—d1151

2-8 مزایای محاسبات ابری 21
2-9 نقاط ضعف محاسبات ابری 24
2-10 بررسی وضعیت محاسبات ابری درجهان از نگاه آماری 25
2-11 یک نمونه قیمت در سیستم عامل Azure 30
2-12 تعریف سیستم عامل 31
2-13 انواع سیستم عامل 31
2-13-1 سیستم عامل تک پردازنده 31
2-13-2 سیستم عامل شبکه ای 31
2-13-3 سیستم عامل توزیع شده 31
2-13-4 سیستم عامل بی درنگ 32
2-14 سیستم های توزیعی 32
2-14-1 شفافیت 33
2-14-2 قابلیت اطمینان 34
2-14-3 کارایی 34
2-14-4 مقیاس پذیری 35
2-15 سیستم عامل های توزیعی 35
2-15-1 الگوی مبتنی برپیام 36
2-15-2 الگوی مبتنی بر شیء 36
2-16 رویکرد سیستم عامل های ابری 36
2-17 الگوی سیستم عامل ابری 37
2-17-1 شیء ابری 37
2-17-2 نخ 39
2-17-3 تعامل میان شیء و نخ 39
2-18 برنامه نویسی در مدل شیء – نخ در ابرها 40
2-19 معماری سیستم عامل ابری 41
2-20 برخی سیستم عامل های ابری موجود 42
2-20-1 سیستم عامل iCloud 43
2-20-2 سیستم عامل GlideOS 44
2-20-3 سیستم عامل G.ho.st 45
2-20-4 سیستم عامل JoliCloud 46
2-20-5 سیستم عامل eyeOS 47
2-20-6 گوگل کروم، سیستم عامل اینترنت 47
2-21 مزایا و معایب سیستم عامل های ابری مبتنی بر وب 51
2-22 مطالعه مروری بر سایر پژوهش های مرتبط مهم 51
فصل سوم: روش تحقیق 54
3-1 چالش های رایج در زمینه سیستم عامل های ابری 55
3-1-1 مقیاس پذیری 55
3-1-1-1 تغییر مقیاس افقی و عمودی 56
3-1-1-2 مقیاس پذیری پایگاه داده ها 57
3-1-1-3 طراحی برای مقیاس پذیری 58
3-1-1-4 مقیاس پذیری در محاسبات ابری 59
3-1-1-5 تغییر مقیاس قوی و ضعیف 59
3-1-2 کشش تقاضا 60
3-1-3 خطاها 60
3-1-4 گره خوردن کاربران به یک سرویس دهنده خاص 61
3-1-5 وابستگی شدید بین مولفه ها 61
3-1-6 فقدان پشتیبانی چند مستاجری 62
3-1-7 فقدان پشتیبانی از SLA 62
3-1-7-1 تعریف توصیف SLA 62
3-1-7-2 فقدان SLA در ابرهای موجود 64
3-1-8 فقدان انعطاف پذیری لازم در واسط کاربری 64
3-2 ارائه راهکارها 64
فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق 68
4-1 پیاده سازی و شبیه سازی 69
4-2 شرایط محیط شبیه سازی 71
4-3 مقیاس پذیری با اندازه شبکه 72
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 74
5-1 خلاصه و نتیجه گیری 75
5-2 مزایای تحقیق انجام شده 75
5-3 معایب تحقیق انجام شده 75
5-4 کارهای آتی 76
منابع و مآخذ 77
منابع فارسی 78
منابع غیرفارسی 79
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1 : سرویس دهندگان زیرساخت به عنوان سرویس 13
جدول2-2 : سرویس دهندگان سکو به عنوان سرویس 15
جدول 2-3 : سرویس دهندگان نرم افزار به عنوان سرویس 16
جدول 4-1 : شرایط محیط شبیه سازی 72
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 : تصویری از محاسبات ابری 8
شکل2-2 : الگوی استقرار ابر 17
شکل 2-3 : مشخصات محاسبات ابری 19
شکل 2- 4: تمایل به سمت محاسبات ابری 24
شکل 2-5: بررسی وضعیت محاسبات ابری جهان 26
شکل 2-6: سیستم توزیع شده به عنوان میان افزار 33
شکل 2-7 : ساختمان یک شی ابری 38
شکل 2-8 : اجرای نخ ها در شیء ابری 39
شکل 2-9 : مدل منطقی از یک معماری سیستم عامل ابری 41
شکل 2-10 : سیستم عامل iCloud 43
شکل 2-11: تصویری از سیستم عامل GlideOS 44
شکل 2-12 : تصویری از سیستم عامل G.ho.st 45
شکل 2-13 : تصویری از سیستم عامل JoliCloud 46
شکل 2-14 : تصویری از سیستم عامل eyeOS 47
شکل 3-1 : بروز رسانی موقعیت گره در روش RNP 66
شکل 3-2 : درخواست موقعیت و ارسال بسته در روش RNP 66
شکل 3-3: شبه کد به روز رسانی موقعیت گره 67
شکل 3-4: شبه کد درخواست موقعیت 67
شکل 4-1: مقایسه سرعت اجرای برنامه با افزایش تعداد پردازنده 69
شکل 4-2: مقایسه سرعت اجرای برنامه با افزایش تعداد ماشین مجازی 70
شکل 4-3: مقایسه اجاره بها با افزایش تعداد پردازنده 70
شکل 4-4: مقایسه اجاره بها با افزایش تعداد ماشین مجازی 71
شکل 4-5: نرخ موفقیت درخواست با افزایش تعداد گره ها 72
شکل 4-6: افزایش درصد بسته های تحویل داده شده با افزایش گره ها 73
شکل 4-7: کاهش سربار داده با افزایش تعداد گره ها 73
فصل اول
مقدمه و کلیات تحقیق
مقدمه
در دهه های آینده ما شاهد رشد چشمگیر تکنولوژی در زمینه پردازنده ها خواهیم بود. ابرها که از پردازنده های چند هسته ای تشکیل شده اند منابع محاسباتی بی نظیری فراهم می سازند. باید توجه داشت که با افزایش وسعت دامنه های اطلاعاتی و محاسباتی نیاز به منابع این چنینی بیش از پیش احساس خواهد شد و با افزایش حجم منابع نیاز به مدیریتی کارا و شفاف الزام پیدا می کند. در اینجا ممکن است این سوال مطرح شود که: ابرها چه امکاناتی برای کاربران فراهم می آورند؟ ابرها در انجام محاسبات عظیم نقش مهمی را ایفا می کنند و به کاربران این امکان را می دهند که برنامه های خود را بر روی بستری قابل اطمینان و بسیار کارآمد که از اجزای صنعتی استاندارد تشکیل شده است اجرا کنند. همچنین ابرها مدل محاسباتی بسیار ساده ای را فراهم می آورند به این صورت که کاربران تنها خروجی مورد نظر را با کمترین هزینه برای کاربر تامین می نمایند. ابرها در کنار اینکه فرصت های فراوانی را برای کاربران فراهم می آورند، چالش هایی را نیز برای مدیریت این منابع پدید می آورند. برای مثال از این چالش ها می توان به نحوه هماهنگ ساختن میزان منابع با درخواست ها و یا وسعت زیاد منابع تحت مدیریت سیستم عامل اشاره نمود. در این تحقیق با چالش های موجود در این زمینه بیشتر آشنا می شویم و پیرامون هر کدام به تفضیل صحبت خواهیم کرد.
سوالات اصلی تحقیق
سیستم عامل های ابری که نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند، می توانند مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه ساخته و یک سیستم متمرکز را تولید کنند. با توجه به اینکه ابرها فرصت های فراوانی را برای کاربران فراهم می آورند، چالش هایی را نیز برای مدیریت این منابع پدید می آورند. به همین منظور سوالات زیر مطرح می شود:
چالش های موجود در سیستم عامل های ابری کدامند؟
آیا تا به حال این چالش ها مورد بررسی قرار گرفته اند؟
این چالش ها تا چه اندازه اهمیت دارند؟
آیا راهکاری برای این چالش ها در نظر گرفته شده است؟
هدف از اجراء
در دهه های اخیر شاهد رشد چشمگیر تکنولوژی در زمینه پردازنده ها بوده ایم و این تکنولوژی همچنان با سرعت قابل توجهی در حال پیشرفت است. دلیل این امر افزایش منابع اطلاعاتی و محاسباتی است که این نیاز را به وجود آورده است که با ساخت چنین تکنولوژی هایی به ویژه پردازنده های چند هسته ای، مدیریتی کارا و شفاف بر این اطلاعات حجیم و محاسبات عظیم صورت گیرد. مدیریت اطلاعات و محاسبات این چنینی در محیط هاو سیستم های توزیعی به مراتب آسان تر از محیط های دیگر است. یکی از سیستم های توزیعی ابرها می باشند که می توانند نقش مهمی را در محاسبات عظیم و ذخیره سازی اطلاعات حجیم، ایفا کنند. بنابراین لزوم بررسی چالش ها و موانع در این قبیل سیستم ها و رفع آنها می تواند گامی موثر در افزایش سرعت و کارایی این گونه سیستم ها داشته باشد.
توجیه ضرورت انجام طرح
همزمان با رشد چشمگیر تکنولوژی پردازنده ها، ابرها نیز گسترش روز افزونی پیدا کرده اند. به همین ترتیب تعداد کامپیوترهای افزوده شده به زیر ساخت ابرها نیز افزایش پیدا کرده است که البته قابل ذکر است این افزایش با توجه به تقاضای روزافزون کاربران برای میزبانی این منابع می باشد. منابع ابری برای کاربران نامحدود بوده و کاربران تنها محدودیت مالی برای خرید این منابع را پیش رو دارند. پس می توان نتیجه گرفت که یکی از مهم ترین چالش ها در این زمینه مقیاس پذیر بودن سیستم عامل های ابری می باشد. در ابرها پارامترهایی همچون تقاضا، حجم کار و منابع در دسترس در طول زمان پیوسته در حال تغییر می باشند. برای مثال هنگامی که کاربر محاسبات سنگین و پیچیده ای درخواست می کند منابع مورد نیاز وی افزایش پیدا می کند و در پایان منابع از کاربر تحویل گرفته می شوند، قابل ذکر است این افزایش و کاهش در منابع ممکن است از دید کاربر پنهان بماند. باید به این نکته توجه داشت که تقاضا هیچ گاه ثابت نمی ماند و میزان منابع مورد نیاز در گستره زیادی در حال تغییر می باشد. از طرفی برنامه های کاربردی مبتنی بر ابر معمولا منابع را بین کاربران و دیگر برنامه های کاربردی به اشتراک می گذارند. اگرچه برنامه کاربردی هر کاربر در لفاف مجازی جداگانه ای قرار گرفته است ولی کیفیت سرویسی که برای برنامه فراهم می شود را تحت تاثیر قرار می دهد. علاوه براین برنامه نویسی در این سیستم عامل نیز کاری مشکل و توام با خطا است. با توجه به مشکلات برنامه نویسی چند نخی و چند فرآیندی که در این نوع سیستم عامل ها استفاده می شود امکان وجود خطا افزایش می یابد. همچنین به دلیل کمبود ابزارهای اشکال زدایی و آنالیز سیستم های بزرگ فهمیدن خطاها سخت و برطرف سازی آنها چالش برانگیز است. برخی چالش های ذکر شده در این زمینه موجب به وجود آمدن مسیر تحقیقاتی گوناگون شده است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد که البته هر کدام از این مسیرها به بخش های دیگری می شکنند که زمینه جدیدی را فراهم می کند.
استفاده از اشیاء پایدار: یکی از زمینه های اصلی مدل ابری فراهم آوردن مخازن داده پایدار و قابل اشتراک می باشد. بنابراین محور اصلی برخی از تحقیقات در زمینه سیستم عامل های ابری، پشتیبانی کارامد و استفاده بهینه از حافظه پایدار می باشد. علاوه بر این عرصه دیگر تحت کنترل درآوردن منابع توزیع شده می باشد که منجر به افزایش سرعت برنامه های اجرایی بر روی ابرها می گردد.
اطمینان و امنیت در سیستم عامل های ابری: یکی از اهداف مهم این سیستم ها فراهم آوردن محیط محاسباتی امن برای کاربران است. این چالش از دو بخش اصلی تشکیل می شود: حفاظت از داده ها هنگام خرابی سیستم و تضمین انجام ادامه محاسبه از جایی که محاسبه قطع گردید. می توان به این نتیجه رسید یکی دیگر از زمینه های تحقیق پیرامون سیستم عامل های ابری افزایش اطمینان این سیستم عامل ها می باشد.
تحمل خطا: افزایش تحمل خطا زمینه ی تحقیقات دیگر حول این موضوع می باشد.
تعاریف واژه ها
سیستم های توزیعی
سیستم توزیعی در واقع مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل است که برای کاربر خود مانند یک سیستم منسجم و منفرد به نظر می رسد[2].
سیستم عامل توزیع شده
این سیستم عامل ها خود را مانند سیستم عامل های تک پردازنده به کاربر معرفی می کنند اما در عمل از چندین پردازنده استفاده می کنند. این نوع سیستم عامل در یک محیط شبکه ای اجرا می شود و در حقیقت در این نوع سیستم جواب نهایی یک برنامه، پس از اجرا در کامپیوترهای مختلف به سیستم اصلی بر می گردد. سرعت پردازش در این نوع سیستم بسیار بالاست.
سیستم عامل ابری
سیستم عامل ابری نیز نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند که مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه می سازد و یک سیستم متمرکز تولید می کند.

فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
در این فصل سعی شده قبل از آشنایی کامل با سیستم عامل های ابری در مورد محاسبات ابری، انواع سیستم عامل ها، سیستم های توزیعی و سیستم عامل های توزیعی آشنا شویم، سپس با برخی سیستم عامل های ابری موجود آشنا شده و در نهایت به تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته می پردازیم.
محاسبات ابری
محاسبات ابری مدل محاسباتی بر پایه شبکه‌های بزرگ کامپیوتری مانند اینترنت است که الگویی تازه برای عرضه، مصرف و تحویل سرویس‌های فناوری اطلاعات (شامل سخت افزار، نرم افزار، اطلاعات، و سایر منابع اشتراکی محاسباتی) با به کارگیری اینترنت ارائه می‌کند. سیر تکاملی محاسبات به گونه ای است که می توان آن را پس از آب، برق، گاز و ‌تلفن به عنوان عنصر اساسی پنجم فرض نمود. در چنین حالتی، کاربران سعی می کنند بر اساس نیازهای خود و بدون توجه به اینکه یک سرویس در کجا قرار دارد و یا چگونه تحویل داده می شود، به آن دسترسی یابند. نمونه های متنوعی از سیستم های محاسباتی ارائه شده است که سعی دارند چنین خدماتی را به کاربران ارئه دهند. برخی از آنها عبارتند از: محاسبات کلاستری، محاسبات توری و اخیراً محاسبات ابری[15]. محاسبات ابری ساختاری شبیه یک توده ابر دارد که به واسطه آن کاربران می توانند به برنامه های کاربردی از هر جایی از دنیا دسترسی داشته باشند. بنابراین، محاسبات ابری می تواند با کمک ماشین های مجازی شبکه شده، بعنوان یک روش جدید برای ایجاد پویای نسل جدید مراکز داده مورد توجه قرار گیرد. بدین ترتیب، دنیای محاسبات به سرعت به سمت توسعه نرم‌افزارهایی پیش می رود که به جای اجرا بر روی کامپیوترهای منفرد، به عنوان یک سرویس در دسترس میلیون ها مصرف کننده قرار می گیرند.

شکل 2-1: تصویری از محاسبات ابری[33]
معرفی محاسبات ابری
دنیای فناوری اطلاعات و اینترنت که امروزه تبدیل به جزئی حیاتی از زندگی بشر شده، روز به روز در حال گسترش است. همسو با آن، نیازهای اعضای جوامع مانند امنیت اطلاعات، پردازش سریع، دسترسی پویا و آنی، قدرت تمرکز روی پروژه های سازمانی به جای اتلاف وقت برای نگه داری سرورها و از همه مهم تر، صرفه جویی در هزینه ها اهمیت زیادی یافته است. راه حلی که امروزه در عرصه فناوری برای چنین مشکلاتی پیشنهاد می شود تکنولوژی ای است که این روزها با نام محاسبات ابری شناخته می شود.
محاسبات ابری نمونه ای است که منابع بیرونی همه نیازهای IT را از قبیل ذخیره سازی، محاسبه و نرم افزارهایی مثل Office و ERP را در اینترنت تهیه می کند. محاسبات ابری همچنین، رشد و پیشرفت کاربرد های وسیع و تست برای شرکت های IT کوچکی را اجازه می دهد که نمی توانند سرمایه های بزرگ در سازمان داشته باشند. مهم ترین مزیت پیشنهاد شده توسط ابر در مفهوم اقتصاد مقیاس است و آن هنگامی است که هزاران کاربر، تسهیلات یکسان، هزینه یکسان برای هر کاربر و بهره برداری از سرور به اشتراک می گذارند. برای فعال سازی چنین تسهیلاتی، محاسبات ابری در برگیرنده تکنولوژی ها و مفاهیمی است مثل: مجازی سازی و محاسبات سودمند، پرداخت در ازای میزان استفاده، بدون سرمایه گذاری های کلان، انعطاف پذیری، مقیاس بندی، شرایط تقاضا و منابع بیرونی IT.
محاسبات ابری را ابر نیز می نامند چون یک سرور ابری دارای شکل بندی است که می تواند هر جایی در جهان قرار داشته باشد. ابر، تصویری است انتزاعی از شبکه‌ای عظیم؛ توده‌ای که حجم آن مشخص نیست، نمی‌دانیم از چه میزان منابع پردازشی تشکیل شده. ابعاد زمانی و مکانی یکایک اجزای آن نیز دانسته نیست، نمی‌دانیم سخت‌افزار‌ها و نرم‌افزارها کجای این توده قرار دارند، اما آن‌چه را که عرضه می‌کند، می‌شناسیم. درست مثل برق! شما برای اینکه از وسایل و تجهیزات برقی در خانه یا محل کارتان استفاده کنید لازم نیست یک ژنراتور یا کارخانه برق در خانه خود داشته باشید، بلکه به ازای هزینه مشخصی برق را اجاره می‌کنید. حالا اگر مصارف برقی شما بیشتر و متفاوت‌‌تر باشند مثلاً‌ می‌روید و از خدمات برق صنعتی استفاده می‌کنید. در محاسبات ابری هم شرکت‌ها و سازمان‌ها و افراد دیگر برای نرم‌افزار، سخت‌افزار یا شبکه پولی پرداخت نمی‌کنند، بلکه توان محاسباتی و سرویس‌های نرم‌افزاری مورد نیازشان را خریداری می‌کنند. این ایده در واقع صرفه‌جویی بزرگ و بهره‌وری زیادی در منابع IT را به همراه خواهد داشت. بدین ترتیب کافی است وسیله شما (پی‌سی، موبایل، تلویزیون، حتی یخچال!) یک رابط نرم‌افزاری (مرورگر) برای استفاده از سرویس‌های آنلاین و یک دسترسی به اینترنت داشته باشد،‌ خواهید دید که قادر هستید به راحتی از توان محاسباتی برای انجام کارهای دیجیتالی خود بهره بگیرید.
رشد و پیشرفت محاسبات ابری منجر به چندین تعریف پیشنهادی از خصوصیات آن می شود. برخی از این تعاریف توسط دانشمندان مشهور و سازمان ها ارائه شده است مثل:
الف) Buyya و همکارانش که محاسبات ابر را در مفهوم کاربری است برای کاربر نهایی بدین صورت تعریف می کنند: یک ابر سیستمی محاسباتی توزیع شده بازارگرا است که شامل جمع آوری کامپیوترهای مجازی و ارتباط داخلی هستند که از لحاظ دینامیکی به عنوان یک یا چند منبع محاسباتی متحد بر اساس توافق های سطح سرویس بین مصرف کنندگان و فراهم کنندگان خدمات مذاکره می کنند[14].
ب) موسسه ملی استانداردها و تکنولوژی محاسبات ابری را به صورت زیر تعریف می کند: محاسبه ابری، الگویی است برای اینکه شبکه های مبتنی بر تقاضا به منابع محاسباتی (مثل سرور، شبکه، ذخیره سازی، برنامه های کاربردی و خدمات) طوری دستیابی پیدا کنند که شامل حداقل تلاش مدیریت یا تعامل فراهم کننده سرویس است. این الگوی ابر، قابلیت دستیابی را ارتقا می دهد و شامل پنج تا از ویژگی های ضروری، سه تا از الگوهای سرویس و چهار تا الگوی استقرار است.
ویژگی های ابری شامل انتخاب سرویس مبتنی بر تقاضا، دسترسی وسیع به شبکه، ائتلاف منابع، انعطاف پذیری سریع و سرویس اندازه گیری شده است. الگوهای خدمات در دسترس به صورت نرم افزار به عنوان سرویس(SaaS)، سکو به عنوان سرویس (PaaS) و زیرساخت به عنوان سرویس (IaaS) تقسیم بندی می شوند. الگوی گسترش به ابرهای عمومی، خصوصی، اجتماعی و هیبرید تقسیم بندی می شود.
مشخصه اصلی محاسبات ابری
موسسه ملی استانداردها و فناوری، خصوصیات محاسبات ابری زیر را به صورت زیر تعریف می کند:
سرویس مبتنی بر تقاضا
مشتری می تواند به صورت یک طرفه امکانات و خدمات محاسباتی همچون سرور و فضای ذخیره سازی در شبکه را به هنگام نیاز از هر فراهم کننده ای به صورت خودکار و بدون نیاز به دخالت انسان به دست آورده و از آنها استفاده کند. به عبارت دیگر، برای مدیریت زیرساخت ابر نیازمند استخدام مدیران شبکه یا Admin به صورت تمام وقت نیستیم. بیشتر سرویس های ابر، پورتال های سلف سرویس دارند که به آسانی مدیریت می شوند.
دسترسی وسیع به شبکه
توانمندی های موجود بر روی شبکه، از طریق مکانیزم های استاندارد که استفاده از روش های ناهمگون پلتفرم های کلاینت، مانند تلفن های موبایل، لپ تاپ ها و PDA ها، را ترویج می کنند، قابل دسترسی هستند.
ائتلاف منابع
منابع محاسباتی فراهم کننده جمع آوری شده اند تا با به کارگیری مدل چند مشتری به چندین مشتری خدمت رسانی کنند. این کار به وسیله منابع فیزیکی یا مجازی مختلف که به شکلی پویا و بنابر درخواست مشتری واگذار و پس گرفته می شوند، صورت می گیرد. در اینجا حالتی از عدم وابستگی به مکان وجود دارد که در آن مشتری معمولاً کنترل یا دانشی درباره محل دقیق منابع فراهم شده ندارد ولی ممکن است در سطوح بالاتر انتزاعی بتواند محل را تعیین کند، مثل: کشور، استان یا مراکز داده. برای نمونه منابع شامل فضای ذخیره سازی، توان پردازشی، حافظه، پهنای باند شبکه و ماشین های مجازی می شود.
انعطاف پذیری سریع
می توان امکانات را به سرعت و با انعطاف، در بعضی موارد به صورت خودکار، به دست آورد تا به سرعت گسترش داده شده( از دید مقیاس) یا درجا آزاد شوند و خیلی سریع به مقیاس کوچکتری دست یابند. از دید مشتری امکاناتی که برای به دست آمدن در دسترس هستند اغلب نامحدود به نظر می آیند و می توانند به هر مقدار و در هر زمان خریداری شوند.
سرویس اندازه گیری شده
سیستم های ابری منابع را خودکار کنترل و بهینه می کنند. این کار با به کارگیری توانایی اندازه گیری در سطحی از تجرید که مناسب گونه آن خدمت ( مثل: فضای ذخیره سازی، توان پردازشی، پهنای باند و شمار کاربران فعال) است انجام می شود. میزان استفاده از منابع می تواند به شکلی شفاف هم برای مشتری و هم برای فراهم کننده زیر نظر گرفته، کنترل شده و گزارش داده شود.
معماری سرویس گرا
معماری مبتنی بر سرویس در واقع یک مجموعه ای از سرویس ها است که با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. حین این ارتباط ممکن است داده هایی را بین یکدیگر پاس کاری کنند و همچنین ترکیب دو یا چند سرویس با هم یک کار انجام دهد. در این جا چند مفهوم اتصال بین سرویس ها مورد نیاز است. برخلاف دهه های گذشته که نرم افزارها قائم به خود و انفرادی بودند، در حال حاضر روند تکامل نرم افزارها به سوی معماری مبتنی بر سرویس می رود. رشد انفجاری تکنولوژی های اینترنت و تعداد کاربران آن موجب شده که فروش نرم افزار جای خودش را به اجاره نرم افزار بدهد. شرکت های بزرگی مانند مایکروسافت، گوگل، سان و حتی آمازون به این سمت می روند که به جای فروش مستقیم نرم افزار به کاربر خدمات نرم افزاری را ارئه دهند. معماری مبتنی بر سرویس معماری نرم افزار یا سیستمی است که امکاناتی چون کامپوننت ها، استفاده مجدد، توسعه پذیری و راحتی را در اختیار ما قرار می دهد. این ویژگی ها برای شرکت هایی که به دنبال کاهش هزینه هستند و به جای فروش به اجاره سرویس های نرم افزار تاکید دارند، الزامی است[9].
مدلهای سرویس
در مدل سرویس، انواع گوناگون ابر بیانگر قالبی هستند که زیر ساختها در آن قرار میگیرد. اکنون محدوده شبکه، مدیریت و مسئولیتها به پایان میرسد و امور مربوط به بخش سرویسدهندهی ابر آغاز میشود. با پیشرفت محاسبات ابری فروشندگان، ابرهایی را با سرویس های مختلف مرتبط به کار خود عرضه مینمایند. با سرویسهایی که عرضه میشوند مجموعه دیگری از تعاریف به نام مدل سرویس در محاسبات ابری مطرح میشود. برای مدلهای سرویس، نامگذاریهای بسیاری صورت گرفته که همگی به فرم زیر تعریف شده اند:
XaaS,or "<something>as a Service"
در حال حاضر در جهان سه نوع سرویس به صورت متداول شناخته می شود:
زیر ساخت به عنوان سرویس
زیر ساخت به عنوان سرویس یا IaaS ماشینهای مجازی، فضای ذخیرهسازی مجازی، زیر ساخت های مجازی و سایر سخت افزارهای کاربردی را به عنوان منابع برای مشتریان فراهم میآورد. سرویسدهندهی IaaS تمامی زیر ساختها را مدیریت مینماید و در حالی که مشتریان مسئول باقی جنبههای استقرار میباشند. از جمله سیستم عامل، برنامهها و تعاملات سیستم با کاربر و غیره.
در جدول 2-1 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه IaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-1 : سرویس دهندگان زیر ساخت به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ ابزار توصیف لایه-سطح
آمازون Elastic Compute Cloud سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Dynamo سیستم ذخیره سازی مبتنی بر کلید-ارزش IaaS- سرویس زیرساخت پیشرفته
Simple Storage Service سیستم ذخیره سازی دسته ای IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
SimpleDB پایگاه داده به عنوان سرویس IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
CloudFront تحویل محتوا IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
SQS سرویس صف و زمانبندی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
AppNexus AppNexus Cloud سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
گوگل Google Big Table سیستم توزیع شده برای ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Google File Sys-- سیستم- فایل توزیع شده IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
اچ پی iLO مدیریت خاموشی سرور IaaS- سرویس منبع فیزیکی
Tycoon سیستم مدیریت منابع محاسباتی در کلاسترها IaaS- سرویس منبع مجازی
Joyent Accelerator سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Connector سرور مجازی از قبل تنظیم شده IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
BingoDisk دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Bluelock Bluelock Virtual Cloud Computing سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Bluelock Virtual Recovery بازیابی مصیبت و شکست IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Emulab Emulab Network Testbed بستر آزمایش شبکه IaaS- سرویس منبع فیزیکی
ENKI ENKI Virtual Private Data Centers منابع دیتا سنتر مجازی بنابر تقاضا IaaS- سرویس منبع مجازی
EU Resevoir Project Open Nebula موتور مجازی زیرساخت(متن باز) IaaS- سرویس منبع مجازی
FlexiScale FlexiScale Cloud Computing سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
GoGrid Cloud Hosting سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Cloud Storage فضای ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Nirvanix Nirvanix Storage Delivery Network دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
OpenFlow OpenFlow شبیه سازی شبکه IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
RackSpace Masso Cloud Sites سرور مجازی از پیش تنظیم شده IaaS- سرویس زیر ساخت
Masso Cloud Storage دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Masso Cloud Severs سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Skytap Skytap Virtual Lab محیط آزمایشگاه مجازی فناوری اطلاعات IaaS- سرویس زیر ساخت
Terremark Infinistructure سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
UCSB Eucalyptus نسخه متن باز EC2 آمازون IaaS- سرویس منبع مجازی
10gen Mongo DB پایگاه داده برای ذخیره سازی ابری IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Babble Application Server سرور برنامه های تحت وب برای استقرار ابری IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
سکو به عنوان سرویس
سکو به عنوان سرویس یاPaaS ، ماشینهای مجازی، سیستمهای عامل، برنامهها، سرویسها، چارچوبهای توسعه، تراکنشها و ساختارهای کنترلی را فراهم میآورد. مشتری میتواند برنامههای خود را بر روی زیر ساخت ابر قرار دهد و یا اینکه از برنامههایی استفاده کند که با استفاده از زبانها و ابزارها نوشته شدهاند و توسط سرویس دهندهیPaaS پشتیبانی می شوند. سرویسدهنده زیرساخت ابر، سیستمهای عامل و نرمافزارهای فعالسازی را فراهم میآورد. مشتری مسئول نصب و مدیریت برنامههایی که قرار داده است، میباشد.
در جدول 2-2 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه PaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-2 : سرویس دهندگان سکو به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ابزار توصیف لایه-سطح
Akamai EdgePlatform تحویل برنامه کاربردی، محتوا و سایت PaaS
مایکروسافت Azure محیط توسعه و اجرا برای برنامه های کاربردی مایکروسافت PaaS
Live Mesh بستری برای به هنگام سازی، اشتراک و دسترسی به دامنه وسیعی از دستگاه هایی با سیستم عامل مایکروسافت PaaS
فیس بوک Facebook Platform بستر آزمایش شبکه PaaS
گوگل App Engine محیط اجرایی قابل گسترش برای برنامه های تحت وب نوشته شده در زبان پایتون PaaS
NetSuite SuiteFlex جعبه ابزاری برای سفارشی سازی برنامه های کاربردی کسب و کار آنلاین همین شرکت PaaS
Salesforce Force.com ساخت و تحویل برنامه های کاربردی در کلاس کسب و کار PaaS
Sun Caroline بستر قابل گسترش افقی برای توسعه و استقرار سرویس های تحت وب PaaS
Zoho Zoho Creator جعبه ابزاری برای ساخت و تحویل برنامه های کاربردی در کلاس کسب و کار و به شکل بنابر بر تقاضا PaaS
نرمافزار به عنوان سرویس
نرمافزار به عنوان سرویس یا SaaS یک محیط کاملاً عملیاتی برای مدیریت برنامهها و واسط کاربری است. در مدل SaaS برنامه از طریق یک برنامه واسط (معمولاً مرورگر) به مشتری سرویس میدهد و مسئولیت مشتری با ورود داده شروع و با مدیریت داده و تعاملات کاربری پایان مییابد. همه چیز مربوط به برنامه تا زیر ساخت در حوزهی مسئولیت فروشنده است.
در جدول 2-3 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه SaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-3 : سرویس دهندگان نرم افزار به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ابزار توصیف لایه-سطح
گوگل Google Docs بسته نرم افزاری آفیس آنلاین SaaS
Google Maps API رابط برنامه نویس سرویس نقشه گوگل به توسعه دهندگان این امکان را می دهد تا نقشه گوگل را در سایت های خود جاسازی کنند SaaS- سرویس ساده
OpenID Foundation OpenSocial یک رابط برنامه نویسی کاربردی مشترک برای برنامه های شبکه های اجتماعی SaaS-سرویس مرکب
OpenID یک سیستم توزیع شده که به کاربران این اجازه را می دهد تا تنها با یک شناسه دیجیتال بتوانند از سایتها مختلف استفاده نمایند. SaaS- سرویس ساده
مایکروسافت Office Live بسته نرم افزاری آفیس آنلاین SaaS
Salesforce Salesforce.com بسته نرم افزاری مدیریت روابط مشتریان SaaS
این سه مدل متفاوت سرویس به نام مدل SPI محاسبات ابری شناخته میشوند. گرچه تاکنون از مدلهای سرویس بسیاری نام برده شد، staas فضای ذخیرهسازی به عنوان سرویس؛ idaas هویت به عنوان سرویس؛ cmaas توافق به عنوان سرویس؛ و غیره، با این وجود سرویس های SPI تمامی باقی سرویسهای ممکن را نیز در بر میگیرد. IaaS دارای حداقل سطوح عاملیت مجتمع شده و پایین ترین سطوح مجتمع سازی میباشد و SaaS دارای بیشترینها است. یک PaaS یا سکو به عنوان سرویس خصوصیات مجتمع سازی، میانافزارها و سایر سرویسهای هماهنگساز را به مدل IaaS یا زیر ساخت به عنوان سرویس میافزاید. هنگامی که که یک فروشندهی محاسبات ابری، نرمافزاری را بر روی ابر عرضه میکند، با استفاده از برنامه و پرداخت فوری، یک عملیات SaaS انجام می گیرد. با SaaS مشتری برنامه را در صورت نیاز استفاده میکند و مسئول نصب، نگهداری و تعمیر برنامه نیست.
مدل‌های پیاده‌سازی
در تعریف NIST (انستیتوی ملی استاندارد ها و فناوری ها) مدل های استقرار ابر به چهار صورت زیر است:

شکل 2-2 : الگوی استقرار ابر[29]
ابر عمومی
ابر عمومی یا ابر خارجی توصیف کننده محاسبات ابری در معنای اصلی و سنتی آن است. سرویس‌ها به صورت دینامیک و از طریق اینترنت و در واحدهای کوچک از یک عرضه کننده شخص ثالث تدارک داده می‌شوند و عرضه کننده منابع را به صورت اشتراکی به کاربران اجاره می‌دهد و بر اساس مدل محاسبات همگانی و مشابه صنعت برق و تلفن برای کاربران صورتحساب می‌فرستد. این ابر برای استفاده همگانی تعبیه شده و جایگزین یک گروه صنعتی بزرگ که مالک آن یک سازمان فروشنده ی سرویس های ابری می باشد.
ابر گروهی
ابر گروهی در جایی به وجود می‌آید که چندین سازمان نیازهای یکسان دارند و به دنبال این هستند که با به اشتراک گذاردن زیرساخت از مزایای محاسبات ابری بهره‌مند گردند. به دلیل اینکه هزینه‌ها بین کاربران کمتری نسبت به ابرهای عمومی تقسیم می‌شود، این گزینه گران‌تر از ابر عمومی است اما میزان بیشتری از محرمانگی، امنیت و سازگاری با سیاست‌ها را به همراه می‌آورد.
ابر ترکیبی
یک ابر ترکیبی متشکل از چندین ارائه دهنده داخلی و یا خارجی، گزینه مناسبی برای بیشتر مؤسسات تجاری می‌باشد. با ترکیب چند سرویس ابر کاربران این امکان را می‌یابند که انتقال به ابر عمومی را با دوری از مسائلی چون سازگاری با استانداردهای شورای استانداردهای امنیت داده‌های کارت های پرداخت آسان تر سازند.
ابر خصوصی
ابر خصوصی یک زیر ساخت محاسبات ابری است که توسط یک سازمان برای استفاده داخلی آن سازمان به وجود آمده‌است. عامل اصلی که ابرهای خصوصی را از ابرهای عمومی تجاری جدا می‌سازد، محل و شیوه نگهداری از سخت افزار زیرساختی ابر است. ابر خصوصی امکان کنترل بیشتر بر روی تمام سطوح پیاده سازی ابر (مانند سخت افزار، شبکه، سیستم عامل، نرم افزار) را فراهم می‌سازد. مزیت دیگر ابرهای خصوصی امنیت بیشتری است که ناشی از قرارگیری تجهیزات در درون مرزهای سازمان و عدم ارتباط با دنیای خارج ناشی می‌شود. اما بهره گیری از ابرهای خصوصی مشکلات ایجاد و نگهداری را به همراه دارد. یک راه حل میانه برای دوری از مشکلات ابرهای خصوصی و در عین حال بهره مند شدن از مزایای ابرهای خصوصی، استفاده از ابر خصوصی مجازی است. به عنوان نمونه می‌توان از ابر خصوصی مجازی آمازون نام برد.
مشخصات محاسبات ابری
مشخصات کلیدی توسط ابر در شکل 2-3 نشان داده شده است و در قسمت زیر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است:

شکل 2-3 : مشخصات محاسبات ابری[28]
مجازی شده : منابع (یعنی محاسبه کردن، ذخیره سازی و ظرفیت شبکه) در ابرها تصور می شوند و این روش در سطوح مختلف مثل vm و سطوح بسته بدست می آید[9]. اصلی ترین آن در سطح ماشین مجازی است که در آن برنامه های کاربردی متفاوت در سیستم های عملکردی با همان ماشین فیزیکی اجرا می شوند. سطح سکو باعث نقشه برداری برنامه های کاربردی در یک یا چند منبع می شود که توسط فراهم آورندگان زیرساخت ابری پیشنهاد شده است.
سرویس گرا: ابر با استفاده از الگوی زیرساخت سرویس گرا به کار می رود که در آن همه اجزا در شبکه به عنوان یک سرویس در دسترس هستند، چه نرم افزار باشد، چه سکو یا هر زیرساختی که به عنوان سرویس پیشنهاد می کنند.
انعطاف پذیری : منابع (یعنی محاسبه کردن، ذخیره سازی و ظرفیت شبکه) برای برنامه های کاربردی ابر موردنیاز هستند که می توانند به صورت پویا و مختلف مقرر می شوند. یعنی افزایش یا کاهش در زمان اجرا بستگی به نیازهای QOS کاربر دارد. فراهم کنندگان ابر اصلی مثل آمازون حتی سرویس هایی را برای توسعه عمودی و توسعه افقی در براساس نیازهای برنامه های کاربردی میزبان دارد.
پویا و توزیع شده: گرچه منابع ابر، مجازی شده اند، آنها اغلب در عملکردهای بالا یا سرویس های ابر قابل اطمینان توزیع می شوند. این منابع انعطاف پذیر و می توانند بر طبق نیازهای مشتری سازگاری یابند مثل: نرم افزار، پیکربندی شبکه و غیره[10].
اشتراک (اقتصاد مقیاسی): زیرساخت ابرها هر جایی است که منابع های متعدد از خود کاربر بر طبق نیازهای برنامه کاربردی خود استفاده می کنند، مشترک می شوند. این الگوی اشتراکی به عنوان الگوی اجاره چندگانه نیز می باشد. به طور کلی، کاربران نه دارای کنترل مستقیم بر منابع فیزیکی هستند و نه از تخصیص منابع و اینکه با چه کسانی مشترک شده اند، خبر دارند.
بازارگرا (پرداخت - در ازای - میزان استفاده): در محاسبات ابری، کاربران براساس پرداخت - در ازای - میزان استفاده برای سرویس ها پرداخت می کنند. الگوی قیمت گذاری می تواند با توجه به انتظار برنامه های کاربردی در کیفیت سرویس متفاوت باشد. فراهم آورندگان ابر IaaS مثل منابع قیمت ها در آمازون از الگوهایی بازاری مثل الگوهای قیمت گذاری کالاها یا زمان پرداخت آنها استفاده می کنند. یک الگوی قیمت گذاری توسط Thualsiram و Allenofor برای منابع مجهز پیشنهاد شده است که می تواند به عنوان اساسی برای منابع ابر استفاده شوند. این خصوصیت، بعد بهره برداری از محاسبات ابری را بیان می کند. یعنی، سرویس های ابری به عنوان سرویس های سنجیده شده هستند که در آن فراهم کنندگان دارای الگوی محاسباتی برای اندازه گیری کاربردها از سرویس ها هستند که به توسعه برنامه های قیمت گذاری متفاوت کمک می کند. الگوی محاسباتی به کنترل و بهینه سازی از منابع کمک می کند.[16]
خودمختار : برای فراهم کردن سرویس های قابل اطمینان در حد بالا، ابرها رفتاری مستقل را با مدیریت خودشان در دگردیسی عملکرد یا شکست نشان می دهند.
مزایای محاسبات ابری
 
کارمان را با بیان مزایای متعددی که توسط محاسبات ابری ارائه می شود آغاز می کنیم. وقتی شما به سمت استفاده از ابر می روید، به چیزهای زیر دست پیدا می کنید:
 
هزینه های کامپیوتری کمتر: شما برای اجرای برنامه های کاربردی مبتنی بر وب، نیازی به استفاده از یک کامپیوتر قدرتمند و گران قیمت ندارید. از آن جائی که برنامه های کاربردی بر روی ابر اجرا می شوند، نه بر روی یک کامپیوتر رو میزی. کامپیوتر رومیزی شما نیازی به توان پردازشی زیاد یا فضای دیسک سخت که نرم افزارهای دسکتاپ محتاج آن هستند ندارد. وقتی شما یک برنامه کاربردی تحت وب را اجرا می کنید، کامپیوتر شما می تواند ارزان تر، با یک دیسک سخت کوچک تر، با حافظه کم تر و دارای پردازنده کارآمدتر باشد. در واقع، کامپیوتر شما در این سناریو حتی نیازی به یک درایو CD یا DVD هم ندارد زیرا هیچ نوع برنامه نرم افزاری بار نمی شود و هیچ سندی نیاز به ذخیره شدن بر روی کامپیوتر ندارد.
کارآیی توسعه یافته:  با وجود برنامه های کم تری که منابع کامپیوترشما، خصوصاً حافظه آن را به خود اختصاص می دهند، شما شاهد کارآیی بهتر کامپیوتر خود هستید. به عبارت دیگر کامپیوترهای یک سیستم محاسبات ابری، سریع تر بوت و راه اندازی می شوند زیرا آن ها دارای فرآیندها و برنامه های کم تری هستند که به حافظه بار می شود.
 
هزینه های نرم افزاری کم تر:  به جای خرید برنامه های نرم افزاری گران قیمت برای هر کامپیوتر، شما می توانید تمام نیازهای خود را به صورت رایگان برطرف کنید. بله درست است، اغلب برنامه های کامپیوتری محاسبات ابری که امروزه عرضه می شوند، نظیر Google Docs، کاملاً رایگان هستند. این، بسیار بهتر از پرداخت 200 دلار یا بیشتر برای خرید برنامه office مایکروسافت است که این موضوع به تنهایی می تواند یک دلیل قوی برای سوئیچ کردن به محاسبات ابری محسوب شود.
 
ارتقای نرم افزاری سریع و دائم:  یکی دیگر از مزایای مربوط به نرم افزار در  محاسبات ابری این است که شما دیگر نیازی به بروز کردن نرم افزارها و یا اجبار به استفاده از نرم افزارهای قدیمی، به دلیل هزینه زیاد ارتقای آن ها ندارید. وقتی برنامه های کاربردی، مبتنی بر وب باشند، ارتقاها به صورت اتوماتیک رخ می دهد و دفعه بعد که شما به ابر وارد شوید به نرم افزار اعمال می شوند. وقتی شما به یک برنامه کاربردی مبتنی بر وب دسترسی پیدا می کنید، بدون نیاز به پرداخت پول برای دانلود یا ارتقای نرم افزار، از آخرین نسخه آن بهره مند می شوید.
 
سازگاری بیشتر فرمت اسناد:  نیازی نیست که شما نگران مسئله سازگاری اسنادی که بر روی کامپیوتر خود ایجاد می کنید با سایر سیستم عامل ها یا سایر برنامه های کاربردی دیگران باشید. در دنیایی که اسناد 2007Word نمی تواند بر روی کامپیوتری که 2003Word را اجرا می کند باز شوند، تمام اسنادی که با استفاده از برنامه های کاربردی مبتنی بر وب ایجاد می شوند می تواند توسط سایر کاربرانی که به آن برنامه کاربردی دسترسی دارند خوانده شوند. وقتی همه کاربران اسناد و برنامه های کاربردی خود را بر روی ابر به اشتراک می گذارند، هیچ نوع ناسازگاری بین فرمت ها به وجود نخواهد آمد.
 
ظرفیت نامحدود ذخیره سازی:  محاسبات ابری ظرفیت نامحدودی برای ذخیره سازی در اختیار شما قرار می دهد. دیسک سخت 200 گیگابایتی فعلی کامپیوتر رومیزی شما در مقایسه با صدها پتابایت (یک میلیون گیگابایت) که از طریق ابر در دسترس شما قرار می گیرد اصلا چیزی به حساب نمی آید. شما هر چیزی را که نیاز به ذخیره کردن آن داشته باشید می توانید ذخیره کنید.
 
قابلیت اطمینان بیشتر به داده:  برخلاف محاسبات دسکتاپ، که در آن یک دیسک سخت می تواند تصادم کند و تمام داده های ارزشمند شما را از بین ببرد، کامپیوتری که بر روی ابر تصادم کند نمی تواند بر داده های شما تاثیر بگذارد. این همچنین بدان معنا است که اگر کامپیوترهای شخصی شما نیز تصادم کنند، تمام داده ها هنوز هم آن جا و برروی ابر وجود دارند و کماکان در دسترس شما هستند. در دنیایی که تنها تعداد اندکی از کاربران به طور مرتب و منظم از داده های مهم و حساس خود نسخه پشتیبان تهیه می کنند، محاسبات ابری حرف آخر در زمینه محافظت از داده ها به شمار می رود.
 
دسترسی جهانی به اسناد:  آیا تا به حال کارهای مهم خود را از محیط کار به منزل برده اید؟ و یا تاکنون به همراه بردن یک یا چند فایل مهم را فراموش کرده اید؟ این موضوع در محاسبات ابری رخ نمی دهد زیرا شما اسناد و فایل های مهم  خود را همراه خود حمل نمی کنید. در عوض، این اسناد و فایل ها بر روی ابر می مانند و شما می توانید از هرجایی که یک کامپیوتر و اتصال اینترنتی وجود داشته باشد به آن دسترسی پیدا کنید. شما در هر کجا که باشید به سرعت می توانید به اسناد خود دسترسی پیدا کنید و به همین دلیل، نیازی به همراه داشتن آن ها نخواهید داشت.
 
در اختیار داشتن آخرین و جدیدترین نسخه:  یکی دیگر از مزایای مرتبط با اسناد در محاسبات ابری این است که وقتی شما یک سند را در خانه ویرایش می کنید، این نسخه ویرایش شده همان چیزی است که وقتی در محل کار خود به آن دسترسی می یابید مشاهده می کنید. ابر همواره، آخرین نسخه از اسناد شما را میزبانی می کند و تا وقتی شما به اینترنت و ابر متصل باشید، هیچ گاه در معرض خطر استفاده از یک نسخه تاریخ گذشته نخواهید بود.
همکاری گروهی ساده تر:  به اشتراک گذاشتن اسناد، شما را مستقیماً به همکاری بر روی اسناد رهنمون می کند. برای بسیاری از کاربران، این یکی از مهم ترین مزایای استفاده از محاسبات ابری محسوب می شود زیرا چندین کاربر به طور همزمان می توانند برروی اسناد و پروژه ها کار کنند، به دلیل این که اسناد بر روی ابر میزبانی می شوند، نه بر روی کامپیوترهای منفرد، همه چیزی که شما نیاز دارید یک کامپیوتر با قابلیت دسترسی به اینترنت است.
 
مستقل از سخت افزار:  در نهایت، در این جا به آخرین و بهترین مزیت محاسبات ابری اشاره می کنیم. شما دیگر مجبور نیستید به یک شبکه یا یک کامپیوتر خاص محدود باشید. کافی است کامپیوتر خود را تغییر دهید تا ببینید برنامه های کاربردی و اسناد شما کماکان و به همان شکل قبلی، بر روی ابر در اختیار شما هستند. حتی اگر از ابزار پرتابل نیز استفاده کنید، باز هم اسناد به همان شکل در اختیار شما هستند. دیگر نیازی به خرید یک نسخه خاص از یک برنامه برای یک وسیله خاص، یا ذخیره کردن اسناد با یک فرمت مبتنی بر یک ابزار ویژه ندارید. فرقی نمی کند که شما از چه نوع سخت افزاری استفاده می کنید زیرا اسناد و برنامه های کاربردی شما در همه حال به یک شکل هستند.
محاسبات ابری که در اواخر سال 2007 پا به عرصه ظهور گذاشت، هم اکنون به دلیل توانایی اش در ارائه زیرساخت فن آوری پویا و بسیار منعطف، محیط های محاسباتی تضمین شده از نظر کیفیت و همچنین سرویس های نرم افزاری قابل پیکربندی به موضوع داغ مبدل شده است. در گزارش گوگل Trends و همانطور که در شکل 2-4 مشاهده می کنید، محاسبات ابری که از تکنولوژی مجازی سازی بهره می برد، محاسبات گریدی را پشت سر گذاشته است.

شکل2-4 : تمایل به سمت محاسبات ابری[35]
پروژه های متعددی در حوزه صنعت و دانشگاه بر روی محاسبات ابری آغاز شده است وشرکت های بسیار بزرگی با این موضوع درگیر شده اند و این نشان از توجه عمومی به سمت این پدیده نوین است.
نقاط ضعف محاسبات ابری
چند دلیل وجود دارد که ممکن است با استناد به آن ها شما نخواهید از محاسبات ابری استفاده کنید. در این جا به ریسک های مرتبط با استناد از محاسبات ابری اشاره می کنیم:
نیاز به اتصال دائمی به اینترنت دارد: در صورتی که شما نتوانید به اینترنت متصل شوید، محاسبات ابری غیر ممکن خواهد بود. از آن جائی که شما باید برای ارتباط با برنامه های کاربردی و اسناد خود به اینترنت متصل باشید، اگر یک ارتباط اینترنتی نداشته باشید نمی توانید به هیچ چیزی، حتی اسناد خودتان دسترسی پیدا کنید. نبود یک ارتباط اینترنتی، به معنای نبود کار است. وقتی شما آفلاین هستید، محاسبات ابری کار نمی کند.
با اتصال های اینترنتی کم سرعت کار نمی کند: به همان شکلی که در بالا اشاره شد، یک ارتباط اینترنتی کم سرعت نظیر نمونه ای که در سرویس های Dial-up دیده می شود، در بهترین حالت، استفاده از محاسبات ابری را با دردسرهای فوق العاده ای همراه می کند و اغلب اوقات، استفاده از آن را غیرممکن می سازد. برنامه های کاربردی تحت وب و همچنین اسنادی که بر روی ابر ذخیره شده اند برای دانلود شدن به پهنای باند بسیار زیادی نیاز دارند. اگر شما از یک اینترنت Dial-up استفاده می کنید، اعمال تغییر در یک سند یا رفتن از یک صفحه به صفحه دیگر همان سند ممکن است برای همیشه به طول بینجامد. و البته در مورد بار شدن یک سرویس غنی از امکانات حرفی نمی زنیم. به عبارت دیگر، محاسبات ابری برای افرادی که از اینترنت باند پهن استفاده نمی کنند، نیست.
می تواند کند باشد: حتی در یک ارتباط اینترنتی سریع نیز، برنامه های کاربردی تحت وب می توانند گاهی اوقات کندتر از دسترسی به همان برنامه نرم افزاری از طریق یک کامپیوتر رومیزی باشند. تمام جنبه های یک برنامه، از جمله اینترفیس و سند فعلی، باید بین کامپیوتر یا کامپیوترهای موجود بر روی ابر مبادله شود. اگر در آن لحظه، سرورهای ابر در معرض تهیه نسخه پشتیبان باشند یا اگر اینترنت یک روز کند را پشت سر بگذارد، شما نمی توانید به همان دسترسی سریعی که در یک برنامه دسک تاپ وجود دارد، برسید.
ویژگی ها ممکن است محدود باشند: این وضعیت در حال تغییر است اما بسیاری از برنامه های کاربردی مبتنی بر وب به اندازه همتای دسک تاپ خود دارای ویژگی ها و امکانات غنی نیستند. به عنوان مثال، شما می توانید کارهای بسیار زیاد با برنامه PowerPoint انجام دهید که امکان انجام همه آن ها توسط برنامه ارائه Google Docs وجود ندارد. اصول این برنامه ها یکسان هستند، اما برنامه کاربردی که بر روی ابر قرار دارد فاقد بسیاری از امکانات پیشرفته PowerPoint است. اگر شما یک کاربر با تجربه و حرفه ای هستید، ممکن است نخواهید از محاسبات ابری استفاده کنید.
داده های ذخیره شده ممکن است از امنیت کافی برخوردار نباشند: با استفاده از محاسبات ابری، تمام داده های شما بر روی ابر ذخیره می شوند. این داده ها تا چه حد ایمن هستند؟ آیا کاربران غیرمجاز می توانند به داده های مهم و محرمانه شما دسترسی پیدا کنند؟ کمپانی محاسبات ابری اظهار می کند که داده ها امن هستند اما هنوز برای اطمینان کامل از این موضوع خیلی زود است. از نظر تئوری، داده های ذخیره شده بر روی ابر ایمن هستند و بین چندین ماشین توزیع شده اند. اما در صورتی که داده های شما مفقود شوند، شما هیچ نسخه پشتیبان فیزیکی یا محلی در اختیار نخواهید داشت (مگر این تمام اسناد ذخیره شده بر روی ابر را بر روی دسک تاپ خود دانلود کنید که معمولاً کاربران کمی چنین کاری می کنند). به سادگی بگویم، اتکا به ابر، شما را در معرض خطر قرار می دهد.
بررسی وضعیت محاسبات ابری در جهان از نگاه آماری
وب سایت cloudehypermarket.com تصویری را منتشر کرده است که اطلاعات آماری جالبی را در مورد محاسبات ابری و اوضاع فعلی آن در جهان به تصویر می‌کشد.
1562101485900
شکل 2-5 : بررسی وضعیت محاسبات ابری در جهان[36]
برخی از مهمترین نکات موجود در شکل عبارتند از: (آمار مربوط به اواخر سال ۲۰۱۰ می‌باشد).
۱- در بخش اول تصویر میزان سرمایه‌گذاری جهانی در حوزه‌ی آی‌تی بررسی شده است. در سال ۲۰۰۸ مجموعاً ۳۶۷ میلیارد پوند صرف هزینه‌های معمول فناوری اطلاعات و ۱۶ میلیارد پوند صرف هزینه‌های مربوط به سرویس‌های محاسبات ابری شده است. پیش‌بینی می‌شود در سال ۲۰۱۲ مجموع سرمایه‌گذاری معمول در حوزه‌ی IT به رقم ۴۵۱ میلیارد پوند و سرمایه‌گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری به ۴۲ میلیارد پوند برسد. با این محاسبات، رشد سالانه‌ی سرمایه‌گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۲ به عدد ۲۵ درصد نزدیک است.
۲- مؤسسه‌ی تحقیقات بازار IDC پیش‌بینی می کند که در چند سال آینده، علاوه بر رشد سرمایه گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری، شرکت‌ها نیز حوزه‌های فعالیت خود را تغییر خوهند داد و خدمات خود را به سمت محاسبات ابری سوق خواهند داد. پیش‌بینی می‌شود خدمات محاسبات ابری شرکت‌ها در سال ۲۰۱۲ اینگونه ارائه شود:
اپلیکیشن‌های تجاری: ۵۲ درصد
نرم افزارهای زیرساختی: ۱۸ درصد
خدمات ذخیره‌سازی اطلاعات: ۱۳ درصد
تولید و پیاده‌سازی نرم افزارها و اپلیکیشن‌ها: ۹ درصد
خدمات سرور: ۸ درصد
۳- آیا استفاده از محاسبات ابری فرآیند مدیریت فناوری اطلاعات را آسان تر کرده است؟
۷۰ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۲۰ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۰ درصد مخالف این جمله هستند.
۴- آیا استفاده از محاسبات ابری، بهبودی در تجربه‌ی مصرف کننده‌ی نهایی ایجاد کرده است؟
۷۲ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۶ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۲ درصد مخالف این جمله هستند.
۵- آیا استفاده از محاسبات ابری، چالش‌های مربوط به کارایی فناوری اطلاعات را کاهش داده است؟
۶۳ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۲۰ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۷ درصد مخالف این جمله هستند.
۶- آیا استفاده از محاسبات ابری، هزینه‌های زیرساختی سازمان ها را کاهش داده است؟
۷۳ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۷ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۰ درصد مخالف این جمله هستند.
۷- آیا استفاده از محاسبات ابری، فشارهای ناشی از تأمین منابع درون‌سازمانی بر روی سازمان را کاهش داده است؟
۷۴ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۸ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۸ درصد مخالف این جمله هستند.
۸- امروزه ۵۰ میلیون سرور فیزیکی در سراسر جهان وجود دارد. ۲درصد از این تعداد سرور در اختیار گوگل است (یعنی ۱ میلیون سرور).
۹- امروزه ۳۳ هزار و ۱۵۷ مؤسسه‌ی خدمات مرکز داده در جهان وجود دارد که ایالات متحده‌ی امریکا به تنهایی ۲۳ هزار و ۶۵۶ عدد از این مراکز داده را در خود جای داده است. کانادا، انگلستان، آلمان و هلند با اختلاف فاحشی نسبت به آمریکا در جایگاه‌های بعدی این آمار هستند.
۱۰- پیش بینی می‌شود در سال ۲۰۱۳ حداقل ۱۰ درصد از این سرورهای فیزیکی فروخته شده بر روی سرورهای مجازی (Virtual Machine) مستقر باشند به طوری که بر روی هر سرور فیزیکی ۱۰ ماشین مجازی مشغول به کار است. این به معنای شکل گیری سالانه ۸۰ تا ۱۰۰ میلیون سرور مجازی در سراسر دنیاست.
۱۱- در سال ۲۰۱۳ تقریبا ۶۰ درصد از بار کاری سرورها به صورت مجازی خوهد بود.
۱۲- مالکین دنیای محاسبات ابری در حال حاضر ۴ شرکت (بدون در نظر گرفتن رشد ناگهانی آمازون در ۴ ماهه‌ی ابتدایی سال ۲۰۱۱) گوگل، مایکروسافت، زوهو (Zoho) و رک‌اسپیس (RackSpace) با در اختیار داشتن بازاری با مجموع ارزش بیش از ۱۰۰ میلیارد پوند هستند.
۱۳- این ۱۰۰ میلیارد پوند، درآمد ناشی از خدماتی به شرح زیر است:
۵۶ درصد از مردم از سرویس‌های پست الکترونیکی همانند Gmail، Ymail و Hotmail استفاده می‌کنند.
۳۴ درصد از مردم از خدمات ذخیره‌سازی تصاویر در وب استفاده می‌کنند.
۲۹ درصد از مردم از اپلیکیشن‌های آنلاین مثل Google Docs و Photoshop Express استفاده می‌کنند.
۷ درصد از مردم از سرویس‌های ذخیره‌سازی ویدئو در وب استفاده می‌کنند.
۵ درصد از مردم برای ذخیره‌سازی فایل های رایانه‌ای خود در وب پول پرداخت می‌کنند.
۵ درصد از مردم برای پشتیبان‌گیری از اطلاعات هارد دیسک خود بر روی وب‌سایت‌های اینترنتی هزینه می‌کنند.
یک نمونه قیمت در سیستم عامل Azure از شرکت مایکروسافت
هزینه های مربوط به پردازش:
معادل یک کامپیوتر شخصی ۱۲۰۰ ریال / ساعت
معادل یک سرویس دهنده ۳۰۰۰ ریال / ساعت
معادل یک ابر رایانه ۱۰۰۰۰ ریال / ساعت
هزینه های مربوط به فضای ذخیره سازی:
هر گیگابایت اجاره نگهداری ماهانه ۱۵۰۰ ریال
هر ده هزار تراکنش ذخیره سازی ۱۰ ریال
هزینه دریافت هر گیگابایت داده از ابر:
بسته به کشوری که در آن قرار دارید، از ۱۵۰ تا ۲۰۰ ریال
این سیستم عامل به نام Windows Azure درحال حاضر توسط شرکت مایکروسافت با قیمت هایی شبیه آنچه در بالا آمد، ارائه می گـردد. بـرای اجرای این سیستم عامل به رایانه ای با چند گیگابایت حافظه RAM و چندصد گیگابایت دیسک سخت نیاز نبوده و یک دستگاه نسبتاً قـدیـمی هم می تواند برای آن به کار رود.
بعد از اینکه با محاسبات ابری آشنا شدیم و آن را از نگاه آماری بررسی کردیم و به این نتیجه رسیدیم که محاسبات ابری می توانند نقش عمده ای در جهان امروزی داشته باشند به معرفی سیستم عامل های ابری که از پلتفرم های مربوط به محاسبات ابری هستند، می پردازیم. در ابتدا تعریفی از سیستم عامل.
تعریف سیستم عامل
سیستم عامل، نرم افزاری است که مدیریت منابع رایانه را به عهده گرفته، اجرای برنامه های کاربردی را کنترل نموده و به صورت رابط کاربر و سخت افزار عمل می نماید. سیستم عامل خدماتی به برنامه های کاربردی و کاربر ارائه می دهد. برنامه های کاربردی یا از طریق واسط های برنامه نویسی کاربردی و یا از طریق فراخوانی های سیستم به این خدمات دسترسی دارند. با فراخوانی این واسط ها، برنامه های کاربردی می توانند سرویسی را از سیستم عامل درخواست کنند، پارامترها را انتقال دهند، و پاسخ عملیات را دریافت کنند. ممکن است کاربران با بعضی انواع واسط کاربری نرم افزار مثل واسط خط فرمان یا یک واسط گرافیکی کاربر یا سیستم عامل تعامل کنند. برای کامپیوترهای دستی و رومیزی، عموماً واسط کاربری به عنوان بخشی از سیستم عامل در نظر گرفته می شود. در سیستم های بزرگ و چند کاربره مثل یونیکس، واسط کاربری معمولاً به عنوان یک برنامه کاربردی که خارج از سیستم عامل اجرا می شود پیاده سازی می شود (استالینگ، 1381).
انواع سیستم عامل
سیستم عامل تک پردازنده
این نوع سیستم عامل ها، سیستم عامل های نسل چهارم (نسل فعلی) هستند که بر روی یک پردازنده اجرا می شوند. از قبیل XP98، Me و Vista که بیشتر محصول شرکت مایکروسافت می باشند.
سیستم عامل شبکه ای
این نوع سیستم عامل ها، از کنترل کننده های واسط شبکه و نرم افزارهای سطح پایین به عنوان گرداننده استفاده می کنند و برنامه هایی برای ورود به سیستم های راه دور و دسترسی به فایل از راه دور در آنها به کار گرفته می شود[13].
سیستم عامل توزیع شده
این سیستم عامل ها خود را مانند سیستم عامل های تک پردازنده به کاربر معرفی می کنند اما در عمل از چندین پردازنده استفاده می کنند. این نوع سیستم عامل در یک محیط شبکه ای اجرا می شود و در حقیقت در این نوع سیستم جواب نهایی یک برنامه، پس از اجرا در کامپیوترهای مختلف به سیستم اصلی بر می گردد. سرعت پردازش در این نوع سیستم بسیار بالاست.
سیستم عامل بی درنگ
از این نوع سیستم عامل برای کنترل ماشین آلات صنعتی، تجهیزات علمی و سیستم های صنعتی استفاده می گردد. یک سیستم عامل بی درنگ دارای امکانات محدود در رابطه با بخش رابط کاربر و برنامه های کاربردی مختص کاربران می باشد. یکی از بخش های مهم این نوع سیستم های عامل، مدیریت منابع موجود کامپیوتری به گونه ای که عملیات خاصی در زمانی که بایستی اجرا شوند، اجرا گردند و مهم تر از همه اینکه مدیریت منابع به گونه ای است که این عملیات خاص در هر بار وقوع، مقدار زمان یکسانی بگیرد[1].
سیستم های توزیعی
در منابع مختلف تعاریف مختلفی برای سیستم های توزیعی ارائه شده است. اما هیچ یک نه کامل است و نه با دیگری همخوانی دارد. در این تحقیق تعریفی از این نوع سیستم ها که در کتاب سیستم های توزیعی آقای تانن باوم به آن اشاره شده را بیان می کنیم:
سیستم توزیعی در واقع مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل است که برای کاربر خود مانند یک سیستم منسجم و منفرد به نظر می رسد[2].
از این تعریف می توان به این نتیجه رسید که اولاً یک سیستم توزیعی از کامپیوترهای خود مختار تشکیل شده است و ثانیاً کاربران تصور می کنند که با یک سیستم منفرد کار می کنند. پس با تعریفی که ذکر شد می توان یک سیستم توزیعی را اینگونه نیز تعریف کرد:
هر سیستمی که بر روی مجموعه ای از ماشین ها که دارای حافظه اشتراکی نیستند، اجرا شده و برای کاربران به گونه ای اجرا شود که گویا بر روی یک کامپیوتر می باشند ، یک سیستم توزیع شده است. اما نکته ای که در اینجا باید به آن توجه داشت این است که در سیستم های توزیعی تفاوت بین کامپیوترهای مختلف و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر باید تا حدود زیادی از دید کاربران پنهان بماند. سیستم های توزیعی برای اینکه بتوانند از کامپیوترها و شبکه های ناهمگن پشتیبانی کنند و همگی سیستم ها را در غالب یک سیستم منفرد نمایش دهند، به عنوان یک لایه میانی به نام میان افزار بین یک لایه سطح بالایی شامل کاربران و برنامه های کاربردی و یک لایه پائینی شامل سیستم های عامل در نظر گرفته می شوند[12]. در شکل 2-6 لایه سیستم توزیعی یا به عبارتی میان افزاری را مشاهده می کنید که بین سیستم های عامل 1 تا 4 و چهار کامپیوتر شبکه که شامل سه برنامه کاربردی هستند قرار گرفته است. این لایه باعث می شود که تفاوت بین سخت افزار و سیستم های عامل از دید برنامه های کاربردی وکاربران مخفی بماند.

شکل 2-6 : سیستم توزیعی که به عنوان یک لایه میانی یا میان افزار بین برنامه های کاربردی و سیستم عامل ها قرار گرفته است[12].
و اما مواردی که باید در طراحی سیستم های توزیع شده در نظر گرفت و به نوعی اهداف سیستم های توزیع شده می باشند عبارتند از شفافیت، انعطاف پذیری، قابلیت اطمینان، کارآیی خوب و قابلیت گسترش.
شفافیت
یکی از اهداف مهم سیستم های توزیع شده این است که فرآیندها و منابعی که بین ماشین های متعدد توزیع شده اند، باید از دید کاربران مخفی بماند[17]. به سیستم توزیعی که از دید کاربران و برنامه های کاربردی خود به صورت یک سیستم کامپیوتری منفرد جلوه می کند را اصطلاحاً شفاف می گویند.
شفافیت انواع مختلفی دارد و در مورد هر یک طبق تعریفی که در کتاب سیستم های توزیعی آقای تانن باوم آمده توضیح می دهیم، شفافیت دسترسی که در مورد مخفی سازی تفاوت های ارائه داده و نحوه دسترسی به منابع به وسیله کاربران می باشد. شفافیت مکان یعنی اینکه کاربران نتوانند محل استقرار فیزیکی منبع در سیستم را شناسایی کنند. شفافیت مهاجرت یعنی اینکه بتوان منابع آنها را بدون تاثیرگذاری بر نحوه دسترسی به آنها انتقال داد. شفافیت مکان یابی مجدد هنگامی است که بتوان منابع را در حین دسترسی به آنها و بدون کوچکترین اطلاعی به کاربر یا برنامه کاربردی مجددا مکان یابی کرد. شفافیت تکثیر به مخفی سازی وجود چندین نسخه تکثیری از یک منبع می پردازد. شفافیت هم روندی زمانی است که مثلا دو کاربر مستقل فایل های خود را روی یک خدمتگذار فایل واحد ذخیره کرده و یا به جداول واحدی در پایگاه داده مشترک دسترسی داشته باشند. در این موارد هیچ یک از کاربران نباید کوچکترین اطلاعی از واقعیت استفاده کاربر دیگر از آن منبع داشته باشد. شفافیت خرابی به این معناست که کاربر متوجه خرابی و عملکرد نادرست یک منبع نشده و سپس سیستم اقدام به ترمیم آن خرابی کند[2].
قابلیت اطمینان
در دسترس بودن یک فاکتور مهم مرتبط با این سیستم ها است. طراحی نباید به گونه ای باشد که نیاز به اجرای همزمان کامپوننت های اساسی باشد. افزونگی بیشتر داده ها باعث افزایش در دسترس بودن شده اما ناسازگاری را بیشتر می کند. قدرت تحمل خطا باعث پوشاندن خطاهای ایجاد شده توسط کاربر می شود.
کارآیی
بدون کارآیی مناسب کلیه موارد استفاده نرم افزار بی فایده می باشد. اندازه گیری کارایی در سیستم های توزیع شده کار آسانی نیست. برای رسیدن به کارایی باید توازنی خاص در تعداد پیغام ها و اندازه کامپوننت های توزیع شده بر قرار باشد.
مقیاس پذیری
امروزه اتصال جهانی از طریق اینترنت، مانند امکان ارسال یک کارت پستال برای هر کسی در هر گوشه ای از جهان تبدیل به امر عادی شده است. به همین دلیل، مقیاس پذیری یکی از مهمترین اهداف طراحی برای سازندگان سیستم های توزیعی محسوب می شود. مقیاس پذیری یک سیستم را می توان حداقل در سه بعد مختلف اندازه گیری کرد(نیومان، 1994). اولاً، یک سیستم می تواند با توجه به اندازه خود مقیاس پذیر باشد. به این معنا که بتوان به راحتی کاربران و منابع دیگری را به سیستم اضافه نمود. ثانیاً، یک سیستم مقیاس پذیر جغرافیایی سیستمی است که ممکن است کاربران و منابع آن در فاصله های دوری از هم قرار گرفته باشند. ثالثا، یک سیستم ممکن است از نظر مدیریت اجرایی مقیاس پذیر باشد، به این معنا که حتی اگر سازمان هایی با مدیریت اجرایی مستقل را به هم پیوند دهد. باز به راحتی قابل مدیریت باشد. متاسفانه، اغلب سیستم هایی که از یک یا چند مقیاس پذیر هستند، با افزایش مقیاس پذیری سیستم، تاحدودی با افت عملکرد مواجه می شوند.
سیستم عامل های توزیعی
محیط های کامپیوتری تحت شبکه( شبکه های کامپیوتری) امروزه بسیار رایج شده اند و این محیط ها شامل مجموعه ای از ایستگاه های کاری و سرویس دهنده ها می باشند. واضح است که مدیریت این منابع کار آسانی نخواهد بود. استفاده از مجموعه ای از کامپیوترها که از طریق شبکه به هم متصل شده اند مشکلات بسیاری را در بر دارد، از جمله مشکلات تقسیم منابع و یکپارچه سازی محیط( که این مشکلات در سیستم های متمرکز وجود ندارد). علاوه بر این برای افزایش میزان کارآیی، توزیع بایستی از دید کاربر پنهان بماند. راه حل مناسب این است که سیستم عاملی طراحی شود که توزیعی بودن سخت افزار را در تمامی سطوح در نظر داشته باشد. به این صورت که سیستم عامل مجموعه را به صورت یک سیستم متمرکز نشان دهد و در کنار آن از مزیت های سیستم توزیعی استفاده کند. در ساختار سیستم عامل های توزیعی از دو الگوی مبتنی بر پیام و مبتنی بر شیء استفاده می شود[11].
الگوی مبتنی بر پیام
در این الگو سیستم عامل یک هسته مبتنی بر پیام در هر گره قرار می دهد و برای برقراری ارتباطات داخل فرآیند از ارسال پیام استفاده می کند. هسته از هر دو نوع ارتباط محلی( ارتباط بین فرآیندهای داخل هر گره) و غیر محلی(ارتباط از راه دور) پشتیبانی می کند. در یک سیستم عامل سنتی همانند یونیکس دسترسی به سرویس های سیستمی از طریق فراخوانی متدها صورت می پذیرفت در حالی که در سیستم عامل های مبتنی بر پیام، درخواست ها از طریق ارسال پیام مطرح می شوند. با این قرار می توان نتیجه گرفت سیستم عامل های مبتنی بر پیام ساخت جذاب تر و بهتری دارند، زیرا سیاست های موجود در فرآیند های سرویس دهنده از مکانیزم پیاده سازی هسته جدا می باشد.
الگوی مبتنی بر شیء
در این الگو سیستم عامل سرویس ها و منابع را به موجودیت هایی به نام شیء کپسوله می کند. این اشیاء همانند نمونه هایی از داده های انتزاعی می باشند و از ماژول های منحصر به فردی تشکیل شده اند. همچنین این ماژول ها نیز متشکل از متدهای به خصوصی می باشند که اینترفیس(واسط) ماژول را توصیف می کنند. عملکرد در این الگو این چنین است که کاربران درخواست سرویس را از طریق احضار شیء مورد نظر مطرح می سازند. این مکانیزم بسیار شبیه به فراخوانی پروسه ها در سیستم های معمولی می باشد. قابل ذکر است که اشیاء عملیات را کپسوله می کنند.
رویکرد سیستم عامل های ابری
سیستم عامل ابری نیز نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند که مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه می سازد و یک سیستم متمرکز تولید می کند. سیستم عامل ابری شامل سرویس دهنده های محاسباتی، سرویس دهنده های داده ای و ایستگاه های کاربر می باشد.
سرویس دهنده های محاسباتی: ماشینی است برای استفاده به عنوان موتور محاسباتی.
سرویس دهنده های داده ای: ماشینی است برای استفاده به عنوان مخرن داده های بلند مدت.
ایستگاه های کاربری: ماشینی است که محیطی برای توسعه دادن برنامه های کاربردی فراهم می کند و واسطی بین کاربر و سرویس دهنده های محاسباتی یا داده ای می باشد[3].
ساختار سیستم عامل های ابری بر پایه مدل شیء- نخ می باشد. این مدل از مدل برنامه نویسی معروف شیء گرا اقتباس شده است که نرم افزار سیستم را بر پایه مجموعه ای از اشیاء می سازد. هر شیء شامل تعدادی داده و عملیات بر روی آن داده ها می باشد. عملیات بر روی داده ها را متد می نامند و نوع شیء نیز با کلاس مشخص می گردد. هر کلاس می تواند صفر یا یک و یا چند نمونه داشته باشد ولی یک نمونه تنها از یک کلاس ناشی می شود. اشیاء به پیام ها پاسخ می دهند و ارسال پیام به یک شیء می تواند به داده های درون شیء دسترسی داشته باشد و آن ها را بروز رسانی کند و یا به اشیاء دیگر درون سیستم پیام ارسال کند. اشیاء ابر کپسولی از کد و داده می باشند که در یک فضای آدرس مجازی قرار دارند. هر شیء نمونه ای از یک کلاس است و هر کلاس ماژولی از برنامه. اشیاء ابرها به احضارها پاسخ می دهند و احضارها ( با استفاده از نخ ها) برای اجرای متد درون شیء ابر استفاده می گردند. ابرها از اشیاء برای تضمین انتزاع مخازن و از نخ ها برای اجرای متد درون شیء استفاده می نمایند. این موجب می شود که محاسبات و مخازن داده ای از یکدیگر تفکیک شوند. از دیگر ویژگی های مدل شیء- نخ می توان به این موارد اشاره کرد:
عملیات ورودی و خروجی
به اشتراک گذاری داده ها
ارتباط درون فرآیندها
ذخیره سازی بلند مدت داده ها در حافظه
الگوی سیستم عامل ابری
الگوی مورد استفاده در سیستم عامل های ابری همان الگوی شیء- نخ می باشد که در این بخش به توضیح اجزا و نحوه عملکرد این الگو می پردازیم.
شیء ابری
شیء ابری یک فضای آدرس مجازی پایدار می باشد. برخلاف فضاهای آدرس در سیستم های معمولی، محتویات اشیاء برای مدت طولانی باقی می مانند. به همین دلیل در هنگام خرابی سیستم از بین نمی روند، مگر اینکه عمدا از سیستم حذف شوند. همانطور که از تعریف برمی آید اشیاء ابری سنگین وزن هستند، به همین علت است که این اشیاء بهترین انتخاب برای مخازن داده ای و اجرای برنامه های بزرگ به حساب می آیند. داده های درون شیء فقط توسط خود شیء قابل دسترسی و بروزرسانی می باشند، زیرا محتویات یک فضای آدرس مجازی از بیرون از فضای مجازی قابل دست یابی نمی باشند.
یک شیء ابری شامل موارد زیر است:
کد مخصوص به خود ( متدهای اختصاصی )
داده های پایدار
حافظه ای زودگذر و سبک ( برای تخصیص حافظه موقت )
حافظه ای پایدار و دائمی ( برای تخصیص دادن حافظه ای که بخشی از ساختمان داده پایدار شیء می باشد )
داده با احضار متدها وارد شیء می شود و با پایان احضار از شیء خارج می گردد (شکل شماره 2-7 ). اشیاء ابری دارای یک نام در سطح سیستم می باشند که آن ها را از یکدیگر منحصر به فرد می سازد. این اشیاء درون سرویس دهنده های محاسباتی قابل استفاده می باشند که این کارآیی موجب می شود توزیعی بودن داده ها از دید کاربر مخفی باقی بماند.
4375151651000
شکل شماره 2-7 : ساختمان یک شیء ابری[5]
نخ
یک نخ عبارت است از مسیری اجرایی که وارد اشیاء شده و متدهای درون آن ها را اجرا می کند و محدود به یک فضای آدرس نمی شود. نخ ها توسط کاربران و یا برنامه های کاربردی ساخته می شوند. نخ ها با اجرای متدی از یک شیء می توانند به داده های درون شیء دسترسی یابند، آن ها را بروزرسانی کنند و یا اینکه متدهایی از شیء دیگر را احضار کنند. در این حالت، نخ به طور موقت شیء فعلی را رها می کند، از آن خارج شده و وارد شیء فراخوانی شده می گردد و متد مورد نظر آن را اجرا می کند، پس از پایان اجرای متد به شیء قبلی باز می گردد و نتیجه را برمی گرداند. نخ ها پس از پایان عملیات مورد نظر از بین می روند. علاوه بر این چند نخ می توانند به طور هم زمان وارد یک شیء شوند و به طور موازی به اجرا درآیند که در این صورت نخ ها محتویات فضای آدرس شیء را بین یکدیگر به اشتراک می گذارند. شکل شماره 2-8 نحوه اجرای نخ ها در اشیاء را نشان می دهد.

شکل شماره 2-8 : اجرای نخ ها در شیء ابری[5]
تعامل میان شیء و نخ ( مدل شیء- نخ )
ساختار یک سیستم عامل ابری متشکل از اشیاء و نخ ها می باشد. مکانیزم ذخیره سازی داده ها در سیستم عامل های ابری با سایر سیستم عامل های معمول تفاوت دارد. در سیستم عامل های معمولی از فایل ها برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود ولی در سیستم عامل های ابری اشیاء نقش مخازن داده را ایفا می کنند. برخی از سیستم ها برای برقراری ارتباط با داده های مشترک و هماهنگ سازی محاسبات از الگوی ارسال پیام استفاده می کنند. ابرها با قراردادن داده ها درون اشیاء آن ها را به اشتراک می گذارند. متدها در صورت نیاز به دسترسی داده ها شیء مورد نظر را که داده درون آن قرار دارد احضار می کنند. در یک سیستم مبتنی بر پیام، کاربر می بایست درجه هم زمانی را در هنگام نوشتن برنامه تعیین کند و برنامه را به تعدادی پروسه سیستمی بشکند. مدل شیء-نخ این احتیاجات را حذف می کند، به این صورت که در زمان اجرا درجه هم زمانی با ایجاد نخ های موازی مشخص می شود.
به طور خلاصه می توان گفت:
سیستم عامل ابری از فضاهای آدرس نام گذاری شده به نام شیء تشکیل شده است و این اشیاء قادرند:
مخازن داده پایدار فراهم کنند.
متدهایی برای دست یابی و دست کاری داده ها ایجاد نمایند.
داده ها را به اشتراک بگذارند.
هم زمانی را کنترل نمایند.
جریان کنترلی توسط نخ هایی که اشیاء را احضار می کنند انجام می شود.
جریان داده ای با ارسال پارامتر انجام می شود.
برنامه نویسی در مدل شیء- نخ در ابرها
مفاهیم مورد استفاده برنامه نویس در مدل شیء – نخ عبارتند از:
کلاس: ماژول های سیستم

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

نمونه: شیء ای از کلاس می باشد که می تواند توسط نخ ها احضار شود.
بنابراین برای نوشتن برنامه کاربردی در ابرها، برنامه نویس یک یا چند کلاس را تعریف می کند و داده ها و کدهای برنامه را درون این کلاس ها قرار می دهد. برنامه برای اجرا شدن نخی ایجاد می کند که متد اصلی شیء اجرا کننده برنامه را احضار می کند. اشیاء دارای نام هایی می باشند که برنامه نویس هنگام تعریف شیء برای آن ها مشخص کرده است و این نام ها بعدا به نام سیستمی شیء تبدیل می شوند.
معماری سیستم عامل ابری
دراین بخش معماری سیستم عامل های ابری را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل شماره 2-9 مدلی منطقی از معماری یک سیستم عامل ابری را نمایش می دهد. یک پروسه ابری به مجموعه ای از اشیاء ابری اطلاق می شود که با هم یک برنامه کاربردی را تشکیل می دهند.

شکل شماره 2-9 : مدل منطقی از معماری یک سیستم عامل ابری[6]
فضای هسته ابر به تعدادی از پروسه های ابری که عملیات کنترل دسترسی ها، تخصیص حافظه و محاسبات مقدار منابع لازم را انجام می دهند گفته می شود. مابقی پروسه ها که مربوط به فضای هسته ابر نیستند، فضای کاربر را تشکیل می دهند. پروسه های ابری فضای کاربر که مستقیما توسط خود کاربر اجرا می شوند برنامه های کاربران نامیده می شوند و کتابخانه های ابری، پروسه های ابری می باشند که توسط برنامه های کاربران مورد استفاده قرار می گیرند. این برنامه ها از طریق مجموعه ای از واسط های استاندارد به نام فراخوانی های سیستمی ابر با کتابخانه ها و پروسه های هسته ارتباط برقرار می کنند. تمامی اشیاء موجود در فضای کاربر برای گرفتن دستورات از سیستم عامل از یک دستگیره فراخوانی استفاده می کنند، بدین معنی که برای مدیریت شدن از طریق یک واسط تحت شبکه قابل دسترسی می باشند که ارتباط میان اشیاء و آدرس آن ها در شبکه توسط پروسه های ابری «مدیریت پروژه» و «مدیریت ماشین مجازی» موجود در فضای هسته انجام می گیرند. اطلاعات نهایی نیز توسط پروسه ابری «کتابخانه نامگذاری» در دسترس قرار می گیرد. قابلیت دسترسی تمامی عملیات مدیریتی را پروسه ابری «اعتباردهی» مورد بررسی قرار می دهد و عملیات محاسبه میزان منابع مورد نیاز در هر لحظه نیز بر عهده پروسه ابری «اندازه گیری» می باشد. البته قابل ذکر است که مفروضات لحاظ شده در شکل شماره 2-4 تعداد اندکی از محدودیت های موجود در ابرها را در نظر گرفته است و کامل نمی باشد[6].
برخی سیستم عامل های ابری موجود(سیستم عامل های مبتنی بر وب)
سیستم عامل های وب روش بسیار مناسبی برای دستیابی به همه داده های شما در همه جای دنیا هستند (مشروط بر اینکه کامپیوتری با یک اتصال به اینترنت و یک مرورگر وب وجود داشته باشد). چنانچه تعدادی کامپیوتر داشته باشید، اما بخواهید همه اطلاعات را در یک جا نگهدارید و از برنامه های کاربردی مورد علاقه خود نیز استفاده کنید، این سیستم عامل ها بسیار سودمند هستند. اکنون در این مرحله ممکن است این سوال مطرح شود که چرا سیستم عامل وب؟. اساساً، یک سیستم عامل وب چیزی شبیه یک سیستم عامل روی اینترنت است. سیستم عامل وب، دسکتاپ مجازی شماست که به هیچ مکان فیزیکی متصل نیست و این امکان را به شما می دهد که در هر جایی از دنیا با کمک یک مرورگر به آن دستیابی داشته باشید. اجازه دهید تا از بین سیستم عامل های وبی که وجود دارد به بیان ویژگی های چند مورد از آنها بپردازیم.
سیستم عامل iCloud
سیستم عامل iCloud، مزایای بسیار زیادی دارد، علاوه بر اینکه هر برنامه ای که نیاز داریم در آن موجود است، 50 گیگابایت فضای ذخیره سازی آنلاین، به اشتراک گذاری آسان و ویژگی های افزایش برنامه های کاربردی را دارد. این سیستم عامل دارای ویژگی هایی مانند زیر است:
سیستم فایل آنلاین برای ذخیره سازی انواع فایل ها.
پشتیبان DAV وب از طریق ویندوز اکسپلورر امکان دستیابی مستقیم به انباره icloud شما را فراهم می کند.
برنامه های بهره وری- نوشتن، پست الکترونیکی ( که با همه حساب های پست الکترونیکی شما به اضافه یک حساب icloud رایگان هماهنگی دارد)، تماس ها، ToDo، ماشین حساب، دفترچه یادداشت، آنزیپ (فایل های حاوی داده های فشرده را از هم باز می کند).
عکس ساز با قابلیت به اشتراک گذاری، مدیا پلیر iplay، مووی پلیر، و حتی رادیو.
IM و یک مرورگر وب[8].
69850069596000تصویری از این سیستم عامل را در شکل 2-10 مشاهده می کنید.
شکل شماره 2-10: نمایی از سیستم عامل icloud
سیستم عامل GlideOS
سیستم عامل GlideOS، هم از طریق کامپیوتر و هم تلفن همراه قابل دسترسی می باشد. 10 گیگابایت فضای ذخیره سازی رایگان را در اختیار شما قرار می دهد، همچنین در این سیستم عامل می توانید شش حساب کاربری برای اعضاء خانواده ایجاد کنید( که می تواند شامل حساب کودک باشد). علاوه براین، این سیستم عامل دارای ویژگی هایی زیر می باشد که عبارتند از:
10 گیگابایت فضای دیسک مجازی
ابزار آفیس- شامل واژه پرداز، نمایش ساز، ماشین حساب، تقویم

user8253

2-14-1 شفافیت 33
2-14-2 قابلیت اطمینان 34
2-14-3 کارایی 34
2-14-4 مقیاس پذیری 35
2-15 سیستم عامل های توزیعی 35
2-15-1 الگوی مبتنی برپیام 36
2-15-2 الگوی مبتنی بر شیء 36
2-16 رویکرد سیستم عامل های ابری 36
2-17 الگوی سیستم عامل ابری 37
2-17-1 شیء ابری 37
2-17-2 نخ 39
2-17-3 تعامل میان شیء و نخ 39
2-18 برنامه نویسی در مدل شیء – نخ در ابرها 40
2-19 معماری سیستم عامل ابری 41
2-20 برخی سیستم عامل های ابری موجود 42
2-20-1 سیستم عامل iCloud 43
2-20-2 سیستم عامل GlideOS 44
2-20-3 سیستم عامل G.ho.st 45
2-20-4 سیستم عامل JoliCloud 46
2-20-5 سیستم عامل eyeOS 47
2-20-6 گوگل کروم، سیستم عامل اینترنت 47
2-21 مزایا و معایب سیستم عامل های ابری مبتنی بر وب 51
2-22 مطالعه مروری بر سایر پژوهش های مرتبط مهم 51
فصل سوم: روش تحقیق 54
3-1 چالش های رایج در زمینه سیستم عامل های ابری 55
3-1-1 مقیاس پذیری 55
3-1-1-1 تغییر مقیاس افقی و عمودی 56
3-1-1-2 مقیاس پذیری پایگاه داده ها 57
3-1-1-3 طراحی برای مقیاس پذیری 58
3-1-1-4 مقیاس پذیری در محاسبات ابری 59
3-1-1-5 تغییر مقیاس قوی و ضعیف 59
3-1-2 کشش تقاضا 60
3-1-3 خطاها 60
3-1-4 گره خوردن کاربران به یک سرویس دهنده خاص 61
3-1-5 وابستگی شدید بین مولفه ها 61
3-1-6 فقدان پشتیبانی چند مستاجری 62
3-1-7 فقدان پشتیبانی از SLA 62
3-1-7-1 تعریف توصیف SLA 62
3-1-7-2 فقدان SLA در ابرهای موجود 64
3-1-8 فقدان انعطاف پذیری لازم در واسط کاربری 64
3-2 ارائه راهکارها 64
فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق 68
4-1 پیاده سازی و شبیه سازی 69
4-2 شرایط محیط شبیه سازی 71
4-3 مقیاس پذیری با اندازه شبکه 72
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 74
5-1 خلاصه و نتیجه گیری 75
5-2 مزایای تحقیق انجام شده 75
5-3 معایب تحقیق انجام شده 75
5-4 کارهای آتی 76
منابع و مآخذ 77
منابع فارسی 78
منابع غیرفارسی 79
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1 : سرویس دهندگان زیرساخت به عنوان سرویس 13
جدول2-2 : سرویس دهندگان سکو به عنوان سرویس 15
جدول 2-3 : سرویس دهندگان نرم افزار به عنوان سرویس 16
جدول 4-1 : شرایط محیط شبیه سازی 72
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 : تصویری از محاسبات ابری 8
شکل2-2 : الگوی استقرار ابر 17
شکل 2-3 : مشخصات محاسبات ابری 19
شکل 2- 4: تمایل به سمت محاسبات ابری 24
شکل 2-5: بررسی وضعیت محاسبات ابری جهان 26
شکل 2-6: سیستم توزیع شده به عنوان میان افزار 33
شکل 2-7 : ساختمان یک شی ابری 38
شکل 2-8 : اجرای نخ ها در شیء ابری 39
شکل 2-9 : مدل منطقی از یک معماری سیستم عامل ابری 41
شکل 2-10 : سیستم عامل iCloud 43
شکل 2-11: تصویری از سیستم عامل GlideOS 44
شکل 2-12 : تصویری از سیستم عامل G.ho.st 45
شکل 2-13 : تصویری از سیستم عامل JoliCloud 46
شکل 2-14 : تصویری از سیستم عامل eyeOS 47
شکل 3-1 : بروز رسانی موقعیت گره در روش RNP 66
شکل 3-2 : درخواست موقعیت و ارسال بسته در روش RNP 66
شکل 3-3: شبه کد به روز رسانی موقعیت گره 67
شکل 3-4: شبه کد درخواست موقعیت 67
شکل 4-1: مقایسه سرعت اجرای برنامه با افزایش تعداد پردازنده 69
شکل 4-2: مقایسه سرعت اجرای برنامه با افزایش تعداد ماشین مجازی 70
شکل 4-3: مقایسه اجاره بها با افزایش تعداد پردازنده 70
شکل 4-4: مقایسه اجاره بها با افزایش تعداد ماشین مجازی 71
شکل 4-5: نرخ موفقیت درخواست با افزایش تعداد گره ها 72
شکل 4-6: افزایش درصد بسته های تحویل داده شده با افزایش گره ها 73
شکل 4-7: کاهش سربار داده با افزایش تعداد گره ها 73
فصل اول
مقدمه و کلیات تحقیق
مقدمه
در دهه های آینده ما شاهد رشد چشمگیر تکنولوژی در زمینه پردازنده ها خواهیم بود. ابرها که از پردازنده های چند هسته ای تشکیل شده اند منابع محاسباتی بی نظیری فراهم می سازند. باید توجه داشت که با افزایش وسعت دامنه های اطلاعاتی و محاسباتی نیاز به منابع این چنینی بیش از پیش احساس خواهد شد و با افزایش حجم منابع نیاز به مدیریتی کارا و شفاف الزام پیدا می کند. در اینجا ممکن است این سوال مطرح شود که: ابرها چه امکاناتی برای کاربران فراهم می آورند؟ ابرها در انجام محاسبات عظیم نقش مهمی را ایفا می کنند و به کاربران این امکان را می دهند که برنامه های خود را بر روی بستری قابل اطمینان و بسیار کارآمد که از اجزای صنعتی استاندارد تشکیل شده است اجرا کنند. همچنین ابرها مدل محاسباتی بسیار ساده ای را فراهم می آورند به این صورت که کاربران تنها خروجی مورد نظر را با کمترین هزینه برای کاربر تامین می نمایند. ابرها در کنار اینکه فرصت های فراوانی را برای کاربران فراهم می آورند، چالش هایی را نیز برای مدیریت این منابع پدید می آورند. برای مثال از این چالش ها می توان به نحوه هماهنگ ساختن میزان منابع با درخواست ها و یا وسعت زیاد منابع تحت مدیریت سیستم عامل اشاره نمود. در این تحقیق با چالش های موجود در این زمینه بیشتر آشنا می شویم و پیرامون هر کدام به تفضیل صحبت خواهیم کرد.
سوالات اصلی تحقیق
سیستم عامل های ابری که نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند، می توانند مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه ساخته و یک سیستم متمرکز را تولید کنند. با توجه به اینکه ابرها فرصت های فراوانی را برای کاربران فراهم می آورند، چالش هایی را نیز برای مدیریت این منابع پدید می آورند. به همین منظور سوالات زیر مطرح می شود:
چالش های موجود در سیستم عامل های ابری کدامند؟
آیا تا به حال این چالش ها مورد بررسی قرار گرفته اند؟
این چالش ها تا چه اندازه اهمیت دارند؟
آیا راهکاری برای این چالش ها در نظر گرفته شده است؟
هدف از اجراء
در دهه های اخیر شاهد رشد چشمگیر تکنولوژی در زمینه پردازنده ها بوده ایم و این تکنولوژی همچنان با سرعت قابل توجهی در حال پیشرفت است. دلیل این امر افزایش منابع اطلاعاتی و محاسباتی است که این نیاز را به وجود آورده است که با ساخت چنین تکنولوژی هایی به ویژه پردازنده های چند هسته ای، مدیریتی کارا و شفاف بر این اطلاعات حجیم و محاسبات عظیم صورت گیرد. مدیریت اطلاعات و محاسبات این چنینی در محیط هاو سیستم های توزیعی به مراتب آسان تر از محیط های دیگر است. یکی از سیستم های توزیعی ابرها می باشند که می توانند نقش مهمی را در محاسبات عظیم و ذخیره سازی اطلاعات حجیم، ایفا کنند. بنابراین لزوم بررسی چالش ها و موانع در این قبیل سیستم ها و رفع آنها می تواند گامی موثر در افزایش سرعت و کارایی این گونه سیستم ها داشته باشد.
توجیه ضرورت انجام طرح
همزمان با رشد چشمگیر تکنولوژی پردازنده ها، ابرها نیز گسترش روز افزونی پیدا کرده اند. به همین ترتیب تعداد کامپیوترهای افزوده شده به زیر ساخت ابرها نیز افزایش پیدا کرده است که البته قابل ذکر است این افزایش با توجه به تقاضای روزافزون کاربران برای میزبانی این منابع می باشد. منابع ابری برای کاربران نامحدود بوده و کاربران تنها محدودیت مالی برای خرید این منابع را پیش رو دارند. پس می توان نتیجه گرفت که یکی از مهم ترین چالش ها در این زمینه مقیاس پذیر بودن سیستم عامل های ابری می باشد. در ابرها پارامترهایی همچون تقاضا، حجم کار و منابع در دسترس در طول زمان پیوسته در حال تغییر می باشند. برای مثال هنگامی که کاربر محاسبات سنگین و پیچیده ای درخواست می کند منابع مورد نیاز وی افزایش پیدا می کند و در پایان منابع از کاربر تحویل گرفته می شوند، قابل ذکر است این افزایش و کاهش در منابع ممکن است از دید کاربر پنهان بماند. باید به این نکته توجه داشت که تقاضا هیچ گاه ثابت نمی ماند و میزان منابع مورد نیاز در گستره زیادی در حال تغییر می باشد. از طرفی برنامه های کاربردی مبتنی بر ابر معمولا منابع را بین کاربران و دیگر برنامه های کاربردی به اشتراک می گذارند. اگرچه برنامه کاربردی هر کاربر در لفاف مجازی جداگانه ای قرار گرفته است ولی کیفیت سرویسی که برای برنامه فراهم می شود را تحت تاثیر قرار می دهد. علاوه براین برنامه نویسی در این سیستم عامل نیز کاری مشکل و توام با خطا است. با توجه به مشکلات برنامه نویسی چند نخی و چند فرآیندی که در این نوع سیستم عامل ها استفاده می شود امکان وجود خطا افزایش می یابد. همچنین به دلیل کمبود ابزارهای اشکال زدایی و آنالیز سیستم های بزرگ فهمیدن خطاها سخت و برطرف سازی آنها چالش برانگیز است. برخی چالش های ذکر شده در این زمینه موجب به وجود آمدن مسیر تحقیقاتی گوناگون شده است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد که البته هر کدام از این مسیرها به بخش های دیگری می شکنند که زمینه جدیدی را فراهم می کند.
استفاده از اشیاء پایدار: یکی از زمینه های اصلی مدل ابری فراهم آوردن مخازن داده پایدار و قابل اشتراک می باشد. بنابراین محور اصلی برخی از تحقیقات در زمینه سیستم عامل های ابری، پشتیبانی کارامد و استفاده بهینه از حافظه پایدار می باشد. علاوه بر این عرصه دیگر تحت کنترل درآوردن منابع توزیع شده می باشد که منجر به افزایش سرعت برنامه های اجرایی بر روی ابرها می گردد.
اطمینان و امنیت در سیستم عامل های ابری: یکی از اهداف مهم این سیستم ها فراهم آوردن محیط محاسباتی امن برای کاربران است. این چالش از دو بخش اصلی تشکیل می شود: حفاظت از داده ها هنگام خرابی سیستم و تضمین انجام ادامه محاسبه از جایی که محاسبه قطع گردید. می توان به این نتیجه رسید یکی دیگر از زمینه های تحقیق پیرامون سیستم عامل های ابری افزایش اطمینان این سیستم عامل ها می باشد.
تحمل خطا: افزایش تحمل خطا زمینه ی تحقیقات دیگر حول این موضوع می باشد.
تعاریف واژه ها
سیستم های توزیعی
سیستم توزیعی در واقع مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل است که برای کاربر خود مانند یک سیستم منسجم و منفرد به نظر می رسد[2].
سیستم عامل توزیع شده
این سیستم عامل ها خود را مانند سیستم عامل های تک پردازنده به کاربر معرفی می کنند اما در عمل از چندین پردازنده استفاده می کنند. این نوع سیستم عامل در یک محیط شبکه ای اجرا می شود و در حقیقت در این نوع سیستم جواب نهایی یک برنامه، پس از اجرا در کامپیوترهای مختلف به سیستم اصلی بر می گردد. سرعت پردازش در این نوع سیستم بسیار بالاست.
سیستم عامل ابری
سیستم عامل ابری نیز نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند که مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه می سازد و یک سیستم متمرکز تولید می کند.

فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
در این فصل سعی شده قبل از آشنایی کامل با سیستم عامل های ابری در مورد محاسبات ابری، انواع سیستم عامل ها، سیستم های توزیعی و سیستم عامل های توزیعی آشنا شویم، سپس با برخی سیستم عامل های ابری موجود آشنا شده و در نهایت به تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته می پردازیم.
محاسبات ابری
محاسبات ابری مدل محاسباتی بر پایه شبکه‌های بزرگ کامپیوتری مانند اینترنت است که الگویی تازه برای عرضه، مصرف و تحویل سرویس‌های فناوری اطلاعات (شامل سخت افزار، نرم افزار، اطلاعات، و سایر منابع اشتراکی محاسباتی) با به کارگیری اینترنت ارائه می‌کند. سیر تکاملی محاسبات به گونه ای است که می توان آن را پس از آب، برق، گاز و ‌تلفن به عنوان عنصر اساسی پنجم فرض نمود. در چنین حالتی، کاربران سعی می کنند بر اساس نیازهای خود و بدون توجه به اینکه یک سرویس در کجا قرار دارد و یا چگونه تحویل داده می شود، به آن دسترسی یابند. نمونه های متنوعی از سیستم های محاسباتی ارائه شده است که سعی دارند چنین خدماتی را به کاربران ارئه دهند. برخی از آنها عبارتند از: محاسبات کلاستری، محاسبات توری و اخیراً محاسبات ابری[15]. محاسبات ابری ساختاری شبیه یک توده ابر دارد که به واسطه آن کاربران می توانند به برنامه های کاربردی از هر جایی از دنیا دسترسی داشته باشند. بنابراین، محاسبات ابری می تواند با کمک ماشین های مجازی شبکه شده، بعنوان یک روش جدید برای ایجاد پویای نسل جدید مراکز داده مورد توجه قرار گیرد. بدین ترتیب، دنیای محاسبات به سرعت به سمت توسعه نرم‌افزارهایی پیش می رود که به جای اجرا بر روی کامپیوترهای منفرد، به عنوان یک سرویس در دسترس میلیون ها مصرف کننده قرار می گیرند.

شکل 2-1: تصویری از محاسبات ابری[33]
معرفی محاسبات ابری
دنیای فناوری اطلاعات و اینترنت که امروزه تبدیل به جزئی حیاتی از زندگی بشر شده، روز به روز در حال گسترش است. همسو با آن، نیازهای اعضای جوامع مانند امنیت اطلاعات، پردازش سریع، دسترسی پویا و آنی، قدرت تمرکز روی پروژه های سازمانی به جای اتلاف وقت برای نگه داری سرورها و از همه مهم تر، صرفه جویی در هزینه ها اهمیت زیادی یافته است. راه حلی که امروزه در عرصه فناوری برای چنین مشکلاتی پیشنهاد می شود تکنولوژی ای است که این روزها با نام محاسبات ابری شناخته می شود.
محاسبات ابری نمونه ای است که منابع بیرونی همه نیازهای IT را از قبیل ذخیره سازی، محاسبه و نرم افزارهایی مثل Office و ERP را در اینترنت تهیه می کند. محاسبات ابری همچنین، رشد و پیشرفت کاربرد های وسیع و تست برای شرکت های IT کوچکی را اجازه می دهد که نمی توانند سرمایه های بزرگ در سازمان داشته باشند. مهم ترین مزیت پیشنهاد شده توسط ابر در مفهوم اقتصاد مقیاس است و آن هنگامی است که هزاران کاربر، تسهیلات یکسان، هزینه یکسان برای هر کاربر و بهره برداری از سرور به اشتراک می گذارند. برای فعال سازی چنین تسهیلاتی، محاسبات ابری در برگیرنده تکنولوژی ها و مفاهیمی است مثل: مجازی سازی و محاسبات سودمند، پرداخت در ازای میزان استفاده، بدون سرمایه گذاری های کلان، انعطاف پذیری، مقیاس بندی، شرایط تقاضا و منابع بیرونی IT.
محاسبات ابری را ابر نیز می نامند چون یک سرور ابری دارای شکل بندی است که می تواند هر جایی در جهان قرار داشته باشد. ابر، تصویری است انتزاعی از شبکه‌ای عظیم؛ توده‌ای که حجم آن مشخص نیست، نمی‌دانیم از چه میزان منابع پردازشی تشکیل شده. ابعاد زمانی و مکانی یکایک اجزای آن نیز دانسته نیست، نمی‌دانیم سخت‌افزار‌ها و نرم‌افزارها کجای این توده قرار دارند، اما آن‌چه را که عرضه می‌کند، می‌شناسیم. درست مثل برق! شما برای اینکه از وسایل و تجهیزات برقی در خانه یا محل کارتان استفاده کنید لازم نیست یک ژنراتور یا کارخانه برق در خانه خود داشته باشید، بلکه به ازای هزینه مشخصی برق را اجاره می‌کنید. حالا اگر مصارف برقی شما بیشتر و متفاوت‌‌تر باشند مثلاً‌ می‌روید و از خدمات برق صنعتی استفاده می‌کنید. در محاسبات ابری هم شرکت‌ها و سازمان‌ها و افراد دیگر برای نرم‌افزار، سخت‌افزار یا شبکه پولی پرداخت نمی‌کنند، بلکه توان محاسباتی و سرویس‌های نرم‌افزاری مورد نیازشان را خریداری می‌کنند. این ایده در واقع صرفه‌جویی بزرگ و بهره‌وری زیادی در منابع IT را به همراه خواهد داشت. بدین ترتیب کافی است وسیله شما (پی‌سی، موبایل، تلویزیون، حتی یخچال!) یک رابط نرم‌افزاری (مرورگر) برای استفاده از سرویس‌های آنلاین و یک دسترسی به اینترنت داشته باشد،‌ خواهید دید که قادر هستید به راحتی از توان محاسباتی برای انجام کارهای دیجیتالی خود بهره بگیرید.
رشد و پیشرفت محاسبات ابری منجر به چندین تعریف پیشنهادی از خصوصیات آن می شود. برخی از این تعاریف توسط دانشمندان مشهور و سازمان ها ارائه شده است مثل:
الف) Buyya و همکارانش که محاسبات ابر را در مفهوم کاربری است برای کاربر نهایی بدین صورت تعریف می کنند: یک ابر سیستمی محاسباتی توزیع شده بازارگرا است که شامل جمع آوری کامپیوترهای مجازی و ارتباط داخلی هستند که از لحاظ دینامیکی به عنوان یک یا چند منبع محاسباتی متحد بر اساس توافق های سطح سرویس بین مصرف کنندگان و فراهم کنندگان خدمات مذاکره می کنند[14].
ب) موسسه ملی استانداردها و تکنولوژی محاسبات ابری را به صورت زیر تعریف می کند: محاسبه ابری، الگویی است برای اینکه شبکه های مبتنی بر تقاضا به منابع محاسباتی (مثل سرور، شبکه، ذخیره سازی، برنامه های کاربردی و خدمات) طوری دستیابی پیدا کنند که شامل حداقل تلاش مدیریت یا تعامل فراهم کننده سرویس است. این الگوی ابر، قابلیت دستیابی را ارتقا می دهد و شامل پنج تا از ویژگی های ضروری، سه تا از الگوهای سرویس و چهار تا الگوی استقرار است.
ویژگی های ابری شامل انتخاب سرویس مبتنی بر تقاضا، دسترسی وسیع به شبکه، ائتلاف منابع، انعطاف پذیری سریع و سرویس اندازه گیری شده است. الگوهای خدمات در دسترس به صورت نرم افزار به عنوان سرویس(SaaS)، سکو به عنوان سرویس (PaaS) و زیرساخت به عنوان سرویس (IaaS) تقسیم بندی می شوند. الگوی گسترش به ابرهای عمومی، خصوصی، اجتماعی و هیبرید تقسیم بندی می شود.
مشخصه اصلی محاسبات ابری
موسسه ملی استانداردها و فناوری، خصوصیات محاسبات ابری زیر را به صورت زیر تعریف می کند:
سرویس مبتنی بر تقاضا
مشتری می تواند به صورت یک طرفه امکانات و خدمات محاسباتی همچون سرور و فضای ذخیره سازی در شبکه را به هنگام نیاز از هر فراهم کننده ای به صورت خودکار و بدون نیاز به دخالت انسان به دست آورده و از آنها استفاده کند. به عبارت دیگر، برای مدیریت زیرساخت ابر نیازمند استخدام مدیران شبکه یا Admin به صورت تمام وقت نیستیم. بیشتر سرویس های ابر، پورتال های سلف سرویس دارند که به آسانی مدیریت می شوند.
دسترسی وسیع به شبکه
توانمندی های موجود بر روی شبکه، از طریق مکانیزم های استاندارد که استفاده از روش های ناهمگون پلتفرم های کلاینت، مانند تلفن های موبایل، لپ تاپ ها و PDA ها، را ترویج می کنند، قابل دسترسی هستند.
ائتلاف منابع
منابع محاسباتی فراهم کننده جمع آوری شده اند تا با به کارگیری مدل چند مشتری به چندین مشتری خدمت رسانی کنند. این کار به وسیله منابع فیزیکی یا مجازی مختلف که به شکلی پویا و بنابر درخواست مشتری واگذار و پس گرفته می شوند، صورت می گیرد. در اینجا حالتی از عدم وابستگی به مکان وجود دارد که در آن مشتری معمولاً کنترل یا دانشی درباره محل دقیق منابع فراهم شده ندارد ولی ممکن است در سطوح بالاتر انتزاعی بتواند محل را تعیین کند، مثل: کشور، استان یا مراکز داده. برای نمونه منابع شامل فضای ذخیره سازی، توان پردازشی، حافظه، پهنای باند شبکه و ماشین های مجازی می شود.
انعطاف پذیری سریع
می توان امکانات را به سرعت و با انعطاف، در بعضی موارد به صورت خودکار، به دست آورد تا به سرعت گسترش داده شده( از دید مقیاس) یا درجا آزاد شوند و خیلی سریع به مقیاس کوچکتری دست یابند. از دید مشتری امکاناتی که برای به دست آمدن در دسترس هستند اغلب نامحدود به نظر می آیند و می توانند به هر مقدار و در هر زمان خریداری شوند.
سرویس اندازه گیری شده
سیستم های ابری منابع را خودکار کنترل و بهینه می کنند. این کار با به کارگیری توانایی اندازه گیری در سطحی از تجرید که مناسب گونه آن خدمت ( مثل: فضای ذخیره سازی، توان پردازشی، پهنای باند و شمار کاربران فعال) است انجام می شود. میزان استفاده از منابع می تواند به شکلی شفاف هم برای مشتری و هم برای فراهم کننده زیر نظر گرفته، کنترل شده و گزارش داده شود.
معماری سرویس گرا
معماری مبتنی بر سرویس در واقع یک مجموعه ای از سرویس ها است که با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. حین این ارتباط ممکن است داده هایی را بین یکدیگر پاس کاری کنند و همچنین ترکیب دو یا چند سرویس با هم یک کار انجام دهد. در این جا چند مفهوم اتصال بین سرویس ها مورد نیاز است. برخلاف دهه های گذشته که نرم افزارها قائم به خود و انفرادی بودند، در حال حاضر روند تکامل نرم افزارها به سوی معماری مبتنی بر سرویس می رود. رشد انفجاری تکنولوژی های اینترنت و تعداد کاربران آن موجب شده که فروش نرم افزار جای خودش را به اجاره نرم افزار بدهد. شرکت های بزرگی مانند مایکروسافت، گوگل، سان و حتی آمازون به این سمت می روند که به جای فروش مستقیم نرم افزار به کاربر خدمات نرم افزاری را ارئه دهند. معماری مبتنی بر سرویس معماری نرم افزار یا سیستمی است که امکاناتی چون کامپوننت ها، استفاده مجدد، توسعه پذیری و راحتی را در اختیار ما قرار می دهد. این ویژگی ها برای شرکت هایی که به دنبال کاهش هزینه هستند و به جای فروش به اجاره سرویس های نرم افزار تاکید دارند، الزامی است[9].
مدلهای سرویس
در مدل سرویس، انواع گوناگون ابر بیانگر قالبی هستند که زیر ساختها در آن قرار میگیرد. اکنون محدوده شبکه، مدیریت و مسئولیتها به پایان میرسد و امور مربوط به بخش سرویسدهندهی ابر آغاز میشود. با پیشرفت محاسبات ابری فروشندگان، ابرهایی را با سرویس های مختلف مرتبط به کار خود عرضه مینمایند. با سرویسهایی که عرضه میشوند مجموعه دیگری از تعاریف به نام مدل سرویس در محاسبات ابری مطرح میشود. برای مدلهای سرویس، نامگذاریهای بسیاری صورت گرفته که همگی به فرم زیر تعریف شده اند:
XaaS,or "<something>as a Service"
در حال حاضر در جهان سه نوع سرویس به صورت متداول شناخته می شود:
زیر ساخت به عنوان سرویس
زیر ساخت به عنوان سرویس یا IaaS ماشینهای مجازی، فضای ذخیرهسازی مجازی، زیر ساخت های مجازی و سایر سخت افزارهای کاربردی را به عنوان منابع برای مشتریان فراهم میآورد. سرویسدهندهی IaaS تمامی زیر ساختها را مدیریت مینماید و در حالی که مشتریان مسئول باقی جنبههای استقرار میباشند. از جمله سیستم عامل، برنامهها و تعاملات سیستم با کاربر و غیره.
در جدول 2-1 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه IaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-1 : سرویس دهندگان زیر ساخت به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ ابزار توصیف لایه-سطح
آمازون Elastic Compute Cloud سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Dynamo سیستم ذخیره سازی مبتنی بر کلید-ارزش IaaS- سرویس زیرساخت پیشرفته
Simple Storage Service سیستم ذخیره سازی دسته ای IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
SimpleDB پایگاه داده به عنوان سرویس IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
CloudFront تحویل محتوا IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
SQS سرویس صف و زمانبندی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
AppNexus AppNexus Cloud سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
گوگل Google Big Table سیستم توزیع شده برای ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Google File Sys-- سیستم- فایل توزیع شده IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
اچ پی iLO مدیریت خاموشی سرور IaaS- سرویس منبع فیزیکی
Tycoon سیستم مدیریت منابع محاسباتی در کلاسترها IaaS- سرویس منبع مجازی
Joyent Accelerator سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Connector سرور مجازی از قبل تنظیم شده IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
BingoDisk دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Bluelock Bluelock Virtual Cloud Computing سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Bluelock Virtual Recovery بازیابی مصیبت و شکست IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Emulab Emulab Network Testbed بستر آزمایش شبکه IaaS- سرویس منبع فیزیکی
ENKI ENKI Virtual Private Data Centers منابع دیتا سنتر مجازی بنابر تقاضا IaaS- سرویس منبع مجازی
EU Resevoir Project Open Nebula موتور مجازی زیرساخت(متن باز) IaaS- سرویس منبع مجازی
FlexiScale FlexiScale Cloud Computing سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
GoGrid Cloud Hosting سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Cloud Storage فضای ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Nirvanix Nirvanix Storage Delivery Network دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
OpenFlow OpenFlow شبیه سازی شبکه IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
RackSpace Masso Cloud Sites سرور مجازی از پیش تنظیم شده IaaS- سرویس زیر ساخت
Masso Cloud Storage دیسک ذخیره سازی IaaS- سرویس زیر ساخت پایه
Masso Cloud Severs سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
Skytap Skytap Virtual Lab محیط آزمایشگاه مجازی فناوری اطلاعات IaaS- سرویس زیر ساخت
Terremark Infinistructure سرور مجازی IaaS- سرویس منبع مجازی
UCSB Eucalyptus نسخه متن باز EC2 آمازون IaaS- سرویس منبع مجازی
10gen Mongo DB پایگاه داده برای ذخیره سازی ابری IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
Babble Application Server سرور برنامه های تحت وب برای استقرار ابری IaaS- سرویس زیر ساخت پیشرفته
سکو به عنوان سرویس
سکو به عنوان سرویس یاPaaS ، ماشینهای مجازی، سیستمهای عامل، برنامهها، سرویسها، چارچوبهای توسعه، تراکنشها و ساختارهای کنترلی را فراهم میآورد. مشتری میتواند برنامههای خود را بر روی زیر ساخت ابر قرار دهد و یا اینکه از برنامههایی استفاده کند که با استفاده از زبانها و ابزارها نوشته شدهاند و توسط سرویس دهندهیPaaS پشتیبانی می شوند. سرویسدهنده زیرساخت ابر، سیستمهای عامل و نرمافزارهای فعالسازی را فراهم میآورد. مشتری مسئول نصب و مدیریت برنامههایی که قرار داده است، میباشد.
در جدول 2-2 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه PaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-2 : سرویس دهندگان سکو به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ابزار توصیف لایه-سطح
Akamai EdgePlatform تحویل برنامه کاربردی، محتوا و سایت PaaS
مایکروسافت Azure محیط توسعه و اجرا برای برنامه های کاربردی مایکروسافت PaaS
Live Mesh بستری برای به هنگام سازی، اشتراک و دسترسی به دامنه وسیعی از دستگاه هایی با سیستم عامل مایکروسافت PaaS
فیس بوک Facebook Platform بستر آزمایش شبکه PaaS
گوگل App Engine محیط اجرایی قابل گسترش برای برنامه های تحت وب نوشته شده در زبان پایتون PaaS
NetSuite SuiteFlex جعبه ابزاری برای سفارشی سازی برنامه های کاربردی کسب و کار آنلاین همین شرکت PaaS
Salesforce Force.com ساخت و تحویل برنامه های کاربردی در کلاس کسب و کار PaaS
Sun Caroline بستر قابل گسترش افقی برای توسعه و استقرار سرویس های تحت وب PaaS
Zoho Zoho Creator جعبه ابزاری برای ساخت و تحویل برنامه های کاربردی در کلاس کسب و کار و به شکل بنابر بر تقاضا PaaS
نرمافزار به عنوان سرویس
نرمافزار به عنوان سرویس یا SaaS یک محیط کاملاً عملیاتی برای مدیریت برنامهها و واسط کاربری است. در مدل SaaS برنامه از طریق یک برنامه واسط (معمولاً مرورگر) به مشتری سرویس میدهد و مسئولیت مشتری با ورود داده شروع و با مدیریت داده و تعاملات کاربری پایان مییابد. همه چیز مربوط به برنامه تا زیر ساخت در حوزهی مسئولیت فروشنده است.
در جدول 2-3 تعدادی از سرویس دهندگان شناخته شده در حوزه SaaS به همراه توصیفی کوتاه از نوع سرویس ارائه شده آنها آورده شده است.
جدول2-3 : سرویس دهندگان نرم افزار به عنوان سرویس
سازمان سرویس/ابزار توصیف لایه-سطح
گوگل Google Docs بسته نرم افزاری آفیس آنلاین SaaS
Google Maps API رابط برنامه نویس سرویس نقشه گوگل به توسعه دهندگان این امکان را می دهد تا نقشه گوگل را در سایت های خود جاسازی کنند SaaS- سرویس ساده
OpenID Foundation OpenSocial یک رابط برنامه نویسی کاربردی مشترک برای برنامه های شبکه های اجتماعی SaaS-سرویس مرکب
OpenID یک سیستم توزیع شده که به کاربران این اجازه را می دهد تا تنها با یک شناسه دیجیتال بتوانند از سایتها مختلف استفاده نمایند. SaaS- سرویس ساده
مایکروسافت Office Live بسته نرم افزاری آفیس آنلاین SaaS
Salesforce Salesforce.com بسته نرم افزاری مدیریت روابط مشتریان SaaS
این سه مدل متفاوت سرویس به نام مدل SPI محاسبات ابری شناخته میشوند. گرچه تاکنون از مدلهای سرویس بسیاری نام برده شد، staas فضای ذخیرهسازی به عنوان سرویس؛ idaas هویت به عنوان سرویس؛ cmaas توافق به عنوان سرویس؛ و غیره، با این وجود سرویس های SPI تمامی باقی سرویسهای ممکن را نیز در بر میگیرد. IaaS دارای حداقل سطوح عاملیت مجتمع شده و پایین ترین سطوح مجتمع سازی میباشد و SaaS دارای بیشترینها است. یک PaaS یا سکو به عنوان سرویس خصوصیات مجتمع سازی، میانافزارها و سایر سرویسهای هماهنگساز را به مدل IaaS یا زیر ساخت به عنوان سرویس میافزاید. هنگامی که که یک فروشندهی محاسبات ابری، نرمافزاری را بر روی ابر عرضه میکند، با استفاده از برنامه و پرداخت فوری، یک عملیات SaaS انجام می گیرد. با SaaS مشتری برنامه را در صورت نیاز استفاده میکند و مسئول نصب، نگهداری و تعمیر برنامه نیست.
مدل‌های پیاده‌سازی
در تعریف NIST (انستیتوی ملی استاندارد ها و فناوری ها) مدل های استقرار ابر به چهار صورت زیر است:

شکل 2-2 : الگوی استقرار ابر[29]
ابر عمومی
ابر عمومی یا ابر خارجی توصیف کننده محاسبات ابری در معنای اصلی و سنتی آن است. سرویس‌ها به صورت دینامیک و از طریق اینترنت و در واحدهای کوچک از یک عرضه کننده شخص ثالث تدارک داده می‌شوند و عرضه کننده منابع را به صورت اشتراکی به کاربران اجاره می‌دهد و بر اساس مدل محاسبات همگانی و مشابه صنعت برق و تلفن برای کاربران صورتحساب می‌فرستد. این ابر برای استفاده همگانی تعبیه شده و جایگزین یک گروه صنعتی بزرگ که مالک آن یک سازمان فروشنده ی سرویس های ابری می باشد.
ابر گروهی
ابر گروهی در جایی به وجود می‌آید که چندین سازمان نیازهای یکسان دارند و به دنبال این هستند که با به اشتراک گذاردن زیرساخت از مزایای محاسبات ابری بهره‌مند گردند. به دلیل اینکه هزینه‌ها بین کاربران کمتری نسبت به ابرهای عمومی تقسیم می‌شود، این گزینه گران‌تر از ابر عمومی است اما میزان بیشتری از محرمانگی، امنیت و سازگاری با سیاست‌ها را به همراه می‌آورد.
ابر ترکیبی
یک ابر ترکیبی متشکل از چندین ارائه دهنده داخلی و یا خارجی، گزینه مناسبی برای بیشتر مؤسسات تجاری می‌باشد. با ترکیب چند سرویس ابر کاربران این امکان را می‌یابند که انتقال به ابر عمومی را با دوری از مسائلی چون سازگاری با استانداردهای شورای استانداردهای امنیت داده‌های کارت های پرداخت آسان تر سازند.
ابر خصوصی
ابر خصوصی یک زیر ساخت محاسبات ابری است که توسط یک سازمان برای استفاده داخلی آن سازمان به وجود آمده‌است. عامل اصلی که ابرهای خصوصی را از ابرهای عمومی تجاری جدا می‌سازد، محل و شیوه نگهداری از سخت افزار زیرساختی ابر است. ابر خصوصی امکان کنترل بیشتر بر روی تمام سطوح پیاده سازی ابر (مانند سخت افزار، شبکه، سیستم عامل، نرم افزار) را فراهم می‌سازد. مزیت دیگر ابرهای خصوصی امنیت بیشتری است که ناشی از قرارگیری تجهیزات در درون مرزهای سازمان و عدم ارتباط با دنیای خارج ناشی می‌شود. اما بهره گیری از ابرهای خصوصی مشکلات ایجاد و نگهداری را به همراه دارد. یک راه حل میانه برای دوری از مشکلات ابرهای خصوصی و در عین حال بهره مند شدن از مزایای ابرهای خصوصی، استفاده از ابر خصوصی مجازی است. به عنوان نمونه می‌توان از ابر خصوصی مجازی آمازون نام برد.
مشخصات محاسبات ابری
مشخصات کلیدی توسط ابر در شکل 2-3 نشان داده شده است و در قسمت زیر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است:

شکل 2-3 : مشخصات محاسبات ابری[28]
مجازی شده : منابع (یعنی محاسبه کردن، ذخیره سازی و ظرفیت شبکه) در ابرها تصور می شوند و این روش در سطوح مختلف مثل vm و سطوح بسته بدست می آید[9]. اصلی ترین آن در سطح ماشین مجازی است که در آن برنامه های کاربردی متفاوت در سیستم های عملکردی با همان ماشین فیزیکی اجرا می شوند. سطح سکو باعث نقشه برداری برنامه های کاربردی در یک یا چند منبع می شود که توسط فراهم آورندگان زیرساخت ابری پیشنهاد شده است.
سرویس گرا: ابر با استفاده از الگوی زیرساخت سرویس گرا به کار می رود که در آن همه اجزا در شبکه به عنوان یک سرویس در دسترس هستند، چه نرم افزار باشد، چه سکو یا هر زیرساختی که به عنوان سرویس پیشنهاد می کنند.
انعطاف پذیری : منابع (یعنی محاسبه کردن، ذخیره سازی و ظرفیت شبکه) برای برنامه های کاربردی ابر موردنیاز هستند که می توانند به صورت پویا و مختلف مقرر می شوند. یعنی افزایش یا کاهش در زمان اجرا بستگی به نیازهای QOS کاربر دارد. فراهم کنندگان ابر اصلی مثل آمازون حتی سرویس هایی را برای توسعه عمودی و توسعه افقی در براساس نیازهای برنامه های کاربردی میزبان دارد.
پویا و توزیع شده: گرچه منابع ابر، مجازی شده اند، آنها اغلب در عملکردهای بالا یا سرویس های ابر قابل اطمینان توزیع می شوند. این منابع انعطاف پذیر و می توانند بر طبق نیازهای مشتری سازگاری یابند مثل: نرم افزار، پیکربندی شبکه و غیره[10].
اشتراک (اقتصاد مقیاسی): زیرساخت ابرها هر جایی است که منابع های متعدد از خود کاربر بر طبق نیازهای برنامه کاربردی خود استفاده می کنند، مشترک می شوند. این الگوی اشتراکی به عنوان الگوی اجاره چندگانه نیز می باشد. به طور کلی، کاربران نه دارای کنترل مستقیم بر منابع فیزیکی هستند و نه از تخصیص منابع و اینکه با چه کسانی مشترک شده اند، خبر دارند.
بازارگرا (پرداخت - در ازای - میزان استفاده): در محاسبات ابری، کاربران براساس پرداخت - در ازای - میزان استفاده برای سرویس ها پرداخت می کنند. الگوی قیمت گذاری می تواند با توجه به انتظار برنامه های کاربردی در کیفیت سرویس متفاوت باشد. فراهم آورندگان ابر IaaS مثل منابع قیمت ها در آمازون از الگوهایی بازاری مثل الگوهای قیمت گذاری کالاها یا زمان پرداخت آنها استفاده می کنند. یک الگوی قیمت گذاری توسط Thualsiram و Allenofor برای منابع مجهز پیشنهاد شده است که می تواند به عنوان اساسی برای منابع ابر استفاده شوند. این خصوصیت، بعد بهره برداری از محاسبات ابری را بیان می کند. یعنی، سرویس های ابری به عنوان سرویس های سنجیده شده هستند که در آن فراهم کنندگان دارای الگوی محاسباتی برای اندازه گیری کاربردها از سرویس ها هستند که به توسعه برنامه های قیمت گذاری متفاوت کمک می کند. الگوی محاسباتی به کنترل و بهینه سازی از منابع کمک می کند.[16]
خودمختار : برای فراهم کردن سرویس های قابل اطمینان در حد بالا، ابرها رفتاری مستقل را با مدیریت خودشان در دگردیسی عملکرد یا شکست نشان می دهند.
مزایای محاسبات ابری
 
کارمان را با بیان مزایای متعددی که توسط محاسبات ابری ارائه می شود آغاز می کنیم. وقتی شما به سمت استفاده از ابر می روید، به چیزهای زیر دست پیدا می کنید:
 
هزینه های کامپیوتری کمتر: شما برای اجرای برنامه های کاربردی مبتنی بر وب، نیازی به استفاده از یک کامپیوتر قدرتمند و گران قیمت ندارید. از آن جائی که برنامه های کاربردی بر روی ابر اجرا می شوند، نه بر روی یک کامپیوتر رو میزی. کامپیوتر رومیزی شما نیازی به توان پردازشی زیاد یا فضای دیسک سخت که نرم افزارهای دسکتاپ محتاج آن هستند ندارد. وقتی شما یک برنامه کاربردی تحت وب را اجرا می کنید، کامپیوتر شما می تواند ارزان تر، با یک دیسک سخت کوچک تر، با حافظه کم تر و دارای پردازنده کارآمدتر باشد. در واقع، کامپیوتر شما در این سناریو حتی نیازی به یک درایو CD یا DVD هم ندارد زیرا هیچ نوع برنامه نرم افزاری بار نمی شود و هیچ سندی نیاز به ذخیره شدن بر روی کامپیوتر ندارد.
کارآیی توسعه یافته:  با وجود برنامه های کم تری که منابع کامپیوترشما، خصوصاً حافظه آن را به خود اختصاص می دهند، شما شاهد کارآیی بهتر کامپیوتر خود هستید. به عبارت دیگر کامپیوترهای یک سیستم محاسبات ابری، سریع تر بوت و راه اندازی می شوند زیرا آن ها دارای فرآیندها و برنامه های کم تری هستند که به حافظه بار می شود.
 
هزینه های نرم افزاری کم تر:  به جای خرید برنامه های نرم افزاری گران قیمت برای هر کامپیوتر، شما می توانید تمام نیازهای خود را به صورت رایگان برطرف کنید. بله درست است، اغلب برنامه های کامپیوتری محاسبات ابری که امروزه عرضه می شوند، نظیر Google Docs، کاملاً رایگان هستند. این، بسیار بهتر از پرداخت 200 دلار یا بیشتر برای خرید برنامه office مایکروسافت است که این موضوع به تنهایی می تواند یک دلیل قوی برای سوئیچ کردن به محاسبات ابری محسوب شود.
 
ارتقای نرم افزاری سریع و دائم:  یکی دیگر از مزایای مربوط به نرم افزار در  محاسبات ابری این است که شما دیگر نیازی به بروز کردن نرم افزارها و یا اجبار به استفاده از نرم افزارهای قدیمی، به دلیل هزینه زیاد ارتقای آن ها ندارید. وقتی برنامه های کاربردی، مبتنی بر وب باشند، ارتقاها به صورت اتوماتیک رخ می دهد و دفعه بعد که شما به ابر وارد شوید به نرم افزار اعمال می شوند. وقتی شما به یک برنامه کاربردی مبتنی بر وب دسترسی پیدا می کنید، بدون نیاز به پرداخت پول برای دانلود یا ارتقای نرم افزار، از آخرین نسخه آن بهره مند می شوید.
 
سازگاری بیشتر فرمت اسناد:  نیازی نیست که شما نگران مسئله سازگاری اسنادی که بر روی کامپیوتر خود ایجاد می کنید با سایر سیستم عامل ها یا سایر برنامه های کاربردی دیگران باشید. در دنیایی که اسناد 2007Word نمی تواند بر روی کامپیوتری که 2003Word را اجرا می کند باز شوند، تمام اسنادی که با استفاده از برنامه های کاربردی مبتنی بر وب ایجاد می شوند می تواند توسط سایر کاربرانی که به آن برنامه کاربردی دسترسی دارند خوانده شوند. وقتی همه کاربران اسناد و برنامه های کاربردی خود را بر روی ابر به اشتراک می گذارند، هیچ نوع ناسازگاری بین فرمت ها به وجود نخواهد آمد.
 
ظرفیت نامحدود ذخیره سازی:  محاسبات ابری ظرفیت نامحدودی برای ذخیره سازی در اختیار شما قرار می دهد. دیسک سخت 200 گیگابایتی فعلی کامپیوتر رومیزی شما در مقایسه با صدها پتابایت (یک میلیون گیگابایت) که از طریق ابر در دسترس شما قرار می گیرد اصلا چیزی به حساب نمی آید. شما هر چیزی را که نیاز به ذخیره کردن آن داشته باشید می توانید ذخیره کنید.
 
قابلیت اطمینان بیشتر به داده:  برخلاف محاسبات دسکتاپ، که در آن یک دیسک سخت می تواند تصادم کند و تمام داده های ارزشمند شما را از بین ببرد، کامپیوتری که بر روی ابر تصادم کند نمی تواند بر داده های شما تاثیر بگذارد. این همچنین بدان معنا است که اگر کامپیوترهای شخصی شما نیز تصادم کنند، تمام داده ها هنوز هم آن جا و برروی ابر وجود دارند و کماکان در دسترس شما هستند. در دنیایی که تنها تعداد اندکی از کاربران به طور مرتب و منظم از داده های مهم و حساس خود نسخه پشتیبان تهیه می کنند، محاسبات ابری حرف آخر در زمینه محافظت از داده ها به شمار می رود.
 
دسترسی جهانی به اسناد:  آیا تا به حال کارهای مهم خود را از محیط کار به منزل برده اید؟ و یا تاکنون به همراه بردن یک یا چند فایل مهم را فراموش کرده اید؟ این موضوع در محاسبات ابری رخ نمی دهد زیرا شما اسناد و فایل های مهم  خود را همراه خود حمل نمی کنید. در عوض، این اسناد و فایل ها بر روی ابر می مانند و شما می توانید از هرجایی که یک کامپیوتر و اتصال اینترنتی وجود داشته باشد به آن دسترسی پیدا کنید. شما در هر کجا که باشید به سرعت می توانید به اسناد خود دسترسی پیدا کنید و به همین دلیل، نیازی به همراه داشتن آن ها نخواهید داشت.
 
در اختیار داشتن آخرین و جدیدترین نسخه:  یکی دیگر از مزایای مرتبط با اسناد در محاسبات ابری این است که وقتی شما یک سند را در خانه ویرایش می کنید، این نسخه ویرایش شده همان چیزی است که وقتی در محل کار خود به آن دسترسی می یابید مشاهده می کنید. ابر همواره، آخرین نسخه از اسناد شما را میزبانی می کند و تا وقتی شما به اینترنت و ابر متصل باشید، هیچ گاه در معرض خطر استفاده از یک نسخه تاریخ گذشته نخواهید بود.
همکاری گروهی ساده تر:  به اشتراک گذاشتن اسناد، شما را مستقیماً به همکاری بر روی اسناد رهنمون می کند. برای بسیاری از کاربران، این یکی از مهم ترین مزایای استفاده از محاسبات ابری محسوب می شود زیرا چندین کاربر به طور همزمان می توانند برروی اسناد و پروژه ها کار کنند، به دلیل این که اسناد بر روی ابر میزبانی می شوند، نه بر روی کامپیوترهای منفرد، همه چیزی که شما نیاز دارید یک کامپیوتر با قابلیت دسترسی به اینترنت است.
 
مستقل از سخت افزار:  در نهایت، در این جا به آخرین و بهترین مزیت محاسبات ابری اشاره می کنیم. شما دیگر مجبور نیستید به یک شبکه یا یک کامپیوتر خاص محدود باشید. کافی است کامپیوتر خود را تغییر دهید تا ببینید برنامه های کاربردی و اسناد شما کماکان و به همان شکل قبلی، بر روی ابر در اختیار شما هستند. حتی اگر از ابزار پرتابل نیز استفاده کنید، باز هم اسناد به همان شکل در اختیار شما هستند. دیگر نیازی به خرید یک نسخه خاص از یک برنامه برای یک وسیله خاص، یا ذخیره کردن اسناد با یک فرمت مبتنی بر یک ابزار ویژه ندارید. فرقی نمی کند که شما از چه نوع سخت افزاری استفاده می کنید زیرا اسناد و برنامه های کاربردی شما در همه حال به یک شکل هستند.
محاسبات ابری که در اواخر سال 2007 پا به عرصه ظهور گذاشت، هم اکنون به دلیل توانایی اش در ارائه زیرساخت فن آوری پویا و بسیار منعطف، محیط های محاسباتی تضمین شده از نظر کیفیت و همچنین سرویس های نرم افزاری قابل پیکربندی به موضوع داغ مبدل شده است. در گزارش گوگل Trends و همانطور که در شکل 2-4 مشاهده می کنید، محاسبات ابری که از تکنولوژی مجازی سازی بهره می برد، محاسبات گریدی را پشت سر گذاشته است.

شکل2-4 : تمایل به سمت محاسبات ابری[35]
پروژه های متعددی در حوزه صنعت و دانشگاه بر روی محاسبات ابری آغاز شده است وشرکت های بسیار بزرگی با این موضوع درگیر شده اند و این نشان از توجه عمومی به سمت این پدیده نوین است.
نقاط ضعف محاسبات ابری
چند دلیل وجود دارد که ممکن است با استناد به آن ها شما نخواهید از محاسبات ابری استفاده کنید. در این جا به ریسک های مرتبط با استناد از محاسبات ابری اشاره می کنیم:
نیاز به اتصال دائمی به اینترنت دارد: در صورتی که شما نتوانید به اینترنت متصل شوید، محاسبات ابری غیر ممکن خواهد بود. از آن جائی که شما باید برای ارتباط با برنامه های کاربردی و اسناد خود به اینترنت متصل باشید، اگر یک ارتباط اینترنتی نداشته باشید نمی توانید به هیچ چیزی، حتی اسناد خودتان دسترسی پیدا کنید. نبود یک ارتباط اینترنتی، به معنای نبود کار است. وقتی شما آفلاین هستید، محاسبات ابری کار نمی کند.
با اتصال های اینترنتی کم سرعت کار نمی کند: به همان شکلی که در بالا اشاره شد، یک ارتباط اینترنتی کم سرعت نظیر نمونه ای که در سرویس های Dial-up دیده می شود، در بهترین حالت، استفاده از محاسبات ابری را با دردسرهای فوق العاده ای همراه می کند و اغلب اوقات، استفاده از آن را غیرممکن می سازد. برنامه های کاربردی تحت وب و همچنین اسنادی که بر روی ابر ذخیره شده اند برای دانلود شدن به پهنای باند بسیار زیادی نیاز دارند. اگر شما از یک اینترنت Dial-up استفاده می کنید، اعمال تغییر در یک سند یا رفتن از یک صفحه به صفحه دیگر همان سند ممکن است برای همیشه به طول بینجامد. و البته در مورد بار شدن یک سرویس غنی از امکانات حرفی نمی زنیم. به عبارت دیگر، محاسبات ابری برای افرادی که از اینترنت باند پهن استفاده نمی کنند، نیست.
می تواند کند باشد: حتی در یک ارتباط اینترنتی سریع نیز، برنامه های کاربردی تحت وب می توانند گاهی اوقات کندتر از دسترسی به همان برنامه نرم افزاری از طریق یک کامپیوتر رومیزی باشند. تمام جنبه های یک برنامه، از جمله اینترفیس و سند فعلی، باید بین کامپیوتر یا کامپیوترهای موجود بر روی ابر مبادله شود. اگر در آن لحظه، سرورهای ابر در معرض تهیه نسخه پشتیبان باشند یا اگر اینترنت یک روز کند را پشت سر بگذارد، شما نمی توانید به همان دسترسی سریعی که در یک برنامه دسک تاپ وجود دارد، برسید.
ویژگی ها ممکن است محدود باشند: این وضعیت در حال تغییر است اما بسیاری از برنامه های کاربردی مبتنی بر وب به اندازه همتای دسک تاپ خود دارای ویژگی ها و امکانات غنی نیستند. به عنوان مثال، شما می توانید کارهای بسیار زیاد با برنامه PowerPoint انجام دهید که امکان انجام همه آن ها توسط برنامه ارائه Google Docs وجود ندارد. اصول این برنامه ها یکسان هستند، اما برنامه کاربردی که بر روی ابر قرار دارد فاقد بسیاری از امکانات پیشرفته PowerPoint است. اگر شما یک کاربر با تجربه و حرفه ای هستید، ممکن است نخواهید از محاسبات ابری استفاده کنید.
داده های ذخیره شده ممکن است از امنیت کافی برخوردار نباشند: با استفاده از محاسبات ابری، تمام داده های شما بر روی ابر ذخیره می شوند. این داده ها تا چه حد ایمن هستند؟ آیا کاربران غیرمجاز می توانند به داده های مهم و محرمانه شما دسترسی پیدا کنند؟ کمپانی محاسبات ابری اظهار می کند که داده ها امن هستند اما هنوز برای اطمینان کامل از این موضوع خیلی زود است. از نظر تئوری، داده های ذخیره شده بر روی ابر ایمن هستند و بین چندین ماشین توزیع شده اند. اما در صورتی که داده های شما مفقود شوند، شما هیچ نسخه پشتیبان فیزیکی یا محلی در اختیار نخواهید داشت (مگر این تمام اسناد ذخیره شده بر روی ابر را بر روی دسک تاپ خود دانلود کنید که معمولاً کاربران کمی چنین کاری می کنند). به سادگی بگویم، اتکا به ابر، شما را در معرض خطر قرار می دهد.
بررسی وضعیت محاسبات ابری در جهان از نگاه آماری
وب سایت cloudehypermarket.com تصویری را منتشر کرده است که اطلاعات آماری جالبی را در مورد محاسبات ابری و اوضاع فعلی آن در جهان به تصویر می‌کشد.
1562101485900
شکل 2-5 : بررسی وضعیت محاسبات ابری در جهان[36]
برخی از مهمترین نکات موجود در شکل عبارتند از: (آمار مربوط به اواخر سال ۲۰۱۰ می‌باشد).
۱- در بخش اول تصویر میزان سرمایه‌گذاری جهانی در حوزه‌ی آی‌تی بررسی شده است. در سال ۲۰۰۸ مجموعاً ۳۶۷ میلیارد پوند صرف هزینه‌های معمول فناوری اطلاعات و ۱۶ میلیارد پوند صرف هزینه‌های مربوط به سرویس‌های محاسبات ابری شده است. پیش‌بینی می‌شود در سال ۲۰۱۲ مجموع سرمایه‌گذاری معمول در حوزه‌ی IT به رقم ۴۵۱ میلیارد پوند و سرمایه‌گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری به ۴۲ میلیارد پوند برسد. با این محاسبات، رشد سالانه‌ی سرمایه‌گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۲ به عدد ۲۵ درصد نزدیک است.
۲- مؤسسه‌ی تحقیقات بازار IDC پیش‌بینی می کند که در چند سال آینده، علاوه بر رشد سرمایه گذاری در حوزه‌ی محاسبات ابری، شرکت‌ها نیز حوزه‌های فعالیت خود را تغییر خوهند داد و خدمات خود را به سمت محاسبات ابری سوق خواهند داد. پیش‌بینی می‌شود خدمات محاسبات ابری شرکت‌ها در سال ۲۰۱۲ اینگونه ارائه شود:
اپلیکیشن‌های تجاری: ۵۲ درصد
نرم افزارهای زیرساختی: ۱۸ درصد
خدمات ذخیره‌سازی اطلاعات: ۱۳ درصد
تولید و پیاده‌سازی نرم افزارها و اپلیکیشن‌ها: ۹ درصد
خدمات سرور: ۸ درصد
۳- آیا استفاده از محاسبات ابری فرآیند مدیریت فناوری اطلاعات را آسان تر کرده است؟
۷۰ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۲۰ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۰ درصد مخالف این جمله هستند.
۴- آیا استفاده از محاسبات ابری، بهبودی در تجربه‌ی مصرف کننده‌ی نهایی ایجاد کرده است؟
۷۲ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۶ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۲ درصد مخالف این جمله هستند.
۵- آیا استفاده از محاسبات ابری، چالش‌های مربوط به کارایی فناوری اطلاعات را کاهش داده است؟
۶۳ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۲۰ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۷ درصد مخالف این جمله هستند.
۶- آیا استفاده از محاسبات ابری، هزینه‌های زیرساختی سازمان ها را کاهش داده است؟
۷۳ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۷ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۱۰ درصد مخالف این جمله هستند.
۷- آیا استفاده از محاسبات ابری، فشارهای ناشی از تأمین منابع درون‌سازمانی بر روی سازمان را کاهش داده است؟
۷۴ درصد کارشناسان موافق این جمله هستند.
۱۸ درصد نظری در این باره نداشته اند.
۸ درصد مخالف این جمله هستند.
۸- امروزه ۵۰ میلیون سرور فیزیکی در سراسر جهان وجود دارد. ۲درصد از این تعداد سرور در اختیار گوگل است (یعنی ۱ میلیون سرور).
۹- امروزه ۳۳ هزار و ۱۵۷ مؤسسه‌ی خدمات مرکز داده در جهان وجود دارد که ایالات متحده‌ی امریکا به تنهایی ۲۳ هزار و ۶۵۶ عدد از این مراکز داده را در خود جای داده است. کانادا، انگلستان، آلمان و هلند با اختلاف فاحشی نسبت به آمریکا در جایگاه‌های بعدی این آمار هستند.
۱۰- پیش بینی می‌شود در سال ۲۰۱۳ حداقل ۱۰ درصد از این سرورهای فیزیکی فروخته شده بر روی سرورهای مجازی (Virtual Machine) مستقر باشند به طوری که بر روی هر سرور فیزیکی ۱۰ ماشین مجازی مشغول به کار است. این به معنای شکل گیری سالانه ۸۰ تا ۱۰۰ میلیون سرور مجازی در سراسر دنیاست.
۱۱- در سال ۲۰۱۳ تقریبا ۶۰ درصد از بار کاری سرورها به صورت مجازی خوهد بود.
۱۲- مالکین دنیای محاسبات ابری در حال حاضر ۴ شرکت (بدون در نظر گرفتن رشد ناگهانی آمازون در ۴ ماهه‌ی ابتدایی سال ۲۰۱۱) گوگل، مایکروسافت، زوهو (Zoho) و رک‌اسپیس (RackSpace) با در اختیار داشتن بازاری با مجموع ارزش بیش از ۱۰۰ میلیارد پوند هستند.
۱۳- این ۱۰۰ میلیارد پوند، درآمد ناشی از خدماتی به شرح زیر است:
۵۶ درصد از مردم از سرویس‌های پست الکترونیکی همانند Gmail، Ymail و Hotmail استفاده می‌کنند.
۳۴ درصد از مردم از خدمات ذخیره‌سازی تصاویر در وب استفاده می‌کنند.
۲۹ درصد از مردم از اپلیکیشن‌های آنلاین مثل Google Docs و Photoshop Express استفاده می‌کنند.
۷ درصد از مردم از سرویس‌های ذخیره‌سازی ویدئو در وب استفاده می‌کنند.
۵ درصد از مردم برای ذخیره‌سازی فایل های رایانه‌ای خود در وب پول پرداخت می‌کنند.
۵ درصد از مردم برای پشتیبان‌گیری از اطلاعات هارد دیسک خود بر روی وب‌سایت‌های اینترنتی هزینه می‌کنند.
یک نمونه قیمت در سیستم عامل Azure از شرکت مایکروسافت
هزینه های مربوط به پردازش:
معادل یک کامپیوتر شخصی ۱۲۰۰ ریال / ساعت
معادل یک سرویس دهنده ۳۰۰۰ ریال / ساعت
معادل یک ابر رایانه ۱۰۰۰۰ ریال / ساعت
هزینه های مربوط به فضای ذخیره سازی:
هر گیگابایت اجاره نگهداری ماهانه ۱۵۰۰ ریال
هر ده هزار تراکنش ذخیره سازی ۱۰ ریال
هزینه دریافت هر گیگابایت داده از ابر:
بسته به کشوری که در آن قرار دارید، از ۱۵۰ تا ۲۰۰ ریال
این سیستم عامل به نام Windows Azure درحال حاضر توسط شرکت مایکروسافت با قیمت هایی شبیه آنچه در بالا آمد، ارائه می گـردد. بـرای اجرای این سیستم عامل به رایانه ای با چند گیگابایت حافظه RAM و چندصد گیگابایت دیسک سخت نیاز نبوده و یک دستگاه نسبتاً قـدیـمی هم می تواند برای آن به کار رود.
بعد از اینکه با محاسبات ابری آشنا شدیم و آن را از نگاه آماری بررسی کردیم و به این نتیجه رسیدیم که محاسبات ابری می توانند نقش عمده ای در جهان امروزی داشته باشند به معرفی سیستم عامل های ابری که از پلتفرم های مربوط به محاسبات ابری هستند، می پردازیم. در ابتدا تعریفی از سیستم عامل.
تعریف سیستم عامل
سیستم عامل، نرم افزاری است که مدیریت منابع رایانه را به عهده گرفته، اجرای برنامه های کاربردی را کنترل نموده و به صورت رابط کاربر و سخت افزار عمل می نماید. سیستم عامل خدماتی به برنامه های کاربردی و کاربر ارائه می دهد. برنامه های کاربردی یا از طریق واسط های برنامه نویسی کاربردی و یا از طریق فراخوانی های سیستم به این خدمات دسترسی دارند. با فراخوانی این واسط ها، برنامه های کاربردی می توانند سرویسی را از سیستم عامل درخواست کنند، پارامترها را انتقال دهند، و پاسخ عملیات را دریافت کنند. ممکن است کاربران با بعضی انواع واسط کاربری نرم افزار مثل واسط خط فرمان یا یک واسط گرافیکی کاربر یا سیستم عامل تعامل کنند. برای کامپیوترهای دستی و رومیزی، عموماً واسط کاربری به عنوان بخشی از سیستم عامل در نظر گرفته می شود. در سیستم های بزرگ و چند کاربره مثل یونیکس، واسط کاربری معمولاً به عنوان یک برنامه کاربردی که خارج از سیستم عامل اجرا می شود پیاده سازی می شود (استالینگ، 1381).
انواع سیستم عامل
سیستم عامل تک پردازنده
این نوع سیستم عامل ها، سیستم عامل های نسل چهارم (نسل فعلی) هستند که بر روی یک پردازنده اجرا می شوند. از قبیل XP98، Me و Vista که بیشتر محصول شرکت مایکروسافت می باشند.
سیستم عامل شبکه ای
این نوع سیستم عامل ها، از کنترل کننده های واسط شبکه و نرم افزارهای سطح پایین به عنوان گرداننده استفاده می کنند و برنامه هایی برای ورود به سیستم های راه دور و دسترسی به فایل از راه دور در آنها به کار گرفته می شود[13].
سیستم عامل توزیع شده
این سیستم عامل ها خود را مانند سیستم عامل های تک پردازنده به کاربر معرفی می کنند اما در عمل از چندین پردازنده استفاده می کنند. این نوع سیستم عامل در یک محیط شبکه ای اجرا می شود و در حقیقت در این نوع سیستم جواب نهایی یک برنامه، پس از اجرا در کامپیوترهای مختلف به سیستم اصلی بر می گردد. سرعت پردازش در این نوع سیستم بسیار بالاست.
سیستم عامل بی درنگ
از این نوع سیستم عامل برای کنترل ماشین آلات صنعتی، تجهیزات علمی و سیستم های صنعتی استفاده می گردد. یک سیستم عامل بی درنگ دارای امکانات محدود در رابطه با بخش رابط کاربر و برنامه های کاربردی مختص کاربران می باشد. یکی از بخش های مهم این نوع سیستم های عامل، مدیریت منابع موجود کامپیوتری به گونه ای که عملیات خاصی در زمانی که بایستی اجرا شوند، اجرا گردند و مهم تر از همه اینکه مدیریت منابع به گونه ای است که این عملیات خاص در هر بار وقوع، مقدار زمان یکسانی بگیرد[1].
سیستم های توزیعی
در منابع مختلف تعاریف مختلفی برای سیستم های توزیعی ارائه شده است. اما هیچ یک نه کامل است و نه با دیگری همخوانی دارد. در این تحقیق تعریفی از این نوع سیستم ها که در کتاب سیستم های توزیعی آقای تانن باوم به آن اشاره شده را بیان می کنیم:
سیستم توزیعی در واقع مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل است که برای کاربر خود مانند یک سیستم منسجم و منفرد به نظر می رسد[2].
از این تعریف می توان به این نتیجه رسید که اولاً یک سیستم توزیعی از کامپیوترهای خود مختار تشکیل شده است و ثانیاً کاربران تصور می کنند که با یک سیستم منفرد کار می کنند. پس با تعریفی که ذکر شد می توان یک سیستم توزیعی را اینگونه نیز تعریف کرد:
هر سیستمی که بر روی مجموعه ای از ماشین ها که دارای حافظه اشتراکی نیستند، اجرا شده و برای کاربران به گونه ای اجرا شود که گویا بر روی یک کامپیوتر می باشند ، یک سیستم توزیع شده است. اما نکته ای که در اینجا باید به آن توجه داشت این است که در سیستم های توزیعی تفاوت بین کامپیوترهای مختلف و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر باید تا حدود زیادی از دید کاربران پنهان بماند. سیستم های توزیعی برای اینکه بتوانند از کامپیوترها و شبکه های ناهمگن پشتیبانی کنند و همگی سیستم ها را در غالب یک سیستم منفرد نمایش دهند، به عنوان یک لایه میانی به نام میان افزار بین یک لایه سطح بالایی شامل کاربران و برنامه های کاربردی و یک لایه پائینی شامل سیستم های عامل در نظر گرفته می شوند[12]. در شکل 2-6 لایه سیستم توزیعی یا به عبارتی میان افزاری را مشاهده می کنید که بین سیستم های عامل 1 تا 4 و چهار کامپیوتر شبکه که شامل سه برنامه کاربردی هستند قرار گرفته است. این لایه باعث می شود که تفاوت بین سخت افزار و سیستم های عامل از دید برنامه های کاربردی وکاربران مخفی بماند.

شکل 2-6 : سیستم توزیعی که به عنوان یک لایه میانی یا میان افزار بین برنامه های کاربردی و سیستم عامل ها قرار گرفته است[12].
و اما مواردی که باید در طراحی سیستم های توزیع شده در نظر گرفت و به نوعی اهداف سیستم های توزیع شده می باشند عبارتند از شفافیت، انعطاف پذیری، قابلیت اطمینان، کارآیی خوب و قابلیت گسترش.
شفافیت
یکی از اهداف مهم سیستم های توزیع شده این است که فرآیندها و منابعی که بین ماشین های متعدد توزیع شده اند، باید از دید کاربران مخفی بماند[17]. به سیستم توزیعی که از دید کاربران و برنامه های کاربردی خود به صورت یک سیستم کامپیوتری منفرد جلوه می کند را اصطلاحاً شفاف می گویند.
شفافیت انواع مختلفی دارد و در مورد هر یک طبق تعریفی که در کتاب سیستم های توزیعی آقای تانن باوم آمده توضیح می دهیم، شفافیت دسترسی که در مورد مخفی سازی تفاوت های ارائه داده و نحوه دسترسی به منابع به وسیله کاربران می باشد. شفافیت مکان یعنی اینکه کاربران نتوانند محل استقرار فیزیکی منبع در سیستم را شناسایی کنند. شفافیت مهاجرت یعنی اینکه بتوان منابع آنها را بدون تاثیرگذاری بر نحوه دسترسی به آنها انتقال داد. شفافیت مکان یابی مجدد هنگامی است که بتوان منابع را در حین دسترسی به آنها و بدون کوچکترین اطلاعی به کاربر یا برنامه کاربردی مجددا مکان یابی کرد. شفافیت تکثیر به مخفی سازی وجود چندین نسخه تکثیری از یک منبع می پردازد. شفافیت هم روندی زمانی است که مثلا دو کاربر مستقل فایل های خود را روی یک خدمتگذار فایل واحد ذخیره کرده و یا به جداول واحدی در پایگاه داده مشترک دسترسی داشته باشند. در این موارد هیچ یک از کاربران نباید کوچکترین اطلاعی از واقعیت استفاده کاربر دیگر از آن منبع داشته باشد. شفافیت خرابی به این معناست که کاربر متوجه خرابی و عملکرد نادرست یک منبع نشده و سپس سیستم اقدام به ترمیم آن خرابی کند[2].
قابلیت اطمینان
در دسترس بودن یک فاکتور مهم مرتبط با این سیستم ها است. طراحی نباید به گونه ای باشد که نیاز به اجرای همزمان کامپوننت های اساسی باشد. افزونگی بیشتر داده ها باعث افزایش در دسترس بودن شده اما ناسازگاری را بیشتر می کند. قدرت تحمل خطا باعث پوشاندن خطاهای ایجاد شده توسط کاربر می شود.
کارآیی
بدون کارآیی مناسب کلیه موارد استفاده نرم افزار بی فایده می باشد. اندازه گیری کارایی در سیستم های توزیع شده کار آسانی نیست. برای رسیدن به کارایی باید توازنی خاص در تعداد پیغام ها و اندازه کامپوننت های توزیع شده بر قرار باشد.
مقیاس پذیری
امروزه اتصال جهانی از طریق اینترنت، مانند امکان ارسال یک کارت پستال برای هر کسی در هر گوشه ای از جهان تبدیل به امر عادی شده است. به همین دلیل، مقیاس پذیری یکی از مهمترین اهداف طراحی برای سازندگان سیستم های توزیعی محسوب می شود. مقیاس پذیری یک سیستم را می توان حداقل در سه بعد مختلف اندازه گیری کرد(نیومان، 1994). اولاً، یک سیستم می تواند با توجه به اندازه خود مقیاس پذیر باشد. به این معنا که بتوان به راحتی کاربران و منابع دیگری را به سیستم اضافه نمود. ثانیاً، یک سیستم مقیاس پذیر جغرافیایی سیستمی است که ممکن است کاربران و منابع آن در فاصله های دوری از هم قرار گرفته باشند. ثالثا، یک سیستم ممکن است از نظر مدیریت اجرایی مقیاس پذیر باشد، به این معنا که حتی اگر سازمان هایی با مدیریت اجرایی مستقل را به هم پیوند دهد. باز به راحتی قابل مدیریت باشد. متاسفانه، اغلب سیستم هایی که از یک یا چند مقیاس پذیر هستند، با افزایش مقیاس پذیری سیستم، تاحدودی با افت عملکرد مواجه می شوند.
سیستم عامل های توزیعی
محیط های کامپیوتری تحت شبکه( شبکه های کامپیوتری) امروزه بسیار رایج شده اند و این محیط ها شامل مجموعه ای از ایستگاه های کاری و سرویس دهنده ها می باشند. واضح است که مدیریت این منابع کار آسانی نخواهد بود. استفاده از مجموعه ای از کامپیوترها که از طریق شبکه به هم متصل شده اند مشکلات بسیاری را در بر دارد، از جمله مشکلات تقسیم منابع و یکپارچه سازی محیط( که این مشکلات در سیستم های متمرکز وجود ندارد). علاوه بر این برای افزایش میزان کارآیی، توزیع بایستی از دید کاربر پنهان بماند. راه حل مناسب این است که سیستم عاملی طراحی شود که توزیعی بودن سخت افزار را در تمامی سطوح در نظر داشته باشد. به این صورت که سیستم عامل مجموعه را به صورت یک سیستم متمرکز نشان دهد و در کنار آن از مزیت های سیستم توزیعی استفاده کند. در ساختار سیستم عامل های توزیعی از دو الگوی مبتنی بر پیام و مبتنی بر شیء استفاده می شود[11].
الگوی مبتنی بر پیام
در این الگو سیستم عامل یک هسته مبتنی بر پیام در هر گره قرار می دهد و برای برقراری ارتباطات داخل فرآیند از ارسال پیام استفاده می کند. هسته از هر دو نوع ارتباط محلی( ارتباط بین فرآیندهای داخل هر گره) و غیر محلی(ارتباط از راه دور) پشتیبانی می کند. در یک سیستم عامل سنتی همانند یونیکس دسترسی به سرویس های سیستمی از طریق فراخوانی متدها صورت می پذیرفت در حالی که در سیستم عامل های مبتنی بر پیام، درخواست ها از طریق ارسال پیام مطرح می شوند. با این قرار می توان نتیجه گرفت سیستم عامل های مبتنی بر پیام ساخت جذاب تر و بهتری دارند، زیرا سیاست های موجود در فرآیند های سرویس دهنده از مکانیزم پیاده سازی هسته جدا می باشد.
الگوی مبتنی بر شیء
در این الگو سیستم عامل سرویس ها و منابع را به موجودیت هایی به نام شیء کپسوله می کند. این اشیاء همانند نمونه هایی از داده های انتزاعی می باشند و از ماژول های منحصر به فردی تشکیل شده اند. همچنین این ماژول ها نیز متشکل از متدهای به خصوصی می باشند که اینترفیس(واسط) ماژول را توصیف می کنند. عملکرد در این الگو این چنین است که کاربران درخواست سرویس را از طریق احضار شیء مورد نظر مطرح می سازند. این مکانیزم بسیار شبیه به فراخوانی پروسه ها در سیستم های معمولی می باشد. قابل ذکر است که اشیاء عملیات را کپسوله می کنند.
رویکرد سیستم عامل های ابری
سیستم عامل ابری نیز نوعی از سیستم عامل های توزیعی می باشند که مجموعه ای از گره ها را با هم یکپارچه می سازد و یک سیستم متمرکز تولید می کند. سیستم عامل ابری شامل سرویس دهنده های محاسباتی، سرویس دهنده های داده ای و ایستگاه های کاربر می باشد.
سرویس دهنده های محاسباتی: ماشینی است برای استفاده به عنوان موتور محاسباتی.
سرویس دهنده های داده ای: ماشینی است برای استفاده به عنوان مخرن داده های بلند مدت.
ایستگاه های کاربری: ماشینی است که محیطی برای توسعه دادن برنامه های کاربردی فراهم می کند و واسطی بین کاربر و سرویس دهنده های محاسباتی یا داده ای می باشد[3].
ساختار سیستم عامل های ابری بر پایه مدل شیء- نخ می باشد. این مدل از مدل برنامه نویسی معروف شیء گرا اقتباس شده است که نرم افزار سیستم را بر پایه مجموعه ای از اشیاء می سازد. هر شیء شامل تعدادی داده و عملیات بر روی آن داده ها می باشد. عملیات بر روی داده ها را متد می نامند و نوع شیء نیز با کلاس مشخص می گردد. هر کلاس می تواند صفر یا یک و یا چند نمونه داشته باشد ولی یک نمونه تنها از یک کلاس ناشی می شود. اشیاء به پیام ها پاسخ می دهند و ارسال پیام به یک شیء می تواند به داده های درون شیء دسترسی داشته باشد و آن ها را بروز رسانی کند و یا به اشیاء دیگر درون سیستم پیام ارسال کند. اشیاء ابر کپسولی از کد و داده می باشند که در یک فضای آدرس مجازی قرار دارند. هر شیء نمونه ای از یک کلاس است و هر کلاس ماژولی از برنامه. اشیاء ابرها به احضارها پاسخ می دهند و احضارها ( با استفاده از نخ ها) برای اجرای متد درون شیء ابر استفاده می گردند. ابرها از اشیاء برای تضمین انتزاع مخازن و از نخ ها برای اجرای متد درون شیء استفاده می نمایند. این موجب می شود که محاسبات و مخازن داده ای از یکدیگر تفکیک شوند. از دیگر ویژگی های مدل شیء- نخ می توان به این موارد اشاره کرد:
عملیات ورودی و خروجی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

به اشتراک گذاری داده ها
ارتباط درون فرآیندها
ذخیره سازی بلند مدت داده ها در حافظه
الگوی سیستم عامل ابری
الگوی مورد استفاده در سیستم عامل های ابری همان الگوی شیء- نخ می باشد که در این بخش به توضیح اجزا و نحوه عملکرد این الگو می پردازیم.
شیء ابری
شیء ابری یک فضای آدرس مجازی پایدار می باشد. برخلاف فضاهای آدرس در سیستم های معمولی، محتویات اشیاء برای مدت طولانی باقی می مانند. به همین دلیل در هنگام خرابی سیستم از بین نمی روند، مگر اینکه عمدا از سیستم حذف شوند. همانطور که از تعریف برمی آید اشیاء ابری سنگین وزن هستند، به همین علت است که این اشیاء بهترین انتخاب برای مخازن داده ای و اجرای برنامه های بزرگ به حساب می آیند. داده های درون شیء فقط توسط خود شیء قابل دسترسی و بروزرسانی می باشند، زیرا محتویات یک فضای آدرس مجازی از بیرون از فضای مجازی قابل دست یابی نمی باشند.
یک شیء ابری شامل موارد زیر است:
کد مخصوص به خود ( متدهای اختصاصی )
داده های پایدار
حافظه ای زودگذر و سبک ( برای تخصیص حافظه موقت )
حافظه ای پایدار و دائمی ( برای تخصیص دادن حافظه ای که بخشی از ساختمان داده پایدار شیء می باشد )
داده با احضار متدها وارد شیء می شود و با پایان احضار از شیء خارج می گردد (شکل شماره 2-7 ). اشیاء ابری دارای یک نام در سطح سیستم می باشند که آن ها را از یکدیگر منحصر به فرد می سازد. این اشیاء درون سرویس دهنده های محاسباتی قابل استفاده می باشند که این کارآیی موجب می شود توزیعی بودن داده ها از دید کاربر مخفی باقی بماند.
4375151651000
شکل شماره 2-7 : ساختمان یک شیء ابری[5]
نخ
یک نخ عبارت است از مسیری اجرایی که وارد اشیاء شده و متدهای درون آن ها را اجرا می کند و محدود به یک فضای آدرس نمی شود. نخ ها توسط کاربران و یا برنامه های کاربردی ساخته می شوند. نخ ها با اجرای متدی از یک شیء می توانند به داده های درون شیء دسترسی یابند، آن ها را بروزرسانی کنند و یا اینکه متدهایی از شیء دیگر را احضار کنند. در این حالت، نخ به طور موقت شیء فعلی را رها می کند، از آن خارج شده و وارد شیء فراخوانی شده می گردد و متد مورد نظر آن را اجرا می کند، پس از پایان اجرای متد به شیء قبلی باز می گردد و نتیجه را برمی گرداند. نخ ها پس از پایان عملیات مورد نظر از بین می روند. علاوه بر این چند نخ می توانند به طور هم زمان وارد یک شیء شوند و به طور موازی به اجرا درآیند که در این صورت نخ ها محتویات فضای آدرس شیء را بین یکدیگر به اشتراک می گذارند. شکل شماره 2-8 نحوه اجرای نخ ها در اشیاء را نشان می دهد.

شکل شماره 2-8 : اجرای نخ ها در شیء ابری[5]
تعامل میان شیء و نخ ( مدل شیء- نخ )
ساختار یک سیستم عامل ابری متشکل از اشیاء و نخ ها می باشد. مکانیزم ذخیره سازی داده ها در سیستم عامل های ابری با سایر سیستم عامل های معمول تفاوت دارد. در سیستم عامل های معمولی از فایل ها برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود ولی در سیستم عامل های ابری اشیاء نقش مخازن داده را ایفا می کنند. برخی از سیستم ها برای برقراری ارتباط با داده های مشترک و هماهنگ سازی محاسبات از الگوی ارسال پیام استفاده می کنند. ابرها با قراردادن داده ها درون اشیاء آن ها را به اشتراک می گذارند. متدها در صورت نیاز به دسترسی داده ها شیء مورد نظر را که داده درون آن قرار دارد احضار می کنند. در یک سیستم مبتنی بر پیام، کاربر می بایست درجه هم زمانی را در هنگام نوشتن برنامه تعیین کند و برنامه را به تعدادی پروسه سیستمی بشکند. مدل شیء-نخ این احتیاجات را حذف می کند، به این صورت که در زمان اجرا درجه هم زمانی با ایجاد نخ های موازی مشخص می شود.
به طور خلاصه می توان گفت:
سیستم عامل ابری از فضاهای آدرس نام گذاری شده به نام شیء تشکیل شده است و این اشیاء قادرند:
مخازن داده پایدار فراهم کنند.
متدهایی برای دست یابی و دست کاری داده ها ایجاد نمایند.
داده ها را به اشتراک بگذارند.
هم زمانی را کنترل نمایند.
جریان کنترلی توسط نخ هایی که اشیاء را احضار می کنند انجام می شود.
جریان داده ای با ارسال پارامتر انجام می شود.
برنامه نویسی در مدل شیء- نخ در ابرها
مفاهیم مورد استفاده برنامه نویس در مدل شیء – نخ عبارتند از:
کلاس: ماژول های سیستم
نمونه: شیء ای از کلاس می باشد که می تواند توسط نخ ها احضار شود.
بنابراین برای نوشتن برنامه کاربردی در ابرها، برنامه نویس یک یا چند کلاس را تعریف می کند و داده ها و کدهای برنامه را درون این کلاس ها قرار می دهد. برنامه برای اجرا شدن نخی ایجاد می کند که متد اصلی شیء اجرا کننده برنامه را احضار می کند. اشیاء دارای نام هایی می باشند که برنامه نویس هنگام تعریف شیء برای آن ها مشخص کرده است و این نام ها بعدا به نام سیستمی شیء تبدیل می شوند.
معماری سیستم عامل ابری
دراین بخش معماری سیستم عامل های ابری را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل شماره 2-9 مدلی منطقی از معماری یک سیستم عامل ابری را نمایش می دهد. یک پروسه ابری به مجموعه ای از اشیاء ابری اطلاق می شود که با هم یک برنامه کاربردی را تشکیل می دهند.

–391

2) اصل رعایت انصاف و امانت : تعهد به اجتناب از هر گونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار.
3) اصل رعایت حقوق : التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان(انسان،حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق.
4) اصل احترام : تعهد به رعایت حریم ها و حرمت ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هر گونه حرمت شکنی.
5) اصل رازداری : تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد،سازمان ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق.
6) اصل حقیقت جویی : تلاش در راستای پی جویی حقیقت و وفاداری به آن و دوری از هرگونه پنهان سازی حقیقت.
7) اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
8) اصل مالکیت مادی و معنوی : تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش.
9) اصل منافع ملی : تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه همکاران پژوهش.
2663825-19050000
دانشگاه آزاد اسلامی تاریخ: ............ استان مرکزی- اراک شماره:..............
پیوست:...........
"تعهد نامه اصالت رساله یا پایان نامه"
اینجانب: وحید مرادی دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته: شیمی- آلی با شماره دانشجویی: 890631843 که در تاریخ: 4/7/91 از پایان نامه خود تحت عنوان: : مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و -دیاستیبن با روش های مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO با کسب نمره: 93/19
و درجه: عالی دفاع نموده ام بدینوسیله متعهد می شوم:
1- این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، پروژه - ریسرچو ...) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کردهام.
2- این پایان نامه قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هرگونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و ... از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4- چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را میپذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقرات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلیام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگی: وحید مرادی
تاریخ و امضا
1682753174900
گواهی امضادانشجوی فوق الذکر احراز هویت شد فقط امضای ایشان گواهی میگردد.
نام و نام خانوادگی رئیس پژوهش دانشکده
تاریخ و امضا
اراک –میدان امام خمینی-بلوارامام خمینی(ره)-شهرک دانشگاه آزاداسلامی- صندوق پستی 567/38135
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-مقدمه2
1-2-بررسیهای انجام شده در این پروژه4
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم7
1-4-معرفی برنامههای کامپیوتر8
1-4-1-نرم افزار گوسین8
1-4-2-نرم افزار گرافیکیChem 3D9
1-4-3-برنامه اوربیتال مولکولی MOPAC9
فصل دوم : تاریخچه
2-1-مقدمه12
2-2-پیدایش13
2-3-ترکیبات اولیه16
2-4-مطالعات گذشته18
2-5-نتیجه31
فصل سوم : محاسبات شیمیایی
3-1-مقدمه34
عنوان صفحه
3-2-محاسبات شیمیایی35
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیک36
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی39
3-2-2-1-روشهای نیمه تجربی40
3-2-2-2-روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین42
3-3- تقریب بورن اپنهایمر43
3-4- روش‌های مبتنی بر اوربیتال مولکولی45
3-4-1- روش هارتری- فاک45
3-4-1-1-محدودیت‌های روش هارتری- فاک47
3-4-2- روش‌های ارتباط الکترونی(EC)48
3-5- روش‌های مبتنی بر توابع دانسیته50
3-5-1- تقریب دانسیته موضعی53
3-5-2- تصحیح شیب دانسیته54
3-5-3-روش پیوستگی آدیاباتیک( ACM)55
3-6-سری‌های پایه57
3-6-1- اوربیتال‌های اسلیتری و گوسی58
3-6-2-طبقه‌بندی سری‌های پایه60
3-6-2-1- سری‌های پایه کمینه62
عنوان صفحه
3-6-2-2- سری‌های پایه پاپل63
3-6-2-2-1- توابع پلاریزه‌کننده و پخش‌کننده65
3-6-2-3-سری‌های پایه پتانسیل‌های مغزی مؤثر66
3-6-2-4-سری پایه دانینگ67
3-7-اوربیتال‌های پیوند طبیعی67
3-7-1- ساختار برنامه NBO70
3-8-مقایسه روش‌های مکانیک کوانتومی71
3-9-روش کار73
3-9-1- تهیه فایل دادهها73
3-9-2- نحوه محاسبات برنامه MOPAC74
3-9-3- بهینه سازی ساختار هندسی74
3-9-4- شرح روش کار محاسبات کامپیوتری75
3-10- روش کار با نرم افزار گوسین79
3-10-1- هدف اصلی از انجام محاسبات80
3-10-2- روش محاسبه80
3-10-3- مجموعه پایه80
3-10-4-طرز کار80
عنوان صفحه
فصل چهارم : نتایج وبحث
4-1- مقدمه85
4-2- نتایج حاصل از محاسبات89
4-2-1- بررسی انرژی آزاد گیبس89
4-2-2- بررسی اثر آنومری تعمیم یافته90
4-2-3- بررسی ممان دوقطبی97
4-2-4- بررسی پارامترهای ساختاری100
4-3- نتیجه گیری103
مراجع
چکیده انگلیسی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc"HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc" طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس5شکل 2-1- اولین دیفسفن پایدار سنتز شده14
شکل 2-2- سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه16
شکل 2-3- ایزومریزاسیون سیس- ترانس آزوینزن19
شکل 2-4- شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوینزن20
شکل 2-5- واریانس انرژی(a) و جمعیت الکترونی (b)مربوط به اوربیتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان20
شکل 2-6- واریانس زوایای پیچشی CNNC (a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان21
شکل 2-7- طیف UV/vis آزوینزن21
شکل 2-8- ΔE(E-Z) پیوند دوگانه X=Y22
شکل 2-9- پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن (Ph-P=P-Ph)24
شکل 2-10- شماره گذاری اتمها برای دیفنیل دیفسفن و همچنین برای دیفنیل دیآزن27
شکل 2-11- زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن29
شکل 2-12- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph30
شکل 2-13- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph 30
عنوان صفحه
شکل 3-1- مقایسه توزیع اوربیتال‌های اسلیتری (a) و گوسی (b) در اطراف هسته60
شکل 3-2- مقایسه یک تابع STO با اوربیتال‌های نوع گوسی----------------------------------------------60
شکل 3-3- مقایسه سری‌های پایه STO-nG با یکدیگر63
شکل 3-4- سری پایهSTO-3G به عنوان متداولترین سری پایه کمینه63
شکل 3-5- انحراف برهم‌کنش donor-acceptor 69
شکل 3-6- ساختار برنامه NBO70
شکل 3-7- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D75
شکل 3-8- نمایی از Z-ماتریکس برای مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن76
شکل 3-9- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D76
شکل 3-10- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دی فسفن 77
شکل 3-11- نمایی از پنجره اطلاعات خروجی بعد از محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن 77
شکل 3-12- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات NBOدر مولکول 1و2-دیفنیل دیآرسن78
شکل 3-13- نمایی از اطلاعات خروجی از محاسبات NBO در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن78
شکل 3-14- نمایی از محیط کار گوسین79
شکل 3-15- نمایی از محیط کار در گوسین برای وارد کردن اطلاعات اولیه و اصلی81
شکل 4-1- انتقالات مورد بررسی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 491
شکل 4-2- مقادیر انرژی پایداری حاصل از انتقالات الکترونی (E2) مربوط به ترکیبات 1 تا 492
عنوان صفحه
شکل 4-3- اثر آنومری تعمیم یافته GAE در ترکیبات 1 تا 496
شکل 4-4- جهت بردارهای ممان دوقطبی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 499
شکل 4-5- شماره گذاری اتمها در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1تا 4100
شکل 4-6- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن102
شکل 4-7- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیفسفن102
شکل 4-8- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآرسن102
شکل 4-9- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیاستیبن103
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن15
جدول 2-2- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن16
جدول 2-3- انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH17
جدول 2-4- پارامترهای ساختاری برای سیستمهای HX=XH17
جدول 2-5- مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) و زاویه (Φx) برای سیستمهای HX=XH17
جدول2-6- محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسنهای مختلف25
جدول2-7- پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن26
جدول2-8- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن27
جدول2-9- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن28
جدول2-10- پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER28
جدول 2-11- خواص فیریکی و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولPh-E=E-Ph31
جدول 4-1- مقادیر توابع ترمودینامیکی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1106
جدول 4-2- انرژی رزونانسی انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1107
جدول 4-3- انرژی ΔEijوانتگرال همپوشانی(Fij) انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ترکیبات 4-1108
جدول 4-4- مقادیر ممان دوقطبی(µ) برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1109
جدول 4-5- جمعیت الکترونی اوربیتالهای دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1110
عنوان صفحه
جدول4-6- انرژی اوربیتال های پیوندی و ضد پیوندی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1111
جدول4-7- پارامترهای ساختاری برای ترکیبات 4-1112
چکیده
مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر برخواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و –دیاستیبن با استفاده از روشهای مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO
توسط: وحید مرادی
بر پایه روش (B3LYP/Def2-TZVPP) و تحلیل NBO خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن(1) ، 1و2-دیفنیل دیفسفن(2) ، 1و2-دیفنیل دیآرسن(3) و 1و2-دیفنیل دیاستیبن(4) بررسی شد. نتایج حاصل نشان داد که اختلاف انرژی آزاد گیبس (GTrans-Cis)Δ در دمای 298.15 درجه کلوین و فشار یک اتمسفر بین پیکربندی ترانس و سیس از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. روش B3LYP/Def2-TZVPP پایداری پیکربندی ترانس ترکیبات 1 تا 4 نسبت به پیکربندی سیس مربوطه را نشان داد.
بر اساس نتایج بدست آمده ناپایداری پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. تحلیل NBO برهمکنش اوربیتالهای دهنده-گیرنده (LP→ σ* QUOTE →σ ) نشان داد که اثر آنومری تعمیم یافته (GAEtotal= GAETrans - GAE Cis) مرتبط با (LPM1→ σ* M2-Cphenyl) و ( σM1-Cphenyl σ* M2-Cphenyl ) از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. بنابراین تغییرات آنومری تعمیم یافته نمیتواند تغییرات محاسبه شده انرژی آزاد گیبس را توضیح دهد. تغییرات GAE میتواند توسط عناصر غیر قطری مربوطه آن کنترل شود.
مقدار ممان دوقطبی محاسبه شده پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. همچنین روند مشاهده شده اختلاف ممان دوقطبی (Δμcis-trans) بین پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 4 مشابه با روند کاهشی مشاهده شده برای تغییرات ΔG مربوطه است. بنابراین مدل الکترواستاتیک مرتبط با برهمکنش دوقطبی-دوقطبی توجیه کننده مقادیر G محاسبه شده برای ترکیب های 1 تا 4 است.
یک رابطه مستقیم بین محاسبه GAE و پارامتر ∆ [rM1-Cphenyl (Trans)–(Cis)] وجود دارد. رابطه بین ΔGtrans-cis ، GAEtrans-cis ، Δμcis-trans ، پارامترهای ساختاری و رفتار پیکربندی ترکیبات 1 تا 4 بررسی شد.
فصل اول
مقدمه

1-1-مقدمه
انرژی کل یک مولکول با شکل آن رابطهای مستقیم دارد، این انرژی کل ازچند مولفه تشکیل میشود که آنها را تا حدی میتوان به ویژگیهای ساختاری مشخصی نسبت داد. از جمله عواملی که در انرژی کل یک مولکول سهم دارند و ارتباط قابل درکی با ساختارمولکول دارند، میتوان به برهمکنشهای غیرپیوندی ،کشش حلقه درسیستمهای حلقوی ، کششهای پیچشی ناشی از پوشیدگی پیوندها، ناپایدار شدن به دلیل انحراف طول پیوندی یا زاویه پیوندی از مقادیر بهینه اشاره کرد. برعکس عوامل پایدارکنندهای هم وجود دارند که دارای قیدهای هندسی هستند. اکثر این عوامل را میتوان در زمره اثرهای فضا الکترونی به شمار آورد یعنی برای بیشینه شدن برهمکنشهای پایدارکننده به یک رابطه هندسی خاص نیاز دارند علاوه بر این، برهمکنشهای دیگری نیز وجود دارند مثل تشکیل پیوند هیدروژنی یا برهمکنشهای دوقطبی –دوقطبی که برای آنها قدرت برهمکنش شدیداً ، به شکل هندسی مولکول بستگی دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1984</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society </secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>106</volume><section>2055</section><dates><year>1984</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
اصولی که تحلیل تعادلهای صورت بندی برآنها استوار است، درچارچوبی بسط یافتهاند که خود پایه در مکانیک کلاسیک دارد. یک مولکول، کم انرژیترین شکلی را به خود میگیرد که ازچرخش حول پیوندهای ساده خود و تنظیم زاویهها و طول پیوندها حاصل می شود. از آنجا که طول پیوندها وزوایای پیوندی از مولکولی به مولکول دیگر نسبتا به طورجزئی تغییر میکند، شکل مولکولی در وهله نخست به وسیله فرایندهای چرخشی آن تعیین می شود. بسیاری از مولکولها به دلیل انحراف از شکلهای هندسی ایدهآل، یک کشش از خود نشان میدهند. انرژی کشش، مقدار انرژی اضافی در مقایسه با یک مولکول مرجع و فاقد کشش است.
از دیدگاه اوربیتال مولکولی، انرژی مولکول برابر حاصل جمع انرژی اوربیتالهای اشغال شده است. محاسبه انرژی کل درآرایش فضایی متفاوت نشان میدهد که انرژی تابعی از شکل هندسی است.
تفسیرفیزیکی این حکم برحسب موثر بودن همپوشانی اوربیتالها امکان پذیر است. همپوشانی میان اوربیتالهایی که برهمکنش پیوندی دارند، انرژی مولکولی را کاهش میدهند. اصطلاح اثرفضا الکترونی برای آن دسته ازروابط میان ساختار چرخشی و انرژی واکنش پذیری به کار میرود که میتوان آنها را به برهمکنشهای اوربیتالی به شکل هندسی ربط داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1981</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques, </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>59</volume><section>1160</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
در ترکیبات آلی اثرات متعددی برای توجیه ارجحیت ترکیب، ارائه شدهاست. این اثرات شامل اثر آنومری، فوق مزدوج شدن، برهمکنش دوقطبی-دوقطبی، رزونانس، تداخلات فضایی و غیره است. در هندسه ارجح بسیاری از مولکولها مشخص شده است که بیشترین برهمکنش بین بهترین جفت دهنده تنها و بهترین پیوند گیرنده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>N.D. Epiotis</Author><Year>1977</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N.D. Epiotis, R.L. Yates, R.J. Larson, C.R. Kirmayer, F. Bernardi,</author></authors></contributors><titles><title>Directional effects of .sigma. Conjugation on geometrical isomerism,</title><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><pages>8379-8388</pages><volume>99</volume><section>8379</section><dates><year>1977</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3].
اثر آنومری موثرترین فاکتورکنترل صورتبندی در ترکیبهای آلی است. اثر آنومری اثری استریوالکترونی است که طی آن در حلقههای سیکلوهگزانی، گروههای متصل شده به کربن شماره دو، قرارگیری در حالت محوری را به حالت استوایی ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت استوایی مورد انتظار است. توضیح برای توجیه اثر آنومری این است که در حالت استوایی ممان دو قطبی هر دو هترواتم در یک جهت میباشند، در حالیکه در حالت محوری ممانها تقریبا مخالف یکدیگرند ، بنابراین برآیند آنها عددی کوچکتر است، پس در فرم محوری پایداری بیشتر و انرژی کمتر خواهد بود.
به اثر آنومری در ترکیبهای دارای پیوند دوگانه اثر آنومری تعمیم یافته گفته میشود. اثر آنومری تعمیم یافته نیز اثری استریوالکترونی است که طی آن در سیستمهای غیرحلقوی، گروههای متصل شده به اتمها، قرارگیری در حالت سیس را به حالت ترانس ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت ترانس مورد انتظار است.
از طریق این مطالعه نظری، ما امیدواریم به موارد ذیل دست یابیم :
الف (به اثرات استریوالکترونی در پیکربندی مختلف از مولکولها
ب) به مشخص شدن عامل توجیه کننده انرژی آزادگیبس در تعیین پایداری پیکربندی مختلف از مولکولها
 ج) به ارتباط منطقی بین نتایج محاسبات با فاکتورهای مورد بررسی
د) به پارامترهای ساختاری و تاثیر آن
ه) به نتایج قابل قبول و سازگار با نتایج تجربی مربوطه
1-2-بررسیهای انجام شده دراین پروژه
ارزیابی صحیح از انتقالات دهنده-گیرنده و حالت هندسی و انرژی یک سیستم ، یک روش قدرتمند برای مطالعه واکنشهای شیمیایی میباشد. در این راستا، به منظور مقایسه پایداری پیکربندی در ترکیبات دارای باند دوگانه E = E حاوی عناصر نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان یک تحقیق در رابطه با عوامل موثر بر این پایداری، با استفاده از روش مکانیک کوانتومی آغازین و همچنین تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی، را انجام میدهیم. مولکولهایی که ما بررسی میکنیم عبارتند از:
1,2-diphenyldiazene (Ph-N=N-Ph) 1،2-دی فنیل دی آزن
1,2-diphenyldiphosphene (Ph-P=P-Ph)1،2-دی فنیل دی فسفن
1,2-diphenyldiarsene (Ph-As=As-Ph) 1،2-دی فنیل دی آرسن
1,2-diphenyldistibene (Ph-Sb=Sb-Ph) 1،2-دی فنیل دی استیبن

شکل 1-1 : طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس
اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی برروی خواص پیکربندی سیستمهای مورد نظر در این تحقیق تاثیر گذار خواهند بود. با توجه به اینکه تقابلهای همسو بودن این تاثیرات مشخص نیست در این تحقیق به این مطلب پرداخته خواهد شد.
پرسش اصلی تحقیق ( مساله تحقیق ) این است که چگونه اثرات استریوالکترونی میتوانند بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن، -دیفسفن ،-دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ؟
فرضیهای که در اینجا برای این بررسیها مطرح میشود این است که پیشبینی میشود اولاً اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیلدیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ثانیاً بین تغییرات ممانهای دوقطبی و خواص پیکربندی مولکولهای مورد مطالعه ارتباط منطقی و محکمی وجود داشته باشد.
پژوهش حاضر به بررسی این تاثیرات که میتواند ناشی از اثرات استریوالکترونی و فضایی باشد ، با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO میپردازد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی چگونگی اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی و ساختاری مولکولهای مورد نظر میباشد.
ساختارهای مورد مطالعه در این تحقیق با نرم افزار chem3Dتهیه و در سطوح نظری مناسب بهینه میشوند. پس از انجام مراحل بهینهسازی، بر روی ساختارهای حاصل تحلیل NBO انجام خواهد شد و سپس اثرات آنومری از روی انتقالات الکترونی، اثرات الکترو استاتیک و فضایی محاسبه شده و همبستگی بین اختلاف انرژی آزاد گیبس، اثر آنومری تعمیم یافته، پارامترهای ساختاری و ممانهای دو قطبی، در ترکیبهای مورد نظر مورد بررسی قرار میگیرد.
در این پروژه ابتدا به بررسی روند انرژی آزادگیبس پرداخته خواهد شد و سپس عوامل موثر بر پایداری مولکول مورد بررسی قرار میگیرند که آیا میتوانند نتایج حاصل از انرژی آزاد گیبس را توجیه کنند، این عوامل عبارتنداز:
اثرات آنومری :
فرمی از مولکول که اثر آنومری بیشتری دارد نسبت به فرمی که اثر آنومری کمتری دارد، پایدارتر است.
ممان دوقطبی :
در فاز گازی، فرمی از مولکول که ممان دوقطبی کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
اثرات فضایی :
هرچه یک مولکول اثرات فضایی ناپایدارکننده کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم
بیگمان سالها پیش که نخستین کامپیوترها پا به عرصه علم و فناوری گذاشتند هیچ کس حتی تصور هم نمیکرد که روزی فرا برسد که علوم تجربی همچون شیمی، فیزیک، و حتی زیست شناسی تا این حد وابسته به کامپیوتر باشد.
علم شیمی در این میان گوی سبقت را از سایر علوم ربوده است. نگاهی گذرا به هزاران پروژه - ریسرچعلمی که سالانه در سراسر جهان منتشر میشود موید این ادعا است. این مقالات در شاخههای گوناگون شیمی انتشار مییابد، اما ناگفته پیداست که مباحث شیمی کوانتوم در این میان بیشترین سهم را به خود اختصاص دادهاند.
1-4- معرفی برنامههای کامپیوتری
1-4-1- نرم‌افزار گوسین
از جمله مهمترین و شاید بتوان گفت پرکاربردترین، نرم‌افزارها در زمینه به کارگیری رایانه در پژوهش‌های شیمی، نرم‌افزار قدرتمند Gaussian است .این نرم‌افزار مجموعه‌ای از برنامه‌های به هم پیوستهای است که انواع محاسبات کوانتوم مکانیکی را انجام می‌دهد. اساس Gaussian بر این پایه استوار است که مدل‌های تئوری باید برای همه سیستم‌های مولکولی، با هر اندازه و نوعی به طور یکسان قابل اجرا باشند. این نرم‌افزار قادر به محاسبه بسیاری از خواص مولکول‌ها و واکنش‌هاست .برخی کاربردهای برنامه Gaussian عبارتند از:
ساختار و انرژی مولکول
ساختار و انرژی حالت گذار
فرکانس ارتعاشی
طیفهای رامان و IR
خواص ترموشیمیایی
انرژی پیوندها و واکنشها
مسیر واکنشها
بارهای اتمی
ممان چند قطبی
محاسبات را می‌توان در فاز گازی یا در محلول، در حالت پایه یا حالت برانگیخته انجام داد. از این رو گوسین را میتوان یک ابزار قدرتمند برای کاوش در حیطههای گوناگون از مطالعات شیمیایی نظیر اثرات جانشینیی، مکانیسم واکنشها، پایداری و ... به کار برد.
1-4-2- نرم افزار گرافیکی Chem 3D
Chem3D یک نرم افزار گرافیکی است که ساختار مولکول مورد نظر را میتوان به وسیله آن رسم کرد.
در این نرم افزار بهینهسازی مقدماتی ترکیبات، با روش مکانیک مولکولی MMx انجام میشود. به این ترتیب ساختار بهینه شده، به صورت یک فایل ورودی به نام Z-ماتریکس برای برنامه کامپیوتری MOPAC آماده میشود.
1-4-3- برنامه کامپیوتری اوربیتال مولکولی MOPAC
MOPAC یک برنامه اوربیتال مولکولی نیمه تجربی برای مطالعه واکنشهای شیمیایی شامل مولکولها، یونها و همچنین ساختار مربوط به آنها میباشد. این برنامه شامل روشهای نیمه تجربی میدان خود سازگار MINDO/3, MNDO, AMI, PM3 بوده و مجموعهای از محاسبات مربوط به طیفهای ارتعاشی، مقادیر ترمودینامیکی، اثرات جابجایی ایزوتوپی و ثابت نیرو را در بر میگیرد. همچنین عناصر تعریف شده در برنامه فوق اکثرا˝ عناصر اصلی و تعداد محدودی از عناصر واسطه مانند جیوه است.
فصل دوم
تاریخچه
2-1-مقدمه
همانند آنالوگهای اتیلن عناصر گروه 14 جدول تناوبی ، عناصر گروه 15 جدول تناوبی هم ، یک نقش محوری در توسعه شیمی پیوندهای چندگانه ایفا میکنند. شیمی ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین گروه اصلی توجه زیادی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. با توجه به اصطلاح قاعده پیونددوگانه کلاسیک، فقط عناصر ردیف دوم در جدول تناوبی باید قادر باشند که تشکیل ترکیبات پایدار حاوی پیوند دوگانه بدهند، در واقع، قانون پیوند دوگانه، یک بار برای تمام عناصر که فراتر از ردیف اول جدول تناوبی هستند اعمال شد، که در آن کربن، نیتروژن و اکسیژن در تشکیل پیوندهای چندگانه موفقتر بودند و پیوند دوگانه در عناصر سنگینتر ناموفق بود زیرا فاصله طولانی بین این عناصر اجازه همپوشانی کافی به اوربیتالهای p را نخواهد داد. این قاعده پیوند دوگانه کلاسیک ، توسط تعدادی از تلاشهای ناموفق در سنتز ترکیبات تایید شد. بهعنوان مثال، کولر و مایکلس گزارش دادند که از واکنش تراکم PhPCl2 و PhPH2 مولکول دیفنیل دیفسفن تشکیل میشود، که فسفوبنزن نامیده میشود. اما بعد از آن برای اولین بار، اندازهگیری وزن مولکولی و سپس تجزیه و تحلیل ساختار با اشعه X ، نشان داد که این محصول ترکیبی از فسفوبنزن و اُلیگومر است. اشتباه مشابهی در مورد دی آرسن نیز رخ داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tokitoh</Author><Year>2000</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Norihiro Tokitoh</author></authors></contributors><titles><title>New aspects in the chemistry of low-coordinated inter-element compounds of heavier Group 15 elements</title><secondary-title>Journal of Organometallic Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Organometallic Chemistry</full-title></periodical><pages>217-227</pages><volume>611</volume><section>217</section><dates><year>2000</year></dates><work-type>Review</work-type><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. پس از این شکستها، دانشمندان متوجه شدند که جایگزینهای به اندازه کافی بزرگ برای جلوگیری از اُلیگومرشدن این گونههای واکنشپذیر لازم است پیوندهای چندگانه در میان عناصر سنگینتر گروه اصلی تمایل دارند، فعالیت بالاترشان نسبت به کربن و نیتروژن همنوع خود را نشان دهند. با این حال، با لیگاندهای به اندازه کافی بزرگ، پیوندهای چندگانه مربوط به P, As, Si, Ge و دیگر عناصر میتواند به صورت ترکیبات پایدار سینتیکی سنتز و مورد مطالعه قرار گیرد. چرا در عناصر سنگین گروههای اصلی، هیبرید شدن باهم خیلی ضعیف است؟ هیبریداسیون موثر زمانی رخ میدهد که اوربیتالهای اتمی تشکیل دهنده انرژیهای مشابه و همپوشانی فضایی بزرگ داشته باشند. انرژی نسبی اوربیتالهای اتمی، در واقع بیشتر به نفع هیبریداسیون برای عناصر سنگینتر است. دلیل اصلی این اتفاق، احتمالاً ظرفیت بسیار متفاوت و توزیع شعاع اوربیتال ظرفیت s و p ، برای ردیف اول در جدول تناوبی در مقایسه با دیگر عناصر دارای اوربیتال ظرفیت p تقریبا با همان حدود شعاع است، اوربیتال ظرفیت p عناصر سنگینتر به میزان قابل توجهی گسترده تر نسبت به اوربیتال s است. به این ترتیب، درجه هیبریداسیون کاهش مییابد و جفت تنها، بیشتر خصوصیت s را در ستون جدول تناوبی با رفتن به سمت پایین را قبول میکند.
دانش سنتز، ساختار، شیمی کئوردیناسیون و واکنش ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین نسبتاً در مراحل اولیه است، و به تازگی بررسی شدهاند.
2-2-پیدایش
سبکترین مشتقات دارای پیوند دوگانه، ترکیبات آزو، دیآزنها هستند پس از کشف دو ایزومر(سیس و ترانس ) در سال 1937 از آزوبنزن، آنها به موضوعاتی برای مطالعات تجربی و نظری متعدد تبدیل شدند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1937</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[5, 6]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley ,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>281</pages><volume>140 </volume><dates><year>1937</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1938</Year><RecNum>11</RecNum><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>633</pages><section>633</section><dates><year>1938</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6].
چندین دهه است که دیآزنها در همه جا شناخته شدهاند. پایداری پیوند دوگانه با جایگزینی گروههای بسیار بزرگ راه بدست آوردن ترکیبات همنوع بالاتر از دیآزنها بود. یوشی فوجی و همکارانش در سال 1981 اولین دی فسفن پایدار را سنتز کردند، که یک نقطه عطف واقعی در شیمی بود( در زیر تصویر آنرا میبینید) Mes*P=PMes* ، ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].

شکل 2-1 : اولین دیفسفن پایدار سنتز شده
از زمان جداسازی دیفسفن بالا، تمرکز کارها برروی شیمی این کلاس جدید از ترکیبات گسترش یافته است. یوشی فوجی دیفسفن را از احیا (2،4،6-تری-ترشیوبوتیل فنیل)دیکلرودیفسفین با عنصر منیزیم به دست آورد و ثابت شده است که احیا عوامل مختلف دیگر میتواند در سنتز دیفسفن موثر باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].
از آن زمان به بعد، دیفسفنهای بسیار دیگری سنتز شدهاند و ساختارشان مشخص شده است. این رویکرد نیز با موفقیت در مورد سنتز این دو دیآرسن، Mes*As=AsCH(SiMe3)2 و (SiMe3)3CAs=AsC(SiMe3)3 ، توسط کولی و همکارانش در سالهای 1985-1983 استفاده شد. داستان پیوند دوگانه As=As با ارائه دو ترکیب جدید توسط تاملی و همکارانش در سال 1999 با استفاده از لیگاندهای خیلی حجیم متا-تری فنیل -C6H3-2,6-Mes2 و -C6H3-2,6-Trip2 تکمیل شد. این محققین همچنین موفق به سنتز دیاستیبن و همچنین دیبیسموتنهای مربوطه شدند. با این حال، اولین ترکیبات دارای پیوند دوگانه همانند Sb=Sb و Bi=Bi توسط توکیتو و همکارانش در سال 1998- 1997 سنتز شد. سنتز ساختار و واکنشهای دیفسفنها وترکیبات همنوع خود، توسط کولی در سال 1984، کولی و نورمن در سال 1986، یوشی فوجی در سال 1990، وبر در سال 1992 و پاور در سال 1999 بصورت جامع مورد بررسی قرار گرفته شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
جدول 2-1 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

جدول 2-2 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

2-3- ترکیبات اولیه
اولین کارهای تئوری انجام شده بر روی دیفسفن HP=PH توسط ایتو و ناگاسه در سال 1986 ارائه شد. ناگاسه و همکارانش در سال 1990، محاسبات بر روی (HX=XH (X = P As, Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. [WIDAUER, 2000 #4]
ترکیبات مختلف بررسی شده در شکل 2-2 ارائه شده است، چند نمونه از دادههای مربوطه نیز درجداول زیر آمده است.

شکل 2-2 : سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه با تقارن C2h ( (X = P As, Sb, Bi
جدول 2-3 : انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH ( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-4 : پارامترهای ساختاری(طول پیوند دوگانه X=X برحسب آنگستروم و زاویه HXX برحسب درجه) برای سیستمهای HX=XH( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-5 :مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) برحسب آنگستروم و زاویه فلپ (Φx) برحسب درجه
برای سیستمهای HX=XHدر این روش با سایر روشها و کارهای تجربی
( (X = P As, Sb, Bi

محاسبه انرژی کل و نسبی، پارامترهای ساختاری و مقایسه طول پیوند تعادلی و زاویه برای تمام گونهها در جداول ارائه شده است. کارهای تئوری قبلی نشان دادند که فرم ترانس ازHX=XH پایداترین فرم از تمام گونههای X = N, P, As, Sb است. ایتو و ناگاسه در سال 1986، جانسون و همکارانش در سال1987 محاسبات درباره ایزومرهای مختلف از N2Hو همچنین ناگاسه و همکارانش در سال 1990، اسشولرو همکارانش در سال 1997 محاسبات مربوط به ترکیبات HX=XH با X = P, As,Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
2-4-مطالعات گذشته :
در سال 2012 گورگی و همکارانش پلیمرهای حاوی آزوبنزن را سنتز و رفتار ایزومریزاسیون وابسته به جانشینیی آنها را بررسی کردند. آنها گفتند که برای آزوبنزن، حداکثر جذب قوی انتقال *π-π در350 نانومتر نهفته است و جذب ضعیفتر انتقال *π-n را میتوان حدود 450 نانومتر یافت(در محلول(THF.  نوار پرانرژی انتقال *σ-σ ، در 230 نانومتر است. ترانس آزوبنزن مسطح دارای ممان دو قطبی نزدیک به صفر است. ایزومر ترانس را میتوان با تابش به ایزومر سیس غیر مسطح مربوطه تبدیل کرد. در اینجا حلقههای فنیل بنا به دلایل فضایی خارج از سطح پیچ خوردهاند، بنابراین تا حدودی سیستم کانژوگه را از بین بردهاند.  از این رو، جذب در 320 نانومتر را شدیداً کاهش میدهد در حالی که در 450 نانومتر به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. علاوه بر این، در ایزومر سیس ممان دو قطبی را از 0 تا 3 دبی افزایش میدهد. پس از تابش با نور UV به ایزومر ترانس، ایزومریزاسیون پیوند دوگانه صورت میگیرد و پیکربندی از ترانس به سیس تغییرمیکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-3 : ایزومریزاسیون سیس-ترانس آزوبنزن
نسبت ایزومرهای سیس و ترانس وابسته به میزان واکنش ایزومریزاسیون مختلف، در شدت نور، در بازده کوانتومی فتوشیمیایی ایزومریزاسیون سیس - ترانس و ترانس - سیس و همچنین ضریب جذب از ایزومرهای مربوطه در طول موج تابش است. میزان واکنشهای حرارتی به نوبه خود وابسته به مکانیسم ایزومریزاسیون که میتواند صورت بگیرد با وارونه شدن یکی از نیتروژنهای مرکزی از گروه آزو که منجر میشود به دوباره هیبرید شدن یکی از اتمهای نیتروژن از حالت هیبرید sp2 به حالت هیبرید sp ، و یا از طریق یک مکانیزم چرخش که به شدت مورد علاقه مشتقاتی با ممان دو قطبی قوی است. شکل(2-3) را ببنید. ظاهر این مکانیسمهای متفاوت، به شدت وابسته به قطبیت مولکول و محیط اطراف هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-4 : شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوبنزن
در سال 2008، یوان و همکارانش یک مطالعه دینامیک نیمه کلاسیک برروی فتوایزومریزاسیون ترانس- سیس آزوبنزن انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Shuai Yuan</Author><Year>2008</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Shuai Yuan, Wei Feng Wu, Yusheng Dou, Jian She Zhao</author></authors></contributors><titles><title>Trans–cis photoisomerization of azobenzene by excitation: A semiclassical dynamics study</title><secondary-title>Chinese Chemical Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chinese Chemical Letters</full-title></periodical><pages>1379-1382</pages><volume>19</volume><section>1379</section><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].
در مطالعه دینامیک شبیهسازی شده، گزارش شد که تشکیل ایزومر سیس به پیروی از حرکت چرخشی در اطراف پیوند N=N است ]11[.

شکل 2-5 : واریانس انرژی (a) و جمعیت الکترونی (b) مربوط به اوربتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان

شکل 2-6 : واریانس زوایای پیچشی CNNC(a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان
در سال 1958 زیمرمن و همکارانش طیف آزوبنزن را ارائه دادند. همانطور که میتوان در شکل 2-7 دید ، ایزومر ترانس آزوبنزن یک جذب قوی در 318 نانومتر و یک جذب ضعیف در 432 نانومتر را نشان میدهد. ایزومر سیس دارای دو باند جذب است، یک جذب قوی در 260 نانومتر و یک جذب ضعیف در 440 نانومتر است. همپوشانی آشکار در جذب این دو ایزومر وجود دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zimmerman.G</Author><Year>1958</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zimmerman.G , Chow.L , Paik.U </author></authors></contributors><titles><secondary-title>American Chemical Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>American Chemical Society</full-title></periodical><pages>3528-3531</pages><volume>80</volume><section>3528</section><dates><year>1958</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].

شکل 2-7 : طیف UV/vis آزوبنزن
در سال 2009 سیمپسون و همکارانش محاسباتی درباره ایزومریزاسیون و موانع پیچش فنیل با استفاده (DFT) در سطح نظری B3LYP /6-31 + G ** در ترکیبات Aryl-X=Y- Aryl انجام دادند که در آن X,Y = C, N, P میباشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].

شکل2-8 : E(E-Z) Δ و موانع چرخش در پیچش پیوند دوگانه X=Y محاسبه شده در سطح نظری **B3LYP/6-31+G
X,Y = C, N, P
سیمپسون و همکارانش دریافتند که ایزومر ترانس دارای انرژی ساختار پایینتر برای هر چهار مولکول مورد مطالعه است، بنابراین پایدارترین ایزومر است. پیکربندی ترانس1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای Aryl-X=Y=Aryl ، حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. برای ایزومر ترانس- و سیس-1و2-دیفنیل دیآزن مقدار Eبه ترتیب برابر با 15.8 و 48.2 کیلو کالری بر مول است و برای ایزومر ترانس- و سیس- 1و2-دیفنیل دیفسفن مقدار Eبه ترتیب برابر با 5.5 و 38.7 کیلو کالری بر مول است. موانع چرخش در مورد پیوند دوگانه میتواند بوسیله استحکام پیوند π ، تعیین شود.. شکل 2-8 نشان میدهد که ضعیفترین پیوند π در مولکول P = P یافت میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
میزان ایزومریزاسیون حرارتی برای چند دیفسفن مشابه به صورت زیر مشاهده شده است که :
)Z → E: ∆G‡ ~20 kcal/mol at 0 °C∆ ، H‡ = 5/29 ± 4/1 kcal/mol and ∆S‡ = 38 6± cal/mol K (
آنتروپی فعالسازی نسبتاً بزرگ ممکن است به علت ازدحام فضایی باشد که توسط ایزومریزاسیون، رها میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
پیکربندی ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. انرژی ساختاری پایین این مولکولها تعادل بین مولکولی بین سیستم π کانژوگه در سراسر مولکول را منعکس میکند که همواره به سوی مسطح بودن مولکولی است، و ممانعت فضایی، پیکربندی غیر مسطح را القا میکند. این ممانعت فضایی به علت زاویه کوچک لیگاند بیشتر تشدید میشود، که در نتیجه اثر کمتر هیبریداسیون sp2  در عناصر سنگین گروه اصلی میباشد. زاویه معادل در 1و2-دیفنیل دیآزن بسیار نزدیک به 120 درجه است. انرژی در 90 τ = ، که در آن حلقه فنیل به پیوند مرکزی X = Y متعامد است، نشان میدهد که کانژوگه در سراسر مولکول و نیز برای مولکول حاوی فسفر کاهش مییابد. در دیفسفن تجربی مشخص شد، که استفاده از گروه بزرگ برای حفاظت از واکنش پذیری پیوند دوگانه منجر میشود به طیف گسترده ای از زاویه پیچش فنیل، که اکثر آنها زوایا بیشتر از 45 درجه دارند. پیکربندی الکترونی یکسان نیتروژن و فسفر نشان میدهد که ایزومریزاسیون در دیفسفن به احتمال زیاد آیینه آزوبنزن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
در سال 2009 پنگ و همکارانش برای محاسبه سطوح انرژی پتانسیل با بهینهسازی ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن، در سطح نظری نسبتاً بالای ((B3LYP/6–31+G(d,p) یک پروژه - ریسرچارائه دادند. DFT و TDDFT را برای ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن به همراه مختصات کامل، در زاویای مختلف از پیچش فنیل بکار گرفتند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]. دیفسفنها به طور معمول دو جذب بزرگ UV/vis نشان میدهند، که هر دو عمدتاً به گروه P=P اختصاص داده میشود.

شکل 2-9 : پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن ((Ph-P=P-Ph در سطح ( B3LYP/6–311+G(2df,2p بهینهسازی شدهاند. مقایسه ساختارهای Mes P=P-Mes* * و Dmp-P=P-Dmp نیز فراهم شده است τ1 زاویه پیچش 3-2-1-1) ) وτ2 زاویه پیچش 3'-2'-1'-1) ) زوایای پیچش فنیل نسبت به پیوند تقریبا مسطحP = P هستند (زاویه پیچش در 2-1-1'-2' = τPP). Rpp طول پیوند P=P است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].
در سال 2001 گیلوزو وهمکارانش ساختار الکترونی از مشتقات دیفسفن و دیآرسن را بررسی کردند. در جدول2-6 نتایج بعضی پارامترها آمده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>karinne miqueu</Author><Year>2001</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">21</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>karinne miqueu , jean-marc sotiropoulos , genevieve guillouzo . et.all</author></authors></contributors><titles><title>The electronic nature of the -Pn=Pn- derivatives (Pn=P/As)</title><secondary-title>journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>139-146</pages><volume>545</volume><section>139</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
جدول2-6 : محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسن های مختلف در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

استپانیک و دیگر همکارانش ساختار و طیف ارتعاشی سیس و ترانس آزوبنزن را در سال 2001 بررسی کردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>V.Stepanic</Author><Year>2001</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>V.Stepanic , G. Baranovic , V.Smrecki</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>89-109</pages><volume>569</volume><number>569</number><section>89</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
جدول2-7 : پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

شکل2-10 و جداول 2-8 و2-9 با استفاده از محاسبات کوانتومی آغازین روش CASSCF) ) توسط آماتاتسو در سال 2009 ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Amatatsu</Author><Year>2009</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Yoshiaki Amatatsu</author></authors></contributors><titles><title>Potential Energy Surfaces for the S1 S0 Relaxation of trans-Diphenyldiphosphene in the P=P Rotation-Restricted Condition</title><secondary-title>J. Phys. Chem. A</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Phys. Chem. A</full-title></periodical><pages>9667-9674</pages><volume>113</volume><section>9667</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17].

شکل2-10 : شماره گذاری اتمها و نمادهای زاویه پیوند، طول پیوند و زاویه پیچشی برای دیفنیل دیفسفن
جدول2-8 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن در سطح نظری CASSCF) )

جدول2-9 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن در سطح نظری CASSCF) )

مطالعات خوبی درباره ایزومریزاسیون آزوبنزن توسط وانگ و همکارانش در سال 2009 انجام شد. آنها با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی آغازین روش CASSCF دریافتند که ترانس آزوبنزن با تقارن C2h نسبت به سیس آزوبنزن با تقارن C2 دارای انرژی پایینتری است( 16.2 کیلوکالری بر مول). در جدول 2-10 میتوانید پارامترهای ساختاری برای RE=ER بهینه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) ) را مشاهده کنید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].
جدول2-10 : پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER محاسبه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) )

شکل زیر هم تصویری از پارامترهای ساختاری آزوبنزن است که در سال 2009 توسط وانگ و همکارانش ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].

شکل2-11 : زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن
در سال 2010 چن و سو سطوح انرژی پتانسیل واکنش حلقهزایی، مولکولهای گروه 15 Ph-E = E-Ph به 2- بورا فرروسنوفان را با استفاده از نظریه تابعی چگالی (B3LYP/LANL2DZ) مورد مطالعه قرار دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]. پارامترهای هندسی کلیدی Ph-E = E-Ph برای هر دو حالت یکتایی و سه تایی به ترتیب در شکل 2-12 و 2-13 آورده شده است. علاوه بر این، محاسبه خواص فیزیکی مولکول Ph-E = E-Ph برای مقایسه با برخی از دادههای تجربی در جدول 2-11 داده شده است.

شکل 2-12 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph

شکل 2-13 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph
توافق خوبی بین نتایج محاسباتی بدست آمده این دانشمندان و دادههای تجربی وجود دارد که نشان دهنده قابل اعتماد بودن روش و نتایج است. نکته مهم اینکه ساختار ترانس همیشه ثابت شده که نسبت به ساختار سیس پایدارتر است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19].
جدول 2-11 : خواص فیریکی از جمله انرژی تفکیک پیوند، انرژی تبدیل ترانس به سیس و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولکول Ph-E = E-Ph

2-5 نتیجه
آنچنان که مشاهده شد، مطالعات متعدد محاسباتی درباره ترکیبات مورد نظر ما یا مشتقات مختلف دیگر از این ترکیبات گزارش شده است اما هنوز یک تصویر مناسب با استفاده ازروشهای مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO که مولکول Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را بررسی نماید نشان داده نشده است. اطلاعات تجربی در مورد ایزومریزاسیون ترکیبات مورد نظر منتشر شده اما دادههای تجربی یا نظری در مورد اثرات عدم استقرار و برهمکنش دوقطبی-دوقطبی برروی خواص پیکربندی ترکیبات ما منتشر نشده است. بررسی دقیق این پژوهش، درک بهتری از تاثیر اثرات مختلفی همچون اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی در تعیین پایداری گونههای مورد نظر بالا، که تاکنون ارائه نشده است، را فراهم میکند. در اینجا، ما یک بررسی کامل برای تعیین پایداری گونههای Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را گزارش میکنیم. این مطالعه میتواند نشان دهنده اطلاعات بسیار مفیدی باشد که ضمن تایید، گسترش میدهد آنچه را که درباره پایداری مولکولهای موردنظر شناخته شده است و همچنین کمک میکند تا زمینهای برای مطالعات آینده ایجاد شود.
فصل سوم
محاسبات شیمیایی
3-1- مقدمه :
در اواخر قرن هفدهم، ایساک نیوتن موفق شد مکانیک کلاسیک و قوانین حرکت اجسام ماکروسکوپی را کشف کند. در اوایل قرن بیستم فیزیکدان‌ها دریافتند که مکانیک کلاسیک از توجیه صحیح رفتار ذرات خیلی کوچک، نظیر الکترون‌ها و هستۀ اتم‌ها و مولکول‌ها عاجز است و معلوم شد که رفتار چنین ذراتی توسط مجموعه‌ای از قوانین به نام مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
شیمی کوانتومی دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی در تمام شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلاً دانشمندان شیمی فیزیک، مکانیک کوانتومی را به کمک مکانیک آماری در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی گازها)، در تفسیر طیف‌های مولکولی به منظور تأئید تجربی خواص مولکولی (مانند طول‌ها و زوایای پیوندی، گشتاورهای دوقطبی، سدهای مربوط به دوران داخلی، تفاوت‌های انرژی بین ایزومرهای همدیس)، در محاسبات نظری خواص مولکولی برای محاسبۀ خواص حالات‌ گذار در واکنش‌های شیمیایی به منظور برآورد ثابت‌های سرعت واکنش، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی‌ ماهیت پیوند در جامدات به کار می‌برند. دانشمندان شیمی آلی از مکانیک کوانتومی برای برآورد پایداری‌های نسبی مولکول‌ها محاسبۀ خواص واسطه‌های واکنش، بررسی سازوکار واکنش‌های شیمیایی، پیش‌بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیف‌ها استفاده می‌کنند. دانشمندان شیمی تجزیه، به صورتی گسترده از روش‌های طیف سنجی کمک می‌گیرند. شدت و فرکانس‌های خطوط طیفی، تشابه کمک مکانیک کوانتومی قابل فهم و تفسیر هستند.
دانشمندان شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یون‌های مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.
3-2-محاسبات شیمیایی
شیمی محاسباتی شاخه‌ای از شیمی نظری است که می‌تواند ساختار، انرژی‌ و دیگر خصوصیات شناخته شده یا نشده مولکول‌ها را پیشگویی کند. برای انجام محاسبات باید از کامپیوترهای رقمی استفاده نمود که سیستم‌های شیمیایی را شبیه‌سازی می‌نمایند. از طرف دیگر تمام روش‌های محاسباتی برای مطالعه‌ی یک مولکول مناسب نمی‌باشد. پس در ابتدا باید یک روش نظری مناسب را برای مطالعۀ یک مولکول انتخاب نمود. در شیمی محاسباتی، سیستم‌هایی که به طور دقیق قابل حل می‌باشند، عبارتند از سیستم‌های تک ذره‌ای یا دو ذره‌ای که سیستم دو ذره‌ای با استفاده از دستگاه مختصات مرکز جرم می‌تواند به دو مسئله تک ذره‌ای تبدیل شود. در مورد سیستم‌های چند ذره‌ای محاسبات ریاضی بسیار پیچیده و طولانی موردنیاز است. قبل از اختراع کامپیوتر، تعداد سیستم‌هایی که با دقت بالا قابل حل بودند، انگشت شمار بود. هم‌اکنون کامپیوتر در بسیاری از شاخه‌های علوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه شاخه‌ای جدید از شیمی به نام شیمی محاسباتی که در آن کامپیوتر به عنوان یک وسیلۀ تجربی مانند طیف نگار NMR، IR مربوط به مسایل شیمیایی است. به طورکلی روش‌های محاسباتی که برای مطالعه مکانیسم واکنش‌ها، پایداری ترمودینامیکی، ساختار و خواص مولکولی، از قبیل انرژی، طول پیوند و زاویه پیوندی به کار ‌رود، شامل دو روش اصلی مکانیک مولکولی (کلاسیک)1 و مکانیک کوانتومی می‌باشد.
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیکپایه و اساس این محاسبات، روش‌های مکانیک نیوتن است. در این روش‌ها قوانینی مانند قانون هوک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این روش‌ها، روش تجربی میدان نیرو1(EFF) (مکانیک مولکولی نیز نامیده می‌شود) می‌باشد. روش مذکور از الگوی یک مولکول که در آن اتم‌ها توسط پیوندها به هم دیگر متصلند شروع می‌شود. برای برهم‌کنش بین اتم‌های ناپیوندی نیز سهمی منظور می‌شود. این روش‌ها توسط وستهایمر، هندریکسون، وایبرگ، الینر، وارشل و دیگران توسعه یافت.
انرژی الکترونی مولکولی U، به صورت زیر نوشته می‌شود:
(3-1)
که به ترتیب شامل انرژی کشش پیوند، انرژی خمشی پیوند و انرژی برهم‌کنش واندروالس و انرژی پیچشی می‌باشد. در روش MMP2 انرژی کشش پیوند به صورت تابع درجه دومی از تغییر هریک از طول‌های پیوند از طول تعادلی پیش‌بینی شده به صورت تعریف می‌شود:
(3-2)
که در آن ثابت نیرو برای کشش پیوند، i است.
در مورد یک جابجایی جزیی هسته‌ها از مواضع تعادلیشان، U به طور تقریبی یک تابع درجه دومی از است. انرژی خمشی پیوندبه صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
(3-3)
در رابطۀ فوق،، به ترتیب مبین زاویۀ موجود، زاویه تعادلی مورد انتظار و ثابت نیروی خمشی برای زاویۀ پیوندی i است. طول‌ها و زوایای مورد انتظار و عبارت از کمیت‌های انتخاب شده از هندسه‌های تعادلی معین، برای مولکول‌های کوچک آزادند (مثلاً طول‌های نوعی پیوند یگانه کربن- کربن برابر 53/1آنگستروم است). انرژی برهم‌کنش واندروالسی به صورت مجموع برهم‌کنش‌های بین زوج اتم‌های ناپیوندی بیان می‌شود. انرژی برهم‌کنش واندروالس به صورت زیر تعریف می‌شود:
(3-4)
مقدار انرژی واندروالسی به فاصلۀ مابین اتم‌ها بستگی دارد، از رابطۀ فوق زمانی استفاده می‌شود که باشد. در رابطۀ فوق r فاصلۀ مابین اتمی، مجموع شعاع واندروالسی دو اتم را نشان می‌دهد. به عنوان ثابت انرژی برای یک زوج اتم از رابطه
(3-5)
به دست می‌آید. و پارامترهای مربوط به سختی هر اتم می‌باشد. بنابراین برای دو اتم از یک نوع است. زمانی که باشد، معادله مربوط به انرژی واندروالسی به صورت زیر است:
(3-6)
عبارت مربوط به انرژی پیچشی به صورت زیر است:
(3-7)
که در آن ، و سدهای انرژی بوده و زاویۀ پیچش حول پیوند مشخص شده است. لازم به ذکر است که اگر مولکول دارای یک یا چند حلقه کوچک باشد، به منظور دخالت دادن کرنش فضایی حاصل، جملات دیگری اضافه می‌شوند. اگر مولکول دارای گروه‌های قطبی باشد، برای نمایش برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی بین این گروه‌ها، جملاتی اضافه می‌شود.
علاوه بر این‌، در مورد ترکیبات آروماتیکی، اطلاعاتی از قبیل مراتب پیوندهای ناشی از محاسبات مکانیک کوانتومی الکترون نیز شرکت می‌کنند. اگر پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی وجود داشته باشد برای آن نیز جملاتی منظور می‌شود. چون تابع انرژی پتانسیلU برای ارتعاش مولکولی تولید می‌شود، لذا می‌توان روش EFF را به منظور محاسبه فرکانس‌های ارتعاشی مولکول به کار برد. توجه داشته باشید که تراز انرژی صفر به صورتی انتخاب می‌شود که با همه طول‌ها و زوایای پیوندی دارای مقادیر متداول و متناظر بوده و در آن برهم‌کنش‌های واندروالس ناپیوندی و یا برهم‌کنش‌های دورانی داخلی مطرح نباشد. در یک چنین حالت فرضی به خوبی می‌توان انرژی مولکولی را به صورت مجموعه‌ای از انرژی‌های پیوند تجربی تقریب کرد. به منظور اعمال روشEFF، داشتن داده‌های کافی برای انتخاب مقادیر پارامترها، ضروری است. از این رو، اغلب کاربردهای روش مزبور، در مورد هیدروکربن‌ها بوده است. مولکول‌های شامل گروه‌های قطبی منزوی نیز به راحتی از این طریق بررسی می‌شوند.
هم چنین با توجه به این که روش مذکور برای حالت پایۀ مولکول‌ها فرمول‌بندی شده‌اند، نمی‌تواند وضعیت‌های هندسی را که شامل فرایند شکستن یا گسستن پیوند می‌باشد را تعیین نماید. با این حال روش مکانیک مولکولی، برای محاسبه پایداری نسبی ساختارهای مولکولی مفید است زیرا محاسبات مربوط به آن مثل محاسبات اوربیتال مولکولی وقت‌گیر نیست و برای مطالعه مولکــول‌های نسبتاً بزرگ آلی مناسب می‌باشد.
تحقیـقات وسیعی در این زمیــنه توسط کولمـن1انجام شـده است که به نام روش AMBER 4.0 معروف است.
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی
اساس محاسبات مکانیک کوانتومی نظریه اوربیتال مولکولی می‌باشد که از تقریب اوربیتال مولکولی هارتری فاک11استفاده می‌شود. از میان روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توان به معادله موجی شرودینگر22، نمایش برداری دیراک33، جوردان44 و محاسبات ماتریسی هایزنبرگ55و بورن66اشاره کرد.
از میان روش‌های مذکور، نمایش‌برداری دیراک روش گسترش یافته‌تری در مقایسه با روش‌های دیگر است. معادله موجی شرودینگر از میان روش‌های فوق، شناخته شده‌تر می‌باشد. به همین دلیل در اکثر مسایل شیمیایی با حدس هامیلتونی واقعی7و تابع موج واقعی معادله شرودینگر حل می‌شود.
(3-8)
که در آنعملگر هامیلتونی، تابع موج و E انرژی تابع موج است. روش‌های محاسباتی مکانیک کوانتومی گستردگی بسیاری دارد، و شامل روش‌های ساده و پیچیده می‌باشد. از روش‌های محاسباتی ساده می‌توان نظریه هوکل را نام برد، که در آنها الکترون‌های لایه ظرفیت در نظر گرفته می‌شود و از روش‌های پیچیده، روش محاسباتی آغازین را می توان نام برد.
در حد فاصل روش‌های فوق روشهای نیمه تجربی قرار دارند، که هریک از آنها نیز روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرند. اما وجه اشتراک تمام این روش‌ها این است که با استفاده از گرادیان انرژی ساختار مولکول را بهینه می‌کنند، یعنی یک مولکول با مناسب‌ترین پیکربندی و کمترین مقدار انرژی به دست می‌آید. علاوه بر این‌ها روش دیگری به نام روش دینامیک مولکولی وجود دارد که با استفاده از معادلات نیوتنی رفتار سیستم‌های فیزیکی را شبیه‌سازی می‌کند.
تفسیر واکنش شیمیایی براساس برهم‌کنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها دینامیک شیمیایی نامیده می‌شود. با پیشرفت این علم امیدی در دل شیمیدانان زنده می‌شود، که دیگر مجبور نخواهند بود نظاره‌گر آن باشند که واکنش شیمیایی چه محصولی برای او تولید می‌کند، بلکه می‌توانند به کمک دینامیک مولکولی، واکنش را به سوی تولید محصول دلخواه سوق ‌دهند.
با توجه به مطالب ذکر شده روش‌های محاسبات مکانیک کوانتومی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شود:
روش نیمه تجربی11
روش آغازین22
3-2-2-1- روش‌های نیمه تجربی
اگر در حل معادله شرودینگر به جای برخی انتگرال‌ها جواب آنها را قرار دهیم یا از بعضی از انتگرال‌ها که سهم ناچیزی در جواب معادله دارند صرف نظر کنیم، به این ترتیب تعداد انتگرال‌هایی که باید حل شوند کم شده و زمان لازم برای رسیدن به ساختار بهینه کمتر می‌شود. به این روش که حل معادله‌ی شرودینگر در آن با تقریب حل می‌شود روش‌های نیمه تجربی گویند.
روش‌های نیمه تجربی دو هدف را دنبال می کنند:
اختار حاصل از این محاسبه با روش‌های تجربی یکسان باشد. به این نوع روش‌ها، روش مکتب دوار3گویند.
ممکن است هدف این باشد که ساختار حاصل از این روش به ساختار حاصل از روش آغازین نزدیک باشد. به این روش، روش مکتب پاپل4گویند.
روش‌های نیمه تجربی معرفی شده به صورت زیر هستند:
1- روش اوربیتال مولکولی الکترون آزاد(FEMO)
2- روش اوربیتال مولکولی هوکل(HMO)
3- روش پار، پاپل، پاریزر(PPP) 4- روش گسترش یافته هوکل(EHMO) 5- روش چشم‌پوشی کامل از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(CNDO)
6- روش چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(INDO)
7- INDO عمود شده متقارن(SINDO)
8- روش برهم‌کنش پیکربندی اغتشاشی با استفاده از اوربیتال‌های متمرکز(PCILO)
9- روش چشم‌پوشی از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی (NDDO)
10- روش ابقاء جزئی هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(PRDDO)
11- روش اصلاح شده چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشانی دیفرانسیلی(MINDD)
12- روش اصلاح شده چشم‌پوشی از هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(MINDO)
13- روش تصحیح شده (AM1) MNDO
14- روش تصحیح شده (PM3) AM1
3-2-2-2 -روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین
از این روش برای بررسی مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود که یکی از معتبرترین روش‌های موجود می‌باشد که در آن تعداد بسیار محدودی تقریب استفاده شده است. این روش نسبت به روش‌های دیگر از ویژگی خاصی برخوردار است و آن این است که پیش‌بینی‌های آن براساس اصول اولیه کوانتومی نظیر ثابت‌های اساسی، سرعت نور، بار الکترون و ثابت پلانک بیان شده است.در این روش با حل معادله شرودینگر به انتگرال‌های روتان12می‌رسیم (روتان اولین کسی بود که به جای اوربیتال‌ها استفاده از توابع پایه را بنا نهاده است)، اگر تمام این انتگرال‌های چند الکترونی- چندمرکزی را حل کرده و بدون هیچ نوع دستکاری و تقریب به جواب برسیم، با (Ab initio) عمل کرده‌ایم.
در این روش از عملگر هامیلتونی استفاده می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20] .عبارت Ab initio بیانگر روش پیچیده برای حل اوربیتال‌های مولکولی بر مبنای اصول اولیه می‌باشد. در روش آغازین انتگرال‌ها را پارامتر ثابت در نظر نمی‌گیرند و باید حل شوند که این امر امکان‌پذیر نمی‌باشند. در این روش با اینکه فرضیات ساده‌ای در نظر گرفته می‌شود، اما به جواب‌های دقیق می‌توان دست یافت و با توجه به اینکه به زمان محاسباتی زیادی نیاز دارد، بیشتر برای مولکول‌های کوچک به کار می‌رود.
(3-9)

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

مشخصه هسته i و j مشخصه الکترون می‌باشد.
روش‌های آغازین در میان دیگر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. تعیین توابع موج الکترونی دقیق برای مولکول‌ها کار دشواری است. با روش‌های آغازین می‌توان الگوی مناسبی را برای توابع موج الکترونیکی مولکول انتخاب کرده، و محاسبات را بدون تقریب‌های بیشتر یا داده‌های تجربی انجام داد. بنابراین در محاسبات آغازین تقریب براساس الگو قرار می‌گیرد. این امر به وضوح بر اعتبار نتایج حاصل، تأثیرگذار خواهد بود. به طوری که انتخاب نامناسب الگو منجر به نتایج ناصحیح و گمراه‌کننده می‌شود.
3-3-تقریب بورن اپنهایمر1خواص شیمیایی اتم‌ها و مولکول‌ها به کمک ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود. الکترون‌ها بسیار سبکتر از هسته‌ها هستند و در اکثر مسائل ساختار مولکولی می‌توان حرکت الکترونی و هسته‌ای را به طور جداگانه بررسی کرد. الکترون‌ها بسیار سریعتر از هسته‌ها حرکت می‌کنند و می‌توان تصور کرد که الکترون‌ها ذاتاً یک پتانسیل استاتیکی را به واسطه هسته‌ها تجربه می‌کنند. به عبارت دیگر، ملاحظه می‌شود که هسته‌ها در معرض پتانسیل متوسطی به واسطۀ الکترون‌ها قرار دارند. این مطلب اساس جداسازی بورن- اپنهایمر است که در آن برای یک مولکول معادله شرودینگر کلی که حرکات الکترون‌ها و هسته‌ها را توصیف می‌کند، به دو معادلۀ مجزا برای الکترون‌ها و هسته‌ها تبدیل می‌شود. اگر هسته‌ها و الکترون‌ها را به صورت نقاط مادی در نظر بگیریم در این صورت هامیلتونی مولکول به صورت زیر است :
(3-10)
که در آن و مشخصه‌های هسته و و مشخصه‌های الکترون‌ها هستند. جمله اول موجود در معادلۀ بالا عملگر انرژی جنبشی هسته‌ها، جمله دوم مربوط به عملگر به انرژی جنبشی الکترون‌ها و جمله سوم مربوط به دافعۀ بین هسته‌ها است که در آن ، فاصلۀ بین هسته‌های و با اعداد اتمی را بیان می‌کند. جمله چهارم، بیانگر جاذبه بین الکترون‌ها و هسته‌ها است که در آن فاصلۀ بین الکترون i و هسته را نشان می‌دهد و در نهایت آخرین جمله دافعه بین الکترون‌هاست که در آن ، بیانگر فاصله بین الکترون‌های i و j است. معادلۀ شرودینگر کل را می‌توان به صورت عبارت (3-52) نوشت:
(3-11)
که در اینجا و عملگرهای انرژی جنبشی برای هسته‌ها و الکترون‌ها (به ترتیب در موقعیت‌های R و r نسبت به مرکز جرم) می‌باشد. جملات انرژی پتانسیل انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی ناشی از برهم‌کنش‌های هسته-هسته، الکترون- هسته و الکترون- الکترون هستند. اگر حرکات هسته و الکترون‌ها قابل جدا کردن باشند، می‌توان تابع موج کل را به صورت توابع موج الکترونی و هسته‌ای نوشت:
(3-12)
تابع موج الکترونی ز لحاظ پارامتری به پیکربندی هسته‌ای (R) بستگی دارد و جوابی برای معادلۀ الکترونی شرودینگر محسوب می‌شود.
(3-13)
تابع موج هسته‌ای جوابی برای معادلۀ شرودینگر هسته‌ای به صورت معادلۀ (3-5) می‌باشد.

–393

12- نام دانشجو: ساجد
13- نام خانوادگی دانشجو: پاک
14- تاریخ تصویب پایان‌نامه: 14/8/1392
15- تاریخ دفاعیه: 29/2/1393 28- نمره پایان‌نامه: 65/17
« فرم ارائه چکیده پژوهش یا رساله »
عنوان رساله یا پژوهش: مطالعه تشکیل نانو ترکیبات پرانرژی 2و 22 بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روشهای محاسباتی
نام خانوادگی دانشجو: پاک نام: ساجد مقطع : کارشناسی ارشد تاریخ دفاع:29/2/1393 نمره دفاع: 65/17
گروه علمی:
علوم پزشکی 
علوم انسانی 
علوم پایه
فنی و مهندسی 
کشاورزی 
هنر 

رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی: شیمی
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
گرایش:
گرایش:
گرایش: کاربردی
گرایش:
گرایش:
گرایش:
نام خانوادگی استاد راهنما (1): میرزایی
نام خانوادگی استاد راهنما (2):
نام خانوادگی استاد مشاور(1):
نام خانوادگی استاد مشاور(2):
نام: محمود
نام:
نام:
نام:
رتبه دانشگاهی: استادیار
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رشته تحصیلی: شیمی - فیزیک
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
چکیده فارسی پژوهش یا رساله ( شامل: خلاصه اهداف، روش‌های اجرا و نتایج به دست آمده ـ حداکثر در 10 سطر):
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.در این تحقیق از ترکیب Bi H Imidazole به عنوان ترکیب مرجع استفاده شده است ، که با قرار دادن نانولوله کربن به همراه پروپان در موقعیت های مختلف مولکول مرجع خواص ترمودینامیکی آنها مورد بررسی قرار میگیرد. که این خواص شامل انرژی،HOMO,LUMO انتالپی ،ممان دوقطبی و دیگر خواص مهم است. و از شیمی محاسباتی برای تعیین پارامتر های مختلف استفاده می شود. ودر آخر تاثیر استخلافهای CNT PR بر مولکول مرجع با هم مقایسه می شود.
اهداف علمی : گسترش مرزهای دانش در حوزه نانوترکیبات پرانرژی
اهداف کاربردی : بهره گیری از نانو ساختارها در بهره وری پر انرژی از آنها

فرم تعهد نامه اصالت رساله یا پژوهش
اینجانب ساجد پاک دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته رشته شیمی گرایش کاربردی که در تاریخ 29/2/1393 از پایان نامه خودباعنوان مطالعه تشکیل نانوترکیبات پرانرژی 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روش‌های محاسباتی با کسب نمره 17.65 و درجه ............... دفاع نموده ام ،بدین وسیله متعهد می شوم:
این پژوهش حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده ودر مواردی که از دستاوردهای علمی وپژوهشی دیگران (اعم از پژوهش ،کتاب ،وپروژه - ریسرچو...) استفاده نموده ام ، مطابق ضوابط و رویه موجود ، نام منبع مورد استفاده وسایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر ودرج کرده ام.
این پژوهش قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر)در سایر دانشگاهها وموسسات عالی ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت از تحصیل ، قصد استفاده یا هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب ، ثبت واختراع و... از این پژوهش را داشته باشم ، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوز های مربوطه را اخذ نمایم.
چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق با ضوابط ومقررات رفتار نموده ودر صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچگونه ادعایی نخواهم داشت.

نام و نام خانوادگی:
تاریخ و امضاء:
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده فارسی ......................................................................................................................................................... 1
مقدمه ..................................................................................................................................................................... 2
فصل اول :کلیات
1-1- مباحث بنیادی ........................................................................................................................................................................ 4
1-1-1- تاریخچه نانو فناوری ......................................................................................................................................................... 4
1-1-2- تعریف .................................................................................................................................................................................. 4
1-1-3- سرمایه گذاری ................................................................................................................................................................... 4
1-2- نانو لوله های کربنی ............................................................................................................................................................... 5
1-2-1- زمینه تاریخی .................................................................................................................................................................... 6
1-3- ایمیدازول ............................................................................................................................................................................ 9
1-3-1- تعریف ............................................................................................................................................................................... 9
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها ........................................................................................................................................... 11
1-4-1- نقطه ذوب و جوش ...................................................................................................................................................... 11
1-4-2- حلالیت ........................................................................................................................................................................... 13
1-4-3- ویسکوزیته ................................................................................................................................................................... 15
1-4-4- ممان دوقطبی ............................................................................................................................................................... 16
1-4-5- خواص فیزیکی مختلف ................................................................................................................................................ 17
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها ....................................................................................................................................... 18
1-5-1- قدرت پایه ای ............................................................................................................................................................... 18
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی ................................................................................................................................................... 20
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی ................................................................................................................ 21
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................................... 24
2-2- روش های محاسباتی ......................................................................................................................................................... 25
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین ....................................................................................................................................... 26
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک ................................................................................................................ 26
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست ..................................................................................................................................... 26
2-2-1-3- روش های نیمه تجربی .......................................................................................................................................... 27
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی ........................................................................................................................ 27
2-3- نظریه تابعی چگالی ............................................................................................................................................................ 28
2-4- سری پایه ............................................................................................................................................................................. 29
2-5- نرم افزار های مورد استفاده .............................................................................................................................................. 31
2-5-1- نرم افزار گوسین ............................................................................................................................................................. 31
2-5-2- نرم افزار های هایپرکم و گووس ویو ...................................................................................................................... 33
فصل سوم : روش های پژوهش
3-1- توضیحاتی درباره ی روش محاسبات ............................................................................................................................ 35
3-2- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................................... 36
3-3- مولکول CNT-PR ........................................................................................................................................................... 39
3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 43
CNT-PR در موقعیت کربن R2
3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 47
CNT-PRدر موقعیت کربن R4
3-6- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................. 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
3-7- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف .................................................................................................. 57
CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
3-8- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................ 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
3-9- مولکول 2و 2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .............................................................................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3وHG7251
3-10- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
3-11- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ......................................................................................... 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فصل چهارم : نتایج و مشاهدات
4-1- روش بدست آوردن خواص ترمودینامیکی مورد نظر ................................................................................................. 89
4-2- : تشریح ساختار مدلها، مقادیر انرژی، آنتالپی واکنش، بار مولیکن، ................................................................. 90
همسانگرد و نا همسانگرد، δ و Cq بدست آمده
فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری
5-1- بررسی انرژی های تشکیل بهینه شده .......................................................................................................................... 97
5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو ........................................................................................................................................ 98
5-3-بررسی ممان دوقطبی ......................................................................................................................................................... 99
5-4-بررسی آنتالپی واکنش .................................................................................................................................................... 100
5-5- بررسی بار مولیکن ......................................................................................................................................................... 101
5-6- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد و نا همسانگرد .................................................................................................. 102
5-7- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته Cq ................................................................................................... 105
5-8- بررسی تغییر مکان شیمیایی δ .................................................................................................................................... 106
5-9-نتیجه گیری ...................................................................................................................................................................... 108
منابع .............................................................................................................................................................................................. 109
چکیده انگلیسی ....................................................................................................................................................................... 112
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی ................................................................................................ 12
جدول 1-2- دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف ................................................................................................ 12
جدول 1-3- دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف .............................................................. 13
جدول 1-4- حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن ............................................................................................................. 14
جدول 1-5- مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان .................................................................................. 14
جدول 1-6- ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول ................................................................. 15
جدول 1-7- ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها .............................................................................................. 16
در حلالهای مختلف بر حسب دبای
جدول 1-8- ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای .................................................................... 16
جدول 1-9- دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ................................................................................ 17
ایمیدازول در دماهای مختلف
جدول 1-10- کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف .............................................................................. 18
جدول 1-11- گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول ....................................................................................... 18
در بنزن محلول در غلظت های مختلف
جدول 1-12 نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول ........................................................................................................ 18
جدول 1-13 قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها ............................................................................................................... 19
جدول 3-1 استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف ....................................................................................... 36
در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی ................................................... 37
جدول 3-2-2- بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................ 37
جدول 3-2-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک .................................................................................................. 38
تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول ........................................................................................ 38
2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-3-1- مقادیر انرژی مولکول CNT-PR ............................................................................................................. 39
جدول 3-3-2- : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................................... 40
جدول 3-3-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های ......................................................................... 41
مولکول CNT-PR
جدول 3-3-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................ 42
جدول 3-4-1- : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................... 44
با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن .................................................... 44
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 45
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
جدول 3-4-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 46
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
جدول 3-5-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با ............................................................................. 47
یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 3-5-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن........................................................ 48
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
جدول 3-5-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 49
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-5-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ........................................................... 50
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-6-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با ..................................................................... 51
دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ....................................................... 52
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 53
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 55
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-7-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ............................................................... 57
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 3-7-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ..................................................... 58
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 59
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 61
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR3 و R2
جدول 3-8-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ................................................................. 63
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای ملکول مولکول 2و2َبی .......................................................... 64
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ................................................ 65
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 67
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-9-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................... 70
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ............................................. 71
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 73
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-10-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه .......................................................... 75
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 76
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 77
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ........................................................ 79
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-11-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با .................................................................. 81
چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 82
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 84
هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ....................................................... 86
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1- رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله ....................................................................................................... 5
شکل 1-2- انواع مختلف از نانو ساختارها .................................................................................................................................. 6
شکل 1-3- بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک .............................................................................................. 7
شکل 1-4- انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی .............................................................................................................................. 8
شکل 1-5- زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله ........................................................ 8
شکل 1-6- ایمیدازول ..................................................................................................................................................................... 9
شکل 1-7- توتومری شدن ......................................................................................................................................................... 10
شکل 1-8- حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 ............................................................. 10
شکل 1-9- حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین ................................................................................................. 11
شکل 1-10- اثر کانژوگاسیون ................................................................................................................................................... 19
شکل 1-11- قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای .............................................. 20
شکل 1-12- ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات ............................................................................................................. 21
شکل 1-13- هیدروژناسیون حلقه بنزن .................................................................................................................................. 22
شکل 3-1- نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ................................................................ 35
شکل 3-2- مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................. 36
شکل 3-3- CNT به همراه پروپان ....................................................................................................................................... 39
شکل 3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ................................................................................... 43
CNT-PRدر موقعیت کربن R2
شکل 3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR ........................................................... 47
در موقعیت کربن R4
شکل 3-6- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ........................................................................................ 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
شکل 3-7- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ...................................................................................... 57
CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3شکل 3-8- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ....................................................................................... 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
شکل 3-9- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ..................................................................................... 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
شکل 3-10- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
شکل 3-11- . مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ............................................................................ 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 5-1- انرژی تشکیل بهینه شده برای مدل های مورد مطالعه .............................................................................. 97
نمودار 5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو برای مدل های مورد مطالعه ................................................................... 98
نمودار 5-3- بررسی ممان دوقطبی برای مدل های مورد مطالعه .................................................................................... 99
نمودار 5-4- بررسی آنتالپی واکنش برای مدل های مورد مطالعه ................................................................................ 100
نمودار 5-5- بررسی بار مولیکن برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................................................... 102
نمودار 5-6- بررسی پوشش شیمیایی ناهمسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................................... 104
نمودار 5-7- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................... 104
نمودار 5-8- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................... 106
نمودار 5-9- بررسی تغییر مکان شیمیایی برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ....................................................... 108
چکیده فارسی
مشتقات ایمیدازول با بیش از دو گروه نیترو، انتظار می رود که مواد پرانرژی بالقوه ای برای فرمولاسیون مواد منفجره غیر حساس باشند.در این تحقیق از یکی از مشتقات ایمیدازول با نام 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول، به عنوان ترکیب مرجع استفاده شد. و با اضافه کردن نانو لوله کربنی به همراه پروپان (به عنوان Linker) به ترکیب مرجع (در موقعیت های مختلف) مدل های مختلفی ساخته شد. سپس از محاسبات تئوری تابعی چگالی برای پیش بینی خواص ترمودینامیکی استفاده شد، این مدل ها به سطح انرژی حداقل خود بهینه شدند. این محاسبات دقیقا برای تک تک مدل ها اجرا شد. حاصل مرحله ی بهینه سازی یعنی پارامتر های انرژی تشکیل بهینه شده، آنتالپی تشکیل، گشتاور دو قطبی(DM) ، انرژی بالاترین اوربیتال پر شده (HOMO) و انرژی پایین ترین اوربیتال پر نشده (LUMO) و گاف انرژی (Eg) می باشند که در جداول جداگانه ای گردآوری شدند. همچنین خواص دیگری از قبیل بار مولیکن،همسانگرد و ناهمسانگرد، δ و Cq هم برای اتمهای مختلف بررسی شد. در این تحقیق از سری پایه b3lyp/6-31G* در محاسبات استفاده شد.
کلید واژه: ایمیدازول، مواد پر انرژی، نانو لوله های کربنی، محاسبات تئوری تابع چگالی، سری پایه
مقدمه
در طی دو دهه اخیر پیشرفتهای عمده ای در مورد مواد پر انرژی (High energy materials)، مانند کامپوزیتها یا مواد مرکب مولکولی و یا به اصطلاح نانو مواد پر انرژی صورت گرفته است.
این موا به سرعت می توانند حرارت و اواج با فشار بالا آزاد کنند و کاربرد های گسترده ای در پیشرانها، مواد منفجره و پرایمرها یا آغازگرها دارند و در حال حاضر تحقیقات گسترده ای برای آن در حال انجام است. آنها می توانند چگالی انرژی بالاتری نسبت به مواد منفجره معمولی داشته باشند و می توانند امواج شوک با سرعت بیش از 2500 متر بر ثانیه تولید کنند.
کامپوزیتها معمولا مخلوطی از دو ترکیب، که یکی از آنها به عنوان سوخت و دیگری به عنوان اکسید کننده تعریف می شود. استفاده از نانو ذرات در مقیاس نانو به جای دیگر مواد ریز، ارتباط بین سوخت و اکسید کننده را افزایش، محدودیت های انتقال جرم را کاهش ، سرعت واکنش و واکنش پذیری محلول را افزایش می دهد.
تحقیقات در زمینه ی مواد پر انرژی(High energy materials)، راه را به روی ترکیبات نیتروژن دار و از جمله ترکیبات هتروسیکلی نیتروژن دار به عنوان منبعی برای انرژی یا قدرت انفجاری گشود. حتی نیتروژن خالص هم میتواند به عنوان منبعی برای انرژی در نظر گرفته شود و این به دلیل اختلاف بسیار زیاد انرژی پیوند سه گانهی N2 و انرژی پیوند یگانه N-N است. مواد پر انرژی نیتروژن دار نقش اساسی را در سلاحهای هسته ای به عنوان نیروی انفجاری ایفا میکنند.
فصل اول
کلیات
1-1-مباحث بنیادی
1-1-1-تاریخچه نانو فناوری1
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن2 بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. در این سخنرانی که در سال 1959 صورت گرفت، فاینمن عنوان کرد که «اصول فیزیکی تا جایی که می تواند برخلاف احتمال مانور اتم به اتم اشیاء سخن نمیگوید. در اصل دستکاری اتم ها را می توان انجام داد، ولی تاکنون در عمل انجام نشده است، زیرا ما بزرگ هستیم.» واژه نانوفناوری اولین بار توسط نورینو تاینیگوچی3 استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. ایشان اولین واژه را برای توصیف ساخت مواد و وسایل دقیقی که ابعاد آن ها در مقیاس نانومتر می باشد، بکار برد. به هرحال زمینه نانوفناوری از سوی کیم اریک درکسلر4 و ریچارد اسمالی5 بنا نهاده شد.{1}
1-1-2- تعریف
دانش نانو مطالعه‌ی پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است، جایی که جزییات آنها تفاوت بسیاری با مقیاسهای بزرگتر دارند. نانوفناوری‌ طراحی، توصیف صفات، تولید و به کار گیری ساختارها، دستگاه‌ها و سامانه‌ها به وسیله ی تنظیم شکل و اندازه‌ در مقیاس نانومتر است. وبسایت ناسا یک تعریف جالب از نانوفناوری ارائه داده است: خلق مواد، دستگاه‌ها و سامانه‌های وظیفه مند از طریق تنظیم اندازه‌ها در مقیاس نانومتر (1 تا 100 نانومتر) و استخراج پدیده‌ها و جزئیات جدید (فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی) در آن مقیاس. دیکشنری انگلیسی آکسفورد نانوفناوری را "فناوری در مقیاس نانو با تمرکز روی ابعاد کمتر از 100 نانومتر" تعریف می‌کند. پیشوند نانو از واژهای یونانی به معنی کوتاه مشتق شده و یک نانومتر مساوی با یک میلیاردیوم متر یا همان 10-9 متر است. بنابراین اندازهای نانومواد باید به گونهای باشد که حداقل یک بعد آنها کوچکتر از 100 نانومتر باشد.{5}
1-1-3- سرمایه گذاری
نانوفناوری طی 10 سال گذشته سرمایهگذاری قابلتوجهی را به خود اختصاص داده است. سرمایه گذاری دولتها مابین سالهای 1997 و 2005 چیزی در حدود 18 میلیارد دلار تخمین زده می شود.

اخیراً سرمایهگذاریهای چند جانبهای توسط دولتهای آمریکا، اروپا، ژاپن و بقیهی کشورهای جهان صورت گرفته است که فقط در سال 2003 بالغ بر 3 میلیارد دلار بوده است.
برای مثال در ایالات متحده آمریکا بنیاد ملی نانو 6(NNI) یک برنامهی ملی برای هماهنگ کردن تلاشهای موسسات مختلف در زمینههای دانش، مهندسی و فناوری نانو است. بودجهی سال 2007 آمریکا مبغلی در حدود 1.2 میلیارد دلار به بنیاد اختصاص داد و کل سرمایهگذاری انجام شده از سال تأسیس آن یعنی سال 2001 تاکنون 6.5 میلیارد دلار بوده است و اخیراً به صورت سالیانه 3 برابر بودجهی سال اول را شامل میشود. این سرمایهگذاری تولیدات زیادی که اساسش نانوتکنولوژی است و یا شامل نانومواد میشوند، از جمله آنهایی که هماکنون در بازار موجود است را موجب شده است.{5}
1-2- نانو لوله های کربنی
نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.
یک نانولهی کربنی ایدهآل را میتوان یک گرافیت تک لایه (ورق گرفن) که برای ساختن یک استوانهی یکپارچهی تو خالی رُل شده است در نظر گرفت. این استوانهها میتوانند با ابعادی به کوچکی 7.0 نانومتر دهها میکرون طول داشته باشند و در هر دو سر با کلاهکهای شبه فولرنی بسته شده اند.
38183725654000

شکل1.1. رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله.{16و17}
یک نانولهی کربنی که ضخامت دیوارهای به اندازهی یک ورقهی کربنی داشته باشد نانولولهی کربنی تک دیواره یا (SWCNT)7 نامیده میشود. بر اثر برهمکنشهای واندروالسی آنها اغلب در زنجیرههای طولانی متراکم میشوند. آرایشهای منظمی از SWCNT ها در یک شبکهی سهگوش گرد هم میآیندSWCNT ها را میتوان بلوکهای سازندهی نانولولههای کربنی چند دیواره MWCNT8 در نظر گرفت، که درحقیقت آرایش متحدالمرکزی از SWCNT ها با افزایش ضخامت هستند. MWCNT ها نیز معمولا میکرونها درازا دارند،با قطر خارجی در حدود دو تا دهها نانومتر و با طیف گستردهای از ساختارها . {16و17}

شکل2.1. انواع مختلف از نانو ساختارها. {16و17}
1-2-1- زمینه تاریخی
اکتشاف نانولولههای کربنی از علاقهی محققان به مواد کربنی پیرو سنتز ساختارهای قفس مانند به نام فولرنها در دانشگاه رایس به وسیلهی کروتو، اسمالی و همکاران در دهه 80 میلادی سرچشمه میگیرد. در سال 1991 لیجیما در لابراتوار NEC در ژاپن، برای اولین بار نانولولههای کربنی را با استفاده از میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا 9(HRTEM) مشاهده کرد. همزمان ، دانشمندان روس در انستیتو شیمیفیزیک مسکو مستقلاً CNT و کلافهای نانولولهای را در مقیاس بسیار کوچکتری کشف کردند. هر دو گروه تحقیقاتی MWCNT ها را مشاهده کرده بودند.

مدتی بعد، در سال 1992 گروه لیجیما10 و بتون11 در لابراتوار IBM برای اولین بار SWCNT ها را مشاهده کردند.
در همان زمان، مطالعات تئوری زیادی انجام شد که پیشبینی میکرد نانولولهها میتوانند بر اساس ضخامت و کایرالیتهشان (چرخش ششگوشه ها با تقید به محور اصلی نانولوله) خاصیت فلزی یا نیمهرسانایی داشته باشند.
این پیشبینیهای تئوری مهیج علاقهی فوق العاده زیادی که CNTها در جامعهی تحقیقاتی به وجود آوردهاند و تلاشهایی که دانشمندان برای غلبه بر مشکلات بزرگی که در آغار برای رشد، خالصسازی و دستکاری CNTها داشتهاند را توجیه میکند.
تنها چند سال بعد از کشف CNT ها در سال 1998 پیشبینیهای تئوری مبتنی بر خواص الکترونیکی آنها با آزمایشاتی به اثبات رسید، و هم اکنون طیف بینهایت گستردهای از تحقیقات در زمینه ی نانو الکتریک، انتقال دارو و مواد پر انرژی با استفاده از CNTها در حال انجام است.{16و17}

شکل 3.1. بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک {16و17}

شکل 4.1. انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی {16و17}

شکل 5.1. زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله {16و17}
1-3- ایمیدازول
1-3-1- تعریف
ایمیدازول یک ترکیب آلی با فرمول شیمیایی C2N2H4 است. این ترکیب دارای جرم مولی 67.077 گرم بر مول است و شکل ظاهری آن به صورت جامد زرد کمرنگ یا سفید است.
برای اولین بار دباس12 منشا ترکیب را کشف کرد و آن را بوسیله گلی اوکسال و آمونیاک تهیه کرد و نام گلی اوکسالین13 را پیشنهاد کرد. این نام هنوز هم در ادبیات مدرن استفاده می شود.
نام ایمیدازول برای اولین بار توسط هانچ14 ارائه شد و او آن را به عنوان یک آزول پنج عضوی که یک سیستم حلقوی پلی هترو آروماتیک، شامل یک نیتروژن نوع سوم است طبقه بندی کرد.{5}

شکل 6.1. ایمیدازول{6}
شماره گذاری صحیح حلقه ایمیدازول در بالا نشان داده شده است. نیتروژن امین در موقعیت 1 قرار می گیرد و شماره گذاری در اطراف حلقه به سمت نیتروژن نوع سوم انجام می گیرد و در موقعیت 3 نیتروژن نوع سوم قرارمی گیرد.
قرار گرفتن یک استخلاف در موقعیت 2 مشکلی ایجاد نمی کند، زیرا این موقعیت نسبت به نیتروژن ها متقارن است.این نامگذاری برای بیشتر کمپلکس ها مناسب است. اما هنگامی که یک استخلاف در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد، نامگذاری متفاوت خواهد بود.هیدروژن آمین با توجه به اینکه استخلاف روی کدام موقعیت (4 یا 5) قرار می گیرد با استفاده از خاصیت توتومری15 شدن، بر روی نیتروژن ها انتقال می یابد، که در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 7.1. توتومری شدن {6}

شکل 8.1. حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 {6}
برای قرار دادن استخلاف بر روی نیتروژن آمین، هیدروژن آمین بر اثر توتومری شدن توسط استخلافهای دیگر جایگزین می شود. در شکلهای زیر نشان داده شده است :

شکل 9.1. حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین{6}
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها
1-4-1- نقطه ذوب و جوش
ایمیدازول دارای نقطه ذوب 90 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 256 درجه سانتیگراد است.در جدول 1.1 نقطه جوش تعدادی از ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی نشان داده شده است.ایمیدازول و 1و2و4تری آزول دمای جوش بالایی دارند. پیرازول در مقایسه با فوران و پیرول دمای جوش بالایی دارد، در صورتی که اختلاف قابل توجهی در جرم ملکولی آنها وجود ندارد.
جدول 1.1. دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Furan 32
Pyrrole 131
Pyrazole 187
1,2,3-Triazole 204
Imidazole 256
1,2,4-Triazole 260
دمای جوش ایمیدازول زمانی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. اما زمانی که گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 قرار میگیرد اثر قابل توجهی بر دمای جوش ایمیدازول نمی- گذارد. اگر یک گروه آمیل به موقعیت 1 اضافه کنیم، با اینکه جرم ملکولی دو برابر می شود ولی دمای جوش ایمیدازول کاهش می یابد. در جدول 2.1 دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف نشان داده شده است.
جدول 2.1. دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Imidazole 256
1-Methyl-Imidazole 198
4(or5)-Methyl-Imidazole 264
1-Propyl-Imidazole 223
1-Amyl-Imidazole 245
1,2-Dimethyl-Imidazole 205
1-Ethyl-2-methyl-Imidazole 211
1-Methyl-5-chloro-Imidazole 202
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 245
1,4-Dymethyl-Imidazole 200
1,5-Dymethyl-Imidazole 220
1-Phenyl--Imidazole 277
2-Phenyl--Imidazole 340
در جدول 3.1 دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف در موقعیتهای مختلف خلاصه شده است .هنگامی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد دمای ذوب به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد، اما هنگامی که در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد دمای ذوب افزایش می یابد. {6}
جدول 3.1. دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound M. p., °C
Imidazole 90
1-Methyl-Imidazole -6
2-Methyl-Imidazole 140-141
4(or5)-Methyl-Imidazole 55-56
1-Phenyl-Imidazole 13
2-Phenyl-Imidazole 148-149
4(or5)-Phenyl-Imidazole 133-134
1-Benzyl-Imidazole 71-72
2-Benzyl-Imidazole 125-126
4(or5)-Benzyl-Imidazole 82-84
4,5-Diphenyl-Imidazole 228
2-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 240
1-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 158
1-4-2- حلالیت16
حلالیت ایمیدازول در حلالهای قطبی زیاد و در حلالهای غیر قطبی کم است. در دمای اتاق ایمیدازول به شدت در آب حل می شود و مقادیر کمی حلالیت آن در آب بدست نیامده است.
4یا 5 متیل ایمیدازول در بنزن حلالیت خوبی دارد. ایمیدازولهای استخلاف N در مقایسه با ایمیدازول با هیدروژن آزاد، در حلالهای ناقطبی بهتر حل می شوند. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان، و 4یا5 در بنزن به ترتیب در جدول 4.1 و جدول 5.1 خلاصه شده است.{6}
جدول 4.1. حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن{6}
Temperature, °C Molality
3.2 4.57
16.8 6.07
21.1 6.87
25.4 7.44
29.3 8.24
31.4 8.54
جدول 5.1. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان{6}
Benzene Dioxane
Temp. °C Molality Temp. °C Molality
36.7 0.198 14.73.62
41 0.258 17.94.29
42.2 0.486 21.94.96
42.80.688 235.17
44.81.195 32.77.48
45.71.524 389.46
47.82.38 39.410.5
493.00 46.814.2
51.24.63 55.819.3
51.85.38
52.96.77
56.29.23
1-4-3- ویسکوزیته17
ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جدول 6.1 وجود دارد. محلول پیرول یا پیرازول در بنزن، به عنوان حلال خالص تقریبا ویسکوزیته یکسان دارند و با افزایش غلظت اختلاف ناچیزی مشاهده می شود. این باعث تجمع18 کم می شود.ثابت ویسکوزیته برای محلولهای ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول، با افزایش غلظت افزایش می یابد.{6}
جدول 6.1. ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول{6}
Compound (Temp. °C) Molality Specific Viscosity
Imidazole (30°) 0.036
0.073
0.146 0.0106
0.0248
0.0549
Imidazole (50°) 0.146
0.416
0.463 0.041
0.15
0.1686
4(or5)-Methyl-Imidazole (30°) 0.04
0.08
0.242
0.249
0.475
0.493
0.607
1.075
1.362
2.068
2.848
3.736 0.0071
0.0354
0.1187
0.1277
0.2925
0.3262
0.4113
0.7801
0.9911
1.6524
2.3138
3.156
4(or5)-Methyl-Imidazole (50°) 0.242
0.249
0.475
0.493
0.607 0.091
0.093
0.214
0.237
0.3079
1-4-4- ممان دوقطبی19
اغلب اطلاعات با ارزش در مورد ساختمان ملکولهای آلی، از اطلاعات دقیق مربوط به خواص دی الکتریک آنها بدست می آید. بزرگی شدت ممان دوقطبی نشان دهنده بار توزیع شده در داخل ساختار آنها است. متاسفانه مواد تجربی ایمیدازولها نسبتا محدود است. ممان دوقطبی فقط برای ایمیدازول، 4یا5 متیل ایمیدازول، 1متیل ایمیدازول و بنزی ایمیدازول در دسترس است و در جدول 7.1 خلاصه شده است. {6}
جدول 7.1. ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها در حلالهای مختلف بر حسب دبای20 {6}
Compound Naphthalene Benzene Dioxane Carbon
tetrachloride
Imidazole 5.7 (97°) 6.2 (70°) 4.8 (50°) ----
4(or5)-Methyl-Imidazole ---- 6.2 (70°) 5.1 (20°) 5.8 (18°)
1-Methyl-Imidazole ---- 3.6 (20°) 3.8 (20°) ----
Imidazole ---- 3.8 ---- ----
Benzimidazole ---- ---- 3.93 (25°) ----

در جدول 8.1 ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظت های مختلف در بنزن محلول نشان داده شده است. با کاهش غلظت ممان دوقطبی کاهش می یابد.
جدول 8.1. ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای{6}
Mole fraction of solute Dipole moment , Debye units
0.005951 5.62
0.001140 4.42
0.000233 3.93

1-4-5- خواص فیزیکی مختلف
اطلاعات مربوط به ضریب شکست21، دانسیته22، مولار حالت انکسار23، کشش سطحی24، گرمای ذوب25 و گرمای محلول26 ایمیدازول 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جداول بعدی خلاصه شده است.
جدول 9.1. دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temp, °C Density nC nHe nF MD
Imidazole
95
100.9
110.0
153
205 1.036
----
1.0222
0.9920
0.9370 1.48075
1.47625
----
----
---- 1.48428
1.48006
----
----
---- 1.49442
1.48980
----
----
---- 18.76
18.77
----
----
----
4(or5)-Methyl-Imidazole
14.3
18
50
60
70
110
153 1.0416
1.036
1.016
1.009
1.002
0.9691
0.9380 1.50367
1.50115
1.48922
1.48627
1.48227
----
---- 1.50774
1.50572
1.49298
1.48994
1.48553
----
---- 1.51750
1.51499
1.50284
1.49982
1.49538
----
---- 23.48
23.52
23.46
23.50
23.55
----
----
1-Methyl-Imidazole 20.5 1.0325 1.48856 1.49244 1.50157 23.08
1-Propyl-Imidazole 19.6 0.9705 1.47671 1.48021 1.48829 32.24
1-Isoamyl-Imidazole 19.7 0.9427 1.47114 1.47425 1.48205 41.20
1,2-Dimethyl-Imidazole 16.1 1.00 1.48665 1.49024 1.49926 27.79
1-Ethyl-2-Methyl-Imidazole 21.8 0.9807 1.48301 1.48660 1.49516 32.27
1-Methyl-5-chloro-Imidazole
20.5
17.7 1.25
1.2561 1.50630
1.50783 1.51009
1.51181 1.51958
1.52121 27.88
27.83
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 19.8 1.2483 1.50930 1.51308 1.52259 28.06
1-Ethyl-2-Methyl-5-chloro-Imidazole
19.8 1.1415 1.49519 1.49888 1.50731 37.17
1-Ethyl-2-Methyl-4-chloro-Imidazole
16.8 1.1598 1.49864 1.50223 1.51088 36.80
1-Phenyl-Imidazole 15.4 1.1397 1.59335 1.59999 1.61650 43.25
جدول 10.1. کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temperature, °C Surface tension,dynes/cm.
Imidazole
110
150
205 36.82
33.85
30.05
4(or5)-Methyl-Imidazole
20
56
110
153 38.7
36.21
32.36
29.28
جدول 11.1. گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول در بنزن محلول در غلظت های مختلف{6}
Molality Heat of solution,
cal./mole(21°) Heat of fusion,
cal./mole
0.13 -3210 -2840
0.22 -2170 ----
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها
1-5-1- قدرت پایه ای
ایمیدازول یک مونو اسید پایه ای است که توانایی تشکیل نمک بلوری با اسید را دارد. نقطه ذوب تعدادی از نمک های ایمیدازولیم در جدول 12.1 ذکر شده است .ماهیت اساسی ایمیدازول ناشی از توانایی نیتروژن پیریدین برای دریافت یک پروتون است. تاثیر استخلافهای مختلف بر قدرت پایه ای ایمیدازول در جدول 13.1 نشان داده شده است.
جدول 12.1. نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول{6}
Salt M.p.°C References
Nitrate 118 (30)
Chloroaurate dec.190 (29)
Chloroplatinate dec.200 (31)
Dimolybdate ---- (27,28)
Picrate 208-212 (20.22-24)
Flavianate 224-226 (26)
Diliturate ---- (25)
Acid oxalate 232,252,225 (20-23)
Acid tartrate 202 (22)
Benzene 99 (18,19)
جدول 13.1. قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها{6}
Compound pKa
Imidazole 6.95;6.89
1-Methyl-Imidazole 7.25
2-Methyl-Imidazole 7.86
4(or5)-Methyl-Imidazole 7.52
2,4(or 2,5)-Dimetyl-Imidazole 8.36
2,4,5-Trimethyl-Imidazole 8.86
2-Phenyl-Imidazole 6.39
4(or 5)-Phenyl-Imidazole 6.00
4(or 5)-Hydroxymethyl-Imidazole 6.38
4(or 5)-Carboxy-Imidazole 6.08
4(or 5)-Carbethoxy-Imidazole 3.66
4(or 5)-Bromo-Imidazole 3.60
Histamine 5.98
اضافه کردن گروههای متیل به حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای آن را افزایش می دهند. این توضیح در مورد خواص الکترون – آزاد گروههای متیل است که تمایل به افزایش چگالی الکترونی نیتروژن پیریدین را دارند. تشابه استخلاف مشاهده شده در سری پیریدین، که در آن قدرت پایه ای a-picoline بیشتر از سیستم حلقه اصلی (والد) است. این افزایش در قدرت پایه ای را می توان به ترکیب شدن القایی و اثر رزونانسی نسبت داد (فوق کانژوگاسیون) . بررسی های مشابه ممکن است به کار رود برای 2 متیل ایمیدازول، که شرح حالت کانژوگاسیون در زیر نشان داده شده است.

شکل 10.1. اثر کانژوگاسیون{6}
با قرار دادن یک گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای را افزایش می دهد. اما اثر کمتر نسبت به دو گروه متیل دارد. بررسی های تقارنی ممکن است این تفاوت را توضیح دهد. یون 2 متیل ایمیدازولیوم نشان دهنده یک ساختار بسیار متقارن با دو سهم معادل است، در مقایسه با 4 یا 5 متیل ایمیدازولیوم که با دو سهم غیر معادل است. با قرار دادن یک گروه متیل در دو موقعیت 4 یا 5 باعث کمک به افزایش در قدرت پایه ای می شود.
گروههای الکترون کشنده از قبیل گروههای فنیل، نیترو و یا یک هالوژن قدرت پایه ای را کاهش می دهند.مقایسه 1متیل 5 نیترو ایمیدازول و 1و2 دی متیل 5 نیترو ایمیدازول با مشتقات 4 نیترو مربوط به آنها، نشان میدهد که ترکیبات 5نیترو پایه قوی تری دارند.ساختاری که در آن گروه نیترو در موقعیت مجاور به سیستم الکترون دهنده (نیتروژن پیریدین) قرار گیرد قدرت پایه ای آن ضعیف می شود. {6}

شکل 11.1. قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای{6}
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی27
علاوه بر ماهیت پایداری، ایمیدازول خواص اسیدی ضعیف (شبه اسیدی) از خود نشان می دهد. فرم آن نمک با فلز است که ساختار کلی آن در زیر نشان داده شده است.

شکل 12.1. ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات{6}
مهمترین نمک درمیان نمکها، نمک نقره کم محلول است، که زمانی که ایمیدازول در تماس با نقره آمونیاکی محلول قرار می گیرد رسوب می کند. در حضور آمونیاک، نمکهای نامحلول کبالت و روی نیز بدست می آید.
واکنش ایمیدازول با معرف Grignard منجر به تشکیل هالید منیزیم ایمیدازول می شود.
ماهیت شبه اسیدی ایمیدازول بستگی به وجود یک گروه آمین غیر جانشین و ایمیدازول و ایمیدازول ها این ساختار مورد نظر از نمک نقره کم محلول در حضور محلول نقره آمونیاک تشکیل می شود. بسیاری از ایمیدازول ها برای نمک های نامحلول با یون مس در حضور آمونیاک هستند. ایمیدازول محلول در آمونیاک مایع، تشکیل یک محلول روشن می کند که احیاء با تبخیر حلال انجام می شود. با افزودن آمید های فلزی به چنین محلولهایی باعث تشکیل نمک می شوند. نمکهای سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم با این روش بدست می آیند. این نمکها در حضور آب ناپایدار هستند و تجزیه شده و به ایمیدازول و هیدروکسیدهای فلزی تبدیل می شوند. مقایسه رسانایی محلول آمونیاک مایع از ایمیدازول و پیرول نشان می دهد که ترکیبات سابق اسید قوی تری هستند. استخلافهای الکترونگاتیوی خاصیت اسیدی ایمیدازول را بوسیله کاهش چگالی الکترون در اطراف نیتروژن پیرول افزایش می دهد. لوفین اسید قویتری نسبت به ایمیدازول است.به مانند ایمیدازول نمک لوفین از آمیدهای فلزی یا فلزات با محلول آمونیاک مایع تهیه می شود. {6}
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی28
پایداری شیمیایی ایمیدازولها عالی است و آنها در مقابل اسید و باز مقاوم هستند. در عمل مواجهه ایمیدازول با هیدروژن یدید در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد تاثیر کمی دارد و حلقه ایمیدازول به میزان قابل توجهی در برابر هیدروژناسیون مقاوم است. تعدادی از بنزی ایمیدازول ها از جمله 2متیل، 2اتیل، و 1و2 دی متیل بنزی ایمیدازول در حضور کاتالیزور آدامز و اسید استیک منجمد، تحت عمل هیدروژناسیون قرار گرفته و در بخش بنزن مشتقات مطابق با تترا هیدرو مربوطه را تشکیل می دهند و بخش ایمیدازول بی تاثیر باقی می ماند. که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 13.1. هیدروژناسیون حلقه بنزن{6}
Lophine تحت هیدروژناسیون کاتالیزوری با کاتالیزور Willstatter Platinum در استیک اسید منجمد قرار گرفته و به 2و4و5 تری سیکلو هگزیل 2 ایمیدازول تبدیل می شود.
ایمیدازول نسبت به تری اکسید کروم پایدار تر است، اما به راحتی توسط پرمنگنات پتاسیم و هیدروژن بروکسید مورد حمله قرار می گیرد و اکسامید تشکیل می شود. بنزوئیل پراکسید در محلول کلروفرم هم به راحتی به ایمیدازول حمله میکند و تشکیل اوره با آمونیاک می کند. {6}
فصل دوم
مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی به زبان ساده کاربرد مهارتهای شیمیایی، ریاضی و محاسباتی در جهت حل مسائل شیمیایی است.در این حوزه از کامپیوتر برای تولید اطلاعاتی نظیر ویژگی‌های ملکولها یا نتایج تجربی شبیهسازی شده استفاده میشود. {7}
شیمی محاسباتی به روشی دقیق برای پژوهش و مطالعه پیرامون موادی تبدیل شده است که بسیار کمیاب و یا گران قیمت هستند. همچنین به شیمی دانان کمک میکند که قبل از شروع آزمایشات علمی در آزمایشگاه بتوانند پیشبینیهایی را راجع به مواد مختلف انجام دهند بنابراین آنها می- توانند مشاهدات بهتری داشته باشند.
معادله شرودینگر مبنایی است که بیشتر شیمیدانان محاسباتی از آن استفاده میکنند؛ زیرا این معادله اتمها و ملکولها را به صورت مدل ارائه میدهد و به کاربر اجازه میدهد موارد زیر را محاسبه نماید. {8}
تعیین ساختار الکترونی برای اتمهای هر مولکول
بهینه سازی هندسی مدلهای مولکولی
محاسبات مربوط به فرکانس ارتعاشات اتمها
حالتهای گذار مولکولها در واکنشهای مختلف
محاسبات مربوط به ساختار پروتئین‌ها
توزیع ابر الکترون و بار الکتریکی برای هر مولکول
انرژی پتانسیل سطحی(PES) هر اتم
ثابت سرعت برای واکنشهای شیمیایی (کینتیک واکنشها)
محاسبات ترمودینایکی گرمای واکنشها (انرژی فعالسازی)
2-2- روش های محاسباتی
روشهای محاسباتی به دو دسته کلی تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک مولکولی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی نیز خود به دو روش تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای آغازین29
روشهای نیمه تجربی30
در حال حاضر عموما سه روش نظری محاسبات (شامل محاسبات مکانیک ملکولی، محاسبات نیمهتجربی و محاسبات کوانتومی آغازین) برای مطالعه خواص ملکولها به کار میرود. روشهای نیمه تجربی موقعیتی بین روشهای مکانیک ملکولی و آغازین دارند. دقت روشهای سطح بالای آغازین برای محاسبه گرمای تشکیل با روشهای تجربی قابل مقایسه است و دست کم ساختار هندسی مولکولها را با دقت موجود در روشهای تجربی محاسبه میکند. این محاسبات به اندازه کافی جامع هستند به طوری که میتوان ویژگیهای حالتهای گذار و حالتهای برانگیخته را با آنها مطالعه کرد. در روشهای نیمه تجربی مانند روشهای مکانیک مولکولی از پارامترهای تجربی استفاده میشود ولی از طرفی هم مانند روشهای آغازین اساس مکانیک کوانتومی دارند. تنها تفاوت اساسی بین روشهای نیمه تجربی و آغازین استفاده گسترده از تقریبها در محاسبات نیمه تجربی است.
این موضوع با اینکه روشهای نیمه تجربی را از محاسبه تعداد زیادی عبارتهای مورد استفاده در آغازین باز میدارد، در عین حال با استفاده از اطلاعات تجربی پارامترهای لازم را برای استفاده در تقریبها مشخص میکند به طوری که دقت لازم در محاسبات حفظ میشود. در ادامه توضیحات لازم راجع به این سه روش بیان میشود.{9}
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین
در روشهای محاسباتی آغازین برای سیستمها، عملگر هاملیتونی31 صحیح را به کار میبرند و سعی میشود با استفاده از ثابتهای فیزیکی بنیادی و بدون استفاده از دادههای تجربی معادلات را به دست آورند. روشهای آغازین از تقریب بورن- اپنهایمر32 و حل دقیق معادله شرودینگر بهره میگیرد. این روشها تمامأ بصورت کوانتومی بوده و صحت محاسبات در آنها بسیار بالاست. روشهای آغازین خود شامل روشهای میدان خودسازگاری هارتری- فاک و نظریه اختلال مولر- پلست میباشد که در ادامه بحث خواهد شد. {10}
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک33
پایینترین سطح و متداولترین محاسبات به روش آغازین، محاسبات هارتری- فاک میباشد. این روش، اولین روش محاسباتی در روشهای محاسباتی آغازین است. اساس روش هارتری- فاک بر اساس نظریهی اوربیتال مولکولی است. بهترین تابع موجی که الکترونها را به اوربیتالها اختصاص میدهد، تابع موج هارتری- فاک است. هر اوربیتال مولکولی هارتری- فاک به صورت یک ترکیب خطی از مجموعهای از توابع پایه نوشته میشود. اگر توابع پایه به تعداد کافی در نظر گرفته شوند، آنگاه میتوان اوربیتالهای مولکولی را که به اندازه ناچیزی با اوربیتالهای مولکولی واقعی هارتری- فاک تفاوت دارند، به دست آورد.
در این روش همچنین از تقریب بورن- اپنهایمر استفاده میشود. این تقریب امکان جدا فرض کردن حرکات الکترونی و هسته را مورد بحث قرار می-دهد. هستهها بخاطر جرم زیادشان نسبت به الکترونها ثابت فرض میشوند. در نتیجه میتوان از انرژی جنبشی هستهها صرف نظر کرد. از آنجا که جرم هسته هزاران برابر جرم الکترون است، این تقریب قابل توجیه است. {11}
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست34
نظریهی اختلال براساس دانستن جواب یک مسئله و استفاده از آن در حل مسائل وابسته به آن است. فرض کنید حل معادله شرودینگر برای یک سیستم را به طور کامل میدانیم در این صورت میتوان معادله شرودینگر را برای سیستم دیگری که نسبتأ به سیستم اول نزدیک است، نیز حل کرد. به این ترتیب که اختلال بین اپراتورهای هامیلتونی دو سیستم را به عنوان اختلال کوچک در حل سیستم اول در نظر میگیریم. میتوان معادله دوم را با بسط حل معادله اول و نیز عامل اختلال حل کرد.
این روش در ابتدا برای حل تابع موج یک اتم در یک میدان الکتریکی کوچک استفاده شد که جمله میدان الکتریکی کوچک ایجاد شده در عملگر هامیلتونی به عنوان عامل اغتشاش فرض شد. یک کاربرد موفق از این نظریه برای مولکولها، به مولر و پلست در سال 1933 میلادی میرسد، که امروزه تحت روشهای MPn شناخته میشوند. {12}

2-2-1-3- روش های نیمه تجربی
روشهای نیمه تجربی یک عملگر هامیلتونی سادهتر از هامیلتون واقعی را برای محاسبات به کار میبرد و از دادههای تجربی برای اختصاص دادن مقادیر به برخی از انتگرال‌هایی که در محاسبه حاصل میشوند استفاده کرده و از برخی انتگرالها صرف نظر میکنند. علت استفاده از روشهای نیمه تجربی آن است که درحال حاضر محاسبات دقیق بر روی مولکولهای نسبتا بزرگ امکانپذیر نیست. روشهای PM3، MNDO، INDO و CNDO در دسته روشهای نیمه تجربی قرار دارند. {13}
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی35
این روش توسط وایبرگ، آینجر و هندیکسون گسترش یافت. روش مکانیک مولکولی برای حالتهای پایهی مولکولها طرحریزی شده است. مولکولها به علت کوچک بودنشان، تحت قوانین مکانیک کوانتومی توصیف میشوند. اما تحت شرایط (برحسب نیاز به محاسبات سریعتر) بهتر است از مکانیک کلاسیک استفاده کنیم. فرآیند محاسبات مکانیک مولکولی را روش میدان- نیرو نیز مینامند.
در شبیهسازیهای مکانیک مولکولی، از قوانین فیزیک کلاسیک برای پیشگویی ساختار و خواص مولکولها استفاده میکنند. طبقهبندی روشهای مکانیک مولکولی، بر اساس نوع میدان- نیرویی است که به کار میبرند. در روشهای میدان مولکولی، الکترونهای سیستم در نظر گرفته نمیشوند و محاسبات بر اساس برهمکنشهای بین هستهای انجام میشود. به همین علت نتایجی که به دست میآید بر اساس مفاهیم شیمی به سادگی قابل تفسیر نیستند و نمیتوان با این روشها خواص شیمیایی یک مولکول، را که به علت نقش مستقیم الکترونها رخ میدهد، بررسی کرد. اما مزیت اصلی روشهای میدان- نیرو، بالا بودن سرعت محاسبات است که امکان مطالعه سیستمهای بزرگ را به ما میدهد این امر میتواند در بهینهسازی و مطالعهی ساختار ماکرومولکولهای زیستی مانند پروتئینها بکار رود. همچنین این روشها تنها برای سیستمهایی بکار میروند که اطلاعات قبلی زیادی از
آنها موجود باشد. از جمله عناصر بکار رفته در این روش می توان به روش هایMMp1,MMx,MM1
و MM2 اشاره کرد. {14}
2-3- نظریه تابعی چگالی36
نظریه تابعی چگالی (DFT) یک روش محاسباتی مکانیک کوانتومی است که در فیزیک و شیمی به منظور بررسی ساختار الکترونی حالت پایه در سیستمهای چندگانه به ویژه اتمها، مولکولها و فازهای چگال استفاده میشود. این نظریه، ویژگیهای سیستمهای چند الکترونی را به وسیله تابعیهای خاصی بیان میکند که در این مورد به چگالی الکترون بستگی دارد. به همین دلیل نام نظریه تابعی چگالی به استفاده از تابعیهای مربوط به چگالی الکترون بر میگردد.
DFT در زمره پرکاربردترین روشهای موجود در فیزیک حالت جامد و فیزیک محاسباتی قرار دارد. استفاده از یک سری تقریب ها در این نظریه موجب افزیش دقت این روش در محاسبه برهمکنشهای تعویضی- همبستگی37 شده است. در بسیاری از موارد نتایج حاصل از محاسبات DFT با نتایج تجربی همخوانی کاملی
دارد. این محاسبات در مقایسه با روشهای سنتی مثل هارتری- فاک بسیار مقرون به صرفهتر هستند. این روش هم به روش محاسباتی آغازین و هم به روش محاسباتی نیمه تجربی نزدیک است، زیرا در آن معادله شرودینگر به طور تضمینی حل میشود و از طرف دیگر، دادههای تجربی در آن بررسی میشوند. محاسبات نظریه تابعی چگالی تا حدود 500 اتم را می تواند بررسی کند.
هر چند قاعده هوهنبرگ-کوهن38 (شکل اولیه نظریه تابعی چگالی) تنها برای حالت های پایه در غیاب میدان مغناطیسی به کار رفت، اما به منظور مطالعه سیستمهای دیگری هم عمومیت یافته است. قاعده هوهنبرگ- کوهن ابتدایی ثابت کرد که ویژگیهای حالت پایه یک سیستم چندین الکترونی را میتوان تنها با یک چگالی الکترونی که در سه بُعد جهتگیری کرده است مشخص کرد. در این صورت با استفاده از تابعیهای چگالی الکترون، مشکلات سیستمهایی با تعداد N الکترون و 3N جهتگیری فضایی کاهش یافته و در مجموع به 3 جهتگیری تقلیل مییابد. قاعده هوهنبرگ- کوهن ثانوی یک تابعی انرژی برای سیستم تعریف کرد و ثابت کرد که چگالی الکترونی صحیح حالت پایهی این تابعی، انرژی را به پایینترین سطح کاهش میدهد.
اساس نظریه تابعی چگالی تعیین کامل انرژی الکترونی حالتهای پایه39 با استفاده از چگالی الکترونی میباشد که توسط کوهن و هوهنبرگ در سال 1964 اثبات شده است. در واقع یک تناظر یک به یک بین چگالی الکترونی یک سیستم و انرژی آن سیستم وجود دارد. آنها نشان دادند که انرژی مولکولی حالت پایهی تابع موج و همه خواص الکترونی و مولکولی دیگر را میتوان با استفاده از چگالی احتمالی الکترون که فقط تابعی از سه متغیر است p(X,Y,Z)، تعیین کرد. مفهوم این موضوع از طریق مقایسه تابع موج با چگالی الکترون بهتر قابل درک است.
بر خلاف پیشرفت های اخیر، هنوز هم مشکلاتی در استفاده از DFT در توصیف مناسب برهمکنشهای بین مولکولی به ویژه نیروهای واندروالس، حالتهای برانگیخته، حالتهای گذار، پتانسیل انرژی سطحی و سایر سیستمهای مربوطه و همچنین در محاسبه سد انرژی نیمه رساناها وجود دارد. پیدایش و توسعه روشهای جدید DFT به منظور چیره شدن بر این مشکلها بوده است. در این روشها در تابعیهای مورد استفاده تغییراتی به وجود آمده است و یا این که عبارتهایی به آنها اضافه گردیده است.
اگر چه اثبات شده که هر چگالی مختلف، انرژی حالت پایهی مختلفی را میدهد ولی تنها مشکل این است که رابطه تابعی بین کمیتها شناخته شده نیست. هدف روشهای DFT طراحی رابطه تابعی بین انرژی و چگالی الکترونی میباشد. از جمله روشهای مورد استفاد در محاسبات به روش نظریه تابعی چگالی میتوان بهPW91, PBE, MPW1, PW91, B3LYP, B3PW91 اشاره کرد.
2-4- سری پایه
بطور کلی سری پایه عبارت است از مجموعهای از بردارها که فضای مسئله مورد بررسی را در بر میگیرند، و مسئله را در فضای سه بعدی از طریق بردارها بیان میکند. در شیمی کوانتومی سری پایه توصیف ریاضی اوربیتالهای یک سیستم است و برای انجام محاسبات کوانتومی استفاده میشود. سریهای پایه بزرگتر، با دقت بیشتری اوربیتالها را مورد تقریب قرار میدهند. بر اساس نظریه مکانیک کوانتوم، حضور الکترونها در فضا محدودیت دارد، یعنی در هر جایی از فضا نمیتوانند قرار بگیرند و مکانهای خاصی از فضا را میتوانند اشغال کنند. هر چه سری پایه بکار رفته بزرگتر باشد محدودیت حضور الکترون در فضا دقیقتر بدست میآید. در اغلب روشهای مکانیک کوانتومی محاسبات با انتخاب یک مجموعه از توابع پایه شروع میشود.
دو نوع تابع پایه در محاسبات ساختار الکترونی وجود دارد:
مجموعهی پایه حداقل
مجموعهی پایه بسط داده شده
با توجه به مجموعهی پایه بکار رفته در انجام محاسبات، اوربیتالهای نوع اسلیتر40 (STO) و اوربیتالهای نوع گوسین41 (GTO) توجیه کننده روند استفاده از تقریبهای کوانتومی در محاسبات هستند.
از رایجترین مجموعههای پایه حداقل، میتوان STO-nG را نام برد. در این نوع تعداد یکسانی از توابع گوسینی برای اوربیتالهای اتمی لایههای داخلی و ظرفیت بکار میرود. مجموعهی پایه بسط داده شده را با نام مجموعهی پایه شکاف ظرفیتی نیز میشناسند. دراین نوع مجموعه، برای اوربیتالهای اتمی لایه داخلی فقط یک نوع تابع گوسینی و برای لایههای ظرفیت چند نوع تابع گوسینی بکار میرود. نمادگذاری در آنها بصورت X-YZg میباشد. X نشاندهنده تعداد توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای لایه داخلی و YZ نشاندهنده توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای اتمی لایه ظرفیت است. به عنوان مثال میتوان سریهای پایه
6-311g و 3-21g را نام برد.این دو نوع از توابع پایه در کنار هم میتوانند برای تشکیل سری پایه در انجام محاسبات استفاده شوند. از ویژگیهای GTO این است که انجام محاسبات و انتگرالهای پیچیده کوانتومی را راحتتر میکند، هر چند توابع STO توابع موج اوربیتالها را با دقت بیشتری توصیف میکند، ولی از نظر محاسبه انتگرالها، پیچیدهتر عمل میکنند. بنابراین مدت زمان انجام محاسبات در آنها طولانیتر است.
به هر یک از سریهای پایه اشاره شده در فوق، میتوان عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی42 را اضافه کرد که به ترتیب با علائم * و + مشخص میشوند. به عنوان مثال میتوان 6-311++G** را نام برد. ستاره اول و دوم به ترتیب مربوط به افزودن اوربیتالهای d وf به اتمهای سنگین و اوربیتال p به اتم هیدروژن میباشد. علامت مثبت اول مربوط به افزودن توابع با نفوذ بالا به هر اتم است (بجز هیدروژن) و علامت مثبت دوم مربوط به اتم هیدروژن میباشد. لازم به ذکر است که علامت ستاره سبب میشود محاسبه انرژی با دقت بالاتری انجام شود.
عملیاتهایی که بر روی توابع پایه اعمال میشود (عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی) را مجموع پاپل43میگویند. این دانشمند برجسته به دلیل فعالیتهایی که در جهت پیشرفت علوم محاسبات کوانتومی انجام داد، در سال 1998 میلادی به طور مشترک با آقای کوهن، موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. {13و14و15و20و4و18و3}
2-5- نرم افزارهای مورد استفاده
2-5-1- نرم افزار گوسین44
امروزه سخت افزارها و نرم افزارهایی که در حوزهی علوم کامپیوتر پا به عرصه ی وجود گذاشته اند، بعنوان کنترل محرکهی حوزههای گوناگون پژوهشی در علوم و فنون نانو بویژه حوزهی نانومحاسبات مطرح هستند. یکی از کارآمدترین این نرم افزارها، نرم افزار گوسین است.
شیمی محاسباتی واکنشها و ساختارهای شیمیایی را بر اساس قوانین فیزیکی پایهگذاری میکند. این روش به شیمیدانها اجازه میدهد که پدیدههای شیمیایی را به جای این که از طریق واکنشهای شیمیایی مورد بررسی قرار دهند، بتوانند آنها را از طریق محاسبات کامپیوتری مطالعه کند. این روش نه تنها برای مولکولهای پایدار، بلکه برای مولکولهای با نیمه عمر پایین و حد واسطههای نیمه پایدار و حالتهای گذار نیز مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین شیمی محاسباتی یک دستیار ضروری برای مطالعات آزمایشگاهی است.
نرم افزار گوسین تمامی نظریههای محاسباتی «آغازین»، «نظریه تابعی چگالی» و «نیمه تجربی» را تحت پوشش داشته و قابلیت اضافه کردن موارد جدیدتر را نیز دارد. در واقع گوسین مجموعهای از برنامههای بهم پیوسته است که انواع محاسبات اوربیتال مولکولی را انجام میدهد و قادر به پیشبینی بسیاری از خواص مولکولها و واکنشهاست. از محاسن این نرم افزار، انجام محاسبات در فاز گازی، محلول، حالت پایه و حالت برانگیخته میباشد که این برنامه را به یک ابزار پرقدرت برای کاوش در حیطههای گوناگون مانند مطالعات شیمیایی، سیستمهایی در حوزه نانوفناوری، مکانیسم واکنشها و... تبدیل کرده است.
فایل ورودی به نرم افزار گوسین «GJF»45 نام دارد. این نوع فایل امکان انجام محاسبه ساختارهای مد نظر را توسط گوسین فراهم میکند. در هر فایل ورودی گوسین (GJF) باید هم روش و هم سری پایه مشخص شود.
هر فایل ورودی گوسین از هفت بخش تشکیل شده است. این بخشها به ترتیب بصورت زیر عنوان میشوند:
%section
Rout section
فضای خالی
Title section
فضای خالی
بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی46
مشخصات مولکولی
البته لازم به ذکر است که در محیط کاربری نرم افزار گوسین قسمتهای سه و پنج که تحت عنوان فضای خالی بیان شدهاند، دیده نمیشود و در مجموع شامل پنج قسمت است. وجود این فضاهای خالی در فایل ورودی گوسین (GJF) جهت انجام محاسبات الزامی است.
در قسمت %Section میزان استفاده از حافظه و تعداد پردازشگرهای کامپیوتر تعیین میشود. در Rout section روش محاسباتی و سری پایه و کلیدواژه لحاظ میگردد. کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین به کار میروند با توجه به نوع محاسبه مد نظر تعیین میگردند. از جمله کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین بکار میرود میتوان به OPT، FREQ، NMR اشاره کرد که به ترتیب انرژی بهینهی ساختار، انرژی ارتعاشی پیوندها و خصوصیات پوشش شیمیایی ساختار را تعیین میکنند. در قسمتTitle section یک عنوان اختیاری برای محاسبه تعیین میشود. در بخش مربوط به بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی، این مقادیر برای ساختار مورد نظر بصورت عددی وارد میشود. در بخش مربوط به مشخصات مولکولی، مختصات هندسی اتمها لحاظ میگردد.

2-5-2- نرم افزارهای هایپرکم و گووسویو47
نرمافزارهایی که در این تحقیق برای مدلسازی بکار رفتهاند، هایپرکم و گووسویو میباشند. هر دو نرم افزار جهت طراحی و ساخت مولکول مورد نظر بکار میروند.این نرم افزارها، امکان رسم اتم به اتم در ساختارها را با انتخاب اتمها از جدول تناوبی را به ما میدهند. همچنین در این نرمافزارها قابلیت حذف اتمها یا بخشی از ساختار، امکان چرخش در دو بعد و سه بعد، جابجایی مولکولها و اتصال ساختارها به یک دیگر نیز وجود دارد. با استفاده از این نرم افزارها میتوان طول پیوند، زاویه پیوندی، چهاروجهی در هر ساختار را بررسی کرده و در صورت نیاز تغییر داد. علاوه بر آن، از نرم افزار گووسویو میتوان نتایج ساختارهای محاسبه شده با نرمافزار گوسین را بررسی کرد. این نتایج شامل سطح انرژی بهینه، گشتاور دوقطبی، بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده، پایینترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده و... میباشد. هایپرکم یک نرم افزار کلاسیک میباشد که دارای قابلیتهای منحصر به فردی است و چون قدرت مانور کمتری نسبت به گووسویو دارد، دقیقتر است.
{10و13و21و2و19}
فصل سوم
روش های پژوهش

.
3-1- توضیحاتی دربارهی روش محاسبات:
برای انجام محاسبات کوانتومی توسط نرمافزار گوسین نسخهی 2009 ، سخت افزار مورد استفاده ما یک دستگاه کامپیوتر دسکتاپ با پردازشگر Corei7 و 2 گیگابایت حافظهی رم است. محاسبات کوانتومی بر اساس نظریه ی تابعی چگالی (DFT ) است که متد B3LYP روش مورد نظر ما برای انجام محاسبات محسوب می شود و سری پایه 6-31G* نیز با توجه به کارهای قبلی, سری پایه ی مطلوبی برای هدف مطالعاتی این تحقیق محسوب می شود.
8 مدل از مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول عامل دار شده با نانو لوله کربنی متصل به پروپان (به عنوان Linker) با سایز (0-3) ،همچنین مولکولهای 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول و CNT-PR مورد بررسی قرار گرفتند.ودر جدول زیر تمامی مدل ها و موقعیت های مختلفی که استخلافها قرار گرفته اند آمده است.

شکل 1.3. نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.3. استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
R4 R3 R2 R1 #
H H CNT-PR H 1
CNT-PR H H H 2
H H CNT-PR CNT-PR 3
H CNT-PR CNT-PR H 4
CNT-PR H H CNT-PR 5
H CNT-PR CNT-PR CNT-PR 6
CNT-PR CNT-PR H CNT-PR 7
CNT-PR CNT-PR CNT-PR CNT-PR 8
3-2-مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول

شکل 2.3. مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.2.3:مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی
Dipole moment, Debye GAP (HOMO,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
0.0001 0.18732 -0.0135 -0.19982 -451.2554 -451.25638
جدول 2.2.3 : بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.031835
-0.024332
-0.619395
-0.532537
0.499772
0.499780
-0.532539
-0.619402
0.031830
-0.024330
0.136369
0.155931
0.352361
0.352362
0.136367
0.155930 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول3.2.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
100.8972
103.7512
114.6306
368.0466
87.3505
87.3522
368.0388
114.628
100.8958
103.7533
2.8465
2.7674
7.6063
7.6061
2.8466
2.7674 81.5534
66.3671
109.9563
7.8128
58.9677
58.9686
7.8135
109.9589
81.5527
66.3666
25.3698
25.6524
23.7029
23.7026
25.3698
25.6524 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول 4.2.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
δ Cq اتم ها شماره اتم ها
108.1135 1.54609 C 1
123.2998 1.11601 C 2
144.9606 2.84387 N 3
247.1041 3.70315 N 4
130.6992 1.26505 C 5
130.6983 1.26507 C 6
247.1034 3.70309 N 7
144.958 2.84392 N 8
108.1142 1.54608 C 9
123.3003 1.11602 C 10
6.8127 0.20745 H 11
6.5301 0.20961 H 12
8.4796 0.255175 H 13
8.4799 0.255171 H 14
6.8127 0.20745 H 15
6.5301 0.20961 H 16
3-3 : مولکول CNT-PR

شکل 3.3. CNT به همراه پروپان
جدول 1.3.3 : مقادیر انرژی مولکول CNT-PR
Dipole moment, Debye GAP(HOMO
,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.6365 0.07509 -0.11266 -0.18775 -1035.239 -1035.2409
جدول 2.3.3 : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.023788
0.003128
-0.197905
0.032644
0.178476
0.178476
0.179908
0.179908
0.179752
-0.292029
0.151793
0.151793
-0.262426
0.159708
0.159708
-0.444926
0.147642
0.154945
0.147642 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 -0.208062
0.037845
-0.024978
0.002453
-0.023788
0.002977
-0.197905
0.032476
-0.000952
0.018551
-0.029271
0.005912
-0.028060
0.003128
-0.198842
0.032644
-0.208062
0.018551
-0.024978
0.005912 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 3.3.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
134.234
194.9394
62.4223
95.6304
11.1223
11.1223
12.9403
12.9403
12.9883
31.1881
6.1632
6.1632
23.8093
4.8102
4.8102
26.2259
8.4424
10.6794
8.4424 39.34070
10.2703
107.2900
88.0421
27.9939
27.9939
28.0335
28.0335
28.0440
150.2835 29.8708 29.8708 162.5616 30.2882 30.2882 173.2284 31.1034 30.8515 31.1034 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 64.6866
98.8324
131.0271
190.8874
134.2340
196.1997
62.4221
94.6215
83.2180
98.0052
135.2603
192.2777
136.6302
194.9394
62.6030
95.6303
64.6867
98.0051
131.0271
192.2775 101.8549
82.4146
37.0815
11.9548
39.3407
9.9789
107.2902
88.1030
69.7631
82.6254
39.6868
9.4673
37.5058
10.2702
107.7024 88.0422 101.8549 82.6256 37.0816 9.4674
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 4.3.3: مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
150.326 1.8794 C 21 87.812 3.6935 C 1
179.397 2.9976 C 22 107.252 1.7665 C 2
82.377 3.9172 C 23 152.585 1.9033 C 3
101.625 1.7244 C 24 177.712 2.8877 C 4
4.1886 0.1991 H 25 150.326 1.8794 C 5
4.1886 0.1997 H 26 179.688 3.0111 C 6
4.149 0.19822 H 27 82.3767 3.9171 C 7
4.149 0.19822 H 28 101.566 1.7969 C 8
4.138 0.19823 H 29 119.903 4.3964 C 9
39.383 0.5627 C 30 107.041 1.8102 C 10
2.3117 0.1874 H 31 149.98 1.8786 C 11
2.3117 0.1874 H 32 180.199 2.8992 C 12
27.1053 0.8274 C 33 152.161 1.8830 C 13
1.8943 0.18775 H 34 179.397 2.9976 C 14
1.8943 0.18775 H 35 81.9645 3.9075 C 15
16.4385 0.3950 C 36 101.624 1.7948 C 16
1.0791 0.1925 H 37 87.812 3.6935 C 17
1.331 0.1939 H 38 107.041 1.8102 C 18
1.0791 0.1925 H 39 152.585 1.9033 C 19
180.199 2.8992 C 20
3-4- : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

شکل 4.3 : : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

جدول 1.4.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.8202 0.07505 -0.11132 -0.18637 -1485.301 -1485.302
جدول 2.4.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.028154
0.002883
-0.198572
0.031733
-0.208453
0.018238
-0.025278
0.005600
-0.023657
0.003051
-0.198324
0.031799
0.177860
0.178081
0.179346
0.179246
0.179183
-0.299170
0.150379
0.152810
-0.267887
0.157747
0.177722
-0.342783
0.138010
0.151879 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 -0.003441
0.250543
-0.636157
-0.576936
0.515507
0.496826
-0.531557
-0.619992
0.032891
-0.023572
0.137562
0.157494
0.352359
0.352048
0.154526
-0.208055
0.037359
-0.025480
0.002518
-0.023921
0.002609
-0.198054
0.032137
0.001518
0.019990
-0.026984
0.004974 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.4.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
136.1493
195.0736
61.9668
95.3668
64.8639
98.3180
130.9338
191.8578
134.9383
195.4586
62.1192
94.2998
10.9957
10.7578
13.1166
13.1236
12.9153
30.5506
6.0566
5.5977
36.3155
6.2821
7.7949
25.6586
6.3245
4.7173
37.7236
10.4758
107.4883
88.2866
101.6760
82.1269
37.3628
9.8864
39.3713
10.5573
107.8964
88.5790
27.9446
27.9331
28.0062
28.0127
28.0107
151.0921
29.7627
29.6787
155.4321
30.3239
29.6302
157.5469
29.7677
29.4575
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 88.8198
109.4432
107.1977
350.7507
86.0822
86.4986
370.114
114.7333
100.7395
103.7654
3.0302
3.2233
7.72
9.0142
3.9392
65.1857
98.9251
130.762
190.4659
133.8728
196.0494
61.8626
94.5384
85.5183
99.2029
135.6680
192.0001 83.3751
53.6625
111.2838
8.6119
58.4546
59.2226
7.0334
109.6199
81.2228
66.0851
25.3616
25.6697
23.7068
23.8743
25.7996
101.2766
82.2529
37.1826
12.2623
39.3152
10.4502
107.5663
88.3565
68.8059
81.8357
39.6421
9.8658 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول4.4.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
151.943 1.88144 C 28 106.291 1.44885 C 1
179.191 3.00478 C 29 136.004 1.09427 C 2
82.1786 3.90887 C 30 143.633 2.87488 N 3
101.380 1.79701 C 31 246.305 3.56591 N 4
89.9909 3.67501 C 32 131.2123 1.30062 C 5
107.54 1.80832 C 33 130.4443 1.24673 C 6
152.304 1.90686 C 34 247.883 3.71512 N 7
179.780 2.89690 C 35 145.297 2.83411 N 8
150.295 1.88011 C 36 108.444 1.56044 C 9
179.109 3.00781 C 37 123.581 1.12492 C 10
81.7705 3.9111 C 38 6.8209 0.20739 H 11
101.0879 1.79940 C 39 6.5128 0.20944 H 12
4.2379 0.19917 H 40 8.4757 0.25523 H 13
4.2494 0.19921 H 41 8.3082 0.25515 H 14
4.1763 0.198241 H 42 6.3829 0.20949 H 15
4.1698 0.198244 H 43 88.3903 3.68499 C 16
4.1718 0.19821 H 44 107.414 1.76532 C 17
38.5748 0.56655 C 45 152.4843 1.90785 C 18
2.4198 0.187192 H 46 177.4046 2.89075 C 19
2.5038 0.18722 H 47 150.351 1.88110 C 20
34.2348 0.87036 C 48 179.216 3.01372 C 21
1.8586 0.18779 H 49 82.1006 3.91176 C 22
2.5523 0.18759 H 50 101.310 1.79707 C 23
32.12 0.40402 C 51 120.861 4.41361 C 24
2.4148 0.18873 H 52 107.831 1.80202 C 25
2.725 0.18673 H 53 150.024 1.87922 C 26
179.801 2.88484 C 27
3-5 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4

شکل 5.3 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 1.5.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
Dipole moment, Debye GAP(HOMO ,LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.1326 0.0749 -0.11459 -0.18949 -1485.299 -1485.300
جدول 2.5.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.033382
-0.207435
0.018918
-0.024169
0.006027
-0.023072
0.003952
-0.198084
0.033102
0.178366
0.177928
0.180811
0.180818
0.180869
-0.297281
0.154766
0.152328
-0.266634
0.170593
0.157844
-0.359171
0.160487
0.150357
0.137012
0.132390
0.156205 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 0.032035
-0.023565
-0.620271
-0.532086
0.495303
0.352278
0.350153
-0.075610
-0.680408
-0.537895
0.507054
0.348170
-0.207245
0.038059
-0.024103
0.002580
-0.023624
0.003312
-0.197726
0.033420
-0.003393
0.016990
-0.027490
0.005295
-0.027466
0.003986
-0.198063 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.5.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
96.8398
64.2177
96.2581
131.3936
192.6275
134.606
194.8893
62.8612
95.8388
11.1050
10.8770
13.0186
13.0331
12.819
30.7452
6.0127
5.7872
37.1518
6.3040
7.8776
27.0181
6.3668
4.8739
2.4039
5.3007
3.2250 87.4538
102.2547
83.2952
36.9513
9.6591
39.6539
10.6284
107.6883
87.6670
27.9858
27.9862
27.9783
27.979
27.975
151.4022
29.7606
29.7402
155.0101
30.2031
30.1179
161.2193
29.5118
29.5443
25.3808
25.5537
25.6694 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 100.1170
103.6260
114.3264
367.1308
87.0376
7.3198
102.4990
91.3172
104.0147
358.2867
85.5735
6.5667
64.8172
97.5777
131.4364
190.9355
133.6326
195.6523
62.5375
96.0296
81.6811
96.4204
136.3405
193.5830
135.8612
194.5994
62.7627 81.2149
66.2956
110.3520
7.3876
59.1113
23.7779
67.6463
67.2827
107.9273
6.2093
58.1431
23.8043
101.4445
83.1175
36.6998
12.2099
39.5723
10.4561
107.3494
87.4572
71.3418
83.5858
39.1335
9.2179
37.9435
10.6242
107.1167 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 4.5.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
102.21 1.7897 C 28 108.452 1.5505 C 1
87.412 3.6960 C 29 123.37 1.1207 C 2
106.37 1.8228 C 30 144.564 2.8491 N 3
152.71 1.9043 C 31 247.52 3.7011 N 4
180.007 2.9097 C 32 130.55 1.2653 C 5
150.01 1.8823 C 33 8.4046 0.2552 H 6
179.03 3.0001 C 34 122.02 1.6226 C 7
81.978 3.9168 C 35 122.38 1.007 C 8
101.99 1.7920 C 36 146.98 2.9352 N 9
4.1967 0.1991 H 37 248.7 3.7148 N 10
4.1963 0.19909 H 38 131.52 1.2785 C 11
4.2042 0.19817 H 39 8.3782 0.2544 H 12
4.2035 0.19815 H 40 88.222 3.7045 C 13
4.2075 0.19814 H 41 106.54 1.7668 C 14
38.264 0.5485 C 42 152.96 1.9043 C 15
2.4219 0.18703 H 43 177.45 2.9038 C 16
2.4423 0.18691 H 44 150.09 1.8827 C 17
34.6568 0.7741 C 45 179.21 3.0058 C 18
1.9794 0.18762 H 46 82.317 3.9197 C 19
2.0646 0.18728 H 47 102.2 1.7887 C 20
28.4476 0.48635 C 48 118.32 4.3196 C 21
2.6707 0.18863 H 49 106.08 1.8221 C 22
2.6382 0.18503 H 50 150.53 1.8754 C 23
6.8017 0.20743 H 51 180.44 2.9115 C 24
6.6288 0.20698 H 52 151.72 1.8811 C 25
6.5131 0.20957 H 53 179.04 2.9957 C 26
82.55 3.9202 C 27
3-6 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2

شکل 6.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 1.6.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.3815 0.07125 0.11598- 0.18723- 2519.34495- 2519.3459-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.024333
0.005537
-0.023663
0.003678
-0.197905
0.033316
0.178086
0.178494
0.181154
0.181267
0.181138
-0.296845
0.153215
0.153582
-0.266070
0.168832
0.159375
-0.358201
0.158325
0.151605 C
C
C
C
C
C
H
H

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.002859
-0.198201
0.031990
0.177717
0.178489
0.179548
0.179533
0.179322
-0.298834
0.148974
0.153607
-0.267437
0.155711
0.180198
-0.345419
0.134136
0.154581
-0.207188
0.038657
-0.023694
0.002666
-0.023442
0.003582
-0.197804
0.034028
-0.003858
0.017079
-0.028200
0.006005
-0.027816
0.004041
-0.198053
0.033799
-0.207476
-0.207476 C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 0.316796
0.199075
-0.698820
-0.584898
0.519708
0.495216
-0.531212
-0.621115
0.033234
-0.022937
0.138052
0.157776
0.352390
0.352390
-0.208023
0.037924
-0.025238
0.002407
-0.023875
0.002539
-0.198148
0.032637
0.000904
0.020371
-0.027265
0.005341
-0.028599
0.002964
-0.198304
0.032021
-0.208583
0.017339
-0.025644
0.005334
-0.023772 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.6.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3.6.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
98.4441
131.912
191.5185
133.9549
195.946
61.3861
94.7707
10.8467
10.6422
13.2077
13.2163
12.8866
31.0437
7.0637
5.9439
37.1687
7.4478
7.9094
26.3821
9.5251
4.4360
63.149
98.3846
131.3311
191.1472
133.3412
195.1754
61.8613
96.7625
81.9861
94.9234
82.1702
36.9111
9.3583
39.9904
10.8407
107.8213
89.0636
27.9305
27.9446
27.9818
27.9949
27.9821
151.2105
29.7644
29.6559
155.5088
30.3505
29.5536
159.4331
29.7578
29.5228
102.4313
63.149
36.4593
12.0725
40.302
10.3995
107.6306
86.7024
71.2718
83.4968 C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 93.2045
101.8877
94.7967
343.8917
88.3747
86.4524
369.7769
115.2670
101.2506
103.9169
2.6371
3.5752
7.1833
6.5853
65.2012
99.8085
131.7670
190.7833
133.4933
196.5069
61.5046
94.0447
85.8955
99.4893
136.3663
191.2549
135.9785
194.8718
62.1274
93.6134
64.302 70.2998
56.2738
108.2173
7.5100
59.0547
59.5248
6.7569
109.8846
81.2350
66.1800
25.3556
25.6244
23.7399
23.9457
101.7441
82.0663
36.7877
11.9828
39.5724
10.6169
108.1075
88.7424
68.6006
81.2793
39.3604
9.5155
37.8366
10.5018
107.6063
88.5584
101.9087 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8239
13.1142
13.2215
12.7375
30.8998
6.8058
5.6418
39.0307
7.8294
7.9634
27.5876
8.3643
4.8956 28.0491
27.9861
27.8669
27.9257
151.6187
29.8026
29.768
154.8079
30.2766
30.1545
162.1162
29.513
29.6061
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 136.9079
193.4541
134.9719
194.8594
62.749
96.4192
64.0708
95.8216
131.5022
194.2806
132.9678
194.861
61.9369
95.8287
10.8493 39.072
9.0584
37.9951
10.4489
106.9278
87.1475
102.0403
83.6311
36.5499
8.9507
39.968
9.9542
106.953
87.3228
28.0143 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
جدول 4.6.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
179.16 2.9988 C 28 119.36 1.5006 C 1
82.06 3.9126 C 29 133.39 0.9881 C 2
101.1 1.7945 C 30 145.69 2.9556 N 3
87.75 3.6739 C 31 247.4 3.5816 N 4
107.49 1.8121 C 32 130.61 1.3055 C 5
152.75 1.9054 C 33 130.14 1.2466 C 6
180.3 2.8963 C 34 248.16 3.7129 N 7
149.67 1.8786 C 35 145.03 2.8388 N 8
178.82 3.0019 C 36 108.43 1.5637 C 9
81.84 3.9131 C 37 123.48 1.1281 C 10
100.6 1.7976 C 38 6.8269 0.2073 H 11
4.252 0.19916 H 39 6.5581 0.2094 H 12
4.237 0.19914 H 40 8.4426 0.2552 H 13
4.2007 0.19821 H 41 8.2368 0.2544 H 14
4.1876 0.19824 H 42 87.922 3.6868 C 15
4.2004 0.19818 H 43 107.6 1.7644 C 16
38.45 0.5617 C 44 152.87 1.9068 C 17
2.4181 0.18743 H 45 177.68 2.8829 C 18
2.5266 0.18723 H 46 150.09 1.8818 C 19
34.15 0.8770 C 47 179.05 3.0148 C 20
1.832 0.18783 H 48 81.56 3.9123 C 21
2.628 0.18759 H 49 100.92 1.7956 C 22
30.23 0.3732 C 50 121.06 4.4158 C 23
2.424 0.18937 H 51 108.38 1.8052 C 24
2.659 0.18662 H 52 150.3 1.8785 C 25
87.23 3.7013 C 53 180.15 2.8849 C 26
126.51 1.766 C 54 151.83 1.8816 C 27
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
149.69 1.8825 C 73 153.2 1.902 C 55
179.71 2.9950 C 74 177.59 2.8945 C 56
82.71 3.9207 C 75 149.36 1.8813 C 57
102.34 1.7904 C 76 179.26 3.0039 C 58
4.1682 0.19904 H 77 82.03 3.9219 C 59
4.1334 0.19913 H 78 102.96 1.7859 C 60
4.1964 0.19814 H 79 118.39 4.3185 C 61
4.3156 0.19814 H 80 106.17 1.8273 C 62
4.2568 0.19810 H 81 150.59 1.8742 C 63
38.048 0.5475 C 82 180.6 2.9108 C 64
2.3799 0.18708 H 83 151.67 1.8806 C 65
2.4145 0.18713 H 84 179.21 2.9919 C 66
34.859 0.77699 C 85 82.73 3.9218 C 67
1.9059 0.18759 H 86 102.51 1.7891 C 68
2.028 0.18728 H 87 87.62 3.7024 C 69
27.55 0.4747 C 88 106.03 1.8262 C 70
2.6695 0.18924 H 89 153.11 1.9036 C 71
2.5764 0.18527 H 90 180.71 2.9103 C 72
3-7-: مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3

شکل 7.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 1.7.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
2.3084 0.07497 0.11142- 0.18639- 2519.34695- 2519.3479-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.025058
0.006045
-0.0241
0.003128
-0.198044
0.03232
0.177778
0.177893
0.179409
0.179335
0.179461
-0.299049
0.150568
0.152585
-0.268497
0.158515
0.178263
-0.343034
0.138335
0.152133 C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.179462
-0.29905
0.150567
0.152586
-0.268493
0.158514
0.178261
-0.343036
0.138336
0.152132
-0.002644
0.251513
-0.636627
-0.575983
0.512251
0.352046
0.155883
-0.208269
0.037784
-0.025810
0.002005
-0.023914
0.002599
-0.19809
0.032186
0.001297
0.019482
-0.027322
0.005329
-0.027926
0.002741
-0.198376
0.031991
-0.208608
0.018472 H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 -0.002631
0.251501
-0.636618
-0.575979
0.512245
0.352049
0.155883
-0.208270
0.037783
-0.025811
0.002003
-0.023913
0.0026
-0.198091
0.032185
0.001295
0.019482
-0.027324
0.005331
-0.027926
0.002742
-0.198375
0.031991
-0.208607
0.01847
-0.025056
0.006046
-0.024103
0.003128
-0.198042
0.032320
0.177778
0.177893
0.179409
0.179334 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.7.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3.7.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
11.0241
10.8425
13.0473
12.9534
12.9746
30.1706
5.8344
5.5076
36.82
6.5179
8.2037
25.4529
6.1013
4.9038
88.635
109.5865
107.259
352.9845
85.1032
9.2069
3.9517
64.403
98.1451
129.9846
190.8925
134.9557
196.3943
62.5351
95.0513
85.3961
99.0417
27.9952
27.9935
28.0384
28.0393
28.0071
151.2266
29.7378
29.6878
155.3324
30.251
29.5665
157.7697
29.7441
29.4123
83.0175
53.2988
110.8663
7.8003
58.6907
23.8657
25.7811
102.0316
83.0699
37.086
12.0695
38.5297
10.202
107.8474
88.1768
68.8818
82.3855 H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 88.6389
109.5843
107.2579
352.9885
85.1016
9.2076
3.9521
64.4014
98.1437
129.9851
190.8943
134.9564
196.3958
62.5359
95.0509
85.3934
99.0413
135.5417
192.7438
137.0893
195.0052
62.0649
93.6684
64.3901
96.9042
130.7759
192.2751
134.1526
195.2738
62.1875
95.6332 83.0174
53.2987
110.863
7.7986
58.6904
23.8653
25.781
102.0334
83.0709
37.0857
12.0682
38.5301
10.2019
107.8481
88.1768
68.881
82.3867
39.8191
9.5244
37.2299
10.2574
107.7317
88.444
102.3181
83.337
37.0718
9.5253
39.0995
10.1707
107.6561
88.3315 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8423
13.0474
12.9533
12.9746
30.1701
5.8343
5.5078
36.8165
6.5174
8.2039
25.4512
6.102
4.904
27.9935
28.0384
28.0393
28.007
151.2269
29.7377
29.6879
155.3342
30.251
29.5662
157.7705
29.7442
29.4122 H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 135.5397
192.7426
137.09
195.0032
62.0658
93.6692
64.3904
96.9026
130.7765
192.2734
134.1532
195.276
62.1869
95.632
11.0241 39.8202
9.5257
37.23
10.2579
107.7315
88.4433
102.3172
83.3374
37.0715
9.5264
39.0994
10.1691
107.6571
88.3321
27.9953 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73

–398

مقدمه..................................................................................................................................................2
فصل اول: کلّیات تحقیق
1-1- بیان مسأله............................................................................................................................................................... 4
1-2 – نانوفناوری................................................................................................................................................................4
1-2-1-تاریخچه فناوری نانو............................................................................................................................................4
1-2-2-معرفی نانو فناوری...............................................................................................................................................5
1-3- نانوپزشکی.................................................................................................................................................................7
1-3-1-تعریف نانوپزشکی.................................................................................................................................................7
1-2-2-خلاصه ای از کاربردهای نانوپزشکی................................................................................................................8
1-3- نانودارو......................................................................................................................................................................9
1-4-طراحی دارو به وسیله کامپیوتر.............................................................................................................................10
1-4-1-مقدمه...................................................................................................................................................................10
1-4-2-تکنیک های محاسباتی درطراحی و تولید دارو..........................................................................................11
1-4-3-نرم افزارهای مناسب جهت طراحی دارو.....................................................................................................12
1-5- شیمی محاسباتی..................................................................................................................................................13
1-5-1- تعریف شیمی محاسباتی.................................................................................................................................13
1-5-2-روش های محاسباتی........................................................................................................................................13
1-5-3-انواع مدل های مولکولی درشیمی محاسبات...............................................................................................14
1-5-4-مکانیک مولکولی ...............................................................................................................................................14
1-6-حمل دارو(دارورسانی نوین)..................................................................................................................................15
1-6-1-تعریف دارورسانی نوین......................................................................................................................................15
1-6-2-نانوساختارهای حامل دارو.................................................................................................................................15
1-6-3-فلرن‌ها....................................................................................................................................................................16
1-6-4-لیپوزوم‌ها...............................................................................................................................................................17
1-7-آنتی کنسر(ضدسرطان)..........................................................................................................................................18
1-7-1-تاریخچه سرطان...................................................................................................................................................18
1-7-2-تعریف سرطان.......................................................................................................................................................19
1-7-3-نحوه پیدایش سرطان .........................................................................................................................................19
1-7-4-علائم هشدار دهنده سرطان ..............................................................................................................................20
1-7-5-انواع سرطانها ........................................................................................................................................................20
1-7-6-عوامل بروز سرطان...............................................................................................................................................21
1-7-7-روشهای درمان سرطان.......................................................................................................................................21
1-7-8-داروهای ضدسرطان.............................................................................................................................................22
1-8- 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................................23
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل.....................................................................................................................................23
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل...............................................................................................................25
1-9-کاپسیتابین................................................................................................................................................................26
1-9-1-معرفی کاپسیتابین.............................................................................................................................................26
1-10-نانوذرات...................................................................................................................................................................27
1-10-1-معرفی نانودرات.................................................................................................................................................27
1-10-2- تاریخچه نانوذرات........................................................................................................................................... 27
1-10-3-خواص نانوذرات.................................................................................................................................................27
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات................................................................................................................................29
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید.................................................................................................................................30
1-11 -ضرورت انجام تحقیق............................................................................................................................................31
1-12- اهداف تحقیق.........................................................................................................................................................32
1-13-متغیرهای تحقیق...................................................................................................................................................32
1-14- فرضیه های تحقیق..............................................................................................................................................33
فصل دوم: مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه مروری برپژوهش های پیشین..................................................................................................34
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل..........................................................................35
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR...............36
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل........................................................................................................................................................................37
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن............................................................................................................................................................................38
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو..................................................................38
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو.........................................40
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر.....................41
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی..............................................................................................................................................................................42
2-10- استفاده از گرانرولهای کلسیم فسفات برای سیستم رهایش 5-فلورویوراسیل.......................................43
فصل سوم:روش های پژوهش
3-1-شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................45
3-1-1-روشهای محاسباتی ازاساس.....................................................................................................................46
3-1-1-1-روش میدان خودسازگار هارتری- فاک...............................................................................................46
3-1-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست...................................................................................................................47
3-1-2-روش های نیمه تجربی.................................................................................................................................47
3-1-3-روش محاسباتی مکانیک مولکولی............................................................................................................48
3-2-نظریه تابعی چگالی............................................................................................................................................49
3-3- سری پایه..........................................................................................................................................................50
3-4- نرم افزارهای مورداستفاده دراین تحقیق.....................................................................................................52
3-4-1-نرم افزار هایپرکم و گووسویو...................................................................................................................52
3-4-2- نرم افزار گوسین..........................................................................................................................................53
3-5-روش انجام تحقیق.............................................................................................................................................54
3-6-نتایج تحقیق.......................................................................................................................................................55
3-6-1-فلورویوراسیل..................................................................................................................................................55
3-6-2-نانوذره سیلیکون کربید.................................................................................................................................63
3-6-3-نانوذره سیلیکون کربید-5-فلورویوراسیل.................................................................................................67
فصل چهارم: تفسیر و بیان نتایج
4-1- تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از محاسبات............................................................................................90
4-1-1-نتایج مربوط به مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن برای مولکولهای 5-فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید بر حسب ppm..................................................................................................................................91
4-1-2-مقادیر خصوصیات بهینهی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید............................................................................................................................................................93
4-1-3-نتایج محاسبات بهینه سازی وپوشش شیمیایی و بار مولیکن ساختاراتصالی(برهمکنش)بین 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کرید برحسب ppm..........................................................................................93
4-1-4- مقادیر خصوصیات بهینه ی ساختار اتصالی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل با نانوذره سیلیکون کربید....................................................................................................................................................................................96
4-1-5- نتایج حاصل از انرژی اتصال ساختار های 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کربید....................98
فصل پنجم: بحث و پیشنهادات
5-1-بحث و نتیجه گیری...............................................................................................................................................100
5-2- پیشنهادات..............................................................................................................................................................102
منابع...................................................................................................................................................................................104
چکیده انگلیسی ......................................................................................................................................................... 109
پیوستها....................................................................................................................................................................... 111
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول3- 1: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-00.............................................................59
جدول3- 2: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-01.............................................................59
جدول3- 3: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-02.............................................................60
جدول3- 4: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-03..............................................................61
جدول3- 5: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-04.............................................................62
جدول 3-6: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-05.............................................................62
جدول3-7-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل مولکولی فلورویوراسیل...................................................................................................................................................................63
جدول3- 8: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-.......................................................................65
جدول3- 9: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-......................................................................66
جدول3-10-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای دو مدل نانوذره ی سیلیکون کربید...............................................................................................................................................................67
جدول3- 11: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-00......................................................74
جدول3-12: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-01........................................................75
جدول 3-13: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار02 NP1-FU-......................................................76
جدول3-14: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-03.......................................................77
جدول3-15: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-04.....................................................79
جدول3-16 : مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-05....................................................80
جدول 3-17: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار00 NP2-FU-...................................................81
جدول3-18: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-01......................................................82
جدول 3-19: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-02.....................................................84
جدول 3-20: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-03.....................................................85
جدول 3-21: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-04.....................................................86
جدول 3-22: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-05......................................................87
جدول3-23-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)......................................................................................................89
جدول3-24-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)......................................................................................................89
جدول3-25-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)...................................................................................................................................................................................90
جدول3-26-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)...................................................................................................................................................................................91
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1-ساختارفلرن......................................................................................................................................................17
شکل1-3- الف)یوراسیل..................................................................................................................................................24
شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................24
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-پ)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-02.....................................................................................57
شکل 3-1-ت)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-03.....................................................................................57
شکل 3-1-ث)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:04-5-FU......................................................................................58
شکل 3-1-ج)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-05......................................................................................58
شکل 3-2-الف)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Siو8اتم C،ساختار:NP1....................................64
شکل 3-2-ب)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Cوتعداد8اتم Si،ساختار:NP2.............................64
شکل3-3-1-ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-00)..............................................................................................................................68
شکل3-3-2- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-01)................................................................................................................................68
شکل3-3-3- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-02)......................69
شکل3-3-4- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-03)...................................................................................................................................................................................69
شکل3-3-5- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-04)...............70
شکل3-3-6- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-05)..................................................................................................................................................................................70
شکل3-3-7- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-00).................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-8- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-01)..................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-9- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-02)...................................................................................................................................................................................72
شکل3-3-10- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-03).............72
شکل 3-3-11- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-04)...................................................................................................................................................................................73
شکل3-3-12- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-05)...........73
چکیده :
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیزپیدامی کنند.دراین پژوهش محاسبات تئوری تابعی چگالی، جهت بررسی اثرات جذب داروی ضد سرطان 5-فلورویوراسیل بر روی نانو ذره سیلیکون کربید با استفاده ازنرم افزارگوسین مورد بررسی قرار گرفت. به منظور دستیابی به این هدف، مدلهای مولکولی شامل هر دو نوع ساختارشامل شش ساختار مختلف مولکول فلورویوراسیل و دونوع ساختار منفرد نانوذره سیلیکون کربیدبا استفاده از نرم افزار گوسین ویو و هایپرکم طراحی گردید.شش نوع ساختار متفاوت فلورویوراسیل هم به صورت منفرد و هم در اتصال و برهمکنش با نانو ذره سیلیکون کربیدی مطالعه شد.سپس با بررسی مقادیر خصوصیات بهینه، مشخص شد که ترکیب اتصالی ، خصوصیات متفاوتی را نسبت به حالات منفرد هر یک از مولکولها نشان میدهد. همچنین بابررسی مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن به دست آمده، که خصوصیات الکترونیکی اتمها را نشان میدهد،تغییراتی درحالت اتصال نسبت به حالت مجزامشاهده شدکه نشان می دهد اتمهای فلورویوراسیل تحت تاثیرنانوذره قرارگرفته اند. همچنین سایر پارامتر های دیگر از جمله مقادیرانرژی اتصال و ممان دوقطبی. HOMO و LUMO که تفاضل جبری این دو که انرژی گاف نامیده می شود محاسبه گردید که نتایج آن قابل بحث و تفسیر است ودرنهایت پایدارترین ساختار اتصالی بین مولکول فلورویوراسیل ونانوذره سیلیکون کربید باتوجه به بیشترین انرژی اتصال مشخص گردید.
کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی، نانو ساختارها. تئوری تابعی چگالی، 5- فلورویوراسیل، نانو ذره سیلیکون کربید
مقدمه:
امروزه باگسترش روزافزون تکنولوژی وزندگی ماشینی،علاوه براینکه بیماری های جدیدی پا به عرصه ظهور نهاده اند،بیماری های قبلی نیز جنبه های پیچیده تری ازخود بروز می دهند.یکی از این بیماری های کشنده ومهلک که بشریت ازگذشته های دور با آن درگیربوده است سرطان یا کنسرمی باشد.متخصصان حوزه سلامت سرطان را تقسیم غیرطبیعی سلولهای بدن تعریف کرده اند.یکی از راههای درمان این بیماری استفاده از داروها یا شیمی درمانی می باشد.5-فلورویوراسیل یکی از دارو های مورد استفاده درشیمی درمانی جهت درمان انواع سرطان می باشد.این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است. این دارو همانند بیشتر داروهای مورد استفاده در درمان سرطان دارای عوارض جانبی است که عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد. باتوجه به عوارض یاد شده و نیزاهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل داروها، تحقیق حاضر برآن است تا با استفاده از نانو ساختارها یک طرح نوینی از داروی مذکور را جهت ارسال هدفمند وکاهش عوارض دارو طراحی وپیشنهاد کندکه قدم اول دراین راه بررسی امکان جذب دارو برروی نانوساختار مورد نظرکه نانو ساختار سیلیکون کربید است، می باشد.

فصل اول : کلیات تحقیق
1-1- بیان مسأله
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیز پیدا می کنند اهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل آن ها در نظر گرفته می شود که در تحقیق حاضر به مطالعه ی مدلی از نانو ذره ی سیلیکون کربید در نگهداری داروی ضد سرطان فلورویوراسیل پرداخته می شود این دارو علیرغم این که کارآمدی خوبی دارد اما عوارض جانبی نامطلوب نیز به همراه دارد که نانوتکنولوژی امیدهایی را در جهت کاهش آن ها ایجاد کرده است.در تحقیق حاضر مطالعه بر اساس محاسبات کوانتومی در سطح اتمی-مولکولی انجام می شود.
1-2 - نانوفناوری
1-2-1-تاریخچه فناوری نانو
مقوله نانوفناوری نامی است که از اوایل سالهای 1980میلادی بر پروژه ای که بیست سال قبل از آن تاریخ، یعنی در سال 1959 توسط استادریچارد فایمن، در کالیفرنیا مطرح شد، بنا نهاده شد. فناوری نانو توسط فیزیکدان و برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن در سخنرانی نیمه نهایی خود در سال 1959پیش بینی شد: "درپایین دست فضای زیادی وجوددارد.". فناوری نانو، که در سال 1974 ابداع شده، اشاره به مدیریت و یا مهندسی نانو اشیاء در مقیاس مولکولی دارد .هاینریش روهرر، پیشگام سوئیسی عرصه نانوفناوری می باشددر ساخت میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده برای مشاهده و دستکاری اتم‌های منفرد همکاری داشت.روهرر و همکارش گرد بینیگ، نسخه پیشرفته‌ای از اولین میکروسکوپ الکترونی متعلق به دهه 1930، را طراحی و آن را «میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده» نام نهادند.وی زمانی که در لابراتوار آی بی ام کار می‌کرد، به همراه بینیگ جایزه نوبل سال 1986 فیزیک را به خود اختصاص دادند و آن را با ارنست روسکا، طراح اولین میکروسکوپ الکترونی، به اشتراک گذاشتند.روهرر و بینیگ پدران نانوفناوری شناخته شده‌اند.طراحی میکروسکوپ مزبور نقطه عطفی در تاریخ فناوری علم و اطلاعات به شمار می‌آید. ] 6و7 [
1-2-2-معرفی نانو فناوری
نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله می‌باشد.فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایشات علمی راه یافته است تا جایی که در یک دهه آینده برتری فراینده‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود. نانومتر معادل یک میلیاردم متر یا تقریبا یک هشتاد هزارم قطر مو و یا معادل اندازه ده اتم هیدروژن است که در کناریکدیگر قرار گرفته اند.حیطه تخصصی فناوری نانو ساختارها و دستگاههائی است که در ابعاد فضایی 1 تا 100 نانومتر قرار داشته و فعالیتهای این ساختارها در بازه های زمانی فمتو ثانیه (یک میلیونیوم نانوثانیه) بوقوع می پیوندد. ظهورنانوفناوری برپایه پروژه فایمن بودکه می توان آن رادر چند بند اساسی خلاصه نمود:
1-تولید ماشینها (روباتها) در مقیاس نانو (یک تا صد نانومتر )که خود این ماشینها قادرند ماشینهای دیگر و یا مواد مفیدجدید، را از طریق چیدمان اتمها در کناریکدیگر، از پائین به بالا، تولید کنند.این نوع فعالیت را اسمبلرنام نهادند.
2-یک اسمبلر می تواند حامل تمام دستورات و اطلاعات لازم جهت ساختن همانند خود باشد که در این صورت به آن خودسامان ده می گویند. از دیدگاه پروژه فاینمن، فناوری نانو در حقیقت فناوری ناظربرایجاد و کنترل این اسمبلرها و رپلیکیتورها است که خود آنها قادرند انبوهی از نانوماشینها و یا نانورو باتها را تعبیه کنند و ازطریق این انبوه سازی، یک فعالیت در مقیاسهای ملکولی راایجاد کنند. این درک از مقوله نانوفناوری بسیار بنیادی است وبا الهام از نانوفناوری موجود در دستگاههای زیستی طبیعی ارائه شده است که فناوری نانو را خلق دستگاهها و مواد ودستکاری در نظم و عملکرد آنها از پائین به بالا، یعنی درمقیاسهای ملکولی و اتمی در نظر می گیرد.از این دور نما،مقیاس نانو صرفا یک مقیاس فوق ریزو یا یک مرحله درکوچک سازی نیست، بلکه اساسی ترین مقیاسی است که ماده در انواع کیفی خود در آن مقیاس شکل می گیرد و قوانین حاکم بر عملکرد آن تشکیل می شود. درک ساده تری از مقوله فناوری نانو نیز در دست است که در برنامه ملی آمریکا برای(US National Nanotechnology Initiative) توسعه نانو فناوری ارائه شده است و هدف نانوفناوری را چنین تعریف می کند:" پژوهش و برپاسازی فناوری در سطوح اتمی، ملکولی وماکروملکولی در بازه طولی تقریبا یک تا 100 نانومتر به منظورارائه شناختی بنیادی از پدیده ها و مواد در مقیاس نانو و خلق و استفاده از ساختارها، ادوات و دستگاههائی که به خاطر اندازه فوق ریز و یا متوسط خود از خواص و عملکردهای نوظهوری برخوردار هستند".
به بیان دقیق ترفناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که موضوعات گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود.]5و6و7و8[
1-3- نانوپزشکی
1-3-1-تعریف نانوپزشکی
نانوپزشکی چیزی بیش از یک نظریه است، با این حال امکان ندارد تعریف دقیقی برای آن ارایه داد. درباره تعریف نانوپزشکی دو نظریه وجود دارد: 1- یک فناوری که از ابزارهای مولکولی و اطلاعات بدن انسان برای تشخیص و درمان استفاده می کند 2- به کارگیری خواص فیزیکی نانومتری اجسامی که حدفاصل اندازه های مولکولی و بزرگتر قرار دارند. ( مکانیک کوانتومی) .درحقیقت درمان و پیشگیری بیماری ها از قابلیت های خوب فناوری نانو به شمار می رود. این فناوری با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهای مهندسی شده، اعمالِ ساخت، کنترل، دیدن و ترمیم سیستم زیستی انسان در مقیاس مولکولی را انجام می دهد. ابزارهای بسیار ابتدایی نانوپزشکی می توانند برای شناسایی بیماری و توزیع دارو، و همچنین توزیع هورمون در بیماری های مزمن و نقص های سیستم بدن به کار روند. ابزارهای بسیار پیشرفته تر، از قبیل نانوروبات ها هستند که به عنوان جراحان کوچک داخل بدن عمل می کنند. در مقالات علمی نیز نانوپزشکی این گونه تعریف شده است : به کارگیری نانومواد یا موادی با ساختارهای نانو در پزشکی که به خاصر ساختارشان ، دارای خواص ویژه ای در زمینه پزشکی مثل توانایی عبور از غشاهای زیستی و یا هدف قرار دادن بافت ها هستند. کنترل مواد در اندازه های نانو نیازمند روش های شیمیایی و ساخت جدید منحصر به فرد است.] 10و11و12[
1-2-2-خلاصه ای از کاربردهای نانوپزشکی
1- داروها: مولکول های نانومتری چون ساختار خاصی دارند اثرات درمانی منحصر به فردی نیز دارند که در سایر داروها وجود ندارد. مثلا : داروهای مبتنی بر فولرین ها و یا درخت سان ها ( دندریمترها)
2- تصویر برداری درون تنی: حسگر های جدید بر مبنای این موارد ساخته می شوند :
برمبنای نانولوله ها، نانوسیم ها، کانتیلورها و میکروسکوپ های نیروی اتمی ، این حسگر ها در وسایل تشخیصی پزشکی استفاده می شوند.
3- زیست مواد: موادی که در این گروه قرار می گیرند عبارتند از: مواد خودتجمع ( خودآرا) و نانوموادی که خواص مکانیکی مواد دیگر را که در ابزارهای کاشتنی وجود دارند ، بهبود می بخشند. مثلا مواد نانوکامپوزیتی در دندانپزشکی که برای پر کردن به کار می روند. نانوهیدروکسی آپاتیت ←روکش کردن کاشتنی ها و یا ساخت موادی که جایگزین استخوان می شوند. مواد زیستی بر روی کاشتنی ها ← رشد سلولی و تمایز سلولی
4- کاشتنی های فعال: این موارد سطوح الکترود ها و سازگاری زیستی ابزارهای کاشتنی را بهبود می دهند. 5-سیستم تحویل دارو به بافت‌های بدن: در این بخش محققان به دسترسی بیولوژیکی بافت‌ها به انواع داروها توجه می‌کنند. منظور از دسترسی بیولوژیکی در اینجا میزان حضور مولکول‌های خاصی از دارو است، با توجه به اینکه آیا آنها در بافت‌های خاص بدن مورد نیاز هستند و اینکه دقیقا در کجا بیشترین کارایی را خواهند داشت. این اهداف با استفاده از هدف‌یابی مولکولی به وسیله اجزایی که مهندسی نانو در آنها وجود دارد، قابل تحقق است.
6-سرطان: قابلیت‌های اجزای نانو در بخش تومورشناسی یکی از رؤیاهایی است که سال‌های سال محققان در آرزوی آن بوده‌اند. استفاده از این اجزا در تصویر‌برداری‌های پیشرفته می‌تواند تصاویری استثنایی از مناطقی که تومور در آنها ایجاد شده است، ارائه دهد. سایز این اجزا همچنین به محققان این امکان را داده است که آنها را تا حد امکان به تومورها نزدیک کنند و اطلاعات کافی از آنها به دست آورند. در تازه‌ترین تحقیقات محققان روی نانوذراتی کار می‌کنند که علاوه بر استفاده در عکسبرداری، از آنها می‌توان برای درمان مستقیم تومورها استفاده کرد] 11و12و13و14و26[
1-3- نانودارو
نانو دارو یکی از شاخه های نانوتکنولوژی است که با استفاده از آن می توان ابزار قدرتمند و پراستفاده ای در زمینه پزشکی و تحقیقاتی ساخت. علاوه بر ساخت ابزار، علم نانودارو به ساختارهای مواد و دارو ها هم مربوط می شود و در زیر شاخه های خود به درمان بیماری های خاص و جراحی های حساس و حرفه ای نیز می پردازد. البته استفاده نانو دارو به این شکل نیست که این علم به صورت مستقیم در تولید و ساخت خود دارو نقش داشته باشد؛ بلکه در نحوه پخش شدن آن در بدن تاثیر دارد و این کارایی دارو ها را افزایش می دهد. بر اساس این عمل پزشکان می توانند دارو را به نقطه ای برسانند که بدن به آن نیاز دارد نه این که از راههای دیگر مثل معده قسمتی از آن را به بخش آسیب دیده برسانند. از همین قابلیت برای درمان بیشتر سرطان ها استفاده شده است. به وسیله دانش نانودارو محققین می توانند با یک روش خاص انواع سرطان را درمان کنند. این روش خاص بدون جزئیات کامل به این صورت است که با تزریق دارو به بدن، داروها سلول های سرطانی را در یک نقطه جمع می کنند و مانع از انتشار آن به نقاط دیگر می شوند و بعد از مدتی سلول های سرطانی در همان محل کشته می شوند و بدون این که سرطان به محل دیگری سرایت کند، از بین می رود. در حال حاضر از این روش برای درمان تومورهای مختلف استفاده می شود. صنعت داروسازی از نقطه نظر دارو رسانی تاکنون از طریق فناوری نانو به دست آوردهای چشمگیری رسیده است. به علاوه از دیدگاه صنعت داروسازی در بخش دارورسانی این عنوان که فناوری نانو قابلیت در دسترس قرار دادن مواد را در مقیاس بسیار کوچک فراهم می کند بسیار حائز اهمیت می باشد. در سیستم دارویی قدیم به علت غیر واقعی بودن دز دارویی از لحاظ مقدار نیاز برای درمان، بسیاری از آن در دستگاه گوارش، گردش خون و بافت های واسط به هدر می رفت تا مقدار مورد نظر به سلول ها یا بافت های مورد نظر برسد که این داروهای جذب شده در طول مسیر ایجاد عوارض جانبی می کنند که اگر در حد خواب آلودگی باشد مزاحمتی برای بیمار ایجاد نمی کند حال آنکه در بیماری هایی چون سرطان و دیابت باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق های مکرر باعث دردناک شدن بافت ها می شود که برای بیمار غیر قابل تحمل می باشد. اما در سیستم دارورسانی نوین (نانو) راه حلی برای تمامی این مشکلات خواهد بود. سیستم دارورسانی نوین (نانو) عبارت است از رساندن دارو در یک زمان معین و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص، این کار به نحو چشمگیری ایمن تر و بسیار مؤثر تر از پخش دارو در تمام بدن است. یکی از مشکلاتی که وجود دارد این است که اهداف در بدن بسیار کوچک و پراکنده می باشند. دارورسانی نوین عوارض ناخواسته را کاهش می دهد و دزهای کمتری را مصرف می کند.سیستم های دارورسانی برای اینکه قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم هایی طراحی شده نانومتری فعال یا غیرفعال استفاده می کنند، پس باید این گونه گفت گه گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است]9و10و16[
1-4-طراحی دارو به وسیله کامپیوتر
1-4-1-مقدمه
در روش طراحی دارو با کمک کامپیوتر در واقع از کامپیوتر به عنوان ابزاری کمکی برای رسیدن به درک بهتری از شیمی و بیولوژی مساله موجود و انجام فرایند طراحی دارو استفاده می شود.در بیشتر موارد از این روش برای پیدا کردن لیگاندی که اینترکشن مناسب با رسپتوری که جایگاه هدف می باشد، استفاده می شود. اتصال این لیگاند به رسپتور می تواند از طریق اینترکشن های هیدروفوبیک، الکتروستاتیک و پیوندهای هیدروژنی باشد.
1-4-2-تکنیک های محاسباتی درطراحی و تولید دارو
دریک همکاری تحقیقاتی بین المللی که بوسیله ی دانشمندان دانشکده پزشکی دانشگاه کارولینای شمالی و دانشگاه دانده در انگلستان انجام شد، روشی برای طراحی و ساخت داروهایی با بازده و تأثیر بیشتر ابداع گردید که در آن داروها می توانند همزمان چندین پروتئین را هدف قرار دهند.این روش می تواند در تولید داروهایی فوق العاده گرانبها که برای درمان بیماریهای بسیار شایع مانند دیابت، فشارخون، چاقی، سرطان، شیزوفرنی و اختلال شخصیت دو بعدی بکار می روند، موثر باشد. این بیماریها که به نام بیماریهای پیچیده معروف هستند دارای علل ژنتیکی و غیر ژنتیکی می باشند که تعیین کننده ی میزان استعداد فرد برای ابتلا به این بیماریها است.به گفته ی نویسندگان پروژه - ریسرچدر مورد ژنتیک بیماری شیزوفرنی ، صدها ژن مختلف می تواند بروی خطر ابتلا به این بیماری تأثیر داشته باشد به همین علت تنها یک دارو نمی تواند برای هدف قرار دادن علت این بیماری مفید باشد این موضوع درمورد سایر بیماریهای شایع و پیچیده صادق است.دکتر روتزمی گوید: برای بیماریهای عصبی روانی و بیماریهای عفونی و سرطان، در طی 20 سال گذشته طراحی داروها بطور انتخابی بر اساس هدف قرار دادن یک مولکول تکی صورت می گرفت اما از آنجائیکه این بیماریها بسیار پیچیده اند و علل چند گانه دارند ،داروها غالباً غیر موثر بوده و بسیاری از آنها حتی به بازار هم ارائه نمی شدند.از سوی دیگر دارویی که برای تأثیر گذاری بروی یک پروتئین هدف طراحی شده است ممکن است با تعداد بسیاری از پروتئین های دیگر برهمکنش کند، این برهمکنش های ناخواسته غالباً سبب بروز سمیت وتأثیرات جانبی داروها می گردد و بنابراین تصور اینکه شاید راهی برای ساختن داروهایی وجود داشته باشد که تعدادی از اهداف داروهای مختلف را در یک زمان مورد هدف قرار دهد ، یک راه حل اساسی محسوب شود.درروش جدید داروهای اتوماتیکی با کامپیوتر بر اساس پایگاه اطلاعاتی بزرگ دارویی، برهمکنش های دارو و هدف طراحی می شوند. دانشمندان از قدرت شیمی محاسباتی برای طراحی ترکیبات دارویی استفاده می کنند و سپس این داروها توسط متخصصین علم شیمی ساخته، آزمایش و در مطالعات بروی مدلهای حیوانی که به بیماریهای انسانی مبتلا هستند، بکار می رود.
1-4-3-نرم افزارهای مناسب جهت طراحی دارو
غربالگری مجازی، به کمک روش های کامپیوتری یک آنالوگ برای غربالگری با قابلیت بالا در محیط آزمایشگاهی (HTS) می باشد، که روشی جهت بررسی سیستماتیک کتابخانه های شیمیایی بزرگ فراهم می آورد.از این تکنیک برای شناسایی ترکیبات رهبر قوی که میتوانند سنتز شده و مورد بررسی و تست های بیولوژیکی قرار گیرند استفاده های شایان توجهی می گردد.این پیشرفت ها به میزان زیادی میزان موفقیت در مسیر توسعه ترکیبات جدید داروئی را امکانپذیر نموده اند. هسته مرکزی این دانش را کاربرد تکنیک های کامپیوتری جهت تسهیل کشف ترکیبات جدید داروئی تشکیل میدهد. طراحی دارو به کمک کامپیوتر،مدلسازی ملکولی توسط کامپیوتر،طراحی منطقی دارو به کـمـک کامپیوترو در نهایت کشف و توسعه دارو به کـمـک کـامـپـیـوتـر ، تکنیک های پیشرفته ای هستند که امروزه به منظور بهینه سازی مسیر کشف و توسعه ترکیبات داروئی موثر به کار گرفته می شوند و معرف کاربرد گسترده ابـزارهـای کـامـپـیـوتـری و پایـگاه های اطلاعاتی متنوع به منظور انجام فعالیت های ذخیره سازی، طبقه بندی، آنالیز، مدل سازی و طراحی ترکیبات داروئی می باشند.توسعه کاربرد تکنیک های کامپیوتری در مراحل کشف و توسعه ترکیبات دارویی به خصوص به کارگیری این تکنولوژی ها در کارخانه های معتبر داروئی دنیا.
1-5- شیمی محاسباتی
1-5-1- تعریف شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائل شیمی با کمک رایانه ها دارد دراین رشته از رایانه ها برای پیش بینی ساختار مولکولی خواص مولکولی و واکنشهای شیمیایی استفاده می شود دراین رشته از نتایج شیمی محض که در قالب برنامه های موثر کامپیوتری درآمده اند برای محاسبه ساختار و خواص مولکولها و جامدات استفاده می شود در حالیکه نتایج آن معمولا کامل کننده اطلاعات بدست آمده از آزمایشهای شیمایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های مشاهده نشده شیمیایی شود بنابراین شیمی محاسباتی می تواند به شیمی آزمایشگاهی کمک کرده و در یافتن موضوعات جدید شیمیایی با شیمی تجربی رقابت نماید سیمای شیمی محاسباتی شامل مدلسازی مولکولی روشهای محاسباتی و طراحی مولکول به کمک کامپیوتر و همچنین داده های شیمیایی و طراحی سنتزهای الی می باشد همچنین از این رشته به گستردگی برای طراحی داروها کاتالیستها و مواد نو استفاده می شود.]4[
1-5-2-روش های محاسباتی
تاکنون روش های محاسباتی بسیاری برای حل مسائل شیمی ابداع شده است. این روش ها از قوانین مکانیک کوانتوم، مکانیک کلاسیک و یا ترکیبی از آنها برای حل مسائل استفاده می کنند. انتخاب روش مناسب برای انجام محاسبات به نوع و بزرگی ساختار مورد مطالعه و همچنین نوع اطلاعاتی که مورد نیاز است بستگی دارد. اغلب این روش ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:]4و35و36[
1- روش های شیمی محاسباتی
2- روش های مکانیک مولکولی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

3- روش های ساختار الکترونی
3-1-روش های نیمه تجربی
3-2-روش های از آغاز
3-3-روش های نظریه تابع چگالی
4- روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی
4-1- شبیه سازی دینامیک مولکولی کلاسیک
4-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی کوانتومی
4-3- روش بورن اپنهایمر
4-4- روش کار-پارینلو
1-5-3-انواع مدل های مولکولی درشیمی محاسبات
مدل های مولکولی با هدف مدلسازی ساختار مولکولی، خواص و واکنش پذیری، بوجود آمده اند.
1-دامنه تغییرات آنها از توصیفات کیفی ساده تا دقیق، مبتنی بر نتایج کمی است.
2-دامنه تغییرات هزینه آنها از سطح ابتدائی تا زمان محاسباتی معادل ماهها برای ابر رایانه های موازی شده است که مصالحه بین دامنه تغییرات هزینه و هدف مبتنی بر اهداف محاسبات است]17[
1-5-4-مکانیک مولکولی
مبتنی بر مدل توصیفی توپ و فنر است،معرف بهتری برای تعادل هندسی نسبت به مدل های پلاستیک است. قادر است تا روابط همبستگی با انرژی کرنشی را لحاظ کند، محاسبات آن کم هزینه است، پارامترهای تجربی فراوانی وجود دارد که می بایستی به دقت آزمایش و کالیبره شود،این مدل به تعادل هندسی محدود شده است، برهم کنش های الکترونی و ساختار الکترونی را لحاظ نمی کند، اطلاعاتی مبنی بر «خواص» و «واکنش پذیری» نمی دهد، قادر به لحاظ کردن و درک برهم کنش های ایجاد و شکست پیوندها نمی باشد.]17[
1-6-حمل دارو(دارورسانی نوین)
1-6-1-تعریف دارورسانی نوین
دارورسانی نوین عبارتند از: رساندن دارو در یک زمان و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص ، این کار به نحو چشمگیری ، ایمن تر و بسیار مؤثرتر از پخش دارویی در تمام بدن است که سبب می‌شود عوارض جانبی و دز مصرفی کاهش یابد.در واقع رساندن دارو در یک زمان معین با دز کنترل شده به اهداف خاص که باعث کاهش عوارض جانبی ، درمان سریع تر و اختصاصی برای هر یک از افراد است. این شیوه دزهای مصرفی را کاهش می‌دهد و می‌تواند باعث دل گرمی بیماران برای ادامه رژیم مصرف دارویی صحیح شود. استفاده بهتر از دارورسانی ، اجازه استفاده از روش‌های درمانی جدید را می‌دهد. این فناوری جدید ، امکان استفاده از داروهای بسیار سمی را نیز می‌دهد. سیستم‌های دارورسانی نوین برای این‌که قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم‌های طراحی شده نانومتری فعال یا غیر فعال استفاده می‌کنند ، پس باید این گونه گفت که گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است. شاید بتوان گفت دارورسانی نوین انقلاب علمی-تجاری داروسازی و پزشکی بوده است که نسیم نوید بخش بیشتر و بهترزندگی کردن را به انسان می‌دهد.]9و10[
1-6-2-نانوساختارهای حامل دارومهم‌ترین نانو ساختارها و نانو داروهایی که در دارورسانی نوین کاربرد دارند عبارتنداز :]9[ 1- لیپوزوم‌ها برای نفوذ بهتر2- کپسوئید و ویروس‌ها برای انتقال دارو3-نانو ذرات مورد استفاده برای انتقال دارو4- نانوکپسول ها5- نانوسرنگ‌های سلولی6- دارورسانی با نانوسوسپانسیون7-استفاده از ماکرومولکول‌های خود تجمع دهنده برای حمل دارو‌
1-6-3-فلرن‌ها نوع دیگری از ذرات که در دارورسانی می‌توانند مورد استفاده قرارگیرند ، فلرن‌ها هستند که یکی از آلوتروپ‌های کربن بوده  و شامل حلقه‌های 5 ضلعی و 6 ضلعی از اتم کـربـن هستنـد. ایـن تـرکیبـات بـه عنـوان حـامل‌های دارویی بسیار موثرواقع می‌شوند. باکی‌بال شناخته شده ترین فلرن است که شبیه توپ فوتبال است و از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی ساخته شده است. محققان مؤسسه سی سیکستی‌از ماکرو مولکول‌های درمانی به صورت فلورن‌ها استفاده می‌کنند. فلرن‌ها از نظر ساختاری شبیه توپ فوتبال هستند و به عنوان آنتی اکسیدان و دارای قدرت جذب رادیکال‌های آزادی هستند که در طی بیماری هائی مانند بیماری‌های اعصاب ، حملات قلبی و دیابت افزایش می‌یابند. انواعی از مـواد ، دارای اکسیـژن فعـال و راد یکال‌های آزاد هستند که می‌توانند الکترون‌های غیرمزدوج خود را در تماس با مولکول‌های حیاتی مانند اسیدهای نوکلئیک قرار ‌دهند و بــه ایــن وسـیـلــه سـبــب تـخـریـب سلـولـی و مـرگ سلـول شـونـد. محققـان سیسیکستی معتقدند که فلرن‌ها به صورت یک "اسفنج رادیکالی"‌ عمل  کرده و می‌توانند که الکترون‌های تخریب شده را در میان بگیرند. در عمل ، فلرن‌ها در آب نامحلول هستند لذا لازم است تا به نوعی محلولیت آن‌ها افزایش یابد] 9،16[
شکل1-1-ساختارفلرن
‌1-6-4-لیپوزوم‌ها لیپوزوم‌ها در دارورسانی با استقبال زیادی روبرو شده‌اند. این مواد می‌توانند به طور کروی مواد داروئی را در بر گرفته و احاطه کنند. تاکنون بسیاری از ترکیبات از جمله ضدسرطان‌ها و آنتی بیوتیک‌ها توسط لیپوزوم‌ها مورد استفاده قرار گرفته اند. در مقابل نـیـز شـرکـت‌هـائـی مانند انوسایزوجود دارند که توانسته‌اند از لیپوزوم‌ها به صورت حامل‌های دارویی استفاده کنند. اغلب سلول‌ها برای انتقال پیام و سیگنال مهم خود به سلول دیگر از حامل‌هایی به نام دکسوزوم ها استفاده می‌کنند. در سیستم ایمنی ، این سلول‌های دندانه‌دار ، عوامل ویروسی و عفونت زا را حس می‌کنند. در حقیقت این شرکت توانسته است دکسوزوم های مصنوعی برای هدف قراردادن سرطان را بسازد. محققان انوسایز به کمک این روش خواهند توانست نوعی ایمنی اکتسابی بر علیه انواعی از سرطان‌ها ایجاد کنند] 9،16[
1-7-آنتی کنسر(ضدسرطان)
1-7-1-تاریخچه سرطان
بقراط که به‌عنوان پدر علم پزشکی شناخته می‌شود بین سال‌های 460 تا 370 قبل از میلاد مسیح زندگی می‌کرد،سرطان‌های پوست و بینی و پستان را دیده بود و ظاهر آنها را به خرچنگ تشبیه کرده بود. او برای نامیدن بیماری سرطان از کلمه خرچنگ (کارکونوس-کارسینوما) استفاده کرد. بعدها سلسیوس، پزشک رومی‌ از مترادف لاتین این کلمه به نام کانسر استفاده کرد. پزشکان مسلمان هم از مترادف این کلمه یعنی سرطان (به معنی خرچنگ) استفاده کردند. حدود 150 سال بعد از میلاد گالن ، پزشک رومی از واژه Oncos ( معادل یونانی بلعیدن ) برای توصیف تومورها استفاده نمود و اصطلاح وی امروزه بعنوان قسمتی از نام متخصصین سرطان بکار می رود .اولین تشخیص علمی علت سرطان در سال 1775 میلادی به وسیله ی دکتر"پرسیوال پات"پزشک بریتانیایی انجام شد.وی متوجه شد سرطان بیضه بین لوله ی بخاری پاک کن های لندن شیوع بیشتری دارد.با اختراع میکروسکوپ و تلاش پزشکان مختلف به تدریج رمز و راز سرطان آشکار شد و بسیاری از سرطان ها شناخته شدند. در قرن هجدهم اولین بار"متاستاز"یا گسترش سلول های سرطانی با کمک میکروسکوپ برای پزشکان آشکار شد.رادولف ویرشودر سال 1863 برای اولین باربه ارتباط بین التهاب و سرطان پی برد و کشف وی باعث شد تا توجه به بیماری سرطان ، که تا آن زمان نسبت به وجودش نیز شک وجود داشت معطوف گردد .در 1873 اولین جراحی موفقیت آمیز کانسر توسط تؤدور بیلروت روی یک بیمار مبتلا به کانسر لارنکس انجام شد.امااساس ژنتیک سرطان اولین بار در سال 1902 و به وسیله ی جانورشناس آلمانی پروفسور"تئودور بووری"شناخته شد.او کشف کردکروموزوم ها در تقسیم سلول های سرطانی نقش دارند و احتمالاً موتاسیون در ژن این سلول ها باعث به وجود آمدن سرطان می شود موفقیت او در این موضوع کمک کرد متوجه شود پرتوهای ایکس.عوامل شیمیایی و فیزیکی مانند سموم و زخمها میتوانند باعث"موتاسیون"و بعد سرطان شوند.با کشف رادیوم به وسیله ی"ماری کوری"و همسرش درمان سرطان وارد مرحله ی جدیدی شد و پزشکان دیگر به تنهایی بیماران را درمان نمیکردند و رادیولوژیست ها هم وارد وادی شدند.در سال 1907 میلادی The American Association for Cancer Researchبرای تحقیق و جمع آوری اطلاعات در مورد این بیماری جدید (کانسر ) تشکیل گردید. در سال 1964 گروه کوچکی از پزشکان انکولوژیست را جهت درمان بهتر و اختصاصی بیماران سرطانی پایه گذاری کردند.] 1و2و13و14[
1-7-2-تعریف سرطان
سرطان یعنی رشد ، تکثیر و گاهی انتشار غیر طبیعی سلولهای بدن. تمامی سرطانها دارای الگوی رشد مهارگسیخته و تمایل به جدا شدن از منشا اصلی و متاستاز هستند.اغلب سلولهای طبیعی بدن در پاسخ به تحریکاتی که از داخل و خارج بدن به آنها وارد می‌شود، رشد و تولیدمثل می‌کنند و در نهایت می‌میرند. اگر این فرآیند در مسیر تعادل و صحیح خود اتفاق بیفتد ، بدن سالم می‌ماند و عملکرد طبیعی خود را حفظ می‌کند. اما مشکلات ، زمانی شروع می‌شود که یک سلول طبیعی دچار " جهش " و یا تغییر شده و به سلول سرطانی تبدیل می‌شود.] 1و2[
1-7-3-نحوه پیدایش سرطان
یک سلول طبیعی ممکن است بدون هیچ دلیل واضحی به یک سلول سرطانی تبدیل شود، ولی در اغلب موارد ، تبدیل در اثر مواجهه مکرر با مواد سرطانزا مانند الکل و دخانیات صورت می‌گیرد. شکل ظاهری و نیز عملکرد سلولهای سرطانی شده با سلولهای طبیعی تفاوت دارد. جهش یا تغییر ایجاد شده در DNA یا ماده ژنتیکی سلول اتفاق می‌افتد. DNA همان مسئول کنترل شکل ظاهری و عملکرد سلول است. وقتی DNA یک سلول تغییر می‌کند، آن سلول با سلولهای سالم کنار خود تفاوت می‌یابد و دیگر کار سلولهای طبیعی بدن را انجام نمی‌دهد. این سلول تغییر یافته از سلولهای همسایه‌اش جدا می‌شود و نمی‌داند چه زمانی رشدش باید به پایان برسد و بمیرد. به عبارت دیگر سلول تغییر یافته از دستورها و علائم داخلی که سلولهای دیگر در کنترل آنها هستند، پیروی نمی‌کند و به جای هماهنگی با سلولهای دیگر خودسرانه عمل می‌کند.] 1و2و18[
1-7-4-علائم هشدار دهنده سرطان
الف)خونریزی غیر طبیعی در هر نقطه از بدن.
ب)پیدایش هرگونه توده سفت سلولی در زیر پوست، مثلا در سینه یا نقاط دیگر.
ج) پیدایش زخمی که به آسانی بهبود نمی‌یابد (بویژه در اطراف زبان ، دهان و لبها).
د) سوء هاضمه دائمی
ه) تغییراتی در وضع خالها یا زگیل از قبیل تغییر رنگ ، بزرگ شدن ، خارش ، دردناک شدن و یا خونریزی از آنها که به مدت طولانی ادامه یابد.
و) پیدایش آشفتگی در اعمال روده‌ها یا مثانه که با درمانهای عادی بهبودی نیابد.
ی) سرفه ، گرفتگی صدا و یا مشکل شدن عمل بلع به مدت طولانی. ]1و2و13[
1-7-5-انواع سرطانها
اغلب سرطانها به سه دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1- کارسینوم : شامل سرطانهایی می‌شود که از سلولهایی که سازنده پوست هستند (مثل سرطان پوست) و یا لایه داخلی اعضا را می‌پوشانند (مثل سرطان ریه) و یا سازنده غدد هستند (مثل سرطان سینه) منشا می‌گیرد.
2-سارکوم : این دسته سرطانهایی هستند که از بافت همبند مثل غضروف ، استخوان و ماهیچه منشاء می‌گیرند. از اینرو سرطان استخوان یا سرطان ماهیچه را در هر نقطه از بدن سارکوم می‌گویند.
3-لوسمی و لنفوم‌ها : شامل سرطانهایی است که از سلولهای تشکیل دهنده خون و سلولهای ایمنی منشاء می‌گیرند.
در کشورهای غربی ، سرطان پوست شایعترین سرطان است و پس از آن سرطان سینه ، ریه ، پروستات ، روده بزرگ ، مثانه و رحم قرار دارد. ]1و2و13و18[
1-7-6-عوامل بروز سرطان
به طور کلی باید گفت ۵ عامل اساسی در بروز سرطان نقش دارد.اولین عامل شیوه نادرست زندگی است که شامل رژیم غذایی نادرست و نداشتن فعالیت بدنی می شود.دومین عامل سیگار کشیدن و سپس بروز عفونت هاست و بعد از آن عوامل شغلی و آلودگی های محیطی قرار می گیرد.بی گمان در تمام بیماری های شناخته شده ژن ها تاثیر دارد. در واقع هر ۵ عامل ذکر شده همراه با تغییرات ژنتیکی باعث بروز سرطان در انسان می شود اما نکته این جاست که ژنتیک به تنهایی و در موارد نادری علت اصلی بروز سرطان قلمداد می شود.از این رو آن را جزو عوامل اصلی افزایش خطر ابتلا به سرطان ذکر نمی کنیم.از سوی دیگر طبق آمارهای سازمان جهانی بهداشت از ۱۰ میلیون مورد ابتلا به سرطان ۴۴ درصد سرطان ها به دلیل رژیم غذایی نامناسب و عفونت ها بروز پیدا کرده است. همچنین عوامل عفونی در کشورهای شرق مدیترانه عامل ۷۰ درصد تمام سرطان ها ذکر شده است.از سوی دیگر نقش عوامل عفونی در بروز سرطان در کشورهای در حال توسعه و توسعه یافته متفاوت است. در کشورهای توسعه یافته عفونت ۷ درصد علل بروز سرطان را تشکیل می دهد اما در کشورهای در حال توسعه نقش آن ۲۶ درصد است. ]1و2و18[
1-7-7-روشهای درمان سرطان
امروزه اکثر سرطانها درمان قطعی ندارند اما برای جلوگیری از رشد و پیشرفت آنها از روشهای جراحی ، پرتو درمانی ، شیمی درمانی ، هورمون درمانی ، پیوند مغز استخوان و ... استفاده می‌شود. البته یافته‌های جدید زیست شناسی سلولی تومور در روشهای درمانی ترکیبی طی یک برنامه هماهنگ مورد بهره برداری قرار می‌گیرند.روشهای اصلی درمان سرطان عبارتند از: شیمی درمانی، پرتو درمانی، جراحی، ژن درمانی، آنتی‌انجیوجنسیس، تفکر مثبت، هایپرترمیا، رمان بیولوژیکی یا ایمونولوژیک: که مشتمل بر بازسازی، تحریک، هدایت و تقویت سیستم طبیعی دفاعی بدن بیمار است و با بکارگیری آنتی بادی و هدایت سیستم دفاعی خود بیمار جهت مبارزه با سرطان روی می‌دهد. بکارگیری عواملی مانند اینترفرون، سلول‌هایی که فعالیت ضدتوموری مستقیم دارند، و پادتن‌های تک‌تیره رشد سرطان را کاهش می‌دهد.
درمان فوتودینامیک (بکارگیری رنگ و نور): در این شیوه رنگ به داخل یک رگ تزریق و سپس در تمام بدن منتشر می‌شود. پس از چند روز، این رنگ تنها در سلولهای بدخیم باقی می‌ماند. سپس نور قرمز رنگ لیزری به سلول تابانده می‌شود و رنگ درون سلول سرطانی این نور را جذب می‌کند. این امر منجر به واکنش فوتوشیمیایی که ویرانگر سلول‌ها است می‌شود.
سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر: در برخی موارد ضایعه بدخیم سرطان ریه منجر به مسدود شدن خشکنای می‌شود. در چنین موردی پزشک با سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر راه عبور هوا را برای بیمار باز می‌کند. این روش به گونه کامل نمی‌تواند منجر به ازبین بردن ضایعه بدخیم شود ولی کمکی است جهت آسان شدن تنفس در بیمار.]1و2و13و18[
1-7-8-داروهای ضدسرطان
ترکیبات شیمیایی بکار رفته در شیمی درمانی سرطان عبارتند از:
الف)عوامل آلکیله کننده ، نیتروژن مستارد و ترکیبات وابسته آن :نیتروژن مستارد ، عاملی موثر بر ضد سرطان است و اثر ضد سرطانی ترکیبات نیتروژن مستارد را بعلت حلقوی شدن آن درآب و تشکیل یونهای خیلی فعال اتیلین اسیونسیوم می‌دانند، که با ترکیباتی که دارای هیدروژن قابل تعویض هستند.
ب)آنتی‌مابولیت‌ها ، آنالوگهای اسید فولیک و پورین ،آنالوگهای پورین و پیریمیدین
ج)هورمونها ، ACTH و کورتیزون و همجنس‌های آن ، استروژنها و آنرژنهای متعدد
د)گروه متفرقه که شامل اورتان و آلکالوئیدها می‌باشد :اورتان کریستالهایی است بسیار محلول در آب و با اسیدها و قلیاها ناسازگار می‌باشد. اثر سمی آن روی سلولها در بسیاری موارد شبیه اثر نیتروژن مستارد است، ولی اورتان داروی بسیار ضعیفتری است.
1-8-فلورویوراسیل(5-فلورویوراسیل)
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل
5-فلورویوراسیل ابتدادرسال 1957میلادی توسط کارلس هیدلبرگرطراحی وسنتز شد.دارای فرمول C4H3FN2O2ونام عمومی این مولکول درسیستم آیوپاک 5-فلورو4.3.2.1-تتراهیدروپیریمیدین-4.2-دیون است.این مولکول در زمره مولکولهای کوچک قرار دارد.5-فلوریوراسیل یک داروی ضد سرطان از دسته فلورو پریمیدین هاست.در واقع یک پیش داروست که تحت تغییر شکل زیستی به متابولیت های نوکلئوتیدی ریبوزیل و داکسی ریبوزیل تبدیل میشود.یکی از این متابولیتها” 5-فلورو-2-داکسی یوریدین -5’-فسفات “با آنزیم تیمیدیلات سنتتازوکوفاکتور آن N5.10-متیلن تتراهیدروفولات یک کمپلکس سه تایی با اتصال از نوع کووالانسی ایجاد میکند.این واکنش جهت ساخت نوکلئوفیلهای تیمین اهمیت خاصی دارد.این امر موجب به مهار ساخت DNAبه واسطه مرگ ناشی از وجود تیمین میشود.5-فلورویوراسیل به طور معمول از طریق داخل وریدی مصرف میشودونیمه عمر10 تا 20 دقیقه دارد.این دارو به صورت خوراکی تجویز نمیشود.این دارو پرمصرف ترین دارو در درمان سرطان کولورکتال به حساب می آید. همچنین این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است.سمیتهای اصلی ان عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد.]1و2و19و20[

ساختمان فلورویوراسیل

شکل1-3- الف)یوراسیل شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل
گروه دارویی:ضد سرطان ازدسته آنتی نئوپلاستیک
اسامی تجاری معروف: فلوروپلکس ،افودکس، آدروسیل
اشکال دارویی: محلول تزریقی 50میلی گرم برمیلی لیتر و کرم موضعی 5درصد
موارد مصرف تزریقی:سرطانهای کولورکتال، پستان، تخمدان، سرویکس، معده، مری، مثانه، کبد، پانکراس و سرطانهای غیرمشخص اولیه
موارد مصرف پماد موضعی:اکتینیک کراتوزیس و سولار کراتوزیس وکارسینومای سلولهای بازال نوع سطحی
موراد منع مصرف:سوءتغذیه ، دپرسیون عملکرد مغز استخوان ، عمل جراحی بزرگ ، عفونتهای خطرناک.
عوارض جانبی :سندرم مخچه‌ای حاد، خواب‌آلودگی، سرخوشی،آنژین خفیف، تغییرات ECG،راش ماکولوپاپولار، خشکی، اریتم، هیپرپیگمانتاسیون، تغییرات ناخن، خارش، سوزش، تورم، بی‌اشتهایی، پروکتیت، ایلئوس پارالیتیک، استوماتیت، اسهال، تهوع، استفراغ.دپرسیون مغز استخوان، لکوپنی، آنمی،حساسیت به نور، لاکریماسیون، آلوپسی برگشت‌پذیر، ضعف و بی‌حالی
مکانیسم اثر: اثر ضدنئوپلاسم : این دارو باعث مهار سنتز DNA و RNA می‌شود.
فارماکوکینتیک:فلورویوراسیل از سد خونی – مغزی عبور می کند. متابولیسم دارو کبدی و سریع است. نیمه عمر تزریق وریدی در فاز آلفا 20-10 دقیقه و در فاز بتا 20 ساعت می باشد. دفع آن عمدتاً از طریق ریه ها ( 80-60 درصد ) و کلیه ها ( 20-7 درصد ) می باشد].1و2و19و20[
1-9-کاپسیتابین
1-9-1-معرفی کاپسیتابین
کاپسیتابین با نام تجاری اکسلودا (زلودا) یک آنتی متابولیت و یک داروی ضد سرطان است که با تداخل در تولید پروتئین های لازم برای رشد سلول های سرطانی از تکثیر و گسترش آنها در بدن جلوگیری می کند.دارای نام آیوپاک 5'_دئوکسی-5-فلورو-N-(پنتیلوکسی کربونیل)سیتیدین ودارای فرمول شیمیایی C15FN3O6H22 است.کاپسیتابین درواقع یک پیش دارواست که دربدن به فلورویوراسیل تغییرساختارمی دهد. دارو در 3 مرحله آنزیمی به فرم فعال 5 -فلورویوراسیل تبدیل میشود 5- فلورویوراسیل از دارو در سلول های تومور به واسطه فاکتور آنژیوژنیک وابسته به تومور کاتالیز میشود.کاپسیتابین برای درمان سرطان پستان و کولون یا رکتوم سرطان که به سایر نقاط بدن گسترش یافته است استفاده می شود.این دارو در درمان انواع خاصی از سرطان های سینه، روده بزرگ، یا سرطان روده بزرگ در بعضی از بیماران مورد استفاده قرار می گیرد؛ این ممکن است به تنهایی یا در ترکیب با سایر داروهای ضد سرطان و یا پرتو درمانی استفاده می شود.]1و2و19و20[
1-10-نانوذرات
1-10-1-معرفی نانوذرات
نانو ذرات دارای قطری بین 1 تا 100 نانومتر می باشند به عبارتی آنها در حوزهای مابین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده ای قرار می گیرند. مواد مختلف در این مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می دهند.نانوذرات به قدری کوچک هستند که میتوان گفت بینظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پر قدرت و بسیار سخت را میتوان از آنها تولید کردمساحت سطحی بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می گردد.نانوذرات از زمانھای بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است. شاید اولین استفاده آنھا در لعاب ھای چینی و سرامیک ھای تزئینی سلسله ھای ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگھای متفاوتی از جام بر حسب نحوه تابش نور از جلو یا عقب پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنھا ناشناخته بوده است]5،3[
1-10-2- تاریخچه نانوذرات
از آن در دهه 1930 برای اولین بار روش ها ی فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفته شد. در اولین تولید صنعتی نانو ذرات در قرن بیستم با تولید دوده و پس از آن در 1940 با تولید سیلیس فومی رخ داد.سال ها ی اخیر پیشرفت ها ی بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه،ترکیب و یکنواختی آن ها صورت گرفته است.]3و5[
1-10-3-خواص نانوذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از:افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاھش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم ھای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهدزیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح درمقایسه با تعداد اتمهای یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند.. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر بهتغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا درنانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دھد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است.به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی ازاین دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط ایننقاط در تشخیص پزشکی کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شدهاست تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکشها مناسب باشند.مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملًا متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیزتغییر خواھد کرد. مثلًا فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می شود.
مثال خصوصیات :
کاتالیستی:اثر کاتالیستی بهتر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر
الکتریکی:افزایش هداایت الکتریکی در سرامیک هاو نانو کامپوزیت های مغناطیسی،افزایش مقاومت الکتریکی در فلزات
مغناطیسی:افزایش مغناطیسیته با اندازه بحرانی دانه ها،رفتار سوپر پارامعناطیسیته ذرات نوری
خصوصیات فلوئورسنتی: افزایش اثر کوانتومی کریستال های نیمه هادی
بیولوژیکی: غشاء و خونی-مغزی و غیره و بهبودزیست سازگاری.]3و5و24و25[
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات
روشهای مختلفی برای تهیه وساخت نانوذرات وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از روش سل-ژل،مکانیزم های تبخیر- چگالش، واکنش های فاز گازی ایجاد شده به وسیله لیزر یا پلاسما و یا روشهایی که در گروه شیمیایی مرطوب قرار میگیرند. اما اصلیترین روشهای ساخت نانو ذرات را میتوان بصورت زیربیان کرد.]20[
الف) روش بالا به پایین
در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، داشته یک ماده تودهای را شکلدهی و اصلاح میکنند. درحقیقت در این روش، یک ماده بزرگ را بر داشته و با کاهش ابعاد و شکلدهی آن، به یک محصول با ابعادنانو تبدیل میشود. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده تودهای به طور متناوب کاهش داده شود تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسد، از رویکرد بالا به پایین استفاده شده است.]21و22[
ب)روش پایین به بالا
در روشهای پایین به بالا محصول از مواد ساده تر به وجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در این روش انجام میشود، کنار هم قرار دادن اتمها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید که قادر هستید اتمها ومولکول ها را به طور واقعی ببینید و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهید تا شکل مورد نظر حاصل شود.] 21و22[
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید
پودرهای سیلیکون کاربید، به‌علت خواص فیزیکی مناسب ، در موارد بسیاری از جمله ؛ ساینده‌ها ، دیرگدازها و المنت‌های حرارتی، کاربردهای الکترونیکی و نوری، درزگیرهای مکانیکی ، قطعات پمپ ، ساخت توربین ‌های گازی ، مبدل‌های حرارتی و پره‌های سرامیکی ، کاربرد دارند.سنتز پودر سیلیکون کاربید با روش‌های مختلفی از جمله سنتز این ماده غیراکسیدی با مواد اولیه‌ای همچون سیلیس و ترکیبات سیلیسی ، پوسته برنج همراه با ترکیبات مختلف حاوی کربن (شامل کربن سیاه ، کربن فعال ، گرافیت ، قیر و پلیمرها) ، در کوره‌های الکتریکی و گازی متداول انجام شده‌است. در سنتز سیلیکون کاربید نانومتری با استفاده از امواج مایکروویو به واسطه سرعت بالای حرارت‌دهی در کوره مایکروویو و عدم امکان رشد ذرات، موجب سنتز نانو متری این ماده شد.کاربید سیلیسیم یکی از مهمترین سرامیک‌های غیراکسیدی است که به دلیل برخورداری از خواص ویژه از جمله: حفظ استحکام در دماهای بالا، ضریب انبساط پایین، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، مقاومت اکسیداسیون عالی و پایداری شیمیایی دارای کاربرد وسیعی در صنایع مختلف از جمله هسته‌ای، الکترونیک، هوا و فضا و خودروسازی می‌باشد و به صورت‌های گوناگون از جمله فرم پودری، قطعات شکل یافته و فیلم‌های نازک تولید و عرضه می‌گردد. شناخته شده‌ترین روش برای تولید کاربیدسیلیسیم روش اچسون است که براساس احیاء حرارتی سیلیس توسط کربن گسترش یافته است. در این روش مخلوطی از سنگ سیلیس و کک در کوره‌های الکتریکی تا دماهای بالا (حدود K2900) حرارت داده می‌شوند که محصول واکنش کریستال‌های درشت α–SiC خواهد بود. کریستال‌های α–SiC دارای ساختمان شش وجهی شبیه ورتزیت بوده واز خصوصیات آن این است که از استحکام خوبی در دماهای بالا برخوردارمی‌باشد. در صورتیکه بتوان دما را در محدوده K 2100 – 1800 تنظیم کرد با استفاده از روش اچسون می‌توان β – SiC تولید نمود. این ماده دارای ساختمان کریستالی شبیه زینک بلند بوده و از سختی بالایی برخوردار می‌باشد.به غیر از روش اچسون روش‌های دیگری از جمله سل- ژل، پلاسمای حرارتی، احیاء کربوترمی، ریزموج و رسوب شیمیایی بخار نیز گسترش یافته‌اند. روش انتخابی به ساختار ماده مورد نظر، فرم و شکل محصول نهایی و کاربرد آن بستگی دارد. با این حال بیشتر روش‌های بالا ازنظر زمان، مواد و انرژی مصرفی روش‌های گرانی هستند.از طرفی در اکثر فرآیندهای تولید به دلیل بالابودن دما و زمان، اندازه دانه‌ محصول نهایی درشت خواهد بود. همانگونه که می‌دانیم ریز شدن ساختار مواد باعث ایجاد خواص مطلوب از جمله افزایش استحکام، چقرمگی، مقاومت سایش و مقاومت خستگی بدون تغییر در خواص ظاهری فیزیکی خواهد شد. بنابراین تولید کاربید سیلیسیم با اندازه ذرات نانو از دیگر چالش‌های مطرح می‌باشد. کاربید سیلیسیم نانو پودر به صورت بالقوه دارای کاربرد ویژه‌ای در نانوالکترونیک، تجهیزات گسیل میدانی و نانوکامپوزیت‌ها است. اخیرا روش سنتز احتراقی برای تولید برخی نانو مواد‌ها و در مقیاس وسیع مطرح شده است] 23و24و25[
1-11 -ضرورت انجام تحقیق
صــنــعـــت داروســـازی از نــقـطــه نـظــر دارورسـانـی ، تـاکـنـون از طـریـق فـنـاوری نانو به دسـتــاوردهــای چـشـمـگـیــری رسـیـده اسـت. در سیستم دارویی قدیم به علت غیرواقعی بودن دز دارویی ، از لحاظ مقدار نیاز برای درمان ، بسیاری از آن در دســتــگــــاه گــــوارش ، گـــردش خـــون و بافت‌های واسط به هدر می‌رفت تا مقدار مورد نظر به سلول‌های هدف برسد که می‌تواند این داروهـــای جـــذب شــده در طــول مـسـیــر ایـجــاد عـوارض جانبی کند که در بیماری‌های دیابتی و سـرطان ، باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق مکرر باعث دردناک شدن بافت‌ها می‌شود که برای بیمار غیر قابل تحمل اســت و همچنین بسیاری از داروها نه تنها خواص درمانی مناسبی ندارند بلکه عوارض جانبی نیز از خود نشان میدهند زیرا علاوه بر نقطه اثر ویژه خودشان در نواحی دیگر بدن نیز اثر گذار هستند .برای اینکه یک دارو از لحاظ درمانی موثر بماند لازم است تا رسیدن به محل اثر محافظت شود و ویژگی های زیستی و شیمیایی آن حفظ شود که فــنــاوری نــانـو در دارورسـانـی  راه حل‌هایی اندیشیده است که یکی ازاین راهها استفاده از نانوتکنولوژی در جهت کاهش اثرات جانبی داروهای ضد سرطان (فلورو یوراسیل) مبتنی بر استفاده از نانوذره سیلیکون کربید،اهمیت تحقیق حاضر محسوب می شود.
1-12- اهداف تحقیق
هدف اصلی در این تحقیق مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانو ذره سیلیکون کربید، توسعه مرزهای دانش در حوزه های استفاده های دارویی از نانوذره ی سیلیکون کربید وپیدا کردن کاربرد نانوذرات سیلیکون کربید در نگهداری داروی فلورویوراسیل با استفاده از روش های نظری و بدون انجام آزمایش است. (هرچند در برخی از روش ها از نتایج آزمایش های تجربی استفاده می شود). با استفاده ازشیمی محاسباتی شاخه‌ای از دانش شیمی است که از روش های شیمی و محاسباتی برای حل مسائل شیمی استفاده میکند اغلب محاسبات در این رشته پیچیده و سنگین هستند و انجام آنها بدون کمک رایانه امکان پذیر نیست. از این رشته به‌گستردگی در تمامی شاخه های شیمی، بیو شیمی و داروسازی استفاده می‌شود.
1-13-متغیرهای تحقیق
در این تحقیق سعی بر آن است که با استفاده از نرم افزارهای هایپرکم، گوسین وگووس ویوکه از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی هستند به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست آوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد ونیزبارمولیکن در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید-فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل بررسی شودوپایدارترین ساختارممکن معرفی گردد..
1-14- فرضیه های تحقیق
الف) فلورویوراسیل روی نانوذره ی سیلیکون کربید جذب می شود.
ب) هیبرید فلورویوراسیل-نانوذره ی سیلیکون کربید پایدار است.
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه
همانطورکه دربخش قبلی نیزاشاره شددر این تحقیق هدف مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانوذره سیلیکون کربیدی است بطوریکه بتوان از نانو ساختار های سیلیکون کربیدی در نگه داری داروی فلورو یوراسیل وپیدا کردن کاربرد های نانو ساختار سیلیکون کربید در نگه داری داروها با استفاده از روش های نظری استفاده کرد. سعی بر آن است با استفاده از نرم افزار گوسین که یکی از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی است به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست اوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید–فلورویوراسیل ورسیدن به ساختار های بهینه متناسب با انرژی کمینه دست یافت.ازهمین رواولین قدم مدلسازی ساختارها و سپس محاسبات خصوصیات الکترونی ساختار های بهینه شده از جمله پارامتر های NMR وانجام مراحل بعدی برای پاسخ به سوال تحقیق حاضراست.دراین بخش مروری به پژوهش های صورت گرفته درزمینه داروی ضدسرطان فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید ونیزدارورسانی بااستفاده ازنانوساختارها براساس مطالعات کوانتمی وهمچنین آزمایش های تجربی ارائه می شود.
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل
درسال 2002میلادی ،بلیچارسکا وکوپکا مطالعه ای را به صورت تجربی ومحاسبات نظریه تابع چگالی بر روی یوراسیل و 5-فلورویوراسیل انجام دادند در این مطالعه پارامترهای NMR به صورت تجربی و محاسباتی جمع آوری گردید.آنها به منظور استخراج نتایج NMRحاصل از محاسبات از روش B3PW91استفاده نمودند.واین نتایج را با اطلاعات NMR حاصل از روش آغازین محاسبات،که با روش هارتری فاک انجام شده بود مقایسه کردند آنها همچنین از دو سری پایه 6-31G*و 6-31++Gکه یک سری با کیفیت و قدرتمند است استفاده نمودند بعد از مقایسه ی نتایج بدست آمده از روشهای محاسباتی و تجربی یک همبستگی خطی بین پوشش پروتون وکربن در یوراسیل و5-فلورویوراسیل با نتایج تجربی دیده شد.علاوه بر آن دراین تحقیق مشخص شد طول پیوند ها ،گشتاور دو قطبی وارتعاشات کشش هارمونیک پیش بینی شده یک هماهنگی عالی با نتایج تجربی قابل دسترسی را نشان می دهند. چنین محاسباتی باید ویژگی های طیف سنجی این مولکول ها را در محلول با اطمینان بالاتر حوزه حلالپوشی اولیه مواد و با شمول بیشتر مدل دی الکتریک محلول پیشگویی نموده و بتواند نگرشی بیشتر را در مورد ویژگی های درون تن بیان کند.]27[
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR
آکالین وهمکارانش درتحقیقی جذب سطحی 5-فلورویوراسیل در مونت موریلونیت و ساپونیت با استفاده از طیف سنجی FT-IR را بررسی کردند. پوشش 5-فلورویوراسیل را در مونت موریلونیت یا ساپونیت با انتشار اشعه ی ایکس برای افزایش فاصله ی لایه ی داخلی موردتحقیق قراردادند.به منظور بررسی برهمکنش5-فلورویوراسیل با رس، تعداد امواج ارتعاشی هارمونیک وغیر هارمونیک 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید بامحاسبات نظریه تابع چگالی به روش B3LYP با سری پایه 6-31++G(d.p) با استفاده از برنامه گوسین98 محاسبه شد.نتایج آزمایشی و محاسباتی نشان داد که 5-فلورویوراسیل با کوئوردینه شدن مستقیم و غیر مستقیم از طریق مولکول های آب در وسط اسید لویس در تعامل و ارتباط با رس قرار می گیرد. آنهاباتفسیر تغییرات طیفی IR مواد جذب شده روی رس ، اطلاعاتی را در مورد ماهیت و ویژگی های ترکیبات آلی رس بدست آوردند.برهمکنش یا پوشش 5-فلورویوراسیل در موریلونیت و ساپونیت با انتشار اشعه ایکس نشان داده شد تا فاصله های بین لایه های داخلی را افزایش دهند.بامحاسبه حرکت امواج ارتعاشی 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید توانستندمختصات را از طریق حالت های ارتعاشی =O10 C4 تعیین کنند. ]28[
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل
درسال 2012میلادی درمطالعه ای که توسط میرزایی صورت گرفت اثرات اتصال داروی 5-فلورویوراسیل برروی نانولوله های کربنی ومطالعه خصوصیات آن بامطالعات محاسباتی تئوری تابع چگالی برروی ترکیب متشکل از5-فلورویوراسیل ونانولوله کربنی مورد بررسی قرارگرفت.دراین تحقیق DFT به روش B3LYPو باسری پایه ی 6-31G* توسط نرم افزار محاسباتی گوسین98 انجام شد.درابتدا ساختاربهینه شده ی ترکیب نانولوله کربنی –فلورویوراسیل بدست آمد.سپس ازمدل بدست آمده خصوصیات پوشش شیمیایی با استفاده از کلید واژه NMR درهمان نرم افزارانجام شد.خصوصیات بهینه شده وخصوصیات پوشش شیمیایی ساختاراستخراج گردید.درنهایت مشخص شدکه تمام خصوصیات بهینه شده شامل انرژی بهینه،گشتاوردوقطبی،انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده وانرژِی پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده، گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانولوله های کربنی – فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل به صورت منفردتغییراتی رانشان می دهدکه کاربردهای جدیدی رابرای این دارو متصورمی شود. ]29[
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن
درسال2013ساندوال وسه تن ازهکارانش به بررسی نظری دارورسانی داروی فلورویوراسیل به وسیله سه نانوساختارطلا ،گرافن وتیتانیوم اکسید پرداختندکه درزیراین تحقیق آنها توضیح داده شده است.
داروی ضد سرطان فلورویوراسیل ممکل است دارای عوارض جانبی شدیدی باشد که به سلول های سرطانی و سالم آسیب میزند به منظور به حداقل رساندن این عوارض جانبی محققان در تلاش برای ارسال دارو در نواحی مورد هدف با شیوه ای مدرن از طریق نانو حامل های داروی هستند.در این مطالعه برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل را با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن بررسی شد. همه ملکول ها در گوسین09 بهینه شد و همه محاسبات در DFT به روش B3LYP باسری پایه LAN2DZ صورت گرفت. نتایج نشان میدهد که این سطوح میتوانند در پیوند با عناصر مختلف فلورویوراسیل باشند.اما پایداریشان به خاطر تشکیل این کمپکلس ها یکسان است.مطالعه نظری برهمکنش فلورویوراسیل با ورقه های تیتانیوم اکسیدوطلا و گرافن نشان می دهد که طلا-فلورویوراسیل دارای انرژی کمتری است و بیشترین پایداری به کمپلکس فلورو یوراسیل-تیتانیوم اکسید است. ]30[
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو
گوئنکا وهمکارانش در سال 2014 به بررسی نانوذرات، خواص بیولوژیکی وفیزیکوشیمیایی جالبی که برای طرح ریزی های پزشکی (دارورسانی)فراهم میکنندپرداختند.آنها دلیل این امر را اندازه کوچک وسطح زیاد آنها وتوانایی میانجی گری (عملکردمقابل)آنها باسلولها یابافت ها توجیه نمودند.درادامه تحقیق بیان کردندنانوذرات برمبنای گرافن به سرعت به صورت مواد دوبعدی شگفت انگیزی ظاهرگشتندواین به علت ساختارسطح یگانه آنها وخواص مکانیکی عالی،خواص نوری والکتریکی واستفاده شدن این مواد درالکترونیک وسایرزمینه ها می باشد.تمایلات ظاهری نشان می دهد که خواص استثنایی آنهامی تواندبرای برنامه های پزشکی به خصوص برای دارورسانی ومهندسی بافت مورداستفاده قرارگیرد.دراین پروژه - ریسرچاطلاعات جامعی درمورد نانوذرات گرافن ارایه شده است.ماکه درزیرآن دسته ازخواص راکه می تواند برای مهندسی بافت ودارورسانی مورداستفاده گردد آورده شده است.
چگالی:سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر 0/052 نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن 0/77 میلیگرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و 0/77 میلی گرم وزن دارد.
شفافیت نوری:گرافن تقریباً شفاف است. فقط 3/2درصد از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند.
مقاومت مکانیکی:مقاومت شکست گرافن 42 نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای 3/35 آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود 0/42- 0/084 نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن 100 برابر فولاد است.
رسانایی الکتریکی:مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، 31 اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
رسانایی گرمایی:رسانایی گرمایی گرافن تقریباً 5000 وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق 401 وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن 10 برابر بهتر از مس است. ] 31[
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو
درهمان سال لیو ودوتن ازهمکارانش تحقیق خودراروی گرافن وگرافن اکسید به عنوان نانوحامل های جدید متمرکزساختند وگزارش خودرابیان نمودندکه خلاصه آن به شرح زیرمی باشد:
برنامه های دارویی برمبنای موادپایه ی گرافن شامل دارورسانی به سرعت دراین چندسال اخیررشدکرده اند.گرافن وگرافن اکسید برای برنامه های دارویی به عنوان یکی از عناصرامیدبخش دراین شاخه موردبررسی قرارگرفته اندکه این به دلیل خواص خاص آن ازجمله ساختارمسطح دوبعدی،مساحت سطحی گسترده،پایداری شیمیایی ودارویی،رسانش بسیار عالی وساختار زیست سازگارپذیرمی باشد.دراین تحقیق به خواص امیدبخش آنها برای طراحی سیستم های پیشرفته دارورسانی ورسانش طیف وسیعی از داروها می پردازد.به طورخلاصه روش های معمول برای اصلاح سطح نانوذرات برپایه گرافن وزیست سازگاری وسمیت آنها بادنبال کردن خلاصه ای ازنمونه های اجراشده واثبات شده برای رسانش ژنها وداروهای ضدسرطان موردبررسی قرارگرفته است.مواردی از جمله زیست سازگار انها با بدن و سمیت مواد نانو مواد حامل دارو مبتنی بر گرافن تا حدی نگران کننده بود.تعامل گرافن در مکانیسم جذب سلولی که با عامل دار کردن نانو حامل گرافن. تا حد زیادی نگرانی ها بهبود پیدا کرد .و با مطالعات سمیت انها با استفاده از مدل در داخل بدن حیوانات در تحقیقات بالینی نتایج امیدوار کننده ای در مورد پیشرفت آنها درنانو پزشکی حاصل شده است.به علاوه نگرش جدید رسانش دارمبنی بررسانش کنترل شده شامل هدفمندوتحریک شونده باpH،آزمایش های شیمیایی،گرمایی-نور-میدان مغناطیسی نیز نتایج امیدوارکننده رانمایان نموده اند. گرافن، ساختاری دوبعدی از یک لایه‌ی منفرد شبکه‌ای لانه زنبوری کربنی می‌باشد. این کشف ،نقطه‌ی عطفى در فناورى نانو از آغاز تاکنون بود که مفهوم اجزاى تک‌اتمى را به واقعیت نزدیک‌تر کرد.]32[
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر
درسال 2012جان سیک سون وهمکارانش درکره درپژوهشی یک مدل ساده وبسیارموثربرای رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیرتوسعه دادند..واسط قالب گیری جذب شونده اعمال شده به سطح تیتانیوم توسط قطعات قابل بازجذب هیدروکسی آپاتایت که به صورت یک امپلنت فلزی کاشته شده به همراه یک ساختاررسانش دارو جداسازی شده درآن قالبگیری می شود.نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان که باونکومایسین لودشده است به عنوان یک مدل داروکه به وسیله روش حل کردن ساخته شده است.نانوذرات وانکومایسین لودشده با آلبومین سرم خونی انسان باپلی اتیلن ایمین باشارژ مثبت پیش پوشش می شود وبرروی سطح دیسک تیتانیوم باردارمنفی بابرهمکنش الکتریکی تثبیت می گردد.نتایج نشان می دهد که نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان پیش پوشیده شده باپلی اتیلن ایمین ولودشده با نانوذرات وانکومایسین باموفقیت تشکیل شده است وبه خوبی برروی سطح تیتانیوم پراکنده می شوندزبری سطح تیتانیوم باتثبیت نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان تغییرپیدانمیکند واجازه جایگیری سیستم رسانش داروبرروی سطح دیسک رامی دهد.به علاوه نتایج مطالعات قبلی نشان می دهندکه داروهای ارتقادهنده پاسخ بافت ها می توانند به طورموثری توسط نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان برروی سطح دیسک تیتانیوم تثبیت شوند].33[
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی
درسال 2010توماس وهمکارانش فرمولاسیون جدیدی برمنای حمل دارو بانانوساختارلیپوزومی برای داروی 5-فلورویوراسیل به سرانجام رساندندکه پژوهش آنهادرچندبنددرادامه توضیح داده شده است.
5-فلورو یوراسیل یک داروی کوچک وبسیار نفوز پذیر از غشای سلولی میباشد که به مقدار بسیار کم در داخل مایعات نانو ذرات لیپوزوم نگه داشته میشود به منظور نشان دادن راهی نوین برای این مشکل یک روش نوین براساس فرمولاسیون کمپلکس سه گانه شامل مس و پلی اتیلن ایمین کم وزن و5-فلورویوراسیل گسترش یافت.به طورخاص درحضورمس به دام انداخته شده و پلی اتیلن ایمین و5-فلورویوراسیل که به صورت خارجی اضافه می شودمی تواند به نحومؤثری درداخل لیپوزوم های DSP/Chol کپسوله شود)بالای 95%).
مطالعات رهایش دارو بااستفاده از فرمول مایعات نانو ذرات لیپوزوم این 5-فلورویوراسیل نشان دهنده بهبود نگه داری دارو دربافت زنده و بافت بیرون ازبدن بود.غلظت خونی برای 5-فلورویوراسیل در فرمولاسیون مایعات نانو ذرات لیپوزوم-5-فلورویوراسیل در مقایسه با 5-فلورویوراسیل آزاد درموشهای موردآزمایش 7به 23 بود.اثردرمانی فرمولاسیون مایعات نانو ذرات لیپوزوم-5-فلورویوراسیل برای یک مدل سرطان زیرجلدی -29- HTبادستورالعمل داده شده QDX5بسیاربیشترازاثردرمانی 5-فلورویوراسیل بادوز مساوی بود.درزمان اولیه یک روش بارگذاری فعال برای 5-فلورویوراسیل استفاده از استراتژی مدل کمپلکس سه گانه به منظور کپسوله کردن عامل درمانیود. ممکن است بیش از یک روش برای آماده کردن فرمول مایعات نانو ذرات لیپوزوم باشد. ]34[

–335

TOC h z t "shekl,1" شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد. PAGEREF _Toc354826532 h 7شکل (1-2) بورازین PAGEREF _Toc354826533 h 8شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین. PAGEREF _Toc354826534 h 9شکل (1-4)تشکیل بسپار بورازنیل PAGEREF _Toc354826535 h 10شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین PAGEREF _Toc354826536 h 10شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم. PAGEREF _Toc354826537 h 21شکل (2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو. PAGEREF _Toc354826538 h 21شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین. PAGEREF _Toc354826539 h 21شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو. PAGEREF _Toc354826540 h 22شکل (3-1) فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x . PAGEREF _Toc354826541 h 23شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p). PAGEREF _Toc354826542 h 24شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p). PAGEREF _Toc354826543 h 25شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p). PAGEREF _Toc354826544 h 27شکل( 3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی. PAGEREF _Toc354826545 h 29شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 ) PAGEREF _Toc354826546 h 30شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br). PAGEREF _Toc354826547 h 33شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max. PAGEREF _Toc354826548 h 36TOC h z t "shekl,1"

کوتاه نوشت ها
CSGT: Continuous Set of Gauge Transformations
D3BIA: density,Degeneracy and Delocalization-Bases Index of Aromaticity
DFT : Density Functional Theory
DI: Delocalization Index
GTO : Gaussian-Type Orbital
HF : Hartree Fock
HOMA: Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
HOMO : Highest Occupied Molecular OrbitalKS: Kohn-Sham
LUMO : Lowest unoccupied Molecular Orbital
MO : Molecule Orbital
MP : Moller-PlessetNICS : Nucleus-Independent Chemical Shift
NLO : Non Linear Optical Material
NMR : Nuclear Magnetic Resonance
PDI: Para Delocalization Index

فصل اول1-1ترکیب های حلقوی آروماتیکبنزن نمونه نخستینمولکولی است که دارای خواص فیزیکی قابل ملاحظه ای ناشی از عدم استقرار الکترونهای است. از نظر تاریخی شیمیدانان پژوهشهای زیادی روی دیگر مولکولهای مشابه بنزن نموده اند. بورازین (B3N3H6) ، بوروکسین (B3O3H3) و بورتین (B3S3H3) نمونه هایی از این ترکیبها هستند. این ترکیبها ساختاری مشابه بنزن دارند و توپولوژی اوربیتالهای مولکولی پای آنها مشابه است. این پرسش که آیا الکترونهای پای آنها همانند بنزن نامستقرند (رزونانس بین ساختارهای ککوله) چندان واضح نیست.
1-2آروماتیستیاز معرفی آروماتیستی به وسیله ی August Kekule در 1865 تاکنون به طور پیوسته قلمروهاینوینی در شیمی را تسخیر شده است. در ابتدا آروماتیسیتی برای ترکیبهای آلی زیر گسترش یافت:
هیدروکربنهای تک حلقوی مزدوج مسطح و یونهای آنها که دارای 4n+2 الکترون هستند.
هیدروکربنهای مزدوج چند حلقوی- هیدروکربنهای بنزوییدی ساخته شده ازحلقه های بنزنی جوش خورده.
هیدروکربنهای کربوکسیلیک مزدوج چند حلقوی بر پایه سیستمهای غیر بنزوییدی مانند آزولن و دیگر هیدروکربنهای مزدوج دارای حلقه های چهار، پنچ، هفت و هشت عضوی.
ترکیبهای دارای اتمهای فلزی نیز آروماتیک می توانند باشند. در 1979 Thorn و Hoffmann پیش بینی نمودند که برخی متالوسیکلهای فرضی باید خصلت پیوندی نامستقر و مقداری خصلت آروماتیک را نشان دهند. در سالیان بعد از آن حدود 25 متالوبنزن جداسازی و شناسایی شد.نخستین مثال از یک متالوبنزن پایدار و قابل جداسازی اسمابنزن بود که در سال 1982 گزارش شد. خانواده بزرگی از متالوبنزنها (ایریدابنزن) نیز بعدها تهیهشدند در حالی که یک سری از دی متالوبنزنها با دو اتم فلز در حلقه بنزن نیز گزارش شدند.
واژه "متالوآروماتیسیتی" در 1979 نخستین بار برای توصیف کمپلکسهای فلزی سیکلوبوتادی ان پیشنهاد شد. نخستین ترکیب آلی فلزی دارای یک حلقه آروماتیک تشکیل شده از اتمهای فلز در 1995 تهیه شد. Na2[(Mes2C6H3)Ga]3 که شامل حلقه آروماتیک سه گوش که دارای دو الکترون است. نخستین ترکیب آلی فلزی آروماتیک تشکیل شده از چهار اتم گالیم که دارای ساختار مربعی بود K2[Ga4(C6H3-2,6-Trip2)2] .
1-3معیارهای آروماتیک بودن:جدول (1-1) معیار های آروماتیک بودنخاصیت آروماتیسیتی
ماهیت الکترونی: 4n+2‌الکترون
انرژی:
مزدوج شدن حلقوی
نامستقر بودن
شکاف اوربیتالهای جبهه ای پایداری
افزایش خصلت
افزایش خصلت
شکل هندسی:
طول پیوندهای یکسان وجود خصلت
خواص مغناطیسی:
ناهمسانگردی تاثیرپذیری دیامغناطیس
برتری5مغناطیسی
جابه جایی شیمیایی 1H NMR
NICS افزایش یافته
بالا
دیاپروتیک
منفی بزرگ
واکنشپذیری:
ساختار شیمیایی
ابقا ساختار برای مثال بنزن
جانشینی الکترون دوستی
طیف سنجی:
UV
IR/Raman
فوتوالکترون انرژی بالا
تقارن بالا
انرژیهای اتصال زدایی الکترون بالا
جریان حلقه آروماتیک اثری است که در مولکولهای آروماتیک مانند بنزن، نفتالن مشاهده می شود. اگر یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه سیستم آروماتیک اعمال شود جریان حلقه ای در الکترونهای حلقه آروماتیک القا می شود. این نتیجه مستقیم قانون آمپر است زیرا الکترونهای شامل شده آزاد به گردش اند به جای آن که در پیوندها مستقر باشند مانند آن چه در مولکولهای غیر آروماتیک است ، لذا به میدان مغناطیسی به شدت پاسخ می دهند.
جریانهای حلقه آروماتیک با طیف سنجی NMR مرتبط اند. پس آنها جابه جاییهای شیمیایی هسته های 13C, 1H را در حلقه های آروماتیک و نیز دیگر مولکولهای آلی و معدنی تحت تاثیر قرار می دهند. این اثر امکان تشخیص محیطهای هسته ای را ممکن ساخته و در نتیجه در تعیین ساختار مولکولی کاربرد وسیعی دارد. در بنزن پروتونهای آروماتیک دچار واپوشیدگی می شوند چون میدان مغناطیسی القایی جهت یکسانی مانند با میدان خارجی دارد.
پس یک جریان حلقه دیامغناطیس یا دیاپروتیک با آروماتیستی همراه است و جریان حلقه ای پاراتروپیک نشانه پادآروماتیسیتی است. اثر مشابهی در فولرنهای سه بعدی مشاهده می شود و به آن جریان کره گویند.
کوششهای متعددی برای بیان کمی آروماتیسیتی انجام شده است:
1-4 بیان کمی آروماتیستی1-4-1 جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته:پارامتر جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته برای توصیف آروماتیسیتی از نقطه نظر مغناطیسی به کار برده می شود. این شاخص به وسیله P.v.R. Schleyer و همکارانش براساس پوششهای مغناطیسی ابداع گردید و با روشهای ساده محاسبه گردید. هم اینک محاسبه ها با روشهای آغازین پیشرفته انجام می شوند(25). این شاخص با محاسبه منفی پوشش مغناطیسی مطلق اتم روحدر مرکز حلقه(26)یا نقطه های مورد نظر دیگر(27) به کاربرده می شود.مقدار NICS نشان داده شده به صورت NICS(1.0) به مفهوم محاسبه آن در فاصله Å1 بالای حلقه است و انتظار می رودجزییات ساختار الکترونی را مشخص کند. زیرا مقدار NICS(0.0) در صفحه با مشارکتهایی موضعی پیوندهای و جفتهای تنها تحت تاثیر قرار می گیرد(28). حلقه های دارای NICS منفی آروماتیک، حلقه های دارای NICS نزدیک به صفر غیر آروماتیک و حلقه های دارای NICS مثبت پاد آروماتیک اند.
شاخص دیگر مولفه "خارج صفحه" تنسور NICS است که در فاصله Å1 بالای مرکز حلقه محاسبه می شود و با NICS(1.0)zz مشخص می شود که اندازه خوبی برای مشخصه های سیستم حلقه است(29). از آن جا که یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه حلقه اعمال می شود، این مقدار با چگالیهای جریان القایی در سیستم حلقه ای مولکول ارتباط مستقیم تری دارد. در نتیجه NICSzz محاسبه شده در فاصله های دور از مرکز حلقه (جایی که NICSzz تحت تاثیر مشارکتهای از سیستم قرار می گیرد) به خوبی NICS را مشخص می کند(30).
ثابت شده است برای مشتقهای بورازین NICS(2.0)zz معیار مناسبی برای آروماتیسیته است(31).
مقدارهای موشکافی شدهNICS با نرم افزار deMonNMRمحاسبه می شوند(32). بر این اساس NICS(total) به سهمهایی از پیوندهای ، NICS() ، پیوندهای ، NICS() ، و سهمهای دیگر (پیوندهای با هیدروژن، جفتهای تنها در صفحه مولکول، اوربیتالهای مغزی) تقسیم می شود.
برای مثال برای بنزن:
جدول (1-2) NICS برای بنزنStructure Opt Level/Basis set NICS(0.0) NICS(1.0) NICS(r)zz
Benzene B3LYP/6-311+G** HF/6-31+G* -9.7 -11.5 r=1.0-31.9
Borazine B3LYP/6-311+G** HF/6-311+G** -1.3 -1.9 r=-6.7
1-4-2ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی:ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی (33)به صورت زیر تعریف می شود:
(1-1)
در این رابطه محور z به صورت عمود بر صفحه حلقه تعریف می شود. این رابطه تفاوت بین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس خارج صفحه و میانگین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس داخل صفحه (xy) است. کارایی این شاخص مستقل بودن از سیستم مرجع است. این شاخص به روشCSGT محاسبه می شود(34). منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-3تاثیر پذیری مغناطیسی(35):این شاخص تفاوت تاثیر پذیری مغناطیسی سیستم و یک سیستم مرجع ناشی از افزایش اتم یا پیوند است:
=-(1-2)
این شاخص نیز به روش CSGT محاسبه می شود. منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-4 شاخصهای ناشی از نطریه اتم در مولکول:نظریه اتمها در مولکولها در شکلهای زیر برای مطالعه آروماتیسیتی به کار رفته است(36).
درجه عدم استقرار الکترون پای (DI):Bader و همکارانش عدم استقرار چگالی بیشتری را در هیدروکربنهای سیر نشده حلقوی نسبت به گونه های مشابه ناحلقوی پیدا نمودند.درجه عدم استقرار الکترون پای (DI) به طور کمی بر اسای این نظریه با استفاده از شاخص عدم استقرار تعیین می شود. این شاخص با انتگرال دوگانه چگالی همبستگی- تبادل حول حوزه هایاتمهای A و B به دست می آید. حوزه یک اتم در نظریه AIM به صورت گستره ای در فضای واقعی محدود به سطوح گرادیان شار صفر در یک چگالی الکترونی (r) یا تا بی نهایت تعریف می شود(37) به طور کمی تعداد الکترونهای نامستقر بین A و B تعیین می شود(38).
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-3) درجه عدم استقرار الکترون پایبرای بنزنE(atom) DI
B3LYP/6-311++G** 3.8102745332e+001 1.3965407413e+000
شاخص عدم استقرار پارا (PDI): Sola و همکارانش شاخص عدم استقرار را با معیارهای آروماتیک دیگر مرتبط کردند(39). آنها یک معیاری آروماتیک موضعی نوینی را معرفی نمودند: شاخص عدم استقرار پارا (PDI) .
Hernandez-Trujillo و Matta نیز معیار هندسی را پیشنهاد نمودند که DI را به عنوان اندازه تناوب اشتراک الکترون در نظر می گیرد.
D3BIA :Caio L. Firme و همکارانش معیار نوینی برای آرماتیسیتی در نظر گرفتند(40). نظریه ها بر اساس:
چگالی الکترونی در حلقه
درجه یکسانی عدم استقرار
درجه همترازی اتمها در حلقه
استوار بود و آن را D3BIA نامیدند. فرمول آن عبارت است از:
D3BIA=[RDF] [DIU] (1-3)
که در این رابطه:
RDF=(1+2)RCP (1-4)
2 مقدار ویژه میانگین ماتریکس Hessian چگالی از BCP به RCP ، وRCP مقدار چگالی الکترونی در نقطه بحرانی حلقه است.(1-5)
انحراف میانگین و <DI> میانگین DI حلقه است.
(تعداد اتمهای حلقه)/(تعداد اتمهای همتراز)=(1-6)
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-4) انحراف میانگین و RDF و DIU و D3BIA برای بنزنRCP 2 RDF DIU D3BIA
B3LYP/6-311++G** 0.021479650957751 0.538176419309952 0.00992 1 1.00 0.00992
1-4-5 مدل هماهنگ کروی آروماتیسیتی:در بین تعریفهای کمی به کار رفته برای آروماتیسیتی بر اساس معیار شکل هندسی، HOMA بیشترین اطمینان را دارد(41). مطابق نظر Krygowski و همکارانشبه صورت سهم دو عبارت تعریف می شود:
HOMA=1-EN-GEO(1-7)
در این رابطه EN اندازه طویل شدن طول پیوند میانگین نسبت به یک مقدار بهینه است:
EN= (Ropt - Rav)2(1-8)
در این رابطه Ropt طول پیوند بهینه برای یک مولکول کامل آروماتیک است( برای پیوندهای CCبرابر Å 388ر1 است). Rav طول پیوند میانگین گونه های در نظر گرفته شده است.یعنی:
Rav =(1-9)
عبارت GEO نشانه افزایش یک در میان طول پیوند است و برابر است با:
GEO=(1-10)
Rav دلالت بر طول پیوند میانگین سیستم در نظر گرفته شده و n تعداد پیوندهای فاصله ای بین هسته ای Ri است. برای پیوندهای CC مقدار برابر 7ر257 است.
به صورت جمع نرمال شده انحراف مربعهای طول پیوندها از مقدار بهینه تعریف می شود. یک سیستم آروماتیک HOMA=1 و پاد آروماتیک HOMA=0 دارد.
مقدارهای Ropt و برای پیوندهای CN, CO, CP, CS, NN, NO نیز گزارش شده اند.
برای مثال برای مولکول بنزن می توان نوشت چون Ri=1.3946 پس Rav=1.3946 در نتیجه:
جدول (1-5) مقادیر HOMO و GEO و EN برای بنزنEN= (Ropt - Rav)2 GEO= HOMO
B3LYP/6-311+G** =(257.7)(1.388-1.3946)2=0.0112254 (1.3946-1.3946)*6(257.7/6)=0 0.9887746
کمیت قابل اندازه گیری دیگر جابه جایی شیمیایی یونهای لیتیم در کمپلکسهای آن است. از آن جا که لیتیم تمایل به اتصال به وجه آروماتیک حلقه ها دارد، خود سبب آروماتیک شدن می شود. در نتیجه از جا به جایی شیمیایی آن می توان برای این منظور استفاده کرد. برای مثال این مقدار در کمپلکسهای CpLi و Cp2Li- به ترتیب ppm 6ر8- و 1ر13- است.
1-5ترکیبهای X3Y3H6
s-triphosphatriborin Borazine

alumazine

شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد.1-6بورازین:بورازین ترکیب معدنی است که از عنصرهای بور، نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این ترکیب حلقوی سه واحد هیدروبوران(BH) و سه واحد آمینو (NH) به طور یک در میان قرار دارند. این ترکیب در سال 1926 به وسیله ی Alfred Stock و Pohlandاز واکنش دی بوران و آمونیاک تهیه شد(42). ساختار این ترکیب هم الکترون و یکسان با بنزن است و به همین دلیلی بنا به پیشنهاد Nils Wibergبنزن معدنی نامیده می شود. این ترکیب همچنین به نام Borazol نیز نامیده می شود که از نام آلمانی بنزن که بنزول است ناشی می شود.

شکل (1-2) بورازین1-6-1سنتزبورازین از واکنش دی بوران و آمونیاک در نسبت یک به دو در دمای 300-250 با بهره 50% تهیه می شود:
3 B2H6 + 6 NH32 B3N3H6+3 LiCl + 9 H2
مسیر موثر دیگر از واکنش لیتیم بوروهیدرید و آمونیوم کلرید با بهره ای بهتر می باشد:
3 LiBH4 + 3 NH4Cl → B3H6N3 + 3 LiCl + 9 H2
در یک فرآیند دو مرحله ای، بور تری کلرید نخست به تری کلروبورازین تبدیل شده :
3 BCl3 + 3 NH4Cl → Cl3B3H3N3 + 9 HClسپس پیوندهای B-Cl به پیوندهای B-H تبدیل می شوند:
Cl3B3H3N3 + 3 NaBH4 → B3H6N3 + 3/2 B2H6 + 3 NaCl1-6-2ویژگیهابورازین مایعی بیرنگ با بوی ویژه ترکیبهای آروماتیک است. این ترکیب در آب به بوریک اسید، آمونیاک و هیدروژن تجزیه می شود. بورازین با تغییر آنتالپی استاندارد تشکیل kJ/mol 531- از نظر گرمایی بسیار پایدار است. برخی از خواص فیزیکی این ترکیب در جدول 1 ارایه شده است.
جدول(1-6) برخی از خواص فیزیکی بورازیننقطه جوش ، C نقطه ذوب، C چگالی، gr.cm-3 ظاهر جرم مولی، gr.mol-1
55 58- 81ر0 بی رنگ 50ر80
1-6-3ساختاربورازین هم ساختار بنزن است و همانند آن دارای پیوندهایی با طول یکسان است. فاصلهی بین نیتروژن و بور در حلقه pm 6ر143 و فاصله کربن-کربن در بنزن pm7ر139 است. پیوند بور-نیتروژن بین طول پیوند بور-نیتروژن یگانه (pm151) و پیوند بور-نیتروژن دوگانه (pm131) است. این داده ها نشان دهنده ی عدم استقرار الکترونهای جفت تنهای نیتروژن هستند.
1-6-4مزومرهاالکترونگاتیوی بور (04ر2 در مقیاس پاوولینگ) از نیتروژن (04ر3) کمتر است. از سوی دیگر کمبود الکترونی اتم بور و جفت تنهای نیتروژن امکان ساختارهای مزومری متنوع را ممکن می سازد:

شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین.بور اسید لوییس و نیتروژن باز لوییس است.
1-6-5واکنشهابورازین واکنشپذیرتر از بنزن است. این ترکیب با HCl واکنش می دهد.اگر آروماتیسیتی بورازین نیز مانند بنزن بود، این واکنش بدون کاتالیست ممکن نبود:
B3N3H6 + 3HCl → B3N3H9Cl3
واکنش افزایشی بدون کاتالیزور رخ نمی دهد. در بورازینها حمله هسته دوستی در بور و حمله الکترون دوستی در نیتروژن رخ می دهد. گرما دادن بورازین تا C 70 هیدروژن را آزاد کرده و سبب تشکیل بسپار بورازنیل یا پلی بورازین می شود که واحدهای تکپار با تشکیل پیوندهای بور-نیتروژن نوین به صورت پارا جفت می شوند.

شکل(1-4)تشکیل بسپار بورازنیل1-6-6کاربردها:بورازین و مشتقهای آن پیشماده های مناسبی برای سرامیکهای بورنیترید هستند. بورنیترید می تواند با گرما دادن پلی بورازیلن تا C 1000 تهیه شود(42). بورازینها همچنین ماده اولیه ای برای سرامیکهای دیگر مانند بورکربونیتریدها نیز هستند(43).

شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین1-7فوق قطبش پذیریافزون بر گشتاور دوقطبی ناشی از توزیع نامتقارن بار در یک مولکول ممکن است توزیع الکترونی با وارد شدن یک فقدان الکتریکی تغییر شکل دهد. از این راه یک گشتاور دوقطبی القایی در مولکل ایجاد می شود. مطزان تاثیر گذاری میدا الکتریکی در قطبی ساختن مولکول با قطبش پذیری مولکول تعیین می شود. قطبش پذیری بنا به تعریف گشتاور دوقطبی القا شده از سوی میدان التریکی به شکل یک واحد است.
برهم کنش نور با ماده سبب تغییر وابسته به زماندر توزیع چگالی الکترونی در مولکولها می شود (قطبش). در این صورت گشتاور دوقطبی القایی به گشتاور دوقطبی ذاتیo افزوده می شود:
= o + Eloc + Eloc Eloc + ElocElocEloc +… (1-11)
در این رابطه:
Eloc = میدان الکتریکی موضعی اعمال شده به مولکول
= قطبش پذیری خطی مرتبه نخست
= فوق قطبش پذیری مربعی (نخست)مرتبه دوم
= فوق قطبش پذیری مکعبی (دوم)مرتبه سوم
قطبش پذیری اتم همسانگرد است، یعنی راستای میدان الکتریکی هرچه باشد، واپیچش یکسان است. قطبش پذیری بیشتر مولکول ها ناهمسانگرد است، یعنی بستگی به راستای میدان دارد. یعنی در راستاهای مختلف مقدارهای مختلف دارد. لذا مانند دیگر خواص ناهمسانگرد (مانند گشتاور لختی یک مولکول و رسانایی یک بلور) یک خاصیت تنسوری است.
(1-11)
و چون xy=yx،xz=zx ،yz=zy است، پس دارای شش مولفه است.
در حالی که تنها قطبش پذیری خطی در میدان های E ضعیف موثر است، سهم های ناخطی ، و .. در میدان های قوی مانند تابش لیزر آشکار می شوند. هر اثری ناشی از جمله های دوم یا بالاتر این سری را اثرهای ناخطی نامند. زیرا از جمله هایی ناشی می شود که نسبت به E ناخطی اند. آن دسته از ماده هایی رفتار نور در اثر تابش به آنها نسبت به میدان الکتریکی ناخطی است را ماده های نوری ناخطی(NLO) می نامند.
ماده های با ویژگی نوری ناخطی (NLO) توجه زیادی را به خود جلب نموده اند و برنامه های گسترده ای را در علم مواد دربرگفته اند. آنها در گستره ی پردازش پیام نورو سوییچ ها، تبدیل فرکانس های نوری و نیز ذخیره داده های نوری مواد موثری اند.
بیشترین کاربرد در دو برابر کردن فرکانس نور لیزر است. ماده های بررسی شده گستره کامل شیمی را در برمی گیرند از جامدهای معدنی مانند LiNbO3 تا گونه های آلی فلزی مانند مشتق های فروسن تامولکول های آلی.
قطبش می توان به صورت اختلاط حالت های برانگیخته بالاتر با حالت پایه در نظر گفته شود. پس یک مولکول با قطبش پذیری ناخطی بالا شرایط زیر را می تواند داشته باشد:
حالت های برانگیخته کم انرژی، برای نمونه یک شکاف اوربیتال های جبهه ای کوچک
قدرت نوسانگر بالای جهش الکترونی
تفاوت بزرگ بین گشتاور دوقطبی حالت پایه و برانگیخته نشان داده شده با حلالپوشی رنگ.
فقدان مرکز تقارن: ماده ای که مرکز تقار دارد خواص برداری نمی تواند نشان دهد. در نتیجه تمام مولفه ای تنسور فوق قطبش پذیری در گروه نقطه ای مرکز دار دار صفرند.
از سال 1987 که ماردر و همکارانش ثابت کردند که مشتق هایی از فروسن کارایی تولید هارمونیک دوم بزرگی دارند(44)(SHG) مطالعه های نظری و تجربی زیادی به درک رابطه های ساختاری و ویژگی ها و بهینه کردم خواص نوری مرتبه دوم رنگ سازهای فلز دار اختصاص یافته است(45).
دو دسته ار کمپلکس هایی که در گستره ی زیادی بررسی شده است عبارتند از:
متالوسن ها: که لیگاند به شدت با فلز جفت می شود
کمپلکس های پیریدین دار که جفت شدن ضعیفی با فلز مرکزی وجود دارد.
با این وجود طراحی کمپلکس ها نوین با فوق قطبش پذیری بالا موضوعی جذاب و رقابت برانگیز است.
متالابنزن ها طبقه ی از کمپلکس های آلی فلزی اند که فلز بخشی از یک سیستم - آروماتیک است. دو تا از شش الکترون اوربیتال های d فلزند که حول سیستم نامستقرند و پس انتظار می رود از الکترونهای d دیگر کمپلکسهای آلی فلزی قطبش پذیرتر باشند.چندین کمپلکس متالابنزن جداسازی شده اند مانند اسمابنزن ها، ایریدابنزن ها و پلاتینابنزن ها. واکنشپذیری و پایداری این کمپلکس ها به صورت نظری مطاله شده است. آروماتیسیتی کمتر متالابنزن ها نسبت به بنزن و حلقه های ناجور اتم نفش مهمی در خواص نوری ناخطی (NLO) این کمپلکس ها دارد. جایگزینی حلقه های فنیل در رنگسازهای دهنده- -پل- پذیرنده (D--A) با حلقه های ناجور اتم دار مانند تیوفن یا تیازول به صورت تجربی و نظری نشان داده است که فوق قطبش پذیری به گونه ی موثری افزاپش می یابد. این افزایش فوق قطبش پذیری توجیه می شود با:
انرژی عدم استقرار آرواتیک کمتر ناجور آروماتیک نسبت به بنزن که شکاف انرژی بین حالت پایه و حالت برانگیخته انتقال بار (CT) را کاهش می دهد.
اثرهای القایی حلقه های پر الکترون یا کم الکترون در به ترتیب دهندگی یا پذیرندگی.
چگالی الکترونی بپشتر پل.
مواد NLO آلی کاربردها خوبی در گستره هایی مانند الکترواپتیک و فوتونیک دارند(46). این مواد با میدان های الکترومغناطیس برهمکنش کرده و میدان های الکترومغناطیس نوینی ایجاد می کنند که فرکانس و فاز آنها تغییر کرده است.
فصل دوم: شیمی محاسباتی2-1مقدمهشیمی محاسباتی، پدیده های شیمیایی را بدون انجام آزمایش های تجربی امکان پذیر می کند. این روش نه تنها مولکولهای پایدار را مورد بررسی قرار می دهد بلکه مولکول هایی با طول عمر کوتاه حد واسط های ناپایدار و حتی حالت های گذار را نیز مورد بررسی قرار می دهد.همچنین از این طریق می توان اطلاعاتی راجع به مولکول ها و واکنش هایی که بررسی آن ها از طریق تجربی غیر ممکن است، بدست آورد. برای شروع یک مطالعه محاسباتی جنبه های زیادی باید در نظر گرفته شود از جمله اینکه روشهای محاسباتی باید با توجه به اندازه سیستم مورد مطالعه و خاصیت هایی که مورد نظر است انتخاب شوند.
2-2نیروهای بین مولکولیموضوع اصلی بیان نیروی بین دو مولکول توسط یک تابع انرژی پتانسیل است. در فاصله بی نهایت بین 2 اتم، هیچگونه برهمکنشی وجود ندارد و انرژی کل سیستم دو اتمی با مجموع انرژی های دو اتم مجزا برابر است.
اگر دو اتم به اندازه جزئی از هم فاصله داشته باشند، برهمکنش بین آنها بر انرژی کل سیستم تاثیر می گذارد و آن را افزایش می دهد.با توجه به متقارن بودن اتمها، انرژی برهمکنش بین آنها فقط به فاصله r بستگی دارد و مستقل از جهت گیری نسبی آنها می باشد.تغییر انرژی کل که ناشی از برهمکنش بین دو اتم است به عنوان تابع انرژی پتانسیل بین دو مولکول شناخته شده است .
بر این اساس، پتانسیل بین مولکولی عبارت است از تفاوت انرژی کل سیستم دو اتمی در جدایی بی نهایت و هنگامی که دو اتم به فاصله r از یکدیگر قرار گرفته باشند این اختلاف انرژی از لحاظ عددی با کار لازم برای آوردن دو اتم از فاصله بی نهایت به فاصله r برابر است.
2-3انواع نیروهای بین مولکولیبر اساس دانش کنونی، نیروهای بین ذره ای را می توان به چهار دسته تقسیم بندی نمود:
1-گرانشی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

2-الکترومغناطیسی
3-هسته ای قوی
4-هسته ای ضعیف
نیروهای هسته ای قوی عامل ایجاد پیوند بین نوترون های و پروتون های درون هسته بوده و محدوده عملکرد آنها در حدود nm 10 می باشد.از طرف دیگر امروزه معلوم شده نیروهای هسته ای ضعیف دارای منشا الکترومغناطیسی بوده و نظیر نیروهای هسته ای دارای برد کوتاه هستند.با توجه به اینکه ابعاد مولکولی معمولا از مرتبهnm10×5 هستند لذا این نیروهای هسته ای نمی توانند مشارکت مؤثری در نیروی بین مولکولی داشته باشند. بر عکس ، نیروهای گرانشی دارای برد بسیار بلند بوده و می توانند به عنوان منبع جاذبه بین مولکولی در نظر گرفته شوند. اما از لحاظ بزرگی در حدود 10 برابر کمتر از نیروهای بین مولکولی هستند بنابراین نیروهای بین مولکولی بایستی دارای یک منشا الکترومغناطیسی باشند.منبع برهمکنش می تواند ناشی از ذرات باردار، الکترون ها و پروتون هایی که یک اتم یا مولکول را تشکیل می دهند باشد. بر اساس ماهیت مولکول های برهمکنش دهنده سه عامل ممکن است بر نیروی جاذبه بین آنها مؤثر باشد که به صورت زیر خلاصه می شوند.
2-3-1نیروهای الکترواستاتیکیمعلوم شده که بعضی از مولکول ها نظیر HCl به علت توزیع غیر یکنواخت بار الکتریکی در مولکول، دارای ممان دو قطبی دائمی می باشند. بنابراین بخشی از انرژی برهمکنش برد بلند این نوع مولکول ها از برهمکنش الکترواستاتیکی بین ممان های دو قطبی آنها ناشی می شود.به خاطر اینکه انرژی الکترواستاتیکی بین دو دوقطبی ارتباط قوی با جهت گیری نسبی آنها دارد، لذا گاهی به آن انرژی جهت گیری می گویند.
2-3-2نیروهای القاییاگر برهمکنش بین یک مولکول با گشتاور دو قطبی دائمی و یک مولکول غیر قطبی را در نظر بگیریم میدان الکتریکی مولکول دو قطبی توزیع بار الکتریکی را در مولکول دیگر تغییر داده و یک گشتاور دو قطبی القایی را در آن به وجود آورد. دو قطبی القا شده با دو قطبی القا کننده برهمکنش انجام داده و یک نیروی جاذبه تولید می شود. به هنگام برهمکنش دو مولکول قطبی این سهم القایی همزمان با سهم الکترواستاتیکی وجود دارد.
2-3-3نیروهای پراکندگیاین نیرو با ارزیابی افت و خیز در مقدار دانسیته الکترونی قابل بررسی است. این نیرو برای مولکول ها در حالت پایه همواره مقدار منفی خواهد داشت و در واقع از نوع جاذبه است که به نیروهای واندروالس معروف است. در برهمکنش دو مولکول که هیچ کدام از آن ها گشتاور دو قطبی دائمی ندارند درک منشا انرژی جاذبه ممکن است تا حدودی مشکل به نظر برسد. با این وجود می توان تصور نمود که در یک مولکول فاقد گشتاور دو قطبی دائمی، الکترون ها دارای یک حرکت پیوسته بوده و دانسیته الکترونی در مولکول به طور پیوسته در زمان و مکان در حال نوسان است. بنابراین در هر لحظه از زمان هر مولکول دارای یک دو قطبی الکتریکی لحظه ای خواهد بود. دوقطبی لحظه ای ایجاد شده در یک مولکول، یک دوقطبی لحظه ای را در مولکول دوم القا می کند. دوقطبی القا شده در مولکول دوم و دوقطبی القا کننده در مولکول اول با هم برهمکنش انجام داده و حاصل آن انرژی جاذبه ای است که انرژی پراکندگی نامیده می شود.
تعیین اندازه انرژی برهمکنش بسیار مشکل است. بنابراین روشهای مبتنی بر اندازه گیریهای تجربی نمی توانند ماهیت نیروهای بین مولکولی به درستی بیان کنند لازم است روشهای محاسباتی به کار برده شوند.
2-4روشهای مدل سازی کامپیوتری2-4-1مکانیک مولکولیدر مکانیک مولکولی از قوانین مرتبط با فیزیک کلاسیک برای پیش گویی ساختار و خواص مولکول ها استفاده می شود.بسیاری از برنامه های کامپیوتری از قبیل گوسینو هایپرکمو در بر دارنده روش های مکانیکی مولکولی بوده و این روش ها به طرق مختلف و با توجه به میدان نیروی به کار برده شده قابل استفاده هستند.لازم به ذکر است که هر میدان نیرو دارای بخش های اساسی زیر است. دسته ای از روابط ریاضی که چگونگی تغییرات انرژی پتانسیل یک مولکول را با توجه به موقعیت اتم های تشکیل دهنده آن تعیین می کنند.
مجموعه ای از پارامترها که تعیین کننده ثابت های نیرو هستند،و از طریق آن ها ارتباط بین خواص اتمی با انرژی و اطلاعات ساختاری نظیر طول پیوند و زوایای پیوندی بیان می شود.مکانیک مولکولی در انجام محاسبات ،الکترون های سیستم را به وضوح منظور ننموده و اثرات الکترونی بطور ضمنی و از طریق پارامترهای تعریف شده بررسی می شوند.از محدودیت های این روش به موارد زیر می توان اشاره نمود.
هر میدان نیروی خاص فقط برای سری محدودی از مولکول ها نتایج خوبی را بدست می دهد.در نظر گرفتن اثرات الکترونی بطور ضمنی و پارامتری باعث می شود که تخمین های مکانیک مولکولی در مسائل شیمیایی نظیر تشکیل پیوند،پیشگویی خواص شیمیایی مولکولی و برهمکنش اوربیتال های مولکولی غیر قابل استناد و ناکارآمد باشد.
2-4-2مکانیک کوانتومیمحاسبات در بردارنده خواص الکترونی،بر پایه قوانین مکانیک کوانتومی استوار است.مکانیک کوانتومی بیان می کند که انرژی و سایر خواص وابسته به آن برای یک مولکول با حل معادله شرودینگر بدست می آید:
Hᴪ =Eᴪ(1-12)
از آنجایی که برای اکثر سیستم ها،و حتی کوچکترین سیستم ها دارای تقارن کامل نیز، حل دقیق معادله شرودینگر عملی نیست،روش های مکانیک کوانتومی تقریب های ویژه ای را برای حل معادله شرودینگر به کار می برند. محاسبات مولکول ها در شیمی کوانتومی می تواند بر اساس سه روش زیر انجام گیرد:
2-5 طبقه بندی روش هاروش نیمه تجربی
روش آغازین
تئوری تابع چگالی(DFT)
2-5-1روش های نیمه تجربیدر روش های نیمه تجربی فقط از الکترون های لایه ظرفیت استفاده شده و الکترون های داخلی به صورت یک پتانسیل مرکزی، در نظر گرفته می شود. استفاده از این روش و وارد کردن پتانسیل موثر، در مواردی که مولکول مورد بررسی، شامل اتم های سنگین(نظیر فلز در برابر پیوندهای آنزیمی) باشد، از نظر زمان و هزینه مقرون به صرفه خواهد بود. در این روش فقط از اربیتال های نوع اسلیتر (STO) و مجموعه های پایه حداقل برای توصیف اربیتال های اتمی استفاده شده و برای سادگی محاسبات از بعضی پارامترهای حاصل از اندازه گیری های تجربی نیز استفاده می شود. رایج ترین روش های محاسباتی نیمه تجربی، عبارتند از: MNDO PM3 AM1، MINDO. با توجه به استفاده از پارامترهای تجربی، روش های نیمه تجربی فقط آرایش الکترونی حالت پایه را توصیف می کنند. توضیحات مفصل تر را درباره این روش می توان در منابع مختلف یافت.
2-5-2روش های آغازینعبارت Ab initio از نظر لغوی به معنای آغازین است اما در اینجا به معنای حل دقیق و بدون تقریب معادله شرودینگر است. این تعریف نشان می دهد که نتایج محاسباتی، به طور مستقیم از اصول نظری بدست می آیند و داده های تجربی و آزمایشگاهی هیچ دخالتی در آن ندارند. در حقیقت این یک تقریب در محاسبات مکانیک کوانتومی است. تقریب ها معمولا از تقریب های ریاضی نشات می گیرند مانند استفاده از یک تابع پیچیده و یا پیدا کردن جوابهای تقریبی برای یک معادله دیفرانسیلی پیچیده در یک محاسبه ab initio، نقطه آغاز یک ساختار هندسی از ملکول است که در آن ماهیت و مختصات هر یک از اتمها تعریف شده است.همچنین با توجه به اتم های موجوددر ملکول مورد نظر یک مجموعه پایه از اوربیتالهای اتمی انتخاب می شود. بنابراین در این روش بر خلاف روش های نیمه تجربی ، پارامترهای تجربی وارد محاسبات نشده و محاسبات بر قوانین مکانیک کوانتومی و برخی ثوابع فیزیکی نظیر سرعت نور، جرم وبارالکترون، بار هسته ها و ثابت پلانک استوار است.
2-5-3 تقریب هارتری- فاکپایین ترین سطح و متداول تربن نوع از محاسبات ab initio، محاسبات هارتری- فاک نامیده می شود که در آن عملگر هامیلتونی شامل دو عبارت، انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است. تقریب اولیه در این نوع محاسبه، تقریب میدان مرکزی خودسازگار است. دافعه کلونی الکترون-الکترون با انجام انتگرال گیری از عبارت دافعه محاسبه می شود. این یک محاسبه متغیر است به این معنا که انرژی های تقریبی محاسبه شده همگی برابر یا بزرگتر از مقدار انرژی واقعی هستند. یکی از مزیت های این روش، تفکیک معادله شرودینگر به تعدادی معادله تک الکترونی است که نتیجه آن یک تابع موج تک الکترونی بوده که یک اوربیتال نامیده شده و مقدار ویژه حاصل از آن بیانگر انرژی یک اوربیتال است. تقریب دوم در محاسبات هارتری- فاک این است که یک تابع موج با تعدادی توابع ریاضی توصیف می شود. توابع استفاده شده اغلب اوقات ترکیبی خطی از اوربیتال های گوسینی است.به علت ترکیب خطی اوربیتال های اتمی انرژی محاسبه شده، بزرگتر از انرژی حدی هارتری فاک می باشد. به منظور بدست آوردن یک اوربیتال با تقارن p,s یا d توابع گوسینی در یک تابع زاویه ای ضرب می شوند و سپس این اوربیتال ها به صورت یک دترمینان اسلیتر و با در نظر گرفتن دو شرط اساسی آرایش داده می شوند. شرط اول عبارت است از اینکه، الکترون ها باید غیر قابل تمییز باشند، شرط دوم آن است که تابع موج باید نسبت به جابجایی دو الکترون نامتقارن باشند.
با وجود استفاده از یک بسط طولانی در اوربیتالهای ملکولی و رسیدن به حد نهایی هارتری-فاک، هنوز هم با نقص هایی در تابع موج که بر آمده از تقریب های معادله هارتری-فاک می باشند روبرو هستیم.دو منبع مهم خطا در معادلات اولیه وجود دارد، یکی اینکه کل تئوری بر مبنای معادله شرودینگر است که اثرات نسبیتی در آن لحاظ نشده است، حرکت الکترون های داخلی با سرعتی است که در مقایسه با سرعت نور قابل صرف نظر کردن نیست واین سهم اثرات نسبیتی و ثابت نبودن جرم را نشان می دهد.ولی از آنجائیکه اکثر تغییرات شیمیایی و بیولوژیکی مولکول مربوط به الکترون های ظرفیتی اند، این خطا معمولا ثابت بوده و مشکل بزرگی را ایجاد نمی کند. منبع خطای دوم که جدی تر و با اهمیت تر است خطای مربوط به انرژی همبستگی نامیده می شود.
2-5-3-1تئوری اختلال مولر- پلستاثرات همبستگی الکترونی را می توان به صورت یک عبارت اختلال به تابع موج هارتری- فاک اضافه نمود. این روش، تئوری اختلال مولر- پلست نامیده می شود. بر مبنای این تئوری، روش HF معادل با اختلال مرتبه اول می باشد. یک مقدارکوچک از اثرات همبستگی با استفاده از اختلال مرتبه دوم از روش مولر پلست (MP2)، در محاسبات منظور می شود. محاسبات مرتبه سوم(MP3) و مرتبه چهارم (MP4) نیز عموما مورد استفاده قرار می گیرند. اما اختلال مرتبه پنجم(MP5) و درجات بالاتر از آن به دلیل مقرون به صرفه نبودن از نظر زمان محاسباتی به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. در تئوری اختلال، همخوانی یا عدم همخوانی نتایج انرژی محاسبه ای با مقدارواقعی، بستگی به ماهیت سیستم تحت بررسی دارد. یکی از مزیت های این روش دامنه کاربردی وسیع آن می باشد که محاسباتی با دقت را ایجاد می کند اما زمان محاسبات بسیار بالایی را نیاز دارد.
2-5-3-2روش بر همکنش های پیکربندیدر روش برهمکنش های پیکربندی برای وارد کردن اثرات همبستگی ترکیبات خطی بیشتری از حالتهای پایه و برانگیخته را در بدست آوردن تابع موج استفاده می کنند. محاسبات برهمکنش پیکربندی دارای صحت خیلی بالایی هستند. محاسبات برهمکنش پیکربندی بر اساس نحوه و تعداد حالت های برانگیخته در تشکیل هر دترمینان تقسیم بندی می شوند.
2-5-3-3روش میدان خودسازگار چند پیکربندیدر روش میدان خودسازگار چند پیکربندی در مقایسه با روش برهمکنش های پیکربندی تعداد کمتری از حالتهای برانگیخته در نظر گرفته می شود.حالتهای برانگیخته ای مدنظر هستند که سهم بیشتری را در انرژی همبستگی دارند ولی به کار بردن این روش مستلزم به کارگیری دقت زیادی در انتخاب حالتهای برانگیخته است و نتایج صحیح تری را می دهد.
2-5-4تئوری تابع چگال(DFT)تئوری تابع چگال(DFT) در سالهای اخیر شهرت زیادی پیدا کرده است. بر مبنا مشاهدات علمی نشان داده شده این روش از نظر سرعت محاسباتی پایین تر از روشهای دیگر با دقت و صحت مشابه می باشد. این تئوری نسبت به روشهای دیگر ab initio در سال های اخیر توسعه بیشتری یافته است.در این روش به منظور محاسبه انرژی یک مولکول به جای استفاده از یک تابع موج از دانسیته الکترونی استفاده می شود. از مزایای بزرگ DFT، اعمال انتگرال های دافعه کولمبی روی یک تابع سه بعدی و منظور کردن اندکی از اثرات همبستگی الکترونی در حین محاسبه می باشد. این روش از نظر محاسباتی و صحت نتایج، سریع تر و دقیق تر از روش HFمی باشد. امروزه اکثر محاسبات DFT ،با مجموعه پایهGTOبهینه شده HF انجام می شوند. البته صحت و درستی نتایج در صورت استفاده از مجموعه های پایه کوچک به میزان زیادی کاهش می یابد.از این رو با توجه به دقت وصحت نتایج، کوچکترین مجموعه پایه مورد استفاده G31-6 می باشد. با به کار بردن توابع پایه بهتری در محاسبات DFT می توان نتایج با حد دقت و صحت نتایج روش های محاسباتی MP2 بدست آورد. روش DFT به روش متعدد دیگری تقسیم می شود که ساده ترین آن روش، Xa نامیده می شود. در این روش محاسباتی اثر تعویض الکترونی در نظر گرفته می شود ولی از اثرات همبستگی الکترونی چشم پوشی می شود. در یک سری روش های ترکیبی توابع به دست آمده از روش های دیگر با اجزایی از محاسبات هارتری- فاک که معمولا انتگرال های تعویضی هستند تلفیق می شوند. عموماً روش های ترکیبی و تصحیح گرادیانی از نقطه نظر صحت و درستی بهترین نتایج را می دهند. از جمله این روشها می توان B3LYP، PBE، B3PW91،PW91 ، MPW1PW91 و ....را نام برد که روشهای ،PW91،PBE،MPW1PW91 برای محاسبات انرژی بر همکنش از نظر دقت و صحت مشابه MP2 می باشند ولی زمان محاسباتی خیلی کمتری را نیازمند هستند.
2-6مجموعه های پایهبعد از انتخاب روش محاسباتی، باید مجموعه های پایه به منظور ساختن اوربیتال های مولکولی فراگیر تعیین گردند تا روند محاسبات به مسیر مناسبی هدایت شود. این نکته باید در نظر گرفته شود که ممکن است یک روش و مجموعه پایه برای یک کاربرد، کاملاً به جا و منحصر به فرد باشد در حالیکه در سایر موارد غیر قابل استفاده باشد.اوربیتال های مولکولی ترکیب از اوربیتال های اتمی هستند که امروزه ترجیحاً مجموعه های پایه نامیده می شود. به دو طریق می توان از مجموعه پایه استفاده نمود. در روش اول اوربیتال های اتمی به عنوان توابع در نظر گرفته می شوند.در این روش از مجموعه های پایه حداقل استفاده و نتایج آن معمولاً برای مولکول های حجیم یا به منظور انجام پیش بینی های کیفی مورد استفاده قرار می گیرند. در روش دوم توابع تشکیل دهنده مجموعه پایه، شامل یک سری توابع ریاضی هستند که حداکثر انعطاف پذیری را متناسب با اوربیتال های مولکولی دارند. در این روش، مجموعه های پایه مورد استفاده از توابع گوسی تشکیل و با توجه به دقت لازم برای انجام محاسبات نوع و تعداد توابع گوسی مورد استفاده تعیین می شود. افزودن توابع قطبش پذیر و نفوذی به مجموعه های پایه یکی از راهکارهای ارتقاء و بهبود نتایج این روش محسوب می شود. همچنین استفاده از توابع پایه ظرفیتی شکافته ای، که در آن اوربیتال های ظرفیتی به دو یا سه تابع شکافته می شوند، متداول وکارساز است.به عنوان مثال در مجموعه پایه G311-6 اوربیتال های ظرفیتی به سه تابع شکافته می شوند.
2-6-1مجموعه پایه حداقلکوچکترین مجموعه های پایه، مجموعه پایه حداقل نامیده می شوند. از جمله مجموعه های پایه حداقل که بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، مجموعه پایه STO-nG است. معروف ترین مجموعه پایه حداقل، STO-3G است که ترکیب خطی از سه اوربیتال گوسینی تطبیق داده شده با یک اوربیتال اسلیتری می باشد. البته همانطور که در بخش قبل اشاره شد، مجموعه های پایه حداقل معمولاً برای مولکول های خیلی بزرگ و نتایج کیفی استفاده می شوند.
2-6-2مجموعه پایه ظرفیتی شکافتهمتداولترین مجموعه های پایه شکافته که توسط گروه پاپل مطرح شدند، عبارتند از:
7-41G, 6-311G, 6-21G, 4-22G, 6-31G, 3-21G
در 6-31GT، هر لایه مرکزی متشکل از شش تابع اولیه GTO و هر اوربیتال ظرفیتی آن با دو حالت انقباضی، یکی با سه تابع اولیه و دیگری با یک تابع اولیه گوسینی توصیف می شود. این نوع مجموعه های پایه بیشتر برای مولکول های آلی استفاده می شوند. برای اتم ها، سری پایه 3-21G برای همه اتم ها تا Xe و سری پایه 6-31G قابل کاربرد است.
برای اینکه اجازه دهیم شکل اوربیتال ها تغییر کند می توانیم سهم هایی را از اوربیتال ها با اندازه حرکت زاویه ای بالاتر در نظر آورد، به عنوان نمونه می توان از یک و دو اوربیتال d مربوط به هر اتم کربن استفاده نمود. نماد گذاری لازم برای نشان دادن این موضوع عبارت است از اضافه کردن یک حرف برای نوع اوربیتال در نظر گرفته شده در انتهای نام اختصاری ، به عنوان مثال 6-31G(2d,p) که معنی آن این است که دو اوربیتال d مربوط به اتم های سنگین و یک اوربیتال p مربوط به اتم های هیدروژن را در محاسبات وارد می کند.
2-6-3توابع پایه نفوذیتوابع پایه نفوذی، توابعی با نمادهای کوچک می باشند که شکل تابع موج را در فاصله دورتر از هسته توصیف می کنند. این نوع توابع برای آنیون های دارای توزیع دانسیته الکترونی بالا و همچنین برای برهمکنش های با دامنه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که توابع نفوذی می توانند همراه با توابع پلاریزه، استفاده شده و به ایجاد سری های پایه 6-31+G و 6-31++G منتهی شوند.
2-6-4 مجموعه های پایه قطبش پذیرمجموعه پایه بهبود یافته با اضافه کردن یک یا دو علامت ستاره نظیر 6-31G**, 6-31G* مشخص می شوند. یک ستاره بیانگر این است که مجموعه ای از توابع اولیه d به اتم های غیر هیدروژنی اضافه می شود. دو ستاره مجموعه ای توابع p را به اتم های هیدروژن اضافه می کند. این نوع توابع، توابع پایه قطبش پذیر نامیده می شوند، زیرا به تابع موج قابلیت انعطاف پذیری بیشتری برای تغییرشکل می دهند.
2-7نرم افزارهای به کار رفته در این مطالعهHyperchem 8.0.3:

شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم.ساختار تمام مولکول های مورد نظر با استفاده از نرم افزارHyperchem 8.0.3رسم شده است.
Gaussian Viewer Version 5.0.8 :

شکل(2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو.برای رسم ساختارهای مورد نظر جهت اماده کردن فایل های ورودی نرم افزار محاسباتی از Gaussian Viewer Version 3.07 استفاده شده است.
Gaussian 2003 Version:

شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین.به منظور بهینه کردن ساختارهای مورد نظر، تمامی ساختارها با استفاده از نرم افزار(48) Gaussian 2003 Version B.03با مجموعه پایه ها و سطح مناسب بهینه شده اند. مجموعه پایه 6-311G(d,p)(49.50.51) برای تما اتمها به کار رفته است. بهینه کردن ساختار کمپلکسها با استفاده از روش تابعگان چگالی B3LYPانجام شدهاست(52.53.54). آنالیز ارتعاشی نیز برای اطمینان از قرار داشتن کمپلکسها بر روی کمینه انرژی منحنی انرژی پتانسیل یعنی حالت پایه انجام شده است.
تمام داده های خروجی انرژتیک، ساختاری، ویژگی های و دیگر ویژگی ها با استفاده از این نرم افزار صورت گرفت. پس از بهینه کردن ساختارهای مورد نظر داده های طول ها و زوایای پیوندی با استفاده از نرم افزار Gaussian Viewer 3.07 خوانده شده اند. سیمای اوربیتالهای مولکولی نیز با استفاده از این نرم افزار رسم شده‌اند.
Chem Draw Version 9.0.1:

شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو.برای رسم گرافیکی شکل تمام مولکولهای بررسی شده از نرم افزار Chem Draw Version 9.0.1 استفاده شده است.
ویژگی های سخت افزاری
تمام این نرم افزارهاتحت سیستم عامل Windows 7 Ultimateنصب شده اند. محاسبه ها با استفاده از رایانه Intel(R)Core(TM) 2Duo CPU 2.53GHzبا 4GB رم انجام شده است.
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری3-1جنبه های پر انرژی (انرژتیک )شکل 3-1 بررسی بنزن و رنگسازهای دارای بورازین را در این پروژه - ریسرچنشان می دهد.

شکل (3-1)فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x .جدول 3-1 محاسبه انرژی، انرژی های نسبی برای تمام مولکول ها را نمایش می دهد. انرژی نسبی نشان می‌دهد که ایزومرB پایدارتر از ایزومر N در تمام گونه ها ست.
جدول (3-1) انرژی مطلق(هارتری)انرژی نسبی(E)ثابت هامت آنها (p)گشتاور دوقطبی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف .xE(N) E(B) E p tot(N) tot(B)
H -551.2612 -551.2867 16.0114 0.00 1.6170 1.1312
F -650.5254 -650.5510 16.0681 0.15 1.5716 0.3888
Cl -1010.883 -1010.9086 15.7131 0.24 2.0451 1.0524
Br -3124.8041 -3124.8291 15.6812 0.23 1.9662 0.9264
OH -626.5042 -626.5308 16.7007 -0.38 3.2086 2.2789
NH2 -606.6340 -606.6614 17.1915 -0.57 3.8899 3.8318
Me -590.5887 -590.6147 16.2763 -0.14 1.9659 1.7426
CN -643.5280 -643.5516 14.8121 0.70 5.2518 4.3900
CF3 -888.4017 -888.4258 15.1485 0.53 5.2419 2.4079
CHO -664.6178 -664.6416 14.9093 - 4.3992 2.9788
COOH -739.8939 -739.9179 15.1083 0.44 3.0916 1.5469
NO2 -755.8200 -755.8431 14.4770 0.81 5.6899 4.6521
یک رابطه خطی خوب بین مقادیر انرژی های نسبی همراه با ثابت هامت آنها((p) ( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>March</Author><Year>1985</Year><RecNum>82</RecNum><DisplayText><style face="superscript">19</style></DisplayText><record><rec-number>82</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xafwx29p8rax5cefev2vfv0w5d5fedpzzwwv">82</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>J. March </author></authors></contributors><titles><title>Advanced Organic Chemistry</title></titles><edition>3rd ed</edition><section>244</section><dates><year>1985</year></dates><pub-location>New York </pub-location><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>19 وجود دارد (شکل 3-2)

شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p).3-2گشتاور دو قطبیمقادیر گشتاور دو قطبی در جدول 1-1 جمع آوری شده است. در حال حاضر مقادیر ایزومر N گشتاور دو قطبی بیشتری از ایزومرB دارند. ارتباط خوبی بین و ثابت هامت آنها (p) نشان داده شده. شکل 3-3 را ببینید.

شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p).3-3قطبش پذیری قطبش پذیری واکنش یک سیستم در میدان الکتریکی اعمال شده را توصیف می کند(20).آن ها نه تنها قدرت فعل و انفعالات مولکولی را تعیین می کنند(21) (همانند القا بلند مدت بین مولکولی، نیروهای پراکندگی و غیره.) بلکه به عنوان مقطع پراکندگی های مختلف و فرایندهای برخورد و همچنین خواص نوری غیر خطی سیستم را تعیین می کند.
قطبش همسانگرد<α> به عنوان مقدار متوسط در معادله زیر محاسبه می شود:
(3-1)
و قطبش پذیری ناهمسانگردی هست:
Δα=(αXX- αYY)2+(αYY- αZZ)2+(αZZ- αXX)2212(3-2)
محاسبه مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد نشان می دهد این مقادیر در کمپلکس های پایدار کاهش می یابد، همان طور که انتظار می رود از اصول حداقل انرژی و حداقل قطبش پذیری در اکثر موارد (به جز OH، NH2 = x ، جدول(3-2))(22).
جدول (3-2)قطبش همسانگرد و نا همسانگرد رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
xx yy zz <>
H 255.71 146.88 69.02 157.21 162.42
F 257.31 146.22 69.06 157.53 163.91
Cl 298.59 150.04 72.49 173.71 199.00
Br 314.96 153.43 75.96 181.45 211.20
OH 278.63 149.43 70.21 166.09 182.22
NH2 304.09 152.91 72.38 176.47 203.75
ME 289.33 155.58 78.54 174.49 184.74
CN 317.68 150.19 75.19 181.03 215.03
CF3 278.75 153.74 79.25 170.59 174.61
CHO 310.82 158.57 74.32 181.24 207.62
COOH 312.53 160.04 75.68 182.75 207.93
NO2 307.25 160.32 74.23 180.60 204.08
N-isomer
X xx yy zz <>
H 260.78 139.70 73.94 158.14 164.16
F 260.85 139.05 74.10 158.00 164.22
Cl 304.18 144.03 76.04 174.75 202.87
Br 320.34 147.51 79.45 182.44 215.10
OH 277.67 141.71 76.15 165.18 178.03
NH2 297.11 144.44 79.75 173.77 193.31
ME 292.30 148.75 83.39 174.82 185.10
CN 335.43 147.45 74.20 185.70 233.39
CF3 292.31 150.50 78.86 173.90 188.15
CHO 331.83 155.85 73.32 187.01 228.70
COOH 330.59 156.57 75.49 187.56 225.76
NO2 334.72 158.12 72.08 188.31 231.91
از سوی دیگر یک ارتباط خوب بین مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد با مقادیر نسبی انرژی وجود دارد.(شکل 3-4)

شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p).3-4آنالیز اوربیتال جبهه اییک ویژگی جالب برای این مولکول ها شکاف انرژی Eg بین بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده(HOMO) و کمترین اوربیتال مولکولی خالی (LUMO)است. شکاف انرژی به عنوان بازتابی از فعالیت های شیمیایی مولکول در نظر گرفته شده است. مقادیر انرژی اوربیتال جبهه ای در جدول 3-3 جمع آوری شده است.
جدول (3-3)انرژی اوربیتال جبهه ای (هارتری) انرژی شکاف (E) و سختی (S)و پتانسیل شیمیایی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2307 -0.0586 4.6814 2.3407 0.2136 -3.9372 3.3113
F -0.2316 -0.0606 4.6529 2.3264 0.2149 -3.9773 3.3999
Cl -0.2345 -0.0670 4.5582 2.2791 0.2193 -4.1036 3.6944
Br -0.2333 -0.0673 4.5193 2.2596 0.2212 -4.0909 3.7032
OH -0.2158 -0.0514 4.4735 2.2367 0.2235 -3.6357 2.9548
NH2 -0.2004 -0.0451 4.2273 2.1136 0.2365 -3.3414 2.6412
ME -0.2242 -0.0553 4.5965 2.2982 0.2175 -3.8044 3.1488
CN -0.2483 -0.0873 4.3799 2.1899 0.2283 -4.5666 4.7612
CF3 -0.2460 -0.0758 4.6327 2.3163 0.2158 -4.3801 4.1412
CHO -0.2444 -0.0893 4.2194 2.1097 0.2369 -4.5416 4.8884
COOH -0.2418 -0.0813 4.3685 2.1842 0.2289 -4.3973 4.4264
NO2 -0.2545 -0.1051 4.0651 2.0325 0.2459 -4.8930 5.8895
N-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2092 -0.0381 4.6550 2.3275 0.2148 -3.3653 2.4330
F -0.2109 -0.0401 4.6477 2.3238 0.21515 -3.4161 2.5109
Cl -0.2140 -0.0471 4.5407 2.2703 0.2202 -3.5542 2.7820
Br -0.2135 -0.0475 4.5171 2.2585 0.2213 -3.5516 2.7925
OH -0.1976 -0.0312 4.5255 2.2627 0.2209 -3.1142 2.1430
NH2 -0.1853 -0.0256 4.3456 2.1728 0.2301 -2.8719 1.8979
ME -0.2041 -0.0351 4.5968 2.2984 0.2175 -3.2554 2.3054
CN -0.2252 -0.0695 4.2360 2.1180 0.2360 -4.0116 3.7991
CF3 -0.2223 -0.0569 4.5007 2.2503 0.2221 -3.8009 3.2098
CHO -0.2212 -0.0735 4.0202 2.0101 0.2487 -4.0109 4.0017
COOH -0.2188 -0.0645 4.1990 2.0995 0.2381 -3.8562 3.5415
NO2 -0.2301 -0.0918 3.7628 1.8814 0.2657 -4.3816 5.1021
این مقادیر نشان می دهند مقادیر انرژی HOMOو LUMO در استخلاف های مولکولی کاهش می یابد، به جز OH,NH2،Me = x. همچنین این مقادیر درایزومر پایدارتر کاهش می یابد. شکل 3-5رابطه خطی بین انرژی اوربیتال مرزی و مقادیر ثابت هامت را ارائه می دهد.

شکل (3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی.جدول 3-3 شکاف HOMO-LUMO تمامی ساختارها را نمایش می دهد. این مقادیر جایگزینی از علل کاهش شکاف انرژی را از سوی دیگر محاسبات شکاف مقادیری را نشان می دهد، که این مقادیر افزایش پیدا می کند در ایزومر پایدارتر، همانطور که انتظار می رود از اصول انرژی حداقل و حداکثر سختی در اکثر موارد انتظاری می رود (به جز OH، NH2 = x و جدول 3-3) ارتباط خوبی در میان مقادیر سختی نسبی با مقادیر ثابت وجود دارد. (شکل3-6)

شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 )به منظور ارزیابی پتانسیل شیمیایی ()از این کمپلکس ها، این مقایر را می توان از انرژی های اوربیتال HOMOو LUMO با استفاده از بیان تقریبی زیر محاسبه کرد(23)و(24):
=(HOMO + LUMO)/2
این مقادیر نشان می دهد که ایزومر پایدارتر دارای پتانسیل شیمیایی کمتری است.
برای محاسبه الکترو فیلیسیتی از این کمپلکس ها، شاخص، با استفاده از عبارت زیر محاسبه می شود:
ω=μ22ηمقادیر شاخص الکترو فیلیسیتی در جدول 3-3 نشان می دهد ایزومر پایدارتر بزرگترین الکترو فیلیسیتی را دارد.
3-5تجزیه و تحلیل ساختاریشکل هندسی بهینه سازی شده رنگسازی های دارای بورازین مورد مطالعه در کار با برچسب زدن اتم در شکل3-1 نشان داده شده است. همه مولکول های مورد مطالعه اساساً غیر مسطح هستند. جدول 3-4 نشان می دهد داده های ساختاری انتخاب شده برای ساختارهای بهینه شده با گروه های مختلف x.
این مقادیر نشان می دهد که باندهای C1C2، C3C4، C5C6 بلندتر هستند در حالی که باندهای B1N2 و B3N3 کوتاه ترند. این تغییرات در طول باند نشان می دهد سهم بیشتر ساختار رزونانسی یونی ناآروماتیک را نشان می دهد.
جدول (3-4)حداکثر طول موج جذب شده(max)،قدرت نوسانگر رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
X B1 N1 N1B2 B2N2 N2B3 B3N3 N3B1 B1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.439 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.392 1.396 1.388 1.406
F 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.385 1.389 1.387 1.406
Cl 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.389 1.393 1.387 1.405
Br 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.390 1.394 1.388 1.405
OH 1.440 1.427 1.430 1.430 1.426 1.440 1.557 1.346 1.466 1.402 1.390 1.395 1.400 1.384 1.408
NH2 1441 1.426 1.430 1.431 1.425 1.441 1.555 1.348 1.463 1.405 1.387 1.403 1.407 1.383 1.407
ME 1.439 1.427 1.429 1.430 1.426 1.439 1.558 1.346 1.468 1.402 1.392 1.396 1.403 1.386 1.406
CN 1.436 1.429 1.429 1.430 1.428 1.436 1.563 1.345 1.469 1.405 1.387 1.401 1.405 1.384 1.406
CF3 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.344 1.470 1.403 1.390 1.393 1.398 1.385 1.406
CHO 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.468 1.405 1.389 1.397 1.403 1.382 1.410
COOH 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.469 1.405 1.388 1.398 1.401 1.384 1.407
NO2 1.436 1.480 1.429 1.430 1.429 1.436 1.564 1.345 1.469 1.406 1.388 1.390 1.393 1.388 1.407
N-isomer
X N1 B1 B1N2 N2B2 B2N3 N3B3 B3N1 N1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.393 1.395 1.389 1.406
F 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.385 1.388 1.389 1.406
Cl 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.390 1.389 1.392 1.388 1.406
Br 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.391 1.390 1.392 1.389 1.406
OH 1.444 1.425 1.428 1.428 1.426 1.446 1.420 1.340 1.467 1.403 1.391 1.394 1.398 1.386 1.408
NH2 1.443 1.425 1.428 1.428 1.427 1.445 1.421 1.340 1.466 1.404 1.388 1.402 1.404 1.386 1.406
ME 1.444 1.425 1.428 1.429 1.425 1.446 1.418 1.340 1.467 1.402 1.392 1.396 1.402 1.387 1.407
CN 1.448 1.422 1.428 1.430 1.422 1.450 1.411 1.343 1.463 1.407 1.386 1.402 1.405 1.384 1.409
CF3 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.465 1.405 1.389 1.393 1.397 1.386 1.408
CHO 1.448 1.422 1.428 1.430 1.423 1.450 1.412 1.343 1.462 1.407 1.388 1.397 1.404 1.381 1.413
COOH 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.464 1.407 1.387 1.398 1.401 1.383 1.409
NO2 1.449 1.422 1.428 1.430 1.422 1.451 1.410 1.343 1.462 1.409 1.386 1.391 1.394 1.384 1.410
3-6طیف های الکترونیشدیدترین انتقال الکترونی (max) از مولکولها را یافتیم. طول موج، مقاومت نوسانگر، ترکیب انتقالات توسط محاسبات TD-DFT به دست آمده در جدول 3-5داده شده است. این محاسبات نشان دهنده کاهش max در ایزومر B هست.
جدول (3-5)مقادیر اجزا و tot(10-30 esu) رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xN-isomer B-isomer
Character max f max F
H HOMOLUMO 286.95 0.6877 277.81 0.8117
F HOMOLUMO 288.60 0.5803 279.87 0.7579
Cl HOMOLUMO 294.37 0.7667 286.60 0.8986
Br HOMOLUMO 296.29 0.8082 290.02 0.9224
OH HOMOLUMO 296.39 0.5979 290.45 0.8057
NH2 HOMOLUMO 308.24 0.6218 306.66 0.8390
ME HOMOLUMO 290.82 0.7622 283.37 0.9175
CN HOMOLUMO 309.30 0.9708 295.71 0.9774
CF3 HOMOLUMO 294.60 0.8166 281.36 0.8660
CHO HOMOLUMO 323.59 0.9312 306.52 0.9179
COOH HOMOLUMO 313.42 0.9459 298.05 0.9504
NO2 HOMOLUMO 352.16 0.6839 326.03 0.6617
یک ارتباط خوب بین pوmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) وجود دارد برای تمامی استخلاف ها، به جز Br و CN و Cl = x (شکل 3-7) شدیدترین انتقال الکترونی برای همه مولکول ها به انتقالات HOMO-LUMO نسبت داده می شود.

شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br).3-7فوق قطبش پذیریاولین مقادیر فوق قطبش پذیری استاتیک(tot) برای همه مولکول ها در جدول 3-6 نشان داده شده است.
جدول (3-6) اجزاء و مقادیر tot(10-30 esu) برای رنگسازهای دارای بورازین با گروهای مختلف X-B-isomer
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 27.92 26.61 21.49 20.99 29.33 57.02 15.42 4.93 68.14 3.67 10.33 48.85
βXXY -9.91 -13.85 -11.08 -10.08 -33.26 -24.01 -6.88 -1.79 -25.08 -4.08 -7.31 -21.73
βXYY 4.12 1.54 -0.66 0.10 10.95 7.76 -1.39 3.56 14.93 3.49 1.20 4.83
βYYY 4.43 7.11 10.78 9.09 16.90 10.21 7.00 0.90 -5.81 3.09 3.94 3.26
βXXZ -42.46 -46.68 -19.80 -7.01 -63.98 -78.85 -6.25 20.84 -24.35 22.80 0.61 -65.60
βXYZ 22.02 30.45 21.38 13.69 22.40 35.23 14.20 0.84 23.86 -1.27 14.17 39.39
βYYZ 17.17 21.99 33.30 37.40 -13.14 32.28 43.58 47.38 30.67 47.21 41.22 24.84
βXZZ -73.27 -125.84 -127.38 -144.89 -119.27 -341.15 49.14 127.63 158.15 247.97 -0.65 -214.01
βYZZ 44.32 74.29 86.67 94.46 76.66 298.37 -25.12 -83.97 -92.64 -156.04 -0.49 96.98
βZZZ 702.19 1222.74 1411.03 1642.97 1291.75 3344.65 -265.34 -959.81 -1360.79 -2515.21 192.77 2159.49
βtot 5.87E-30 1.04E-29 1.24E-29 1.45E-29 1.05E-29 2.87E-29 2.06E-30 7.83E-30 1.19E-29 2.13E-29 2.03E-30 1.84E-29
βtot10-30 5.87 10.4 12.36 14.52 10.53 28.7 2.06 7.83 11.93 21.28 2.03 18.37
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 247.31 -62.44 -70.46 -71.57 -72.78 -52.44 -78.01 -84.23 -28.74 -83.25 -73.97 -54.15
βXXY 56.14 1.42 8.41 10.24 -10.93 0.55 19.91 25.08 1.05 23.13 18.90 -7.18
βXYY -118.15 6.78 -0.60 -1.83 14.06 10.16 -6.89 -4.92 5.59 -2.67 -7.83 9.90
βYYY 10.69 1.80 9.41 11.30 14.80 10.00 4.63 1.12 -4.83 2.69 5.99 1.17
βXXZ -16.83 130.47 168.08 183.09 121.68 124.45 205.88 231.36 196.48 2.22 191.36 124.20
βXYZ 55.60 32.42 15.30 6.60 15.46 46.48 -19.69 -35.69 -19.04 -47.56 -14.32 48.57
βYYZ -4.49 -3.04 16.05 20.13 -32.96 -17.82 33.65 33.20 21.67 41.72 31.66 -9.35
βXZZ -24.05 -10.19 13.26 10.97 -1.53 -104.13 152.54 207.31 219.93 324.39 81.17 -56.11
βYZZ 1.08 10.43 -1.62 -0.20 1.07 172.54 -117.38 -169.26 -174.82 -266.02 -73.68 27.66
βZZZ 7.03 234.41 79.71 157.52 59.52 1848.99 -2007.88 -2856.46 -3397.78 -5040.28 -1030.40 979.37
βtot 1.09E-30 3.18E-30 2.34E-30 3.17E-30 1.38E-30 1.70E-29 1.53E-29 2.25E-29 2.76E-29 4.33E-29 6.99E-30 9.50E-30
βtot10-30 1.09 3.18 2.34 3.17 1.38 17.02 15.31 22.45 27.57 43.27 6.99 9.5
N-isomer
نتایج نشان می دهد که بزرگی اولین تنسور فوق قطبش پذیری همه مولکول ها نسبتاً متوسط است و NO2 و NH2 بیشترین مقدار ایزومر N و B را به ترتیب دارند. همچنین این مقادیر نشان می دهد اولین مقدار فوق قطبش پذیری ایزومر بیشتر از ایزومر B با خروج استخلافات هستند. از سوی دیگر این مقادیر ایزومر N کمتر از ایزومر β با استخلافات دهنده هستند.
یک ارتباط خوب بین tot و max در ایزومر N برای همه استخلافات نشان داده شده است (شکل 3-8). اما ارتباط مشابهی در ایزومر B برای استخلاف های دهنده و خارج کردن استخلاف ها وجود دارد.

شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max.
نتیجه کلی:مطالعه خواص الکتریکی، ساختاری، اسپکتروسکوپی و همچنین به عنوان اولین فوق قطبش پذیری استاتیک رنگسازها دارای بورازین نشان داد پایداری ایزومر B از گونه N بیشتر است. کاهش مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد و افزایش مقادیر شکاف HOMO-LUMO در کمپلکس های پایدار ناسازگار با اصول انرژی حداقل و قطبش حداقل در اکثر موارد بود (به جز OH،NH2 = x).
محاسبات نشان داد که شدیدترین جهش الکترونی با توجه به انتقال HOMOLUMO در همه مولکول هاست.
مطالعات تئوری نشان داد استخلاف های گیرنده (پذیرنده) باعث افزایش مقادیر اولین فوق قطبش پذیری در ایزومر N نسبت به ایزومر B می باشد، این مقادیر در ایزومر N کمتر از ایزومر B با استخلاف دهنده است.

کارهای آیندهبر اساس مطالعه انجام شده و نتیجه های به دست آمده می توان کارهای زیر را در ادامه این مطالعه پیشنهاد نمود:
بررسی اثر نوع مجموعه پایه،روش محاسباتی بر روی ساختارهای مورد نظر.
بررسی اثر حلال بر روی خواص و ساختار گونه های بررسی شده.
بررسی ساختارو خواص دیگر رنگسازهای دارای حلقه آروماتیک معدنی.
بررسی اثر طول زنجیر کربن-کربنی بر روی ساختار و خواص رنگساز.

مراجع ADDIN EN.REFLIST (1) C. D.Dimitrakopolous,; P.Malenfant, Adv. Mater.14(2002)pp 99-114.
(2) D. R.Kanis,; M. A.Ratner,; T. J.Marks, Journal of Organometallic Chemistry 614–615 (2000) pp 309–313(3) P. J.Mendes,; T. J. L.Silva,; A. J. P.Carvalho,; J. P. P.Ramalho, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010)pp 33–42.(4) D.Avcı,; A.Basoglu,; YAtalay, Struct Chem (2010)pp227-234.(5) M.Medved,; S.Budzák,; I. Cernušák, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM ,961 (2010),pp194-201.
(6) W.Bartkowiak,; K.Strasburger, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 960 (2010) pp 93–97 .
(7) Souza, L. A. D.; Jr., A. M. D. S.; Junqueira, G. M. A.; Carvalho, A. C. M.; Santos, H. F. D. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010), 92-101.(8) A.Karton,; M. A.Iron,; M. E. v. d.Boom,; J. M. LMartin,. J. Phys. Chem. A (2005)pp109-113.
(9) P. C.Ray, Chemical Physics Letters (2004)pp, 354-359.(10) A.Hameed,; A.Rybarczyk-Pirek,; J.Zakrzewski, Journal of Organometallic Chemistry (2002)pp 315-317.
(11) M. J.Frisch,; G. W.Trucks,; H. B.Schlegel,; G. E.Scuseria,; M. A.Robb,; J. R.Cheeseman, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, (2003).(12) J. S.Dewar, M.; C. H.Reynolds, J. Comp. Chem.(1986),pp141-146.(13) K.Raghavachari,; J. A.Pople,; E. S.Replogle,; M.Head-Gordon, J. Phys. Chem. A (1990)pp 94-101.(14) A. D.McLean,; G. S.Chandler, J. Chem. Phys. (1980)pp 72-77.(15) R.Krishnan,; J. S.Binkley, R.Seeger, J. A.Pople, J. Chem. Phys. (1980)pp645- 650.(16) A. D.Becke, J. Chem. Phys (1993)pp 98-104.(17) D. A.Keleiman, Phy. Rev. (1962) pp 126-129.
(18) E.Runge, E. K. UGross,. Phys. Rev. Lett. (1984)pp 52-59.(19) J.March, Advanced Organic Chemistry; 3rd ed ed.; John Wiley & Sons: New York 1985.(20) C. R.Zhang,; H. S.Chen,; G. H.Wang, Chem. Res. Chinese (2004)pp 20-28.(21) Cheng, H.; Feng, J.; Ren, A.; Liu, J. Acta Chim. Sin. 2002, 60, 830.(22) Roy, D. R.; Chattaraj, P. K. r. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1612.(23) Pearson, R. G. Chemical Hardness; Wiley-VCH: Oxford, 1997.(24) Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, 1989.(25) M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, Inorg. Chem. 1999, 38, 652; (b) M. Unverzagt, H.J. Winkler, M.Brock, M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, W. Massa, A. Berndt, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1997, 36, 853.(26)P . von R. Schleyer, C. Maerker, A. Dransfeld, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6317.
(27)K.Michatl .Cyrañski, M.Tadeusz. Krygowski, M. Wisiorowski, Nicolaas J. R. van Eikema Hommes, Paul von Ragué Schleyer, Angewandte Chemie internl. Ed., (1998) pp 37-41.
(28) P. Von, R. Schleyer, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, V. G.Malkin, O. L. Malkina, J. Am. Chem. Soc. (1997)pp 119-224.
(29)C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(30) C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(31) C R. Miao, G. Yang, C. Zhao, J. Hong, L. Zhu, J. Mol. Struct.:(THEOCHEM), (2005)pp 715-722.
(32)V. G.Malkin,; O. L.Malkina, L. A.Eriksson,; D. R. Salahub, J .Am. Chem. Soc. (1994)pp 116-124.
(33) (a)W. H. Flygare, Chem. Rev. 1974, 74, 653. (b)D. H. Hutter, W. H. Flygare, Top. Curr. Chem. (1976)pp 63-69.
(34) T. A. R. FKeith,. W. Bader, Chem. Phys. Lett. (1993)pp 210-223.
(35) H. J. Dauben, Jr., J. D.Wilson, J. L. Laity, J. Am. Chem. Soc. (1968)pp 90-95.
(36) The delocalization index is a measure of the number of electrons that are shared or exchanged between two atoms or basins. Integration of the Fermi hole density leads to the localization index (LI) and delocalization index. For more information see F--era, X.; Austen, M. A.; Bader, R. F. W.; J. Phys. Chem. A 1999, 103, 304; Merino, G.; Vela, A.; Heine, T.; Chem. Rev. (2005)pp 105-114.
(37) (a)R. W. F. Bader. Atoms in molecules: A quantum Theory; Claredon: Oxford, 1990.(b) R. W. F. Bader. Acc. Chem. Res. 1985,18, 9.(c) R. W. F. Bader. Chem. Rev. (1991)pp 91-98.
(38)J.Poater,; Solà, M., Duran, M.; F--era, X.; J. Chem.Phys.A (2001)pp 105-111.
(39) J.Poater,; X.F--era,; M.Duran,; M.Solà,; Chem. Eur. J. (2003)pp 422-426.
(40)density, degeneracy and delocalization-bases index of aromaticity
Caio L. Firme, Sergio E. Galembeck, O. A. C. Antunesa and Pierre M. Esteves J. Braz. Chem. Soc., (2007)pp 18-24.
(41)(a) P.v.R. Schleyer. Chem. Rev 2001,101,1115.(b)T.M. Krygowski, B. T. Stepiern, Chem. Rev., (2005) pp105-109.
(42)Stock A., Pohland E (1926). "Boric acid solution, VIII Regarding knowledge of B2H6 and B5H11".HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Berichte"Berichte (59): 2210–2215.
(43)Polymeric precursors to boron based ceramics Larry G. Sneddon, Mario G. L. Mirabelli, Anne T. Lynch, Paul J. Fazen, Kai Su, and Jeffrey S. Beckdon, Pure & Appl. Chem., 63, (1991)pp 407-413.
(44)Jong-Kyu Jeon, Yuko Uchimaru, and Dong-Pyo Kim Inorg. Chem., 43 ,(2004)pp 479-488.
(45)M. L. H.Green,; S. R.Marder,; M. E.Thompson,; J. A.Bandy,;Bloor, D.; P. V.Kolinsky,; R. J. Jones, Nature (London) (1987)pp 360-362.
(46)A. Karton, A.Mark Iron, E.Milko. van der Boom,* and Jan M. L. M J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5454-5462, and references in it
(47) R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed.; Academic Press: SanDiego, CA, 2003.(53) Dalton, L. R. J. Phys.: Condens. Matter 2003, 15, R897-R934.(54) van der Boom, M. E. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 3363-3366.(55) van der Boom, M. E.; Marks, T. J. Layer-by-Layer Assembly of
Molecular Materials for Electrooptical Applications. In Polymers forMicroelectronics and Nanoelectronics; Lin, Q., Ed.; ACS Symposium Series
874; American Chemical Society: Washington, DC, 2004; pp 30-43.
(48)risch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A.; Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, Revision B.03; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA,: 2003.
(49)R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople, J. Chem. Phys 54 (1971) pp 724-733.
(50)P. C. Hariharan, J. A. Pople, Mol. Phys 27 (1974) 209-212.
(51)M. S. Gordon, Chem. Phys. Lett. 76 (1980) pp 163-175.
(52) C. C. J. Roothan, "New Developments in Molecular Orbital Theory," Rev. Mod.Phys. 23, (1951).pp69-77.(53) J. A. Pople and R. K. Nesbet, "Self-Consistent Orbitals for Radicals," J. Chem. Phys. 22, (1954) pp571-584.
(54) R. McWeeny and G. Dierksen, J. Chem. Phys., (1968)pp49-56.

نمونههایی از فایلهای ورودی فایل ورودی برای بهینه کردن ساختار و محاسبه فرکانسهای ارتعاشی و فوق قطبش پذیری
%chk=o1-OH.chk
%mem=6MW
%nproc=1
# rb3lyp/6-311g(d,p) opt freq
Title Card Required
0 1
B
N 1 B1
B 2 B2 1 A1
N 3 B3 2 A2 1 D1 0
B 4 B4 3 A3 2 D2 0
N 1 B5 2 A4 3 D3 0
H 1 B6 2 A5 3 D4 0
H 2 B7 1 A6 6 D5 0
H 3 B8 2 A7 1 D6 0
H 4 B9 3 A8 2 D7 0
H 5 B10 4 A9 3 D8 0
C 6 B11 1 A10 2 D9 0
H 12 B12 6 A11 1 D10 0
C 12 B13 6 A12 1 D11 0
H 14 B14 12 A13 6 D12 0
C 14 B15 12 A14 6 D13 0
C 16 B16 14 A15 12 D14 0
C 16 B17 14 A16 12 D15 0
C 17 B18 16 A17 14 D16 0
H 17 B19 16 A18 14 D17 0
C 18 B20 16 A19 14 D18 0