烯烴化合物中共軛雙鍵數(shù)量與性質(zhì)關(guān)系的理論研究

楊雨沁

摘要：本文通過密度泛函理論研究了不同雙鍵個數(shù)的烯烴化合物的分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、紫外可見光譜等性質(zhì)進(jìn)行了研究，從理論的角度解釋了不同烯烴在實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)中的本質(zhì)因素。

Abstract： This paper studies the molecular structure， electronic structure and ultraviolet-visible spectrum of olefin compounds with different numbers of double bonds through density functional theory， and explains the essential factors of different olefins in experimental performance from a theoretical perspective.

關(guān)鍵詞：烯烴化合物;雙鍵數(shù)量;密度泛函理論

Key words： olefin compounds;number of double bonds;density functional theory

中圖分類號：O623.123? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0256-03

0? 引言

我們常說，物質(zhì)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途。結(jié)構(gòu)是微觀的，性質(zhì)是宏觀的，宏觀世界是微觀的集合體現(xiàn)[1，2]。

結(jié)構(gòu)影響著物質(zhì)的種類。相同的元素，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不同，可能形成截然不同的物質(zhì)。最簡單的例子就是金剛石和石墨，他們的分子組成都是四個碳原子，但由于原子排列結(jié)構(gòu)不同，化學(xué)和物理性質(zhì)卻有著千壤之別，一個是世界上最硬、最耐高溫、最耐磨的物質(zhì)，一個則是片狀、較軟，用手就能揉捏碎的物質(zhì)。因?yàn)槿魏我环N物質(zhì)都不是簡單的平面結(jié)構(gòu)的，而是一種空間立體的存在，結(jié)構(gòu)就是物質(zhì)基礎(chǔ)的微粒的結(jié)合方式。不同堆積方式或者某一種特定的堆積方式形成了不同的結(jié)構(gòu)，不同的物質(zhì)。

結(jié)構(gòu)影響著物質(zhì)的反應(yīng)活性。例如，同是羥基（-OH），連在烷基上就是醇，沒有酸性，而連在苯環(huán)上就是酚，展現(xiàn)出了酸性。再如能發(fā)生加成反應(yīng)的就含有雙鍵，能酯化反應(yīng)的就存在羥基（-OH）或者羧基（-COOH）。

結(jié)構(gòu)影響著物質(zhì)的顏色[3-5]。在人們?nèi)粘５纳钪?，顏色起到了十分重要的作用。其在審美和?shí)用方面起到的作用及重要性可謂平分秋色。人們?yōu)榱顺浞掷妙伾膶徝兰皩?shí)用的功效，一直都在研究如何才能賦予物體最適合它的顏色。在審美上，人們尋找著各種美輪美奐的顏色搭配來滿足人們無論是在衣著還是住行上的視覺盛宴。而在實(shí)用上，它起著更重要一些的作用。早在七千多年前，在河南澠池的仰韶村便出現(xiàn)了彩陶，一種在打磨光滑的橙紅色底胚上使用天然礦物進(jìn)行描繪，多以赭石和氧化錳用作上色的主要物質(zhì)，然后進(jìn)行燒制。因上色的步驟在燒窯之前進(jìn)行，所以上過的顏色不容易脫落，而在近現(xiàn)代人們開始關(guān)注一些更加貼近生活的用途。經(jīng)過更深的學(xué)習(xí)，便會知道，每個顏色的光都有自己一定的波長，物質(zhì)顯色是因?yàn)樗樟艘欢l率的光，而物質(zhì)能吸收什么頻率的光也與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。所以說，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響其顯色的內(nèi)因，它的結(jié)構(gòu)還會影響它對光的反射和透射。對所有光吸收時(shí)，則顯現(xiàn)黑色，對所有光反射時(shí)，則顯現(xiàn)白色。又例如在太陽直射光下顯現(xiàn)出紅色的物體，是因?yàn)檩^多吸收了太陽光中的藍(lán)綠光，若改用青色光照在這個物體上，綜合了藍(lán)綠色的青色光會被幾乎全部吸收，所以這個物體就會呈現(xiàn)出黑色。生活中有很多可以變色的東西，比如在舞會里使用的變色燈便是應(yīng)用了這個原理制造出來的。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同又和吸收的光波和顯色有什么關(guān)系？每個物質(zhì)里都有不計(jì)其數(shù)且一直處于運(yùn)動狀態(tài)的分子，分子內(nèi)部的運(yùn)動又包括一些離子的成鍵斷鍵，原子核震動和自己的旋轉(zhuǎn)，從而會表現(xiàn)出一些分子能量，也就是它的內(nèi)能。其間，一些分子受到外界因素的影響，改變了自己的內(nèi)能。改變自己內(nèi)能的過程叫做“激發(fā)”，分子在一般的情況下處于稱作做“基態(tài)”的最低能量狀態(tài)，處于基態(tài)的分子與其高一級的分子間能量的差距叫做“能級”差。

在本文中，我們以有機(jī)化合物中的共軛雙鍵為研究對象，采用密度泛函理論，對分別含有一到五個雙鍵的乙烯到辛五烯五個直鏈分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和紫外可見光譜等性質(zhì)進(jìn)行研究，旨在從理論的角度討論有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)色的關(guān)系，得到一些非定量的有規(guī)律的結(jié)論。

1? 研究方法

在我們的工作中，采用高斯03軟件包結(jié)合DFT-B3LYP/6-31G的方法對所研究化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過B3LYP/6-31G、BMK/6-31G等方法對目標(biāo)化合物的分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、紅外光譜和紫外可見光譜展開研究。

2? 結(jié)果與討論

2.1 分子結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，化合物的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。分子結(jié)構(gòu)的變化會直接影響化合物對光的吸收、反射或透射，化合物所呈現(xiàn)的顏色便會隨之發(fā)生改變。因此，研究目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)是是十分必要的。在本節(jié)中，我們選取了分別含有一到五個雙鍵的乙烯到辛五烯的五個直鏈分子（乙烯、丁二烯、己三烯、庚四烯和辛五烯）。圖1列出了所研究分子在B3LYP/6-31G水平下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其骨架上的C-C和C=C鍵鍵長 。我們發(fā)現(xiàn)，五個分子均為直線型平面分子。由圖1可見，隨著雙鍵數(shù)目的增多，分子中雙鍵的鍵長有著輕微的增大，而單鍵的鍵長呈現(xiàn)相反的趨勢，也就是說，隨著雙鍵數(shù)目的增多，分子骨架中的C-C鍵和C=C鍵鍵長趨于平均，形成離域的π鍵，這意味著，這些化合物隨著碳鏈的增長π鍵電子數(shù)目增加，電子激發(fā)的容易程度也進(jìn)一步增加。