Научная статья на тему 'ИЗУЧЕНИЕ ИК- И КР-СПЕКТРОВ НОВЫХ ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ВИОЛОГЕННЫЕ И ФОСФОРНЫЕ ЗВЕНЬЯ'

ИЗУЧЕНИЕ ИК- И КР-СПЕКТРОВ НОВЫХ ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ВИОЛОГЕННЫЕ И ФОСФОРНЫЕ ЗВЕНЬЯ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
35
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОХРОМНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЗВЁЗДЫ / ИК-СПЕКТРЫ / СПЕКТРЫ КР / НОРМАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ / КВАНТОВАЯ ХИМИЯ

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Фурер Виктор Львович, Коваленко Валерий Игнатьевич

Постановка задачи. Цель исследования заключалась в изучении строения новых электрохромных строительных материалов, включающих ядро (NP)3, виологенные звенья и терминальные фосфонатные группы путем регистрации ИК- и КР-спектров с последующим квантово-химическим расчетом. Возможности практического применения электрохромных строительных материалов еще полностью не изучены. Поэтому изучение свойств молекулярных звезд и установление их связи со структурой молекул актуально. Результаты. Основные результаты исследования состоят в том, что изучена структура и колебательные спектры новых электрохромных строительных материалов. Установлены основные закономерности в строении молекулярных звезд. Геометрическая оптимизация и расчет спектров проведен для G3 в рамках ТФП. Оказалось, что G3 имеет почти плоское ядро и повторяющиеся гидразоновые звенья. Проведена интерпретация ИК- и КР-спектров молекулы. Сходство колебательных спектров звезд разных поколений свидетельствует о сходстве их молекулярного строения. Впервые с помощью ИК- и КР-дифференциальной спектроскопии обнаружены эффекты влияния электронного окружения на частоты и интенсивности полос. Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли заключается в том, что синтезированы и изучены новые строительные электрохромные материалы, применяемые для управления прохождения света через окна. Спектральные свойства молекулярных звезд (интенсивность и ширина ИК- и КР-полос), определяемые соотношением концевых групп и повторяющихся звеньев, наиболее сильно различаются для первых трех-четырех поколений фосфорорганических звезд. Для интерпретации колебательных спектров молекулярных звезд необходимо провести расчеты модельных молекул, представляющих фрагменты звездных молекул.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF IR- AND RAMAN-SPECTRA OF NEW ELECTROCHROMIC BUILDING MATERIALS, INCLUDING VIOLOGEN AND PHOSPHORUS UNITS

Problem statement. The purpose of the article was to study the structure of new electrochromic building materials, including the core (NP)3, viologen units, and terminal phosphonate groups, by recording IR and Raman spectra with subsequent quantum-chemical calculations. The possibilities of the practical application of electrochromic building materials have not yet been fully explored. Therefore, the study of the properties of molecular stars and the establishment of their relationship with the structure of the molecules are important. Results. The main results of the research are that the structure and vibrational spectra of new electrochromic building materials have been studied. The main regularities in the structure of molecular stars have been established. Geometric optimization and calculation of spectra were carried out for G3 in the framework of DFT. It turned out that G3 has an almost flat core and repeating hydrazone units. Interpretation of the IR and Raman spectra of the molecule has been carried out. The similarity of the vibrational spectra of stars of different generations testifies to the similarity of their molecular structure. For the first time, using IR and Raman differential spectroscopy the effects of the influence of the electronic environment on the frequencies and intensities of the bands have been discovered. Conclusions. The value of the work for construction lies in the fact that new building electrochromic materials have been synthesized and studied, which are used to control the passage of light through windows. The spectral properties of molecular stars (the intensity and width of the IR and Raman bands), determined by the ratio of terminal groups and repeating units, differ most strongly for the first three to four generations of phosphororganic stars. In order to interpret the vibrational spectra of molecular stars, it is necessary to carry out calculations of model molecules representing fragments of stellar molecules.

Текст научной работы на тему «ИЗУЧЕНИЕ ИК- И КР-СПЕКТРОВ НОВЫХ ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ВИОЛОГЕННЫЕ И ФОСФОРНЫЕ ЗВЕНЬЯ»

УДК 535.33

Фурер Виктор Львович

доктор химических наук, профессор

Email: furer@kgasu.ru

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1

Коваленко Валерий Игнатьевич

доктор химических наук, профессор

Email: koval@iopc.ru

Институт органической и физической химии им. А.Б. Арбузова

Адрес организации: 420088, Россия, г. Казань, ул. Арбузова, д. 8

Изучение ИК- и КР-спектров новых электрохромных строительных материалов, включающих виологенные и фосфорные звенья

Аннотация

Постановка задачи. Цель исследования заключалась в изучении строения новых электрохромных строительных материалов, включающих ядро (NP)3, виологенные звенья и терминальные фосфонатные группы путем регистрации ИК- и КР-спектров с последующим квантово-химическим расчетом. Возможности практического применения электрохромных строительных материалов еще полностью не изучены. Поэтому изучение свойств молекулярных звезд и установление их связи со структурой молекул актуально.

Результаты. Основные результаты исследования состоят в том, что изучена структура и колебательные спектры новых электрохромных строительных материалов. Установлены основные закономерности в строении молекулярных звезд. Геометрическая оптимизация и расчет спектров проведен для G3 в рамках ТФП. Оказалось, что G3 имеет почти плоское ядро и повторяющиеся гидразоновые звенья. Проведена интерпретация ИК- и КР-спектров молекулы. Сходство колебательных спектров звезд разных поколений свидетельствует о сходстве их молекулярного строения. Впервые с помощью ИК- и КР-дифференциальной спектроскопии обнаружены эффекты влияния электронного окружения на частоты и интенсивности полос.

Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли заключается в том, что синтезированы и изучены новые строительные электрохромные материалы, применяемые для управления прохождения света через окна. Спектральные свойства молекулярных звезд (интенсивность и ширина ИК- и КР-полос), определяемые соотношением концевых групп и повторяющихся звеньев, наиболее сильно различаются для первых трех-четырех поколений фосфорорганических звезд. Для интерпретации колебательных спектров молекулярных звезд необходимо провести расчеты модельных молекул, представляющих фрагменты звездных молекул.

Ключевые слова: электрохромные строительные материалы, молекулярные звёзды, ИК-спектры, спектры КР, нормальные колебания, квантовая химия.

Для цитирования: Фурер В. Л., Коваленко В. И. Изучение ИК- и КР-спектров новых электрохромных строительных материалов, включающих виологенные и фосфорные звенья // Известия КГАСУ. 2021. № 1 (55). С. 39^8. DOI: 10.52409/20731523_2021_1_39.

1. Введение

Электрохромные материалы могут изменять свою окраску и прозрачность для излучения солнечного света обратимым образом, когда они подвергаются воздействию небольшого электрического поля [1-3]. В качестве электрохромных материалов применяются оксиды металлов, жидкокристаллические соединения и полимеры [1-5]. Электрохромные материалы, производимые в виде тонких пленок, внедряются внутрь стекол для получения умных окон или переключаемых окон, которые используются в архитектуре [1-3]. Применение электрохромных материалов позволяет снизить затраты на нагревание и охлаждение зданий [1-3].

Виологены (ионы 4,4-бипиридиниума) хорошо известные электроактивные соединения, которые претерпевают два последовательных процесса обратимого одноэлектронного восстановления и проявляют особые спектральные характеристики в катионной и радикальных формах [4]. Описаны супрамолекулярные свойства дендримеров, включающих виологенные единицы [5-9]. Сообщалось о серии виологенных дендримеров, которые являются новыми ингибиторами репликации СПИДа [9].

Синтезированы дендримеры, состоящие из фосфорных и виологенных звеньев и исследованы их биологические свойства [10-12]. Показано, что эти свойства определяются размером и молекулярной массой, количеством виологенных звеньев и природой терминальных групп [13-18]. Синтезированы молекулярные звёзды, состоящие из фосфора и виологенных звеньев [7]. Синтез начинается с хорошо известного ядра гексахлорциклотрифосфазена, обработанного метилгидразином, а затем ступенчатого введения одного, двух виологенных звеньев.

Применение циклотрифосфазенов приводит к большему количеству терминальных групп, чем трифункциональное ядро. Эти сферические соединения оптимально заполняют пространство и легче создают полости около ядра, чем трифункциональные ядра.

Цель настоящей работы заключается в экспериментальном и теоретическом изучении ПК- и КР-спектры фосфорной звезды третьего поколения состоящей из фосфорных и виологенных звеньев, и создания новых электрохромных материалов. Построена молекулярная модель С\ и визуализирована ее структура. Было интересно выяснить, какую роль играют заряды виологена, и как они модифицируют структуру 6"з. Выполнены квантово-химические расчеты для интерпретации ПК- и КР-спектров 6*,. Определены геометрические характеристики самого выгодного конформера.

2. Материалы и методы

Виологены (бипиридиниум) — это дикатионные мономеры [7]. Контранионами обычно являются РР6~ или Вг~.

Структура модельного мономера виологена 1,1-бис(4-формилбензил)-4,4'-бипиридиниума-бис(гексафторфосфата) (БФБП) ОНС-С^-СНг-^С^^-^С^^-СН,-С6Н4-СНО в кристаллическом состоянии была определена рентгеновским методом (рис. 1).

ОНС—'_СНг—

2

Рис. 1. Структура виологенных молекул С;, (1) и БФБП (2) (иллюстрация авторов)

Виологен 6'3 содержит ядро циклотрифосфазена (№)3, 6 гидразидо единиц -СбН4-СН=]Ч-]Ч(СНз)-, 18 виологенных единиц -^С5Н4-Н4С5]Ч+-, 6 фосфонатных терминальных групп -(СН2)2-Р(0)(ОС2Н5)2 и 36 противоионов РБб".

ПК-спектры в районе 400-4000 см"1 регистрировали с помощью спектрометра Брукер Вектор-22. Спектральное разрешение устанавливалось 4 см"1. 64 скана накапливались для каждого спектра. Изученные твёрдые образцы помещались между пластинками КВг. Типичная толщина слоя образца равнялась примерно 10 рм.

Спектры комбинационного рассеяния в районе 150-3500 см"1 индуцировались N(1: У АО-лазером и записывались с помощью приставки РАМ II Брукер ФТ-Раман.

Расчеты структуры модельных соединений и молекулярной звезды выполнены с функционалом РВЕ и базисом ТХ2Р. Расчеты проводились с помощью программы ПРИРОДА.

Теоретические структурные и спектральные данные были получены для наиболее благоприятного конформера.

3. Результаты

Молекулярная структура модельного соединения БФБП была определена рентгеновским методом. Наблюдается разумное согласие теоретических расчетов с экспериментальными данными для кристаллической фазы (табл., рис. 2).

Теоретические длины связей соединения БФБП немного больше, чем экспериментальные рентгеновские данные для твердого состояния. Для контрионов РБ6" все рассчитанные длины связей Р-Р равны 1,655 А и все углы Р-Р-Р равны 90°. Экспериментальные длины связей Р-Р и углов Б-Р-Б слегка отличаются из-за межмолекулярных взаимодействий в твердом состоянии.

Двугранный угол Т1 С(3)-С(5)-С(6)-С(7) расположен между двумя пиридиновыми звеньями БФБП (рис. 2). Рассчитанный угол 31,0° хорошо согласуется с экспериментальной величиной 23,3° для БФБП и других бипиридиниумных систем. Теоретический двугранный угол Тг между метиленовой группой и пиридином С(2)->1(1)-С(19)-С(20) 87,7° выше, чем экспериментальная величина 53,8°. Рассчитанный угол тз между метиленовой и фенильной группой ]Ч(1)-С(19)-С(20)-С(21) 77,4° находится в хорошем согласии с экспериментом 62,1°. Оптимизация изолированной молекулы БФБП без контрионов РРб" не приводит к значительным изменениям двугранных углов, поэтому конформация молекулы не зависит от взаимодействия с контрионами.

Соединение (73 аморфно и его структуру нельзя установить методом рентгена. Расчеты геометрических параметров (?з соответствуют экспериментальным данным для схожих молекул (рис. 3). Оптимизация геометрии дает конформер с неплоским ядром. Шесть ветвей, присоединенных к ядру, включают по три эквивалентных виологенных звена.

Таблица

Геометрические параметры БФБП

Опыт Расчет Опыт Расчет

Длины связей

C(l)-N(l) 1,340 1,356 C(19)-N(l) 1,495 1,527

С(1)-С(3) 1,375 1,388 С(19)-С(20) 1,506 1,505

C(2)-N(l) 1,371 1,359 С(20)-С(21) 1,392 1,411

С(2)-С(4) 1,364 1,386 С(21)-С(23) 1,389 1,393

С(3)-С(5) 1,389 1,410 С(23)-С(25) 1,397 1,407

С(4)-С(5) 1,391 1,411 С(25)-С(26) 1,484 1,499

С(5)-С(6) 1,482 1,482 0(2)-С(26) 1,210 1,216

P(D-F(1) 1,598 1,655 P(l)-F(2) 1,598 1,655

P(l)-F(3) 1,612 1,655 P(l)-F(4) 1,609 1,655

P(D-F(5) 1,592 1,655 P(D-F(6) 1,616 1,655

Валентные углы

C(l)-N(l)-C(2) 118,5 120,3 F(2)-P(l)-F(5) 91,3 90,0

C(l)-C(3)-C(5) 120,3 120,3 N(l)-C(19)-C(20) 111,7 113,6

С(2)-С(4)-С(5) 119,0 120,1 C(19)-C(20)-C(21) 120,5 119,9

С(3)-С(5)-С(4) 119,0 117,3 C(20)-C(21)-C(23) 120,2 120,1

С(3)-С(5)-С(6) 121,5 121,4 C(21)-C(23)-C(25) 119,6 119,9

С(4)-С(5)-С(6) 119,6 121,3 C(23)-C(25)-C(26) 120,1 119,7

С(5)-С(6)-С(7) 122,0 121,4 C(25)-C(26)-0(2) 123,8 123,1

C(l)-N(l)-C(19) 119,5 120,7 F(l)-P(l)-F(5) 90,9 90,0

F(4)-P(l)-F(5) 89,7 90,0 F(l)-P(l)-F(2) 91,9 90,0

F(l)-P(l)-F(4) 90,5 90,0

Все атомы в звене 0-C6H4-CH=N-N(CH3)- лежат в одной плоскости. Самая выгодная конформация G3 имеет двугранные углы N(3)-P(2)-N(4)-N(5), С(37)-С(38)-Р(4)-0(3) и C(34)-N(9)-C(37)-C(38) равные 152,4, 179,7 и 88,5°. Фосфонатные группы имеют симметричную ориентацию.

Соотношения главных значений тензора молекулы G3, равные 0,23 и 0,99, показывают, что она обладает несимметричной формой.

Для оценки супрамолекулярных свойств рассчитаны заряды на атомах молекулы G3. Расчетов дает следующие заряды на атомах N(1) -0,32, N(2) -0,31, N(3) -0,32 и Р(1)

0,39, Р(2) 0,39, Р(3) 0,39. Заряды на атомах 0(1), 0(3), Р(4) терминальных групп равны -0,16, -0,32 и 0,41.

2

1

Рис. 2. Строение БФБП (1) и РР6" (2) (иллюстрация авторов)

Рис. 3. Строение 0-$ (иллюстрация авторов)

Липофильность определяет биологическую активность соединений. Величина имеет значение 26,20 и молекула С3 липофильна.

4. Обсуяедение

Для больших молекул особенно важно предсказание частот и интенсивности полос на основе квантово-химических расчетов. Полученные в настоящей работе экспериментальные ПК- и КР-спектры исследуемых виологенов представлены на рис. 4-5. Выделение полос в колебательных спектрах производилось путем расчета РПЭ с квантово-химическими силовыми константами.

Полосы в области 1640-1500 см"1 в ИК-спектре и линии в районе 1660-1530 см"1 в спектре комбинационного рассеяния (73 приписаны растяжению ССар и деформации ССН ароматических колец. Валентные колебания связей С=К показывают пик 1565 см"1 в КР-спектре С3.

Деформационные колебания метиленовых и метальных групп индуцируют поглощение 1452 см"1 в ИК-спектре (_г3. Пик 1400 см"1 в ИК- и КР-спектрах (73 отнесен к деформационным колебаниям 5(СН2) терминальных групп. Пик 1370 см"1 в ИК- и КР-спектрах (73 вызван деформационными колебаниями метиленовых и метальных групп.

Валентные колебания связей СС, СЫ и деформационные колебания ССН порождают полосы в области 1230-1160 см"1 в экспериментальном ИК-спектре (73. Довольно слабая линия при 1025 см"1 в экспериментальном ИК-спектре (73 обусловлена растяжением СЫ и деформацией ССС, СС1Ч.

Слабая полоса 978 см"1 в ИК-спектре С73 объясняется валентными колебаниями связей СО и РО. Линии 659, 640 и 569 см"1 в рамановском спектре С73 приписываются к деформационным колебаниям ССС.

Таким образом, полосы 1639 и 1652 см"1 в ИК- и КР-спектрах (73 обусловлены растяжением пиридиновых колец.

Рис. 4. Рассчитанные кривые РР6" (1), ВРВР (2) (3) и измеренный ИК-спектр (4)

(иллюстрация авторов)

Полоса 1565 см"1 в КР-спектре (73 приписана растяжению связей С=1Ч.

Валентные колебания связей Р-Ы ядра проявляется в виде очень слабого плеча при 1266 см"1 в КР-спектре (73. Терминальные фосфонатные группы показывают ИК-полосу 978 см"1, отнесенную к растяжению РОС.

Валентное колебание у(Р-Б) происходит как видная и широкая полоса при 836 см"1 в ИК-спектре (?3, и полоса при 865 см"1 представляет вторую компоненту этого колебания. Деформационное колебание наблюдается при 558 см"1 в ИК-спектре с широким плечом при 514 см"1. Полносимметричное валентное колебание у(Р-Р) наблюдается при 742 см"1, а линия 569 см"1 отнесена к асимметричным валентным колебаниям в спектре КР С3. В ИК- и КР-спектрах С3 не наблюдается расщепления полос

колебаний контранионов РР6", а значит межмолекулярные взаимодействия между виологенами и анионами очень слабы.

Полученные результаты согласуются с данными ЯМР спектроскопии и рентгеноструктурного анализа [6-9] позволяют целенаправленно варьировать структру и свойства новых электрохромных материалов.

\Л/ауепитЬег/ст-1

Рис. 5. Теоретические спектры РР6" (1), ВРВР (2) бз (3) и экспериментальный КР спектр Сз (4)

(иллюстрация авторов)

Заключение

1. Изучены новые вещества, содержащие виологенные и фосфорные звенья, которые могут быть использованы для создания электрохромных, энергосберегающих строительных материалов. Основным недостатком полученных материалов является их высокая стоимость. Однако, дальнейшие исследования в этом направлении позволят разработать промышленную технологию получения светопреобразующих пленочных материалов на основе органических молекулярных звезд. Применение электрохромных материалов приведет к замене стеклянных окон электрохромными конструкциями.

2. Изучены ИК- и КР-спектры молекулы (73, состоящей из фосфора и виологенных единиц с терминальными фосфонатными группами. Её спектральные картины определяются рядом виологенных звеньев и контр ионов.

3. Оптимизация изолированной молекулы БФБП без контрионов РР6"не приводит к значительным изменениям двугранных углов, поэтому конформация молекулы не зависит от взаимодействия с контрионами.

4. Все атомы в звене 0-СбН4-СН=^^СН3)- лежат в одной плоскости. Самая выгодная конформация (73 имеет двугранные углы М(3)-Р(2)-]М(4)-М(5), С(37)-С(38)-Р(4)-0(3) и С(34)-ТЧ(9)-С(37)-С(38) равные 152,4, 179,7 и 88,5°. Фосфонатные группы имеют симметричную ориентацию. С73 имеет гидрофобный интерьер, окруженный фосфонатными терминальными группами.

Список библиографических ссылок

1. Гусев A. JL, Кондырина Т. Н., Куршева В. В., Пищурова И. А., Ефимов О. Н., Кондратов С. А., Ванников А. В. Перспективы применения гибких электрохромных панеле на объектах ЖКХ и транспортных средставах // Основные проблемы энергетики и альтернативной энергетики. 2009. Т. 78. Вып. 10. С. 122-137.

2. Cannavale A., Ayr U., Fiorito F., Martellotta F. Smart electrochromic windows to enhance building energy efficiency and visual comfort // Energies. 2020. V. 13. Iss. 3. P. 1449-1466. DOI: 10.3390/enl3061449.

3. Granqvist C. G., Arvizu M. A., Bayrak Pehlivan I., Qu H. Y., Wen R. Т., Niklasson G. A. Electrochromic materials and devices for energy efficiency and human comfort in buildings: A critical review // Electrochim. Acta. 2018. V. 259. Iss. 1. P. 1170-1182. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.11.169.

4. Reus C., Stolar M., Vanderkley J., Nebauer J., Baumgartner T. A convenient 7V-arylation route for electron-deficient pyridines: the case of я^-extended electrochromic phosphaviologens // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. Iss. 36. P. 11710-11717. DOI: 10.1021/jacs.5b06413.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Marchioni F., Venturi M., Credi A., Balzani V., Beloradsky M., Elizarov A. M., Tseng H. R., Stoddart J. F. Polyvalent scaffolds. Counting the number of seats available for eosin guest molecules in viologen-based host dendrimers // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. Iss. 2. P. 568-573. D01:10.1021/ja037318m.

6. Katir N., Majoral J. P., Kadib A. E., Caminade A. M., Bousmina M. Molecular and macromolecular engineering with viologens as building blocks: rational design of phosphorus-viologen dendritic structures // Eur. J. Org. Chem. 2012. V. 604. Iss. 2. P. 269-273. DOI: 10.1002/ejoc.201101376.

7. Ciepluch K., Katir N., El Kadib A., Felczak A., Zawadzka K., Weber M., Klajnert В., Lisowska K., Caminade A.M., Bousmina M., Bryszewska M., Majoral J.P., Biological properties of new viologen-phosphorus dendrimers // Mol. Pharm. 2012. V. 9. Iss. 3. P. 448-457. DOI :10.1021/mp200549c.

8. Ciepluch K., Katir N., El Kadib A., Weber M., Klajnert В., Caminade A. M., Bousmina M., Majoral J. P., Bryszewska M. Photo-physical and structural interactions between phosphorus-based dendrimers and human serum albumin // J. Lumines. 2012. V. 132. Iss. 6. P. 1553-1563. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.01.044.

9. Majoral J. P., Caminade A. M. Phosphorhydrazones as useful building blocks for special architectures: macrocycles and dendrimers // Eur. J. Inorg. Chem. 2019. V. 2019. Iss. 11-12. P. 1457-1475. DOI: 10.1002/ejic.201801184.

10. Abdrakhmanova L. A., Stroganov V. F. Modification of polyvinylchloride compositions by polymerizable epoxy oligomers// Polymer Science D. 2019. V. 12. Iss. 2. P. 121-123. DOI: 10.1134/S1995421219020023.

11. Caminade A. M., Majoral J. P. Phosphorus dendrimers functionalised with nitrogen ligands, for catalysis and biology // Dalton Trans. 2019. V. 48. Iss. 22. P. 7483-7493. DOI: 10.1039/C9DT01305A.

12. Caminade A. M., Beraa A., Laurent R, Delavaux-Nicot В., Hajjaji M. Dendrimer and Hyperbranched polymers interacting with clays: fruitful associations for functional materials // J. Material Chem. A. 2019. V. 7. Iss. 34. P. 19634-19650. DOI: 10.1039/C9TA05718H.

13. Katir N., Marcotte N., Nichlewska S., Ionov M., El Brahmi N., Bousmina M., Majoral J. P., Bryszewska M., El Kadib A. Dendrimer for templating the growth of porous catechol-coordinated titanium dioxide frameworks: toward hemocompatible nanomaterials // ACS Appl. Nano Materials. 2019. V. 2. Iss. 5. P. 2979-2990. DOI: 10.1021/acsanm.9b00382.

14. El Hankari S., Katir N., Colliere V., Coppel Y., Bousmina M., Majoral J. P., El Kadib A.Urea-assisted cooperative assembly of phosphorus dendrimer-zinc oxide hybrid nanostructures // New J. Chem. 2019. V. 43. Iss. 5. P. 2141-2147. DOI: 10.1039/C8nj05705b.

15. Katir N., Beynayad A., Rouchon D., Marcotte N., El Brahmi N., Majorai J. P., El Kadib A. Interfacial complexation driven three-dimensional assembly of cationic phosphorus dendrimers and grapheme oxide sheets // Nanoscale Adv. 2019. V. 1. Iss. 1. P. 314-321. DOI: 10.1039/C8n00047f.

16. Brahmi Y., Katir N., Ianchuk M., Essassi E. M., Ouali A., Caminade A. M., Majorai J. P., El Kadib A. Low temperature synthesis of ordered mesoporous stable anatase nanocrystals: thr phosphorus dendrimer approach // Nanoscale. 2013. V. 5. Iss. 7. P. 2850-2856. DOI: 10.1039/C3nr00058c.

17. El Kadib A., Katir N., Bousmina M., Majorai J. P. Dendrimer-silica hybrid mesoporous materials // New J. Chem. A. 2012. V. 36. Iss. 2. P. 241-255. DOI: 10.1039/Clnj20443b.

Furer Victor Lvovich

doctor of chemical sciences, professor

Email: furer@kgasu.ru

Kazan State University of Architecture and Engineering

The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya St., 1

Kovalenko Valery Ignatievich

doctor of chemical sciences, professor

Email: koval@iopc.ru

A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, RAS

The organization address: 420088, Russia, Kazan, Arbuzov St., 8

Study of IR- and Raman-spectra of new electrochromic building materials, including viologen and phosphorus units

Abstract

Problem statement. The purpose of the article was to study the structure of new electrochromic building materials, including the core (NP)3, viologen units, and terminal phosphonate groups, by recording IR and Raman spectra with subsequent quantum-chemical calculations. The possibilities of the practical application of electrochromic building materials have not yet been fully explored. Therefore, the study of the properties of molecular stars and the establishment of their relationship with the structure of the molecules are important.

Results. The main results of the research are that the structure and vibrational spectra of new electrochromic building materials have been studied. The main regularities in the structure of molecular stars have been established. Geometric optimization and calculation of spectra were carried out for G3 in the framework of DFT. It turned out that G3 has an almost flat core and repeating hydrazone units. Interpretation of the IR and Raman spectra of the molecule has been carried out. The similarity of the vibrational spectra of stars of different generations testifies to the similarity of their molecular structure. For the first time, using IR and Raman differential spectroscopy the effects of the influence of the electronic environment on the frequencies and intensities of the bands have been discovered.

Conclusions. The value of the work for construction lies in the fact that new building electrochromic materials have been synthesized and studied, which are used to control the passage of light through windows. The spectral properties of molecular stars (the intensity and width of the IR and Raman bands), determined by the ratio of terminal groups and repeating units, differ most strongly for the first three to four generations of phosphororganic stars. In order to interpret the vibrational spectra of molecular stars, it is necessary to carry out calculations of model molecules representing fragments of stellar molecules.

Keywords: electrochromic building materials, stars, infrared spectra, Raman spectra, normal vibrations, quantum chemistry.

For citation: Furer V. L., Kovalenko V. I. Study of IR- and Raman-spectra of new electrochromic building materials, including viologen and phosphorus units // Izvestija KGASU. 2021. № 1 (55). P. 39-48. DOI: 10.52409/20731523 2021 1 39.

References

1. Gusev A. L., Kondyrina T. N., Kursheva V. V., Pishchurova I. A., Efimov O. N., Kondrashov S. A., Vannikov A. V. Perspectives on application of flexible electrochromic panels in housing and communal services facilities and vehicles // Osnovnyye problemy energetiki i al'ternativnoy energetiki. 2009. Vol. 78. Iss. 10. P. 122-137.

2. Cannavale A., Ayr U., Fiorito F., Martellotta F. Smart electrochromic windows to enhance building energy efficiency and visual comfort // Energies. 2020. V. 13. Iss. 3. P. 1449-1466. DOI: 10.3390/enl3061449.

3. Granqvist C. G., Arvizu M. A., Bayrak Pehlivan I., Qu H. Y., Wen R. T., Niklasson G. A. Electrochromic materials and devices for energy efficiency and human comfort in buildings: A critical review // Electrochim. Acta. 2018. V. 259. Iss. 1. P. 1170-1182. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.11.169.

4. Reus C., Stolar M., Vanderkley J., Nebauer J., Baumgartner T. A convenient A^-arylation route for electron-deficient pyridines: the case of ^-extended electrochromic phosphaviologens // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. Iss. 36. P. 11710-11717. DOI: 10.1021/jacs.5b06413.

5. Marchioni F., Venturi M., Credi A., Balzani V., Beloradsky M., Elizarov A. M., Tseng H. R, Stoddart J. F. Polyvalent scaffolds. Counting the number of seats available for eosin guest molecules in viologen-based host dendrimers // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. Iss. 2. P. 568-573. DOI: 10.1021/ja037318m.

6. Katir N., Majoral J. P., Kadib A. E., Caminade A. M., Bousmina M. Molecular and macromolecular engineering with viologens as building blocks: rational design of phosphorus-viologen dendritic structures // Eur. J. Org. Chem. 2012. V. 604. Iss. 2. P. 269-273. DOI: 10.1002/ejoc.201101376.

7. Ciepluch K., Katir N., El Kadib A., Felczak A., Zawadzka K., Weber M., Klajnert B., Lisowska K., Caminade A. M., Bousmina M., Bryszewska M., Majoral J. P. Biological properties of new viologen-phosphorus dendrimers // Mol. Pharm. 2012. V. 9. Iss. 3. P. 448-457. DOI: 10.1021/mp200549c.

8. Ciepluch K., Katir N., El Kadib A., Weber M., Klajnert B., Caminade A. M., Bousmina M., Majoral J. P., Bryszewska M. Photo-physical and structural interactions between phosphorus-based dendrimers and human serum albumin // J. Lumines. 2012. V. 132. Iss. 6. P. 1553-1563. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.01.044.

9. Majoral J. P., Caminade A. M. Phosphorhydrazones as useful building blocks for special architectures: macrocycles and dendrimers // Eur. J. Inorg. Chem. 2019. V. 2019. Iss. 11-12. P. 1457-1475. DOI: 10.1002/ejic.201801184.

10. Abdrakhmanova L. A., Stroganov V. F. Modification of polyvinylchloride compositions by polymerizable epoxy oligomers// Polymer Science D. 2019. V. 12. Iss. 2. P. 121-123. DOI: 10.1134/S1995421219020023.

11. Caminade A. M., Majoral J. P. Phosphorus dendrimers functionalised with nitrogen ligands, for catalysis and biology // Dalton Trans. 2019. V. 48. Iss. 22. P. 7483-7493. DOI: 10.1039/C9DT01305A.

12. Caminade A. M., Beraa A., Laurent R, Delavaux-Nicot B., Hajjaji M. Dendrimer and Hyperbranched polymers interacting with clays: fruitful associations for functional materials // J. Material Chem. A. 2019. V. 7. Iss. 34. P. 19634-19650. DOI: 10.1039/C9TA05718H.

13. Katir N., Marcotte N., Nichlewska S., Ionov M., El Brahmi N., Bousmina M., Majoral J. P., Bryszewska M., El Kadib A. Dendrimer for templating the growth of porous catechol-coordinated titanium dioxide frameworks: toward hemocompatible nanomaterials // ACS Appl. Nano Materials. 2019. V. 2. Iss. 5. P. 2979-2990. DOI: 10.1021/acsanm.9b00382.

14. El Hankari S., Katir N., Colliere V., Coppel Y., Bousmina M., Majoral J. P., El Kadib A.Urea-assisted cooperative assembly of phosphorus dendrimer-zinc oxide hybrid nanostructures // New J. Chem. 2019. V. 43. Iss. 5. P. 2141-2147. DOI: 10.1039/C8nj05705b.

15. Katir N., Beynayad A., Rouchon D., Marcotte N., El Brahmi N., Majorai J. P., El Kadib A. Interfacial complexation driven three-dimensional assembly of cationic phosphorus dendrimers and grapheme oxide sheets // Nanoscale Adv. 2019. V. 1. Iss. 1. P. 314-321. DOI: 10.1039/C8n00047f.

16. Brahmi Y., Katir N., Ianchuk M., Essassi E. M., Ouali A., Caminade A. M., Majorai J. P., El Kadib A. Low temperature synthesis of ordered mesoporous stable anatase nanocrystals: thr phosphorus dendrimer approach // Nanoscale. 2013. V. 5. Iss. 7. P. 2850-2856. DOI: 10.1039/C3nr00058c.

17. El Kadib A., Katir N., Bousmina M., Majorai J. P. Dendrimer-silica hybrid mesoporous materials // New J. Chem. A. 2012. V. 36. Iss. 2. P. 241-255. DOI: 10.1039/Clnj20443b.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.