Тема: Изучение водородной связи и перехода протона в самоассоциатах фосфиновых и фосфорных кислот методом ЯМР спектроскопии
Закажите новую по вашим требованиям
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.
📋 Содержание
2. Литературный обзор 6
2.1.Определение водородной связи 6
2.2.Геометрия водородной связи 7
2.3.Энергия водородной связи 9
2.4.Спектральные характеристики водородной связи 14
2.4.1.ИК спектроскопия 14
2.4.2.ЯМР спектроскопия 16
2.5.Растворители 20
2.6.H/D изотопные эффекты 21
2.6.1.Влияние H/D изотопных эффектов на геометрию водородной связи 21
2.6.2.Геометрические H/D изотопные эффекты в системах с несколькими водородными связями 23
2.6.3.Спектральные H/D изотопные эффекты в системах с несколькими водородными связями 25
2.7.Спектры ЯМР и водородная связь в самоассоциатах фосфорсодержащих кислот 26
2.8.Протонпроводящие мембраны 30
3.Материалы и методы 32
3.1.Синтез смеси фреонов CDF3/CDF2Cl 32
3.2.Методика приготовления образцов 33
3.2.1.Приготовление соли (C6H5O)2POO−(C2H5)4N+ 33
3.2.2.Приготовление солей (C6H5)2POO−(C2H5)4N+ 34
3.2.3.Приготовление самоассоциатов 34
3.2.4.Приготовление смешанных самоассоциатов 34
3.2.5.Приготовление образцов для ЯМР измерений 35
3.3.ЯМР измерения 35
3.4.Методика определения степени дейтерирования 35
3.5.Квантово-химические расчеты 39
4.Обсуждения результатов 41
4.1.Самоассоциаты (C6H5O)2POOH кислоты 41
4.2.Гетерокомплексы (C6H5O)2POOH и (C6H5)2POOH кислот 43
4.3. Анионные комплексы дифенифосфиновой (C6H5)2POOH кислоты 46
4.4. Анионные комплексы дифенифосфорной (C6H5О)2POOH кислоты 51
4.5. Изучение гомосопряженных анионов с помощью квантово-химических расчетов 54
4.5.1.Комплексы 1:1 Н2РООН 55
4.5.2.Комплексы 1:2 Н2РООН 58
4.5.3.Комплексы 1:3 Н2РООН 60
4.5.4.Комплексы диметилфосфновой кислоты (СН3)2РООН 63
5.Выводы 64
6.Список литературы 65
📖 Введение
В образовании водородной связи участвуют протондонорная и протонакцепторная группы. Среди органических соединений самыми распространенными донорами протона являются молекулы, содержащие группы OH, NH, SH, FH, а самыми распространенными акцепторами протона выступают электроотрицательные атомы О, N, F с одной или несколькими локализованными неподеленными парами. При этом многие функциональные группы могут выступать одновременно и донором, и акцептором протона. Самыми известными примерами таких групп служат карбоновые кислоты, где карбоксильная группа -COOH играет роль донора и акцептора, и фосфорсодержащие кислоты с участием групп -POOH (фосфиновые, фосфоновые, фосфорные кислоты). Существует работs, посвященныt изучению электронейтральных и анионных (гомосопряженных) самоассоциатов различных карбоновых кислот[9, 10]. Однако, аналогичные комплексы с участием группы POOH, в том числе гетерокомплексы (или смешанные самоассоциаты) – комплексы, образованные различными кислотами –остаются малоизученными [11].
Водородные связи между фосфиновыми или фосфатными фрагментами – основной тип межмолекулярных взаимодействий в целом классе протонпроводящих материалов (протонпроводящих мембран). Их использование связано с особыми свойствами данных комплексов, а именно: способности образовывать разветвленные цепи взаимодействующих водородных связей, высокой геометрической мобильности ивысокой прочности водородных связей, т.е. пологих потенциальных кривых
и невысоких энергетических барьеров перехода протона[12, 13, 14].
Механизм перехода протона и свойства (геометрия, прочность)отдельных водородных связей в протонпроводящих полимерных мембранах на основе групп -POOHостаются малоизученными. Прямые кристаллографические данные о структуре водородных связей недоступны из-за отсутствия в структуре материалов дальнего порядка и из-за того, что положения легких атомов плохо определяются в рентгеноструктурном анализе. В результате, основным источником информации о водородных связях в таких системах являются спектральные методы, которые дают информацию о геометрии и энергиях водородных связей. Такие параметры, как колебательные частоты, частоты электронных переходов, химические сдвиги и интенсивности линий, характеризуют межмолекулярные взаимодействия[15, 16, 17, 18]. В частности, подробно применение спектроскопии ЯМР для изучения водородного связывания описывается в разделе 2.4.2.
Данная работа посвящена изучению водородной связи и перехода протона в самоассоциатах фосфиновых и фосфорных кислот методом ЯМР спектроскопии. Объектами исследования являются гипофосфорная H2POOH(1), диметифосфиновая (CH3)2POOH(2), а также дифенилфосфиновая (C5H6)2POOH(3) и дифенилфосфорная (C5H6O)2POOH(4) кислоты.
Комплексы 5–9изучались при помощи низкотемпературной ЯМР спектроскопии на ядрах 1H и 31P, в растворе в смеси дейтерированных сжиженных газов-фреонов CDF3/CDF2Cl, а также моделировались с использованием квантово-химических расчетов по методу DFT.В рамках данной работы решались следующие задачи:
1. Изучить спектральные характеристики водородной связи, а именно величины химических сдвигов δ1H и δ31P с помощью ЯМР спектроскопии;
2. Проанализировать геометрию и динамику водородной связи, химические сдвиги, переход протона на основании квантово-химических расчетов;
3. Произвести корреляцию экспериментальных и расчетных спектроскопических и геометрических данных для выяснения влияния геометрии и динамики водородного связывания на 1H и 31P спектры ЯМР.
✅ Заключение
2. По величинам и знакам вицинальных H/Dизотопных эффектов на химических сдвигах доказано образование двух конформеров гомосопряженного аниона дифенилфосфиновой кислоты состава 1:2 с антикооперативно взаимодействующими водородными связями.
3. С помощью квантово-химических расчетов было показано, что при усложнении состава гомосопряженного аниона фосфиновой кислоты (1:1 – 1:2 – 1:3 соответственно) происходит уменьшение прочности водородной связи, что вызывает смешение δ1Нв сильное поле, а δ31Р– в слабое поле.
4. В гомосопряженных анионах фосфиновых кислот конформационное многообразие достигается за счет вращений относительно связей ОН…О, РО в анионе и кислоте. На примере комплекса 1:1 было показано, что высота барьера перехода мостикового протона составляет 0.1 ккал/моль, т.е. такой процесс является быстрым в шкале времен ЯМР.
Результаты исследования самоассоциатов и гетерокомплексов (С6Н5)2РООН и (С6Н5О)2РООН кислот были включены в статью Valeriia V. Mulloyarova, Daria O. Ustimchuk, Aleksander Filarowski, Peter M. Tolstoy. H/D Isotope Effects on 1H-NMR Chemical Shifts in Cyclic Heterodimers and Heterotrimers of Phosphinic and Phosphoric Acids. Molecules2020, 25, 1907.



