Квантово-химическое моделирование включения молекул воды и металлокомплексов в нанокавитанды семейства кукурбитурилов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ГРИШАЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ И МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСОВ В НАНОКАВИТАНДЫ СЕМЕЙСТВА

КУКУРБИТУРИЛОВ

02.00.01 - неорганическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 8 АПР ¿¿13

Казань - 2013

005057624

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреж дении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследова тельский технологический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук, профессор Кузнецов Андрей Михайлович

Катаева Ольга Николаевна

доктор химических наук, ФГБУН Институт органической и физической химии им. А.Е Арбузова КазНЦ РАН, лаборатория дифракционных методов исследований, зав. лабораторией

Сентемов Валентин Васильевич

кандидат химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия", кафедра химии, профессор

ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань

Защита диссертации состоится «12» марта 2013 г. в И часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.03 на базе Казанского национального исследовательского технологического университета (420015, Казань, ул. К.Маркса, 68, КНИТУ, зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан « февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Я. Третьякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы повышенный интерес исследователей привлекают соединения включения типа «гость-хозяин» на основе комплексов переходных металлов и макроциклических гомолог^Ь семейства кукурбит[п]урилов, что связано с их уникальными свойствами. В таких соединениях вокруг иона металла создается особенное микроокружение, сходное с окружением в металлоферменгах, что перспективно для создания высокоселективных катализаторов. Также многообещающим для катализа является процесс получения металлической фазы в полости или на порталах кукур-бит[п]урилов путем восстановления водородом метаплокомплексов, расположенных в полостях макроциклов. В свою очередь особый интерес представляет образование цепочечных полимеров ю кукурбит[п]у рилов с металлической фазой в полости с целью создания нанопроводников.

В медицине включение в полость кукурбиг[п]урилов метаплокомплексов, обладающих биологической активностью, используется для создания противораковых препаратов нового поколения. Среди преимуществ использования кукурбит[п]урилов в качестве молекулы-контейнера отмечают его способность снижать токсичность включенного металлокомплекса, а также предохранять его от разложения, что обеспечивает пролонгированные свойства препарата. Интенсивные исследования проводятся по юуче-нию транспортной функции активного компонента молекулой кукурбит[п]урила с целью адресной доставки лекарственных препаратов к пораженным клеткам организма.

Как известно, синтез новых соединений всегда сопряжен с рядом сложностей. Разработка методики синтеза, установление структуры и изучение свойств получаемого соединения являются трудоемкими и ресурсоемкими процессами. В связи с этим исследователи-экспериментаторы возлагают большие надежды на методы квантовой химии, которые хорошо зарекомендовали себя в качестве мощного инструмента для прогнозирования возможной структуры и свойств новых соединений. Именно эти аспекты определяют актуальность данной работы.

Целью диссепггационнон работы является получение структурных и термодинамических параметров соединений включения на основе комплексов переходных металлов и макроциклического кукурбит[8]урила на основе квангово-химического моделирования. Для достижения поставленной пели необходимо решение конкретных задач:

- объяснить экспериментально наблюдаемое преимущественное формирование кукурбит[6]урила в ходе синтеза гомологов кукурбиг[п]урилов из анализа структурных параметров кукурбиг[п]урилов, а также детального рассмотрения механизма образования кукурбит[6]урила;

- выявить специфику структурирования молекул воды и установить их оптимальное количество в полостях кукурбиг[п]урилов (п=5-8);

- получить структурные данные о соедшкниях типа «гость-хозяин» на основе комплексов меди(П), никеля(П) и макроцикла кукурбит[8]урила ({[Си(еп)г (Н20)г V ■ • .4НгО}@СВ [8], {[Си(сус1еп)(Н20)Г...5Н20}@СВ[8], {[№(сус1еп)(Н20)С11'...5Н20}@СВ[8]) и рассчитать термодинамические параметры их образования с учетом конкурентного вытеснения молекул воды из полости макроцикла.

Научная новизна работы. Предложен и обоснован механизм образования кукур-бит[6]урила из исходных веществ (формальдегида и гликольурила) через стадии роста промежуточных соединений - олигомеров с их последующим взаимодействием между собой. Установлены причины преимущественного формирования кукурбит[6]урила на основе структурных особенностей промежуточных частиц (олигомеров), образующихся в реакционной смеси.

Изучено структурирование воды во внутренних полостях гомологов кукур-бит[п]урилов (п=5-8), выявлены наиболее вероятное и максимально возможное число молекул воды в полости каждого макроцикла. Показано, что молекулы воды в полостях кукурбиг[п]урилов стремятся к образованию структур, которые соответствуют наиболее стабильным формам водно-молекулярных кластеров в газовой фазе.

Получены структуры соединений типа «гость-хозяин» на основе комплексов ме-ди(11), никеля(П) и макроцикла кукурбит[8]урила ({[Си(еп)2(Н20)г]!+...4Н20}@СВ[8], {[Cu(cyclen)(H2OXf+...5Н20}@СВ[8], {[№(cyclen)(H20)Cl]\..5H20}@CB[8]). Показана роль молекул воды в закреплении металлокомплексов в полости макроциклов. Проведен анализ термодинамических параметров их образования с учетом конкурентного вытеснения молекул воды из полости макроцикла.

Практическая значимость работы. Описанный в работе алгоритм изучения структурирования молекул воды в полостях СВ[п] может быть распространен для исследования других подобных систем, используемых для конструирования соединений включения, при образовании которых важно учитывать конкурентный процесс частичного или полного замещения молекул растворителя «гостевой» частицей. Полученные результаты и принципы исследования включения комплексов меди(П) и никеля(Н) в макроцикл СВ[8] могут найти практическое применение для дизайна подобных супра-молекулярных систем включения. Хорошее согласие данных теоретических исследований с экспериментальными позволяет сделать вывод о возможности использования методов квантовой химии для изучения процессов восстановления металлокомплексов в полости СВ[8] с целью получения металлической фазы.

На защиту выносятся:

1. обоснование преимущественного образования кукурбиг[6]урила по сравнению с другими гомологами кукурбиг[п]урилов;

2. результаты моделирования включения молекул воды в кукурбит[п]урилы (п^5-8) и их структурирования с образованием водно-молекулярных кластеров;

3. результаты изучения включения металлокомплексов в кукурбит[8]урил и расчетов структур образующихся комплексов включения состава {[Си(еп^(Н20),Г---4Н20}@СВ[81 {[Си(сускпХН20)Г---5НгО}@СВ[8] и {[№(сус!еп)(Ц, 0)С1]\. ,5Hj 0}@СВ [8].

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IX, X, XII, XII Международных конференциях им. В. А. Фока по квантовой и вычислительной химии (Великий Новгород, 2005, Казань, 2006, 2009 и Астана, Казахстан, 2011), V, VI, VIII Республиканской школе студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (Казань, 2005, 2006, 2008), XVI Менделеевской конференции молодых ученых (Уфа, 2006), IV, V Международных симпозиумах «Дизайн и синтез супрамолеку-лярных архитектур» (Казань, 2006, 2009), III, IV, V, VI Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2006, 2008, 2010, 2012), Научных сессиях КГТУ (КНИТУ), (Казань, 2008, 2009, 2011, 2012), Международной конференции по химии «Основные тенденции развития химии в начале XXI века» (Санкт-Петербург, 2009), XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (Казань, 2009), 7-ом семинаре СО РАН-УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск, 2010), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (Казань, 2010), Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012).

По материалам диссертационной работы опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертаций, и 21 тезис докладов на конференциях различного уровня.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 08-03-00861 -а, 11-03-00219-а). Работа также поощрена специалыюй государственной стипендией Республики Татарстан указом Президента Республики Татарстан от 18.01.2012 № УП-25.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 141 стр., содержит 24 таблицы, 27 рисунков, состоит из введения, пятиглав, выводов. Список цитируемой литературы состоит го 198 наименований. Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором изложено краткое описание истории открытия, синтез, основные свойства и области применения гомологов семейства СВ[п] и их производных. Приведен обзор работ, посвященных изучению химии СВ[п] с помощью методов квантовой химии, обсуждается актуальность работы. Во второй главе рассматриваются основные аспекты методов квантовой химии, описана методика проведения расчетов в диссертационной работе. В третьей главе изучены структурные особенности кукурбиг[п]урилов. Предложен механизм образования кукурбит[6]урила го исходных веществ через стадии роста промежуточных соединений - олигомеров с их последующим взаимодействием между собой. Четвертая глава посвящена исследованию структурирования молекул воды в полостях СВ[5]-СВ[8]. В пятой главе приводятся результаты по изучению соединений включения на основе комплексов меди(Н), никеля(Н) и кукурбиг[8]урила.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, анализе и обобщении литературных данных, проведении расчетов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов, написании и оформлении статей.

Автор выражает глубокую приз нательность научному руководителю д.х.а, проф. А. М. Кузнецову и к.х.н., доц. А. Н. Маслию за руководство работой, неоценимую помощь и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы, д.х.н., с.н.с. В. В. Баковцу за участие в постановке задач и обсуждении результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Главная часть диссертационной работы, а именно, расчеты структур и оценка термодинамических параметров реакций, проводились с помощью высокоэффективного квангово-химического программного пакета ПРИРОДА версии 5.04 и 6.02. Исследования проводились на уровне теории функционала плотности с использованием обменно-корреляционного функционала РВЕ Для всех атомов использовались электронно-коррелированный DZ (дубль-зета) и TZ (трипл-зета) атомные базисные наборы. Для всех структур проводилась полная оптимизация молекулярной геометрии. После оптимизации геометрии дополнительно проводился расчет частот нормальных колебаний молекул. Отсутствие мнимых значений частот в колебательном спектре свидетельствовало о соответствии оптимизированных структур минимумам на поверхностях потенциальной энергии, а не переходным состояниям. Из процедуры термохимического анализа исследуемых структур были получены стандартные значения полной энтропии, энтальпии и свободной энергии Гиббса реагентов и продуктов.

Учет влияния растворителя проводился с помощью программного пакета GAUSSIAN 09. Применялась модель поляризуемого континуума PCM (Polarizable Continuum Model) в рамках метода самосогласованного реакционного поля (SCRF) со статической диэлектрической проницаемостью е=78,4 (водный раствор). Расчеты про-

водились на уровне теории функционала плотности в версии B3LYP с использованием баз исного набора атомных орбигалей 6-31 G(d,p)-

1. Изучение причин преимущественного образования СВ[6]

Долгое время серьезной помехой активному развитию синтеза новых соединений включения типа «гость- хозяин» на основе представителей семейства кукурбит[п]урилов являлось преимущественное образование СВ[6] в процессе синтеза смеси гомологов

СВ[п]. Известные исследования по поиску причин преимущественного образования СВ[6] не достигли удовлетворительных результатов. Актуальной задачей является объяснение преимущественного формирования СВ[6] на основе квангово-химического исследования его структурных и термодинамических особенностей, а также механизма образования СВ[6] из исходных веществ.

На рисунке 1 приведена структура молекулы гли-кольурила, являющейся основой формирования макроциклов СВ[п]. Поскольку молекула гликольурила имеет две плоскости симметрии, то можно ограничиться нумерацией только нескольких базисных атомов. На рисунке 1 символом X обозначен атом водорода в изолированной молекуле гликольурила, положение которого в макроцикле кукурбитурилов занимает атом углерода группы СН2, связывающей соседние фрагменты. Целесообразно ввести несколько дополнительных геометрических параметров: R(OmK) - максимальное расстояние между атомами кислорода в портале; ZN1-X-N1* -угол между связями атомов азота соседних звеньев кукур-битурила с атомом углерода мостиковой группы СН2; ZOO - угол между двумя атомами кислорода в гликольуриле с вершиной на середине связи С1-СЗ; ZG2 - угол между связями С1-СЗ двух соседних гликольурилов.

В циклических кукурбит[п]урилах симметрия гликольурильного фрагмента не нарушается и, следовательно, по изменению их геометрических характеристик можно анализировать изменение структурной напряженности всего молекулярного каркаса. Оптимизированные значения параметров геометрической структуры кукурбиг[п]урилов приведены в таблице 1 (длины связей —в ангстремах, углы - в градусах).

Таблица 1 Оптимизированные геометрические параметры гликольурила (п=1) и СВ[п] (п-4-8)_

Параметр n Параметр n

1 4 5 6 7 8 1 4 5 6 7 8

RP2-0) 1,21 1,21 1,21 1,21 1,21 1,21 ZNl-Cl-H 111,2 110 110,1 110 110,1 110,1

R(N1C2) 1,4 1,41 1,4 1,4 1,4 1,4 ZN1-C1-C3 103 103,4 103,2 103,3 103,4 103,5

R(C1-N1) 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 ZN1-X-N1* - 114,8 115,3 115,4 115,3 115,2

R(N1-X) 1,02 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 ZOO 136,2 135,3 132 132,1 132,8 133,4

RP1-H) 1,11 1,11 1,11 1,11 1,11 1,11 ZG2 - 90 108 120 128,2 135

RP1C2) 1,59 1,58 1,58 1,58 1,58 1,57 ¿OC2-N1-C1 166,7 173,5 173,8 170,6 169,9 169,1

R£U) - 4,4 5,45 7,29 8,66 10,44 ZX^l-C2-0 18,6 -28,5 -13,5 3,5 4,6 8,6

ZO-C2-N1 126,8 126,1 126,5 126,6 126,6 126,6 ¿C2-N1-C1C3 8,1 -5,8 -3 6,22 4,32 5,74

ZX-N1-C2 116,6 118,4 120,7 121 121,1 120,6 ZX-N1-C1-C3 154,4 -162,1 -175,3 171,7 169 165,6

ZC1-N1-C2 112,9 112,2 113,2 113,1 113 112,8 ZH-CR\I1-C2 -111,9 -125,2 -123,1 -114,1 -116,1 -114,7

ZN1-C1-N2 116,1 118,7 117,8 117,3 117,1 117 ZC2-N1-C1-N2 119,7 107,1 109,8 119 117,2 118,7

Рис. 1 Структура молекулы гликольурила

Из данных табл. I следует, что длины связей и валентные углы во всех системах изменяются довольно незначительно. Таким образом, анализ изменения структурных параметров кукурбит[п]урилов в зависимости от числа звеньев в макроцикле не позволяет сделать однозначного заключения в пользу преимущественного формирования СВ[6].

Расчет термодинамических параметров формирования кукурбит[п]урилов, а именно, энтальпии ДН°, энтропии Д^ и свободной энергии Гиббса ДО" проводился согласно реакции (1) (формирование СВ[п] в результате прямого взаимодействия между гликоль-урилом и формальдегидом) и реакции (2) (взаимодействия гликольурила с метиленгли-колем СН2(ОН)г - продуктом гидролиза формальдегида в водных растворах):

п-йи + 2пСН20 =СВ[п] + 2п-Н20, (1) п-Ои + 2пСН2(ОЩ =СВ[п]+ 4пН20 (2) где Си - гликольурил, СВ[п] - кукурбит[п]урил, а п - число гликольурильных фрагментов в цикле, изменяющееся от четырех до восьми.

Полученные значения термодинамических параметров реакций (1)-(2) для температур 298 и 398 К, рассчитанные на 1 моль исходного гликольурила, приведены в таблице 2.

Таблица 2 Термодинамические параметры процесса образования СВ[п]

Параметр Реакция (1) Реакция (2)

п п

4 5 6 7 8 4 5 6 7 8

&Н°?98, ккалЛ« оль -26,26 -31,52 -33,50 -34,29 -34,52 -1,03 -6,28 -8,27 -9,04 -9,27

ДЗ'зчв, кал/(моль-К) -54,81 -55,46 -54,2 -56,99 -57,90 20,49 19,84 21,10 18,31 17,36

&3°298, ккал/м оль -9,95 -14,99 -17,35 -17,31 -17,26 -7,14 -12,2 -14,56 -14,50 -14,46

ДН°398, ккал/м оль -26,13 -31,36 -33,33 -34,11 -34,34 -0,55 -5,78 -7,75 -8,53 -8,75

4 5?з98 , кал/(м оль-К) -54,35 -54,95 -53,65 -56,44 -57,35 21,92 21,32 22,62 19,83 18,92

, ккал/м оль -4,49 -9,48 -11,97 -11,64 -11,50 -9,28 -14,27 -16,76 -16,42 -16,29

Полученные результаты явно указывают на термодинамическую вероятность формирования при синтезе всех рассмотренных форм СВ[п]. На основании оценки лишь термодинамических параметров не представляется возможным установить причину явного преимущественного формирования СВ[6], поэтому необходимо построить модель,

учитывающую специфику происходящих в растворе процессов, для чего следует изучить более подробно механизм образования этого макроцикла.

Можно допустить, что образование СВ[п] происходит не непосредственно из формальдегида и гликольурила, а через промежуточные частицы - линейные олигомеры (СВ(т), т - число гликольурильных фрагментов в олигомере), которые в последующем замыкаются в цикл.

Каждый гомолог семейства СВ[п] характеризуется определенным углом между соседними гликольурильными группами - а (рис. 2). Было сделано предположение, что

• Н О О ©Ы ОС

Рис. 2 Угол а между гликольурильными фрагментами в СВ[п]

Таблица 3 Значение угла а для

га 2 3 4 5

аф 133,8 134,4 136,9 137,5

(3)

значение а в образующихся олигомерах блюко к соответствующему углу а в СВ[6]. Вследствие этого замыкание олигомеров приводит к преимущественному образованию кукурбит[6]урила в смеси. Для проверки этого предположения был проведен анализ структур олигомеров СВ(т) с т=2-5. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Как видно из табл. 3, значение угла а во всех этих частицах практически не изменяется и соответствует скорее частицам СВ[8] или СВ[9]. Полученные результаты указывают на то, что необходимо искать факторы, заставляющие сближаться концы олигомеров.

Было предположено, что эту роль играют молекулы воды. Выделяясь в результате синтеза, они не уходят в объем реакционной смеси, а остаются связанными с образующимися олигомерами, концентрируясь в их внутренних полостях, и именно эти молекулы воды могут являться фактором, влияющим на преимущественное образование ку-курбиг[6]урила. В этом случае при замыкании макроцикла определенное количество молекул воды выходит на порталы и обеспечивает соединение макромолекул СВ[п] в кристалл за счет водородных связей.

Процесс роста полимерных цепей олигомеров СВ(ш), где т=2-5, на основе молекулы прекурсора можно представить совокупностью следующих реакций (3):

М-Н2 О +М-Н20 = СВ(2)-ЗН2 О СВ(3)-5Н, О + М-Н2 О = СВ (4)-7Н, О

СВ(2)-ЗН20 +М-Н20 = СВ(3)-5Н20 СВ(4)-7Н20 + М-Н20 = СВ(5)-9Н20 где М - обозначение прекурсора (мономера), СВ(2), СВ(3), СВ(4) и СВ(5) - димер, три-мер, тетрамер и пентамер соответственно, т.е. олигомеры СВ(ш), в которых число гли-кольурильных фрагментов (т) равно двум, трем, четырем и пяти.

Для проверки нашего предположения была проведена оптимизация структур образующихся олигомеров с учетом связанных с ними молекул воды, выделяющихся в ходе

т , . „ реакции - СВ(т)-(2т-1)Н20, т=2-5 для

1 аолица 4 Значение угла а для олигомеров , „ _ \.

СВГтШт-ПН,0. т=2-5 СВ(т)' В Таблице 4 приведены ,юл>'чен-

ные средние значения углов а.

Из табл. 4 видно, что значения угла а значительно меньше, чем для структур олигомеров, рассчитанных без учета молекул воды (табл. 3). На рис. 3 показаны структуры СВ(2) и СВ(2)-ЗН20. Для СВ(2)-СВ(4) а близок к соответствующему углу в СВ[6] (12(5°). Значение а резко возрастает для СВ(т), что, может быть объяснено большим количеством молекул воды в полости, препятствующих замыканию олигомера. Мы предположили, что часть молекул воды выходит из внутренней части олигомера и вступает во взаимодействие с кислородными атомами портала, не переставая взаимодействовать с олигомером. Для проверки этого предположения были проведены расчеты следующих вариантов связывания молекул воды для пенгамера: СВ(5)-7Н20-2НгО и СВ (5 )-5Н2 0-4Н2 О, т.е. 7 или 5 молекул воды находится во внутренней полости, а 2 или 4 молекулы воды взаимодействует с порталом олигомера соответственно. Оказалось, что для первой структу-

т 2 3 4 5

119,6 121,2 118,2 128,5

Рис. 3 Оптимизированные структуры СВ(2): (а) - без учета молекул воды, (б) - с учетом молекул воды

ры угол а равен 123,3°, для второй - 120,4°. Для дальнейших расчетов был выбран СВ(5)-5Н20^Щ20, потому что его полная энергия оказалась значительно ниже, чем у СВ(5)-7Н20-2Н20, а з начет термодинамическая вероятность образования СВ(5)-5Н20-4Н2Овыше.

Образование олигомеров СВ(ш) и макроцикла СВ[6] может осуществляться через совокупность следующих реакций:

М-Н20 + М-Н20=СВ(2)-ЗН20 (а) СВ(3)-5Н20+М-Н20 = СВ(4)-7Н20 (в)

СВ(2)-ЗН20 +М-Н20 = СВ(3)-5Н20 (б) СВ(4)-7Н20+М-Н20 = СВ(5)-9Н20 (г) (4) СВ (5)-9Н2 О + М-Н2 О = СВ [6]-12Н2 О (д)

Термодинамические параметры реакций (5.2) приведены в таблице 5.

Данные табл. 5 свидетельствует о термодинамической вероятности формирования в реакционной смеси СВ(2)-СВ(5). Однако процессу образования СВ(5) (4 г) соответствует уже двукратное увеличение энергии Гиббса, а для последующей стадии замыкания полимерной цепочки в СВ[6] (4 д) значение АСУ298 и вовсе положительно. Это указывает на то, что необходимо искать другой путь формирования СВ[6].

Учитывая сделанный ранее вывод о наиболее вероятной форме пенгамера вида СВ(5)-5Н20-Ш2О, были рассчитаны термодинамические параметры для двух вариантов образования СВ(5), а также формирования кукурбиг[6]урила ш СВ(5): СВ(3)-5Н20 + СВ(2)-ЗН2О = СВ(5)-5Н20-4Н20 (а) СВ(4)-7Н20 +М-Н20 = СВ(5)-5Н20-4Н20 (б) (5) СВ(5)-5Н20-4Н20 +М-Н20 = СВ[6]-12Н20 (в) Результаты оценки представлены в таблице 6.

Из таблицы видно, что с термодинамической точки зрения возможно лишь протекание реакций (а) и (в), следовательно, можно сделать вывод, что вероятнее всего образование олигомера СВ(5) происходит в результате взаимодействия димера СВ(2) и тримера СВ(3).

Таким образом, обобщая все полученные в рамках нашей модели результаты, можно сделать вывод о наиболее вероятном механизме формирования кукурбиг[6]урила, реализуемом через следующую последовательность реакций 6:

СИ + 2 СН20 =М-Н20 (а)

М-Н2 О + М-Н20 = СВ(2)-ЗНгО (б)

СВ(2)-ЗН20 +М-Н20 = СВ(3)-5Н20 (в) (6)

СВ(3)-5Н20 +СВ(2)-ЗН20 =СВ(5)-5Н20-4Н20 (г) СВ(5)-5Н2 0-4Н2 О + М-Н2 О = СВ [6]-6Нг 0-6Н2 О (д)

Первоначально в результате взаимодействия гликольурила и формальдегида образуется прекурсор (мономер) (6 а). Далее два мономера, каждый га которых связан с одной молекулой воды, реагируют между собой с образованием СВ(2) и трех химически связанных с ним молекул воды (6 б). СВ(2), в свою очередь, взаимодействует с мономером с образованием СВ(3) и кластера из пяти молекул воды (6 в). Далее СВ(3) взаимодействует с СВ(2) с образованием СВ(5), с которым связано девять молекул воды, причем пять из них находятся в полости, а четыре - выходят ш нее и взаимодействуют с атомами кислорода портала (6 г). И, наконец, полученный таким образом пенгамер

Таблица 5 Термодинамические параметры реакций 4 (а)-(д)

Параметр (а) (б) (в) (г) (д)

ДН°298,кДж -66,41 -102,19 -115,33 -96,22 -20,65

Д5?298,ДЖ/К -206,62 -218,63 -193,56 -228,68 -244,54

Д(У298,КДЖ -4,91 -36,94 -57,68 -28,19 52,39

Таблица 6 Термодинамические параметры реакций 5 (а)-(в)

Параметр (а) (б) (в)

ДН°298,КДЖ -145,1 -0,5 -116,3

Д8>298,ДЖ/К -215,8 -190,3 -282,8

ДО°298,кДж -80,8 56,2 -32,0

взаимодействует с мономером с образованием кукурбит[6]урила (6 д), в котором шесть молекул воды расположены во внутренней полости и еще шесть - на порталах (по три молекулы на верхнем и нижнем портале).

2. Квантово-химическое исследование структурирования молекул воды в полостях

ку ку рб иг [п]у рилов (п=5-8)

Известно, что молекулы воды, образующиеся в процессе синтеза СВ[п], остаются во внутренней полости кавиганда, в том числе и после его кристаллизации, поэтому любой процесс включения гостевых молекул в полость макроциклов необходимо рассматривать как конкурентный процесс частичного или полного замещения молекул воды из СВ[п]. Моделирование возможного структурирования воды и оценка возможного их количества в полостях кукурбиг[п]урилов (п=5-8), безусловно, являются актуальными задачами.

Нами были предложены следующие подходы для исследования структурирования воды в полостях СВ[п]. Первый подход заключается в последовательном включении молекул воды в полость кавигандов с последующим поиском наиболее выгодного расположения формирующихся при этом кластеров воды (НгО),,,. Для старших гомологов такой перебор вариантов весьма трудоемок, поэтому был предложен второй метод, согласно которому первоначально внутренняя полость макроциклов насыщается заведомо избыточным количеством молекул воды и проводится полная оптимизация полученной структуры, в результате чего избыточные молекулы воды «выталкиваются» из внутренней полости. Эти «лишние» молекулы воды удаляются, и далее снова проводится полная оптимизация структуры, но уже с меньшим количеством молекул воды с целью уточнения структурирования молекул, оставшихся внутри полости кавиганда. Было решено на примере СВ[5] и СВ[6] провести изучение структурирования воды, используя оба метода, сравнить полученные результаты и сделать вывод о возможности применения второго метода для старших гомологов СВ[п].

Полученные первым методом наиболее вероятные структуры водно-молекулярных кластеров состава (НгОХп (т=3-6) внутри полостей СВ[5] и СВ[6], соответствующие представлены на рис. 4. Для удобства восприятия на всех приведенных в автореферате рисунках опущена большая часть атомов макроцикла, а показаны лишь портальные атомы кислорода.

Дальнейшие попытки увеличения числа молекул воды в полости макроциклов приводили к тому, что дополнительные молекулы координировались вне полости. Таким образом, на основании первого метода для СВ[5] максимальное число молекул воды в полости равно пяти, для СВ [6] — шести.

В структурах, полученных вторым методом, в случае СВ[5] в полости оставалось три и четыре молекулы воды, для СВ[6] - четыре, пять и шесть.

На основании оценки термодинамических параметров формирования водно-молекулярных кластеров в макроциклах был сделан вывод, что для СВ[5] наиболее вероятно формирование в полости водно-молекулярного кластера состава (Н20^, Доля макроциклов с четырьмя и пятью молекулами воды в полости мала. В случае СВ[6] наиболее вероятным является образование в полости кластера (П20)), доля СВ[6] с пятью и шестью молекулами воды в полости относительно мала.

Обобщая полученные результаты, был сделан вывод о возможности применения второго метода для изучения структурирования молекул воды в полостях старших гомологов. Это заключение обосновано тем, что структуры водно-молекулярных кластеров, полученные для СВ[5] и СВ[6] с помощью этого метода, соответствуют наиболее

ю

<*■ а*"

/Тж а»

:1.7в

(

11.74

• го* '.................»

(н20)з@св[5]

—..... Ди

1ло/ 4.1 Л» < >

1М\ /1Й7 ................ф-'"

(н20)4@св[51

■ •.........

(нЗо)5@св(5]

а . ж......„. » • •------•.............. • -

• — .....-р Л

I

-V

«*

-.....« *

(н,0),@св[6) (н20)4@св[6] (н20)5@св[6] (н20)6@св[6)

Рис. 4 Оптимизированные структуры водно-молекулярных кластеров состава <Н20),„ (ш=3-6) внутри полостей СВ [5] и СВ [6]

вероятным вариантам заполнения полостей молекулами воды согласно данным термодинамического анализа

Полученные на основании второго метода оптимизированные структуры водно-молекулярных кластеров (Н20>, (п=8-10) внутри полости СВ[7] показаны на рисунке 5.

На основании анализа термодинамических параметров было показано, что наиболее вероятно образование в полости СВ[7] водно-молекулярных кластеров из восьми и девяти молекул, а вероятность формирования в полости этого кавиганда кластера из девяти молекул воды мала.

\ К /-

ггя^Л г»

^ .....^^

(б)

т-гС

Ш/ I $ \

• __

• ■■ ■ . •......I".—

« «

Рис. 5 Оптимизированные структуры кластеров (Н20), (п=8-10) в полости СВ[7]: (а)-СВ[7]@(Н20>, (б)-СВ[7]@(Н20>, (в), (г)-СВ[7]@(Н20),о

<

•—........4

(Н2ОЬ'§.СВ|8]

-у

не Ли

тЛ

■■■■ Ьы

К- ■*-«?

.....

(Н^О)ч'!}СВ|е)

(Н«)|0®СВ[8] гда . . • 218, .*

Я

• „- -

• 114

(Н,0)1!®СВ[8]

Рис. 6 Оптимизированные структуры водно-молекулярных кластеров (Н20),„ (п=9-12) внутри полости кукурбит[8]урила

В результате изучения структурирования воды в СВ[8] по второму методу были получены различные структуры водно-молекулярных кластеров состава (Н20), (п=9-12) в полости макроцикла (рис. 6). После проведения термодинамического анализа процесса формирования кластеров в СВ[8] был сделан вывод о значительном преобладании в смеси макроциклов СВ[8] с кластером (Н20)ю в полости по сравнению с кавитандами с другим числом молекул воды.

Далее было проведено сопоставление экспериментальных и полученных с помощью расчетов ИК-спектров для СВ[6] и СВ[8]. Для СВ[6] наибольшее совпадение с экспериментально полученным ИК-спектром наблюдается для расчетного ИК-спектра поглощения СВ[6] с четырьмя молекулами воды в полости (рис. 7). Для СВ[8] -наибольшее совпадение с экспериментально полученным ИК-спектром наблюдается для расчетного ИК-спектра поглощения СВ[8] с десятью молекулами воды в полости (рис. 8).

3. Квантово-химическое исследование соединений включения на основе кукурбит[8]урила и комплексов Си(11) и N¡(11)

В работе проведено теоретическое исследование процессов включения комплексов Си(И) ({Си(еп),(Н20)2}2+, {Си(сус1еп)(Н20)}2+) и N¡(11) ({№(сус1еп)(Н20)}2+) в кукур-бит[8]урил с целью оценки возможности применения методов квантовой химии для изучения и прогнозирования процессов включения комплексов переходных металлов в ку-курбит [п]урилы.

Для изучения всех комплексов включения использовался следующий алгоритм: моделировались системы с различным положением металлокомплекса в полости СВ[8], структура, обладающая наименьшей энергией, сравнивалась с имеющимися экспериментальными данными. Далее проводился анализ термодинамических параметров формирования комплекса включения.

Структура, соответствующая наиболее вероятной геометрии комплекса включения {[Си(еп)ь(Н20)>]2\...(Н20)|}@СВ[8] согласно проведенным расчетам, а также данным РСА, показана на рисунке 9. В таблице 7 приведено сравнение основных структурных параметров комплекса {[Си(еп)>(Н,())ь 1 2+....(Н2ОХ}@СВ[8], полученных с помощью расчета, с данными РСА (О - атомы кислорода четырех связывающих молекул воды (рис. 8), Оро и — портальные атомы кислорода).

Из рис. 9 и табл. 7 видно, что данные квантово-химических расчетов находятся в довольно хорошем согласии с экспериментальными.

(а)

(б)

Рис. 7 ИК-спектры для СВ[6] с водным кластером в полости (а) - экспериментальный спектр Для (Н20)(@СВ[6], (б)-расчетный спектр для (Н20),@СВ[б]

с а

ШЩ 1

ТА Л

(а)

|

. . I В

' ! , А |

¡5 I I

Ги /г, I ЙИЛ

Мкд_

(в)

Рис. 8 ИК-спектры для СВ[8] с водным кластером в полости (а)-экспериментальный спектр для (Н20),@СВ[8],(б)-рас-четный спектр для (Н20),о@СВ[8]

Таблица 7 Основные структурные параметры соединения включения {[Си(епЬ (Нг ОкГ. ■ -№0), }@СВ [8]

Рис. 9 Структуры комплекса включения {[Си(епЬ(Н2ОЬ]2+....(Н20),}@СВ[8]: (а)-расчетные данные, (б) - данные РС А

Полученная конечная структура, соответствующая наиболее вероятной форме соединения включения на основе цикленового комплекса меди и макроцикла СВ[8] приведена на рисунке 10 (а), на рисунке 10 (б) показана структура этого комплекса согласно данным РСА. В таблице 8 приведено сравнение основных струк-...5Н20}@СВ[8], полученных с по-

турных параметров комплекса {[Си(сус1еп)(Н20)Г мощью расчета, с данными РСА.

Структура {[№(сус1еп)(Н20)С1] + ...5Н20}@СВ[8], обладающая минимальной энергией согласно данным квангово-химических расчетов, приведена на рисунке 11 (а). На рисунке 11 (б) показана структура комплекса включения цикленового комплекса ко-бальта(Н1) в СВ[8] согласно данным РСА, которая, по мнению авторов, совпадает со структурой соединения включения на основе цикленового комплекса никеля и СВ[8]. В

Таблица 8 Основные структурные параметры {[Си(сус1еп)(Н20)Г ...5Н20}@СВ[8]

' \ > Ь\ 1 й г<Х I'

Рис. 10 Структуры комплекса включения цикленового комплекса меди и СВ[8]: (а) - расчетные данные, (б) - данные РСА

¿Ш-Си-Ю

/N2-0 »N4

Я(Си-Ю)

Я (С и-N4)

¿№-Си-Ш

Параметр

ЩСи-Ш)

расчет

Л(Си-Ш)

¿Ш-Си-Ш

Значение

Таблица 9 Основные структурные параметры комплекса

{(№(сус1еп)(Н2 Р)СГ

Параметр Значение

2,07

Я(№-Ы2) 2,11

ЯОП-Ю) 2,11

К(№-Ы4) 2,11

Я(№-0) 2,18

К(№-С1) 2,52

99,0

¿N2-N¡-N4 159,1

170,7

¿ТМ1-№-С1 83,9

...51^0}@СВ[83

таблице 9 приведены основные структурные параметры комплекса {^¡(сус1епХН2 ОХ: 1Г • • ■ 5Н2 0}@СВ [8].

В водном растворе процесс формирования соединения включения на основе бис-этиле ндиаминового комплекса меди и СВ[8] сопровождается вытеснением молекул воды из полости макроцикла в объем реакционной смеси, что можно представить следующей реакцией:

{[(Н2 О), ]@СВ [8 ]} ) + [Си(еп)2(Н2ОЬГ(ч) =

Рис. 11 Структуры комплексов включения: (а) - расчетные данные {[№(сус1еп)(Н20)С1] + ...5Н20}@СВ[8], (б)-данные РСА [Со(сус1еп)(Н2 ОУ^ГЦСВ [8]

■ {[Си(епЬ (Н20\ ]2+.. „(Н20), }@СВ[8](ч)+6 Н20

(ч)

Таблица 10 Термодинамические параметры формирования макромолекулы

Г ГПЛ П2+ /и .Й^ПГО,

ДН°(а1),298 ккал/моль (¡4)^298 кал/(моль-К) > V ~ 1 I А<3°(4)>298 ккал/моль

38,43 152.99 -7,16

(4)

В таблице 10 приведены термодинамические характеристики реакции (4), рассчитанные при температуре 298 К.

Как видно из приведенных данных, протекание этой реакции сопровождается довольно значительным положительным значением изменения энтропии. Это обусловлено деструк-турированием водно-молекулярного кластера (Н20)ю в полости кавиганда и выходом шести молекул в объем раствора, что и приводит к возрастанию степени беспорядка в системе и, соответственно, увеличению ее энтропии. Существенное положительное изменение энтропии приводит в соответствии с соотношением (5.5) к заметному различию в энтальпии и свободной энергии Гиббса реакции. Отрицательное значение изменения свободной энергии свидетельствует о термодинамической вероятности протекания реакции (4) даже при 298 К, причем это значение будет увеличиваться по абсолютной величине с ростом температуры.

Анализ термодинамических параметров образования соединения включения на основе цикленового комплекса меди иСВ[8] проводился по следующей реакции: {[(Н2 О) о ]@СВ [8]},ч, + {[Си^ускп)]2+} (ч)= = {[Си(сус1еп)(Н20)Г+...5Н20}@СВ[8](ч) + 4 Н,0(ч) (5)

В таблице 11 приведены термодинамические характеристики реакции (5), рассчитанные при температуре 298 К.

Как видно из приведенных данных,

_ процесс включения цикленового ком-

Таблица 11 Термодинам ические параметры ^^ ^ в ^^ сощх)вож.

формирования сединен^ включения дастся довольно значительным поло-

ДН°(Ч),298 ккал/моль (¡ц)£98 кал/(моль-К) АО°(Ч)>298 ккал/моль

38,02 97,23 9,05

жигельным значением изменения энтропии. Значение Л5?(Ч),298 для процесса образования соединения включения на основе СВ[8] и цикленового комплекса меди несколько меньше, чем в случае бис-этилендиаминового (97,23 и 152,8 кал/(моль-К) соответственно), что вполне коррелирует с числом вытесняемых ш полости кавиганда молекул воды. Положительное изменение энергии Гиббса для реакции 5 (9,05 ккал/моль) для температуры 298 К свидетельствует о малой доли вероятности образования соединения включения при этой температуре. Однако столь значительное положительное значение изменения энтропии д;?(ч);298 по мере роста температуры способствует уменьшению значения дО°(ч),298. На основании проведенных оценок состояние термодинамического равновесия для реакции 5 достигается при температуре близкой к температуре синтеза соединения включения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что только из анализа структурных параметров кукурбиг[п]урилов в зависимости от числа звеньев в макроцикле и оценки термодинамических параметров их образования из формальдегида и гликольурила нельзя обосновать преимущественное формирование кукурбит[6]урила. Сделано заключение, что причину наибольшего выхода кукурбиг[6]урила по сравнению с другими гомологами следует искать в механизме формирования макроциклов.

2. Показано, что формирование кукурбиг[п]урилов протекает через последовательные стадии роста промежуточных соединений, а именно, олигомеров СВ(т) (т=2-5), с их последующим взаимодействием между собой. На основании анализа структурных особенностей этих олигомеров обосновано преимущественное образование при синтезе кукурбиг[6]урила по сравнению с другими гомологами семейства кукурбиг[п]урилов. Структура олигомеров в значительной степени определяется влиянием молекул воды, образующиеся в ходе синтеза.

3. Установлено, что включение молекул воды в кукурбиг[п]урилы приводит к их структурированию с образованием кластеров (Н20)т, геометрия которых соответствует наиболее стабильным формам водно-молекулярных кластеров в газовой фазе. Структурирование обусловлено тем, что водородные связи вода-вода прочнее связей между отдельной молекулой воды и макроциклом. Определено оптимальное количество молекул воды (т) в кластерах в полостях кукурбит[п]урилов: т=3 для СВ[5], т=4 для СВ[6], т=9 для СВ[7], т=10 для СВ[8]. Энергия связывания водно-молекулярных кластеров со стенками кавиганда изменяется в интервале от 7 до 27 ккал/моль, что свидетельствует о супрамолекулярном характере взаимодействия.

4. Обоснована термодинамическая возможность образования соединений включения на основе комплексов [Си(епЬ(Н20^|[Си(еус!еп)^[К'Ксуекп)}2' и нанокавитанда

J

CB[8] в водном растворе. Рассчитанные структурные характеристики всех соединений включения согласуются с таковым и, полученными с помощью РСА. 5. Показано, что стабилизация комплекса [Cu(en)j(Н20)>f+ внутри полости СВ[8] осуществляется за счет четырех молекул воды, [Cu(cyclen)f+ и [Ni(cyclen)f + — пяти молекул воды, образующих водородные связи как с кавигандом, так и металлокомплексом.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, для размещения материалов диссертации:

1. Маслий А. Н., Гришаева Т. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Квантово-химическое исследование структурных и термодинамических особенностей формирования кукурбит[п]урилов //Журнал структурной химии. 2007. Т. 48. № 3. С. 565-569.

2. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Механизм формирования нанокавигандов семейства кукурбиг[п]урилов. Квангово-химическое моделирование // Бутлеровские сообщения. 2008. Т. 13. № 2. С. 22-27.

3. Маслий А. Н., Гришаева Т. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Квангово-химическое исследование структурирования воды в полости кукурбит[6]урила // Журнал структурной химии. 2009. Т. 50. № 4. С. 413-418.

4. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Квангово-химическое исследование механизма формирования нанокавигандов семейства кукур-бит[п]урилов //Журнал неорганической химии. 2010. Т. 55. № 10. С. 1689-1694.

5. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование соединения включения на основе бис-этилендиаминового комплекса меди(11) и макроциклического нанокавиганда кукурбиг[8]урила // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 9. С. 18-25.

6. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование структурирования воды в полости кукурбиг[5]урила // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 12. С. 394-401.

7. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование соединения включения на основе цикленового комплекса никеля(II) и макроцикличесгого нанокавитанда кукурбиг[8]урила // Вестник Казанского технологического университета. 2011. Л"» 6. С. 7-15.

8. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квантовая химия кукурбиг[п]урилов и соединений включения на их основе // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 26. №9. С. 1-13.

9. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование соединения включения на основе комплекса диметилглиоксимата никеля(П) и макроциклического нанокавитанда кукурбиг[8]урила //Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 6. С. 23-29.

Материалы конференций:

1. Masliy A. N., Kuznetsov An. М., Bakovets V. V., Grishaeva Т. N. Density Functional Studies of the Structure and Stability ofCucurbit[n]uril Cavitandes // 9-th V. A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry. Book of abstracts. Velikiy Novgorod. 2005. P. 4.

2. Masliy A. N., Kuznetsov An. M., Bakovets V. V., Grishaeva T. N. Investigation of Metallic Cluster Inclusion into Organic Cavitandes // 9-th V. A. Fock Meeting on Quantum

and Computational Chemistiy. Book of abstracts. Velikiy Novgorod. 2005. P. 5.

3. Гришаева Т. H., Маслий А. Н. Квангово-химическое исследование структуры и стабильности кукурбит[п]урилов // V Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в XXI веке». Тез. докл. Казань. 2005. С. 87-89.

4. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н. Квангово-химическое исследование структуры и стабильности циклических кукурбиг[п]урилов // XVI Менделеевская конференция молодых ученых. Тез. докл. Уфа. 2006. С. 39-40.

5. Grishaeva Т. N., Masliy A. N., Kuznetsov An. М„ Bakovets V. V. Water structure inside the cavity of cucurbit[6[uril. A density functional study // IV International Symposium "Design and synthesis of supramolecular architectures". Book of abstracts. Kazan. 2006. P. 77.

6. Гришаева Т. H., Маслий А. Н. Квангово-химическое исследование включения кластеров воды в полость кукурбиг[6]урила // VI Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в XXI веке». Тез. докл. Казань. 2006. С. 84-86.

7. Grishaeva Т. N., Masliy A. N., Kuznetsov An. М., Bakovets V. V. Density Functional Study of pecularities of water structure inside the cavity of cucurbit[6]uril // 10-th V. A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistiy. Book of abstracts. Kazan. 2006. P. 3.

8. Masliy A. N„ Kuznetsov An. M., Bakovets V. V., Grishaeva T. N. A density functional study of inclusion processes with participation of cucurbit[n]urils // 10-th V.A.Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistiy. Book of abstracts. Kazan. 2006. P. 30.

9. Маслий A. H„ Гришаева Т. H„ Кузнецов Ан. М„ Баковец В. В. Квангово-химическое исследование процессов включения с участием кукурбит[п]урилов // III Всероссийская конференция "Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" "ФАГРАН-2006". Тез. докл. Воронеж. 2006. С. 850852

10. Гришаева Т. II., Маслий А. Н. Теоретическое обоснование преимущественного формирования кукурбит[6]урила // VIII Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в XXI веке». Тез. докл. Казань. 2008. С. 49-51.

11. Маслий А. Н., Гришаева Т. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Квангово-химическое исследование механизма формирования нанокавигандов семейства кукур-бит[п]урилов // IV Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2008)». Тез. докл. Воронеж.

2008. С. 431-433.

12. Гришаева Т. Н„ Маслий А. Н„ Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование механизма формирования нанокавигандов семейства кукурбиг[п]уршюв // Международная конференция по химии «Основные тенденции развития химии в начале XXI-ro века». Тез. докл. Санкт-Петербург. 2009. С. 252-253.

13. Grishaeva Т. N., Masliy A. N., Bakovets V. V., Kuznetsov An. М. Formation Thermodynamics of Cucurbit[n]uril Nanocavitands: Quantum Chemical Forecast // XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Book of abstracts. Kazan.

2009. V. 2. P. 33.

14. Grishaeva T. N., Masliy A. N., Bakovets V. V., Kuznetsov An. M. Inclusion compounds of Cu(II) complexes with cucurbit[8]uril: a quantum-chemical forecast // V-th International Symposium "Design and synthesis of supramolecular architectures". Book ofabstracts. Kazan. 2009. P. 43.

15. Grishaeva T. N., Masliy A. N., Bakovets V. V., Kuznetsov An. M. Structural peculiarities of cucurbit[8]uril inclusion compounds with some Cu(II) complexes // The 12-th V. A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry. Book ofabstracts. Kazan. 2009. P. 4.

16. Маслий А. Н., Гришаева Т. Н., Кузнецов Ан. М., Баковец В. В. Структурные и термодинамические особенности кукурбиг[п]урилов и их соединений включения. Кванто-во-химический прогноз // 12-ая конференция по квантовой и вычислительно химии им. В. А. Фока. Тез. докл. Казань. 2009. С. 5.

17. Баковец В. В., Зеленина Л. Н., Чусова Т. П., Маслий А. Н., Кузнецов А. М., Гришаева Т. Н. Термодинамика дизайна макроциклических молекул СВ[п] в присутствии молекул воды // 7-ой семинар СО РАН-УрО РАН «Термодинамика и материаловедение». Тез. докл. Новосибирск. 2010. С. 25.

18. Маслий А. Н., Гришаева Т. К, Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квантово-химическое исследование структуры соединений включения на основе некоторых комплексов меди(11) и кукурбит[8]урила // V Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2010)». Тез. докл. Воронеж. 2010. С. 397-400.

19. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование соединения включения на основе бис-этилендиаминового комплекса меди(П) и нанокавиганда кукурбиг[8]урила // Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Неорганические соединения и функциональные материалы». Тез. докл. Казань. 2010. С. 70.

20. Гришаева Т. Н., Маслий А. Н., Баковец В. В., Кузнецов Ан. М. Квангово-химическое исследование соединений включения на основе кукурбиг[8]урила и комплексов Ci?+ // Всероссийская молодежная конференция «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии». Тез. докл. Казань. 2012. С. 223-225.

21. Grishaeva Т. N., Masliy A. N., Bakovets V. V., Kuznetsov An. М. Quantum-chemical investigation of inclusion compounds based on some Ni(II) and Cu(II) metal complexes and macrocyclic cavitand cucurbit[8]uril// 13-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistiy. Book of abstracts. Astana. 2012. P. 48.

is

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 04.02.2013 г. Печ.л.1,0 Заказ М К-7237. Тираж ИОзкз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ГРИШАЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ И МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСОВ В НАНОКАВИТАНДЫ СЕМЕЙСТВА КУКУРБИТУРИЛОВ

02.00.01 - Неорганическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата До химических наук

СМ Ю

со а

^ иб о о

Научный руководитель: доктор химических наук,

СМ £

профессор Кузнецов А.М.

Казань -2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список сокращений 5

Введение 6

Глава 1. История открытия, синтез, свойства и применение 11 кукурбит[п]урилов

1.1 История открытия и синтез кукурбит[6]урила 12

1.2 Гомологи, производные и разновидности семейства 15 кукурбит[п]урилов

1.3 Основные свойства кукурбит[п]урилов 17

1.4 Химия «гость-хозяин» семейства кукурбит[п]урилов 19

1.4.1 Супрамолекулярные соединения кукурбит[п]урилов 23

с комплексами металлов

1.5 Применение кукурбит[п]урилов и их производных 25

1.6 Использование методов квантовой химии для изучения 29 кукурбит[п]урилов

1.6.1 Использование методов квантовой химии для выяснения 30 механизма преимущественного образования СВ[6]

1.6.2 Методы квантовой химии в исследованиях СВ[п] и 31 их соединений

Глава 2. Методы исследования 37

2.1 Уравнение Шрёдингера для молекулярных систем 37

2.2 Метод молекулярных орбиталей и его основные приближения 3 8

2.3 Методы учета электронной корреляции. Теория 45 функционала плотности

2.4 Базисы атомных орбиталей 53

2.5 Программные пакеты и методика проведения расчетов, 56 используемые в диссертационной работе

Глава 3. Квантово-химическое исследование причин 58 преимущественного образования кукурбит[6]урила при

синтезе кукурбит[п]урилов

3.1 Изучение причин преимущественного образования СВ[6] 59

на основе структурных и термодинамических особенностей

его формирования

3.1.1 Изучение структурных особенностей кукурбит[п]урилов 59

3.1.2 Оценка термодинамических параметров формирования 63 кукурбит[п]урилов

3.1.3 Обсуждение результатов 65 3.2 Изучение причин преимущественного образования СВ[6] с 66

учетом механизма его образования

3.2.1 Анализ геометрических структур олигомеров СВ(т) 67

3.2.2 Анализ термодинамических характеристик процесса 72 образования кукурбит[6]урила

3.2.3 Обсуждение результатов 76 Глава 4. Квантово-химическое исследование структурирования 78

воды в полостях кукурбит[п]урилов (п=5-8)

4.1 Изучение структурирования водных кластеров в СВ[5] и СВ[6] 78

4.1.1 Последовательное включение молекул воды в СВ[5] и СВ[6] 80

4.1.2 Включение кластеров воды в СВ[5] и СВ[6] 84

4.1.3 Оценка термодинамических параметров процессов 86 структурирования водных кластеров в полостях СВ[5] и

СВ[6]

4.2 Структурирование воды в кукурбит[7]уриле 89

4.3 Структурирование воды в кукурбит[8]уриле 93

4.4 Сопоставление расчетных и экспериментальных ИК- 95 спектров

4.5 Обсуждение результатов 98 Глава 5. Квантово-химическое исследование соединений включения 100

на основе кукурбит[8]урила и комплексов Си(П) и №(П)

5.1 Комплекс включения на основе кукурбит[8]урила и бис- 101

этилендиаминового комплекса меди(П) {[Cu(en)2(H20)2]2+.. .4Н20}@СВ[8]

5.2 Комплекс включения на основе кукурбит[8]урила и 108 цикленового комплекса меди(П)

[Cu(cyclen)(H20)]2+.. ,5Н20}@СВ[8]

5.3 Комплекс включения на основе кукурбит[8]урила и 115 цикленового комплекса никеля(П)

{[Ni(cyclen)(H20)Cl]+.. .5Н20}@СВ[8]

5.4 Обсуждение результатов 119 Основные результаты и выводы 120 Список литературы 122

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СВ[п] - кукурбит[п]урил (п=5-10)

z'CB[n] - кукурбит[п]урил с инвертированным гликольурильным фрагментом СВ(ш) - олигомер, где m - число гликольурильных фрагментов в цепи GU - гликольурил

А@В - частица А включена в частицу В а-, Р-, y-CD - а-, Р-, у-циклодекстрин АО - атомная орбиталь МО - молекулярная орбиталь

МО JIKAO - молекулярная орбиталь - линейная комбинация атомных орби-талей

DFT, ТФП - теория функционала плотности HF - метод Хартри-Фока GGA - метод градиентной коррекции LSDA - приближение локальной плотности РВЕ - функционал Perdew-Burke-Ernzenhof

B3LYP - гибридный трехпараметрический функционал Бекке (ВескеЗ) и корреляционный функционал Ли, Янга и Парра (LYP) РСМ - модель поляризуемого континуума (Polarizable Continuum Model) РСА - рентгеноструктурный анализ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы повышенный интерес исследователей привлекают соединения включения типа «гость-хозяин» на основе комплексов переходных металлов и макроциклических гомологов семейства кукурбит[п]урилов, что связано с их уникальными свойствами. В таких соединениях вокруг иона металла создается особенное микроокружение, сходное с окружением в металлоферментах, что перспективно для создания высокоселективных катализаторов. Также многообещающим для катализа является процесс получения металлической фазы в полости или на порталах кукур-бит[п]урилов путем восстановления водородом металлокомплексов, расположенных в полостях макроциклов. В свою очередь особый интерес для ученых представляет образование цепочечных полимеров из кукурбит[п]урилов с металлической фазой в полости с целью для создания нанопроводников.

В медицине включение в полость кукурбит[п]урилов металлокомплек-сов, обладающих биологической активностью, используется для создания нового поколения противораковых препаратов. Среди преимуществ использования кукурбит[п]урилов в качестве молекулы-контейнера отмечают его способность снижать токсичность включенного металлокомплекса, а также предохранять его от разложения, что обеспечивает пролонгированные свойства препарата. Активные работы проводятся по изучению транспортной функции активного компонента молекулой кукурбит[п]урила с целью адресной доставки лекарственных препаратов к пораженным клеткам организма.

Как известно, синтез новых соединений всегда сопряжен с рядом сложностей. Разработка методики синтеза, установление структуры и изучение свойств получаемого соединения являются трудоемкими и ресурсоемкими процессами. В связи с этим исследователи-экспериментаторы возлагают большие надежды на методы квантовой химии, которые хорошо зарекомендовали себя в качестве мощного инструмента для прогнозирования возможной структуры и свойств новых соединений. Именно эти аспекты определяют

актуальность данной работы.

Целью диссертационной работы является получение структурных и термодинамических параметров соединений включения на основе комплексов переходных металлов и макроциклического кукурбит[8]урила на основе квантово-химического моделирования. Для достижения поставленной цели необходимо решение конкретных задач:

- объяснить экспериментально наблюдаемое преимущественное формирование кукурбит[6]урила в ходе синтеза гомологов кукурбит[п]урилов из анализа структурных параметров кукурбит[п]урилов, а также детального рассмотрения механизма образования кукурбит[6]урила;

- выявить специфику структурирования молекул воды и установить их оптимальное количество в полостях кукурбит[п]урилов (п=5-8);

- получить структурные данные о соединениях типа «гость-хозяин» на основе комплексов меди(П), никеля(П) и макроцикла кукурбит[8]урила ({[Си(еп)2(Н20)2]2+.. .4Н20}@СВ[8], {[Си(сус1еп)(Н20)]2+.. .5Н20}@СВ[8], {[М(сус1еп)(Н20)С1]+...5Н20}@СВ[8]) и рассчитать термодинамические параметры их образования с учетом конкурентного вытеснения молекул воды из полости макроцикла.

Научная новизна работы. В представленной работе на основе кванто-во-химических расчетов установлено, что не соответствуют действительности высказываемые в литературе предположения о преимущественном образовании кукурбит[6]урила за счет его структурных особенностей перед другими гомологами. Предложен и обоснован механизм образования кукур-бит[6]урила из исходных веществ (формальдегида и гликольурила) через стадии роста промежуточных соединений - олигомеров с их последующим взаимодействием между собой. Установлены причины преимущественного формирования кукурбит[6]урила на основе структурных особенностей промежуточных частиц (олигомеров), образующихся в реакционной смеси.

Изучено структурирование воды во внутренних полостях гомологов кукурбит[п]урилов (п=5-8), выявлены наиболее вероятное и максимально

возможное число молекул воды в полости каждого макроцикла. Показано, что молекулы воды в полостях кукурбит[п]урилов стремятся к образованию структур, которые соответствуют наиболее стабильным формам водно-молекулярных кластеров в газовой фазе.

Получены структуры соединений типа «гость-хозяин» на основе комплексов меди(Н), никеля(Н) и макроцикла кукурбит[8]урила ({[Си(еп)2(Н20)2]2+.. .4Н20}@СВ[8], {[Си(сус1еп)(Н20)]2+.. .5Н20}@СВ[8], {[№(сус1еп)(Н20)С1]+...5Н20}@СВ[8]). Показана роль молекул воды в закреплении металлокомплексов в полости макроциклов. Проведен анализ термодинамических параметров их образования с учетом конкурентного вытеснения молекул воды из полости макроцикла.

Практическая значимость работы. Описанный в работе алгоритм изучения структурирования молекул воды в полостях СВ[п] может быть распространен для исследования других подобных систем, используемых для конструирования соединений включения, при образовании которых важно учитывать конкурентный процесс частичного или полного замещения молекул растворителя «гостевой» частицей. Полученные результаты и принципы исследования включения комплексов меди(И) и никеля(П) в макроцикл СВ[8] могут найти практическое применение для дизайна подобных супрамолеку-лярных систем включения. Хорошее согласие данных теоретических исследований с экспериментальными позволяет сделать вывод о возможности использования методов квантовой химии для изучения процессов восстановления металлокомплексов в полости СВ[8] с целью получения металлической фазы.

На защиту выносятся:

1. обоснование преимущественного образования кукурбит[6]урила по сравнению с другими гомологами кукурбит[п]урилов;

2. результаты моделирования включения молекул воды в кукур-бит[п]урилы (п=5-8) и их структурирования с образованием водно-молекулярных кластеров;

3. результаты изучения включения металлокомплексов в кукурбит[8]урил и расчетов структур образующихся комплексов включения состава {[Cu(en)2(H20)2]2+.. .4Н20}@СВ[8], {[Cu(cyclen)(H20)]2+.. .5Н20}@СВ[8] и {[Ni(cyclen)(H20)Cl]+.. .5Н20}@СВ[8].

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IX, X, XII, XII Международных конференциях им. В. А. Фока по квантовой и вычислительной химии (Великий Новгород, 2005, Казань, 2006, 2009 и Астана, Казахстан, 2011), V, VI, VIII Республиканской школе студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (Казань, 2005, 2006, 2008), XVI Менделеевской конференции молодых ученых (Уфа, 2006), IV, V Международных симпозиумах «Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур» (Казань, 2006, 2009), III, IV, V, VI Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2006, 2008, 2010, 2012), Научных сессиях КГТУ (КНИТУ), (Казань, 2008, 2009, 2011, 2012), Международной конференции по химии «Основные тенденции развития химии в начале XXI века» (Санкт-Петербург, 2009), XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (Казань, 2009), 7-ом семинаре СО РАН-УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск, 2010), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (Казань, 2010), Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012).

По материалам диссертационной работы опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных для размещения материалов диссертаций ВАК, и 21 тезис докладов на конференциях различного уровня.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 08-03-00861-а, 11-03-00219-а). Работа также поощрена специальной государствен-

ной стипендией Республики Татарстан указом Президента Республики Татарстан от 18.01.2012 № УП-25.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 141 стр., содержит 24 таблицы, 27 рисунков, состоит из введения, пяти глав, выводов. Список цитируемой литературы состоит из 198 наименований. Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором изложено краткое описание истории открытия, синтез, основные свойства и области применения гомологов семейства СВ[п] и их производных. Приведен обзор работ, посвященных изучению химии СВ[п] с помощью методов квантовой химии, обсуждается актуальность работы. Во второй главе рассматриваются основные аспекты методов квантовой химии, описана методика проведения расчетов в диссертационной работе. В третьей главе изучены структурные особенности кукурбит[п]урилов. Предложен механизм образования кукурбит[6]урила из исходных веществ через стадии роста промежуточных соединений - олиго-меров с их последующим взаимодействием между собой. Четвертая глава посвящена исследованию структурирования молекул воды в полостях СВ[5]-СВ[8]. В пятой главе приводятся результаты по изучению соединений включения на основе комплексов меди(И), никеля(Н) и кукурбит[8]урила.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, анализе и обобщении литературных данных, проведении расчетов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов, написании и оформлении статей.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.х.н., проф. А. М. Кузнецову и к.х.н., доц. А. Н. Маслию за руководство работой, неоценимую помощь и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы, д.х.н., с.н.с. В. В. Баковцу за участие в постановке задач и обсуждении результатов.

Глава 1.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ, СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ КУКУРБИТ[п]УРИЛОВ

Среди новых, стремительно развивающихся междисциплинарных наук особое место занимает супрамолекулярная химия. Определение «супрамоле-кулярная химия» впервые было дано в 1978 г. французским ученым Жан-Мари Леном, которого считают основателем этой науки: «... химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами» [1]. По словам Ж.-М. Лена, супрамолекулярная химия является своеобразной «молекулярной социологией», изучающей взаимоотношения индивидуальных молекул между собой, а также их поведение в образующихся разнообразных супрамолекулярных ансамблях («организованных сообществах индивидуумов») [2]. Направленное конструирование таких систем и создание из них молекулярных строительных блоков высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами стало одной из важнейших проблем современной химии.

В супрамолекулярных соединениях отдельные фрагменты удерживаются между собой посредством межмолекулярных взаимодействий - электростатическими силами, водородными связями, ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, которые в целом значительно слабее, чем ковалентные связи в самой молекуле. Для увеличения прочности этих связей, их направленности и специфичности, необходимо использовать достаточно большие молекулярные строительные блоки, способные создавать развитую систему связей за счет большого количества подобного типа связей.

Комплексы типа «гость-хозяин», получившие в последнее время широкое распространение, являются одним из примеров соединений с большим числом связывающих нековалентных взаимодействий. В них внутримолеку-

а-Сй (/? = 0) З-СЭ (л = 1) у-СР {п = 2)

(а) (б) (в)

Рис. 1.1 Структуры макроциклических молекул: (а) - а-, (3- и у-циклодекстрин [3]; (б) - 18-краун-6 эфир [3]; (в) - каликс[4]арен [4]

лярная полость молекулы-хозяина, или кавитанда, способна включать подходящую по размеру молекулу гостя. На сегодняшний день известно много примеров комплексов, в которых в качестве хозяина выступают такие макро-циклические органические молекулы, как краун-эфиры, каликсарены, цикло-декстрины, структуры которых приведены на рисунке 1.1.

Включение в полость этих макроциклов молекул инертных газов, ионов металлов, органических молекул приводит к образованию устойчивых соединений, обладающих необычной структурой и интересными практическими свойствами. В последние годы помимо хорошо известных вышеприведенных кавитандов все более активно изучаются макроциклы, имеющие тривиальное название кукурбит[п]урилы.

1.1 История открытия и синтез кукурбит[6]урила

Впервые кукурбит[6]урил был получен в 1905 году немецким химиком Р. Берендом и др. [5]. В результате конденсации формальдегида и гликольу-рила (продукт конденсации глиоксаля и мочевины) в среде НС1(К0НЦ) им было

синтезировано нерастворимое соединение, названное впоследствии «полимером Беренда» (рис. 1.2).

О

После перекристаллизации из Н2804(КОнц) был получен кристаллический продукт с выходом 40-70%. Оказалось, что он спос�