甲醇溶液中三种构型对比.

1、甲醇溶液中三种构型对比化学化工学院 周柏杰 MG0624119建立了水和甲醇的三个模型，用Guass98优化体系并计算了体系的各种可能组合的能量。对比几种模型之间的各种平行参数。得出甲醇在水中比较稳定的构型结论。关键词：甲醇，水，六元环，七元环，氢键1.模型的建立用Hyperchem建立模型，建立一个水和甲醇以及两个水和甲醇的构型。以一个水和甲醇形成的氢键作为参照，比较两个水和一个甲醇的两种不同模型。用Hyperchem,2 模型优化及能量的计算将模型保存好导入gaussview分别进行优化处理，再在优化的基础上进行频率能量的计算。 注：任务文件和结果文件见“附件”3 结果数据的统计和比较得到

2、得到的数据填入下表：表1.甲醇和一个水分子模型StructurePropertiesNameMetha nol-WaterMethodRMP2-FCEn ergyH-BondR(2-8)=1.874Dista neeBo ndMetha nolMetha no l-wate r(?)Methanol (?) Bo nd(?)=0.010R2-6 =0.950R2-6 =0.940WaterMetha no l-wate r(?)Water (?) Bo nd(?) =0.018R3-7 =0.958R3-7 =0.940An gleMetha nolMetha no l-wateMethano

3、l( ° Angle (°)r( °=0.005A1-2-6 = 114.185A1-2-6 = 114.180WaterMetha no l-wate r( °Water( ° Angle (°)=0.008111.518111.510JH-bond En ergy (a.u.)E(Metha nol -water)E( Methanol)E(Water)E(H-Bond)-190.98635326-114.989003-75.98604802-0.01130218表2.甲醇和两个水分子的六元环氢键模型StructureProper

4、tiesName2water-1metha nol-6cy cleMethodRMP2-FCEn ergy-263.49516526a.u.H-BondRb-4=1.780Dista nR1-12=1.710ceRs-6=1 .780Bo nd(?)氢氧键1metha nol-2wa ter2water1meth nol-water(123)1metha no l-water(456)Metha nolRj-12=1.010Rj-12=1.014Rs-12=1.014WaterRi-6=1.000R4-6=1.010R4-6=1.008R-3=1.000R1-3 = 1.010R-3=1.00

5、0Angle( °Metha nolA7-8-12 =103.850A7-8-12 =103.850A7-8-12 =103.858WaterA5-4-6 =100.140A5-4-6 =100.140A5-4-6 =100.140A2-1-3 =100.660A2-1-3 =100.660A2-1-3 =100.660En ergy(a.u.)E(平均 H-Bond)= -0.0002804-263.49516311-149.94232828-188.52385987-188.52329703水123单独能量-74.97286064水456单独能量-74.97166046甲醇单独能

6、量-113.55392653可以算出每个氢键的能量E(水 123和甲醇)=-188.52385987-(-74.97286064-113.55392653 )=-0.00826614E(水 456和甲醇)=-188.52329703-( -74.97166046-113.55392653 )=-0.00228996E (两个水之间)=-149.94232828- ( -74.97286064-74.97166046 )=-0.0021929可以看到其中水123与甲醇形成的氢键能量最小，而其他两个氢键能比较大，说明甲醇主要 和一个水形成较强的氢键，而另一个氢键比较弱。同时比较一个水和甲醇形成的体

7、系和六元环体系，总能量前者是-190.98635326a.u.而后者将一个水设为轨原子能量为-188.52385987a.u.，说明这种体系比单个水和甲醇体系稳定。表3.甲醇和两个水分子的七元环氢键模型StucturePropertiesName2water-1metha nol-6cycleMethodRMP2-FCEn ergy-263.49373931H-BondR1-9=2.134Dista neeRs-8=1.690(?)Rz-4=1.690Bo nd(?)Bo nd1metha nol-2water2water1meth nol-water(123)1metha nol-wa te

8、r(456)Metha nol:R(7-9)1.1101.1101.110R(7-8)1.4501.4501.450Water:R(1-2)1.0101.0121.010R(4-5)1.0001.000:1.000Angle( °Metha nolA(8-7-9)107.170107.170 107.170WaterA(2-1-3)98.54098.54098.540A(5-4-6)100.630100.630100.630En ergy (a.u.)E(平均 H-Bond)= 0.00002077-263.49373931-149.93802831-188.52245237-188

9、.52706031水123单独能量-74.96731803水456单独能量-74.97359357甲醇单独能量-113.55592241可以算出每个氢键的能量 E（水123和甲醇）=0.00078813E（水456和甲醇）=-0.00245567E（两个水之间）=-0.0028833可以看到，甲醇和一个水分子形成氢键，而与另一个水之间的氢键能是正的，就是不形成 氢键，而水之间的氢键能和水域甲醇之间的氢键能相当。氢键的讨论：比较几个模型之间的能量，如下表表4.三种模型能量表单位（a.u.）模型1模型2:六兀环模型模型3 :七元环模型E (IMethanol+water123 )-190.9863

10、4845-188.52385987-188.52245237E (IMethanol+water456 )-188.52329703-188.52706031E (IMethanol+2water )-263.49516526-263.49373931E （平均氢键能）-0.01130218-0.00028040.00002077D （平均氢键距离）（？）1.8741.7571.838由上表可以看出，六圆环和七元环模型的稳定性都比第一个模型稳定，因为存在另一个水 形成的氢键将体系能量将降低了。从平均氢键距离也可以看出这一点。平均氢键距离直观地反映了体系形成氢键的稳定性可得到结论E2 >

11、E3E1即，六元环体系最稳定，七元环次之，单个水和甲醇的体系最不稳定。另外可以探讨氢原子所在位置和氢键形成的关系，从模型2和模型3可以看出，应该是甲醇羟基上的氢容易形成氢键，而甲氢形成的氢键很不稳定，能量为正，即需要吸热才能形成。这 个结论与有机知识吻合，甲基是一个疏水的基团。键长键角的变化：受到氢键吸引的影响，相应的键长会拉伸，与此相应的键角会变大。而且变 化的大小与相应的氢键的强度有关，氢键越强，变化就越大。这种变化可从表1 , 2, 3中看出。频率变化:"（vtodleFrettency (em-L)5000In山丨|Frequency (cm=l)7 cyclt由于氢键存在的吸引，使得部分基团的振动受到抑制，从而使得振动的频率发生红移