zastosowanie przybliżenia hybrydowego b3lyp w badaniu

SCIENTIFIC BULLETIN OF THE TECHNICAL UNIVERSITY OF LODZ
No. 1008
Food Chemistry and Biotechnology, Vol. 71
2007
AGNIESZKA KOWALSKA
AGNIESZKA STOBIECKA
Instytut Podstaw Chemii ywno ci,
Wydział Biotechnologii i Nauk o ywno ci,
Politechnika Łódzka
ZASTOSOWANIE PRZYBLI ENIA
HYBRYDOWEGO B3LYP W BADANIU
ODDZIAŁYWA MI DZYCZ STECZKOWYCH
POMI DZY HARMANEM A AKRYLOAMIDEM
Opiniodawca: Prof. dr hab. Stanisław Wysocki
W niniejszej pracy zastosowano przybli enie hybrydowe
B3LYP w badaniu oddziaływa mi dzymolekularnych, których
wynikiem jest powstanie wi zania wodorowego w układzie 1:1
harman/akryloamid. Obliczono optymalizacj geometrii oraz
cz stotliwo ci drga czterech mo liwych konfiguracji układu 1:1
harman/akryloamid z wykorzystaniem metody B3LYP/6-31G(d,p).
Nast pnie, dla rozwa anych układów obliczono energi stabilizacji
z uwzgl dnieniem poprawki na bł d superpozycji bazy (BSSE) oraz
poprawki na energi drga w temperaturze zera bezwzgl dnego
(ZPVE). Ponadto wyznaczono równie entalpi i energi swobodn
asocjacji badanych układów. Na podstawie uzyskanych wyników
oblicze wskazano najbardziej stabiln konfiguracj kompleksu
harman/akryloamid.
1. Wst p
W ostatnim dziesi cioleciu tematyka dotycz ca oddziaływa mi dzycz steczkowych, których wynikiem jest powstawanie wi za wodorowych cieszy
si rosn cym zainteresowaniem. Istnieje wiele prac, zarówno eksperymentalnych,
jak i teoretycznych, na temat oddziaływa mi dzycz steczkowych pomi dzy
zwi zkami posiadaj cymi grupy funkcyjne mog ce pełni rol donora lub/i
60
A. Kowalska, A. Stobiecka
akceptora wi za wodorowych. Do klasy zwi zków zawieraj cych w cz steczce
grupy mog ce pełni rol zarówno donora, jak i akceptora wi za wodorowych
nale ß-karboliny, które mog oddziaływa z szeregiem innych zwi zków.
Wyniki przeprowadzonych bada wskazuj na wyst powanie oddziaływa
pomi dzy harmanem, jednym z przedstawicieli -karbolin, a akryloamidem,
czego konsekwencj jest tworzenie si kompleksu w stanie podstawowym.
Natura oddziaływa pomi dzy harmanem a akryloamidem nie jest jeszcze
dokładnie poznana. Ze wzgl du na dwufunkcyjny charakter pier cienia
ß-karbolin mo na przypuszcza , e oddziaływanie pomi dzy harmanem
a akryloamidem polega na tworzeniu wi zania wodorowego. Obecno wi zania
wodorowego poci ga za sob znaczne zmiany wła ciwo ci elektronowych, jak
równie parametrów strukturalnych oddziaływuj cych molekuł. Nowoczesnymi
metodami badawczymi maj cymi na celu uzyskanie informacji o strukturze
elektronowej molekuł s metody obliczeniowe chemii kwantowej. St d te
wykonanie oblicze kwantowo-mechanicznych maj cych na celu okre lenie
energii stabilizacji oraz parametrów geometrycznych układu harman/akryloamid
jest uzasadnione.
Mechanizm tworzenia i natura wi zania wodorowego były przedmiotem
zainteresowa chemii kwantowej jeszcze zanim pojawiły si mo liwo ci
wykonywania oblicze struktury elektronowej. Wynikiem jako ciowych
i ilo ciowych rozwa a były ró ne uproszczone teorie wi zania wodorowego,
np. elektrostatyczny model wi zania wodorowego Paulinga, model Coulsona
czy Danielsona [1,2]. Ustalenie obecno ci wi za wodorowych, jak równie
ilo ciowe okre lenie energii oddziaływania mi dzycz steczkowego nale y do
najwi kszych wyzwa mechaniki kwantowej. Najcz ciej stosowanym modelem
teoretycznym w badaniach ró nych aspektów wi zania wodorowego jest
przybli enie supermolekularne. W przybli eniu supermolekularnym całkowita
energia oddziaływania w schemacie pola samouzgodnionego stosowanego do
supermolekuły i jej komponentów jest definiowana jako ró nica energii
elektronowej supermolekuły i sumy energii elektronowych poszczególnych jej
podukładów. Dokładno
metody pola samouzgodnionego w wyznaczeniu
energii oddziaływania jest determinowana przede wszystkim przez wybór
metody obliczeniowej oraz stosowanej bazy funkcyjnej. Zarówno energia
wi zania wodorowego, jak i szczegóły geometrii układu z wi zaniem
wodorowym zale istotnie od doboru metody i bazy funkcyjnej.
W opublikowanych do tej pory pracach teoretycznych dotycz cych oddziaływa mi dzycz steczkowych zastosowano szereg modeli teoretycznych maj cych
na celu okre lenie energii wi za wodorowych dla ró nych układów [3-8].
Do wiadczenia wskazuj , e wykonywanie oblicze dla oddziaływuj cych układów
wymaga zastosowania baz rozszerzonych z funkcjami polaryzacyjnymi.
Ponadto, w celu uzyskania zadowalaj cej dokładno ci w opisie wi za wodorowych, konieczne jest zastosowanie zaawansowanych metod uwzgl dniaj cych
Zastosowanie przybli enia hybrydowego B3LYP w badaniu oddziaływa …
61
efekty korelacyjne (np. metody MP2) oraz stosowanie rozbudowanych baz
funkcyjnych. Dotyczy to szczególnie słabych oddziaływa , w których
intermolekularny efekt korelacyjny, odpowiadaj cy energii dyspersyjnej jest
istotny [9]. Jednak e wybór metody obliczeniowej jest ograniczony z jednej
strony rozmiarami modelowanego układu, z drugiej strony dysponowan moc
obliczeniow komputera. W ostatnich latach ogromn popularno zdobyła
metoda B3LYP, która przy stosunkowo niskich kosztach oblicze daje
zadowalaj ce rezultaty w opisie wła ciwo ci strukturalnych oraz elektronowych
asocjatów molekularnych [10-15]. Wyniki ostatnio opublikowanych bada
teoretycznych dowodz , e metoda B3LYP nadaje si do opisu wi kszo ci
typowych układów z wi zaniem wodorowym, stanowi c w wielu przypadkach
alternatyw do kosztownej metody MP2. Metoda B3LYP nie nadaje si jednak
do opisu słabych oddziaływa , np. oddziaływa van der Waalsa czy słabych
wi za wodorowych [16-17].
Istnieje niewiele prac teoretycznych dotycz cych badania oddziaływa
pomi dzy -karbolinami a cz steczkami zwi zków posiadaj cych grupy mog ce
pełni rol donora lub/i akceptora wi za wodorowych. Jedn z tych prac jest
publikacja Chou i współpracowników, w której zastosowano metod HF/6-31G(d,p)
w celu ustalenia parametrów geometrycznych oraz oszacowania energii
stabilizacji układu ß-karbolina/kwas octowy [18].
W niniejszej pracy zastosowano metod B3LYP/6-31G(d,p) w teoretycznym
badaniu oddziaływa mi dzycz steczkowych pomi dzy harmanem a akryloamidem. Celem pracy jest okre lenie parametrów geometrycznych, oszacowanie
energii stabilizacji układu harman/akryloamid, jak równie zbadanie natury
oddziaływa prowadz cych do powstania kompleksu pomi dzy badan
ß-karbolin a akryloamidem.
2. Metody oblicze
Ze wzgl du na znaczne rozmiary badanego układu zastosowanie zaawansowanych metod obliczeniowych uwzgl dniaj cych korelacj elektronow , np.
metody MP2 jest praktycznie niemo liwe. Dlatego te obliczenia optymalizacji
geometrii oraz cz sto ci drga cz steczki harmanu, akryloamidu, oraz kilku
mo liwych konfiguracji układu 1:1 harman/akryloamid wykonano metod
B3LYP/6-31G(d,p).
Warto energii oddziaływania kompleksów ( Euncorr) wyznaczono z ró nicy
obliczonej energii elektronowej kompleksu i sumy energii elektronowych
poszczególnych komponentów tego kompleksu.
Energi stabilizacji ( Ebind) obliczono, koryguj c uzyskan energi
oddziaływania ( Euncorr) o warto poprawki na bł d superpozycji bazy (BSSE)
oraz o warto poprawki na energie drga zerowych ( ZPVE). Warto
poprawki na bł d superpozycji bazy obliczono, stosuj c metod przeciwwagi
62
A. Kowalska, A. Stobiecka
Boysa-Bernardiego [19]. Warto poprawki na energie drga zerowych ( ZPVE)
obliczono z ró nicy energii drga w temperaturze zera bezwzgl dnego kompleksu
i sumy energii drga zerowych poszczególnych składników kompleksu.
Warto ci entalpii i energii swobodnej asocjacji kompleksów wyznaczono
z ró nicy obliczonych warto ci entalpii (energii swobodnej) kompleksu i sumy
entalpii (energii swobodnej) poszczególnych składników kompleksu z uwzgl dnieniem poprawki na bł d superpozycji bazy (BSSE). W obliczeniach przyj to
zało enie harmoniczno ci drga , nie stosuj c skalowania ich warto ci.
Wszystkie obliczenia wykonano z wykorzystaniem programu Gaussian 03.
3. Wyniki i dyskusja
Podstawowym problemem przybli enia supermolekularnego jest fakt, e
warto
energii oddziaływania mi dzycz steczkowego jest bardzo mała
w porównaniu z warto ciami energii elektronowych supermolekuły oraz jej
komponentów [20]. W konsekwencji adne obliczenia energii elektronowej nie
b d wiarygodne, dopóki nie osi gnie si dostatecznie du ej dokładno ci energii
składowych. Oczywistym jest, e struktura elektronowa kompleksu b dzie
zale ała od struktury elektronowej poszczególnych komponentów supermolekuły.
Dlatego te zoptymalizowano geometri cz steczki harmanu oraz akryloamidu
z wykorzystaniem metody B3LYP/6-31G(d,p). Uzyskane w wyniku optymalizacji
geometrii struktury cz steczek przedstawiono na rys. 1. Wyniki oblicze
potwierdzaj opublikowane wcze niej doniesienia [21], i najbardziej stabiln
konfiguracj cz steczki akryloamidu jest izomer trans (trans ze wzgl du na
orientacj grupy aminowej i metylenowej =CH2 w stosunku do wi zania C1-C7).
Grupa amidowa trans-akryloamidu mo e pełni rol zarówno donora, jak
i akceptora wi za wodorowych. St d te istnieje mo liwo wyst powania
oddziaływa
mi dzycz steczkowych akryloamidu z azotem pier cienia
pirydynowego, jak równie z grup pirolow NH harmanu.
a)
b)
Rys. 1. Geometria cz steczki a) harmanu i b) akryloamidu uzyskana w wyniku
minimalizacji energii metod B3LYP/6-31G(d,p)
Zastosowanie przybli enia hybrydowego B3LYP w badaniu oddziaływa …
63
W teoretycznych badaniach oddziaływa mi dzycz steczkowych ustalono
kryteria, na podstawie których dane oddziaływanie mi dzycz steczkowe mo na
zaklasyfikowa jako polegaj ce na tworzeniu wi zania wodorowego. W ród nich
nale y wymieni kryterium energetyczne, geometryczne oraz spektroskopowe.
Jednak e podstawowym zadaniem w teoretycznych badaniach oddziaływa
mi dzycz steczkowych jest ustalenie parametrów geometrycznych, jak równie
energii stabilizacji oddziaływuj cego układu [1, 20-23].
Zoptymalizowane metod B3LYP/6-31G(d,p) parametry geometryczne
zwi zane z oddziaływaniem mi dzycz steczkowym w układzie harman/akryloamid
przedstawiono na rys. 2. W tabeli 1 zebrano obliczone energie elektronowe
rozpatrywanych kompleksów oraz energie elektronowe podukładów. Analiza
obliczonych cz sto ci drga kompleksów wykazała, e kompleksy A, B i D
odpowiadaj lokalnym minimom energetycznym, podczas gdy dla kompleksu C
uzyskano jedn ujemn warto cz stotliwo ci, co wskazuje na to, e struktura
ta stanowi stan przej ciowy.
3,03
<NH…N=161,3°
3,31
<CH…O=150,7°
3,01
<NH…N=170,6°
A
B
2,88
<NH…O=161,3°
2,89
<NH…O=161,3°
C
3,39
<CH…O=178,5°
D
Rys. 2. Parametry geometryczne układu 1:1 harman/akryloamid uzyskane
w wyniku optymalizacji geometrii metod B3LYP/6-31G(d,p)
W tabeli 2 przedstawiono obliczone warto ci energii stabilizacji rozpatrywanych kompleksów. Mo na zauwa y , i pomimo e kompleks C nie stanowi
minimum energetycznego, uzyskano dla niego wzgl dnie wysok warto
energii stabilizacji.
64
A. Kowalska, A. Stobiecka
Na podstawie obliczonych warto ci energii stabilizacji mo na stwierdzi , e
preferowanym miejscem oddziaływania mi dzycz steczkowego pomi dzy
harmanem a akryloamidem jest grupa pirolowa harmanu i atom tlenu
akryloamidu. Najbardziej stabilnym spo ród rozpatrywanych konfiguracji
układu harman/akryloamid jest kompleks D.
Jednak e ró nice energii stabilizacji badanych układów s nieznaczne, np.
ró nica energii pomi dzy kompleksem A i D wynosi około 0,7 kcal/mol,
a kompleks D jest tylko o około 0,3 kcal/mol bardziej stabilny w porównaniu
z kompleksem B i C.
Analiza parametrów geometrycznych kompleksu D wskazuje na obecno
silnego wi zania wodorowego pomi dzy grup pirolow harmanu a atomem
tlenu akryloamidu. Obliczona odległo
pomi dzy atomem azotu grupy
pirolowej N-H a atomem tlenu akryloamidu wynosi 2,88 Å. W przypadku
kompleksów A i B oddziaływanie mi dzycz steczkowe wyst puje pomi dzy
atomem azotu pier cienia pirydynowego a jednym z atomów wodoru grupy
amidowej akryloamidu. Ponadto w kompleksach A i B mo na zauwa y
obecno dodatkowego oddziaływania wyst puj cego pomi dzy atomem tlenu
akryloamidu oraz (w przypadku kompleksu A) pomi dzy atomem wodoru
nale cego do pier cienia pirydynowego harmanu lub (w przypadku kompleksu
B) pomi dzy atomem wodoru grupy metylowej harmanu. Ponadto wi ksza
odległo pomi dzy atomem azotu pier cienia pirydynowego a atomem azotu
akryloamidu, wynosz ca 3,01 Å w przypadku kompleksu A oraz 3,03 Å
w przypadku kompleksu B, sugeruje, e siła oddziaływania pomi dzy azotem
pier cienia pirydynowego a grup amidow akryloamidu jest mniejsza w porównaniu z sił oddziaływania pomi dzy pirolow grup harmanu a atomem tlenu
akryloamidu.
Tabela 1
Warto ci całkowitej energii elektronowej (z korekt (Ecorr [a.u]) lub bez korekty
(Euncorr [a.u]) na bł d superpozycji bazy) kompleksów 1:1 harman/akryloamid
obliczone metod B3LYP/6-31G(d,p)
harman
akryloamid
A
B
C
D
Euncorr [a.u]
-572,844675624
-247,303117609
-820,162361919
-820,163085339
-820,162724426
-820,164097094
BSSE [a.u]
0,004412215480
0,004506439137
0,004076190793
0,005039302062
Ecorr [a.u]
-820,157949703132
-820,158578902056
-820,158648235105
-820,159057791210
Zastosowanie przybli enia hybrydowego B3LYP w badaniu oddziaływa …
65
Tabela 2
Warto ci energii oddziaływania (z poprawk ( Ecorr) lub bez poprawki ( Euncorr)
na bł d superpozycji bazy) [kcal/mol], energii stabilizacji Ebind [kcal/mol] dla
kompleksów 1:1 harman/akryloamid obliczone metod B3LYP/6-31G(d,p)
harman
akryloamid
A
B
C
D
Euncorr
[kcal/mol]
-9,14199
-9,59594
-9,36947
-10,2308
BSSE
[kcal/mol]
2,768707
2,827833
2,557848
3,16221
Ecorr
[kcal/mol]
-6,37328
-6,76811
-6,81162
-7,06862
ZPVE
[a.u]
0,192501
0,078864
0,273319
0,273478
0,273260
0,273492
ZPVE
[kcal/mol]
1,226154
1,325928
1,189131
1,334713
Ebind
[kcal/mol]
-5,14713
-5,44218
-5,62249
-5,7339
Z tabeli 2 wynika, e ró nice energii stabilizacji dla poszczególnych
kompleksów s nieznaczne, (np. energia oddziaływania kompleksu D jest tylko
o 0,6 kcal/mol wi ksza w porównaniu z warto ci energii interakcji obliczonej
dla kompleksu A). W celu jednoznacznego ustalenia najbardziej stabilnego
spo ród rozwa anych kompleksów, obliczono warto ci entalpii i energii
swobodnej asocjacji kompleksów w temperaturze 298 K. Wyniki oblicze
(zebrane w tabeli 3) potwierdzaj
wcze niejsze przypuszczenia,
e
preferowanym miejscem oddziaływania mi dzycz steczkowego w układzie
harman/akryloamid jest grupa pirolowa harmanu oraz atom tlenu akryloamidu.
Najbardziej stabiln konfiguracj kompleksu 1:1 harman/akryloamid jest
struktura D.
Tabela 3
Warto ci energii stabilizacji, entalpii i energii swobodnej
asocjacji kompleksów 1:1 harman/akryloamid obliczone
metod B3LYP/6-31G(d,p)
A
B
C
D
∆Ebind
[kcal/mol]
-5,147
-5,442
-5,622
-5,734
∆Has.
[kcal/mol]
-10,353
-10,886
-10,967
-11,819
∆Gas. [kcal/mol]
-0,130
-0,786
+0,821
-1,434
W celu zbadania natury oddziaływa mi dzycz steczkowych, których
wynikiem jest utworzenie kompleksu harman/akryloamid (o strukturze
reprezentowanej przez kompleks D), wykorzystano kryterium spektroskopowe
ustalania obecno ci wi za wodorowych. Zgodnie z tym kryterium dowodem
istnienia wi zania wodorowego jest znaczne obni enie cz sto ci drgania
rozci gaj cego grupy pełni cej rol donora wi zania wodorowego oraz
wielokrotny wzrost intensywno ci tego drgania w porównaniu z warto ciami
w izolowanym układzie.
66
A. Kowalska, A. Stobiecka
W tabeli 4 zebrano obliczone metod B3LYP/6-31G(d,p) cz sto ci i intensywno ci drgania rozci gaj cego N-H w harmanie oraz w układzie harman/
kryloamid. Z danych zawartych w tabeli 4 wynika, e tworzeniu wi zania
wodorowego pomi dzy grup pirolow harmanu a atomem tlenu akryloamidu
towarzyszy przesuni cie w stron ni szych cz sto ci drgania rozci gaj cego NH.
Wynika to z faktu, e utworzenie wi zania wodorowego z karbonylowym atomem
tlenu powoduje osłabienie wi zania N-H. Ponadto nast puje równie znaczny,
niemal 14-krotny, wzrost intensywno ci drgania rozci gaj cego w porównaniu
z warto ci intensywno ci drgania NH w izolowanej cz steczce harmanu.
Tabela 4
Parametry spektroskopowe drgania rozci gaj cego NH grupy pirolowej
w cz steczce harmanu oraz w kompleksie harman/akryloamid, obliczenia
z u yciem metody B3LYP/6-31G(d,p)
harman
kompleks D
νNH
[cm-1]
3690,94
3433,16
INH
57,4552
790,292
∆νNH
[cm-1]
-257,78
INHC/INHM
13,755
Tworzeniu wi zania wodorowego towarzysz zmiany rozkładu g sto ci
elektronowej oddziaływuj cych molekuł, tj. zmniejszenie g sto ci elektronowej
na atomie wodoru bior cym udział w wi zaniu oraz wzrost g sto ci elektronowej na
atomach donora i akceptora wodoru. Najprostszym sposobem przedstawienia
rozkładu g sto ci elektronowej molekuł jest wyznaczenie ładunków cz stkowych na
atomach, które mo na uzyska z analizy populacyjnej Mullikena. W tabeli 5
zebrano obliczone ładunki cz stkowe na atomach uczestnicz cych w tworzeniu
wi zania wodorowego w układzie harman/akryloamid uzyskane z analizy
populacyjnej Mullikena. Warto ci te porównano z warto ciami ładunków
cz stkowych w izolowanych monomerach.
Tabela 5
Ładunki cz stkowe na atomach bior cych udział w tworzeniu wi zania
wodorowego w kompleksie harman/akryloamid uzyskane za pomoc analizy
populacyjnej Mullikena metod B3LYP/6-31G(d,p)
Ładunek cz stkowy na
karbonylowym atomie
tlenu
akryloamid
harman
kompleks D
-0,516
-0,547
Ładunek cz stkowy
na atomie azotu
pier cienia
pirolowego
-0,731
-0,739
Ładunek cz stkowy
na atomie wodoru
grupy pirolowej
0,258
0,296
Zastosowanie przybli enia hybrydowego B3LYP w badaniu oddziaływa …
67
Mo na zauwa y , e w wyniku utworzenia wi zania wodorowego nast puje wzrost
dodatniego ładunku na pirolowym atomie wodoru, co oznacza, e g sto elektronowa na tym atomie uległa obni eniu. Ponadto tworzeniu wi zania wodorowego
towarzyszy wzrost g sto ci elektronowej na amidowym atomie tlenu akryloamidu.
4. Wnioski
W pracy zastosowano metod B3LYP z u yciem bazy funkcyjnej
6-31G(d,p) w badaniu oddziaływa mi dzycz steczkowych pomi dzy harmanem
a akryloamidem. Wyniki bada eksperymentalnych wskazuj , e w wyniku
wspomnianych oddziaływa w stanie podstawowym tworz si kompleksy
harman/akryloamid o stechiometrii 1:1.
W celu okre lenia parametrów geometrycznych kompleksu harman/
akryloamid oraz zbadania natury oddziaływa prowadz cych do jego powstania
obliczono optymalizacje geometrii kilku mo liwych konfiguracji układu
harman/akryloamid. Nast pnie wyznaczono energi stabilizacji, entalpi oraz
energi swobodn asocjacji wspomnianych układów. Wyniki oblicze wskazuj
jednoznacznie, e preferowanym miejscem oddziaływa jest grupa pirolowa
harmanu i atom tlenu akryloamidu. W najbardziej stabilnym kompleksie
harman/akryloamid obliczona odległo
pomi dzy atomem azotu grupy
pirolowej harmanu a atomem tlenu akryloamidu wynosi 2,88 Å. Ponadto
obliczona warto
k ta pomi dzy atomami uczestnicz cymi w tworzeniu
wi zania wodorowego (<NH…O) wynosi 161,3˚. Na podstawie obliczonych
parametrów strukturalnych mo na stwierdzi , e kryterium geometryczne
tworzenia wi za wodorowych w układzie harman/akryloamid zostało spełnione.
Przeprowadzono tak e analiz parametrów spektroskopowych drgania
rozci gaj cego N-H w harmanie oraz w kompleksie harman/akryloamid.
Okazało si , e utworzenie wi zania wodorowego powoduje znaczne obni enie
cz sto ci drgania rozci gaj cego N-H przy jednoczesnym wielokrotnym
wzro cie jego intensywno ci. W wyniku tworzenia kompleksu stwierdzono
równie zmiany rozkładu g sto ci elektronowej, tj. zmniejszenie g sto ci
elektronowej na atomie wodoru bior cym udział w wi zaniu wodorowym oraz
jej zwi kszenie na obu s siaduj cych z nim atomach o wy szej
elektroujemno ci. Zmiany te sugeruj , e oddziaływanie pomi dzy harmanem a
akryloamidem prowadzi do powstania wi zania wodorowego pomi dzy grup
pirolow harmanu a atomem tlenu akryloamidu.
Literatura
[1]
Sadlej J.: Obliczeniowe metody chemii kwantowej CNDO, INDO, NDDO,
ab initio. PWN, Warszawa (1988).
68
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
A. Kowalska, A. Stobiecka
McWeeny R.: Coulsona wi zania chemiczne. PWN, Warszawa (1987).
Fu A., Du D., Zhou Z.: Density functional theory study of the hydrogen bonding
interaction of 1:1 complexes of formamide with water. J. Mol. Struct., 623, 315325, (2003).
Bienko A., Latajka Z.: Density functional studies of 1:1 and 1:2 sulfuric acid
complexes with carbon monoxide. Chem. Phys., 282, 207-218, (2002).
Fu A., Du D., Zhou Z.: Density functional theory study of the hydrogen bonding
interaction of 1:1 complexes of formamide with methanol. Chem. Phys. Lett., 377,
537-543, (2003).
Fu A., Du D., Zhou Z.: Theoretical study on the hydrogen bond interaction
between diacetamide and methanol. J. Mol. Struct., 676, 133-140, (2004).
Fernandez-Berridi M., Iruin J., Irusta L., Mercero J., Ugalde J.: Hydrogenbonding interactions between formic acid and pyridine. J. Phys. Chem. A, 106,
4187-4191, (2002).
Yilgör E., Yilgör ., Yurtsever E.: Hydrogen bonding and polyurethane
morphology.I. Quantum mechanical calculations of hydrogen bond energies and
vibrational spectroscopy of model compounds. Polymer, 43, 6551-6559, (2002).
Vianello R., Kova evi B., Ambroži G., Mavri J., Maksi Z.: Hydrogen
bonding in complex of serine with histidine: computational and spectroscopic
study of model compounds. Chem. Phys. Lett., 400, 117-121, (2004).
Lundell J., Latajka Z.: Density functional studies of hydrogen-bonded systems II.
Solvation of the H2O-CO complex by a nonpolar solvent. Chem. Phys., 263, 221230, (2001).
Chandra A., Nguyen M.: A density functional study of weakly bound hydrogen
bonded complexes. Chem. Phys., 232, 299-306, (1998).
Wu O., Zhang H., Zhou Z., Lu J., Zhao G.: Study of the hydrogen bonding
interaction of 1:1 complexes of serine with formamide using density functional
theory. J. Mol. Struct., 757, 9-18, (2005).
Pei K., Li Y., Li H.: Hydrogen-bonding interaction between acetic acid and
pyridine 1:1 complex. J. Mol. Struct., 660, 113-118, (2003).
Zhao G., Duan C., Zhou Z., Wu Q., Lu J.: Density functional theory study of the
hydrogen bonding interaction of 1:1 complexes of formamide with cysteine. J.
Mol. Struct., 756, 143-149, (2005).
Chaundhari A., Lee S.: Computational study of glycine-(water) complex by
density functional study. Chem. Phys., 310, 281-285, (2005).
Wang Y., Balbuena P.: Associations of alkyl carbonates: intermolecular C-H…O
interactions. J. Phys. Chem. A, 105, 9972-9982, (2001).
Bondesson l., Mikkelsen K., Luo Y., Garberg P., Ågren H.: Density functional
theory calculations of hydrogen bonding energies of drug molecules. J. Mol.
Struct., 776, 61-68, (2006).
Chou P., Liu Y., Wu G., Shiao M., Yu W.: Proton-transfer tautomerism of carbolines mediated by hydrogen-bonded complexes. J. Phys.Chem. B, 105,
10674-10683, (2001).
S S., Duran M., Dannenberg J.J.: How does basis set superposition error change
the potential surfaces for hydrogen-bonded dimers?. J. Chem. Phys., 105, 1102411031, (1996).
Zastosowanie przybli enia hybrydowego B3LYP w badaniu oddziaływa …
69
[20] Piela L.: Idee chemii kwantowej. PWN, Warszawa (2003).
[21] Duarte A., da Costa A., Amado A.: On the conformation of neat acrylamide
dimers-a study by ab initio calculations and vibrational spectroscopy. J. Mol.
Struct., 723, 63-68, (2005).
[22] Jeffrey G.: Hydrogen bonds and molecular recognition. Food Chem., 56, 241-246,
(1996).
[23] Oliveira B., Pereira F., de Araújo R., Ramos M.: The hydrogen bond strength:
New proposals to evaluate the intermolecular interaction using DFT calculations
and the AIM theory. Chem. Phys. Lett., 427, 181-184, (2006).
A. Kowalska jest stypendystk projektu współfinansowanego ze rodków
Europejskiego Funduszu Społecznego oraz ze rodków Bud etu Pa stwa (numer
umowy Z/2.10/II/2.6/04/05/U/2/06).
APPLICATION OF THE B3LYP METHOD IN THE
STUDY ON HYDROGEN-BONDED INTERACTIONS
BETWEEN HARMANE AND ACRYLAMIDE
Abstract
In this study the hydrogen bonded interactions between harmane and
acrylamide have been investigated using B3LYP/6-31G(d,p) method. Four
reasonable geometries of harmane/acrylamide complex have been considered.
The equilibrium structures and vibrational frequencies of the interacting systems
have been determined. Three stable structures and one structure corresponding
to the transition state have been found. Stabilization energies of the molecular
systems under study have been estimated taking into account the zero-point
vibrational energies (ZPVE) and the basis set superposition error (BSSE)
corrections. In addition, some thermodynamical parameters of harmane/
acrylamide complexes have been calculated and the most stable harmane/
acrylamide complex has been found. Finally, the spectroscopic parameters of NH stretching vibration in the most stable harmane/acrylamide complex have been
compared to those corresponding to isolated harmane molecule in order to
calculate their shifts due to the hydrogen bond formation.
Institute of General Food Chemistry,
Faculty of Biotechnology and Food Sciences,
Technical University of Lodz