Агрегирование молекул в растворах каликс[4]аренов по данным ЯМР диффузометрии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 541.182.6

В. П. Архипов

АГРЕГИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛ В РАСТВОРАХ КАЛИКС [4] АРЕНОВ ПО ДАННЫМ ЯМР ДИФФУЗОМЕТРИИ

Ключевые слова: диффузия, каликс[4]арены, числа агрегации, соотношение Стокса-Эйнштейна, двухпозиционная модель, степень связывания, комплексы «гость-хозяин».

По результатам селективных измерений коэффициентов диффузии рассматриваются процессы агрегирования молекул в растворах каликс[4]аренов.

С использованием соотношения Стокса-Эйнштейна выполнен расчет чисел агрегации молекул каликс[4]аренов. В рамках двухпозиционной модели проведен расчет степени связывания молекул растворителя и молекул «гостей» молекулами каликс[4]аренов.

Key words: diffusion, calix[4]arenes, aggregation numbers, Stokes-Einstein relation, two position model, binding degree, «host-guest» шmplexes.

The molecular aggregation processes in the calix[4]arenes solutions are considered according to the selective diffusion measurements data. With use of the Stokes-Einstein relation the calix[4]arenes aggregation numbers are calculated.

Within of the two position model limits the binding degree of the solvent and “guest” molecules with the calix[4]arene molecules is estimated.

Введение

Одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся направлений органической химии является химия каликс[п]аренов и, в частности, каликс[4]аренов [1]. Способность молекул каликс[4]аренов (КА) в растворах к самоассоциации позволяет создавать супрамолекулярные ансамбли с уникальными электрическими, оптическими характеристиками, обладающие каталитическими свойствами. Свойства растворов КА интенсивно исследуются также в связи с их способностью образовывать комплексы включения по принципу «гость - хозяин» с различными органическими соединениями [2] и ионами металлов [3]. Возможность химической модификации молекул КА позволяет регулировать их свойства и направленно получать на их основе новые виды комплексообразователей, экстрагентов, ПАВ, каталитических систем.

Мощным методом исследования процессов комплексообразования является метол ЯМР [4,5]. Образование молекулярных агрегатов приводит к изменениям химических сдвигов в спектрах ЯМР, вследствие изменения локального окружения и степени магнитного экранирования ядер. Изменение поступательной и вращательной подвижностей молекул при их агрегации ведет к изменениям скоростей ядерной магнитной релаксации. Весьма информативными являются методы двумерной спектроскопии (COSY, NOESY, FastNOESY), метод диффузионно ориентированой ЯМР спектроскопии (DOSY).

Размеры молекулярных агрегатов можно оценить с помощью метода ЯМР высокого разрешения с фурье-преобразованием и импульсным градиентом магнитного поля (ЯМР ВР ФП ИГМП), который позволяет селективно измерять коэффициенты диффузии молекул всех компонентов в многокомпонентных смесях [6]. Суть метода ЯМР ВР ФП ИГМП состоит в анализе диффузионного затухания отдельных спектральных линий в спектрах высокого разрешения, получаемых с помощью преобразования Фурье из сигнала ЯМР (спиновое эхо). При наличии в спектре ЯМР индивидуальных линий каждого компонента смеси коэффициенты диффузии легко определяются по зависимости амплитуд соответствующих спектральных линий от величины и длительности импульсного градиента магнитного поля. Образование агрегатов ведет к увеличению размеров кинетических единиц, в составе которых, как целого, осуществляются трансляционные перемещения молекул данного компонента. Вследствие этого происходит уменьшение их подвижности и измеряемого коэффициента диффузии. Сравнивая коэффициенты самодиффузии молекул отдельных компонентов раствора можно оценить размеры и состав агрегатов. В данной работе на основании результатов ЯМР диффузометрии [7-15] выполняются расчеты чисел агрегации молекул КА в воде и органических растворителях, а также оценивается степень связывания молекул растворителя и молекул «гостей» молекулами КА.

1. Оценка чисел агрегации молекул КА в растворах

Установить образование агрегатов КА и оценить их размеры можно с помощью соотношения Стокса-Эйнштейна:

где к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; й - коэффициент диффузии молекул КА; П - коэффициент динамической вязкости раствора, числовой коэффициент а изменяется от 6 для граничных условий «прилипания» до 4 для граничных условий «скольжения». Увеличение гидродинамического радиуса К по сравнению с размерами индивидуальных молекул ^ свидетельствует о процессах образования комплексов. Соотношение (1) получено для броуновских частиц в непрерывной среде при условии их бесконечного разбавления. Размеры молекул КА и тем более их агрегатов, как правило, значительно превосходят размеры молекул растворителя, следовательно, их можно рассматривать как броуновские частицы, для которых соотношение (1) выполняется. Однако, при этом необходимы независимые измерения коэффициента динамической вязкости раствора в зависимости от содержания КА.

Можно исключить из расчетов коэффициент динамической вязкости раствора. Запишем соотношение (1) для молекул растворителя и молекул (агрегатов) КА:

где йр, йка и К, Кка - коэффициенты диффузии и радиусы молекул растворителя и КА,

соответственно. В предположении, что все кинетические единицы раствора - молекулы растворителя, молекулы и агрегаты КА - движутся в среде с одинаковой вязкостью П, можно связать [16] гидродинамический радиус молекул КА с радиусом молекул растворителя и коэффициентами диффузии молекул (агрегатов) КА и молекул растворителя:

Результаты и обсуждение

(1)

и

(2)

Числа агрегации молекул КА можно также определить, сравнивая коэффициенты диффузии кинетических единиц КА при бесконечном разбавлении й0а и в растворе заданной концентрации йка:

О0а =кТ/апП^а и =кТ/апПРка , (4)

где П - коэффициент динамической вязкости растворителя; Р0а, Рка - радиусы молекул и

радиусы агрегатов КА, соответственно. Значение числового коэффициента а определяется, в основном, характером взаимодействия молекул или агрегатов КА с молекулами растворителя и не зависит от концентрации КА в растворе. Числа агрегации найдем как отношение объёмов агрегатов и молекул КА:

4 -п-Р3 N _ ~аф 3

пРка ( О0 Л3

О

ка

V Ока J

(5)

з К)

Коэффициенты диффузии молекул КА при бесконечном разбавлении 0°а можно получить, экстраполируя экспериментальные значения коэффициентов диффузии КА к нулевой концентрации. Коэффициенты диффузии йка молекул (агрегатов) КА в растворах определялись с учетом поправок [6] на их гидродинамическое взаимодействие:

йэ

°ка = -^ . (6)

ка 1-2ф

где йкэа - эффективные, измеряемые в эксперименте коэффициенты диффузии молекул (агрегатов) КА, ф - объёмная доля молекул (агрегатов) КА в растворе.

С • и

ф = —, (7)

Р

где С, и, Р- молярная концентрация КА в растворе, его молярная масса и плотность.

Такой подход приводит к соотношению, аналогичному (3):

Ка=ка . (8)

йка

Окончательная формула для расчета чисел агрегации приобретает вид:

ы_гр _

агр

(1-2ф) • Р0,Лк

О

(9)

ка

Для проведения расчетов были взяты некоторые представители функционализиро-ванных КА, структурные формулы которых приведены ниже:

В таблице 1 представлены экспериментальные значения коэффициентов диффузии молекул КА в растворах и результаты расчетов чисел агрегации по формуле (9). Растворители: хл - хлороформ, ац - ацетон, в - вода, в+д - смешанный растворитель вода + диметилфор-мамид (30 объём..%). Как видно из результатов, представленных в таблице, имеется тенденция роста чисел агрегации с увеличением концентрации КА в растворе. Более наглядно эта тенденция видна на рис.1.

КА-1

КА-2

КА-3

К = С7Н15 К = С9Н19 К = С11Н23

КА-8 : К = С2Н5 К2 = С2Н5 Кз = С11Н23

КА-4 : К = СН3 КА-5 : К = С7Н15

Н

Л

Н0 х-'Ч,.-0

Э0з- N8+

КА-6 : К = СНз КА-7 : К = С5Н11

КА-9 : К = СНз

Таблица 1

Система Ска? ммоль/л Ока '10 , м /с ^гр Система Ска? ммоль/л Ока '10 , м /с ^гр

КА-1 (хл) 1,8 0,250 [8] 1,1 КА-5 (хл) 1,99 0,740 [8] 1,1

КА-1 (хл) 18,0 0,210 [8] 1,6 КА-5 (хл) 16,6 0,560 [8] 2,3

КА-1 (ац) 3,4 1,030 [9] 1,4 КА-6 (в) 12,5 0,438 [12] 1,0

КА-1 (ац) 8,0 0,935 [9] 1,8 КА-6 (в) 25,0 0,336 [12] 2,1

КА-1 (ац) 16,0 0,820 [9] 2,6 КА-6 (в) 50 0,320 [12] 2,1

КА-1 (ац) 31,0 0,745 [9] 3,3 КА-6 (в) 100 0,240 [12] 3,8

КА-1 (ац) 64,0 0,645 [9] 4,3 КА-6 (в) 200 0,155 [12] 7,3

КА-2 (хл) 1,06 0,270 [8] 1,0 КА-7 (в) 16,2 0,105 [12] 2,6

КА-2 (хл) 19,1 0,250 [8] 1,2 КА-7 (в) 32,4 0,0916 [12] 3,6

КА-3 (хл) 1,82 0,250 [8] 1,0 КА-8 (в+д) 1,0 0,255 [7,13] 1,0

КА-3 (хл) 18,2 0,230 [8] 1,2 КА-8 (в+д) 7,0 0,250 [7,13] 1,0

КА-4 (хл) 1,1 0,780 [8] 1,0 КА-9 (хл) 1,73 0,60 [8] 1,0

КА-4 (хл) 9,2 0,730 [8] 1,2 КА-9 (хл) 21,6 0,53 [8] 1,3

Рис. 1 - Концентрационная зависимость чисел агрегации молекул каликс[4]аренов

2. Связывание «гостевых» молекул в растворах КА

Образование в растворах КА комплексов включения «гость-хозяин» должно приводить к сближению коэффициентов диффузии молекул КА и «гостя», так как их трансляционные перемещения будут определяться перемещениями агрегата КА и «гостя» - общей кинетической единицы.

Применим для описания трансляционного движения молекул-«гостей» модель двух состояний. Согласно этой модели, молекулы-«гости» в растворах могут находиться как в свободном молекулярном состоянии, так и в связанном состоянии в составе агрегатов с молекулами КА. Как правило, время жизни агрегатов значительно меньше времени, затрачиваемом в ЯМР эксперименте для измерения коэффициентов диффузии молекул. Следовательно, измеряемые коэффициенты самодиффузии молекул «гостей» будут являться

средневзвешенными значениями коэффициентов диффузии в свободном Рдво6 и связанном

рсвяз

д

состоянии с учетом распределения молекул «гостей» между этими состояниями:

своб

й,= (1- р, )• Р“°° + р,. Р“"3, (10)

где Рд - доля молекул «гостей», находящихся в связанном состоянии. Отсюда получаем соотношение для расчета степени связанности «гостевых» молекул молекулами КА:

йсвоб йэ

р = д ~ д (11)

Г д г^своб Г^СВЯЗ ' V '

ид -ид

Коэффициенты диффузии молекул «гостей» в свободном состоянии можно рассчитать, зная их коэффициенты диффузии в индивидуальных растворах й, и вводя поправки [6], учитывающие блокирующее влияние молекул (агрегатов) КА:

О

своб _

1 + ф/2

ф - объёмное содержание КА в растворе, определяемое по соотношению (7).

Коэффициенты диффузии молекул «гостей» в связанном состоянии йсдвяз можно

д

)э

ка

положить равными коэффициентам диффузии йЭа молекул (агрегатов) КА, считая, что наличие в составе агрегатов небольших по размерам молекул «гостей» незначительно скажется на их трансляционной подвижности.

В таблице 2 приведены результаты расчетов степени связанности рд в растворах

КА молекул «гостей»: §1 - 0,0-диметил-1,1-диметил-3-оксибутилфосфонат, §2 - 1,2-дигидро-4,6-диметил-_ф-окси-этил)-2-оксопиримидин, §3 - малоновая кислота.

О

.О О О

§1 О\ §2 -^і^чо §3 НО С ОН

Также указано среднее число молекул «гостей», связываемых одной молекулой КА:

_вяз р • С

_^ = ^^1, (13)

Nка Ска

где _вяз - количество молекул «гостей», связанных с молекулами КА; _ка - количество молекул КА в растворе; Сд, Ска - молярная концентрация «гостя» и КА в растворе.

Таблица 2

Система Сд,, ммоль/л Од -2ю9 м /с Ока)'1° > 2 м /с Рд _вяз /_ "д /' ка

§1 + КА-6 ; Ска = 200 200 0,342 0,149 0,55 0,55

ммоль/л; 400 0,339 0,15 0,49 0,98

растворитель: вода [15] 800 0,282 0,128 0,54 2,15

50 0,298 0,16 0,73 0,18

§2 + КА-6 ; Ска = 200 100 0,302 0,146 0,69 0,34

ммоль/л; растворитель: вода [15]

200 0,294 0,142 0,65 0,65

400 0,26 0,131 0,68 1,35

§3 + КА-2; Ска = 13,2 4,94 1,42 0,525 0,11 0,04

ммоль/л; 9,42 1,36 0,52 0,17 0,12

растворитель: хл +ац (1: 1 об) 13,5 1,31 0,512 0,22 0,22

[8] 54,3 1,21 0,482 0,31 1,27

3. Связывание молекул растворителя в растворах КА

Молекулы растворителя в растворах КА также могут находиться как в свободном

состоянии, так и в связанном состоянии в составе агрегатов. Время обмена молекул растворителя между этими состояниями также значительно меньше времени ЯМР экспери-

мента. Следовательно, экспериментально измеряемый коэффициент диффузии молекул растворителя также можно представить в виде средневзвешенного значения:

РР= (1-Рр)-й““ +рр • й“”, (14)

где йрво6, 0рвяз - коэффициенты диффузии молекул растворителя, несвязанных и связан-

ных с молекулами (агрегатами) КА, рр - доля молекул растворителя, находящихся в свя-

занном состоянии. Выражение для расчета степени связанности молекул растворителя молекулами (агрегатами) КА приобретает вид:

ПСвоб пэ

Р = иР Р . (15)

г Р г-\СВОб рчСВЯЗ 4 у

ПР " иР

Коэффициенты диффузии молекул растворителя, находящихся в растворе КА в свободном состоянии, йСво6 можно рассчитать, зная коэффициенты диффузии чистого растворителя й0 в отсутствии

КА и вводя поправки, учитывающие блокирующее влияние [6] молекул (агрегатов) КА:

П0

0своб _ ПР . (16)

Р 1 + ф/2

Коэффициенты диффузии молекул растворителя, находящихся в растворе КА в связанном состоянии, Ррвяз можно положить равными коэффициентам диффузии йЭа молекул (агрегатов) КА.

Результаты расчетов степени связанности рр молекул растворителя с агрегатами и

молекулами КА представлены в табл. 3, также приведены значения средних чисел молекул растворителя, связываемых одной молекулой КА:

мсвяз Р . с

_р_____ рр ср , (17)

Ыка Ска

где Ырвяз - количество молекул растворителя, связанных с молекулами КА, Ыка - количество

молекул КА в растворе; Ср, Ска - молярное содержание растворителя и КА в растворе.

Таблица 3

Система Ска? ммоль/л Ока "10 , м2/с Од2109 м /с Рд мсвяз /ы 1 чр / 1 чка

3,4 1,03 4,55 0,10 402

8 0,95 4,15 0,20 335

КА-1 в ацетоне [9] 16 0,82 3,97 0,23 197

31 0,745 3,72 0,28 124

64 0,645 3,5 0,32 68

КА-1 в хлороформе [9] 18 0,25 2,53 0,21 146

КА-1 в бензоле [9] 200 0,471 1,55 0,40 22

12,5 0,438 2,3 0,05 186

25 0,336 2,17 0,10 207

КА-6 в воде [11,12,15] 50 0,32 2,1 0,13 129

100 0,218 1,81 0,25 123

200 0,155 1,67 0,28 70

320 0,0804 1,27 0,44 68

КА-6 в диметилсульфоксиде [11] 200 0,0762 0,406 0,58 41

КА-7 в воде [12,15] 16,2 0,105 2,02 0,16 495

32,4 0,0916 1,92 0,20 306

КА-7 в диметилсульфоксиде 20 0,091 0,545 0,45 312

КА-8 в смешанном растворите- 1 0,255 1,5* 0,01* 260*

ле: в +д (30 об.%) [7,13] 7 0,25 1,46* 0,04* 181*

КА-10 в хлороформе [ 14] 27 0,501 2,26 0,32 150

* В смешанном растворителе коэффициенты диффузии 0р, степень связанности рр и число молекул растворителя на одну молекулу КА указаны для молекул воды.

Выводы

По данным ЯЫР диффузометрии проведено исследование комплексообразования в

растворах каликс[4]аренов. Определены числа агрегации молекул КА, рассчитаны параметры

связывания молекул растворителя и молекул «гостей» молекулами и агрегатами КА.

Литература

1. Gutsche, C. D. Calixarenes / C. D. Gutsche. - Royal Society of Chemistry, Stoddart J.F. Ed. Cambridge, 19В9.- P. 1-225.

2. Abraham, W. Inclusion of Organic Cations by Calix[n]arenas / W.Abraham // J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. - 2002. - №43. - Р. 159-174.

3. Sliwa, W. Calixarene complexes with metal ions / W. Sliwa, T. Girek // J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. - 2010. - №бб. - Р.15-41.

4. Potrzebowski, M. J. High-Resolution Solid-State NMR Studies of Inclusion Complexes / M,J.Potrzebowski, S.Kazmierski // Top. Current Chem. - 2004. - №24б. - Р.91-140.

5. Gadiev, T. A. Analysis of the Spatial Structure of Calixarenes in Solutionsby 2-D NMR (NOESY) Spectroscopy / T.A.Gadiev [et al.]// Appl. Magn. Reson. - 200б. - №30. - Р. 1б5-173.

6. Линдман, Б. Mолекулярная диффузия в микроэмульсиях / Б.Линдман, П^Стилбс // Mикроэму-льсии. Структура и динамика / под ред. С.Е.Фриберга, П.Ботореля. - M.: M^, 1990.- С.177-227.

7. Идиятуллин, З.Ш. Исследование агрегационного поведения аминометилированных фенолов и каликс[4]резорцинаренов в среде вода - ДMФА - ЦТАБ методом ЯMР ФП ИГMП / З.Ш.Идия-туллин [и др.]// Сб. статей VIII Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем» -Йошкар-Ола, 2001. - Ч.2. - С. 98 -101.

В. Архипов, В.П. Исследование образования комплексов “гость-хозяин” в растворах ка-ликс[4]аренов методом ЯMР ФП ИГMП / B.П.Архипов [и др.]// Сб. статей VIII Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем». — Йошкар-Ола, 2001. - Ч.2. - С. 101-105.

9. Архипов, В. П. Mицеллообразование каликс[4]резорцинаренов в органических растворителях / B.П.Архипов [и др.]// Сб. статей IX Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем».-Уфа, 2002. - Т.1. - С. 27-30.

10. Архипов, В.П. Агрегация амфифильных производных каликс[4]резорцинаренов в водноорганических растворителях / B.П.Архипов [и др.]// Сб. статей X Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем». - Казань, 2003. - Ч.2. - С. 7В - 80.

11. Архипов, В.П. Агрегирование в водных растворах тетрасульфонатометилкаликс[4]резорцинарена / B.П.Архипов [и др.]// Сб. статей X Bсеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем». -Казань, 2003. - Ч.2. - С. 80 - 84.

12. Архипов, В.П. Mетодика расчета размеров агрегатов в мицеллярных растворах / B.П.Архипов [и др.]// C6. статей XI Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем». -Казань, 2004. - Ч.1. - С. 204-208.

13. Рыжкина, И. С. Агрегационное поведение и каталитическая активность систем на основе производных каликс[4]резорцинарена и поверхностно-активных веществ. Сообщ. 1. Образование смешанных мицелл аминометилированных каликс[4]резорцинаренов и цетилтриметиламмонийбромида в среде водного диме-тилформамида / И.С.Рыжкина [и др.] // Изв. АН. Сер. хим. - 2004. - №7. - С. 14б2 - 14б9.

14. Архипов, В.П Mицеллообразование в растворах функционализированных каликс[4]аренов / B.HАрхипов [и др.]// Сб. статей XII Bсерос. конф. «Структура и динамика молекулярных систем». - Йошкар-Ола, 2005. - Ч.1. - С. 2б - 29.

15. Morozova, J.E. Aggregation and Adsorption Properties of Tetramethylsulfonatoresorcinarenes and their Associates with Noninonogenic Guest Molecules in Aqueous Solutions / J.E.Morozova [et al.] // J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. - 200б. - Vol.55. - №1-2. - Р.173-183.

16. Fedotov, V.D. Self-Diffusion in Microemulsions and Micellar Size / V.D.Fedotov [et al.] // Appl. Magn. Reson. - 199б. - № 11. - Р.7-17.

© В. П. Архипов - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики КГТУ, [email protected]