III. Эмпирические химические методы расчета.

Для теоретического предсказания наиболее вероятной конформации молекулы используют метод молекулярной механики. Молекулярная механика - расчетный эмпирический метод определения геометрических характеристик и энергии молекул. Он основан на предположении о том, что энергия молекулы может быть представлена суммой вкладов, которые могут быть отнесены к длинам связей, валентным углам и торсионным углам. Кроме того, в общем выражении для энергии всегда имеется член, отражающий ван-дер-ваальсово взаимодействие валентно не связанных атомов, и член, учитывающий электростатическое взаимодействие атомов и обусловливающий наличие эффективных атомных зарядов.

Е = Е_св + Е_вал + Е_тор+ Е_вдв + Е_кул

Для расчета первых двух слагаемых чаще всего применяют известных из механики закон Гука:

Е_св = Ѕ k_r (r – r₀)2

 Предполагается, что наиболее устойчивой термодинамически конформации соответствует минимальная энергия. Метод молекулярной механики позволяет получать информацию для полного описания геометрии различных конформеров в основном состоянии.

Для реального расчета какой-либо конформации молекулы метод молекулярной механики был реализован в пакете программ HyperChem. Так, для того, чтобы произвести расчет какой-либо молекулы, необходимо построить данную молекулу на экране монитора, соптимизировав начальные параметры длин связей, валентных и торсионных углов. Затем в меню выбирается метод расчета и, кроме того, математических способ расчета, относящийся к способам расчета методами вычислительной математики. После запуска, программа ищет энергетически наиболее выгодную конформацию молекулы, которую и выдает в конце вычислений на экране. Затем оказывается возможным определить с помощью имеющихся в программе инструментов длину сегмента Куна и среднеквадратичное расстояние между концами молекулы. Вид экрана программы представлен на рис.1.

Целью данной работы, таким образом, является определение с помощью компьютерной рассчетной программы наиболее вероятных конформаций нескольких модельных олигомерных.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов

       В качестве модельных молекул для расчета были выбраны олигомеры с числом мономерных звеньев равным 100 следующих полимеров, формулы которых представлены ниже: полидиметлилсилоксан, полиизобутилен, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат.       

Все вышеуказанные олигомеры в соответствии с данными компьютерного расчета принимают конформации спирали. Данные расчетов представлены в нижеследующей таблице.

Увеличение величины сегмента Куна и соответственно числа мономерных остатков в сегменте в данном ряду можно объяснить увеличением размеров заместителей и как следствие увеличением скелетной жестокости цепи. Действительно, равновесная гибкость цепи зависит от химического строения основной цепи, а также от природы и размера заместителя. Наибольшей равновесной гибкостью характеризуются полидиметилсилоксан и виниловые полимеры, которые обладают большой равновесной гибкостью, не изменяющейся даже при введении такого большого заместителя, как фенил. Увеличение размеров заместителей в цепи, например гребнеобразных полимеров (полиметилметакрилатов), приводит к возрастанию сегмента Куна до 50 ангстрем, т.е. к увеличению скелетной жесткости цепи. Однако введением боковых заместителей очень сильно изменить жесткость цепи нельзя.

Выводы

1. В ходе выполнения данной работы был получен навык работы с научной литературой.

2. Была освоена современная профессиональная научная компьютерная программа по химии, позволяющая проводить теоретические расчеты наиболее вероятных конформаций молекулы.

3. Для нескольких модельных олигомеров были получены данные о их пространственном строении, параметрах и длинах связей атомов в молекуле, которые находятся в хорошем соответствии с априорным предсказанием.

Список литературы

1. А. А. Тагер “Физикохимия полимеров”, М., химия, 1978

2. В. А. Каргин, Г. Л. Слонимский “Краткие очерки по физико-химии полимеров”, изд. МГУ, 1960