CC BY
1
УДК 543.422.3-74 + 547.458.233.32 ГРНТИ 29.29.19
DOI 10.24412/2409-3203-2024-40-30-35
ВЫЧИСЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВ САХАРОЗЫ
Степанович Екатерина Юрьевна
к.ф.-м.н., доцент, и.о. завкафедрой технологии материалов и промышленной инженерии
Алиев Пири Набиевич студент 4 курса бакалавриата по направлению «Инженерная физика» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева»
Россия, г. Астрахань
Аннотация: в статье приводится изображение структурно-динамической модели молекулы дисахарида сукрозы, более известной как сахароза, построенной на основе её химической структуры. Данная модель были оптимизирована согласно теории функционала плотности с использованием трёхпараметрического гибридного функционала Бекке, Ли, Янг, Парра с разложением молекулярной орбитали по атомным орбиталям типа 6-31+G(d,p), то есть с учётом диффузных и поляризационных функций. Согласно тому же квантовому методу рассчитаны фундаментальные частоты колебаний атомных ядер построенной структурно-динамической модели в равновесном состоянии, которые представлены в виде теоретического инфракрасного спектра. Достоверность вычислений подтверждается экспериментально путём проведения сравнительного анализа экспериментального снятого ИК-спектра сахарозы. Приведена интерпретация спектров с указанием типа и локализации колебаний атомов структурно-динамической модели.
Ключевые слова: сахароза, ИК-спектр, теория функционала плотности, DFT, Gaussian.
CALCULATION AND INVESTIGATION OF THE INFRARED SPECTRA OF
SUCROSE Stepanovich Ekaterina Yurievna
Ph.D., Associate Professor, Acting Head of the Department of Materials Technology and
Industrial Engineering Aliyev Piri Nabievich 4th year student in the field of Engineering Physics Astrakhan State University named after V.N. Tatishchev Russia, Astrakhan
Abstract: The article presents an image of a structural and dynamic model of the sucrose disaccharide molecule, based on its chemical structure. This model was optimized according to the density functional theory using the three-parameter hybrid functional of Becke, Lee, Yang, Parr with the decomposition of the molecular orbital into atomic orbitals of type 6-31+G(d,p), that is, taking into account diffuse and polarization functions. According to the same quantum method, the fundamental oscillation frequencies of atomic nuclei of the constructed structural-dynamic model in the equilibrium state are calculated, which are presented in the form of a theoretical infrared spectrum. The reliability of the calculations is confirmed experimentally by conducting a comparative analysis of the experimental captured infrared spectrum of sucrose. The interpretation of the spectra is given, indicating the type and localization of vibrations of atoms in the structural-dynamic model.
Keywords: sucrose, IR spectrum, density functional theory, DFT, Gaussian.
Введение
В последние десятилетия наблюдается резкое повышения числа людей, больных сахарным диабетом II типа, как в России [1], так и во всём мире [2]. Для больных сахарным диабетом важно измерять уровень глюкозы в крови, что возможно выполнить методами инфракрасной (далее — ИК) спектроскопии при сопоставлении спектра крови пациента со спектром глюкозы и/или её первообразных. Также больным сахарным диабетом важно соблюдать строгую диету с исключением простых углеводов из рациона.
Для определения содержания сахарозы в продуктах также можно использовать методы ИК-спектроскопии. Одним из основных источников глюкозы в крови в современной потребительской корзине является сахароза (сахар), который расщепляется в организме до глюкозы в том числе. Химическая структура молекулы сахарозы известна [3], поэтому с использованием метода функционала плотности [4] представляется возможным вычисление теоретических ИК-спектров данного вещества.
Методы квантовой химии ранее успешно использовались для расчёта свойств молекулярной системы [5]. Методы ИК-спектроскопии успешно применялись для обнаружения и идентификации тех или иных функциональных групп в молекулах исследуемого вещества [6. 7].
Модель молекулы сахарозы, теоретический ИК-спектр
Сукроза, более известная в российской литературе как сахароза, является дисахаридом, молекула которой содержит моносахариды глюкозу и фруктозу, соединённых между собой через «кислородный мостик» [3].
На рисунке 1 показано изображение структурно-динамической модели молекулы сахарозы, построенной в ПО «ОашзУ1е\¥ 5.0.9» на основе её химической структуры.
Рисунок 5. Изображение структурно-динамической модели сахарозы.
Данная модель была оптимизирована методом функционала плотности ОРТ с использованием гибридного трёхпараметрического функционала Бекке, Ли, Янг, Парра ВЗЬУР разложением молекулярной орбитали на атомные по базису 6-31+0(с1,р). Данный
базис учитывает поляризационные р-функции для атомов водорода и поляризационные с1-функции с диффузными функциями для остальных атомов.
Согласно тому же квантовому методу, были рассчитаны фундаментальные частоты колебаний приведённой структурно-динамической модели молекулы сахарозы. Данные частоты были представлены в форме теоретического ИК-спектра в виде зависимости молярного коэффициента поглощения от волнового числа колебаний, что показано на рисунке 2. На этом же рисунке указаны волновые числа некоторых интенсивных полос.
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Волновое число (см1)
Рисунок 6. Теоретический ИК-спектр молекулы сахарозы.
Экспериментальный ИК-спектр, сравнительный анализ
Для достоверности интерпретации возникновению полос поглощения из спектра на рис. 2 был проведён эксперимент. Был снят ИК-спектр сахарозы на ИК-Фурье-спектрометре модели «Frontier» фирмы «Perkin Elmer» на приставке нарушенного полного внутреннего отражения. Спектр отображает зависимость относительного пропускания ИК-излучения от его волнового числа. Полуширина лоренцевого контура — 10 см"1.
Экспериментальный ИК-спектр сахарозы приведён на рисунке 3. На спектре обозначены волновые числа некоторых полос поглощения.
В таблице 1 дана интерпретация полос ИК-спектров сахарозы с указанием волновых чисел экспериментального и теоретического спектров, локализации и типа колебаний с точки зрения ангармонической осцилляции атомов. Ангармоническое приближение позволяет учитывать влияние колебаний одних атомов на состояние других.
100
«
S X ее
ы
<J
с
о а И
900 1000 1100 1200 Волновое число (см1)
Рисунок 7. Экспериментальный ИК-спектр сахарозы. Таблица 3. Интерпретация ИК-спектров сахарозы.
1500
№ Эксперимент, см"1 Теория, см"1 Локализация Тип колебаний
1 640 634 25Н, 26Н, 32Н деформационные
2 680 688 Пираноза (часть глюкозы) пульсации
3 849 847 27Н, 16С деформационные
4 867 863 38Н деформационные
5 908 892 28Н, ЗОН деформационные
6 920 916 32Н, ЗЗН маятниковые
7 988 994 44Н и близлежащие Н деформационные
8 1004 1004 31Н, 38Н, 40Н, 41Н деформационные
9 1037 1026 44Н и близлежащие Н деформационные (напр. обратно 920 см"1)
10 1050 1032 22С, 100 валентные
11 1066 1064 25Н, 26Н деформационные
12 1104 1108 29Н деформационные
13 1115 1115 24Н, 25Н, 26Н деформационные
14 1125 1137 43Н деформационные
15 1161 1160 32Н, ЗЗН крутильные
16 1208 1208 28Н, 29Н, 41Н ножничные
17 1237 1225 почти все Н деформационные
18 1279 1273 32Н, ЗЗН крутильные (напр. обратно 1161 см"1)
19 1322 1304 27Н деформационные
20 1344 1357 27Н, 28Н, ЗОН деформационные
На рисунке 4 проводится сравнительный анализ спектров из рис. 2 и 3 путём сопоставления полос и их пиков. Нумерация на рис. 4 приведена согласно табл. 1.
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Волновое число (смл)
Рисунок 8. Сопоставление экспериментального и теоретического ИК-спектров сахарозы.
Как можно заметить из рис. 4, большинство полос теоретического и экспериментального спектров совпали. Средняя абсолютная погрешность вычисления теоретического спектра составила приблизительно 7 см"1, что лежит в пределах полуширины лоренцевого контура экспериментального спектра и говорит о достоверности интерпретации спектров, приведённой в табл. 1.
Заключение
Построенная и оптимизированная структурно-динамическая модель молекулы сахарозы использовалась для вычисления фундаментальных частот колебаний по квантовому методу DFT/B3LYP/6-31+G(d,p). Результат приведён в виде теоретического ИК-спектра молекулы сахарозы в форме зависимости молярного коэффициента поглощения от волнового числа.
Проводится сравнительный анализ экспериментального и теоретического ИК-спектров. Экспериментальный ИК-спектр снят на приставке Н11ВО и представлен в виде зависимости относительного пропускания ИК-излучения от его волнового числа. Средняя абсолютная погрешность составила приблизительно 7 см"1, что говорит о достоверности интерпретации спектров.
Приведённый теоретический ИК-спектр молекулы сахарозы будет полезен в сфере медицины и биофизики для определения уровня сахара и/или глюкозы в крови пациентов методами ИК-спектроскопии, а также в пищевой промышленности для обнаружения сахарозы в составе пищевой продукции, которые следует ограничить лицам, больным сахарным диабетом.
Список литературы:
1. Викулова О. К. и др. Сахарный диабет в Российской Федерации: динамика эпидемиологических показателей по данным Федерального регистра сахарного диабета за период 2010-2022 гг // Сахарный диабет. - 2023. - Т. 26. - №. 2. - С. 104-123.
2. Wang L. et al. Trends in prevalence of diabetes and control of risk factors in diabetes among US adults, 1999-2018 // Jama. - 2021. - Vol. 326. -No. 8. - P. 704-716.
34
3. Аландаренко М. С. Роль сахарозы в питании человека // Служение науке -Служение обществу. - 2021. - С. 164-170.
4. Teychene J. et al. Interactions in saccharide/cation/water systems: Insights from density functional theory // Food chemistry. - 2020. - Vol. 327. - P. 127054.
5. Алиев П. H. Квантово-механическое поведение молекулы витамина С // Актуальные вопросы современной науки. - 2023. - С. 17-20.
6. Нечипоренко А. П. и др. Влияние природных сахаридов на Фурье спектр плазмы крови человека // Актуальные вопросы биологической физики и химии. - 2021. - Т. 6. -№. 1. - С. 154.
7. Prata J. С., da Costa P. M. Fourier Transform Infrared Spectroscopy Use in Honey Characterization and Authentication: A systematic review // ACS Food Science & Technology. -2024. - Vol. 4. - No. 8. - P. 1817-1828.
8. Gaussian 09, Revision E.01, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, et. al., Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013.
0-
