Karta pracy: Ćwiczenie 5.

Transkrypt

1 Imię i nazwisko: Grupa: Karta pracy: Ćwiczenie 5. Tytuł ćwiczenia: Optymalizacja geometrii prostych cząsteczek organicznych. Analiza populacyjna i rzędy wiązań. Zagadnienia do przygotowania: Przypomnij sobie / wyszukaj informacje dotyczące następujących punktów: Specyfikacja geometrii w formacie macierzy Z. Etapy procesu optymalizacji geometrii. Optymalizacja geometrii za pomocą programu GAMESS słowa kluczowe. Analiza populacyjna i rzędy wiązań. Reguła Badgera. Analiza wibracyjna zastosowania. Powierzchnia energii potencjalnej (PES) charakterystyczne punkty i ich znaczenie. Przygotuj definicje geometrii: etanu (w konformacji naprzeciwległej i naprzemianległej) i etenu użyj macierzy Z; etynu użyj macierzy Z; etynu użyj współrzędnych kartezjańskich, orientując cząsteczkę wzdłuż osi z oraz macierzy Z (wprowadzając atomy-duchy). Wstęp merytoryczny: Na podstawie zebranych informacji uzupełnij poniższe punkty (obowiązkowo przed zajęciami, odręcznie, na oddzielnej kartce/kartkach): 1. Podaj przykłady analiz populacyjnych. 2. Podaj definicję rzędu wiązania. 3. Jakie charakterystyczne punkty występują na PES i na co mogą one wskazywać? 4. Jakie informacje możemy uzyskać z analizy wibracyjnej? Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie... dla grupy cząsteczek organicznych, zbadanie relacji pomiędzy rzędem wiązania a długością wiązania, oraz zbadanie, które konformacje molekularne są najniżej energetyczne. 1

2 Wykonanie ćwiczenia, wyniki i ich opracowanie: Część 1: 1.1 Przeprowadź optymalizację geometrii dla etynu, etenu, etanu, n-butanu (w konformacji naprzemianległej), 1,3-butadienu (w konformacji s-cis i s-trans) metodą Hartree-Focka (HF) w bazach STO-3G i 6-31G(d). Dla benzenu, cyklopropanu, cyklopropenu, kationu cyklopropenu (C 3 H 3+ ), propenu, kationu allilowego (C 3 H 5+ ), cyklopentadienu oraz anionu cyklopentadienylowego (C 5 H 5- ) pobierz outputy dostępne na stronie www2.chemia.uj.edu.pl/~srebro/pck Zapisz macierze Z dla etanu, etenu i etynu: etan eten etyn 1.3 Po wykonaniu obliczeń, przygotuj w arkuszu kalkulacyjnym LibreOffice Calc lub Excel tabelę zbierającą długości i rzędy wiązań pomiędzy atomami węgla w badanych cząsteczkach według wzoru Tabeli 1. Na podstawie danych z Tabeli 1 wykonaj wykres zależności rzędu wiązania od długości wiązania. 1.4 Skomentuj wyniki przedstawione w Tabeli 1 i na wykonanym wykresie: 2

3 Tabela 1... Cząsteczka STO-3G 6-31G(d) długość rząd długość rząd etyn eten etan n-butan s-cis 1,3-butadien: CC1 s-trans 1,3-butadien: CC1 s-cis 1,3-butadien: CC2 s-trans 1,3-butadien: CC2 benzen Cyklopropan cyklopropen: CC1 * cyklopropen: CC2 Cyklopropen + propen: CC1 propen: CC2 kation allilowy cyklopentadien: CC1 cyklopentadien: CC2 cyklopentadien: CC3 C 5 H Według tak zwanej reguły Badgera stałą siłową wiązania chemicznego wiąże z długością tego wiązania następująca relacja: f A ( l B) 3, gdzie l oznacza długość wiązania, a A i B to stałe, które można wyznaczyć empirycznie. 3

4 Na podstawie wyników przeprowadzonych obliczeń sprawdź, na ile rząd wiązania jest proporcjonalny do stałej siłowej tego wiązania. W tym celu wykonaj w arkuszu kalkulacyjnym wykres zależności zlinearyzowanej relacji Badgera: f A 1/ 3 1/ 3 l B, wstawiając w miejsce f obliczony rząd wiązania. Określ, na ile otrzymane wyniki wpasowują się w liniowy trend (ile wynosi współczynnik R 2 ): R 2 =... Podaj ile wynoszą wartości parametrów A i B: A = B =.. Na podstawie wyznaczonych i wypisanych powyżej wartości określ, czy rząd wiązania jest proporcjonalny do stałej siłowej tego wiązania: Część II: 2.1 Wykonaj obliczenia optymalizacji geometrii n-butanu dla różnych wartości kąta torsyjnego C1-C2-C3-C4 (od 0 do 360 o, z krokiem 30 o, pamiętaj o zamrożeniu kąta torsyjnego). Obliczenia wykonaj metoda RHF w bazie 6-31G(d). 2.2 Na podstawie otrzymanych wyników uzupełnij Tabelę 4. Tabela 2.. Kąt torsyjny C1-C2-C3-C4 [ o ] E [a.u] ΔE [a.u.] * ΔE [kcal/mol] * * Wartość względna energii liczona względem konformeru o najniższej energii. 4

5 2.3 W arkuszu kalkulacyjnym wykonaj wykres zależności energii względnej od wartości kąta torsyjnego C1-C2-C3-C4 n-butanu. Dla jakich geometrii uzyskano lokalne minima i maksima? 2.4 Dla geometrii, które na wykresie z punktu 3.3 wskazywały na istnienie lokalnych maksimów i minimów sprawdź, jak przedstawiały się wyniki analizy populacyjnej. W oparciu o te wiadomości oraz o geometrie odpowiednich konformerów wyjaśnij pochodzenie lokalnych maksimów i minimów. 2.5 Dla geometrii, które na wykresie z punktu 3.3 wskazywały na istnienie minimów i maksimów przeprowadź dodatkowo analizę wibracyjną. Sprawdź, dla których geometrii uzyskano urojone częstości drgań i wyjaśnij, na co one mogą wskazywać: 5