ИКи31P ЯМР диагностика комплексов с водородной связью с участием фосфиноксидов
|
1. ВВЕДЕНИЕ 4
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
2.1. Водородная связь 7
2.1.1. Энергия водородной связи 8
2.1.2. Геометрия водородной связи 9
2.1.3. Водородная связь в ИК спектроскопии 11
2.1.4. Водородная связь в спектроскопии ЯМР 13
2.2. Свойства трифенилфосфиноксида 14
3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 100 К 15
3.1 Постановка задачи 15
3.2. Растворители газы-фреоны (CDF3/CDF2Cl/CDFCl2) 15
3.3. Синтез смеси фреонов CDF3/CDF2Cl 17
3.4. Приготовление образцов 18
3.5. Измерение спектров ЯМР 20
3.5.1. Используемые параметры в ЯМР 20
3.5.2. Измерение спектров ЯМР при различных температурах 20
3.6. Результаты и обработка данных 22
4. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ВЕЛИЧИНАМИ ХИМИЧЕСКИХ СДВИГОВ И ПРОЧНОСТЬЮ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСОВ 1:1 В РЕЖИМЕ БЫСТРОГО ОБМЕНА В ШКАЛЕ ВРЕМЕН ЯМР 28
4.1. Постановка задачи 28
4.2. Связь между константой равновесия и химическим сдвигом 31P ЯМР 28
4.3. Приготовление образцов 31
4.3.1. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида в CDCl3 31
4.3.2. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида с фенолами в CDCl3 32
4.4. Измерение спектров ЯМР 32
4.5. Результаты и обработка данных 33
4.5.1. Зависимость химического сдвига 31P свободного трифенилфосфиноксида от концентрации и температуры 33
4.5.2. Изменение химического сдвига 31P трифенилфосфиноксида при добавлении замещенных фенола при разных температурах 35
5. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОЧНОСТЬЮ ВОДОРОДНОЙ СВЯЗИ И ЧАСТОТОЙ ВАЛЕНТНОГО КОЛЕБАНИЯ ГРУППЫ P=O 42
5.1. Постановка задачи 42
5.2. Связь частоты валентного колебания группы OH с прочностью и геометрией водородной связи OHO 42
5.3. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида и замещенных фенола в CCl4 43
5.4. Очистка растворителя CCl4 43
5.5. Измерение ИК спектров 45
5.6. Результаты 45
6. КОМПЛЕКСЫ ТРИФЕНИЛФОСФИНОКСИДА С ЗАМЕЩЕННЫМИ ФЕНОЛА В КРИСТАЛЛАХ 52
6.1. Получение монокристаллов комплексов трифенилфосфиноксида с замещенными фенолами 53
6.2. Проведение рентгеноструктурного анализа 54
6.3. Структура полученных молекулярных комплексов 54
6.3.1. Трифенилфосфиноксид 54
6.3.2. Комплексы трифенилфосфиноксида с фенолами 55
6.4. ЯМР и ИК спектры комплексов в монокристаллах 60
6.4.1. ЯМР спектры комплексов в монокристаллах 60
6.4.2. ИК спектры комплексов в монокристаллах 61
7. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КОМПЛЕКСОВ ТРИФЕНИЛФОСФИНОКСИДА С ЗАМЕЩЕННЫМИ ФЕНОЛАМИ 64
7.1. Расчет изменений химических сдвигов ΔδP и ΔδH и частот ΔvP=O и ΔvOH при комплексообразовании 64
7.2. Результаты 65
8. ВЫВОДЫ 69
9. ПРИЛОЖЕНИЕ 70
10. БЛАГОДАРНОСТИ 77
11. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 78
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
2.1. Водородная связь 7
2.1.1. Энергия водородной связи 8
2.1.2. Геометрия водородной связи 9
2.1.3. Водородная связь в ИК спектроскопии 11
2.1.4. Водородная связь в спектроскопии ЯМР 13
2.2. Свойства трифенилфосфиноксида 14
3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 100 К 15
3.1 Постановка задачи 15
3.2. Растворители газы-фреоны (CDF3/CDF2Cl/CDFCl2) 15
3.3. Синтез смеси фреонов CDF3/CDF2Cl 17
3.4. Приготовление образцов 18
3.5. Измерение спектров ЯМР 20
3.5.1. Используемые параметры в ЯМР 20
3.5.2. Измерение спектров ЯМР при различных температурах 20
3.6. Результаты и обработка данных 22
4. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ВЕЛИЧИНАМИ ХИМИЧЕСКИХ СДВИГОВ И ПРОЧНОСТЬЮ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСОВ 1:1 В РЕЖИМЕ БЫСТРОГО ОБМЕНА В ШКАЛЕ ВРЕМЕН ЯМР 28
4.1. Постановка задачи 28
4.2. Связь между константой равновесия и химическим сдвигом 31P ЯМР 28
4.3. Приготовление образцов 31
4.3.1. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида в CDCl3 31
4.3.2. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида с фенолами в CDCl3 32
4.4. Измерение спектров ЯМР 32
4.5. Результаты и обработка данных 33
4.5.1. Зависимость химического сдвига 31P свободного трифенилфосфиноксида от концентрации и температуры 33
4.5.2. Изменение химического сдвига 31P трифенилфосфиноксида при добавлении замещенных фенола при разных температурах 35
5. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОЧНОСТЬЮ ВОДОРОДНОЙ СВЯЗИ И ЧАСТОТОЙ ВАЛЕНТНОГО КОЛЕБАНИЯ ГРУППЫ P=O 42
5.1. Постановка задачи 42
5.2. Связь частоты валентного колебания группы OH с прочностью и геометрией водородной связи OHO 42
5.3. Приготовление растворов трифенилфосфиноксида и замещенных фенола в CCl4 43
5.4. Очистка растворителя CCl4 43
5.5. Измерение ИК спектров 45
5.6. Результаты 45
6. КОМПЛЕКСЫ ТРИФЕНИЛФОСФИНОКСИДА С ЗАМЕЩЕННЫМИ ФЕНОЛА В КРИСТАЛЛАХ 52
6.1. Получение монокристаллов комплексов трифенилфосфиноксида с замещенными фенолами 53
6.2. Проведение рентгеноструктурного анализа 54
6.3. Структура полученных молекулярных комплексов 54
6.3.1. Трифенилфосфиноксид 54
6.3.2. Комплексы трифенилфосфиноксида с фенолами 55
6.4. ЯМР и ИК спектры комплексов в монокристаллах 60
6.4.1. ЯМР спектры комплексов в монокристаллах 60
6.4.2. ИК спектры комплексов в монокристаллах 61
7. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КОМПЛЕКСОВ ТРИФЕНИЛФОСФИНОКСИДА С ЗАМЕЩЕННЫМИ ФЕНОЛАМИ 64
7.1. Расчет изменений химических сдвигов ΔδP и ΔδH и частот ΔvP=O и ΔvOH при комплексообразовании 64
7.2. Результаты 65
8. ВЫВОДЫ 69
9. ПРИЛОЖЕНИЕ 70
10. БЛАГОДАРНОСТИ 77
11. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 78
Среди невалентных взаимодействий водородная связь занимает особое место. Водородные связи встречаются в большом количестве соединений, являются причиной многих ключевых свойств веществ и материалов. Так, водородные связи являются причиной особых свойств воды и некоторых растворов, стабилизируют вторичную структуру белков(α-спирали и -листы) [ ], образуют двойную спираль ДНК, соединяя комплементарные основания, образуют прочную тройную спираль коллагена [ ] и участвуют в самосборке других супрамолекулярных структур. Водородные связи играют важную роль в стабилизации структур многих молекулярных кристаллов и полимерных материалов, таких как целлюлоза, нейлон или кевлар [ ]. Комплексы с водородной связью являются объектами большого числа современных исследований: с каждым годом растет число публикаций, посвященных как самой водородной связи [ , ], так и процессам перехода протона [ ].
Определение геометрических и энергетических характеристик комплексов с водородной связью часто приходится выполнять на основании непрямых спектральных данных: спектров ЯМР, колебательных спектров (ИК, КР), электронных спектров в УФ и видимой области и т.д. Корректная интерпретация спектральных параметров (химических сдвигов, констант спин-спинового взаимодействия, частот и интенсивностей полос) в терминах межатомных расстояний и энергии комплексообразования как правило требует использования соответствующих корреляционных соотношений [ ]. Такие соотношения как правило строятся для серий комплексов с выбранными зондовыми молекулами-донорами или акцепторами протона.
Одним из популярных и широко используемых в спектроскопии ЯМР зондов-акцепторов протона являются фосфиноксиды (R3P=O).В ряде экспериментальных и теоретических работ были предложены корреляции между изменением химического сдвига 31P модельного триалкилфосфиноксида при образовании водородносвязанного комплекса и величинами pKaдоноров протона [ , ]. Однако, в современной литературе отсутствуют корреляции между величиной химического сдвига 31P и энтальпиейкомплексообразования. Кроме того, ранее в качестве зондового спектрального параметра экспериментально не использовалась характеристичная частота полосы валентного колебания группыP=O, которая, согласно теоретическим оценкам [ ], также может оказаться информативным параметром.
Цель работы
Разработать новую экспериментальную методику оценки прочности водородных связей в комплексах, образованных в апротонных растворах с участием фосфиноксидов по спектрам 31PЯМР и ИК спектрам.
Объекты исследования
В качестве модельного фосфиноксида был выбран трифенилфосфиноксид (TPPO; Рисунок 1.1а), а в качестве доноров протонов – ряд замещенных фенолов (Рисунок 1.1б). В работе рассматриваются как комплексы стехиометрического состава 1:1 (Рисунок 1.2а), так и 1:2 (Рисунок 1.2б).
Задачи работы
1. По данным спектров ЯМР и ИК определить энтальпиюкомплексообразования TPPO с замещенными фенолами в различных растворителях:
а) в смеси дейтерированных газов-фреонов CDF3/CDF2Cl при температуре 100 K;
б) в растворе в CDCl3 при разных температурах;
в) в растворе в CCl4 при комнатной температуре.
2. Построить корреляции между прочностью водородных связей и спектральными характеристиками TPPO.
3. Получить монокристаллы комплексов TPPO с замещенными фенолами, установить корреляции между длиной водородного мостика и спектральными характеристиками комплексов методами твердотельной спектроскопии ЯМР и твердотельной ИК спектроскопии.
4.Провести квантово-химические исследования выбранных комплексов, связать их рассчитанные геометрические и спектральные параметры.
Определение геометрических и энергетических характеристик комплексов с водородной связью часто приходится выполнять на основании непрямых спектральных данных: спектров ЯМР, колебательных спектров (ИК, КР), электронных спектров в УФ и видимой области и т.д. Корректная интерпретация спектральных параметров (химических сдвигов, констант спин-спинового взаимодействия, частот и интенсивностей полос) в терминах межатомных расстояний и энергии комплексообразования как правило требует использования соответствующих корреляционных соотношений [ ]. Такие соотношения как правило строятся для серий комплексов с выбранными зондовыми молекулами-донорами или акцепторами протона.
Одним из популярных и широко используемых в спектроскопии ЯМР зондов-акцепторов протона являются фосфиноксиды (R3P=O).В ряде экспериментальных и теоретических работ были предложены корреляции между изменением химического сдвига 31P модельного триалкилфосфиноксида при образовании водородносвязанного комплекса и величинами pKaдоноров протона [ , ]. Однако, в современной литературе отсутствуют корреляции между величиной химического сдвига 31P и энтальпиейкомплексообразования. Кроме того, ранее в качестве зондового спектрального параметра экспериментально не использовалась характеристичная частота полосы валентного колебания группыP=O, которая, согласно теоретическим оценкам [ ], также может оказаться информативным параметром.
Цель работы
Разработать новую экспериментальную методику оценки прочности водородных связей в комплексах, образованных в апротонных растворах с участием фосфиноксидов по спектрам 31PЯМР и ИК спектрам.
Объекты исследования
В качестве модельного фосфиноксида был выбран трифенилфосфиноксид (TPPO; Рисунок 1.1а), а в качестве доноров протонов – ряд замещенных фенолов (Рисунок 1.1б). В работе рассматриваются как комплексы стехиометрического состава 1:1 (Рисунок 1.2а), так и 1:2 (Рисунок 1.2б).
Задачи работы
1. По данным спектров ЯМР и ИК определить энтальпиюкомплексообразования TPPO с замещенными фенолами в различных растворителях:
а) в смеси дейтерированных газов-фреонов CDF3/CDF2Cl при температуре 100 K;
б) в растворе в CDCl3 при разных температурах;
в) в растворе в CCl4 при комнатной температуре.
2. Построить корреляции между прочностью водородных связей и спектральными характеристиками TPPO.
3. Получить монокристаллы комплексов TPPO с замещенными фенолами, установить корреляции между длиной водородного мостика и спектральными характеристиками комплексов методами твердотельной спектроскопии ЯМР и твердотельной ИК спектроскопии.
4.Провести квантово-химические исследования выбранных комплексов, связать их рассчитанные геометрические и спектральные параметры.
В работе рассмотрены 15 комплексов стехиометрического состава 1:1 с водородной связью OHO, образованной молекулой трифенилфосфиноксида (TPPO) с замещенными фенолами. Построены корреляционные соотношения, связывающие изменение спектральных параметров TPPO при комплексообразовании (химического сдвига 31P ЯМР, ∆δP; частоты валентного колебания группы P=O, 〖∆v〗_(P=O)) с прочностью водородной связи (энтальпией ∆H или энергией ∆E). Были сделаны следующие выводы:
1. В растворе в смеси CDF3/CDF2Cl при температуре 100 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=14.7∙〖(∆δP)〗^0.54
2. В растворе в CDCl3 при температурах 232–298 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=5.1∙〖(∆δP)〗^1.1
3. В растворе в CCl4 при температуре 298 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=10.4∙〖(〖∆v〗_(P=O))〗^0.33
4. В вакууме методами квантовой химии (B3LYP/6-311++G(d,p)) получены корреляции:
–∆E (кДж/моль)=8.8∙〖(ΔδP)〗^0.8
–∆E (кДж/моль)=2.9∙〖(Δv_(P=O))〗^0.84
5. Характер корреляционных зависимостей качественно подтверждается и в твердом теле для ко-кристаллов TPPO с замещенными фенолами.
В итоге можно заключить, что во всех случаях воспроизводится общий ход корреляционной зависимости (монотонные, гладкие степенные функции как для ∆δP, так и для 〖∆v〗_(P=O)), но численные параметры корреляций сильно зависят от условий, что ограничивает диапазон применимости каждой корреляции в отдельности. Стоит также отметить, что наибольшие отклонения от корреляций демонстрируют комплексы с орто-замещенными фенолами, для которых характерно образование дополнительных невалентных взаимодействий с TPPO.
1. В растворе в смеси CDF3/CDF2Cl при температуре 100 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=14.7∙〖(∆δP)〗^0.54
2. В растворе в CDCl3 при температурах 232–298 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=5.1∙〖(∆δP)〗^1.1
3. В растворе в CCl4 при температуре 298 K справедливо выражение:
–∆H(кДж/моль)=10.4∙〖(〖∆v〗_(P=O))〗^0.33
4. В вакууме методами квантовой химии (B3LYP/6-311++G(d,p)) получены корреляции:
–∆E (кДж/моль)=8.8∙〖(ΔδP)〗^0.8
–∆E (кДж/моль)=2.9∙〖(Δv_(P=O))〗^0.84
5. Характер корреляционных зависимостей качественно подтверждается и в твердом теле для ко-кристаллов TPPO с замещенными фенолами.
В итоге можно заключить, что во всех случаях воспроизводится общий ход корреляционной зависимости (монотонные, гладкие степенные функции как для ∆δP, так и для 〖∆v〗_(P=O)), но численные параметры корреляций сильно зависят от условий, что ограничивает диапазон применимости каждой корреляции в отдельности. Стоит также отметить, что наибольшие отклонения от корреляций демонстрируют комплексы с орто-замещенными фенолами, для которых характерно образование дополнительных невалентных взаимодействий с TPPO.



