.2.1 Электронная структура молекулы фуллерена с60
- •Вопросы
- •Лабораторная работа №4 «ик- спектр изолированной молекулы фуллерена с60»
- •4.1 Теоретическая часть
- •4.1.2 Колебательный спектр двухатомной молекулы
- •4.1.3 Колебания многоатомных молекул
- •4.2 Практическая часть
- •4.2.1 Расчет нормальных колебательных мод в Gaussian
- •4.2.2 Расчет структуры и колебательного спектра молекулы воды
- •Вопросы:
- •Лабораторная работа №5 «ик- спектр молекулы фуллерена с60 в растворах»
- •5.1 Теоретическая часть
- •5.1.1 Типы растворов
- •5.1.2 Растворимость фуллеренов
- •5.2 Практическая часть
- •5.2.1 Учет эффектов сольватации при расчетах в Gaussian03
- •Вопросы:
- •Литература
- •Глоссарий терминов.
- •Приложение 1. Панель меню и панель команд редактора GaussView.
- •Приложение 2. Настройки параметров расчетов Gaussian03.
- •Приложение 3. Справочная информация о неорганических молекулах
- •Приложение 4. Справочная информация об органических молекулах
- •Приложение 5. Правила оформления лабораторных работ
5.2 Практическая часть
5.2.1 Учет эффектов сольватации при расчетах в Gaussian03
Большинство физико-химических процессов протекает в растворах. Существует два типа методов оценки эффектов сольватации: континуальные и дискретные. Методы первого типа рассматривают растворитель как непрерывную среду, методы второго типа явно учитывают молекулярную структуру растворителя. В свою очередь, континуальные и дискретные методы подразделяются в соответствии с тем, как они рассматривают растворенное вещество и растворитель: классически, квантовым образом или используют гибридные схемы. Из континуальных моделей наиболее широко используется модель реактивного поля.
Модель реактивного поля. В этой модели сольвент рассматривается как однородная поляризуемая среда с диэлектрической проницаемостью ε, растворенное вещество помещается в полость, находящуюся в сольвенте. Любое распределение зарядов, погруженное в среду с диэлектрической проницаемостью ε, порождает электрическое поле в растворителе. Это поле, взаимодействуя с растворенным веществом, изменяет его характеристики. Состояние и структура молекулы растворенного вещества в растворителе вследствие этого взаимодействия изменяются по сравнению с таковыми в вакууме, молекула сольвата ориентируется определенным образом в полости.
Образование полости требует затрат энергии (кавитационная энергия), наличие диспресионных (ванн-дер-ваальсово взаимодействие сольвент-сольват) и электростатических (взаимодействия между собственными зарядами растворенного соединения и индуцированными зарядами в растворителе) взаимодействий ведет к стабилизации растворенной молекулы в растворителе, т.е. понижает энергию.
Одной из популярных моделей реактивного поля является модель PCM (Polarized Continuum Model). Согласно этой модели молекула растворенного вещества помещается в полость, поверхность которой задается набором сфер, центры которых находятся на атомах молекулы растворенного вещества, а радиусы определяются атомными радиусами Ван-дер-Ваальса.
Для включения режима расчетов с учетом влияния растворителей открываем окно Gaussian Calculation Setup вкладки Calculate контрольной панели редактора GaussView. Переходим во вкладку Solvation и устанавливаем тип расчетной модели, используемой по умолчанию Default. В появившемся пункте Solvent выбираем толуол (toluene).
5.2.2 ИК-спектр молекулы С60 в растворах
Открываем файл *.log с результатами оптимизации молекулы фуллерена в толуоле и запускаем расчет ИК-спектра раствора.
Из сравнения ИК спектра основного состояния молекулы С60 (рис.4.3) и в толуоле следует, что происходит усиление интенсивности и смещение пиков в длинноволновую область спектра при наличии растворителя.
Рис.5.1 ИК-спектр фуллерена С60 в толуоле.
Задание 1. Произвести процесс оптимизации молекулы С60 в толуоле методом DFT LSDA 3-21*G.
Задание 2*. Рассчитать ИК-спектр молекулы С60 в ацетоне и бензоле. Сравнить с ИК-спектром изолированной молекулы фуллерена и в толуоле.
Вопросы:
Растворимость фуллерена С60.
Учет растворителя при расчетах в пакете Gaussian.
Форма отчетности:
В электронном виде, в соответствии общим требованиям (см. приложение). Представить ИК-спектры молекулы фуллерена С60 в ацетоне и бензоле, сделать выводы.
При сдаче работы необходимо знать ответы на вопросы лабораторной работы №5.