Методика расчета термодинамических характеристик комплексов с водородной связью на основании уравнения Вант-Гоффа. Схема распределения электронной плотности в молекуле пиримидина. Определение роли, которую играют заместители в пиримидиновом цикле.
При низкой оригинальности работы "Исследование водородных связей аминопиримидинов в комплексах различного состава с протоноакцепторами в растворах", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Отсутствуют систематические исследования влияния гетероатомов и заместителей в ароматическом кольце на протонодонорные и протоноакцепторные способности аминопиримидинов в Н-связи. Целью работы является изучение влияния гетерозамещения, а так же положения, числа и рода заместителей в пиримидиновом цикле на спектральные, геометрические, динамические, электрооптические и энергетические характеристики аминогруппы свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул аминопиримидинов с различными протоноакцепторами в растворах; расчет свободных молекул и комплексов с водородными связями методами валентно-силового поля (ВСП) и квантовомеханическими методами ab initio; сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных; установление корреляций между спектральными, геометрическими, динамическими, электрооптическими и энергетическими характеристиками молекул. Проведено систематическое экспериментальное исследование параметров полос поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы свободных и связанных Н-связью 2-аминопиримидина, 4-аминопиримидина, 5-аминопиримидина, 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидина, 2-амино-4,6-дихлор-пиримидина, 2-амино-4,6-диметоксипиримидина, 2-амино-5-нитропиримидина. Определены термодинамические характеристики комплексов с Н-связью состава 1:1 и 1:2 аминопиримидинов и их замещенных с протоноакцепторами и исследована энергетическая неэквивалентность Н-связей в комплексах различного состава. Для исследуемых полос поглощения валентных колебаний аминогруппы свободных и связанных Н-связью молекул аминопиримидинов определялись: М(0) - нулевой спектральный момент (полная интегральная интенсивность полосы), М(1) - первый спектральный момент (центр тяжести полосы) и М(2) - второй центральный момент, связанный с «эффективной» полушириной соотношением (?n1/2)эфф = 2(М(2))1/2.Изучены спектральные проявления водородной связи в комплексах состава 1:1 и 1:2 на полосах поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы семи аминопиримидинов при ассоциации с различными протоноакцепторами, определены спектральные моменты полос поглощения свободных и связанных Н-связью молекул. В интервале 280 - 330 К исследована температурная зависимость спектральных характеристик М(0), М(1) и 2(М(2))1/2 мономерных молекул и комплексов с Н-связью состава 1:1 с различными протоноакцепторами. Для комплексов состава 1:1 исследована температурная зависимость константы равновесия процесса комплексообразования и на основании уравнения Вант-Гоффа вычислены термодинамические характеристики комплексов состава 1:1 аминопиримидинов и их замещенных с различными протоноакцепторами в CCL4. В рамках шестикоординатной модели R-NH2 для свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул решены колебательная и электрооптическая задачи. Между спектральными, геометрическими, динамическими, электрооптическими и энергетическими характеристиками аминогруппы свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул установлены корреляционные соотношения, позволяющие определять важные параметры молекул по исследованиям полос поглощения валентных колебаний аминогруппы в ИК-области спектра.
Введение
Актуальность темы. Амино- и иминопиримидиновые формы широко распространены в природе и играют важную роль в биологических процессах, а так же в механизме действия лекарственных препаратов на живой организм. Они входят в состав многих биологически значимых соединений: молекул ДНК и РНК, витаминов группы В, антибиотиков, препаратов, стимулирующих метаболические процессы.
Механизмы взаимодействия биологически активных молекул с окружением во многом определяются водородными связями (Н-связями), обеспечивающими гибкость, быстроту и разнообразие биохимических процессов. Наиболее распространенными являются водородные связи N-H···O, N-H···N, энергия которых составляет величину 3?7 ккал/моль. Посредством таких связей, например, обеспечивается сцепление между комплиментарными парами азотистых оснований в спирали ДНК.
Однако, водородные связи аминопиримидинов, и тем более их замещенных, изучены недостаточно. Отсутствуют систематические исследования влияния гетероатомов и заместителей в ароматическом кольце на протонодонорные и протоноакцепторные способности аминопиримидинов в Н-связи. В связи с этим, представляется чрезвычайно актуальным проведение более детального изучения этих соединений и водородно-связанных комплексов с их участием.
Наиболее информативным методом в изучении водородных связей является метод ИК-спектроскопии. Он позволяет исследовать протонодонорные и протоноакцепторные свойства соединений, а так же динамическую, электрооптическую и энергетическую неэквивалентность NH-связей аминогруппы в комплексах с внутри- и межмолекулярной водородной связью, а так же в комплексах состава 1:1 и 1:2 с различными протоноакцепторами.
Роль заместителей в пиримидиновом цикле чрезвычайно высока. Реакционные свойства цикла существенно зависят от природы, положения и числа заместителей в ароматическом кольце. Этот и подобные факты привели к гипотезе об электронном механизме действия биологически активных веществ на живой организм. Эта гипотеза оказалась весьма плодотворной при обсуждении лечебного эффекта многих фармакологических препаратов.
Важным этапом в исследовании комплексов с водородными связями является количественное изучение процесса комплексообразования, ставшее возможным в результате развития теории водородной связи, применения методов валентно-силового поля и квантовомеханических расчетов (полуэмпирических и ab initio).
Использование количественных методов при исследовании комплексов с водородными связями позволяет глубже понять механизм водородной связи и установить корреляции между физическими характеристиками молекул и их спектральными проявлениями.
Целью работы является изучение влияния гетерозамещения, а так же положения, числа и рода заместителей в пиримидиновом цикле на спектральные, геометрические, динамические, электрооптические и энергетические характеристики аминогруппы свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул аминопиримидинов с различными протоноакцепторами в растворах; расчет свободных молекул и комплексов с водородными связями методами валентно-силового поля (ВСП) и квантовомеханическими методами ab initio; сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных; установление корреляций между спектральными, геометрическими, динамическими, электрооптическими и энергетическими характеристиками молекул.
Научная новизна. Проведено систематическое экспериментальное исследование параметров полос поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы свободных и связанных Н-связью 2-аминопиримидина, 4-аминопиримидина, 5-аминопиримидина, 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидина, 2-амино-4,6-дихлор-пиримидина, 2-амино-4,6-диметоксипиримидина, 2-амино-5-нитропиримидина.
Определены термодинамические характеристики комплексов с Н-связью состава 1:1 и 1:2 аминопиримидинов и их замещенных с протоноакцепторами и исследована энергетическая неэквивалентность Н-связей в комплексах различного состава.
В приближении модели R-NH2 валентно-силового поля для свободных и связанных молекул аминопиримидинов и их замещенных решены колебательная и электрооптическая задачи. Установлены корреляции между спектральными, геометрическими, динамическими и электрооптическими характеристиками свободных и связанных молекул.
Произведен сравнительный анализ влияния положения, числа и рода заместителей на спектральные, геометрические, динамические, электрооптические и энергетические характеристики свободных и связанных молекул.
Для свободных и связанных Н-связью (1:1) с различными протоноакцепторами молекул аминопиримидинов и их замещенных в приближении DFT-B3LYP/6-31G** и ab initio MP2/6-31 G** решена квантовомеханическая задача. Исследовано распределение зарядов на атомах (по Малликену), определены дипольные моменты, спектральные характеристики и произведено сопоставление расчетных и экспериментальных величин. Найдено удовлетворительное согласие между ними.
Анализ экспериментальных данных и результатов квантовомеханических расчетов позволил высказать предположение о существенной роли в процессе комплексообразования аминопиримидинов с протоноакцепторами переноса заряда по водородному мостику.
Практическая значимость работы заключается в систематическом исследовании влияния положения атомов азота относительно аминогруппы в пиримидиновом кольце и влияния положения, числа и рода заместителя в пиримидиновом цикле на протонодонорную способность, спектральные характеристики и другие параметры аминогруппы свободных и связанных молекул. Результаты работы позволяют дать объективную оценку сопоставимости данных квантовомеханических расчетов и экспериментальных данных. Найденные в работе корреляционные соотношения для аминопиримидинов и их замещенных позволяют определять важные параметры молекул по измерениям характеристик полос поглощения аминогруппы в ИК-области спектра.
Результаты исследований водородных связей аминопиримидинов и их замещенных представляют интерес для исследователей, работающих в области физики, химии, биологии, медицины.
Достоверность результатов подтверждается многократным (не менее 5 раз) повторением эксперимента, воспроизводимостью результатов при варьировании содержания доноров и акцепторов протона в растворах, корректной оценкой погрешности эксперимента, сопоставлением экспериментальных данных с данными других авторов, использованием апробированной методики эксперимента и расчетной модели.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на восьмой и девятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002г и Красноярск, 2003г), на XL-ой международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2002г), на международной конференции «Новые методы молекулярной спектроскопии» (Польша, Вроцлав, 2002г), а так же на международной конференции «Физико-химические методы в медицинских и биологических исследованиях» (Польша, Вроцлав, 2003г).
1. Литературный обзор
Обзор спектроскопических исследований аминопиридинов, аминопиримидинов и близких к ним по структуре соединений. Приведены спектральные характеристики полос поглощения, динамические, электрооптические и другие параметры анализируемых соединений, полученные рядом авторов. Обсуждены спектральные изменения, наблюдаемые на полосах поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы при образовании комплексов с Н-связью (1:1 и 1:2) первичными ароматическими и алифатическими аминами с протоноакцепторами. Рассмотрено влияние резонанса Ферми колебаний ?с(NH) и 2?(HNH) на структуру полос поглощения комплексов в Н-связью.
Кратко описаны наиболее распространенные полуэмпирические методы расчетов молекул от самых ранних (CNDO (ППДП), метод полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием) до поздних параметрических методов AM1 и PM3. Здесь же даются необходимые сведения о неэмпирических (ab initio) методах расчета, их классификации и используемых в них приближениях.
Посвящен анализу результатов исследований ароматических аминов различными квантовомеханическими методами. Обсуждаются некоторые особенности квановомеханических расчетов комплексов с водородными связями.
2. Техника и методика эксперимента
Спектры исследуемых соединений получены на инфракрасном модернизированном спектрофотометре SPECORD - 75 IR фирмы Carl Zeiss Jena в оптимальных условиях регистрации, при соответствующем выборе спектральной ширины щели, скорости сканирования и постоянной времени прибора. Оптимальная фотометрическая точность достигалась путем подбора толщины поглощающего слоя.
В качестве акцепторов протона использовались ацетонитрил (CH3CN), диоксан, тетрагидрофуран (ТГФ), диметилформамид (ДМФА), диметилсульфоксид (ДМСО) и гексометилфосфортриамид (ГМФА).
Для исследуемых полос поглощения валентных колебаний аминогруппы свободных и связанных Н-связью молекул аминопиримидинов определялись: М(0) - нулевой спектральный момент (полная интегральная интенсивность полосы), М(1) - первый спектральный момент (центр тяжести полосы) и М(2) - второй центральный момент, связанный с «эффективной» полушириной соотношением (?n1/2)эфф = 2(М(2))1/2.
При описании спектральных характеристик полос поглощения свободных и связанных молекул использовались следующие обозначения: ?s(NH2) и ?as(NH2) - полосы поглощения симметричного и антисимметричного валентных колебаний аминогруппы свободных молекул. Спектральные моменты и интегральная интенсивность этих полос не имеют нижних индексов (М(1), 2(М(2))1/2, B);
?c(NH) и ?f(NH) - полосы поглощения комплексов состава 1:1. Полоса ?c(NH) соответствует колебанию связанной NH-группы, полоса ?f(NH) - несвязанной NH-группы («свободное» колебание). Спектральные моменты и интегральная интенсивность этих полос имеют нижний индекс (Мс(1), 2(Мс(2))1/2, Bc). Динамические постоянные K(NH) и электрооптические параметры ?m/?q связанной NH-группы имеют индекс 1, несвязанной NH-группы - 2;
ncs(NH2) и ncas(NH2) - полосы поглощения симметричного и антисимметричного валентных колебаний аминогруппы в комплексах состава 1:2. Моменты и интенсивность этих полос также имеют нижний индекс (Мс(1), 2(Мс(2))1/2, Bc);
Полосы поглощения ?c(NH) (1:1) и ncs(NH2) (1:2) комплексов с Н-связью наблюдались в виде дублета или триплета. Такая структура полос обусловлена резонансом Ферми валентного колебания ?с(NH) с обертоном деформационного колебания 2?(HNH), а так же обертоном или составным колебанием ароматического кольца. В спектрах поглощения комплексов состава 1:1 производилось графическое разделение полос, при котором выделялись полосы ns(NH2), а так же совокупные полосы nc(NH) 2?(HNH) и nas(NH2) nf(NH). Интегральная интенсивность полос ?c(NH) и ?f(NH) находилась расчетным путем.
Описана методика определения термодинамических характеристик комплексов с Н-связью состава 1:1 на основании уравнения Вант-Гоффа:
и комплексов состава 1:2 на основании «правила интенсивностей» Иогансена: , Где: ;
n - коэффициент преломления среды.
Даны ссылки на работы, в которых в рамках модели R-NH2 валентно-силового поля рассмотрено решение колебательной и электрооптической задач для свободных и связанных Н-связью молекул первичных ароматических аминов.. Влияние положения аминогруппы в пиримидиновом цикле на характеристики аминогруппы аминопиримидинов
Дана краткая характеристика электронной структуры пиримидина. Распределение электронной плотности в пиримидине весьма неравномерно. Атомы азота в нем обладают электроноакцепторными свойствами и «стягивают» на себя электронную плотность цикла, способствуя, таким образом, стабилизации положительного заряда в положениях 2, 4 и 6. В общем плане в основном состоянии молекулы пиримидина электронные заряды распределены следующим образом, рис. 1.
Из рисунка видно, что положение 2 в кольце пиримидина наиболее чувствительно к нуклеофильной атаке. Более слабыми электрофильными реакционными центрами являются атомы 4 и 6, а атом 5 характеризуется очень слабыми нуклеофильными свойствами. Поведение заместителей в положениях 2, 4 и 6 в пиримидиновом кольце подобно их поведению в алифатических аминах, в то время как поведение заместителей в положении 5 аналогично их поведению в ароматических соединениях.
Рис. 1. Схема распределения электронной плотности в молекуле пиримидина
В области валентных и деформационных колебаний аминогруппы были получены инфракрасные спектры 2- и 4-аминопиримидина. Регистрация спектров производилась в температурном интервале 280 - 330 К.
Температурная зависимость спектральных характеристик полос поглощения ?s(NH2) и ?as(NH2) несвязанных молекул аппроксимируется линейной функцией вида Y = AT b (Y = М(1), 2(М(2))1/2, B). Параметр а = ?Y/?Т характеризует скорость изменения соответствующей спектральной характеристики от температуры.
Спектральные характеристики полос поглощения валентных колебаний аминогруппы 2- и 4-аминопиримидинов, расчитаные по соответствующим уравнениям для температуры 298 К, а так же частоты полос поглощения деформационных колебаний ?(HNH) представлены в табл. 1. Для сравнения там же приведены аналогичные данные для анилина и аминопиридинов.
Таблица 1. Спектральные характеристики полос поглощения ?s(NH2) и ?as(NH2) аминогруппы анилина и его гетерозамещенных в CCL4 (T=298 K).
Соединение ns(NH2) nas(NH2) g(HNH) (град.) К(NH)? 10-6 (см-2) ?m/?q (DA-1)
* Рассчитаны по данным других авторов с учетом поправочных коэффициентов.
Из табл. 1 видно, что спектральные характеристики полос поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы существенно зависят от положения и числа гетероатомов в ароматическом кольце анилина. В ряду: анилин, 2-аминопиридин, 2-аминопиримидин введение атомов азота в анилиновое кольцо в ортоположении относительно аминогруппы приводит к монотонному, в пределах ошибки эксперимента, повышению частот ?s(NH2) и ?as(NH2) валентных колебаний аминогруппы и увеличению интегральной интенсивности. По своим спектральным характеристикам 4-аминопиримидин находится между 2-аминопиридином и 2-аминопири-мидином, что вполне согласуется с его молекулярной структурой. В ряду: анилин, 3-аминопиридин, 5-аминопиримидин, где атомы азота находятся в метаположении относительно аминогруппы, спектральные характеристики веществ меняются совсем незначительно. Эти результаты находятся в согласии с утверждением о том, что положение 5 в пиримидиновом цикле обладает повышенной «ароматичностью».
Рис. 2. Полосы поглощения аминопиримидинов, содержащих недейтерированные и дейтерированные аминогруппы. (1,2) 2-аминопиримидин (C = 0.005 M), (3,4) 4-аминопиримидин (C = 0.004 M)
Исследование спектров недейтерированных R-NH2 и частично дейтерированных (R-NHD, R-ND2) аминопиримидинов в CCL4, рис. 2, показывает, что полосы поглощения ?(NH) и ?(ND) изотопических молекул R-NHD 4-аминопиримидина имеют дублетную структуру. Это свидетельствует о том, что NH-связи аминогруппы 4-аминопиримидина неэквивалентны. Величина дублетного расщепления для полосы ?(NH) составляет 19 см-1, а для полосы ?(ND) - порядка 12 см-1. На основании шестикоординатной модели R-NH2, для свободных молекул аминопиримидинов в CCL4 были решены колебательная и электрооптическая задачи. Расчет производился с привлечением частот валентных и деформационных колебаний аминогруппы в изотопических молекулах R-NH2, R-NHD, R-ND2. Для молекул 4-аминопиримидина задачи были решены с учетом динамической и электрооптической неэквивалентности NH-связей аминогруппы. Для свободных молекул аминопиримидинов в CCL4 получены следующие линейные зависимости: Между спектральными моментами Ms(1), Mas(1) и параметром (K(NH))1/2: Ms(1) = 0.7413 (K(NH))1/2 934.2 ; n = 3, r = 0.9963 (1)
Mas(1) = 1.3112 (K(NH))1/2 - 873.9 ; n = 3, r = 1.0000 (2)
Между спектральной разностью DM(1) = Mas(1) - Ms(1) и величиной валентного угла g(HNH): DM(1) = 3.936 g(HNH) - 331.7 ; n = 3, r = 0.9961 (3)
Между электрооптическими параметрами аминогруппы и параметром (K(NH))1/2: ¶m/¶q = 0.01481 (K(NH))1/2 - 48.0 ; n = 3, r = 0.9846 (4)
¶m/¶q? = 0.004915 (K(NH))1/2 - 16.1 ; n = 3, r = 0.9936(5)
Подобные корреляции были получены ранее для аминопиридинов. Сравнение аналогичных соотношений для аминопиридинов и аминопиримидинов показывает, что введение второго атома азота в ароматическое кольцо мало влияет на изменение параметров уравнений линейной регрессии (1-5).
Нами были проведены квантовомеханические расчеты распределения атомных зарядов на фрагменте C-NH2 молекул аминопиримидинов. При расчетах использовались методы AM1, PM3, DFT-B3LYP/6-31G** и ab initio MP2/6-31G**. Все методы, кроме PM3, предсказывают качественно схожее распределение зарядов на атомах фрагмента C-NH2 молекул аминопиримидинов.
Анализ зарядов на атомах H1 и H2 аминогруппы в двух симметричных молекулах 2- и 5-аминопиримидинах показывает, что избыточный положительный заряд на атомах H уменьшается при переходе от 2-аминопиримидина к 5-аминопирими-дину. Атомы H1 и H2 4-аминопиримидина имеют различный избыточный положительный заряд. Этот факт служит дополнительным аргументом в пользу неэквивалентности NH-связей аминогруппы в молекуле 4-аминопиримидина. Стоит заметить, что избыточный положительный заряд на атоме H2 4-аминопиримидина выше, а на атоме H1 ниже, чем заряды на аналогичных атомах H аминогруппы в 2- и 5-аминопиримидинах.
Из сказанного следует, что протонодонорная способность аминогруппы в комплексах состава 1:1 с межмолекулярной водородной связью с различными протоноакцепторами должна уменьшаться в ряду 4-, 2-, 5-аминопиримидин. Этот вывод, основанный на результатах квантовомеханических расчетов, подтверждается экспериментальным путем. исследуются комплексы с Н-связью состава 1:1 и 1:2 аминопиримидинов с различными протоноакцепторами, рис. 4. Полосы поглощения ?c(NH) комплексов состава 1:1 расположены в спектре ниже 3400 см-1, и имеют сложную структуру изза резонанса Ферми. В дальнейшем, для удобства, будем говорить о ферирезонансном дублете ?с(NH) и 2?(HNH), учитывая, что влияние обертона кольца на перераспределение интенсивности полосы ?с(NH) значительно слабее.
Рис. 3. Полосы поглощения валентных колебаний 2-аминопиримидина (a) и 4-аминопиримидина (b) в комплексах с Н-связью состава 1:1 с различными протоноакцепторами в CCL4 (CD = 0.015 M). 1: CCL4; 2: CH3CN - 1.00 M; 3: ТГФ - 0.30 M; 4: ДМФА - 0.25 M; 5: ДМСО - 0.25 M; 6: ГМФА - 0.06 M пиримидиновый термодинамический водородный
Определены спектральные характеристики полос поглощения ?c(NH) и ?f(NH) комплексов состава 1:1 аминопиримидинов с различными протоноакцепторами. По мере увеличения силы акцептора в ряду: диоксан, ТГФ, ДМФА, ДМСО, ГМФА полосы поглощения ?c(NH) и ?f(NH) аминопиримидинов испытывают значительный низкочастотный сдвиг. Интегральная интенсивность полос ?c(NH) увеличивается, причем, для 4-аминопиримидина она на 20-30 % выше, чем для 2-аминопиримидина. Изучено влияние температуры на контуры полос поглощения валентных колебаний аминогруппы молекул 2- и 4-аминопиримидинов, связанных Н-связью в комплексах состава 1:1 с протоноакцепторами.
В рамках модели R-NH2 валентно-силового поля для комплексов состава 1:1 2- и 4-аминопиримидинов с протоноакцепторами решены колебательная и электрооптическая задачи. Определены динамические постоянные K1(NH), K2(NH) и электрооптические параметры ?m1/?q1, ?m2/?q2, ?mi/?qj (i, j = 1,2; i ? j).
Между спектральными, динамическими и электрооптическими характеристиками аминогруппы аминопиримидинов в комплексах состава 1:1 имеют место линейные корреляции: Mc(1) (1:1) = 0.89703 (K1(NH))1/2 432.3; n = 6, r = 0.9570(6)
¶m1/¶q1 (1:1) = -0.00540 (K1(NH))1/2 21.2; n = 6, r = 0.9312(7)
Сравнение зависимостей (6,7) для аминопиримидинов и аналогичных корреляций для аминопиридинов показывает, что спектральные моменты Mc(1) (1:1) аминопиримидинов менее чувствительны к изменению динамической постоянной K1(NH), чем у аминопиридинов.
Термодинамические характеристики - изменение энтальпии -?Н1, энтропии ?S и константы равновесия К298 для комплексов состава 1:1 анилина, аминопиридинов и аминопиримидинов с протоноакцепторами представлены в табл. 2.
Из таблицы видно, что увеличение числа атомов азота в ароматическом кольце приводит к увеличению энтальпии -?Н1 H-связанных комплексов состава 1:1, т.е. энергия водородной связи в ряду: анилин, аминопиридин, аминопиримидин возрастает. При этом энтальпия комплексов состава 1:1 более чувствительна к положению аминогруппы в пиримидиновом кольце, чем в пиридиновом. Константы равновесия К298 для комплексов (1:1) аминопиримидинов с протоноакцепторами, напротив, по своим значениям ближе к анилинам, чем к аминопиридинам. Приведенные в табл. 2 данные количественно подтверждают вывод о том, что 4-аминопиримидин является более сильным донором протона, чем 2-аминопиримидин.
Таблица 2. Термодинамические характеристики комплексов с Н-связью состава 1:1 анилина, аминопиридинов и аминопиридинов с различными протоноакцепторами в CCL4
На рис. 4 представлены спектры аминопиримидинов в апротонных растворителях. В таких условиях образуются, как правило, комплексы состава 1:2. С увеличением силы H-связи (1:2) в ряду протоноакцепторов: CH3CN, диоксан, ТГФ, ДМФА, ДМСО, ГМФА наблюдается все большее перекрывание высокочастотной компоненты ncs(NH2) фермирезонансного дублета с полосой ncas(NH2) комплексов состава 1:2.
Вследствие этого спектральные характеристики полос ncs(NH2) и ncas(NH2) для комплексов аминопиримидинов с сильными протоноакцепторами не определялись.
Для комплексов состава 1:2 аминопиримидинов с протоноакцепторами так же решены колебательная и электрооптическая задачи.
Определены валентные углы g(HNH), динамические постоянные K(NH) и электрооптические параметры ?m/?q и ?m/?q? комплексов 1:2.
Рис. 4. Полосы поглощения валентных колебаний аминогруппы 2-аминопиримидина (a) и 4-аминопиримидина (b) в комплексах с Н-связью состава 1:2 с различными протоноакцепторами. 1: CCL4 (0.015 M); 2: CH3CN (0.25 М/0.20 M) 3: ТГФ (0.25 M /0.20 M); 4: Диоксан (0.25 M/0.20 M); 5: ДМФА (0.35 M); 6: ДМСО (0.35 M); 7: ГМФА (0.50 M). Т = 298 К
Как и в случае свободных молекул, для комплексов состава 1:2 имеют место линейные корреляции между спектральными, геометрическими, динамическими и электрооптическими характеристиками: Ms(1) (1:2) = 1.0651 (K1(NH))1/2 - 169.3 ; n = 9, r = 0.9970(8)
Mas(1)(1:2) = 1.0347 (K1(NH))1/2 73.0 ; n = 9, r = 0.9969(9)
DM(1) (1:2) = 2.7509 g(HNH) - 194.8 ; n = 9, r = 0.9334(10)
¶m/¶q (1:2) = -0.01146 (K(NH))1/2 41.6 ; n = 9, r = 0.8323(11)
¶m/¶q?(1:2) = -0.00739 (K(NH))1/2 26.1 ; n = 9, r = 0.7531(12)
Установленные корреляционные соотношения имеют практическое значение, поскольку позволяют находить важные характеристики молекул на основе доступных измерений в ИК-области спектра.
4. Влияние хлорзаместителей на протонодонорную способность в Н-связи и характеристики аминогруппы аминопиримидинов
Объектами исследования были 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидин и 2-амино-4,6-дихлор-пиримидин.
Изучение свободных молекул хлорзамещенных аминопиримидинов. На рис. 5 представлена зависимость от концентрации контуров полос поглощения валентных колебаний аминогруппы 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидина в CCL4. Как видно из рисунка, с увеличением концентрации вещества в растворе интенсивность полос ?c(NH) и ?f(NH) заметно возрастает. К сожалению, изза ограничения по растворимости хлорзамещенных аминопиримидинов в CCL4, не удалось исследовать комплексы (1:1) самоассоциатов этих соединений. Однако, учитывая, что спектральная разность DM = Ms(1) - Mc(1) для самоассоциатов по своей величине близка к аналогичному параметру для комплексов (1:1) с ТГФ и ДМФА, можно предположить, что по своим протоноакцепторным свойствам хлорзамещенные 2-аминопиримидины близки к ТГФ и ДМФА.
Рис. 5. Зависимость контуров полос поглощения валентных колебаний аминогруппы 2-амино-4-хлор-6-метилпиримидина от концентрации вещества в CCL4 (T = 298 K). 1: C = 0.005 M; 2: C = 0.010 M; 3: C = 0.015 M
Установлено, что при концентрации раствора порядка 10-3 М хлорзамещенные аминопиримидины практически не подвержены самоассоциации, поэтому изучение зависимости контуров полос поглощения от температуры и исследование спектров дейтероаналогов производилось при этой концентрации.
Исследованы комплексы состава 1:1 и 1:2 хлорзамещенных 2-аминопиримидинов с протоноакцепторами. Были определены спектральные характеристики полос поглощения комплексов с Н-связью (1:1), табл. 3, а так же исследована их зависимость от температуры.
Таблица 3. Спектральные характеристики полос поглощения валентных колебаний аминогруппы комплексов состава 1:1 хлорзамещенных 2-аминопиримидинов с различными протоноакцепторами в CCL4 (Т =298)
Соединение Протоноакцептор ?f(HN) Положение максимумов полос поглощения в области Ферми-резонанса (см-1) ?c(NH)
* - отмечены величины, для которых ошибка превышает среднюю при определении аналогичных величин для других комплексов.
Как правило, при ассоциации анилинов с различными протоноакцепторами в ряду: CH3CN, диоксан, ТГФ, ДМФА, ДМСО, ГМФА диоксан и ТГФ проявляют себя как слабые протоноакцепторы. Однако, при ассоциации аминопиримидинов и хлорзамещенных аминопиримидинов с ТГФ положение первого спектрального момента Мс(1) и интегральная интенсивность полос ?c(NH) комплексов близки по значению с аналогичными величинами для комплексов с ДМФА или ДМСО, табл. 3. Энтальпия водородной связи -?Н1 в комплексах состава 1:1 2-аминопиримидинов с ТГФ так же, как правило, выше энтальпии процесса образования комплексов с ДМФА, табл. 4. Эти факты, а так же анализ полученных динамических и электрооптических параметров комплексов с Н-связью подтверждает предположение о том, что при ассоциации хлорзамещенных 2-аминопиримидинов с ТГФ заметный вклад в механизм образования комплексов вносит перенос заряда по водородному мостику от одной молекулы к другой.
Таблица 4. Термодинамические характеристики комплексов с Н-связью состава 1:1 и 1:2 хлорзамещенных 2-аминопиридинов с различными протоноакцепторами в CCL4
Соединение Протоноакцептор a -?Н1 = ADB1/2 (ккал M-1) ?Н1эксп (ккал M-1) -?S (кал M-1 K-1) К298 (дм3M-1) -?Н2 (ккал M-1)
Для проверки этого предположения нами были произведены квантовомеханические исследования параметров свободных молекул и комплексов с Н-связью состава 1:1 2-аминопиримидина с протоноакцепторами в приближении DFT - B3LYP/6-31 G**. Как показал расчет распределения зарядов, на свободных и связанных Н-связью молекулах 2-аминопиримидина и протоноакцепторов в комплексах состава 1:1 действительно имеет место перенос заряда от одной молекулы к другой, табл. 5.
Таблица 5. Распределение зарядов (в ед. заряда электрона e) на фрагментах свободных и связанных Н-связью (1:1) молекул 2-аминопиримидина (2-apmd) с различными протоноакцепторами и дипольные моменты комплексов ?с
Комплексы с Н-связью состава 1:1 2-аминопиримидин Акцептор протона ?с (D)
В области 3600-3100 см-1 были исследованы спектры полос поглощения комплексов состава 1:2 хлорзамещенных 2-аминопиримидинов с различными протоноакцепторами. Установленные нами корреляции между спектральными, геометрическими, динамическими и электрооптическими характеристиками аминогруппы в комплексах состава 1:2 имеют вид: Ms(1) (free,1:2) = 1.1325 (K1(NH))1/2 - 384.7 ; n = 8, r = 0.9995(13)
Mas(1)(free,1:2) = 0.9470 (K1(NH))1/2 355.2 ; n = 8, r = 0.9997(14)
DM(1) (free,1:2) = 3.0332 g(HNH) - 229.6 ; n = 8, r = 0.9980(15)
¶m/¶q (1:2) = -0.0196 (K(NH))1/2 68.3 ; n = 6, r = 0.9535(16)
¶m/¶q?(1:2) = -0.0061 (K(NH))1/2 21.7 ; n = 6, r = 0.8692(17)
Сравнивая приведенные соотношения с аналогичными для незамещенного 2-аминопиримидина (8-12), можно отметить, что угол наклона прямых Ms(1) (1:2), ¶m/¶q (1:2) и DMC(1) (1:2) хлорзамещенных аминопиримидинов несколько больше, чем для незамещенного 2-аминопиримидина, то есть параметры Ms(1), ¶m/¶q более чувствительны к изменению динамической постоянной K1(NH), а величина DM(1) - к изменению валентного угла g(HNH).
5. Влияние метокси- и нитрозамещения на параметры аминогруппы свободных и связанных Н-связью в комплексах различного состава молекул 2-аминопиримидина
В качестве объектов для исследования были выбраны 2-амино-4,6-диметоксипиримидин и 2-амино-5-нитропиримидин.
В табл. 6 приведены спектральные характеристики полос поглощения ?s(NH2) и ?as(NH2) исследуемых соединений и некоторых других ароматических аминов в CCL4. Их сравнение позволяет судить о влиянии заместителей в ароматическом кольце на спектральные характеристики полос поглощения валентных колебаний аминогруппы.
Таблица 6. Спектральные характеристики полос поглощения валентных колебаний ?s(NH2) и ?as(NH2) аминогруппы диметокси- и нитрозамещенных анилинов, аминопиридинов и аминопиримидинов в CCL4 (T=298 K)
* - в скобках указаны частоты и полуширины, определенные непосредственно со спектра.
Как видно из таблицы, при увеличении числа гетероатомов в фенильном радикале анилина чувствительность частот валентных колебаний к нитрозамещению в параположении относительно аминогруппы значительно снижается. В то же время, интегральная интенсивность полос поглощения ?s(NH2) и ?as(NH2) в ряду: 4-нитроанилин, 2-амино-5-нитропиридин, 2-амино-5-нитропиримидин сильно возрастает.
На примере приведенных в табл. 6 соединений можно сказать, что метоксизаместители в метаположении относительно аминогруппы в исследованных ароматических аминах очень слабо влияют как на частоты колебаний, так и на интегральные интенсивности полос поглощения аминогруппы.
Исследование комплексов состава 1:1 замещенных аминопиримидинов показало, что интегральная интенсивность полос поглощения комплексов с ТГФ и диоксаном выше, чем комплексов с ДМФА. Как и в случае хлорзамещенных аминопиримидинов, здесь, на наш взгляд, существенную роль играет вклад в механизм образования комплексов переноса заряда по водородному мостику от одной молекулы к другой.
Таблица 7. Распределение зарядов на фрагментах R-NH2 свободных и связанных Н-связью (1:1) с различными протоноакцепторами молекул 2-амино-4,6-диметоксипиримидина (2A-4,6DMO-pmd)
Комплексы с Н-связью состава 1:1 Донор протона Акцептор протона q(R) dq(R) q(NH2) dq(NH2) q
Квантовомеханические расчеты свободных и связанных Н-связью (1:1) молекул замещенных аминопиримидинов в приближении DFT-B3LYP/6-31G** подтвердили это предположение. В табл. 7 приведено распределение электронной плотности (в ед. заряда электрона) на фрагменте R-NH2 комплексов 2-амино-4,6-диметоксипиримидина с протоноакцепторами. Согласно приведенным расчетам на молекулах - акцепторах протона появляется избыточный положительный заряд, что свидетельствует в пользу предположения об определенном вкладе в процесс комплексообразования переноса заряда по водородному мостику от молекулы - акцептора к молекуле - донору протона. При этом изменения зарядов на фрагментах R и NH2 протонодонора зависят от свойств протоноакцептора. Наибольшие изменения зарядов наблюдаются при ассоциации с ТГФ.
Решение колебательной и электрооптической задач для комплексов состава 1:2 исследуемых соединений с протоноакцепторами позволило установить следующие соотношения: Ms(1) (free,1:2) = 1.1368 (K1(NH))1/2 - 400.7 ;n = 9, r = 0.9994(18)
При сравнении приведенных выше соотношений с аналогичными (8-12) для аминопиримидинов и (13-17) для хлорзамещенных аминопиримидинов видно, что корреляции Ms(1), Mas(1) и DM(1) довольно схожи для всех замещенных 2-аминопиримидинов, тогда как выражения для ¶m/¶q (1:2) и ¶m/¶q? заметно отличаются, что подтверждает большую чувствительность электрооптических параметров аминогруппы к структурным изменениям в молекулах по сравнению со спектральными характеристиками Ms(1), Mas(1) и DM(1) свободных молекул и комплексов с водородными связями состава 1:2.
Вывод
Изучены спектральные проявления водородной связи в комплексах состава 1:1 и 1:2 на полосах поглощения валентных и деформационных колебаний аминогруппы семи аминопиримидинов при ассоциации с различными протоноакцепторами, определены спектральные моменты полос поглощения свободных и связанных Н-связью молекул.
В интервале 280 - 330 К исследована температурная зависимость спектральных характеристик М(0), М(1) и 2(М(2))1/2 мономерных молекул и комплексов с Н-связью состава 1:1 с различными протоноакцепторами. Определены параметры уравнений линейной регрессии Y = AT b (Y = М(0), М(1), 2(М(2))1/2).
Для комплексов состава 1:1 исследована температурная зависимость константы равновесия процесса комплексообразования и на основании уравнения Вант-Гоффа вычислены термодинамические характеристики комплексов состава 1:1 аминопиримидинов и их замещенных с различными протоноакцепторами в CCL4. Для комплексов состава 1:2 энтальпия Н-связи определялась по «правилу интенсивностей» А.В. Иогансена.
В рамках шестикоординатной модели R-NH2 для свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул решены колебательная и электрооптическая задачи. Определены валентные углы g(HNH), динамические постоянные K(NH), электрооптические параметры ?m/?q (производная дипольного момента по длине связи) и ?m/?q? (производная дипольного момента по длине соседней связи).
Между спектральными, геометрическими, динамическими, электрооптическими и энергетическими характеристиками аминогруппы свободных и связанных Н-связью (1:1 и 1:2) молекул установлены корреляционные соотношения, позволяющие определять важные параметры молекул по исследованиям полос поглощения валентных колебаний аминогруппы в ИК-области спектра. Показано, что некоторые из корреляционных соотношений имеют общий характер, тогда как другие зависят от положения, числа и рода заместителей в пиримидиновом цикле.
В приближении DFT-B3LYP/6-31G** и ab initio MP2/6-31 G** для свободных молекул и комплексов с Н-связью (1:1) исследуемых соединений с протоноакцепторами решена квантовомеханическая задача. Определены: геометрия молекул, спектральные характеристики аминогруппы (положение полос и интегральные интенсивности), дипольные моменты мономеров и комплексов, распределение зарядов на свободных и связанных молекулах доноров и акцепторов протона. Анализ результатов квантовомеханических расчетов позволил высказать предположение о существенной роли в процессе комплексообразования переноса заряда по водородному мостику.
Произведен сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов расчета в рамках модели ВСП с одной стороны, с аналогичными данными, полученными в приближении DFT-B3LYP/6-31G** и ab initio MP2/6-31 G**. Установлено, что квантовомеханические методы правильно отражают тенденцию в изменении спектральных, геометрических и динамических характеристик аминогруппы в зависимости от положения, числа и рода заместителей. Показано, что современные квантовомеханические методы могут успешно использоваться при исследовании комплексов с водородными связями.
Список литературы
Креков С.А., Борисенко В.Е. Влияние характера и положения заместителя в ароматическом кольце 2-аминопиримидина на спектральные, геометрические, динамические и электрооптические характеристики аминогруппы: Тез. докл. Восьмая Всеросс. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых - Екатеринбург, 2002. - С. 592-593.
Креков С.А., Борисенко В.Е. Исследование влияния гетерозамещения в аромат кольце аминопиримидинов на геометрические, динамические, электрооптические и энергетические характеристики аминогруппы свободных и связанных водородной связью молекул: Мат. XL междунар. науч. студ. конф. «Студент и научно-технический прогресс» - Новосибирск, 2002. - С. 70.
Borisenko V.E., Krekov S.A. Guzemin A.G. Hetero-substitution influence in aromatic ring of aniline of amino group characteristics in free and H-bonded molecules: Тез. докл. на междунар. конф. “Nowe metody w spektroskopii molekularnej” - Польша, Вроцлав, 2002. - Р2.
Креков С.А., Борисенко В.Е. Влияние заместителей в ароматическом кольце 2-аминопиримидина на протонодоную способность в комплексах с Н-связью 1:1 и 1:2: Тез. докл. Девятая Всеросс. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых - Красноярск, 2003. - С. 536-537.
Borisenko V.E., Krekov S.A., Guzemin A.G, Koll A. The influence of hetero-substitution in the aromatic ring of amino pyrimidine on amino group characteristics in free and H-bonded molecules // J. Mol. Struct. - 2003. - Vol. 646. - P. 125-140.
Borisenko V.E., Krekov S.A., Fomenko M.Y. Methoxy- and nitro substitution of 2-aminopyrimidine in H-bonded 1:1 and 1:2 complexes with varous proton acceptors in solutions.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
