IR spectra and structural-dynamic anharmonic models of cyclohexanol

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Background and Objectives: The construction of quantum mechanical structural-dynamic models of molecular systems has become a necessary part of studies of the structure, optical spectra and properties of matter. The results obtained in the harmonic approximation followed by a scaling procedure guarantee a reliable interpretation of the fundamental vibration bands of the measured vibrational spectra. However, if the spectrum has a complex structure determined by fundamental vibrations, overtones, composite frequencies, resonances, the interpretation is not complete. An approach based on taking into account mechanical anharmonicity makes it possible to significantly minimize the discrepancy between calculated and measured frequencies of fundamental vibrations, identify overtones and composite frequencies in the measured spectra, and establish the presence of resonant interactions. The advantage of this approach manifests itself to varying degrees in specific cases. In this article, using the density functional theory method, taking into account mechanical anharmonicity, structural-dynamic models of two conformers of the cyclohexanol molecule are constructed. The goal is to identify in this particular case the advantages of taking anharmonicity into account, which consists in minimizing the discrepancies between calculated and measured frequencies, identifying overtones, composite frequencies and resonances, refining and replenishing the interpretation of the measured spectra. Materials and Methods: Cyclohexanol (C6H11OH), used in many industries, has been the subject of extensive scientific research. The IR spectra of samples of crystalline phases II and III of cyclohexanol were used, measured on a Bruker IFS-88 Fourier spectrometer at a temperature of 12 K. Using the B3LYP/6-31G(d) method using the GAUSSIAN’03 software package, structural-dynamic models of conformers 1 and 2 isolated cyclohexanol molecules with an equatorial orientation of the hydroxyl group relative to the carbon backbone of the molecule. Results: The main parameters of adiabatic potentials have been calculated: minimum energies, optimal geometries, dipole moments of conformers 1 and 2 of an isolated cyclohexanol molecule. The frequencies of normal vibrations in the anharmonic approximation and the intensities of fundamental bands in the IR spectra have been calculated. A vibrational analysis of the IR spectra of cyclohexanol samples in crystalline phases II and III, measured in the range 400–3800 cm–1, has been carried out in order to identify overtones, vibrations of compounds and resonances. An assessment of the results obtained in comparison with those obtained in the harmonic approximation has been given. Their interpretation of the measured IR spectra has been refined. Conclusions: Based on the results of taking into account mechanical anharmonicity when constructing structural-dynamic models of isolated conformers 1 and 2 of cyclohexanol, it has been established that the agreement between the measured and calculated frequencies in the regions of 1080–1550 cm–1 and 2800–2940 cm–1 of the IR spectrum has significantly improved compared to harmonic scaled frequencies. The consequence of this improvement is a refinement of the interpretation of the frequencies ν₄₀ and ν₄₁ of the stretching vibrations of the C–H bonds closest to the core of the H-complex, and the band with a maximum at a frequency of 1517 cm–1 in the spectrum of crystalline phase II, which is a superposition of the composite vibrations ν₈ + ν₁₈, ν₅ + ν₂₃, ν₉ + ν₁₆. It has been established that resonance interactions in cyclohexanol conformers are small and resonances are unlikely. This conclusion is consistent with experimental data on the IR spectra of cyclohexanol.

Sobre autores

Lev Babkov

Saratov State University

ORCID ID: 0000-0003-3403-3786
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Bibliografia

  1. Волькенштейн М. А., Грибов Л. А., Ельяшевич М. А., Степанов Б. И. Колебания молекул. М. : Наука, 1972. 700 с.
  2. Свердлов Л. М., Ковнер М. А., Крайнов Е. П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М. : Наука, 1970. 560 с.
  3. Грибов Л. А. Введение в молекулярную спектроскопию. М. : Наука, 1976. 400 с.
  4. Грибов Л. А., Дементьев В. А. Моделирование колебательных спектров сложных соединений на ЭВМ. М. : Наука, 1989. 160 с.
  5. Pulay P., Fogarasi G., Pongor G., Boggs J. E., Vargha A. Combination of theoretical ab initio and experimental information to obtain reliable harmonic force constants. Scaled quantum mechanical (QM) force fields for glyoxal, acrolein, butadiene, formaldehyde, and ethylene // J. Am. Chem. Soc. 1983. Vol.105, № 24. P. 7037–7047. https://doi.org/10.1021/ja00362a005
  6. Yashida H., Takeda K., Okamura J., Ehara A., Matsuura H. A New Approach to Vibrational Analysis of Large Molecules by Density Functional Theory: Wavenumber-Linear Scaling Method // J. Phys. Chem. A. 2002. Vol. 106, № 14. P. 3580–3586. https://doi.org/10.1021/jp013084m
  7. Березин К. В., Кривохижина Т. В., Нечаев В. В. Применение метода линейного масштабирования частот в расчетах нормальных колебаний многоатомных молекул // Оптика и спектроскопия. 2003. Т. 94, № 3. С. 398–401.
  8. Handy N. C., Willets A. Anharmonic constants for benzene // Spectrochim. Acta. 1997. Vol. 53, № 8. P. 1169–1177. https://doi.org/10.1016/S1386-1425(96)01864-1
  9. Березин К. В., Нечаев В. В., Элькин П. М. Ангармонический анализ колебательных состояний пиримидина методом функционала плотности // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 97, № 2. С. 224–234.
  10. Бабков Л. М., Успенский К. Е., Давыдова Н. А. Структурно-динамическая модель молекулы 2-бифенилметанола в ангармоническом приближении // Журнал прикладной спектроскопии. 2009. Т. 76, № 6. С. 843–852.
  11. Элькин М. Д., Бабков Л. М. Учёт ангармонического смещения полос в модельных расчётах колебательных спектров димеров с водородной связью // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2011. Т. 11, вып.1. С. 20–25.
  12. Kelley K. K. Cyclohexanol and the third law of thermodynamics // J. Am. Chem. Soc. 1929. Vol. 51, № 5. P. 1400–1406.
  13. Neelakantan R. Raman spectrum of cyclohexanol // Proc. Indian Acad. Sci. A. 1963. Vol. 57. P. 94–102. https://doi.org/10.1007/BF03046321
  14. Green J., Griffith W. T. Phase transformations in solid cyclohexanol // J. Phys. Chem. Solids. 1965. Vol. 26, № 3. P. 631–637. https://doi.org/10.1016/0022-3697(65)90139-3
  15. Adachi K., Suga H., Seki S. Phase changes in crystalline and glassy-crystalline cyclohexanol // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1968. Vol. 41, № 5. P. 1073–1087. https://doi.org/10.1246/bcsj.41.1073
  16. Wunderlich B. The detection of conformational disorder by thermal analysis // Pure and Appl. Chem. 1989. Vol. 61, № 8. P. 1347–1351. https://doi.org/10.1351/pact198961081347
  17. Inscore F., Gift A., Maksymiuk P., Farquharson S. Characterization of chemical warfare G-agent hydrolysis products by surface-enhanced Raman spectroscopy // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5585. P. 46–52. https://doi.org/10.1117/12.580461
  18. Bonnet A., Chisholm J., Sam Motherwell W. D., Jones W. Hydrogen bonding preference of equatorial versus axial hydroxyl groups in pyran and cyclohexane rings in organic crystals // Cryst. Eng. Comm. 2005. Vol. 7, № 9. P. 71–75. https://doi.org/10.1039/B417569G
  19. Ibberson R. M., Parsons S., Allan D. R., Bell A. M. T. Polymorphism in cyclohexanol // Acta Cryst. 2008. Vol. B64. P. 573–582. https://doi.org/10.1117/S010876.8108025093
  20. Элькин П. М., Шальнова Т. А., Гордеев И. И. Структурно-динамические модели конформеров циклогексанола // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2010. Т. 11, № 3. С. 41–45.
  21. Бабков Л. М., Давыдова Н. А., Моисейкина Е. А. ИК спектры циклогексанола и структурно-динамическая модель молекулы // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2012. Т. 12, вып. 1. С. 54–62.
  22. Бабков Л. М., Давыдова Н. А., Моисейкина Е. А. Водородная связь и её влияние на структуру и колебательнае спектры циклогексанола // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2013. Т. 13, вып. 1. С. 13–26.
  23. Кон В. Электронная структура вещества – волновые функции и функционалы плотности // УФН. 2002. Т. 172, № 3. С. 336–348. https://doi.org/10.3367/UFNr0172.200203e0336
  24. Попл Дж. А. Квантово-химические модели // УФН. 2002. Т. 172, № 3. С. 349–356. https://doi.org/10.3367/UFNr0172.200203f0349
  25. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Montgomery J. A., Vreven Jr. T., Kudin K. N., Burant J. C., Millam J. M., Iyengar S. S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G. A., Nakatsuji H. [et al.]. Gaussian 03, Revision B.03. Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003. 302 p.
  26. Бабков Л. М., Пучковская Г. А., Макаренко С. П., Гаврилко Т. А. ИК спектроскопия молекулярных кристаллов с водородной связью. Киев : Наукова думка, 1989. 160 с.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».