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.
Перечень условных обозначений 3
Введение 4
1 Литературный обзор 9
1.1 Водородная связь 9
1.1.1 Номенклатура и типы водородной связи 9
1.1.2 Связь геометрии водородных связей со спектральными параметрами 11
1.1.3 H/D изотопные эффекты 15
1.1.4 Водородносвязанные комплексы фосфорсодержащих кислот 17
1.1.5 DFT квантово-химические расчеты комплексов с водородной связью 19
1.2 Протон-проводящие мембраны 23
1.3 Катализаторы стереоселективных реакций на основе хиральных фосфорорганических кислот 26
2 Материалы и методы 32
2.1 Экспериментальная часть 32
2.1.1 Реактивы 32
2.1.2 Характеристики и синтез смеси газов-фреонов 32
2.1.3 Приготовление образцов 35
2.1.4 Измерения методом спектроскопии ЯМР 37
2.2 Квантово-химические расчеты 38
3 Обсуждение результатов 39
3.1 Спектры ЯМР комплексов фосфорсодержащих кислот с протонной губкой 39
3.1.1 Комплексы дифенилфосфорной кислоты (PhO)2POOH с протонной губкой 39
3.1.2 Комплексы диметилфосфорной кислоты (MeO)2POOH с протонной губкой 45
3.1.3 Комплексы дифенилфосфиновой кислоты Ph2POOH с протонной губкой 48
3.1.4 Комплексы фенилфосфиновой кислоты PhHPOOH c протонной губкой 49
3.2 Квантово-химические расчеты гомосопряженных анионов кислот (1)–(5) 56
3.2.1 Геометрические, энергетические и QTAIM-параметры водородных связей в гомосопряженных анионах состава 1:1 и 2:1 56
3.2.2 Энергетические барьеры конформационных переходов в гомосопряженных анионах состава 2:1 60
3.2.3 Взаимное влияние водородных связей в гомосопряженных анионах состава 2:1 63
3.2.4 Оценка первичных и вторичных H/D изотопных эффектов на химических сдвигах ядер 1H и 31P в гомосопряженных анионах состава 1:1 65
Выводы 72
Благодарности 73
Список цитированной литературы 74
📖 Введение
Водородная связь – один из наиболее распространенных типов невалентных взаимодействий, играющий ключевую роль в определении физико-химических и биологических свойств различных классов соединений, материалов и растворов. Действительно, водородные связи ответственны за стабилизацию многих природных и синтетических полимеров (например, вторичной, третичной и четвертичной структуры белков[1]–[3], двойной спирали ДНК[4]–[6], полиамидных волокон [7]), самосборку супрамолекулярных структур и упаковку молекул в кристаллах[8], [9], обусловливают уникальные свойства воды и некоторых растворов[10], [11].
Понимание процессов образования, структуры и динамики водородных связей в зависимости от внешних условий является предметом широкого междисциплинарного исследования, использующего современные достижения многих отраслей науки, экспериментальной и вычислительной техники. С каждым годом увеличивается число публикаций, посвященных как самой водородной связи, так и процессам перехода протона в комплексах с водородной связью различных типов[12]–[14]. Установление стехиометрии комплексов, геометрии водородных связей в них, а также оценки их прочности в газовой, жидкой и твердой фазе проводится как спектральными методами (спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)[15]–[17], спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) [18], инфракрасная (ИК) [19]–[21]спектроскопия, электронная спектроскопия в ультрафиолетовой (УФ) / видимой области [22]–[24], рентгенография[25]–[27], электронография[28]инейтронография[29], [30]), так и расчетными методами классической и abinitio молекулярной динамики[31]–[33] и квантовой химии[34]–[36]. При этом часто применяются спектральные корреляционные методы[37]–[39], основанные на том, что многие спектральные параметры – химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия в спектрах ЯМР, частоты, интенсивности и формы контуров в оптических спектрах – могут использоваться как маркеры для описания межмолекулярных взаимодействий.
Спектроскопия ЯМР остается одним из наиболее информативных методов изучения комплексов с водородной связью, для которых при определенных условиях можно наблюдать, в частности, сигналы мостиковых протонов, сдвинутые, как правило, в низкопольную часть спектра тем больше, чем прочнее соответствующая водородная связь. Однако, из-за относительно низкой прочности водородных связей, при температурах, близких к комнатной, время жизни комплексов слишком мало: происходит быстрый молекулярный и протонный обмен, приводящий к усреднению спектральных параметров по всему набору сосуществующих молекулярных форм. Для решения данной проблемы была разработана и продолжает совершенствоваться низкотемпературная (вплоть до 100 К) жидкостная спектроскопия ЯМР[40]–[42]. Низкая температура способствует замедлению процессов обмена и позволяет сдвинуть динамическое равновесие в сторону комплексообразования. При этом становится возможным наблюдать разрешенные сигналы мостиковых протонов комплексов разного стехиометрического, конформационного и изотопного состава.
Многие классы органических соединений благодаря одновременному наличию протонодонорной (OH, NH, FH, SH и др.) и протонакцепторной групп c сильно электроотрицательными атомами (O, N, F и др.) способны к образованию различных самоассоциатов, удерживаемых водородными связями: от циклических димеров, тримеров и тетрамеров до бесконечных цепей. Примерами служат пиразолы [43], [44], амидины [45], карбоновые кислоты[46], [47], мышьяксодержащие кислоты[26], [27]. Фосфорсодержащие соединения могут выступать в комплексах с водородной связью как в качестве акцептора протона (фосфины и фосфиноксиды), так и одновременно в качестве донора и акцептора протона (фосфиновые, фосфоновые и фосфорные кислоты), имея в своем составе группы POH и P=O (рис. 1).К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных изучению электронейтральных самоассоциатов [48], [49] и гетероассоциатов [50] фосфорсодержащих кислот, а также их комплексов с органическими основаниями[51], [52].
В современной теории химической связи гомосопряженные ионы, т.е. комплексы с водородной связью, образованные молекулой кислоты и сопряженным ей основанием (или основанием и сопряженным ему кислотой) представляют фундаментальный интерес,являясь одними из самых известных комплексов с наиболее прочными водородными связями, образованными сильно электроотрицательными элементами. Классическим примером гомосопряженного аниона является дифторид-анион[F∙∙∙H∙∙∙F]─с прочностью связей свыше 180 кДж/моль[53](рис. 2а). Экстремально большие значения протонных химических сдвигов проявляют гомосопряженные катионы органических оснований с низкобарьерными водородными связями, типа комплекса пиридин-пиридиний (рис. 2б). Водородные связи в таких комплексах короткие, линейные и формально центрально-симметричные, однако на положение мостикового протона оказывают влияние многие факторы (электроотрицательность тяжелых атомов, стерические и электронные эффекты заместителей, полярность среды / кристаллическое поле и др.).
Гомосопряженные анионные комплексы кислот, содержащих группу POOH, с их сопряженными основаниями (группа POO–)– гомосопряженные анионы – остаются мало изученными[55], [56]. В частности, за исключением единственной публикации [54] (рис. 2в), в литературе отсутствуют данные о положениях и динамике мостиковых протонов, а также о взаимном влиянии водородных связей в комплексах неэквимолярного состава.
Спектроскопия ЯМР на ядре атома фосфора-31 – мощный и потенциально высокоинформативный инструмент для анализа структуры комплексов фосфорсодержащих соединений. Ядро 31P выделяют 100%-е естественное содержание, спиновое квантовое число 1/2, достаточно большое гиромагнитное отношение (17.235 МГц/Т) и широкий спектральный диапазон (до 2000 м.д.) [57], [58], а также высокая чувствительность изотропных значений [59] и отдельных компонент [60], [61] тензора анизотропии химического сдвига к деталям молекулярной структуры, в частности, благодаря близости к водородному мостику. Спектральные преимущества ядра 31P были использованы, например, для построения различных шкал кислотности Брёнстеда и Льюиса [62]–[64] (наиболее известной из которых является шкала акцепторных чисел Гутмана-Беккета [65]–[67]), количественного определения прочности водородных связей катализаторов на основе тиомочевины с использованием триалкилфосфиноксида в качестве зондовой молекулы[68]и др. В работах [61], [69] по величинам δ31P изучались эффекты, связанные с гидратацией несколькими молекулами воды различных фосфорсодержащих кислот в твердом теле, а также образования одной или двух водородных связей OHO в комплексах фосфиноксидов. Тем не менее, для групп POOH и POO─ в составе гомосопряженных анионов фосфорсодержащих кислот неизвестна ни чувствительность химического сдвига 31P к образованию водородных связей, ни характерные спектральные диапазоны при образовании комплексов разного стехиометрического и конформационного состава, что затрудняет характеризацию указанных невалентных взаимодействий по31P спектрам ЯМР.
Таким образом, данная работа посвящена изучению анионных комплексов с водородной связью – гомосопряженных анионов, для которых в качестве основных объектов исследования были выбраны четыре фосфорсодержащие кислоты (рис. 3): дифенилфосфорная (PhO)2POOH (1), диметилфосфорная (MeO)2POOH (2), дифенилфосфиновая Ph2POOH (3) и оптически активная фенилфосфиновая PhHPOOH (4) кислота. Дополнительным объектом теоретического изучения была выбрана фосфорноватистаяH¬2POOH (5) кислота.
Целью данной работы является изучение с помощью низкотемпературной жидкостной1Н и 31Р спектроскопии ЯМР и квантово-химических расчетов структурных и спектральных свойств гомосопряженных анионов фосфорсодержащих кислот.
Для достижения данной цели были поставлены следующие экспериментальные и теоретические задачи:
1. С помощью низкотемпературной жидкостной спектроскопии ЯМР установить стехиометрию, и охарактеризовать динамику структуры гомосопряженных анионов фосфорсодержащих кислот 1–4в апротонной полярной среде на основе 1H и 31P{1H} спектров ЯМР.
2. С помощью DFT квантово-химических расчетов оценить прочность и барьеры конформационных превращений различных молекулярных форм, установить знаки первичных и вторичных H/D изотопных эффектов для комплексов эквимолярного состава, а также определить взаимное влияние водородных связей в комплексах неэквимолярного состава.
✅ Заключение
В данной работе было показано, что в сжиженной смеси дейтерированных газов фреонов (CDF3/CDF2Cl) при низкой температуре (до 100 К) выбранные фосфорсодержащие кислоты (дифенилфосфорная (PhO)2POOH (1), диметилфосфорная (MeO)2POOH (2), дифенилфосфиновая Ph2POOH (3) и фенилфосфиновая PhHPOOH (4))образуют со своими сопряженными основаниями прочные гомосопряженные анионы состава 1:1, (AHA)–, 2:1, (AH)2A– и др. Оказалось, что геометрические, энергетические и спектральные параметры O•••H•••Oводородных связей в них близки, что, в частности, проявляется в слабо выраженном взаимном влиянии водородных связей в анионных комплексах кислот (1)–(4) неэквимолярного состава.
Стехиометрия комплексов была установлена на основеотносительных интегральных интенсивностей сигналов в комплементарных 1Hи 31P{1H} спектрах ЯМР соответствующих образцов. Обнаружено, что в гомосопряженных анионах неэквимолярного состава происходит быстрый в шкале времен ЯМР внутримолекулярный протонный обмен, сопровождающийся конформационными переходами, что приводит к химической эквивалентности не только всех мостиковых протонов, но и ядер 31P. При этом в случае анионного комплекса хиральной кислоты (4) на 31P{1H} спектре ЯМР наблюдаются три сигнала вследствие анизотропии химического сдвига ядер 31P.
С помощью квантово-химических расчетов было установлено, что водородные связи в гомосопряженных анионах кислот (1)–(4) состава 1:1 и 2:1 почти линейные, достаточно короткие и прочные, нонесимметричные. Энергетические барьеры конформационных переходов в гомосопряженных анионах состава 2:1, включающие повороты кислотных остатков друг относительно друга, составляют величину порядка 30 кДж/моль, которая оказывается вполне преодолимой при температуре 100 К. Водородные связи в гомосопряженных анионах состава 1:1 характеризуются крайне низкими барьерами перехода мостиковой частицы от одного акцептора к другому, а также положительными знаками первичных H/D изотопных эффектов (за исключением анионного комплекса кислоты (4)), что указывает на укорочение и упрочнение водородных связей при замене мостикового протона на дейтрон. При этом химические сдвиги ядер 31Pоказываются практически нечувствительными к изотопозамещению (вторичные H/D изотопные эффекты не проявляются).