عنوان پایان‌نامه
بررسی نظری مایعات یونی با پایه کاتیونی ایمیدازولیوم(۱-بوتیل۳-ایمیدازولیوم برومید و ۱- بوتیل ۳-متیل ایمیدازولیوم یدید)
- رشته تحصیلی
- شیمی فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5258;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 61415
- تاریخ دفاع
- ۳۰ بهمن ۱۳۹۰
- دانشجو
- زهرا رضائی
- استاد راهنما
- علی مقاری
- چکیده
- در این پایان‌نامه با استفاده از روشهای ab initio و DFT ساختارهای بهینه شده و سپس انرژی‌های برهمکنش بین مولکولی برای دو مایع یونی، 1-بوتیل2-متیل ایمیدازولیوم برومید و 1-بوتیل2-متیل ایمیدازولیوم یدید با پایه کاتیونی ایمیدازولیوم که اصطلاحا در اینجا به این صورت bmim]+Br] و bmim]+I]، نمایش داده شده‌اند محاسبه شده است. با توجه به نتایج حاصل از نرم افزار AIM و همچنین پژوهش‌های قبلی درباره مایعات یونی با ساختار bmim]+halogen]، پنج جایگاه برای نشست آنیون در اطراف کاتیون 1-بوتیل2-متیل ایمیدازولیوم انتخاب شد و بررسی‌ها برای تمامی این ساختارها در هر دو مایع یونی انجام گرفت. این ساختارها و همچنین کاتیون +bmim به صورت مجزا، در سطح نظریه تابعی چگالی (DFT) و با استفاده از مجموعه پایه همبستگی-سازگار اضافه شده مبنی بر شبه پتانسیل، aug-cc-pVDZ-PP، که بر پایه شبه پتانسیل‌های با اثرات نسبیتی درونی کم (PPs) فیگن، بنا نهاده شده، بر روی آنیون های -Br و -I؛ و همچنین با استفاده از مجموعه پایه پاپل (31-6++G(d,p بر روی کاتیون 1-بوتیل2-متیل ایمیدازولیوم، بصورت کامل بهینه سازی شدند. در مرحله بعد، ساختارهای بهینه‌سازی شده برای محاسبات تک نقطه‌ای انرژی در سطح MP2 و با همان مجموعه‌های پایه، برای مقایسه روشهای محاسباتی متفاوت، استفاده شدند. به منظور مقایسه نتایج در کلیه سطوح، یک بهینه‌سازی کلی توسط روش MP بر روی هر دو مایع یونی مورد نظر انجام گرفت، که نتایج حاصل از این محاسبات به عنوان منبعی دقیق جهت قیاس نتایج حاصل از سایر روش ها استفاده شد. پیوندهای هیدروژنی، ساختارهای الکترونی، نمودارهای اوربیتال مولکولی حاصل از محاسبات اوربیتال طبیعی و همچنین نتایج حاصل از QTAIM به طور گسترده مورد قیاس و بررسی قرار گرفته و ماهیت پیوندی برهمکنش‌های آنیون-کاتیونی تجزیه و تحلیل شدند. در فصل اول، خلاصه‌ای در مورد نیروهای بین مولکولی و مطالبی در مورد روش های ab initio به کار رفته در پژوهش حاضر ونیز نظریه تابعی چگالیDFT آورده شده است. همچنین توضیحاتی در مورد مجموعه‌های پایه‌ی مورد استفاده و روش آویزش جهت گریز از خطای ایجاد شده توسط برهم نهی مجموعه‌های پایه دو جزء، نظریه اتم در مولکول AIM و نظریه اوربیتال پیوند طبیعی NBO آمده است. نتایج حاصل از محاسبات، جداول و نمودارها و تحلیل آنها در فصل دوم مورد بررسی قرار گرفته است. با مقایسه پایداری ساختارها, برای هر دو مولکول یک ساختار مشخص، که opt نام گذاری شده است (ساختاری که در آن آنیون خارج از صفحه حلقه ایمیدازولیوم و بر فراز مرکز بار مثبت حلقه قرار می گیرد) به عنوان پایدارترین حالت انتخاب شد. در ادامه انرژی های BSSE با توجه به نمودارهای اوربیتال مولکولی بررسی شده و بیشترین مقادیر برای نمودارهای با اوربیتال های مولکولی برهمکنش کننده تر تشخیص داده شد. بارهای اتمی جزئی و نمودارهای پتانسیل الکترونی، به همراه ممان‌های دوقطبی بررسی و تحلیل شدند. در نهایت پیوندهای هیدروژنی و نتایج و نمودارهای AIM در تایید موارد عنوان شده قبلی آورده و مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتند.
- Abstract
- In this thesis, using ab initio methods and DFT, optimized structures and the intermolecular interaction energies for two ionic liquids, 1-butyl-3-methylimidazolium bromide and 1-butyl-3-methylimidazolium iodide, imidazolium-based cations that in this case are displayed by [bmim]+Br- and [bmim]+I-, is calculated. Based on the results of AIM software and previous researches on ILs with the [bmim]+halogen- structures, five positions for the anion around the cation, 1-butyl-3-methylimidazolium, was selected and all studies were performed for all structures in both the ionic liquid. These structures and the bmim+ cation separately, in the level of density functional theory (DFT) and the pseudopotential-based augmented correlation-consistent basis sets, aug-cc-pVDZ-PP, based on the small core relativistic pseudopotentials (PPs) of Figgen et al, on Br- and I-, and the Pople 6-31++G(d,p) basis set on 1-butyl-3-methylimidazolium [bmim]+, Were fully optimized. Next, the optimized structures were used for single-point energy calculations at the MP2 level and with the same basis set, to compare different computational methods. In order to compare results at all levels, a total optimization at MP2 level with the same basis set as was stated in the previous on both the ionic liquid was performed, the results of this calculations as an accurate source to comparing the results of the rest methods were used. In addition, the hydrogen bonding, electron structures, molecular orbitals calculated by natural bond orbital theory and “Quantum Theory of Atoms In Molecules” QTAIM results were evaluated to analyze the anion-cation interactions. In the first chapter, a summary about the intermolecular forces and the ab initio methods used in the present study and density functional theory DFT is given. Also a description of the basis sets and Counter poise method used to avoid Basis Set Superposition Error (BSSE) caused by two components basis set superposition, theory of atoms in molecules AIM, and natural bond orbital theory NBO is given. The result of calculations, tables, graphs and their analysis in chapter 2 has been studied. The relative stability of the structures were compared and in both molecules a distinct structure, which is named opt (a structure in which the anion is placed out of the imidazolium ring plane and over the center of positive charge) as a stable state was selected. Next, BSSE energies were evaluated according to molecular orbital graphs and maximum BSSE values was detected for structures with the most molecular orbital interaction. Partial atomic charges and electron potential graphs, along with the dipole moments was analyzed. At the end, hydrogen bonding and AIM results and graphs in confirmed of previous results are mentioned and analyzed.
