Transcript modelovanie na PC
Chemické Modelovanie na PC
2. Ročník Ch Zimný semester PRIFUK
O čom je modelovanie…?
Mapa elektrostatického potenciálu
V
zwitteriónu β-alanínu ilustruje distribúciu náboja v molekule. Karboxylová skupina s
V
<0 (červená) je oddelená od amoskupiny s
V
>0 (modrá) neutrálnou zónou dvoch metylénových jednotiek. Rozloženie potenciálu korešponduje so vzorcom H 3 N + CH 2 CH 2 CO 2 -
Chemický pokus… iného druhu
Príprava užitočných materiálov - hľadanie súvisu medzi štruktúrou a vlastnosťami
• Experiment?
• Modelovanie?
Príprava a charakterizácia Meranie
Materiál Definícia Simulácia
Prírodné zákony
Prečo je modelovanie dôležité?
V chémii sústavne pracujeme s
modelmi
.
Učíme
sa
myslieť
ako molekuly.
Modelovanie nám pomáha chápať a používať
teóriu chemickej väzby
(
hybridizácia, Lewisovské štruktúry, Hückelova teoória MO
sú veľmi zjednodušené obrazy chemickej reality).
Modely: sú
náklady
a sú
„user friendly “
, nevyžadujú vysoké
bezpečné
.
Môže modelovanie nahradiť experiment?
Samozrejme NIE
!
Aj keď v chémii dominuje experiment...
!
!
!
…modelovanie urýchľuje dosahovanie troch cieľov :
Učíme sa
robiť
užitočné materiály (syntéza) Učíme sa
poznávať
ich zloženie (analýza) Usilujeme sa
pochopiť
pravidlá chemickej hry (opísať a predvídať „chemické chovanie“)
Vzťah experimentu a teórie
!
!
!
Syntéza a analýza sú experimentálne techniky a chémia sa bez nich
nezaobíde
.
Modelovanie je
nástroj
na dosiahnutie cieľov.
Modelovanie otvára cestu ako
zmeniť
a analýzu syntézu pôsobí na intelektuálnu podstatu chémie.
! Experiment a modelovanie - súčasť moderného chemického vzdelania.
Molekulové modely
• Štruktúry (napr. kalotový model) • Elektrostatický potenciál • Molekulový orbitál • Elektrónová hustota • Animácie
Molekulové štruktúry (geometria) 1
z • Geometria molekuly (XYZ, Z-matica) - vstupné údaje pre modelovací počítačový program; • XYZ : kartézske súradnice (pravotočivá súradná sústava); • Z-matica atóm atóm 1 2 : jednoduchý prostriedok na budovanie štruktúry v počítačovom programe: väzba-k-atómu?
R 21 atóm 3 … väzba-k-atómu?
R 32 uhol?
θ 321 x y atóm i väzba-k-atómu?
R ij uhol?
θ ijk dihedrál?
δ ijkl Medzi ZMAT a XYZ sú jednoznačné transformačné vzťahy.
Molekulové štruktúry (geometria) 2
Príklad: Z-matica pre molekulu metanolu
1)
K atómu H 1 O 2 väzbou r HO je viazaný atóm
2)
Atóm C 3 je viazaný k O 2 r CO , väzbový uhol je θ COH väzbou 3) Atóm H 4 je viazaný k C 3 väzbou r HC , väzbový uhol je θ HOC , dihedrálny uhol je δ HCOH1 4) Atómy H je ±δ HCOH2 5 a H 6 sú viazané analogicky, len dihedrálny uhol H1 O2 1 rHO C3 2 rCO 1 tCO H4 3 rHC 2 tHOC 1 dHCOH1 H5 3 rHC 2 tHOC 1 dHCOH2 H6 3 rHC 2 tHOC 1 -dHCOH2
Molekulové orbitály
MO (ψ
i
= Σc
ij
φ
j ), j
sú približné riešenia Schrödingerovej rovnice opisujúcej pohyb elektrónov. Niektoré MO pre molekulu vody:
Molekulové orbitály
MO (ψ
i
= Σc
j ij
φ
j
), sú približné riešenia Schrödingerovej rovnice opisujúcej pohyb elektrónov.
Interpretácia MO pre jednoduché molekuly: LP Acetylén Fluorid siričitý
Elektrónová hustota, elektrofil, nukleofil
Elektrostatický potenciál V
V = energia interakcie kladného bodového náboja (elektrofil) s jadrami a elektrónmi molekuly.
Záporný V indikuje oblasť vhodnú pre elektrofilný atak Príklady: benzén a pyridín, ich „elektrofilná reaktivita“ je diametrálne odlišná
Mapy elektrostatického potenciálu (1)
3D obraz elektrónovej hustoty ( ρ ) “ohraničuje” molekulu. Ak mapujeme V na 3D obraz ρ a farebne odlíšime hodnoty V, dostaneme “kódovanú mapu V” Elektrónová hustota Elektrostatický potenciál Mapa
V
Legenda:
+
.
..
..
-
Mapy elektrostatického potenciálu (2)
Mapa V poskytuje aj informáciu o delokalizácii náboja. Napr. rotácia CH 2 skupiny v C 6 H 5 CH 2 + : Planárny: plne delokali zovaný náboj CH 2 kolmá na kruh: kladný náboj je lokalizovaný na uhlíku
Elektrónová hustota: „ ...báza si hľadá protón!“ H H O H O H H
S
O H O H N H
Animácie – IČ spektrá
Výpočet D r 1 + D r 2 D r 1 D r 2 Da
Prechádzka po S
N
2 krajinke
Nukleofil+substrát Prechodový stav (TS)
R( - ) R( - )
Produkty
Animácie – mechanizmy reakcií
OH CH 3 Cl