Коливальна спектроскопія та квантово-хімічний розрахунковий аналіз міжмолекулярних взаємодій в орто-ксилолі та його розчинах з диметилсульфоксидом
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.8.671Ключові слова:
спектри комбiнацiйного розсiювання, ab initio розрахунки, водневий зв’язок, орто-ксилол, DMSO, поверхневий молекулярний електростатичний потенцiал (MEP), FMO, HOMO, LUMO, ELF, LOLАнотація
У цій роботі досліджено міжмолекулярні взаємодії в орто-ксилолі та його розчині з диметилсульфоксидом (DMSO) за допомогою аналізу коливальних спектрів і квантово-хімічних розрахунків. Аналіз спектрів комбінаційного розсіювання показав, що DMSO впливає на молекулярні спектральні властивості орто-ксилолу, що є результатом впливу розчинника, водневих зв’язків і π-електронних взаємодій. Механізми утворення молекулярних кластерів досліджувалися в рамках теорії функціонала густини (DFT) за допомогою функціонального набору B3LYP 6-311++G(d,p). Розрахунки дали змогу проаналізувати такі квантово-хімічні параметри, як молекулярний електростатичний потенціал (MEP), граничні молекулярні орбіталі (HOMO і LUMO), заряди за Маллікеном, функція локалізації електронів (ELF) і локатор локалізованих орбіталей (LOL). Отримані результати допомагають зрозуміти природу взаємодії між молекулами орто-ксилолу й DMSO та уможливлюють детальне вивчення формування молекулярних кластерів у розчині. Аналіз показав, що π-зв’язки відіграють головну роль у взаємодії між молекулами орто-ксилолу та DMSO, що спричиняє утворення молекулярних кластерів і зміни властивостей спектральних ліній. Це дослідження робить важливий внесок у розуміння механізму міжмолекулярних взаємодій у рідинній фазі.
Посилання
1. M. Nishio, Y. Umezawa, J. Fantini, M. Weiss, P. Chakrabarti. CH-π hydrogen bonds in biological macromolecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (25), 12648 (2014).
https://doi.org/10.1039/C4CP00099D
2. L. Xu, X. Miao, X. Ying, W. Deng. Two-dimensional self-assembled molecular structures formed by the competition of van der Waals forces and dipole-dipole interactions. J. Phys. Chem. C 116 (1), 1061 (2012).
https://doi.org/10.1021/jp210000e
3. M. Sinnokrot, D. Sherrill. High-accuracy quantum mechanical studies of π−π interactions in benzene dimers. J. Phys. Chem. A 110 (37), 10656 (2006).
https://doi.org/10.1021/jp0610416
4. A. Jumabaev, A. Absanov, Z. Ernazarov, A. Shodiyev, S. Umarov. Raman spectra and ab-initio calculation analysis of intermolecular interactions in ethyl acetate. J. Samarkand State Univ. 139 (1), 5 (2023).
5. A. Jumabaev, A. Absanov, B. Khudaykulov, Z. Ernazarov. Investigation of intermolecular interactions in butyl acetate using vibrational spectroscopy and nonempirical calculations. Uzbek Phys. J. 25 (4), (2023).
https://doi.org/10.52304/.v25i4.471
6. P. Alvarez, M. Vogel. Substrate interactions of benzene, toluene, and para-xylene during microbial degradation by pure cultures and mixed culture aquifer slurries. Appl. Environ. Microbiol. 57, 2981 (1991).
https://doi.org/10.1128/aem.57.10.2981-2985.1991
7. E. Edwards, L. Wills, M. Reinhard, D. Grbić-Galić. Anaerobic degradation of toluene and xylene by aquifer microorganisms under sulfate-reducing conditions. Appl. Environ. Microbiol. 58, 794 (1992).
https://doi.org/10.1128/aem.58.3.794-800.1992
8. C. Eberhardt, P. Grathwohl. Time scales of organic contaminant dissolution from complex source zones: coal tar pools vs. blobs. J. Contam. Hydrol. 59, 45 (2002).
https://doi.org/10.1016/S0169-7722(02)00075-X
9. S. Naganandhini, T. Sangeetha, G. Arivazhagan. FTIR Spectroscopic studies on the binary solutions of 1-propanol with xylene isomers. Orient. J. Chem. 37 (3), 710 (2021).
https://doi.org/10.13005/ojc/370328
10. H. Chung, J. Lee, M. Ku. Feasibility of simultaneous measurement of xylene isomers and other hydrocarbons in p-xylene production processes using near-infrared spectroscopy. Appl. Spectr. 52, 885 (1998).
https://doi.org/10.1366/0003702981944436
11. R. Lindenmaier, N. Scharko, R. Tonkyn, K. Nguyen, S. Williams, T. Johnson. Improved assignments of the vibrational fundamental modes of ortho-, meta-, and para-xylene using gas- and liquid-phase infrared and Raman spectra combined with ab initio calculations: Quantitative gas-phase infrared spectra for detection. J. Mol. Struct. 1149, 332 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.07.053
12. F. Tukhvatullin, A. Jumabaev, U. Tashkenbaev, H. Hushvaktov, A. Absanov, G. Sharifov. Aggregation of benzene molecules with molecules of methanol and formic acid. Ukr. J. Phys. 57 (2), 244 (2012).
https://doi.org/10.15407/ujpe57.2.244
13. F. Tukhvatullin, A. Jumabaev, H. Hushvaktov, A. Absanov, G. Sharifov. On proton acceptor and proton donor properties of benzene molecules. J. Rep. Acad. Sci. No. 4, 25 (2011).
14. A. Jumabaev, G. Sharifov, H. Hushvaktov, A. Amonov. Studying the processes of intermolecular interactions in xylene solutions by spectra of Raman scattering and ab initio calculations. Open Access J. Phys. 3 (3), 10 (2019).
https://doi.org/10.22259/2637-5826.0303002
15. A. Fujii, S. Morita, M. Miyazaki, T. Ebata, N. Mikami. A molecular cluster study on activated CH/π interactions: Infrared spectroscopy of aromatic molecule-acetylene clusters. J. Phys. Chem. A 108 (14), 2652 (2004).
https://doi.org/10.1021/jp049946b
16. B. Marekha, K. Sonoda, T. Uchida, T. Tokuda, A. Idrissi, T. Takamuku. Intermolecular studies in molecular liquids. J. Mol. Liq. 232, 431 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.02.068
17. R. Thomas, C. Shoemaker, K. Eriks. Crystal structure studies. Acta Cryst. 21, 12 (1966).
https://doi.org/10.1107/S0365110X66002263
18. H. Torii, M. Tasumi. Vibrational analysis studies. Bull. Chem. Soc. Jpn. 68, 128 (1995).
19. A. Gutiérrez, M. Atilhan, S. Aparicio. Nanoscopic approach on benzene-toluene-xylenes extraction by sulfolane. J. Mol. Liq. 249, 1039 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.112
20. A. Gordon, R. Ford. The Chemist's Companion: A Handbook of Practical Data, Techniques, and References (Wiley, 1973).
21. A. Becke. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 98 (7), 5648 (1993).
https://doi.org/10.1063/1.464913
22. C. Lee, W. Yang, R. Parr. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B 37 (2), 785 (1988).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
23. M. Frisch, G. Trucks, H. Schlegel et al. Gaussian 09, Revision D.1 (Gaussian, Inc., Wallingford, 2009).
24. J. Moberly, M. Bernards, K. Waynant. Key features and updates for Origin. J. Cheminform. 10, Article 5 (2018).
https://doi.org/10.1186/s13321-018-0259-x
25. R. Dennington, T. Keith, J. Millam. GaussView Version 6 (Semichem Inc., 2016).
26. W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten. VMD: Visual molecular dynamics. J. Mol. Graph. 14 (1), 33 (1996).
https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
27. T. Lu, F. Chen. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 33, 580 (2012).
https://doi.org/10.1002/jcc.22885
28. J. Murray, K. Sen. Molecular Electrostatic Potentials: Concepts and Applications (Elsevier, 1996).
29. A. Jumabaev, B. Khudaykulov, U. Holikulov, A. Norkulov, J. Subbiah, O. Al-Dossary, N. Issaoui. Molecular structure, vibrational spectral assignments, MEP, HOMO-LUMO, AIM, NCI, RDG, ELF, LOL properties of acetophenone and for its solutions based on DFT calculations. Optical Materials 159, 116683 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.optmat.2025.116683
30. N. Chetry, T. Devi. Intermolecular interaction study of L-Threonine in polar aprotic solvent: Experimental and theoretical study. J. Mol. Liq. 338, 116689 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116689
31. A. Jumabaev, H. Hushvaktov, A. Absanov, B. Khudaykulov, Z. Ernazarov, L. Bulavin. Vibrational spectra and computational study of amyl acetate: MEP, AIM, RDG, NCI, ELF, and LOL analysis. Ukr. J. Phys. 69, 742 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.10.742
32. A. Jumabaev, S. Koyambo-Konzapa, H. Hushvaktov, A. Absanov, B. Khudaykulov, U. Holikulov, M. Nsangou. Intermolecular interactions in water and ethanol solution of ethyl acetate: Raman, DFT, MEP, FMO, AIM, NCI-RDG, ELF, and LOL analyses. J. Mol. Model. 30 (10), 349 (2024).
https://doi.org/10.1007/s00894-024-06147-0
33. S. Koyambo-Konzapa, S. Aljazzar, G. Kongbonga et al. Hydration effects on molecular structure, vibrational, electronic properties, drug-likeness analysis, molecular docking, and molecular dynamics studies. J. Mol. Liq. 410, 125609 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.125609
34. A. Jumabaev, H. Hushvaktov, A. Absanov, I. Doroshenko, B. Khudaykulov, L. Djumanov, Z. Ernazarov. Insights into amyl acetate-chloroform interactions: Vibrational spectroscopy and quantum topology study. Ukr. J. Phys. 71 (1), 28 (2026).
https://doi.org/10.15407/ujpe71.1.28
35. N. Elangovan, S. Al-Hussain, S. Sowrirajan, M. Zaki, S. Gomha, A. Norkulov, Z. Ernazarov. Electronic structure, absorption, and cyclic voltammetry studies of bisimine Schiff base: A combined experimental and theoretical correlation. J. Fluorescence 1 (2026).
https://doi.org/10.1007/s10895-026-04817-1
36. A. Jalbout, A. Hameed, B. Trzaskowski. Study of the structural and electronic properties of 1-(4,5 and 6-selenenyl derivatives-3-formyl-phenyl) pyrrolidinofullerenes. J. Organomet. Chem. 692, 1039 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2006.10.068
37. B. Khudaykulov, A. Norkulov, U. Holikulov, A. Absanov, I. Doroshenko, A. Jumabaev. Raman and DFT study of non-covalent interactions in liquid benzophenone and its solutions. Low Temp. Phys. 51 (2), 220 (2025).
https://doi.org/10.1063/10.0035406
38. V.F. Korolovych, O.A. Grishina, O.A. Inozemtseva, A.V. Selifonov, D.N. Bratashov, S.G. Suchkov, L.A. Bulavin, O.E. Glukhova, G.B. Sukhorukov, D.A. Gorin. Impact of high-frequency ultrasound on nanocomposite microcapsules: In silico and in situ visualization. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (4), 2389 (2016).
https://doi.org/10.1039/C5CP05465F
39. B. Shainyan, N. Chipanina, T. Aksamentova, L. Oznobikhina, G. Rosentsveig, I. Rosentsveig. Intramolecular hydrogen bonds in the sulfonamide derivatives of oxamide, dithiooxamide, and biuret. FT-IR and DFT study, AIM and NBO analysis. Tetrahedron 66 (44), 8551 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.tet.2010.08.076
40. A. Jumabaev, H. Hushvaktov, B. Khudaykulov, A. Absanov, M. Onuk, I. Doroshenko, L. Bulavin. Formation of hydrogen bonds and vibrational processes in dimethyl sulfoxide and its aqueous solutions: Raman spectroscopy and ab initio calculations. Ukr. J. Phys. 68 (6), 375 (2023).
https://doi.org/10.15407/ujpe68.6.375
41. A. Kazachenko et al. Experimental and theoretical study of the sulfamic acid-urea deep eutectic solvent. J. Mol. Liq. 363, 119859 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119859
42. J. Deephlin Tarika, X. Divya Dexlin, S. Madhankumar, D. Deva Jayanthi, T. Joselin Beaula. Tuning the computational evaluation of spectroscopic, ELF, LOL, NCI analysis and molecular docking of novel anti-COVID-19 molecule 4-dimethylamino pyridinium 3,5-dichlorosalicylate. Spectrochim. Acta A 259, 119907 (2021).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
