Функсияҳои Фукуи ва тавсифкунандагони дугона: Таҳлили пешрафтаи илмӣ

Функсияҳои Фукуи ҳамчун тавсифкунандагони асосӣ аз назарияи функсионалии зичии консептуалӣ дар асоси DFT амал мекунанд, ки нишон медиҳад, ки чӣ гуна электронҳо дар дохили молекулаҳо тақсим мешаванд. Қобилияти пешгӯӣ бо истифода аз ин функсияҳо қобилияти электрон додан ё қабул кардани потенсиали молекулаҳоро дар маконҳои мушаххаси атомӣ барои муайян кардани хусусиятҳои электрофилӣ ё нуклеофилӣ нишон медиҳад.

Дескриптори дугона таҳлили функсияи Фукуиро тавассути фарқ кардани хосиятҳои нуклеофилӣ ва электрофилӣ дар маконҳои молекулавӣ такмил медиҳад, ки дақиқии арзёбии реактивии химиявиро беҳтар мекунад. Мо дарёфтем, ки аксари муҳаққиқон дар ҳисоб кардани ин дескрипторҳои муҳим барои таҳлили пешрафтаи илмӣ дучор меоянд. Дар ин ҷо, мо як рамзи оддии Python тарҳрезӣ кардем, то ҳисобро содда кунад.

Дар мақола фаҳмиши муфассал дар бораи функсияҳои Фукуи дар якҷоягӣ бо чаҳорчӯбаи назариявии онҳо дар якҷоягӣ бо расмиёти ададӣ ва барномаи Python бо истифода аз натиҷаҳои таҳлили табиии аҳолӣ (NPA), ки аз нармафзори Gaussian гирифта шудаанд, оварда шудааст.

📥Функсияҳои Фукуй ва тафсири физикии онҳо

Функсияи Фукуи 𝑓(𝑟) аксуламали зичии электронҳоро ρ(r) чен мекунад, вақте ки шумораи электронҳо дар система каме тағйир меёбад.

Аз ҷиҳати математикӣ он чунин муайян карда мешавад:

Дар он ҷо N шумораи умумии электронҳо ва v(r) потенсиали беруна аст. Ин функсияро бо истифода аз фарқиятҳои ниҳоии рақамӣ тахмин кардан мумкин аст:

Дар куҷо:

• 𝑞 𝑟 (𝑁 ) → заряди атомии макони мушаххас дар молекулаи нейтрал.
• 𝑞 𝑟 ( 𝑁 + 1 ) → заряд пас аз илова кардани электрон (анион).
• 𝑞 𝑟 ( 𝑁 − 1 ) → заряд пас аз хориҷ кардани электрон (катион).

Ин ду функсия ҳассосияти зичии электронро ба тағир додани шароит арзёбӣ мекунанд, то дар пешгӯии шакли реактивии кимиёвӣ кӯмак расонанд.

📥Дескриптори дугона (Δ𝑓(𝑟)) ва тафсири кимиёвӣ

Дескриптори дугона Δ 𝑓 (𝑟) таҳлили функсионалии Фукуиро тавассути фарқияти байни маконҳои реактивии электрофилӣ ва нуклеофилӣ такмил медиҳад:

📥Тафсири Δ𝑓( 𝑟 ):

• Δ 𝑓 (𝑟) → Минтақа ба ҳамлаи нуклеофилӣ мусоидат мекунад.
• Δ 𝑓 (𝑟) < 0 → Минтақа ба ҳамлаи электрофилӣ мусоидат мекунад.
• Δ 𝑓 ( 𝑟 )=0 → Минтақа аз ҷиҳати кимиёвӣ ғайрифаъол аст.

Бо истифода аз Δ 𝑓 (𝑟), муҳаққиқон метавонанд маконҳои молекулавии реактивиро дақиқ муайян кунанд ва роҳҳои реаксияҳои органикиро пешгӯӣ кунанд.

📥Таҳлили табиии аҳолӣ (NPA) бо забони Гаусс

Химияи ҳисоббарорӣ NPA-ро барои тақсим кардани зичии электрон дар байни атомҳои молекула васеъ истифода мебарад. Нармафзори Gaussian пардохтҳои NPA-ро тавассути калимаи калидии файли воридотӣ Pop=NPA тавлид мекунад. Асос барои иҷрои ҳисобҳои функсионалии Фукуйро ин пардохтҳо таъмин мекунанд.

Намунаи вуруди Гауссиан барои ҳисобкунии NPA:

 %chk=mol.chk # B3LYP/6-31G(d,p) Pop=NPA Title: NPA Charge Calculation 0 1 C 0.000 0.000 0.000 H 0.000 0.000 1.090 H 1.026 0.000 -0.363 H -0.513 -0.889 -0.363 H -0.513 0.889 -0.363

Қисмати баромади ҳисобкунии Гаусс пардохтҳои NPA-ро дар зери сарлавҳаи " Таҳлили табиии аҳолӣ " пешниҳод мекунад. Пардохтҳои истихроҷшуда дар ҷадвал формат карда шудаанд:

Ин арзишҳо дар скрипти Python барои ҳисоб кардани функсияҳои Fukui ва тавсифкунандаи дугона истифода мешаванд.

📥Рамзи Python барои ҳисобкунии функсияи Фукуи

Муҳаққиқон арзишҳои ҳисобшударо барои фаҳмидани механизмҳои кимиёвӣ ҳангоми реаксияҳо ҳангоми таҳияи молекулаҳое, ки дорои хосиятҳои функсионалии хос, аз ҷумла катализаторҳо ва номзадҳои маводи мухаддир мебошанд, истифода мебаранд.

👉Скрипти Python:

 import pandas as pd # Load the data from the Excel file in the same directory as the script file_path = 'FUKUI.xlsx' df = pd.read_excel(file_path) # Calculate Fukui Functions and Dual Descriptor with 5 decimal places df['fr+'] = (df['Anion(N+1)'] - df['Neutral(N)']).apply(lambda x: f"{x:.5f}") df['fr-'] = (df['Neutral(N)'] - df['Cation(N-1)']).apply(lambda x: f"{x:.5f}") df['fr0'] = ((df['Anion(N+1)'] - df['Cation(N-1)']) / 2).apply(lambda x: f"{x:.5f}") df['∆f'] = (df['fr+'].astype(float) - df['fr-'].astype(float)).apply(lambda x: f"{x:.5f}") # Save the calculated data to a new Excel file in the same directory output_file = 'fukui_functions_output.xlsx' df.to_excel(output_file, index=False) # Display the DataFrame (optional) print(df)

👉Тафсири код:

Боркунии маълумот:

Пардохтҳои NPA-ро аз файли Excel мехонад ( FUKUI.xlsx ).

👉Ҳисобкунии функсияи Фукуи:

• Индекси 𝑓+( 𝑟 ) аз фарқи байни арзишҳои заряди анионӣ ва нейтралӣ бармеояд.
• Ин шохиси 𝑓-( 𝑟) дар натиҷаи тарҳ кардани арзиши заряди катионӣ аз арзиши заряди бетараф ба вуҷуд меояд.
• Функсияи радикалии Фукуй арзиши худро тавассути иҷрои амалиёти миёна дар 𝑓+( 𝑟 ) ва 𝑓-( 𝑟 ) ба даст меорад.
• Вақте ки ҳисобкунии 𝑓-( 𝑟 ) аз он 𝑓+( 𝑟 )-ро хориҷ мекунад, тавсифкунандаи дугона пайдо мешавад.

Форматсозӣ: Ҳар як арзиш барои дақиқ ба панҷ адад даҳӣ мудаввар карда мешавад.

Натиҷа: Натиҷаҳо ҳамчун fukui_functions_output.xlsx барои таҳлили минбаъда захира карда мешаванд.

📥Натиҷаҳо ва муҳокима

Функсияҳои ҳисобшудаи Фукуи ва дескрипторҳои дугона дар бораи реактивии молекулавӣ фаҳмиши интиқодӣ медиҳанд:

• Қиматҳои баланди 𝑓+( 𝑟) мавқеъҳои эҳтимолии нуклеофиликиро нишон медиҳанд.
• Қиматҳои баланди 𝑓−( 𝑟) реактивии электрофилиро нишон медиҳанд.
• Қиматҳои Δ 𝑓 ( 𝑟 ) сайтҳои реактивтаринро ба вуҷуд меоранд.

Пешгӯиҳои механизмҳои реаксия бо истеҳсоли молекулаҳо бо хосиятҳои хоси дилхоҳ ба монанди катализаторҳо ва номзадҳои маводи мухаддир алоқаманданд.

📥Хулоса

Омезиши функсияҳои Фукуи бо тавсифи дугона ҳамчун як равиши пурқуввати ҳисоббарорӣ барои омӯхтани реактивии химиявӣ амал мекунад. Ҳисобкунии дурусти тақсимоти пардохт аз пардохтҳои NPA, ки тавассути ҳисобҳои Гаусс ба даст оварда шудааст, вобаста аст. Методологияи ба Python асосёфта автоматизатсияро имкон медиҳад, ки баҳодиҳии самараноки маҷмӯаҳои бузурги молекулавӣ имкон медиҳад.

Таҳқиқоти минбаъда бояд таҳлили якҷояи функсияҳои Фукуиро дар якҷоягӣ бо харитасозии потенсиали электростатикӣ, ки таҳлили орбиталии молекулавӣ барои ноил шудан ба фаҳмиши дурусти рафтори реактивиро дар бар мегирад, амалӣ созанд.