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:

1. Растворимость фуллерена С₆₀.

2. 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.