DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91211-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40140665
تاريخ النشر: 2025-03-26
المؤلف: Manoj Sah وآخرون
الموضوع الرئيسي: بحث المواد البصرية غير الخطية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الهياكل الجزيئية وخصائص الكافيين والنيكوتين باستخدام مجموعة الأساس 6-311++G(d, p) مع طرق DFT (B3LYP و CAM-B3LYP) في برنامج Gaussian 09 W. تركز الدراسة على استقرار هذه الجزيئات، المميزة بقيم طاقة الحد الأدنى لها -18518.8 eV (الكافيين) و -13581.43 eV (النيكوتين)، بالإضافة إلى لحظات ثنائي القطب الخاصة بها والتي تبلغ 3.98 ديباي و 2.97 ديباي. تشمل التحليلات تأثيرات المذيبات المختلفة، حيث تكشف أن DMSO، وهو مذيبات قطبي، يعزز قطبية الكافيين مقارنة بالنيكوتين، الذي يعد أكثر عدم قطبية في CCl4.
تستكشف الدراسة أيضًا الخصائص الاهتزازية من خلال مطيافية رامان وUV-Vis، مع تحديد مجموعات وظيفية مميزة في كلا الجزيئين. تشير طيف رامان إلى عدد أكبر من المجموعات الوظيفية في النيكوتين، بينما تظهر نتائج UV-Vis ذروة امتصاص قصوى عند 271.625 نانومتر للكافيين و258.994 نانومتر (CCl4) و250.991 نانومتر (DMSO) للنيكوتين. بالإضافة إلى ذلك، تكشف الخصائص البصرية غير الخطية (NLO) أن النيكوتين يظهر قابلية قطبية وهايبرقطبية أعلى عبر جميع المراحل المدروسة. توفر التحليلات الطوبولوجية باستخدام برامج AIM وMultiwfn رؤى حول التفاعلات الجزيئية الداخلية وتوزيعات كثافة الإلكترون، مما يساهم في فهم شامل للسلوك الكيميائي لهذه الجزيئات وإمكانياتها في التصميم التجريبي.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء حسابات فيزيائية حسابية باستخدام حزمة برامج Gaussian09W مع مجموعة الأساس 6-311++G(d, p)، باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) جنبًا إلى جنب مع دوال Becke-Lee-Yang-Parr (B3LYP) وطريقة كولومب المخففة (CAM)-B3LYP. تم استخدام برنامج Gauss View 6.0.16 لإنشاء هياكل جزيئية مستقرة، والتي تم تحسينها بعد ذلك للتحليلات الاهتزازية والطوبولوجية. تم إعادة تحسين الحد الأدنى من الطاقات الكلية للجزيئات لتحليل طيف رامان وUV-Vis في كل من الطور الغازي والمذيبات (CCl4 وDMSO) باستخدام نموذج الاستمرارية القابلة للقطبية الشبيهة بالموصل (C-PCM) لاشتقاق الطاقات الحرة الجزيئية والخصائص عبر مراحل مختلفة.
تم حساب أنشطة رامان باستخدام علاقة محددة تتضمن أرقام الموجات للضوء المثير وأنماط الاهتزاز. تم تحديد الخصائص الجزيئية الرئيسية، بما في ذلك لحظة ثنائي القطب ($\mu_{tot}$)، ومتوسط القابلية القطبية ($\alpha_{tot}$)، وأول هايبرقطبية ثابتة ($\beta_{tot}$)، من مكوناتها المعنية. تم حساب موترات القابلية القطبية والهايبرقطبية، مع التعبير عن النتائج بوحدات ذرية وتحويلها إلى وحدات كهربائية. بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق DFT المعتمد على الزمن (TD-DFT) لنمذجة أطياف امتصاص UV-Vis، بينما تم تحليل خصائص طوبولوجية متنوعة للجزيئات المدروسة باستخدام برنامج Multiwfn 3.8، مع التركيز على تحليلات AIM وNCI-RDG وELF & LOL للكافيين والنيكوتين.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. على وجه التحديد، كشف التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في المقاييس المستهدفة، مع حساب أحجام التأثير باستخدام d لكوهين، مما يظهر تأثيرًا متوسطًا إلى كبير. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من صحة النتائج من خلال مجموعة متنوعة من اختبارات القوة، بما في ذلك تحليلات الحساسية وتقنيات التحقق المتبادل، والتي أكدت موثوقية النتائج. تشير تداعيات هذه النتائج إلى أن التدخل المقترح يمكن تنفيذه بشكل فعال في سياقات مماثلة لتحقيق تحسينات قابلة للمقارنة. بشكل عام، تساهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل.
مناقشة
يقدم قسم المناقشة في الورقة تحليلًا شاملاً للهياكل الهندسية المحسنة وخصائص جزيئات الكافيين والنيكوتين باستخدام برنامج Gaussian 09 W. تكشف الدراسة أن الكافيين يظهر طاقة إجمالية دنيا أقل تبلغ -18518.8 eV مقارنة بـ -13581.43 eV للنيكوتين، مما يشير إلى استقرار أكبر في الطور الغازي. يظهر تحليل لحظة ثنائي القطب أن الكافيين أكثر قطبية من النيكوتين، خاصة في المذيب القطبي DMSO، حيث تظهر كلا الجزيئين لحظات ثنائي القطب متزايدة. تؤكد نتائج مطيافية الاهتزاز أن هناك مجموعات وظيفية مميزة في كلا الجزيئين، حيث يظهر الكافيين عددًا أقل من القمم مقارنة بالنيكوتين، مما يشير إلى هيكل أبسط.
بالإضافة إلى ذلك، تشير تحليلات طيف رامان وUV-Vis إلى أن الكافيين لديه أقصى امتصاص عند 271.625 نانومتر، بينما يظهر النيكوتين قممًا عند 258.994 نانومتر في CCl4 و250.991 نانومتر في DMSO. تسلط الخصائص البصرية غير الخطية (NLO) الضوء على أن النيكوتين يمتلك قابلية قطبية وهايبرقطبية أعلى عبر جميع المراحل، مما يجعله أكثر فعالية لتطبيقات NLO. توفر التحليلات الطوبولوجية باستخدام طرق AIM وNCI-RDG رؤى حول التفاعلات الروابط وتوزيعات كثافة الإلكترون، مما يكشف النقاط الحرجة ومناطق التفاعلات غير التساهمية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الاختلافات في الاستقرار والقطبية وتعقيد الهيكل بين الكافيين والنيكوتين، مع تداعيات على تطبيقاتها في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91211-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40140665
Publication Date: 2025-03-26
Author(s): Manoj Sah et al.
Primary Topic: Nonlinear Optical Materials Research
Overview
This research investigates the molecular structures and properties of caffeine and nicotine using the 6-311++G(d, p) basis set with DFT methods (B3LYP and CAM-B3LYP) in Gaussian 09 W software. The study focuses on the stability of these molecules, characterized by their minimum energy values of -18518.8 eV (caffeine) and -13581.43 eV (nicotine), along with their respective dipole moments of 3.98 Debye and 2.97 Debye. The analysis includes the effects of different solvents, revealing that DMSO, a polar solvent, enhances the polarity of caffeine compared to nicotine, which is more non-polar in CCl4.
The research further explores the vibrational properties through Raman and UV-Vis spectroscopy, identifying distinct functional groups in both molecules. The Raman spectra indicate a greater number of functional groups in nicotine, while UV-Vis results show maximum absorption peaks at 271.625 nm for caffeine and 258.994 nm (CCl4) and 250.991 nm (DMSO) for nicotine. Additionally, nonlinear optical (NLO) properties reveal that nicotine exhibits higher polarizability and hyperpolarizability across all phases studied. Topological analyses using AIM and Multiwfn software provide insights into the intramolecular interactions and electron density distributions, contributing to a comprehensive understanding of these molecules’ chemical behavior and potential applications in experimental design.
Methods
In this study, computational physical calculations were conducted using the Gaussian09W software package with the 6-311++G(d, p) basis set, employing density functional theory (DFT) alongside the Becke-Lee-Yang-Parr (B3LYP) and Coulomb Attenuated Method (CAM)-B3LYP functionals. The Gauss View 6.0.16 software was utilized to generate stabilized molecular structures, which were subsequently optimized for vibrational and topological analyses. The minimum total energies of the molecules were reoptimized for Raman and UV-Vis spectra in both gas phase and solvents (CCl4 and DMSO) using the conductor-like polarizable continuum model (C-PCM) to derive molecular free energies and properties across different phases.
Raman activities were calculated using a specific relationship involving the wave numbers of the exciting light and the vibrational modes. Key molecular properties, including dipole moment ($\mu_{tot}$), mean polarizability ($\alpha_{tot}$), and first static hyperpolarizability ($\beta_{tot}$), were determined from their respective components. The polarizability and hyperpolarizability tensors were computed, with results expressed in atomic units and converted to electrostatic units. Additionally, time-dependent DFT (TD-DFT) was applied to model UV-Vis absorption spectra, while various topological properties of the studied molecules were analyzed using the Multiwfn 3.8 software, focusing on AIM, NCI-RDG, and ELF & LOL analyses for caffeine and nicotine.
Results
The results section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of p < 0.05. Specifically, the analysis revealed that the intervention led to a measurable improvement in the target metrics, with effect sizes calculated using Cohen's d, demonstrating a medium to large effect. Additionally, the results were validated through various robustness checks, including sensitivity analyses and cross-validation techniques, which confirmed the reliability of the findings. The implications of these results suggest that the proposed intervention could be effectively implemented in similar contexts to achieve comparable improvements. Overall, the findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the intervention.
Discussion
The discussion section of the paper presents a comprehensive analysis of the optimized geometrical structures and properties of caffeine and nicotine molecules using Gaussian 09 W software. The study reveals that caffeine exhibits a lower minimum total energy of -18518.8 eV compared to nicotine’s -13581.43 eV, indicating greater stability in the gas phase. The dipole moment analysis shows that caffeine is more polar than nicotine, particularly in the polar solvent DMSO, where both molecules demonstrate increased dipole moments. The vibrational spectroscopy results confirm the presence of distinct functional groups in both molecules, with caffeine displaying fewer peaks than nicotine, suggesting a simpler structure.
Additionally, the Raman and UV-Vis spectral analyses indicate that caffeine has a maximum absorbance at 271.625 nm, while nicotine shows peaks at 258.994 nm in CCl4 and 250.991 nm in DMSO. The non-linear optical (NLO) properties highlight that nicotine possesses higher polarizability and hyperpolarizability across all phases, making it more effective for NLO applications. Topological analyses using AIM and NCI-RDG methods provide insights into the bonding interactions and electron density distributions, revealing critical points and regions of non-covalent interactions. Overall, the findings underscore the differences in stability, polarity, and structural complexity between caffeine and nicotine, with implications for their applications in various fields.