Методика обнаружения крезола в воздухе по колебательным спектрам

В настоящее время методы колебательной спектроскопии активно используются в области техносферной безопасности и экологии как средств быстрой и недорогой, в отличие от газовой хроматографии, возможности обнаружения того или иного соединения в воздухе [1-3]. Не являются исключением и вредные для человеческого организма ксентобио-тики, возникающие на предприятиях, например, при переработке нефтепродуктов. К таким соединениям относится крезол [4-5]. Крезол при вдыхании оказывает пагубное влияние на функционирование нервной системы, а также может вызывать сильные химические ожоги кожи и слизистых оболочек. Поэтому актуальным для обеспечения техносферной безопасности является возможность экстренной проверки воздуха на наличие данного соединения.

Анализ населённости изомеров крезола

Молекула крезола представляет собой ме-тил-замещённый фенол. Как известно из органической химии, крезол имеет 3 изомера [5], отличающихся между собой положением метилового радикала –CH 3 относительно гидроксильной группы –OH. Согласно номенклатуре ИЮПАК, 2-метилфенол носит название орто-крезола (о-крезол), 3-метилфенол – мета-крезола (м-крезол) и 4-метилфенол – пара-крезола (п-крезол). На рисунке 1 представлены структурно-динамические модели упомянутых изомеров с использованием программы «GaussView 5.0.8», которые были оптимизированы к минимуму потенциальной энергии по теории функционала плотности с базисным набором 6-31G(d) программы «Gaussian 09» [6].

Рис. 1. Структурно-динамические модели молекулы крезола:

(а) – о-крезол, (б) – м-крезол, (в) – п-крезол.

Согласно статистике Больцмана по значениям энергий молекул был выполнен расчёт констант равновесия каждого изомера в конденсированном состоянии вещества, исходя из чего была получена населённость изомеров крезола. Результат вычислений представлен в таблице 1.

Из данных приведённой таблицы можно заметить, что наиболее вероятным изомером крезола является о-крезол, далее по уменьшению вероятности идут м- и п-крезолы. Учёт населённости изомеров в дальнейшем проводился путём произведения характерного значения того или иного спектра на долю населённости данного изомера.

Теоретические колебательные спектры крезола

В рамках того же квантово-химического метода был выполнен расчёт фундаментальных частот колебаний функциональных групп каждого из изомеров крезола в виде теоретических ИК- и КР-спектров. Упомянутые спектры были сложены с учётом населённости. Таким образом, получены колебательные спектры крезолов в целом. Данные спектры представлены на рисунках 2 и 3.

Wavenumber, cm'

Рис. 2. Теоретический ИК-спектр крезолов

Рис. 3. Теоретический КР-спектр крезолов

Заключение

На основе химической структуры крезола были построены структурно-динамические модели его изомеров – о-, м-, и п-крезола. Данные изомеры были оптимизированы к минимуму энергии согласно квантовохимическому методу DFT/B3LYP/6-31G(d). Вычислена населённость изомеров.

В рамках того же метода были получены теоретические колебательные спектры каждого из изомеров, которые далее были сложены с учётом населённости. Полученные теоретические спектры могут служить эталонами при анализе воздуха на территории нефтеперерабатывающих предприятий методами ИК- и КР-спектроскопии на избыточное содержание паров крезола.