CC BY
27Пакет программ по анализу формы сигналов ЯМР для определения активационных параметров конформационной динамики парамагнитных комплексов макроциклических полиэфиров с
лантаноидами
С.П. Бабайлов ([email protected]), Д.А. Майничев
Институт Неорганической Химии СО РАН.
Введение
В последние годы химики стали проявлять большой интерес к координационным соединениям различный металлов с макроциклическими лигандами. Считают, что такие соединения играют важную роль в жизнедеятельности животных и растительных организмов.
Комплексы с макроциклическими лигандами являются объектами бионеорганической химии - нового раздела современной химии. Среди них имеется несколько хорошо исследованных ионофоров - биологических переносчиков ионов. Ионофоры способны переносить небольшие ионы через липидные барьеры и изменять проницаемость и градиенты биологических мембран. К природным ионофорам относят, например, валиномицин и энниатин. В кольцах этих циклических соединений чередуются амидные и сложноэфирные группы. Оба они являются хорошими переносчиками ионов калия.
Внимание исследователей было привлечено к синтетическим циклическим полиэфирам, содержащим в остове только эфирные атомы кислорода. Сравнительно просто удается получать такие эфиры с различным числом атомов в кольце. Такие циклические эфиры называют «коронами» или краун-эфирами. Атомы кислорода в этих соединениях по контуру цикла соединены группами -СН2-СН2- или -СН=СН-. Краун-эфиры рассматриваются как модели природных ионофоров, среди которых такие важные соединения, как хлорофилл, являющийся металлопорфирином, и имеющая порфириновый скелет молекула гемоглобина. Установлено, что в результате ион-дипольного взаимодействия они образуют сравнительно устойчивые комплексы со щелочными металлами. Их устойчивость существенно зависит от размера полости из электрон-донорных гетероатомов - внутреннего пространства макроцикла. Для дибензо-18-краун-6, например, диаметр полости составляет 2.6-3.2 А. Кроме того, макроциклические лиганды образуют гораздо более прочные комплексы, чем аналогичные лиганды нециклического строения.
В 1969-1971 гг. было обнаружено, что химические сдвиги 1Н ЯМР органических соединений, содержащих донорно-активные гетероатомы с неподеленными электронными парами (О, К, Б и т.д.), резко изменяются при введении в их раствор в сравнительно инертных неводных растворителях так называемых лантанидных сдвиговых реагентов (ЛСР). Со времени обнаружения этого эффекта было опубликовано значительное
количество как оригинальных работ, так и обзоров, посвященных различным аспектам использования свойств ЛСР и изучению взаимодействия ЛСР с различными типами органических соединений, а также исследованию природы взаимодействия ядерных спинов с парамагнитным металлоцентром и собственно природы лантанид-индуцированных сдвигов (ЛИС) в спектрах ЯМР. В последние два десятилетия проявляется повышенный интерес к изучению комплексов макроциклических полиэфиров (МЦПЭ) с катионами лантанидов ^и), который обусловлен тем, что МЦПЭ являются перспективными экстрагентами, обеспечивающими разделение ионов различных типов, и ЯМР-аналитическими реагентами. Однако методические особенности ЯМР спектроскопического изучения комплексов Ln с МЦПЭ в литературе не систематизированы. В настоящей работе рассмотрены вопросы применения современных методик ЯМР для изучения молекулярной структуры и динамики комплексов лантанидов с таким классом органических комплексообразующих реагентов как электронейтральные макроциклические полиэфиры. Особенный интерес к этим исследованиям обусловлен в последнее время тем, что недостаточно изучены молекулярно динамические процессы в комплексах в-дикетонатов Ln с МЦПЭ, которые используются в качестве фоторезистов [1], и в связи с перспективой применения фоточувствительных фталоцианиновых производных МЦПЭ в молекулярной электронике.
Однако до сих пор энтальпия активации внутримолекулярной динамики молекул парамагнитных комплексов лантанидов практически не определялась методом анализа формы сигнала ЯМР (за исключением нескольких работ [2, 3]), возможно, из-за таких особенностей комплексов, как сильная температурная зависимость химических сдвигов и наличие лантанид-индуцированного увеличения скорости спин-решеточной релаксации. Хотя в последнее время появились методики определения энтальпии с помощью так называемого переноса намагниченности [4].
Поэтому основной целью настоящей работы была детальная разработка алгоритма и программного обеспечения для ПК по исследованию молекулярной динамики парамагнитных комплексов лантанидов с макроциклическими полиэфирами методом динамического ЯМР. Что потребовало, в частности, решения задачи оценки энтальпии и энтропии активации процесса внутримолекулярной динамики, что было выполнено путем определения температурной зависимости химического сдвига и парамагнитного вклада в него, а также температурной зависимости констант скоростей химического обмена. Для решения данной задачи и был разработан пакет программ, представленный в настоящей работе.
Алгоритм поиска энтальпии активации процессов конформационной динамики в парамагнитных комплексах лантаноидов
Температурные зависимости химических сдвигов и парамагнитных вкладов в ХС
Экспериментально исследованы спектры ЯМР в зависимости от температуры в диапазоне от 168 К до 382 К следующих парамагнитных комплексов лантанидов:
{[Ш(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Ш(ПТА)4]"} (I),
{[Се(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Се(ПТА)4]-} (II),
{[Рг(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Рг(ПТА)4]-} (III),
{[Еи(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Еи(ПТА)4]-} (IV),
в неполярных растворителях. Спектры сохранены в электронной форме для последующего анализа. Набор экспериментальных данных позволяет сделать вывод о существовании внутримолекулярной динамики [5-8] в этих координационных соединениях, аналогично ранее исследованному многопозиционному химическому обмену в [Nd(NÜ3)3 (18-краун-6)].
Перед тем, как провести анализ формы сигналов ЯМР в комплексах [Ьп(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Ьп(ПТА)4]-, требовалось установить влияние температуры на химические сдвиги (ХС) в исследуемой системе. Известно, что в парамагнитных комплексах лантаноидов химсдвиги имеют парамагнитную составляющую большой величины и существенно зависят от температуры.
Сопоставление многочисленных экспериментальных исследований с теорией лантанид-индуцированного сдвига (ЛИС) позволяет сделать вывод о том, что теория в целом хорошо предсказывает общую зависимость ЛИС от катиона лантаноида Ln в ряде изоструктурных комплексов лантаноидов, однако имеются противоречия относительно температурной зависимости ЛИС. Согласно классической работе Блини, температурная зависимость ЛИС может быть разложена в ряд по степеням обратной температуры до второго порядка. В литературе были работы, которые подтверждали такую температурную зависимость псевдоконтактных ЛИС. В этом отношении авторы настоящей работы поддерживают точку зрения, высказанную в работе [9], что температурная зависимость ЛИС существенно зависит от термов более высоких порядков, однако для практических целей в рабочих диапазонах от 200 до 350 К экспериментальная зависимость хорошо аппроксимируется Кюри-Вейсовской зависимостью [3, 5-8, 10]:
5lis = a + b/T (1)
Поэтому одной из наших целей было экспериментальное определение температурной зависимости парамагнитных химсдвигов на протонах. Для этого нами были рассчитаны парамагнитные вклады в ХС 5LIS при различных температурах из разности наблюдаемого в спектрах ХС и диамагнитного ХС 5D (ХС в диамагнитных комплексах La).
Таблица 1. Химические сдвиги (5, м.д.), парамагнитные вклады в химсдвиги (5*, м.д.), экспериментальные (A5exo,endo, м.д.) и расчетные (A5exo,endo *, м.д.) разности химсдвигов диастереотопных exo и endo протонов катиона ионной пары {[№(ПТА)2(18-краун-6)]+ [Ш(ПТА)4]"} в Б8-толуоле в зависимости от температуры T
T, C 25 30 35 40 45 50 80 104 109
T, K 298 303 308 313 318 323 353 377 382
1/T, 10-3 K-1 3,56 3,30 3,247 3,195 3,145 3,096 2,83 2,653 2,62
5CH 20,89 20,436 20,044 19,651 19,259 18,87 16,906 15,729 15,533
5CH2 -8,42 -8,06 -7,74 -7,42 -7,06 -6,74 -5,05 -3,93 -3,74
5CH3 2,983 2,918 2,918 2,853 2,853 2,788 2,591 2,526 2,526
^5exo,endo 0,49 0,42 0,24 - - - - - -
5*CH 15,0 14,546 14,154 13,761 13,369 12,98 11,016 9,839 9,643
5*CH2 -12,22 -11,86 11,54 -11,22 -10,86 -10,54 -8,85 -7,73 -7,54
5*CH3 1,883 1,818 1,818 1,753 1,753 1,688 1,491 1,426 1,426
^5exo,endo* 0,49 0,476 0,462 0,449 0,436 0,424 0,357 0,311 0,302
Таблица 2. Химические сдвиги (5, м.д.) и парамагнитные вклады в химсдвиги (5*, м.д.) протонов групп СН, CH3 и exo, endo и среднее (average) от химсдвигов диастереотопных протонов группы CH2 катиона [..]+ и аниона [..] - ионной пары {[Ce(ПТА)2(18-краун-6)]+ [Ce(ПТА)4]"} в CD2Cl2/CDCl3=8 в зависимости от температуры T
T, C -50 -20 -3 0 10 15 20 25 30 38.5
T, K 223 253 270 273 283 288 293 298 303 311,5
1/T, 10-3 K-1 4,48 3,95 3,70 3,66 3,53 3,47 3,41 3,36 3,30 3,21
5CH [..]+ 36,93 31,50 29,59 28,63 27,67 27,03 26,72 26,08 25,76 24,80
5*CH [..]+ 31,04 25,61 23,70 22,74 22,78 22,14 20,83 20,19 19,87 18,91
5CH [..] - 16,5 14,26 13,21 13,31 12,67 12,67 12,35 12,35 12,03 11,71
5*CH [..] - 10,61 8,37 7,42 7,42 6,78 6,78 6,46 6,46 6,14 5,82
5CH2 endo -15,43 -11,28 -9,68 -9,36 8,41 -8,09 -7,77 -7,13 6,81 -6,17
5*CH2 endo -19,23 -15,08 -13,48 -13,16 13,21 -11,89 -11,57 -10,93 -10,61 -9,97
5CH2 exo -13,52 -10,0 -8,73 -8,401 -7,77 -7,32 -7,06 -7,13 -6,81 -6,17
5*CH exo -17,32 -13,8 -12,53 -12,21 -11,57 11,12 -10,96 -10,93 -10,61 -9,97
5CH2 average -14,48 -10,64 -9,21 -8,89 -8,09 -7,71 -7,55 -7,13 -6,81 -6,17
5*CH2 average -18,28 -14,44 -13,01 -12,69 -11,89 11,51 -11,35 -10,93 -10,61 -9,97
5CH3 [..]+ 7,45 6,71 6,39 6,31 6,14 5,98 5,98 5,90 5,82 5,74
5*CH [..]+ 6,35 5,61 5,29 5,21 5,04 4,88 4,88 4,80 4,72 4,64
5CH3 [..] - 3.70 3,45 3,37 3,29 3,21 3,21 3,21 3,21 3,21 3,13
5*CH [..] - 2,6 2,35 2,27 2,19 2,11 2,11 2,11 2,11 2,11 2,3
В Таблицах 1 и 2 представлены некоторые данные по исследованию зависимости от температуры наблюдаемых химсдвигов протонов различных групп и парамагнитных вкладов в них для комплексов III и I соответственно. Анализ данных по температурной зависимости парамагнитного вклада в ХС, приведенных в Таблице 1 и 2, показывает, что для комплексов I, III соблюдается Кюри-Вейсовская зависимость химсдвигов от температуры.
Аналогичные данные подтверждают применимость приближения (1) для параметризации температурной зависимости химических сдвигов протонов CH, CH2, CH3 групп в комплексах II, IV. Таким образом, в результате экспериментальных исследований температурной зависимости ХС для I, II, III, IV установлено, что она хорошо аппроксимируется Кюри-Вейсовской зависимостью в диапазоне температур от 200 К до 350 К.
Записав (1) в виде (2), выделим явно зависимость ХС от лантаноидного катиона. Полученный результат позволит спрогнозировать химсдвиги диастереотопных exo и endo протонов СН2-групп комплексов и их разности A§exo,endo в области промежуточной и быстрой динамики.
1 + ЛЬп
д^Г) = д^-Г--(2)
Т + Ап
Здесь Льп - константа, зависящая от катиона Ln, i - индекс, соответствующий протону, химический сдвиг 5;(Т) которого мы изучаем. В Таблице 3 показано изменение в ряду лантаноидов значения параметра Л^ зависимости Кюри-Вейса для комплексов [Ьп(ПТА)2(18-краун-6)]+[Ьп(ПТА)4]\ Зная Льп, мы можем легко вычислить теоретически
прогнозируемую форму сигнала ЯМР, что и будет использоваться для нахождения констант скоростей химического обмена.
Таблица 3. Эмпирический параметр АЬп, характеризующий температурную зависимость химических сдвигов протонов СН2 групп катионных фрагментов комплексов [ьп(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Ьп(шА)4]", от катионов лантаноидов Ьп при исследовании по формуле (2).
Ьп Се Рг Ш Ей
Аьп, 10-3К-1 1,667 -1,449 -1,429 -2,93
С помощью компьютерного моделирования решения (3) модифицированных уравнений Блоха, у(у), строим теоретически ожидаемые спектры ЯМР в системе с двухпозиционным химическим обменом с различной заселённостью рА и рв при нулевом порядке спектров. При этом для правильного учёта температурной зависимости ХС вычисляем vA и а также связанные с ними величины 5у и Ау, используя формулу (2). Кроме того, для обеспечения лучшего совпадения теоретической и экспериментальной кривой при расчёте формы линии учитывалось линейное искажение по частоте нулевого сигнала ЯМР (двухпараметрическая оптимизация). Добиваясь наилучшего совпадения теоретического и экспериментального спектров, находим константы скорости химического обмена. Проводя моделирование для спектров, измеренных при разных температурах, определяли температурную зависимость к(Т) констант скоростей двухпозиционного химического обмена с помощью выражений:
(3)
Расчёт значений энтальпии АН1 и энтропии активации (Таблица 4)
осуществляется посредством применения процедуры оптимизации методом наименьших квадратов линейной зависимости 1п(к/Т) от 1/Т, описываемой хорошо известной формулой Эйринга:
1п (к/Т) = - АН* /ЯТ + АБ1 /Я + 1п(кв (4)
где кв - константа Больцмана, h - постоянная Планка, Я - газовая постоянная.
Таблица 4. Энтальпия АН1 и энтропия активации процесса конформационной инверсии молекул 18-краун-6 в зависимости от лантаноидного катиона Ьп в комплексных катионах [Ьп(ПТА)2 (18-краун-6)]+.
Ln AH*, кДж/моль AS*, Дж моль/K
Ce 68 ±15 8 ±4
Pr 55 ±15 -27 ±4
Nd 60 ±15 -12 ±4
Eu 56 ±15 -22 ±4
Рис. 1. Вычисление интегральных интенсивностей сигналов ЯМР с применением функции BaseLine Correction (программа LabVIEW Integrate Spectra.vi) дублетного сигнала диастереотопных exo и endo протонов катиона ионной пары {[№(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Ш(ПТА)4]"} в Dg-толуоле
2348234823484823482348
2348234823484823482348
Описание программного пакета
Алгоритм определения энтальпии активации процессов конформационной динамики в парамагнитных комплексах лантаноидов, предложенный в предыдущем разделе, реализован в специально созданном программном пакете для персональных компьютеров типа IBM PC с операционной системой Windows 95 и выше. Пакет состоит из программ, созданных в среде графического программирования LabVIEW (National Instruments Corporation, http://www.ni.com/labview). В рамках программного пакета разработаны программы, функции которых представлены в Таблице 5.
Таблица 5. Содержание разработанного программного пакета.
Название программы Функция программы
Программа LabVIEW Transform Spectra.vi Преобразование спектров ЯМР из формата NUTS в формат Spreadsheet LabVIEW
Программа LabVIEW Zoom spectra.vi Вырезание участка спектра с интересующим нас сигналом для последующего анализа
Программа LabVIEW Integrate Spectra.vi Вычисление интегральных интенсивностей сигналов ЯМР с возможностью применения функции BaseLine Correction
Программа LabVIEW CE2.vi Изучение формы сигналов ЯМР для определения констант скоростей ХО
Файл Microsoft Excel k(T).xls Расчёт активационных параметров по температурной зависимости констант скоростей
Для исследования интересующего нас сигнала вначале экспериментальный спектр ЯМР в одном из форматов, поддерживаемых NUTS (Acorn NMR Inc., 7670 Las Positas Rd, Livermore, CA 94551, http://www.acornnmr.com), экспортировался в формат Spreadsheet LabVIEW посредством программы LabVIEW Transform Spectra.vi. А затем соответствующий участок спектра вырезался в программе LabVIEW Zoom spectra.vi и сохранялся в отдельный файл.
Для контроля интегральных интенсивностей применялась программа LabVIEW Integrate Spectra.vi, специально созданная для численного интегрирования малых сигналов. Кроме того, эта программа может использоваться для независимых термодинамических исследований, когда необходимо сравнить интенсивности слабых сигналов и других сигналов в ЯМР спектре. NUTS при интегрировании сигналов с малым отношением сигнал-шум допускает ошибки, связанные с неправильной установкой нуля, а разработанная программа позволяет избежать этих погрешностей. На Рис. 1 показан пример интегрирования дублетного сигнала диастереотопных exo и endo протонов катиона ионной пары I в Б8-толуоле.
В первоначальном варианте расчёт формы сигнала ЯМР осуществлялся посредством программы MathCAD Chemical Exchange.mcd. В заключительном варианте используется программа LabVIEW CE2.vi, так как LabVIEW предоставляет более мощные средства обработки данных. На Рис. 2 белым цветом выделен экспериментальный спектр, красным теоретическая кривая для дублетного сигнала протонов группы CH2 катиона ионной пары IV в дейтерированном хлороформе при 312 К.
Рис. 2. Изучение формы сигнала ЯМР для определения константы скорости химического обмена (программа Lab VIEW CE2.vi) диастереотопных exo и endo протонов СН2-группы катиона ионной пары {[Еи(ПТА)2 (18-краун-6)]+ [Еи(ПТА)4]-} в дейтерированном хлороформе при 312 К.
-0,5
-1
Ё -1,5
-2,5
0,00315 0,0032
0,00325 0,0033 0,00335
1/T, 1/K
0,0034 0,00345
0
Рис. 3. Зависимость 1п(к/Т) от 1/Т, где к - константа скорости инверсии молекул 18-краун-6 в [Ей (ПТА)2 (18-краун-6)]+ в дейтерированном хлороформе, Т - температура.
Расчёт значений энтальпии и энтропии активации осуществлялся вставкой полученных на предыдущем шаге алгоритма данных в специально подготовленный файл Microsoft Excel k(T).xls, в котором автоматически определяются оптимальные значения активационных параметров (Рис. 3).
Благодарности
Авторы благодарны Л. Д. Никулиной из ИНХ СО РАН за техническую помощь.
Работа выполнялась при поддержке РФФИ (гранты № 00-03-33011, 04-03-32159).
Список литературы.
1. Мартынова Т.Н. Процессы роста полупроводниковых кристаллов и пленок.-Новосибирск: Наука, 1988.- С.130-140.
2. Бабайлов С П., Кригер Ю Г., Габуда С П. 1Н ЯМР -исследование динамической структуры комплексов нитратных солей лантанидов с 18-краун-6. // Изв. АН СССР. Сер. Хим.- 1990.- 11.- С.2661-2662.
3. Бабайлов С.П., Кригер Ю.Г., ЯМР спектроскопические методы исследования молекулярной структуры парамагнитных комплексных соединений лантанидов в растворах и их использование для комплексов с краун эфирами.// Ж. Структтур. Химии.- 1998.- 39.- 4.- С. 714-730.
4. Parker D., Dickins R.S., Puschmann H., Crossland C., Howard J.A.K. Being excited by lanthanide coordination complexes: aqua species, chirality, excited-state chemistry and exchange dynamics.// Chem. Rev.- 2002.- 102.- pp.1977-2010.
5. Бабайлов С.П., Майничев Д.А. Электронный журнал «Исследовано в России»: ЯМР-исследование разнолигандных комплексов лантанидов. Сообщение 8. Молекулярная динамика и парамагнитные свойства бета-дикетонатов с макроциклом 18-краун-6 в зависимости от лантанидного катиона. {http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/069.pdf}
6. Babailov S. P., Nikulina L.D., Krieger J. H. Intramolecular Dynamics of Lanthanide(III) Tetraoxadiaza Macrocycle Complexes in Solution as Studied by NMR. // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry.- 2002.- 43.- pp.25-29.
7. Babailov S.P., Mainichev D.A. NMR Studies of Mixed-Ligand Lanthanide (III) Complexes. Peculiarities of Molecular Structure, Dynamics and Paramagnetic Properties for Cerium Subgroup Chelates with Crown Ethers. // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry.- 2002.- 43.- pp.187-193.
8. Babailov S.P., Mainichev D.A., Nikulina L.D., Petrova S.S. Intramolecular Dynamics and Molecular Structure of Europium(III) Chelate Complexes with Crown Ethers as Studied by NMR Spectroscopy. European Journal of Inorganic Chemistry. (в печати)
9. De Boer J.W.M., Sakkers P.J.D., Hilber C.W., De Boer M. //J. Magn. Res. -1977.- 25.- pp. 455-476.
10. Бабайлов С.П. Модернизация импульсных спектрометров ЯМР на основе персонального компьютера и АЦП с сигнальным процессором.// Ж. Структ. Химии.-2001.-42.- С. 4.
