УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТОВ ТЕПЛА СГОРАНИЯ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ВЕЩЕСТВ: СОЧЕТАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА GFN2-XTB С ТОЧНОСТЬЮ DFT/B3LYP С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ
Аннотация
Теплота сгорания фосфорсодержащих соединений была исследована с использованием двух широко применяемых вычислительных методов: самосогласованного метода квантовой химии (GFN2-xTB) и теории функционала плотности (DFT) на уровне B3LYP/6-311G(d,p). Оба метода были использованы для оптимизации молекулярных структур и расчета колебательных частот для ряда стандартных образцов, включая алканы, альдегиды, спирты и арены, что позволило провести их оценку и сравнение эффективности. Результаты показали, что метод DFT/B3LYP, как и ожидалось, дает более точные предсказания теплоты сгорания по сравнению с методом GFN2-xTB. Однако одним из ключевых преимуществ GFN2-xTB является значительно более короткое время вычислений, что особенно важно для работы с большими системами, где вычислительная эффективность имеет решающее значение. Кроме того, была замечена устойчивая закономерность отклонений между двумя методами, особенно для фосфорсодержащих соединений. Эта закономерность позволила вывести корректирующие факторы, которые были использованы для калибровки результатов GFN2-xTB для реакций сгорания фосфорных огнезащитных веществ, таких как бис(дифенилфосфат) и бисфенол А бис(дифенилфосфат). Применяя эти корректирующие факторы, удалось сохранить вычислительную эффективность GFN2-xTB, при этом сохраняя высокую точность, характерную для метода DFT/B3LYP. Этот подход представляет собой сбалансированное решение для изучения сложных процессов сгорания, особенно в тех случаях, когда речь идет о больших и сложных молекулах. Он позволяет проводить быструю аналитику для более крупных систем, не теряя точности, необходимой для глубокого понимания химических реакций. Метод имеет большой потенциал для оптимизации исследований в области сгорания, материаловедения, экологической химии и разработки передовых огнезащитных материалов.
Для цитирования:
Нгуен Ху Хиеу, Нгуен Нгок Ха, Нгуен Тхи Тху Ха Усовершенствование расчетов тепла сгорания фосфорсодержащих огнезащитных веществ: сочетание эффективности метода GFN2-xTB с точностью DFT/B3LYP с использованием корректирующих факторов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 7. С. 65-73. DOI: 10.6060/ivkkt.20256807.7184.
Литература
Zhang C. Recent trends of phosphorus-containing flame retardants modified polypropylene composites processing. Heliyon. 2022. V. 8. N 11. P. 11225. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e11225.
Levchik S., Weil E. Developments in phosphorus flame retardants. Advances in Fire Retardant Materials. Wood-head Publ. 2008. P. 41 – 66. DOI: 10.1533/9781845694701.1.41.
Sánchez A, Villanueva S. Effect of aryl phosphates on toxicity of combustion gases of flame-retardant polycarbonate/acrylonitrile butadiene styrene blends according to EN 45545 railway standard. Fire Mater. 2022. V. 46. N 8. P. 1197-1207. DOI: 10.1002/fam.3062.
Marlair G, Cwiklinski C., Tewarson A. An analysis of some practical methods for estimating heats of combustion in fire safety studies. Interflam 99. 1999. Edimbourg, United Kingdom.
Khairbek A. Quantum Calculations to Estimate the Heat of Hydrogenation Theoretically. IntechOpen. 2021. DOI: 10.5772/intechopen.93955.
Thi Lan Pham, Usacheva T.R., Alister D.A., Thi Thu Ha Nguyen, Tukumova N.V., Kuranova N.N., Xuan Minh Vu, Thi My Hanh Le, Quang Tung Nguyen, Dai Lam Tran. Thermodynamic parameters and quantum chemical calculations of complex formation between rutin and 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin in water-ethanol solvents. J. Molec. Liq. 2022. V. 366. P. 120324. DOI: 10.1016/j.molliq.2022.120324.
Do Phuc Quan, Bui Thi Phuong Thao, Nguyen Van Trang, Nguyen Le Huy, Nguyen Quoc Dung, Minhaz Uddin Ahmed, Tran Dai Lam. The role of copper nano-particles decorating polydopamine/graphene film as catalyst in the enhancement of uric acid sensing. J. Electroanalyt. Chem. 2021. V. 893. P. 115322. DOI: 10.1016/j.jelechem.2021.115322.
Bannwarth Ch., Ehlert S., Grimme S. GFN2-xTB—An Accurate and Broadly Parametrized Self-Consistent Tight-Binding Quantum Chemical Method with Multipole Electrostatics and Density-Dependent Dispersion Contributions. J. Chem. Theory Comput. 2019. V. 15. N 3. P. 1652-1671. DOI: 10.1021/acs.jctc.8b01176.
Zhao Y., Truhlar D.G. The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functionals. Theor. Chem. Account. 2008. V. 120. P. 215–24. DOI: 10.1007/s00214-007-0310-x.
Be P.T., Quy P.T., Trinh B.C., Giang N.T.K., Ha N.T.T. Understanding the impact of metal doping (Co, Ni, Cu) on the structural and electronic properties of single-walled carbon nanotubes: theoretical insights. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 12. P. 73-79. DOI: 10.6060/ivkkt.20246712.7115.
Novikova A.A., Soloviev M.E. Quantum chemical study of oxidation reactions in unsaturated hydrocarbons. Chem-ChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2017. V. 60. N 7. P. 14-20. DOI: 10.6060/tcct.2017607.5516.
Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery Jr. J.A., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J. Gaussian 09, Revi-sion A.02. Gaussian, Inc., Wallingford CT. 2016.
Safonova L.P., Fedorova I.V., Krestyaninov M.A. Proton transfer in phosphorus-containing acid–N,N-dimethylformamide system with glance of environment. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 6. P. 37-43. DOI: 10.6060/tcct.20165906.5347k.
Girichev G.V., Giricheva N.I., Kudin L.S., Solomonik V.G., Belova N.V., Butman M.F., Vyalkin D.A., Dunaev A.M., Eroshin A.V., Zhabanov Yu.A., Krasnov A.V., Kuzmina L.E., Kuzmin I.A., Kurochkin I.Yu., Motalov V.B., Navarkin I.S., Pimenov O.A., Pogonin A.E., Sliznev V.V., Smirnov A.N., Tverdova N.V., Shlykov S.A. Vaporization processes and accurate molecular structure of a number of organic and inorganic compounds promising for use in technologies involving the gas phase. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 7. P. 11-30. DOI: 10.6060/ivkkt.20236607.6850j.
Tirado-Rives J., Jorgensen W.L. Performance of B3LYP Density Functional Methods for a Large Set of Organic Molecules. J. Chem. Theory Comput. 2008. V. 4. N. 2. P. 297–306. DOI: 10.1021/ct700248k.
Schmidt-Rohr K. Why combustions are always exother-mic, yielding about 418 kJ per mole of O2 /K. J. Chem. Educ. 2015. V. 92. N 12. P. 2094 – 2099. DOI: 10.1021/ acs.jchemed.5b00333.
Yi-Ming Chang, Mei-Li You, Chien-Hung Lin, Siou-Yuan Wu, Jo-Ming Tseng, Chun-Ping Lin, Yaw-Long Wang, Chi-Min Shu. Fire and explosion hazard evaluation for the acetone aqueous solutions. J. Therm. Anal. Calorim. 2011. V. 106. N 1. P. 179–189. DOI: 10.1007/s10973-011-1605-7.
Hikmet Iskender. Risk assessment for an acetone storage tank in a chemical plant in Istanbul, Turkey: Simulation of dangerous scenarios. Process Safety Progress. 2021. V. 40. N 4. P. 234-239. DOI: 10.1002/prs.12252.
Pan Yang, Li Manhou, Wang Changjian, Luo Xinjiao, Luo Qiuting. Experimental investigation of spilling fire spread over steady flow n‐butanol fuel: Effects of flow speed and spreading direction. Process Safety Progress. 2019. V. 39. N 3. P. 12131. DOI: 10.1002/prs.12131.
Minister of Construction of Vietnam. National Technical Regulation of Vietnam QCVN 06:2022/BXD on Fire safe-ty of Buildings and Constructions, 2022.
