甲醇溶液中三種構型對比.

1、甲醇溶液中三種構型對比化學化工學院 周柏杰 MG0624119建立了水和甲醇的三個模型，用Guass98優(yōu)化體系并計算了體系的各種可能組合的能量。對比幾種模型之間的各種平行參數(shù)。得出甲醇在水中比較穩(wěn)定的構型結論。關鍵詞：甲醇，水，六元環(huán)，七元環(huán)，氫鍵1.模型的建立用Hyperchem建立模型，建立一個水和甲醇以及兩個水和甲醇的構型。以一個水和甲醇形成的氫鍵作為參照，比較兩個水和一個甲醇的兩種不同模型。用Hyperchem,2 模型優(yōu)化及能量的計算將模型保存好導入gaussview分別進行優(yōu)化處理，再在優(yōu)化的基礎上進行頻率能量的計算。 注：任務文件和結果文件見“附件”3 結果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和比較得到

2、得到的數(shù)據(jù)填入下表：表1.甲醇和一個水分子模型StructurePropertiesNameMetha nol-WaterMethodRMP2-FCEn ergyH-BondR(2-8)=1.874Dista neeBo ndMetha nolMetha no l-wate r(?)Methanol (?) Bo nd(?)=0.010R2-6 =0.950R2-6 =0.940WaterMetha no l-wate r(?)Water (?) Bo nd(?) =0.018R3-7 =0.958R3-7 =0.940An gleMetha nolMetha no l-wateMethano

3、l( Angle ()r( =0.005A1-2-6 = 114.185A1-2-6 = 114.180WaterMetha no l-wate r( Water( Angle ()=0.008111.518111.510JH-bond En ergy (a.u.)E(Metha nol -water)E( Methanol)E(Water)E(H-Bond)-190.98635326-114.989003-75.98604802-0.01130218表2.甲醇和兩個水分子的六元環(huán)氫鍵模型StructurePropertiesName2water-1metha nol-6cy cleMetho

4、dRMP2-FCEn ergy-263.49516526a.u.H-BondRb-4=1.780Dista nR1-12=1.710ceRs-6=1 .780Bo nd(?)氫氧鍵1metha nol-2wa ter2water1meth nol-water(123)1metha no l-water(456)Metha nolRj-12=1.010Rj-12=1.014Rs-12=1.014WaterRi-6=1.000R4-6=1.010R4-6=1.008R-3=1.000R1-3 = 1.010R-3=1.000Angle( Metha nolA7-8-12 =103.850A7-8-

5、12 =103.850A7-8-12 =103.858WaterA5-4-6 =100.140A5-4-6 =100.140A5-4-6 =100.140A2-1-3 =100.660A2-1-3 =100.660A2-1-3 =100.660En ergy(a.u.)E(平均 H-Bond)= -0.0002804-263.49516311-149.94232828-188.52385987-188.52329703水123單獨能量-74.97286064水456單獨能量-74.97166046甲醇單獨能量-113.55392653可以算出每個氫鍵的能量E(水 123和甲醇)=-188.52

6、385987-(-74.97286064-113.55392653 )=-0.00826614E(水 456和甲醇)=-188.52329703-( -74.97166046-113.55392653 )=-0.00228996E (兩個水之間)=-149.94232828- ( -74.97286064-74.97166046 )=-0.0021929可以看到其中水123與甲醇形成的氫鍵能量最小，而其他兩個氫鍵能比較大，說明甲醇主要 和一個水形成較強的氫鍵，而另一個氫鍵比較弱。同時比較一個水和甲醇形成的體系和六元環(huán)體系，總能量前者是-190.98635326a.u.而后者將一個水設為軌原子能

7、量為-188.52385987a.u.，說明這種體系比單個水和甲醇體系穩(wěn)定。表3.甲醇和兩個水分子的七元環(huán)氫鍵模型StucturePropertiesName2water-1metha nol-6cycleMethodRMP2-FCEn ergy-263.49373931H-BondR1-9=2.134Dista neeRs-8=1.690(?)Rz-4=1.690Bo nd(?)Bo nd1metha nol-2water2water1meth nol-water(123)1metha nol-wa ter(456)Metha nol:R(7-9)1.1101.1101.110R(7-8)1

8、.4501.4501.450Water:R(1-2)1.0101.0121.010R(4-5)1.0001.000:1.000Angle( Metha nolA(8-7-9)107.170107.170 107.170WaterA(2-1-3)98.54098.54098.540A(5-4-6)100.630100.630100.630En ergy (a.u.)E(平均 H-Bond)= 0.00002077-263.49373931-149.93802831-188.52245237-188.52706031水123單獨能量-74.96731803水456單獨能量-74.97359357甲

9、醇單獨能量-113.55592241可以算出每個氫鍵的能量 E（水123和甲醇）=0.00078813E（水456和甲醇）=-0.00245567E（兩個水之間）=-0.0028833可以看到，甲醇和一個水分子形成氫鍵，而與另一個水之間的氫鍵能是正的，就是不形成 氫鍵，而水之間的氫鍵能和水域甲醇之間的氫鍵能相當。氫鍵的討論：比較幾個模型之間的能量，如下表表4.三種模型能量表單位（a.u.）模型1模型2:六兀環(huán)模型模型3 :七元環(huán)模型E (IMethanol+water123 )-190.98634845-188.52385987-188.52245237E (IMethanol+water45

10、6 )-188.52329703-188.52706031E (IMethanol+2water )-263.49516526-263.49373931E （平均氫鍵能）-0.01130218-0.00028040.00002077D （平均氫鍵距離）（？）1.8741.7571.838由上表可以看出，六圓環(huán)和七元環(huán)模型的穩(wěn)定性都比第一個模型穩(wěn)定，因為存在另一個水 形成的氫鍵將體系能量將降低了。從平均氫鍵距離也可以看出這一點。平均氫鍵距離直觀地反映了體系形成氫鍵的穩(wěn)定性可得到結論E2 E3E1即，六元環(huán)體系最穩(wěn)定，七元環(huán)次之，單個水和甲醇的體系最不穩(wěn)定。另外可以探討氫原子所在位置和氫鍵形成的關系，從模型2和模型3可以看出，應該是甲醇羥基上的氫容易形成氫鍵，而甲氫形成的氫鍵很不穩(wěn)定，能量為正，即需要吸熱才能形成。這 個結論與有機知識吻合，甲基是一個疏水的基團。鍵長鍵角的變化：受到氫鍵吸引的影響，相應的鍵長會拉伸，與此相應的鍵角會變大。而且變 化的大小與相應的氫鍵的強度有關，氫鍵越強，變化就越大。這種變化可從表1 , 2, 3中看出。頻率變化:（vtodleFrettency (em-L)5000In山丨|Frequency (cm=l)7 cyclt由于氫鍵存在的吸引，使得部分基團的振動受到抑制，從而使得振動的頻率發(fā)生紅移，而且