Исследование поверхности потенциальной энергии взаимодействия атомов H и O, и радикалов OH и CH₃O с этиленом с применением методов теории функционала плотности

Աշխատությունը նվիրված է էթիլենի հետ ջրածնի և թթվածնի ատոմների, ինչպես նաև հիդրօքսիլային և մեթօքսիլային ռադիկալների փոխազդեցությունների տեսական ուսումնասիրությանը՝ քվանտաքիմիական հաշվարկների և խտության ֆունկցիոնալի տեսության մեթոդների կիրառմամբ։ Հետազոտության կենտրոնում համապատասխան քիմիական համակարգերի պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթների կառուցվածքն է, հնարավոր ռեակցիոն ուղիների բացահայտումը, սկզբնական ռեագենտների, միջանկյալ միացությունների, անցումային վիճակների և վերջնական արգասիքների հարաբերական կայունության գնահատումը։ Նման մոտեցումը հնարավորություն է տալիս մոլեկուլային մակարդակում նկարագրել, թե ինչպես են բաց թաղանթով մասնիկները մոտենում չհագեցած ածխաջրածնին, ինչպիսի կառուցվածքային փոփոխություններ են տեղի ունենում փոխազդեցության ընթացքում և էներգետիկ տեսանկյունից որ ռեակցիոն ուղղություններն են առավել նշանակալի։ Հիմնական ուշադրությունը կենտրոնացված է պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթի գաղափարի վրա, որը քիմիական համակարգի էներգիան կապում է միջուկների տարածական դասավորության հետ։ Ռեակցիայի ընթացքում ատոմների դիրքերի փոփոխությանը զուգընթաց փոխվում է համակարգի էլեկտրոնային կառուցվածքն ու ընդհանուր էներգիան, և այդ փոփոխությունների տեսական նկարագրությունը հնարավորություն է տալիս բացահայտել ռեակցիայի մեխանիզմը։ Էներգետիկ նվազագույնները համապատասխանեցվում են համեմատաբար կայուն կառուցվածքներին, մինչդեռ ռեակցիոն ուղիների միջև գտնվող թամբային կետերը կապված են անցումային վիճակների հետ։ Այս կետերի տեղորոշումը և բնութագրումը կարևոր են ակտիվացման պատնեշների որոշման և հնարավոր ռեակցիոն ալիքների համեմատության համար։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում էթիլենի էլեկտրոնային կառուցվածքին և նրա կրկնակի կապի ռեակցիոն հատկություններին։ Ածխածին-ածխածին կրկնակի կապի π-էլեկտրոնային համակարգը կարող է արդյունավետորեն փոխազդել ատոմային և ռադիկալային մասնիկների հետ՝ առաջացնելով նոր կապեր և տարբեր միջանկյալ ռադիկալային կառուցվածքներ։ Այդ պատճառով էթիլենը հարմար մոդելային համակարգ է չհագեցած ածխաջրածինների տարրական ռեակցիաների տեսական ուսումնասիրման համար։ Դրա համեմատաբար պարզ կառուցվածքը հնարավորություն է տալիս մանրամասնորեն ուսումնասիրել ռեակցիոն մեխանիզմները և միաժամանակ ստացված օրինաչափությունները կիրառել ավելի բարդ օրգանական համակարգերի վարքը հասկանալու համար։ Ջրածնի ատոմի հետ փոխազդեցության ուսումնասիրության ժամանակ կարևորվում են կրկնակի կապին ատոմի միացման հնարավորությունները և համապատասխան ածխաջրածնային ռադիկալի առաջացման էներգետիկ առանձնահատկությունները։ Հաշվարկների միջոցով հնարավոր է գնահատել սկզբնական մոտեցման երկրաչափությունը, կապերի երկարությունների փոփոխությունները, անցումային կառուցվածքը և առաջացած միջանկյալ մասնիկի կայունությունը։ Միաժամանակ կարող են դիտարկվել մրցակցող ռեակցիոն ուղիներ և որոշվել դրանց էներգետիկ տարբերությունները։ Այս տվյալները կարևոր են ածխաջրածինների ռադիկալային փոխակերպումների, այրման և գազաֆազային կինետիկական գործընթացների մոլեկուլային մեխանիզմները հասկանալու համար։ Թթվածնի ատոմի մասնակցությամբ փոխազդեցությունները ներկայացնում են առավել բարդ էլեկտրոնային խնդիր, քանի որ անհրաժեշտ է հաշվի առնել մասնիկների էլեկտրոնային և սպինային վիճակները։ Թթվածնի ատոմի և չհագեցած կապի փոխազդեցության արդյունքում կարող են ձևավորվել տարբեր կառուցվածքային միջանկյալ վիճակներ, իսկ հետագա վերադասավորումները կարող են բացել մի քանի մրցակցող ռեակցիոն ալիքներ։ Քվանտաքիմիական հաշվարկները հնարավորություն են տալիս համեմատել այդ ուղիների էներգետիկ բնութագրերը, գնահատել հնարավոր ակտիվացման պատնեշները և պարզել, թե համակարգի էլեկտրոնային կառուցվածքի առանձնահատկություններն ինչպես են ազդում ռեակցիայի ընթացքի վրա։ Առանձին նշանակություն ունի հիդրօքսիլային ռադիկալի փոխազդեցության ուսումնասիրությունը։ Այս մասնիկը կարևոր դեր ունի բազմաթիվ գազաֆազային օքսիդացման գործընթացներում և բարձր ռեակցունակություն է ցուցաբերում չհագեցած օրգանական միացությունների նկատմամբ։ Էթիլենի կրկնակի կապի հետ դրա փոխազդեցության դեպքում հնարավոր է ուսումնասիրել ռադիկալի միացման սկզբնական փուլը, նոր կապի ձևավորումը, առաջացող միջանկյալ կառուցվածքների երկրաչափությունը և հետագա փոխակերպումների հնարավոր ուղղությունները։ Պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթի մանրամասն հետազոտումը թույլ է տալիս տարբերակել ուղղակի միացման, վերադասավորման և այլ հնարավոր տարրական փուլերը և գնահատել դրանց հարաբերական էներգետիկ մատչելիությունը։ Մեթօքսիլային ռադիկալի դեպքում կարևոր է պարզել, թե ավելի մեծ և կառուցվածքային առումով բարդ ռադիկալային մասնիկի առկայությունն ինչպես է փոխում չհագեցած համակարգի հետ փոխազդեցության բնույթը։ Թթվածին պարունակող ռադիկալի էլեկտրոնային կառուցվածքը, տարածական չափերը և ներքին կապերի առանձնահատկությունները կարող են ազդել ռեակցիոն մոտեցման երկրաչափության և էներգետիկ պատնեշների վրա։ Այս համակարգի ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս համեմատել տարբեր թթվածնային ռադիկալների ռեակցունակությունը և բացահայտել ռադիկալի կառուցվածքի ու ռեակցիայի մեխանիզմի միջև առկա կապերը։ Հետազոտության կարևոր բաղադրիչ է երկրաչափական կառուցվածքների օպտիմալացումը։ Յուրաքանչյուր ռեագենտի, միջանկյալ միացության, անցումային վիճակի և հնարավոր արգասիքի համար որոնվում է այն տարածական կառուցվածքը, որը համապատասխանում է տվյալ վիճակի էներգետիկ առանձնահատկություններին։ Օպտիմալացման արդյունքում որոշվում են կապերի երկարությունները, կապային անկյունները և այլ երկրաչափական պարամետրեր։ Դրանց համեմատությունը հնարավորություն է տալիս հետևել ռեակցիայի ընթացքում տեղի ունեցող կառուցվածքային փոփոխություններին և պարզել, թե որ կապերն են աստիճանաբար ձևավորվում, թուլանում կամ վերակազմավորվում։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում տատանողական հաճախականությունների հաշվարկներին։ Դրանք կարևոր են օպտիմալացված կառուցվածքների բնույթի ստուգման համար։ Կայուն նվազագույնին համապատասխանող կառուցվածքը և անցումային վիճակը տարբերվում են պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթի վրա իրենց մաթեմատիկական բնութագրերով, ուստի հաճախականությունների վերլուծությունը հնարավորություն է տալիս ստուգել հաշվարկված ստացիոնար կետերի համապատասխանությունը ենթադրվող ռեակցիոն կառուցվածքներին։ Բացի այդ, տատանողական տվյալները կարող են օգտագործվել զրոյական տատանողական էներգիայի և ջերմաքիմիական ուղղումների գնահատման համար՝ էներգետիկ համեմատությունները դարձնելով ավելի ամբողջական։ Հետազոտության առանցքային ուղղություններից է անցումային վիճակների որոնումը։ Քիմիական ռեակցիայի մեխանիզմի տեսական հիմնավորման համար բավարար չէ միայն սկզբնական և վերջնական կառուցվածքների էներգիաների որոշումը։ Անհրաժեշտ է բացահայտել դրանց միջև կապող ռեակցիոն ուղին և համապատասխան էներգետիկ առավելագույնը։ Անցումային կառուցվածքի հայտնաբերումը հնարավորություն է տալիս հաշվարկել ակտիվացման էներգիան և համեմատել տարբեր մրցակցող մեխանիզմները։ Եթե համակարգի համար հնարավոր են մի քանի ուղիներ, դրանց էներգետիկ պատնեշների համադրումը կարևոր տեղեկություն է տալիս յուրաքանչյուր ուղու հնարավոր նշանակության վերաբերյալ։ Կարևորվում է նաև ռեակցիայի ներքին կոորդինատի ուսումնասիրությունը, որի միջոցով կարելի է ստուգել, թե հայտնաբերված անցումային վիճակը իրականում կապում է նախատեսված ռեագենտային և արգասիքային կառուցվածքները։ Այսպիսի հաշվարկը թույլ է տալիս հետևել համակարգի կառուցվածքի աստիճանական փոփոխությանը անցումային կետից դեպի պոտենցիալ էներգիայի համապատասխան նվազագույնները։ Արդյունքում ռեակցիոն մեխանիզմի վերաբերյալ եզրակացությունը հիմնվում է ոչ միայն առանձին ստացիոնար կետերի գոյության, այլև դրանց միջև հաստատված էներգետիկ կապի վրա։ Առանձին տեղ է զբաղեցնում խտության ֆունկցիոնալի տեսության տարբեր մոտեցումների ընտրության խնդիրը։ Քվանտաքիմիական արդյունքների ճշգրտությունը կախված է կիրառվող ֆունկցիոնալից, բազիսային ֆունկցիաների հավաքածուից և հաշվարկային այլ մոտավորություններից։ Բաց թաղանթով ատոմների և ռադիկալների մասնակցությամբ համակարգերի դեպքում հատկապես կարևոր է էլեկտրոնային սպինի և չզույգավորված էլեկտրոնների ճիշտ նկարագրությունը։ Այդ պատճառով հաշվարկային մեթոդի ընտրությունը և դրա հնարավոր սահմանափակումների գնահատումը կազմում են հետազոտության մեթոդաբանական կարևոր մասը։ Անհրաժեշտության դեպքում տարբեր տեսական մակարդակներով ստացված արդյունքների համեմատությունը կարող է օգտագործվել էներգետիկ և կառուցվածքային տվյալների կայունությունը ստուգելու համար։ Հետազոտության մեջ կարևոր է նաև սպինային վիճակների ուսումնասիրությունը։ Ռադիկալային և ատոմային մասնիկների մասնակցությամբ ռեակցիաներում համակարգը կարող է ունենալ տարբեր սպինային բազմապատկություններ, իսկ որոշ դեպքերում տարբեր պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթների հարաբերակցությունը կարող է ազդել ռեակցիոն մեխանիզմի վրա։ Համապատասխան էլեկտրոնային վիճակների հաշվարկումը հնարավորություն է տալիս պարզել դրանց հարաբերական էներգիաները և գնահատել, թե տվյալ ռեակցիոն համակարգի նկարագրության համար որ վիճակներն են առավել կարևոր։ Այս հարցը հատկապես նշանակալի է թթվածնային մասնիկների մասնակցությամբ փոխազդեցությունների դեպքում։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում լիցքի և սպինային խտության բաշխման վերլուծությանը։ Քիմիական կապերի ձևավորման և խզման ընթացքում էլեկտրոնային խտությունը վերաբաշխվում է տարբեր ատոմների միջև։ Այդ փոփոխությունների ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս ավելի խորությամբ հասկանալ հաշվարկված ռեակցիոն ուղիների բնույթը։ Ռադիկալային միջանկյալ կառուցվածքների դեպքում հատկապես հետաքրքիր է չզույգավորված էլեկտրոնի տեղայնացման կամ ապատեղայնացման աստիճանը։ Էլեկտրոնային կառուցվածքի նման վերլուծությունը լրացնում է միայն երկրաչափական և էներգետիկ տվյալներից ստացվող պատկերացումը։ Կարևոր ուղղություն է ռեակցիաների ջերմաքիմիական բնութագրերի գնահատումը։ Սկզբնական և վերջնական կառուցվածքների հաշվարկված էներգիաների համեմատությամբ հնարավոր է գնահատել տարբեր տարրական փուլերի էներգետիկ արդյունքը, իսկ համապատասխան ջերմային ուղղումների կիրառմամբ՝ ստանալ ռեակցիաների թերմոդինամիկական բնութագրերի վերաբերյալ տեղեկություն։ Էներգետիկորեն բարենպաստ վերջնական վիճակի առկայությունը, սակայն, ինքնին չի նշանակում արագ ընթացող ռեակցիա, քանի որ գործընթացը կարող է սահմանափակվել բարձր ակտիվացման պատնեշով։ Այդ պատճառով թերմոդինամիկական և կինետիկական գործոնները դիտարկվում են փոխկապակցված ձևով։ Հետազոտության մեջ կարող են համեմատվել չորս տարբեր ակտիվ մասնիկների հետ ստացված պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթները։ Նման համեմատությունը հնարավորություն է տալիս բացահայտել ատոմային և ռադիկալային մասնիկների կառուցվածքի ազդեցությունը էթիլենի ռեակցունակության վրա։ Կարելի է գնահատել, թե մասնիկի չափը, էլեկտրոնային կառուցվածքը, թթվածնի առկայությունը և չզույգավորված էլեկտրոնի տեղայնացումը ինչպես են փոխում ռեակցիոն ուղիների երկրաչափությունը և էներգետիկան։ Այս համեմատական մոտեցումը նյութը վերածում է ոչ միայն առանձին ռեակցիաների հաշվարկային նկարագրության, այլև կառուցվածք–ռեակցունակություն ընդհանուր օրինաչափությունների ուսումնասիրության։ Առանձին նշանակություն ունի ստացված արդյունքների հնարավոր կիրառությունը այրման քիմիայում։ Ածխաջրածինների այրումը ներառում է բազմաթիվ փոխկապակցված տարրական ռադիկալային ռեակցիաներ, և դրանց արագություններն ու մեխանիզմները պայմանավորում են ընդհանուր գործընթացի ընթացքը։ Էթիլենը կարող է հանդես գալ տարբեր ածխաջրածնային համակարգերի փոխակերպումների կարևոր միջանկյալ բաղադրիչ, իսկ ջրածնի, թթվածնի և թթվածին պարունակող ռադիկալների հետ դրա փոխազդեցությունների ուսումնասիրությունը կարող է տրամադրել տվյալներ մանրամասն կինետիկական մեխանիզմների ձևավորման համար։ Քվանտաքիմիական հաշվարկները հատկապես օգտակար են այն տարրական փուլերի դեպքում, որոնց անմիջական փորձարարական ուսումնասիրությունը դժվար է մասնիկների կարճ կյանքի կամ բարձր ռեակցունակության պատճառով։ Հետազոտության արդյունքները կարող են նշանակություն ունենալ նաև մթնոլորտային քիմիայի տեսանկյունից։ Չհագեցած ածխաջրածինների և ակտիվ ռադիկալների փոխազդեցությունները կարևոր են օրգանական միացությունների մթնոլորտային փոխակերպումների մեխանիզմները հասկանալու համար։ Հիդրօքսիլային և այլ թթվածին պարունակող ռադիկալների հետ տարրական ռեակցիաների տեսական ուսումնասիրությունը կարող է օգնել պարզաբանել օրգանական նյութերի օքսիդացման սկզբնական փուլերը և հնարավոր միջանկյալ մասնիկների առաջացումը։ Միաժամանակ տեսական արդյունքները կարող են ծառայել որպես հիմք ավելի բարդ ռեակցիոն ցանցերի հետագա ուսումնասիրության համար։ Աշխատության մեթոդաբանական հիմքում ընկած է քվանտամեխանիկական հաշվարկների հաջորդական կիրառումը՝ սկզբնական կառուցվածքների ստեղծումից և երկրաչափական օպտիմալացումից մինչև ստացիոնար կետերի բնութագրում, անցումային վիճակների որոնում և ռեակցիոն ուղիների էներգետիկ համեմատություն։ Հաշվարկված կառուցվածքային, տատանողական և էլեկտրոնային բնութագրերի համատեղ վերլուծությունը հնարավորություն է տալիս ստանալ փոխազդեցությունների մեխանիզմների ամբողջական պատկեր։ Տարբեր հաշվարկային մոտեցումների արդյունքների համեմատությունը կարող է օգտագործվել մեթոդաբանական անորոշությունների գնահատման և առավել վստահելի եզրակացությունների ձևավորման համար։ Աշխատության գիտական նշանակությունը պայմանավորված է պարզ չհագեցած ածխաջրածնի և բարձր ռեակցունակությամբ ատոմային ու ռադիկալային մասնիկների միջև տարրական փոխազդեցությունների մոլեկուլային մեխանիզմների պարզաբանմամբ։ Պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթների համակարգված ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս բացահայտել այն միջանկյալ կառուցվածքներն ու անցումային վիճակները, որոնք որոշում են ռեակցիաների ընթացքը, ինչպես նաև համեմատել տարբեր մասնիկների ռեակցունակության առանձնահատկությունները միասնական տեսական մոտեցմամբ։ Ստացված արդյունքները կարող են օգտակար լինել ռեակցիաների կինետիկական մոդելների մշակման, փորձարարական տվյալների մեկնաբանման և ավելի բարդ ածխաջրածնային համակարգերի տեսական հետազոտությունների համար։ Ընդհանուր առմամբ նյութը ներկայացնում է քիմիական ռեակցիաների պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթների քվանտաքիմիական ուսումնասիրություն՝ միավորելով մոլեկուլային երկրաչափության, էլեկտրոնային կառուցվածքի, անցումային վիճակների, ակտիվացման պատնեշների, ռադիկալային մեխանիզմների և թերմոդինամիկական բնութագրերի վերլուծությունը։ Այն կարող է օգտակար լինել քվանտային և ֆիզիկական քիմիայի, քիմիական կինետիկայի, այրման գործընթացների, մթնոլորտային քիմիայի և հաշվողական քիմիայի ոլորտներում աշխատող հետազոտողների, դասախոսների և համապատասխան մասնագիտությունների ուսանողների համար։