Описание термодинамических параметров комплексообразования алканов и полиароматических углеводородов в рамках полуэмпирических методов
Е.С. Карташинская1,2
1 ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
2 ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.873
Оригинальная статья
Аннотация: В работе представлен сравнительный анализ квантово-химических полуэмпирических методов для проведения расчётов термодинамических параметров связывания алканов CnH2n+2 (n=6–14) иполиароматических углеводородов короненового ряда как модельных структур графеновой поверхности. Рассмотрены два типа ориентирования молекул алканов в зависимости от взаимного расположения плоскости С–С–С-«зигзага» алканов и плоскости поверхности полиароматическихуглеводородов: параллельное и перпендикулярное. Выявлено, что параллельное расположение молекул алканов на поверхности короненов является более энергетически выгодным, чем перпендикулярное. Рассчитаны энтальпия, энтропия и энергия Гиббса образования и связыванияалканов с полиароматическими углеводородами в методах РМ3, RM1, PM6-DH2, PM6-D3H4, PM7. Показано, что первые два метода непригодны для описания возникающих межмолекулярных С–H/π- взаимодействий в системах алкан – полиароматические углеводороды, поскольку энергия Гиббса связывания, оцененная в них, имеет положительные значения, что не согласуется с имеющимися литературными данными. Среди более поздних методов PM6 и PM7 оптимальным является использование метода PM6 с коррекцией DH2 на дисперсионные взаимодействия и водородные связи. Значения энтальпий связывания в комплексах алкан – трициркумкоронен, рассчитанные с помощью методов PM6-DH2 и PM6-D3H4, хорошо согласуются с экспериментальными данными по энтальпии адсорбции алканов на поверхности графита/графена, а также данными молекулярно-динамического моделирования. Однако, по энергии Гиббса связывания в рассмотренных комплексах алканов с параллельным и перпендикулярным ориентированием алканов на трициркумкоронене только метод PM6-DH2 дает значения, наилучшим образом согласующиеся симеющимися данными по энергетической предпочтительности таких комплексов.
Ключевые слова: алканы, полиароматические углеводороды, адсорбция, энтальпия, абсолютная энтропия, энергия Гиббса связывания, С–H/π-взаимодействия, полуэмпирические методы
- Карташинская Елена Сергеевна – д.х.н., старший научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко», профессор кафедры общей, физической и органической химии ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет»
Ссылка на статью:
Карташинская, Е.С. Описание термодинамических параметров комплексообразования алканов и полиароматических углеводородов в рамках полуэмпирических методов / Е.С. Карташинская // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 873-890. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.873.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Novoselov, K.S. Two-dimensional atomic crystals / K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin et al. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. – 2005. – V. 102. – I. 30. – P. 10451-10453. DOI: 10.1073/pnas.0502848102.
2. Pálinkás, A. The composition and structure of the ubiquitous hydrocarbon contamination on van der Waals materials / A. Pálinkás, G. Kálvin, P. Vancsó et al. // Nature Communications. – 2022. – V. 13. – I. 1. – Art. № 6770. – 10 p. DOI: 10.1038/s41467-022-34641-7.
3. Arvelo, D.M. Interfacial layering of hydrocarbons on pristine graphite surfaces immersed in water / D.M. Arvelo, M.R. Uhlig et al. // Nanoscale. – 2022. – V. 14. – I. 38. – P. 14178-14184. DOI: 10.1039/D2NR04161H.
4. Piskorz, T.K. Nucleation mechanisms of self-assembled physisorbed monolayers on graphite / T.K. Piskorz, C. Gobbo, S.J. Marrink et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2019. – V. 123. – I. 28. – P. 17510-17520. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b01234.
5. McGonigal, G.C. Imaging alkane layers at the liquid/graphene interface with the scanning tunneling microscopy / G.C. McGonigal, R.H. Bernhardt, D.J. Thomson // Applied Physics Letters. – 1990. – V. 57. – P. 28-30. DOI: 10.1063/1.104234.
6. Couto, M.S. Scanning tunneling microscopy studies on n-alkane molecules adsorbed on graphite / M.S. Couto, X.Y. Liu, H. Meekes, P. Bennema // Journal of Applied Physics. – 1994. – V. 75. – I. 1. – P. 627-629. DOI: 10.1063/1.355799.
7. Gosvami, N.N. Nanoscale trapping and squeeze-out of confined alkane / N.N. Gosvami, S.J. O'Shea // Langmuir. – 2015. – V. 31. – I. 47. – P. 12960-12967. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b03133.
8. Uhlig, M.R. Atomic-scale mapping of hydrophobic layers on graphene and few-layer MoS2 and WSe2 in water / M.R. Uhlig, D. Martin-Jimenez, R. Garcia // Nature Communications. – 2019. – V. 10. – Art. № 2606. – 7 p. DOI: 10.1038/s41467-019-10740-w.
9. Wu, D. Coarse-grained molecular simulation of self-assembly for nonionic surfactants on graphene nanostructures / D. Wu, X. Yang // Journal of Physical Chemistry B. – 2012. – V. 116. – I. 39. – P. 12048-12056. DOI: 10.1021/jp3043939.
10. Ilan, B. Scanning tunneling microscopy images of alkane derivatives on graphite: role of electronic effects / B. Ilan, G.M. Florio, M.S. Hybertsen, B.J. Berne // Nano Letters. – 2008. – V. 8. – I. 10. – P. 3160-3165. DOI: 10.1021/nl8014186.
11. Hinnemo, M. On monolayer formation of pyrenebutyric acid on graphene / M. Hinnemo, J. Zhao, P. Ahlberg et al. // Langmuir. – 2017. – V. 33. – I. 15. – P. 3588-3593. DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b04237.
12. McNamara, J.P. The non-covalent functionalisation of carbon nanotubes studied by density functional and semi-empirical molecular orbital methods including dispersion corrections / J.P. McNamara, R. Sharma, M.A. Vincent et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2008. – V. 10. – I. 1. – P. 128-135. DOI: 10.1039/B711498B.
13. Gordeev, E.G. Fast and accurate computational modeling of adsorption on graphene: a dispersion interaction challenge / E.G. Gordeev, M.V. Polynski, V.P. Ananikov // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2013. – V. 15. – I. 43. – P. 18815-18821. DOI: 10.1039/c3cp53189a.
14. Vincent, M.A. Accurate prediction of adsorption energies on graphene, using a dispersion-corrected semiempirical method including solvation / M.A. Vincent, I.H. Hillier // Journal of Chemical Information and Modeling. – 2014. – V. 54. – I. 8. – P. 2255-2260. DOI: 10.1021/ci5003729.
15. Raksha, E.V. Formation of carboxylic acid complexes with polyaromatic hydrocarbons of the coronene series. Quantum chemical modelling / E.V. Raksha, Yu.B. Vysotsky, E.S. Kartashynska, M.V. Savoskin // Journal of Physics Conference Series. – 2020. – V. 1658. – I. 1. – Art. № 012044. – 9 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1658/1/012044.
16. Wheatley, R.J. Intermolecular potentials from supermolecule and monomer calculations / R.J. Wheatley, A.S. Tulegenov, E. Bichoutskaia // International Reviews in Physical Chemistry. – 2004. – V. 23. – I. 1. – P. 151-185. DOI: 10.1080/014423504200207772.
17. Stewart, J.J.P. MOPAC2016. Version:19.168W / J.J.P. Stewart. – Режим доступа: http://OpenMOPAC.net. – 20.07.2024.
18. Ran, J. Saturated hydrocarbon−benzene complexes: theoretical study of cooperative CH/π interactions / J. Ran, M.W. Wong // Journal of Physical Chemistry A. – 2006. – V. 110. – I. 31. – P. 9702-9709. DOI: 10.1021/jp0555403.
19. Tsuzuki, S. The magnitude of the CH/π interaction between benzene and some model hydrocarbons / S. Tsuzuki, K. Honda, T. Ushimaru et al. // Journal of American Chemical Society. – 2000. – V. 122. – I. 15. – P. 3746-3753. DOI: 10.1021/ja993972j.
20. Dean, J. Lange’s handbook of chemistry / J. Dean. – New York: McGraw-Hill, Inc., 1999. – 1291 p.
21. Singla, P. Theoretical study of adsorption of amino acids on graphene and BN sheet in gas and aqueous phase with empirical DFT dispersion correction / P. Singla, M. Riyaz, S. Singhal, N. Goel. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2016. – V. 18. – I. 7 – P. 5597-5604. DOI: 10.1039/c5cp07078c.
22. Suezawa, H. Electronic substituent effect on intramolecular CH/π interaction as evidenced by NOE experiments / H. Suezawa, T. Hashimoto, K. Tsuchinaga et al. // Journal of Chemical Society, Perkin Transactions 2. – 2000. – I. 6. – P. 1243-1249. DOI:10.1039/A909450D.
23. Meyer, E.A. Interactions with aromatic rings in chemical and biological recognition. / E.A. Meyer, R.K. Castellano, F. Diedrich // Angewandte Chemie International Edition. – 2003. – V. 42. – I. 1. – P. 1210-1250. DOI: 10.1002/anie.200390319.
24. Paytakov, G. Toward selection of efficient density functionals for van der Waals molecular complexes: comparative study of C - H∙∙∙π and N - H∙∙∙π interaction. / G. Paytakov, T. Dinadayalane, J. Leszczynski // Journal of Physical Chemistry A. – 2015. – V. 119. – I. 7. – P. 1190-1200. DOI: 10.1021/jp511450u.
25. Hughes, T.J. Computational investigations of dispersion interactions between small molecules and graphene-like flakes / T.J. Hughes, R.A. Shaw, S.P. Russo // Journal of Physical Chemistry A. – 2020. – V. 124. – I. 46. – P. 9552-9561. DOI: 10.1021/acs.jpca.0c06595.
26. Shibasaki, K. Magnitude of the CH/π interaction in the gas phase: experimental and theoretical determination of the accurate interaction energy in benzene−methane / K. Shibasaki, A. Fujii, N. Mikami, S. Tsuzuki // Journal of Physical Chemistry A. – 2006. – V. 110. – I. 13. – P. 4397-4404. DOI: 10.1021/jp0605909.
27. Ruzanov, A. Density functional theory study of ionic liquids adsorption on circumcoronene shaped graphene / A. Ruzanov, M. Lembinen, H. Ers et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – V. 122. – I. 5. – P. 2624-2631. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12156.
28. Vidali, G. Potentials of physical adsorption / G. Vidali, G. Ihm, H.-Y. Kim, M.W. Cole // Surface Science Reports. – 1991. – V. 12. – I. 4. – P. 133-181. DOI: 10.1016/0167-5729(91)90012-m.
29. Pykal, M. Modelling of graphene functionalization / M. Pykal, P. Jurecka, F. Karlicky, M. Otyepka // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2016. – V. 18. – I. 9. – P. 6351-6372. DOI: 10.1039/c5cp03599f.
30. Grozek, A.J. Selective adsorption at graphite/hydrocarbon interfaces / A.J. Grozek. // Proceedings of the Royal Society of London A. – 1970. – V. 314. – I. 1519. – P. 473-498. DOI: 10.1098/rspa.1970.0019.
31. Yin, S. Theoretical study of the effects of intermolecular interactions in self-assembled long-chain alkanes adsorbed on graphite surface / S. Yin, C. Wang, X. Qiu et al. // Surface and Interface Analysis. – 2001. – V. 32. – I. 1. – P. 248-252. DOI:10.1002/sia.1047.
32. Gobbo, C. MARTINI model for physisorption of organic molecules on graphite / C. Gobbo, I. Beurroies, D. de Ridder et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2013. – V. 117. – I. 30. – P. 15623-15631. DOI: 10.1021/jp402615p.
33. Isirikyan, A. Absolute adsorption isotherms of vapors of nitrogen, benzene and n-hexane, and heats of adsorption of benzene and n-hexane on graphitized carbon blacks. 1. Graphitized thermal blacks / A. Isirikyan, A.V. Kiselev // Journal of Physical Chemistry. – 1961. – V. 65. – I. 4. – P. 601-607. DOI: 10.1021/j100822a004.
34. Faglioni, F. Theoretical description of the images of alkanes and substituted alkanes adsorbed on graphite / F. Faglioni, C.L. Claypool, N.S. Lewis, W.A. Goddard // Journal of Physical Chemistry B. – 1997. – V. 101. – I. 31. – P. 5996-6020. DOI: 10.1021/jp9701808.