Введение к работе
Актуальность работы. Интерес к химии каркасных углеводородов (УВ) обусловлен огромным разнообразием структур этих соединений, их необычными физико-химическими свойствами, высокой биологической активностью, а также важной ролью в решении различных задач теоретической и прикладной химии. Адамантан является простейшим представителем большого класса полимантановых структур, синтетическая химия которых получила особую популярность в последние годы, что обусловлено необходимостью направленного синтеза и функционального модифицирования прекурсоров для различных областей наноиндустрии, нефтехимии, фармакологии и др.. Оказалось, что представители каркасных УВ являются удобными молекулярными строительными блоками (molecular building blocks), удовлетворяющими целому ряду необходимых при создании наноматериалов условий: высокая прочность углеродного каркаса и легкость формирования трехмерной структуры; относительная синтетическая доступность; возможность химического модифицирования с целью придания необходимого набора физико-химических характеристик; низкая токсичность; стабильность при высоких давлениях, температурах и в различных растворителях и т.д. Однако, несмотря на очевидный практический интерес к этим соединениям, их физико-химические и адсорбционно-хроматографические свойства остаются малоизученными.
Методы газовой (ГХ) и высокоэффективной жидкостной (ВЭЖХ) хроматографии занимают лидирующее положение в разделении и идентификации представителей каркасных соединений (КС), характеризующихся большим числом структурных и пространственных изомеров. Вместе с тем, изучение механизма и термодинамики сорбции этих соединений, исследование их физико-химических свойств хроматографическими методами, поиск новых высокоселективных сорбентов, чувствительных к особенностям структуры КС, практически не проводились. В этой связи актуальным является установление количественной связи между строением КС, их физико-химическими и адсорбционно-хроматографическими свойствами в различных вариантах ГХ и ВЭЖХ, что открывает широкие возможности в априорном предсказании величин хромато-графического удерживания отдельных представителей этого класса, понимании механизма сорбции объемных молекул в системах с различным типом структурной селективности и создании новых высокоэффективных методов разделения и концентрирования органических соединений каркасного строения.
Цель работы. Установление взаимосвязи между параметрами каркасной структуры производных адамантана и других карбоциклических соединений и их способностью к межмолекулярным взаимодействиям в условиях равновесных ГХ и ВЭЖХ, а также оптимизация процесса хроматографического разделения представителей класса полиэдрических соединений на сорбентах с различным типом структурной селективности.
Для достижения поставленной цели основными задачами диссертации явились:
- экспериментальное определение и теоретический анализ термодинамических характеристик
1 Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами НИР СамГТУ "Термодинамика межмолекулярных
взаимодействий каркасных соединений в условиях газовой и жидкостной хроматографии" и "Термодинамика
межмолекулярных взаимодействий органических соединений с супрамолекулярными системами"
(№01200705939; №01201053369; №01201161065 (2008-2011 гг.)); при финансовой поддержке грантов РФФИ
№08-03-99033-р офи; №13-03-97001-р поволжье а; №13-03-97002-р поволжье а- №14-03-97071-
р поволжье а), гранта Европейского союза~("PLASMACARB", №GRD1-1999-10617 (200Г-2003 гг.)), гранта Немецкого каучукового общества (DKG) (№13/01, 2001 г.), грантов Губернатора Самарской области (2012 2013 гг.), в рамках Федеральной Целевой Программы Министерства образования и науки РФ "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (ГК №П035, (2009 г.)), при поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК 14.В37.21.0304 и 14.В37.21.0323), а также при финансовой поддержке государственного задания в сфере научной деятельности в части проведения научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных исследований и экспериментальных разработок) по проекту "Исследование физико-химических свойств поверхности нано- и супрамолекулярных систем" (2014-2016 гг.).
сорбции (ТХС) производных адамантана на неподвижных жидких фазах (НЖФ) различной полярности в условиях равновесной ГЖХ; установление влияния особенностей молекулярного строения КС на закономерности их удерживания и параметры равновесия "раствор в НЖФ-пар";
экспериментальное изучение адсорбции производных карбоциклических соединений на поверхности базисной грани графита; исследование селективности графитоподобных адсорбентов при разделении смесей структурных и пространственных изомеров производных адамантана; теоретическое обоснование и развитие молекулярно-статистических методов к описанию адсорбции молекул объемного строения на плоских однородных поверхностях;
получение и теоретический анализ ТХС производных адамантана на смешанных сорбентах на основе систем с "двумерной" (графитированная термическая сажа (ГТС) и её аналоги) и "трехмерной" (циклодекстрины) типами селективности;
анализ ТХС и закономерностей удерживания производных адамантана из среды разбавленных водно-органических растворов в условиях ОФ- и НФ-вариантов ВЭЖХ; изучение структурной селективности и теоретическое описание адсорбции молекул каркасного строения на графитоподобных сорбентах в ВЭЖХ;
установление связи между хроматографическими и топологическими характеристиками молекул каркасного строения и получение на их основе новых зависимостей "структура-удерживание";
выбор оптимальных условий определения и достоверной идентификации лекарственных производных адамантана в сложных матрицах с помощью хроматографических методов, в том числе сочетая их с предварительным концентрированием;
развитие методологии исследования адсорбционно-хроматографических свойств углеродных материалов методом инверсионной газовой хроматографии (ИГХ); поиск закономерностей, связывающих ТХС на неоднородных поверхностях со структурой и свойствами молекул сорбатов-реперов.
Научная новизна определяется совокупностью полученных в работе новых результатов.
Экспериментально методом равновесной ГЖХ на НЖФ различной полярности в широком интервале температур определены надежные взаимосогласованные ТХС (константы распределения, энтальпии и энтропии сорбции, предельные коэффициенты активности, избыточные термодинамические функции смешения) более 60 производных адамантана, а также большой группы циклоалканов, бициклоалканов, трициклоалканов, аренов и их функциональных производных. Для большинства изученных производных адамантана на основании ГЖХ-данных определены параметры равновесия "жидкость-пар" (температуры кипения, энтальпии испарении и др.) индивидуальных соединений. Полученные сорбционно-структурные корреляции между ТХС, физико-химическими и структурными характеристиками, учитывающими особенности молекулярного строения исследованных соединений, использованы для прогноза параметров хроматографического удерживания в условиях ГЖХ. Определены интервалы селективности рассмотренных НЖФ и способы их направленного модифицирования для эффективного разделения смесей структурных и пространственных изомеров производных карбоциклических соединений методом ГЖХ. Предложено строгое термодинамическое описание макроциклического эффекта при комплексообразовании КС с молекулами -ЦД, иммобилизированных в объём НЖФ.
Экспериментально методом равновесной ГАХ на ГТС определены ТХА более 200 производных адамантана и других карбоциклических соединений. Показано влияние особенностей пространственного строения молекул адсорбатов, числа и положения заместителей в основном структурном фрагменте, а также различных внутримолекулярных эффектов (невалентные взаимодействия, opwo-эффекты, сопряжение в ароматических системах, внутреннее напряжение и др.) на закономерности хроматографического удерживания рассмотренных соединений на колонках с ГТС. На примере КС предложена модель адсорбции органических соединений на
плоской однородной поверхности, учитывающая вклад удаленных атомов адсорбата в общую энергию взаимодействия. В рамках атом-атомного приближения теории физической адсорбции выполнены молекулярно-статистические расчеты более 400 различных производных адаманта-на, циклоалканов, бициклоалканов, трициклоалканов, аренов, алканов, включая гипотетические структуры и различные конформеры, что позволило теоретически оценить энергию их взаимодействия с поверхностью графита, а также предсказать возможный порядок элюирования на колонках с ГТС в условиях ГАХ. Определены и обоснованы адекватные значения параметров атом-атомных потенциалов (ААП) взаимодействия атомов и групп атомов в молекуле адсорбата (Si, I, F, NO2, NН2, ОН и др.) с атомами углерода базисной грани графита, а также найдены поправки в уже известные параметры ААП, что позволило значительно повысить точность выполнения молекулярно-статистических расчетов и расширить область их практического применения. Получен ряд важных соотношений, связывающих параметры тонкой молекулярной структуры адсорбатов с их адсорбционным потенциалом на поверхности графита. В рамках моделей локализованной и делокализованной адсорбции, концепции о термической составляющей энтропии адсорбированного вещества и др. сделан вывод о подвижности и физическом состоянии молекул КС на поверхности ГТС. Экспериментально в условиях ГАХ исследована селективность ГТС к структурным и пространственным изомерам производных адамантана и других карбоцикличе-ских соединений. Развита новая топологическая концепция построения графов для оценки энергии взаимодействия молекул каркасного строения с поверхностью базисной грани графита.
Экспериментально методом равновесной ВЭЖХ изучена термодинамика сорбции производных адамантана из бинарных растворов на сорбентах различной природы. Показаны достоинства и ограничения известных ВЭЖХ-моделей удерживания для описания закономерностей и особенностей сорбции КС. С использованием данных молекулярно-статистических расчетов развита модель адсорбции КС на графитоподобных сорбентах из среды многокомпонентного элюента. Исследованы и интерпретированы эффекты энтальпийно-энтропийной компенсации сорбции и полярного удерживания на графите производных адамантана в условиях ОФ- и НФ-вариантов ВЭЖХ. Показана связь равновесных свойств растворов производных адамантана в различных растворителях с параметрами их удерживания в условиях ВЭЖХ.
Достоверно идентифицированы отдельные представители производных адамантана, включая и лекарственные соединения, в сложных смесях структурных и пространственных изомеров. Предложены методики определения лекарственных препаратов мидантан, ремантадин, мемантин и др..
В условиях ИГХ исследована геометрическая неоднородность поверхности углеродных адсорбентов и показана её связь с фрактальной размерностью поверхности. Предложен газохромато-графический метод оценки геометрической неоднородности поверхности, основанный на различиях в адсорбции молекул линейного и каркасного строения. Показано, что в ряду графитирован-ных саж увеличивается их структурная селективность при газохроматографическом разделении смесей близких по свойствам пространственных изомеров молекул циклических и каркасных УВ.
Практическая значимость работы определяется совокупностью экспериментальных и теоретически рассчитанных данных по адсорбционно-хроматографическим и термодинамическим параметрам сорбции производных адамантана и других карбоциклических соединений в условиях ГХ и ВЭЖХ на сорбентах различной природы. Предложены способы регулирования общей и структурной селективности, использованные разработки высокоселективных хроматографиче-ских методик разделения и концентрирования близких по свойствам изомеров производных каркасных УВ из сложных по составу синтетических и природных смесей. Определенные и скорректированные параметры ААП значительно расширяют возможности молекулярно-статистических методов адсорбции, позволяя выполнять теоретические расчеты ТХА применительно к адсорбции различных по составу и структуре органических соединений. Найдены условия хроматогра-
фического анализа лекарственных производных адамантана и определены возможные примеси в готовых фармацевтических препаратах. Востребованными являются высокочувствительные и экспрессные методы газовой хроматографии в оценке комплекса адсорбционных свойств углеродных материалов, включая наноразмерные частицы графита, нанотрубки и другие малоизученные аллотропные модификации углерода.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Результаты экспериментального и теоретического исследования термодинамики адсорбции молекул каркасного строения на поверхности графитоподобных адсорбентов. Модель адсорбции объемных органических соединений на плоской однородной поверхности, учитывающая адсорбционную неэквивалентность атомов в адсорбате, находящихся на различном удалении от поверхности адсорбента и влияние внутримолекулярных электронных эффектов в адсорбате на его адсорбционный потенциал.
-
Концепция о влиянии тонкой молекулярной структуры высокосимметричного адамантаново-го фрагмента на комплекс адсорбционно-хроматографических свойств адамантилсодержащих соединений. Гипотеза о способности атомов Н при третичных атомах углерода в адамантановом каркасе вступать в специфические межмолекулярные взаимодействия с полярными фрагментами НФ.
-
Применение метода ГЖХ для термодинамического описания состояния карбоциклических соединений в растворах с низко- и высокомолекулярными НЖФ и равновесия "жидкость-пар". Впервые определенные значения избыточных термодинамических функций смешения в системах "каркасная молекула-сорбент". Данные по ГХ-селективности различных НЖФ для эффективного разделения производных адамантана.
-
Результаты молекулярно-статистических расчетов ТХА молекул циклического и каркасного строения на базисной грани графита. Параметры потенциальной функции взаимодействия атомов и атомных групп в адсорбате (Si, I, F, N02, NН2, ОН и др.) с атомами углерода базисной грани графита. Новые методы введения поправок в параметры ААП, учитывающие валентное состояние и окружение атома в адсорбирующейся молекуле. Результаты хроматоскопических исследований различных карбоциклов на ГТС.
-
Экспериментальные данные и модель удерживания производных адамантана на смешанных сорбентах с добавками -ЦД. Строгое термодинамическое обоснование эффекта эндотермического комплексообразования и резкого уменьшения энтропии сорбции, обусловленных образованием прочных комплексов включения производных адамантана с макроциклической полостью молекул -ЦД.
-
Большой массив физико-химических параметров производных адамантана, рассчитанных на основе данных по хроматографическому удерживанию, а также результаты тополого-графового исследования молекулярной структуры этих соединений. Количественные зависимости между сорбционно-хроматографическими, структурными, физико-химическими и топологическими характеристиками производных адамантана и других карбоциклических соединений. Результаты априорной оценки параметров ТХС производных адамантана в условиях газовой и жидкостной хроматографии.
-
Результаты идентификации отдельных изомеров производных карбоциклических УВ в синтетических и природных смесях.
-
Данные по термодинамике удерживания производных адамантана в условиях ВЭЖХ на сорбентах различной природы. Результаты исследования влияния состава подвижной фазы на удерживание и селективность разделения производных адамантана в ВЭЖХ. Подход к априорному определению параметров удерживания органических соединений из бинарных растворов в ВЭЖХ на графитоподобных сорбентах с помощью молекулярно-статистических расчетов ТХА на графите.
-
Хроматографические методики определения промежуточных продуктов синтеза лекарствен-
ных препаратов на основе адамантана (мидантан, ремантадин, мемантин и др.).
10. Данные по применению различных теоретических моделей (теории фракталов, модели локализованной адсорбции и др.) к описанию состояния адсорбированных молекул на неоднородных поверхностях. Метод оценки геометрической неоднородности поверхности, основанный на различиях в адсорбции молекул линейного и каркасного строения.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 56 статей (50 из перечня ВАК) и тезисы 160 докладов на профильных конференциях различного уровня.
Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийском симпозиуме по теории и практике хроматографии и электрофореза (Москва, 1998); Международной научной конференции "Органический синтез и комбинаторная химия" (Москва, 1999); Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999); Всероссийской научной конференции "Химический анализ веществ и материалов" (Москва, 2000); Third International Conference on Carbon Black (Mulhouse, France, 2000); IX Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции и адсорбционной хроматографии (Москва, 2001); IX Международной научной конференции "Химия и технология каркасных соединений" (Волгоград, 2001); Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы хроматографии" (Москва, 2002); XII Всероссийской конференции по газовой хроматографии (Самара, 2002); XIV, XVII, XVIII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT) (St.Petersburg, 2002; Kazan, 2009; Samara, 2011); V Kautschuk-Herbst-Kolloquium (Hannover (Deutschland), 2002); 3rd International Symposium on Separations in BioSciencies (SBS’03) "Biomedical Appications of Chromatography and Electrophoresis" (Moscow (Russia), 2003); XXVIIth Scientific Symposium "Chromatographic methods of investigating the organic compounds" (Katowice (Poland), 2003); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003); Всероссийском симпозиуме "Хроматография и хроматографические приборы" (Москва, 2004); Всероссийской конференции "Теория и практика хроматографии. Применение в нефтехимии" (Самара, 2005); VI, VIII Всероссийсих конференциях по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика" (Самара, 2006; Архангельск, 2011); Всероссийской конференции "Химический анализ" (Москва, 2008); XI Международной научно-технической конференции "Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений" (Волгоград, 2008); II Международном форуме "Аналитика и Аналитики" (Воронеж, 2008); Всероссийской молодежной конференции по математической и квантовой химии (Уфа, 2008); III Региональной конференции молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем (Крестовские чтения)" (Иваново, 2008); III Всероссийской конференции "Аналитика России" с международным участием (Краснодар, 2009); I и II Съездах аналитиков России (Москва, 2010, 2013); IV Международной конференции "Экстракция органических соединений" (ЭОС-2010) (Воронеж, 2010); Всероссийских конференциях "Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез" (Туапсе, 2010, 2013); V International Symposium "Methods and Applications of Computational Chemistry" (Kharkiv (Ukraine), 2013), Всероссийской конференции "Адсорбция-2013" (Тверь, 2013) и др..
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка цитированной литературы из 716 наименований и приложения. Диссертация изложена на 497 страницах машинописного текста, содержит 172 рисунка и 162 таблицы.
