Siyano grubu içeren sıvı kristal moleküllerinin elektronik yapıları ve mezomorfik özelliklerinin moleküler mekanik ve kuantum mekaniksel yöntemlerle incelenmesi
An investigation of electronic structure and mesomorphic properties of cyano-containing liquid crystals by molecular mechanical and quantum mechanical methods
Yazar: MURAT KILIÇ
Danışman: PROF. DR. ZEKİYE ÇINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2004
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
ÖZETGösterge cihazlarında geniş kullanım alanları bulmalarından dolayı, yeni sıvı kristallerinsentezi son on yılda büyük ilgi çekmektedir. Sıvı kristal (LC) moleküllerinin çoğu yapısalolarak birbirlerine çok benzemekle birlikte, her molekülün özelliklerini belirleyen yapı taşıgrupların dizilişi farklıdır. Ancak, mesogen moleküllerinin özelliklerine ilişkin eldekideneysel bilgi son derece kısıtlıdır. Bu nedenle, sıvı kristal moleküllerin özelliklerinibelirleyebilmek ve bu özellikleri moleküler yapıya dayanarak açıklayabilmek için, teorikhesaplamalara büyük ölçüde ihtiyaç duyulmaktadır.Bu çalışmada, çekirdek yapısının ve alkil zincir uzunluğunun etkisini belirlemek amacıyla,çekirdekleri farklı ve alkil zincir uzunlukları 1 den 10 karbon atomuna kadar değişen, siyanogrubu içeren 5 ayrı mesogen molekülü serisinin yapıları teorik olarak incelenmiştir. Hermolekülün en dayanıklı konformeri moleküler mekanik MMFF hesapları ile konformasyonanalizi yapılarak bulunmuştur. İncelenen mesogen molekülleri için kullanılabilecek en uygunkuantum kimyasal yöntemi belirlemek için, en dayanıklı konformerlerin geometrioptimizasyonları yarı-ampirik AM1 ve PM3, ab initio Hartree-Fock HF/3-21G ve HF/6-31G*ve Fonksiyonel Yoğunluk Teorisi DFT/B3LYP/6-31G* olmak üzere değişik yöntem ve temelsetlerle gerçekleştirilmiştir. Her molekülün optimum geometrik parametreleri, termodinamikve elektronik özellikleri hesaplanmıştır.Sonuçlar, siyano grubu içeren mesogen moleküllerinin davranışlarının kuantum kimyasalözellikler cinsinden açıklanabileceğini göstermektedir. DFT hesaplamaları, ab initio HF veyarı-ampirik yöntemlere kıyasla daha doğru sonuçlar vermektedir. Ancak, PM3 yöntemi dedeneysel değerlere oldukça yakın sonuçlar verdiğinden bu tür moleküllerin özelliklerininhesaplanmasında güvenilir biçimde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Bu şekilde, hembilgisayar hesaplamaları bakımından zamandan kazanılmış hem de çok kısa sürede çok dahafazla bilgiye erişilmiş olunacaktır.Anahtar Kelimeler: Yarı-ampirik yöntemler, ab initio, DFT, sıvı kristaller, siyano grubuiçeren mesogenler

Abstract:
ABSTRACTThe synthesis of new liquid crystalline compounds and the determination of the properties ofthese mesogen molecules have gained considerable attention in the last decade due to thewidespread use of such materials in display devices. Although, most of the newly synthesizedliquid crystal molecules are structurally very similar, each has its own specific combination ofstructural moieties which determine their physical properties. However, there is very limitedexperimental data on the properties of mesogen molecules. Therefore, theoreticalcomputations are needed to predict and explain the behaviour of liquid crystal molecules interms of their molecular structures.In this study, with the intention of determining the effects of core structures and alkyl chainlengths, the structures of 5 sets of cyano-containing mesogen molecules with different rigidcores and variable alkyl chain lengths from 1 to 10 carbon atoms have been investigatedtheoretically. The most stable conformer for each of the molecules has been determined bycarrying out a conformer analysis by means of molecular mechanics MMFF calculations. Inorder to determine the most suitable quantum chemical method for the mesogen moleculesunder investigation, geometry optimizations have been performed with different methods andbasis sets namely, semi-empirical AM1 and PM3, ab initio Hartree-Fock HF/3-21G and HF/6-31G* and Density Functional Theory DFT/B3LYP/6-31G*. The optimum geometricparameters, thermodynamic and electronic properties of the molecules have been calculated.The results show that mesomorphic behaviour of the cyano-containing mesogen moleculescan be explained in terms of the properties calculated by quantum chemical methods. DFTcalculations have given better results than either ab initio or semi empirical HF methods.However, it may be concluded that semi-empirical PM3 method can be used to calculate theproperties of such molecules since it reproduces the experimental results with good accuracy.Thus, a considerable amount of computer time could be saved and more detailed informationcould be obtained.Keywords: Semi-empirical, ab initio, DFT, liquid crystals, ciyano-containning mesogens