Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
ℹ️Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
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
📖 Введение
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.
✅ Заключение
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.