دراسة تأثير الشحنات الموجبة (+1 ,+2) والسالبة (-1 ,-2) على الشكل الهندسي والأطياف الأهتزازية لآيزومرات البروموفولفين بإسلوب نظرية دالية الكثافة DFT

رسالة ماجستير

اسم الباحث : خلود عبيد كزار

الكلية : كلية العلوم

الاختصاص : علوم الكيمياء

سنة نشر البحث : 2013

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

تضمنت الدراسة تطبيق حسابات ميكانيك الكم بإستعمال برنامج Gaussian 03 وباسلوب نظرية دوال الكثافة DFT عند عناصر القاعدة B3LYP/CEP-121G لآيزومرات البروموفولفين خماسية الحلقة بمواقع التعويض C3 ، C4 ، C6  ثم مقارنتها بنظيراتها ذوات الشحنات (-1 ,-2 , +1, +2 ) وذلك لغرض حساب الشكل الهندسي المتوازن , الطاقة الكلية , الكثافات الالكترونية ، كثافات البرم ، تأثير المعوض على الجزيئة والجذور الأيونية الموجبة والسالبة ، جهد التأين ، عزم ثنائي القطب , الطاقات المدارية (HOMO,LUMO) ، الفرق الطاقي بينHOMO  و LUMO ، الدوال الثرموديناميكية ، ترددات الإهتزاز وشدد الامتصاص للأشعة تحت الحمراء وأيضا صُنفت ترددات الإهتزاز تماثلياً وتكافؤياً , والإنتقالات الإلكترونية ، وقد تبين لنا ما يلي :

  • إن الأصرة C-Br أطول من جميع الاواصر الاخرى لجميع حالات الآيزومر(الحالة المتعادلة ،-1 ،-2 ،+1 ،+2)ويزداد طولها عند جذورها السالبة وقد يفسر ذلك زيادة التنافر بين المزدوجات الإلكترونية غير المتآصرة على البروم والزيادة الإلكترونية الممتدة داخل وخارج الحلقة الناتج عن اكتساب الكترون أو الكترونين ، ويقل طول هذه الآصرة عند جذورها الموجبة وربما يعزى ذلك الى حركة الإلكترونات غير المتآصرة على البروم نحو ذرة الكاربون الحاملة للمعوض والإشتراك ضمن النظام المتعاقب ، ولذلك تتدرج أطوال هذه الآصرة بالشكل التالي :

Anion(-2) Anion(-1) Neutral Cation(+1) Cation(+2) والاصرة C5=C6 يزداد طولها عند الجذور السالبة والموجبة عما للجزيئة .

والاواصر C1-C5 و C2-C3 و C4-C5 يقل طولها بتحول الجزيئة الى جذورها الموجبة والسالبة ، وبالعكس للأواصر C1=C2 و C3=C4 و C5=C6 اذ تعاني إستطالة .

  • 2.ان طاقة كل من (LUMO) و (HOMO) لكل الآيزومرات تتدرج بالشكل التالي :

Anion(-2) Anion(-1) Neutral Cation(+1) Cation(+2)  وإن جهد التأين يتدرج عكس ذلك ، و لوحظ ان الفرق الطاقي ( EHOMO-LUMO) الأكبر لجميع الآيزومرات هو للحالة المتعادلة ، وعند مقارنة الآيزومرات مع بعضها فان الفرق الطاقي الأكبر للحالة المتعادلة و (-1) هو للآيزومر 3-Bromofulvene  وفي الحالتين (-2) و (+1) للآيزومر 6-Bromofulvene  ، اما الحالة (+2) فان الفرق الطاقي الاكبر هو للآيزومر 4-Bromofulvene  .

 

  • ان الجذور السالبة لآيزومرات البروموفولفين الثلاث تمتلك الكثافات الإلكترونية الأعلى ، يليها الحالة المتعادلة ومن ثم الجذور الموجبة لنفس الآيزومر عدا حالتي موقع التعويض والموقع C5 حيث يشذان عن ذلك . وللمقارنة بين الآيزومرات فان موقع التعويض هو الأغنى كثافة الكترونية قياسا بنظيره في بقية الآيزومرات وقد يعود سبب ذلك الى تأثير المعوض . وان الايزومر الأغنى كثافة الكترونية عند الموقع C5 هو 3-Bromofulvene ، أما عند الموقع C2 فالآيزومر 4-Bromofulvene ، والموقع C1 ففي الآيزومر 6-Bromofulvene هو الأغنى قياسا ببقية الآيزومرات .

  • كثافة البرم ، ان الجذور السالبة تمتلك كثافة برم أكبر عند الموقع C6 اي ان الألكترون يقضي الفترة الأطول عند هذا الموقع ، ويليه الموقعين C1 و C4 ، ثم الموقعين الأقل كثافة برم وهما C2 و C3 ، وتنعدم إحتمالية تواجد الألكترون عند المواقع الأخرى للجذور السالبة . أما الجذور الموجبة الناتجة عن فقدان الكترون من الجزيئة فان الموقعين C1 و C4 يحضيان بكثافة البرم الأكبر قياسا ببقية المواقع ، ثم يلي ذلك الموقع C3 بدرجة أقل ، أما Br و C6 فقد يتواجد عندهما البرم بدرجة قليلة .

  • تأثير مقياس الاستقرارية (Δ) بواسطة تفاعل الآيزودسمك isodesmic reaction ، تبين أن تعويض Br يزيد استقرارية الجذور السالبة (-1,-2) فقط  وذلك قد يعزى الى كون البروم ذو كهروسالبية عالية ولها تأثير الحث الساحب وبتعويضه يقلل الزيادة الإلكترونية للجذرين (-1) و (-2) مما يتسبب في زيادة استقراريتهما ، بينما يقلل إستقرارية الجذور الموجبة (+1,+2) والجزيئة (الحالة المتعادلة) ، عدا حالة (+2) لموقع التعويض (4) اذ تزداد استقراريته ايضا بالتعويض .

وبمقارنة الآيزومرات لوحظ ان في 3-Bromofulvene هو الأكثر إستقرارا بتعويض البروم للحالة المتعادلة وحالة (-1) ، والآيزومر 6-Bromofulvene بالحالة (-2) ، ولكن لحالتي الجذور الموجبة (+1) ، (+2) فالآيزومر 4-Bromofulvene هو الأكثر إستقرارا عند التعويض .

  • عزم ثنائي القطب لوحظ انه يزداد بزيادة الشحنة ، لذا فالحالات (-2) و (+2) هي الأكبر بقيم عزم ثنائي القطب . وبمقارنة الآيزومرات فان الآيزومر                       3-Bromofulvene يحضى بأعلى قيمة لعزم ثنائي القطب للحالة المتعادلة وحالات الجذور (-1) و (-2) و (+1) ، والآيزومر 6-Bromofulvene لحالة الجذر (+2) .
  • للآيزومرات الثلاثة وجد بأن الحالة متعادلة الشحنة هي الأقل قيمة لدالة الأنتروبي و الأكبر قيمة لطاقة كبس . وعند مقارنة قيمة الانتروبي بين الآيزومرات وجد بأن للآيزومر 6-Bromofulvene القيمة الأقل في حالتي (-1) و (-2) ، أما الحالة متعادلة الشحنة وحالات (+1) و (+2) فان الآيزومر 4-Bromofulvene هو الأقل إنتروبي .
  • لجميع الآيزومرات فان جهد التأين يتدرج كالتالي :

Cation(+2)  Cation(+1)  Neutral  Anion(-1)  Anion(-2)

وبالمقارنة بين الآيزومرات وجد بأن للحالة متعادلة الشحنة و حالة الجذر(-1) فان الآيزومر 3-Bromofulvene  له جهد التأين الأكبر ، اما حالتي الجذرين (-2) و (+1) ، فان للآيزومر 6-Bromofulvene جهد التأين الأكبر ، وفي حالة الجذر (+2) فان الأكبر جهدا تأينيا هو الآيزومر 4-Bromofulvene .

  • الأنتقالات الألكترونية : لجميع الآيزومرات يتوقع ان حالة الأثارة الأولى تعود الى الإنتقالات الألكترونية نوع لأنها ذات الطول الموجي الأطول (411.2-761.07) نانومتر ، أما حالتي الأثارة الثانية والثالثة فتعود الى الإنتقالات نوع   لكونها ذات الطول الموجي الأقل (263.44-310.14) نانومتر .

 و قد تبين من النتائج  ان إكتساب او فقدان الكترون من قبل الجزيئة  يتسبب في ازاحة الإنتقال لحالتي الأثارة الثانية والثالثة ازاحة حمراء Bathochromic Shift ، أما الإنتقال لحالة الاثارة الأولى فيزاح إزاحة زرقاء Hypsochromic Shift للآيزومرين 3-Bromofulvene و 6-Bromofulvene وحمراء للآيزومر4-Bromofulvene .

  • وجد إن قيم ترددات الإهتزازالأمتطاطي غير المتماثل لمجموعة المثلين (CH2) أكبر من ترددات الإهتزاز الإمتطاطي المتماثل للآيزومرين  3-Bromofulvene            و 4-Bromofulvene لجميع الحالات المشحونة وغير المشحونة :

CH2as.st.  > CH2s.st.

واذاما قورنت الحالات المشحونة (-1, -2 , +1, +2 ) وغير المشحونة مع بعضها للآيزومر  3-Bromofulvene و 4-Bromofulvene فإن الجذور الموجبة تحضى بترددات أعلى للمط الإهتزازي المتماثل وغير المتماثل يليها المتعادلة الشحنة ومن ثم سالبة الشحنة

ولجميع الحالات فان الآيزومر 4-Bromofulvene ذو ترددات إهتزاز إمتطاطية لكلا الحركتين المتماثلة وغير المتماثلة أكبر من تلك للآيزومر 3-Bromofulvene وربما يعود ذلك الى قرب المعوض في الآيزومر 4-Bromofulvene من الآصرة المزدوجة الخارجية الحاملة لمجموعة المثلين و يليه الآيزومر 3-Bromofulvene . و للجذر      (-2) شدد الامتصاص الأكبر لهذا النوع من الترددات .

  • إن الجذور الموجبة تحضى بترددات إهتزازية أكبر للحركات الأنحنائية الأربعة ( المقصية والتدحرجية والتأرجحية والإلتوائية ) لمجموعة المثلين يليها الحالة متعادلة الشحنة ومن ثم الجذور سالبة الشحنة ، الا بعض الحالات التي فيها الحالة متعادلة الشحنة ذات تردد أكبر من حالة الجذور الموجبة . وبمقارنة هذه الحركات الأهتزازية بين الآيزومرين 3-Bromofulvene و 4-Bromofulvene وجد بأن لأغلب الحالات فالترددات الأكبر هي للآيزومر 4-Bromofulvene ، وشدد الأمتصاص الأكبر لكلا الآيزومرين لوحظت لحالتي الجذور (-2) و (+2) .
  • يتدرج تردد إهتزاز المط للآصرة المزدوجة (C5=C6) لجميع الآيزورات كالتالي :

Neutral  Cation(+1)  Cation(+2)  Anion(-1)  Anion(-2)

بصورة عامة لوحظ ان لأغلب ترددات الإهتزاز لأواصر C-H و C-C الإمتطاطية والإنحنائية القيم الأكبر للجذور الموجبة وقد يعزى سبب ذلك الى زيادة صفة s) ) نتيجة النقص الألكتروني

Study the Effect of the Positive (+1,+2) and Negative (-1,-2) Charges on the Geometry and Vibrational Spectra of Bromofulvene Isomers with DFT model

This study included using of Quantum mechanical calculation method (DFT method and B3LYP/CEP-121G bases set) for bromofulvene isomers with three different positions C3 , C4 ,C6  as well as their positive (+1,+2) and negative (-1,-2) radical ions in order to evaluate the optimization of geometry , total energy , electron densities , spin densities , effect of the substitute on stability of each one of studied molecules and their radical ions (isodesmic reaction) , ionization energies , dipole moments , orbital energies( energies of HOMO and LUMO orbital) , HOMO-LUMO energy gaps , standard thermodynamic functions U0  ،H0  ،S0 ، G0 and A0, electronic transitions (UV/visible spectroscopy) , the 3N-6 fundamental vibration frequencies  along  with their  corresponding IR absorption intensities , an assignment for each fundamental mode was also determined and we find the following results:-

  •  C-Br bond is the longest compared with other bonds in all states of isomer (neutral,-1,-2,+1,+2) , by comparison ,a C-Br length in radical anions is longer than its in neutral ,this may be due to repulsion between  a non-bonding electron pairs on Br with a delocalization of negative charge throughout an entire molecule (C3 ,C4 ,C6 ) . Removing one or two electrons from a molecule leads to shorten C-Br length , this may be attributed to movement of non-bonding electron pairs on Br extended along C-Br bond associating with conjugated  system . The C-Br lengths are as follow :

Anion(-2) Anion(-1) Neutral Cation(+1) Cation(+2)

Adding one or two electrons to the molecule to form (-1,-2) and removing to form (+1,+2) caused in an increasing a length of R(1-2) , R(3-4) ,     R(5-6) bonds and shortening R(4-5) , R(2-3) , R(1-5) length .

  •  HOMO and LUMO energies for all isomers are as follow :

Anion(-2) Anion(-1) Neutral Cation(+1) Cation(+2)

Ionization is indirectly related with HOMO energies , so its values are :

Cation (+2) Neutral  Anion(-2)

The largest , the (EHOMO-LUMO ) for all isomers is at a neutral state .

 By comparison between isomers themselves in ( EHOMO-LUMO) , it’s found that 3-Bromofulvene isomer has the largest value for (neutral , -1) states , and 6-Bromofulvene isomer for (+1,-2) states , then 4-Bromofulvene isomer for the (+2) state .

  • The radical anions (-1,-2) of three bromofulvene isomers have the highest values of electron densities, and then neutral state , while          the lowest electron densities are for radical cations (+1,+2) to same isomer excepting two states, the first is substituted position and second is C5 position . By comparison between isomers themselves in electron densities , it’s found that the substituted position is the most rich electron density in comparison with it in other isomers ,this may be attributed to substitute effect . 3-Bromofulvene have the largest electron density at position C5 , and 4-Bromofulvene at C2 , while 6-Bromofulvene at C1 .
  •  Spin densities : in radical anions , spin  resides largely at C6 position , to a small degree at C1 and C4 , and even less at C2 and C3 . There is no spin density at other positions in radical anions . In radical cations , the spin  resides largely at C1 and C4 positions , to a small degree at C3 , and even less at Br and C6 .
  • Stabilizing effect of substituents is often assessed by using isodesmic reaction . A positive (∆) indicates stabilization of a reactant by                 a substituent . Results show that the radical anions (-1,-2) are stabilizing  by Br substituent , this may be attributed to a Br withdrawing inductive effect that decrease the excess of electronic charge . But the radical cations and isomers with neutral state are instable with Br substituent because an electron deficiency , except the less stable (+2) state of 4-Bromofulvene isomer .
  • Dipole moment increases as charge increases , so the (-2,+2) states have the largest value of  dipole moment . By comparison with other isomers , 3-Bromofulvene are the largest in Dipole moment for (-1,-2,+1, neutral) states , while (+2) state , it’s found that the 6-Bromofulvene is the    highest .
  •  Neutral state for three isomers have the lowest entropy . By comparison between the isomers themselves , it’s found that 6-Bromofulvene is the lowest entropy in (-1,-2) states , but (neutral ,+1,+2) have the lowest entropy in 4-Bromofulvene .
  •  For all isomers , the ionization potentials are :

Cation(+2)  Cation(+1)  Neutral  Anion(-1)  Anion(-2)

By comparison between the isomers themselves , it’s found that , for (neutral ,-1) states , 3-Bromofulvene have the largest value, while in the two radicals (-2,+1) ,6-Bromofulvene is the highest ionization potentials . And 4-Bromofulvene in (+2) state only.

  •  Electronic transitions: for all isomers , first excited states are expected to be ( ) type because their wavelengths are longer   (411.2-761.07) nm than the second and third the excited states (263.44-310.14) nm that may be due to (  ) type because their shorter wavelength . results show that the two type of transition are shifted to longer wave length (bathochromic shift) when a molecule lose or acquire an electron and that may be result from delocalization of electrons because presence of negative and positive charge causing in increasing the s character on chromophore groups (C=C) , except first excited state transition in 3-Bromofulvene and 6-Bromofulvene in  neutral state that are shifted to shorter wavelength (Hypsochromic shift ) .
  •  Asymmetric stretching vibrational frequencies of CH2 have larger values than that of a symmetric stretching vibrational frequencies for the all states of 3-Bromofulvene and 4-Bromofulvene :

CH2as.st.  > CH2s.st.

By comparison between (neutral , -1 ,-2 ,+1,+2) states for the two isomers ; 3-Bromofulvene and 4-Bromofulvene , it’s found that radical cations have the highest values of symmetric and asymmetric stretching vibrational frequencies and then neutral state , while the lowest values are in radical anions . 4-Bromofulvene have larger symmetric and asymmetric stretching vibrational frequencies compared with 3-Bromofulvene in all states (neutral , -1 ,-2 ,+1,+2) may be due to the closeness of 4-Bromofulvene to a exocyclic double bond carrying methylene group and then 3-Bromofulvene , and for this type of frequencies , the radical anion (-2) have the largest absorption intensities .

  •  Highest frequencies values for the four bending vibrational (scissoring , rocking ,twisting ,wagging) were to the radical cations , and  cases that the neutral states frequencies was larger than to the radical cation . 4-Bromofulvene isomer have larger frequencies than 3-Bromofulvene for the most of states . The largest absorption intensities for this type of frequencies for both 4-Bromofulvene and 3-Bromofulvene were observed at (-2,+2) radicals .
  • The stretching vibrational frequency for C5=C6 is giving as follow :

Neutral  Cation(+1)  Cation(+2)  Anion(-1)  Anion(-2)

  •  In general , what were observed  for most of  C-H and CC stretching and bending  vibrational frequencies , that the largest values were to radical cations , this may be attributed to the increasing of ( s character ) resulting from the electron deficiency