CC BY
19
УДК 535.33
Фурер В.Л. - доктор химических наук, профессор
E-mail: forer@kgasu.ru
Пантелеева Т.А. - кандидат физико-математических наук, доцент
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Оптимизация геометрии и расчет частот нормальных колебаний первого поколения дендримера с оксифенетиламинными концевыми группами
Аннотация
Изучена структура дендримера первого поколения, построенного из гексафункционального циклотрифосфазенного ядра, с шестью ветвями -0-C6H4-CH=N-N(CH3)-P(S)< и двенадцатью 4-оксифенетиламинными концевыми группами -О-СбНг-(CH2)2-NH2 Gj . Структурная оптимизация и анализ нормальных колебаний выполнен для дендримера Gj на основе теории функционала плотности (ФП). Рассчитанные геометрические параметры и гармонические частоты колебаний предсказаны в хорошем согласии с экспериментальными данными. Обнаружено, что молекула дендримера Gj имеет структуру выпуклой линзы с плоскими -О-С„Н4-С H=N-N (С Н3)- Р (S) < фрагментами и слегка неплоским циклотрифосфазеновым ядром. Экспериментальные ИК спектры дендримера Gj интерпретированы с помощью распределения потенциальной энергии.
Ключевые слова: фосфорсодержащие дендримеры, ИК спектры, функционал плотности.
Дендримеры - это разветвленные монодисперсные высокомолекулярные соединения [1]. Три структурные компоненты дендримеров, а именно, внутреннее ядро, повторяющиеся разветвленные звенья, присоединенные к ядру, и функциональные концевые группы - можно регулировать.
Фосфорсодержащие дендримеры взаимодействуют с биологическими системами и используются для доставки лекарственных препаратов [2].
В данной работе квантово-химические расчеты используются для характеристики дендримера, построенного из гексафункционального циклотрифосфазенового ядра, с шестью ветвями ОСН4С H=N-N(C H,)-P(S )< и двенадцатью 4-оксифенетиламинными концевыми группами -О-СбН*—(СН2)2—NH2 (Gj). Мы выбрали этот дендример, потому что он может быть использован в качестве лекарственного препарата [2]. Наша цель состояла в том, чтобы скомбинировать экспериментальные результаты с квантово-химическими расчетами методом функционала плотности (ФП) для интерпретации ИК спектров дендримера. Путем полной оптимизации нам удалось найти конформер, соответствующий локальному минимуму потенциальной энергии молекулы Gj, и его ИК спектр, используя технику ФП. Мы получили структурные параметры дендримера Gj и сопоставили их с экспериментальными значениями. Итак, основная цель данной работы состояла в том, чтобы охарактеризовать ядро и концевые группы дендримера на основе изучения и анализа его ИК спектра методом ФП. Полученные результаты дают вклад в понимание структуры, динамики и свойств дендримеров.
Синтез и основные характеристики фосфорсодержащего дендримера Gj описаны ранее [3]. Дендример Gj содержит циклотрифосфазеновое ядро (NP)3, шесть ветвей -О-C6H4-CH=N-N(CH3)-P(S)< и двенадцать 4-оксифенетиламинных концевых групп -О-C6H4-(CH2)2-NH2 (рис. 1). Дендример Gj имел вид белого порошка.
Расчет ИК спектра выполнен с использованием градиентно-коррелированной теории с обменно-коррелированным функционалом плотности РВЕ [4]. Этот функционал выбран, потому что он удовлетворяет точным соотношениям для обменнокорреляционной дырки и не содержит подгоночных параметров. Использован трехэкспоненциальный базис с двумя поляризационными функциями (TZ2P) [4]. Данный базис был выбран для того, чтобы получить оптимальное соотношение между аккуратностью и временем вычислений [4]. Его особенность состоит в том, что один набор экспонент используется для всех величин углового момента атомов [5].
Программа Природа использовалась для выполнения расчетов методом ФП [5]. Все стационарные точки характеризовались как минимумы путем анализа матриц Гессиана. Программный пакет [6] использован для расчета распределения потенциальной энергии.
Дендример Gj является аморфным веществом и не имеет дальнего порядка в конденсированной фазе. Поэтому его молекулярную структуру нельзя определить методом дифракции рентгеновских лучей. Но мы можем использовать геометрические параметры родственных циклотрифосфазеновых и фенетиламинных молекул, находящихся в кристаллическом состоянии, определенных рентгеновским методом. Было показано, что циклотрифосфазеновое кольцо слегка неплоское, с двумя атомами азота, выходящими из плоскости остальных четырех (трех атомов фосфора и одного атома азота) атомов на 0,15 Ä в противоположных направлениях. Длины химически эквивалентных связей одинаковы. Хотя сравнение между структурами в газовой и конденсированной фазами не является очень строгим, наблюдается разумное согласие между теоретическим расчетом Gj и экспериментальными данными по дифракции рентгеновских лучей для кристаллической фазы гексафеноксициклотрифосфазена и производного фенетиламина.
Полная оптимизация дает конформер молекулы Gj с слегка неплоским циклотрифосфазеновым кольцом (рис. 2). Рассчитанные значения двугранных углов циклотрифосфазенового кольца меньше 30°. Наши данные соответствуют результатам недавних неэмпирических расчетов фосфазенов. Было показано, что большинство циклотрифосфазеновых производных имеют плоскую конформацию кольца.
Из квантово-химических расчетов следует, что каждая ветвь - О-С,, Н 4- С Н=N -N(CH3)-P(S)< является плоской. Поэтому конформация молекулы определяется двугранными углами N(l)-P(l)-0(1)-C(l) и Р(1)-0(1)-С(1)-С(2), которые определяют ориентацию ветвей. Сканирование поверхности потенциальной энергии для внутренних вращений относительно связей показывает, что молекула дендримера существует преимущественно только в одной стабильной конформации ветвей. Самым стабильным является конформер молекулы Gj с рассчитанными двугранными углами: 170,1 и 158,8°. Соответствующие экспериментальные углы равны 174,7 и 172,8°. Полная оптимизация показывает, что преобладающей является конформация концевых 4-оксифенетиламинных групп -O-CeHj-iCHob-NHo с двугранными углами С(13)-С(22)-C(23)-N(6) и C(22)-C(23)-N(6)-H(23): 63,7 и 46,8°. 4-оксифенетиламинные группы, присоединенные к разным ветвям, показывают заметные отклонения от симметричного расположения относительно локальных плоскостей SPNN повторяющихся звеньев. Эти отклонения могут быть вызваны межмолекулярными взаимодействиями.
nh2
nh2
Рассчитанные для G¡ молекулы длины связей (в À) P(l)-N(3) (1,606), Р( 1 )—0( 1 ) (1,649) и С(1)—0(1) (1,388), хорошо соответствуют экспериментальным величинам 1,576, 1,585 и 1,401. Теоретические валентные углы (в градусах) N(l)-P(2)-N(2) (121,2), P(l)-N(l)-P(2) (119,2), 0(1)—P(l)—N(l) (103,0), P(l)—0(1)—C(l) (126,2) также находятся в близком согласии с экспериментальными величинами 117,6, 122,0, 110,8, 128,7.
Форма молекул дендримера может быть охарактеризована отношениями Ii/I3 и 12/1з главных значений тензора момента инерции. Их величины 0,22 и 0,98 соответствуют дископодобной анизотропной форме молекул дендримера G¡. Итак, плоская и анизотропная форма циклотрифосфазенового ядра определяет способность дендримеров упаковываться друг с другом в наиболее вероятной дископодобной форме.
Химия комплекса гость-хозяин обычно основана на электростатических взаимодействиях между поверхностью дендримера и заряженными частицами. Для того чтобы оценить взаимодействия между дендримерами и различными активными веществами, такими как лекарства, пестициды, парфюмерные вещества, мы рассчитали пространственное распределение электронной плотности для ядра и концевых групп. Из наших расчетов следует, что изученная молекула G¡ включает в ядре полярные Р-N связи с зарядами на атомах Хиршфильда (в атомных единицах) на атомах N(1) (-0,31), Р(1) (0,39). Атом азота концевой группы N(6) также имеет отрицательный заряд -0,18. Дендример G¡ содержит полярные связи P=S в повторяющимся звене с зарядами на атомах S(l) (-0,25) и Р(4) (0,36). Заряды на атомах 0(1) и 0(2) равны -0,12. Другие атомы повторяющегося звена и концевых групп имеют заряды меньше, чем 0,1.
Рис. 2. Оптимальная геометрия для G}
Итак, в случае фосфорсодержащих дендримеров макромолекулы имеют гидрофобный интерьер и активные места для реакций в ядре дендримера и концевых группах.
Дипольные моменты могут быть использованы для характеристики структуры дендримеров. Рассчитанный в газовой фазе дипольный момент молекулы С! равен 4,17 Д. Итак, С! дендример имеет заметный дипольный момент, который может быть приписан несимметричному распределению ветвей. Ветви этого дендримера индуктивно влияют на ядро за счет его изоляции.
Липофильность является очень важным молекулярным дискриптором, который хорошо коррелирует с биологической активностью химических соединений. Логарифм коэффициента участия (1о^) коррелирует с растворимостью в воде. Липофильность может быть измерена с помощью 1оёР, который показывает распределение между неполярными и полярными связями. В данной работе мы рассчитали 1о^ для молекулы С! и получили довольно высокую величину 35,54. Итак, дендример первого поколения имеет высокую положительную величину 1о^ и является липофильным. Липофильность этого дендримера определяет геометрию и форму
молекулы в воде. Из результатов наших расчетов следует, что внутренняя структура дендримера играет важную роль при рассмотрении биологических свойств.
ИК спектр был рассчитан для наиболее стабильной конформации О! (рис. 3). Несмотря на то, что рассчитанная кривая поглощения изолированной молекулы много проще, чем экспериментальный ИК спектр, интенсивность большинства полос воспроизводится нашими расчетами. Поэтому квантово-химические расчеты могут быть использованы для интерпретации спектров дендримеров. Отнесение полос выполнено на основе рассчитанного распределения потенциальной энергии (РПЭ).
Wa venu mb er/cm
Рис. 3. Теоретический (1) и экспериментальный (2) ИК спектр G/
Сильная полоса 1687 см"1 в экспериментальном ИК спектре ( 'ч отнесена к валентным колебаниям С=0 связей CF3COOH, которые образуются при синтезе дендримера. Полоса 1632 см"1, является NH2 деформацией и имеет среднюю интенсивность в ИК (г/. Интенсивные полосы 1606 и 1505 см"1 в ИК спектре ('ч относятся к ССаг растяжению и ССН деформационным колебаниям ароматического кольца. Довольно слабые полосы 1469, 1441, 1429 см"1 в ИК спектре ( 'ч связаны с НСН деформационными колебаниями. Полосы 1304 и 1368 см"1 в ИК спектре отнесены к NCH и ССН деформациям.
Очень сильные и сложные полосы в экспериментальном ИК спектре G; 1164, 1181, 1198 см"1 относятся к С-О, Р-N и С-С растяжению. Полоса 1017 см"1 в ИК спектре ('ч может быть связана с С-N валентными колебаниями.
Сильная полоса 946 см"1 в экспериментальном ИК спектре ( 'ч отнесена к Р-0 валентным колебаниям. Полоса средней интенсивности 837 см"1 в ИК спектре ('ч относится к симметричному СОС растяжению.
Полоса 646 см"1 в ИК спектре ('ч включает вклад от ССС, ССН и ОСС деформаций. Полоса 574 см"1 в ИК спектре относится к РОС деформации.
Итак, ядро (NP)3 дендрона показывает полосу 1266 см"1 в спектре КР (г /. отнесенную к Р—N растяжению. Концевые групп характеризуются полосой 3436 см"1, отнесенной к NH2 антисимметричному растяжению. Линия 1577 см"1 в спектре КР может быть отнесена к C=N валентным колебаниям повторяющихся звеньев.
Список литературы
1. Newkome G.R., Shreiner C.D. Polyamidoamine, polypropylenimine, and related dendrimers and dendrons possessing different 1-2 branching motifs: An overview of the divergent procedures // Polymer, 2008, № 1. - P. 1-173.
2. Caminade A.M., Turrin C.O., Majoral J.P., Biological properties of phosphorus dendrimers //New Journal of Chemistry, 2010, V 34. - P. 1512-1524.
3. Fuchs S., Pla-Quintana A., Mazares S., Caminade A.M., Majoral J.P. Cationic and fluorescent «Janus» dendrimers // Organic Letters, 2008, № 21. - P. 4751-4754.
4. Perdew J.P., Burke K., Erznzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical Review Letters, 1996, № 18. - P. 3865-3668.
5. Laikov D.N., Ustynyuk Yu.A., PRIRODA-04: a quantum-chemical program suite. New possibilities in the study of molecular systems with the application of parallel computing // Russian Chemical Bulletin, International Edition, 2005, № 3. - P. 820-826.
6. Sipachev V.A., Calculation of shrinkage corrections in harmonic approximation // Journal Molecular Structure (Theochem), 1985, № 1. - P. 143-151.
Furer V.L. - doctor of chemical sciences, professor E-mail: furer@kgasu.ru
Panteleeva T.A. - candidate of mathematical sciences, associate professor Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya St., 1
Geometry optimization and calculation of harmonic vibrational frequencies of first generation dendrimer with oxypenethylamine terminal groups Resume
The structural optimization and normal mode analysis were performed for dendrimer Gj on the basis of the density functional theory (DFT). The calculated geometrical parameters and harmonic vibrational frequencies are predicted in a good agreement with the experimental data. It was found that (ii has a concave lens structure with planar -0-C6H4-CH=N-N(CH3)-P(S)< fragments and slightly non-planar cyclotriphosphazene core. The 4-oxyphenethylamino groups attached to different arms show significant deviations from a symmetrical arrangement relative to the local planes of repeating units. The FTIR spectra of the first generation dendrimer (7/ built from the cyclotriphosphazene core, six arms -0-C6H4-CH=N-N(CH3)-P(S)< and twelve 4-oxyphenethylamino terminal groups -O-C6H4-(CH2)2-NH2 (ii have been recorded. The experimental IR-spectra of Gt dendron was interpreted by means of potential energy distributions. Relying on DFT calculations a complete vibrational assignment is proposed. Thus the employed DFT method enables one to calculate the structure, charges on atoms, and reproduce the experimental IR spectrum of the dendrimer with cyclotriphosphazene core and 4-oxyphenethylamino end groups. The 4-oxyphenethylamino terminal groups are out of the repeating group plane. The calculated ratios of principal moments of gyration tensor reveal that Gt molecule has highly asymmetric shape.
Keywords: phosphorus-containing dendrimers, IR-spectra, density functional theory.
References
1. Newkome G.R., Shreiner C.D. Polyamidoamine, polypropylenimine, and related dendrimers and dendrons possessing different 1-2 branching motifs: An overview of the divergent procedures // Polymer, 2008, № 1. - P. 1-173.
2. Caminade A.M., Turrin C.O., Majoral J.P., Biological properties of phosphorus dendrimers //New Journal of Chemistry, 2010, V 34. - P. 1512-1524.
3. Fuchs S., Pla-Quintana A., Mazares S., Caminade A.M., Majoral J.P. Cationic and fluorescent «Janus» dendrimers // Organic Letters, 2008, № 21. - P. 4751-4754.
4. Perdew J.P., Burke K., Erznzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical Review Letters, 1996, № 18. - P. 3865-3668.
5. Laikov D.N., Ustynyuk Yu.A., PRIRODA-04: a quantum-chemical program suite. New possibilities in the study of molecular systems with the application of parallel computing // Russian Chemical Bulletin, International Edition, 2005, № 3. - P. 820-826.
6. Sipachev V.A., Calculation of shrinkage corrections in harmonic approximation // Journal Molecular Structure (Theochem), 1985, № 1. - P. 143-151.
