Квантово-хімічні критерії ефективності міжмолекулярних взаємодій у комплексних системах «метан/карбон діоксид – ароматичні вуглеводні» викопного вугілля

Abstract

За допомогою ab initio методів функціоналу густини досліджено особливості міжмолекулярних взаємодій, що виникають у комплексних системах на основі метану та карбон діоксиду за участю модельних ароматичних вуглеводнів, які входять до складу вуглефікованої викопної органіки. Детальний топологічний аналіз цих систем у межах QT-АІМ теорії Р. Бейдера на прикладі молекулярних комплексів СН4  С6Н6, СН4  С10Н8, СН4  2С10Н8, а також СО2  С10Н8 продемонстрував наявність (3,¬–1) критичних точок зв’язків, що виникають на відстанях близько 3.089–3.533 Å, які можна цілком охарактеризувати як слабкі міжмолекулярні взаємодії. При цьому в якості критеріїв ефективності такого зв’язування зручно застосовувати параметри електронної густини (r) та лапласіана електронної густини 2(r), що у випадку досліджуваних структур не перевищують 0.0027–0.0036 е/Å3 та 0.0022–0.0034 е/Å5 із загальною енергією стабілізації не більше, ніж 2.9–7.5 кДж/моль. Порівняльний аналіз розрахованих термодинамічних характеристик цих систем за умов варіювання параметрів температури та тиску свідчить про незначний внесок ентальпійного фактору із перевагою на користь ентропійної складової за рахунок зміни поступальних, обертальних та коливальних ступенів свободи окремих молекул. Відповідні частоти резонансних коливань становлять ~3162–3170 см–1. Результати розрахунків добре узгоджуються з даними такого типу, одержаними для споріднених систем, та свідчать про адекватне їх відтворення у межах обраного розрахункового наближення. – Using ab initio density functional methods, the features of intermolecular interactions that arise in complex systems based on methane and carbon dioxide with the participation of model aromatic hydrocarbons that are the part of the carbonized fossil organic matter have been investigated. A detailed topological analysis of these systems within the framework of the QT-AIM theory of R. Bader on the example of molecular complexes CH4  C6H6, CH4  C10H8, CH4  2C10H8, and also CO2  C10H8 demonstrated the presence of (3,–1) bond critical points that arise at distances of about 3.089–3.533 Å, which can be fully characterized as weak intermolecular interactions. At the same time, as criteria for the effectiveness of such binding, it is convenient to use the parameters of the electron density (r) as well as the Laplacian of the electron density 2(r), which in the case of the studied structures do not exceed 0.0027–0.0036 e/Å3 and 0.0022–0.0034 e/Å5 with a total stabilization energy of no more than 2.9–7.5 kJ/mol. A comparative analysis of the calculated thermodynamic characteristics of these systems under conditions of varying temperature and pressure parameters indicates a minor contribution of the enthalpy factor with predominance of the entropic component, mainly due to changes in the translational, rotational, and vibrational degrees of freedom of individual molecules. Some corresponding values of resonant vibrational frequencies are ~3162–3170 cm–1. The results of calculations are in good agreement with that data, which have been obtained for the related systems, indicating their adequate reproduction within the limits of the chosen level of theory.