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Submitted on 1 Jan 1986
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Etude théorique des interactions entre deux molécules de terephtal-bis-butyl-aniline
J. Bergès, H. Perrin
To cite this version:
J. Bergès, H. Perrin. Etude théorique des interactions entre deux molécules de terephtal-bis-butyl- aniline. Journal de Physique, 1986, 47 (2), pp.331-340. �10.1051/jphys:01986004702033100�. �jpa- 00210210�
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Etude théorique des interactions entre deux molécules de terephtal-bis-butyl-aniline
J. Bergès et H. Perrin
Laboratoire de Dynamique des Interactions Moléculaires,
Tour 22, Université Pierre et Marie Curie, 4, place Jussieu, 75230 Paris Cedex 05, France
et Laboratoire de Physique Moléculaire Biologique, Université René Descartes, France
(Reçu le 15juillet 1985, accepté le 3 octobre 1985)
Résumé. 2014 Des calculs empiriques d’énergie intermoléculaire ont été effectués sur deux molécules de TBBA afin de déterminer leurs positions relatives préférentielles et de préciser leurs possibilités de mouvements l’une par rapport à l’autre : variation de la distance entre les molécules, amplitude des translations longitudinales,
variations de l’angle de rotation autour de l’axe long, fluctuation de l’axe long. Les résultats indiquent que l’arran- gement latéral le plus favorable est celui qui correspond à l’emboîtement maximum des molécules.
Abstract. 2014 Empirical calculations of intermolecular energy were performed on two TBBA molecules in order
to determine their preferential relative positions and specify their motion possibilities : variation of the distance between the two molecules, amplitude of longitudinal translations, rotations around the long axis, fluctuation of the long axis. The results suggest that a maximal imbrication of the molecules leads to the most favourable lateral arrangement.
J. Physique 47 (1986) 331-340 FÉVRlER 1986,
Classification
Physics Abstracts
61.30 - 31.20
1. Introduction.
Parmi les molecules mésogènes, la molecule de
terephtal-bis-butyl-aniline a 6t6 particuli6rement 6tu-
di6e a cause de son grand polymorphisme en phase liquide. Les r6sultats obtenus par diverses techniques exp6riinentales [1-16] et des calculs statistiques [17- 19] ont permis d’6mettre des hypotheses sur l’organisa-
tion des molecules dans les phases smectiques et
leurs possibilites de mouvements quand la temperature augmente (diffusion translationnelle, rotationnelle,
sauts reorientationnels...).
En particulier, un mod6le de repartition des mole-
cules aux noeuds d’un reseau hexagonal dans les phases smectiques ordonn6es a permis d’expliquer de
nombreux r6sultats, mais certains points restent en discussion, par exemple les positions relatives des molecules dans ce reseau (en chevrons ou parall6les),
les possibilites de rotation des molecules enti6res
(rotations libres ou corr6l6es), les relations entre
1’existence des diff6rentes phases et les transformations
au niveau moleculaire : ainsi, d’apr6s certaines hypotheses [3-5, 7-13], les transitions de phase seraient
li6es en partie aux changements conformationnels des molecules et en partie aux modifications de leur arrangement lateral.
Dans cette 6tude, nous essayons d’apporter des 616-
ments pour r6pondre a ces questions en determinant,
par des calculs d’energie potentielle les positions rela-
tives de deux molecules et leurs possibilit6s de mouve-
ments l’une par rapport a l’autre. Des 6tudes ant6- rieures de ce type sur d’autres molecules meso-
genes [20-23] ont montre qu’il était possible, meme
avec un systeme r6duit de deux molecules, d’obtenir
des renseignements sur 1’arrangement intermol6cu- laire. Dans nos calculs, nous avons tenu compte des conformations des molecules a l’état isol6 (conforma-
tions les plus stables d6termin6es th6oriquement [24- 25]) et dans 1’6tat cristallin (mesures RX [4, 5]).
2. Geometrie et configurations du système etudie.
Toutes les geometries utilis6es sont port6es dans le
tableau I et la num6rotation des atomes est indiqu6e
sur la figure 1.
2.1 ANGLES DE VALENCE (ro) ET LONGUEURS DE LIAISONS (r). - Les angles et les longueurs de liaisons
du groupement azom6thine ainsi que les angles de la
chaine butyle ont ete obtenus auparavant par minimi- sation de 1’energie [24, 25]. Les autres valeurs (cycles benz6niques, longueurs de la chaine butyle) sont les
valeurs standard.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01986004702033100
Tableau I. - Géométrie de la molgcule de TBBA.
[Geometry of the TBBA molecule].
Fig. 1. 2013 Molécule de TBBA dans la conformation la plus
stable (les valeurs des angles di6dres sont celles du tableau I).
[The TBBA molecule in the most stable conformation (the values of the dihedral angles are in table I)].
2.2 ANGLES DIÈDRES (0, 0, a). - Les chaines butyles
sont fix6es dans leur conformation de plus basse 6ner- gie : le premier chainon est perpendiculaire au plan (cx 1, cx’ = 90°, - 90°), les autres chainons sont en position trans, ce qui correspond a la conformation
g6n6ralement admise dans les phases ordonnées.
Pour le groupement azom6thine (angle 01, 02, oll cP2)’ nous avons utilisé soit les valeurs exp6rimen-
tales obtenues par diffraction X [4], soit les valeurs
calcul6es minimisant 1’energie [25] (01, O2 =600, -600 et 0 1, cP2 =0°).
2. 3 CONFIGURATIONS DU SYSTÈME ENGENDRims PAR LA
sYMfTRIE DES MOLTCULES : CsYM. - Dans la molecule isol6e, un certain nombre de conformations etaient
6nerg6tiquement 6quivalentes a cause des sym6tries
locales (a,, - a, et ei, - 01). Mais des lors que l’on consid6re un systeme de deux molecules, ces conforma- tions sont différenciées et il faut tenir compte de toutes les configurations engendrées par les differentes valeurs
possibles de 01 et a,.. De meme, il faut considerer les
sym6tries par rapport aux plans perpendiculaires aux cycles benz6niques : angles 01 et son sym6trique oll 02 et 92, cPt et ’01, cP2 et CP2. Pour les angles 0 et 0, les
diff6rences d’6nergie ne sont pas significatives et nous
n’en tiendrons pas compte par la suite. Dans nos cal- culs, nous aurons alors a considerer un ensemble de 16 configurations diSerentes (ensemble appel6 Csym)
pour lesquelles 1’energie intramoléculaire est cons-
tante ; pour chaque configuration, les angles di6dres
des deux molecules du systeme sont identiques.
2.4 CONFIGURATIONS DU SYSTÈME ENGENDPTES PAR LES POSITIONS RELATIVES DES DEUX MOLÉCULES : CPOS. - Consid6rons la premiere molecule plac6e
dans son rep6re d’inertie °1X1Y1Z1 dans lequel °1Z1
est 1’axe long moleculaire. Le repere de la deuxi6me molecule, de conformation identique a la premiere est
initialement d6duit du premier par une translation
O102 le long de 1’axe °1X1 et les axes longs des deux
molecules Oizi et °2Z2 sont parallèles.
Fig. 2. - Projection dans le plan xOz du syst6me de deux
molecules.
[Projection of the bimolecular system on the xOz plane.]
Ensuite, les mouvements envisages pour la mole- cule 2 sont des combinaisons de translations et de
rotations, qui engendrent un ensemble de configura- tions, que nous appellerons Cpos.
1) Translations.
- variation de la distance entre les deux mole- cules : variations de d = O1 - 02 le long de °1X1 de 4Aa7A,
333
- glissement de la molecule 2 par rapport a la molecule 1 : variations de Z = 62 - 02 le long de
1’axe 02z2 de - 20 A a + 20 A.
2) Rotations
- fluctuations de 1’axe long de la molecule 2 :
variation de t/J autour de 02X2 de - 450 a + 450,
- rotation de la molecule 2 autour de la mole- cule 1 : variations de Q autour de Oixi de 0° a 3300,
- rotation de la molecule 2 autour de son axe long :
variation de 0 autour de O2Z2 de 0° a 330°.
3. Mithodes de calcul
Etant donn6e la taille des molecules, il n76tait pas envi-
sageable d’effectuer les calculs pour le syst6me bimo-
léeulaire avec la m6thode quantique PCILO que nous avions utilis6e pour la molecule isol6e [24]. Nous avons
donc utilise le potentiel empirique mis au point par P. Claverie et ale [26] pour ce type de syst6me. L’6nergie
est d6compos6e en quatre termes :
dont les expressions sont les suivantes :
i repr6sente les atomes de la molecule 1, j ceux de la
molecule 2, Rii leur distance et Qi, Qj leurs charges
nettes, calculées avec la methode INDO [27].
avec
- Çi(2) est le champ 6lectrique cree par les charges de
la molecule 2 agissant sur 1’atome i de la molecule 1.
11 est calculé a partir du meme ensemble de charges Qj
que dans le terme Eél.
- oc, est la polarisabilit6 de l’atome i, calculée à partir de polarisabilit6s de liaison et pond6r6e en
fonction du nombre d’electrons engages ou non dans
des liaisons (pour plus de precisions voir 1’article de J. Caillet et P. Claverie [26]).
Les formules de base de Ed;sp et Erép sont celles de Kitaigorodskii [28], adapt6es pour tenir compte des effets a courte distance :
ou
Dans ces relations, R W repr6sente le rayon de Van
der Waals et Nval le nombre d’61ectrons de valence de
chaque atome.
Les coefficients A, C, a ne dependent pas des atomes consid6r6s, par contre les coefficients k en dependent.
4. R6sultat&
Compte tenu du grand nombre de configurations pos- sibles Csym x Cpos, il n’est pas possible de faire
varier tous les param6tres en meme temps. Nous avons donc dans un premier temps cherch6 parmi les seize configurations engendr6es par les sym6tries locales
des molecules (ensemble Csym) celle dont 1’energie est
minimale en fonction des param6tres de translation d
et Z. Ensuite, a partir de cette configuration et de celle
obtenue en utilisant la g6om6trie RX, nous avons
cherché les positions pr6f6rentielles de la molecule 2 par rapport a la molecule 1 en faisant varier les para- m6tres de grande amplitude Z et O. Nous en avons
ensuite d6duit les possibilites de mouvements de la molecule 2 en examinant les variations de Z, T et 7
pour différentes valeurs de d.
4. 1 SÉLECfION DE LA CONFIGURATION LA PLUS STABLE PARMI L’ENSEMBLE CSYM. - Nous avons effectu6
cette selection en faisant varier les param6tres de
translation d et Z pour chaque configuration de l’en-
semble Csym. Nous avons port6 dans le tableau II,
pour chaque configuration l’énergie la plus basse obtenue, ainsi que les valeurs de d et Z conduisant a ce
minimum. Nous avons mentionn6 6galeinent certaines caractéristiques de la molecule isol6e, telles que sa section S (1), dans le plan x0y, sa longueur L (1) et
son volume V (1).
La configuration la plus stable (que nous d6signe-
rons par A) a une 6nergie inf6rieure d’au moins 16,7 kJ . mole - 1 aux energies des autres configurations
et on constate qu’elle correspond a la molecule dans sa
position la plus 6tir6e, car S et V sont les plus faibles et
L est la plus grande.
Dans le tableau II, nous avons 6galement port6 les
valeurs correspondant a la configuration obtenue avec
la g6om6trie RX. Nous la d6signerons par B. 11 se trouve que pour cette configuration, le volume et la
(1) S est 6valu6e grossi6rement en projection dans le plan xOy en multipliant la plus grande distance inter-
atomique suivant 1’axe x par la plus grande distance inter-
atomique suivant 1’axe y.
L est la plus grande distance interatomique suivant 1’axe z
et V = L x S.
Tableau II. - Energies des différentes configurations envisagées pour le systeme bimol9culaire.
- Les configurations de 1 à 16 sont celles de l’ensemble Csym. _
* 01 = 600 et ql i = 00 sont constants. * O2 = 60°, 02 = 00. Les angles 02 et Ø2 indiquent les symétriques de O2 et 412 par rapport au plan perpendiculaire au cycle benzénique. * a1 = ai = 900. Les angles - ai et - ai indiquent les symétriques de CXl et al par rapport au cycle benzénique.
- La configuration 17 est obtenue en utilisant la géométrie RX.
Pour chaque configuration, en plus de l’energie E sont portgs la section S, la longueur L, le volume V de la molé-
cule, la distance d entre les deux molgcules et le glissement Z de la molgcule 2 le long de son axe long.
[Energies of the bimolecular system configurations.
- Configurations of the Csym set: 1 to 16.
* 01 = 60° and ql i = 00 are constant. * 82 = 600 and l/J2 = 00. The 02 and Ø2 angles are the symmetrical angles of O2 and q62 with respect to the plane perpendicular to the phenyl ring. * CXl = a i = 900. The angles
- al and - al are the symmetrical angles of ai and ai with respect to the plane of the phenyl ring.
- Configuration using the RX geometry: :17..
For each configuration the energy E, the section S, the length L, the volume V, the distance d between the
two molecules and the translation Z are noted].
335
section sont les plus grands, la longueur est faible,
la molecule est peu 6tir6e.
Ces deux configurations, A et B, représentent donc
des extremes du point de vue encombrement st6rique, cependant, a partir de ces premiers calculs, on
remarque qu’elles sont particulièrement stables, leurs energies 6tant tres voisines. Dans la suite de nos
calculs, nous ne consid6rerons plus que ces deux confi-
gurations.
4.2 DETERMINATION DES POSITIONS RELATIVES PRE- FERENTIELLES. - Pour chercher les positions les plus
stables occupees par la molecule 2 par rapport A la
molecule 1, nous avons considere les configurations engendr6es par les mouvements de translation d et Z,
ainsi que les rotations de la molecule 2 autour de la molecule 1 (D) et autour de son propre axe long (tP).
Nous ne consid6rerons pas ici les fluctuations de 1’axe long de la molecule 2, car nous pensons qu’elles
sont de faible amplitude, compte-tenu de 1’arrange-
ment des molecules en phase condens6e.
Les r6sultats sont port6s sur les figures 3A et 3B.
Ces courbes repr6sentent les positions pr6f6rentielles
du centre de gravite 02 de la molecule 2, par rapport a 01 en coordonnees polaires (d, D) projet6es dans le plan xi 01 yi. Pour chaque couple (d, 0), les valeurs de Z, 0 et de 1’energie sont indiqu6es. La courbe 3A
est relative a la configuration A minimale déterminée
précédemment et la courbe 3B est relative a la confi-
guration B (RX). On constate que les deux figures se ressemblent, avec cependant une sym6trie plus grande
pour la configuration A. Par ailleurs, ces courbes
sont 16g6rement ellipsoidales (d = 4,5 A pour Q = 0°
et d = 5 A pour D = 900).
D’autre part, on constate que les molecules sont
décalées l’une par rapport a 1’autre pour pouvoir
s’emboiter (Z est tres différent d’une position a I’autre) ;
en particulier, quand Z = 2 A, les cycles benzéniques
de la molecule 2 sont presque au-dessus des groupe- ments azom6thines de la moi6cule 1, ce que l’on peut
constater dans les figures 4A et 4C représentant les
molecules dans leurs positions les plus stables à
d = 4,5 A. Les positions sont tres bloqu6es, la courbe d’6nergie passant par des minima tres profonds.
Nous reviendrons sur ce point dans le paragraphe
suivant. Les positions les plus favoris6es sont pour D = 0° et 300 pour A et D = 0° et - 300 pour B,
avec des energies voisines de l’ordre de - 59,8 à
- 63,3 kJ . mole-1. Pour mieux visualiser dans ce cas
les orientations respectives des deux molecules nous avons repr6sent6 sur les figures 4B et 4D les enveloppes
des projections des deux configurations dans le plan
x, 01 yi construites a partir des atomes d’hydrogène
les plus ext6rieurs.
Les enveloppes li6es a la configuration A sont plus r6guli6res, cependant on remarque un deplacement
semblable des molecules 1’une par rapport a 1’autre dans les deux cas. Dans les autres positions (que nous
ne pr6sentons pas) les orientations relatives sont les
Fig. 3. - Diagramme en coordonnées polaires (d, D) des configurations les plus stables. Pour chaque point sont indiqu6es les valeurs de Z, 0 et 1’6nergie E (en kJ. mole-’).
L’angle 0 est nul. A) Configuration A; B) configuration B.
[Diagram in polar coordinates (d, Sl) for the most stable configurations. For each point, the values of Z, 0 and E (in kJ . mole-’) are noted. The 4/ angle is null. A) Confi- guration A; B) configuration B.]
memes mais le d6calage peut 8tre plus ou moins pro-
nonc6 et l’intersection entre les enveloppes plus ou
moins importante.
4.3 AMPLITUDE DES MOUVEMENTS POSSIBLES. - Nous
avons plus particuli6rement étudié les mouvements
dans les configurations les plus stables, A et B, et nous
avons represente sur les figures 5, 6 et 7 les courbes
d’6nergie potentielle en fonction de Z, 0 et ql pour différentes valeurs de d et pour Sl = 00.
a) Variations de Z.
Les angles 0 et ’P sont fix6s a 0°. Les variations de Z sont limit6es a l’intervalle ( - 20 A, + 20 A). En
effet, A l’extérieur de cet intervalle, les courbes d’6nergie
Fig. 4. - Projections du syst6me de deux molecules pour la configuration stable : f2 = 0 et d = 4,5 A. L’angle 7 est nul.
Les valeurs de Z, 0 et E sont celles indiqu6es sur la figure 3. A) et C) Projection dans le plan xOz; B) et D) enveloppe de la projection dans le plan x0y ; figures 4A et 4B pour la configuration A; figures 4C et 4D pour la configuration B.
[Projections of the bimolecular system for the stable configuration : f2 = 0 and d = 4.5 A. The tp angle is null. The values of Z, 0 and E are marked on the figure 3. A) and C) Projection in the x0y plane; B) and D) envelope of the projection
in the xOy plane. Figures 4A and 4B : configuration A; figures 4C and 4D : configuration B.]
Fig. 5. - Variations de 1’energie d’interaction en fonction du glissement Z; V/ = 00, a = 0°, W = 0°. (-) d = 4,5 A;
(... ) d = 5 A ; (-...) d = 5,5 Å; (...) d = 6 Å; (....) d = 6,5 A. A) Configuration A; B) configuration B.
[Intermolecular energy variations in relation to the Z translation w = 0°, Q = 00, 0 = 0°.]
337
ne pr6sentent plus de minima. Seules les interactions
r6pulsives restent encore très fortes au-dela de Z = 20 A
pour d = 4,5 A et elles tendent a s’annuler pour d > 4,5 A, les molecules 6tant a trop grande distance
l’une de 1’autre.
Pour d = 4,5 A, il existe un minimum tres marque,
que nous avons d6ji signal6, a Z = 2 A pour les deux
configurations A et B et des minima secondaires, d’énergie sup6rieure a celle du minimum principal d’aumoins20kJ.mole-’,iZ = - IoAetZ = - 16A
pour A et B, et a Z - 10 A pour A. Le minimum prin- cipal subsiste pour d= 5 A et la zone de basse 6nergie s’61argit : AZ passe de 1,2 A a 3 A pour AE = 3,3 kJ . mole-1 (moyenne de 1’agitation thermique).
Pour d = 5,5 A, le minimum se d6place vers Z = 0
et la courbe devient plus plate pour de grandes varia-
tions de Z, surtout pour la configuration A. A partir
de d = 6 A, les variations d’6nergie ne d6passent pas
12,5 kJ. mole-1. Comme 1’energie reste minimale pour Z = 2 A pour les distances les plus courtes, nous
conserverons cette position relative pour examiner les variations des angles 0 et T.
b) V ariations de 4/.
Fig. 6. - Variations de 1’energie d’interaction en fonction de 1’angle .p. tf) = 0°, Q = 0°, Z = 2 A. (-) d = 4,5 A ; (...) d = 5 Á ; (-.-.) d = 5,5 Á ; (....) d = 6 Á ; (-.-.) d = 6,5 Á.
A) Configuration A; B) configuration B.
[Intermolecular energy variations in relation to the 4/ angle.
tf) = 00, U = 0°, Z = 2 Á.]
Les courbes restent centrees autour d’un minimum
A 4/ = Oo qui reste bien marqu6 jusqu’A d = 5,5 A.
I,a zone de basse 6nergie varie peu lorsque d augmente, Ao est de l’ordre de 12 a 180, ce qui correspond a un
mouvement transversal å Y de 1,5 a 2 A (nous avons évalué A Y à partir de A’" : Y L - AOf 2
Fig. 7. - Variations de 1’6nergie d’interaction en fonction de
1’angle 45. !F = oo, 0 = 0°, Z = 2 A. (-) d = 4,5 A ; (nn)
d = 5 A; (--) d = 5,5 A ; (...) d = 6 A ; (--) d = 6,5 A.
A) Configuration A; B) configuration B.
[Intermolecular energy variations in relation to the 0 angle.
t/J = 00, í2 = 0°, Z = 2 Á.]
Les deux configurations A et B donnent des r6sul-
tats sym6triques par rapport a 00. Ainsi pour d=4,5 A,
le minimum est i - 30° pour A et + 30° pour B;
pour d= 5 A, les minima sont i - 600 et 150° pour A et 600 et 2100 pour B. On constate que dans les deux cas, pour les distances les plus courtes ou les courbes pr6sentent des minima tres marqu6s, la variation A(P
est 1ilnit£e a 400 pour d = 4,5 A et 600 pour d = 5 A.
Pour la configuration A, la courbe pr6sente un double puits de potentiel pour d = 5,5 A, mais les barri6res
sont encore 6lev6es, de 1’ordre de 46 kJ. mole - 1 à 54,3 kJ . mole-1. A partir de 6 A, la rotation devient
aisee, ce qui n’est vrai qu’a partir de d = 6,5 A pour la configuration B.