Введение к работе
Актуальность работы
Супрамолекулярные структуры изучаются в областях фундаментальной и
прикладной химии и могут быть использованы в качестве модификаторов поверхностей с
целью придания им новых функциональных возможностей. Азотсодержащие
гетероциклические соединения, такие как урацил, меламин, циануровая кислота, имеющие электронодонорные заместители используются для архитектуры супрамолекулярных структур и являются перспективными объектами для изучения процесса самосборки.
Известно, что модифицирование поверхности сорбентов различной природы некоторыми производными и аналогами урацила приводит к повышению их адсорбционной активности по отношению к разным классам органических соединений. Эти изменения обусловлены самосборкой на поверхности сорбента супрамолекулярных агрегатов. Недавние исследования показали, что возможно хроматографическое разделение оптических изомеров, в частности пропранолола, на углеродсодержащих сорбентах, модифицированных супрамолекулярными структурами меламина, циануровой кислоты, урацила. Природа разделения энантиомеров на сорбентах, модифицированных нехиральными молекулами урацила, меламина и циануровой кислотой не изучена. Предполагается, что образование супрамолекулярных ассоциатов на поверхности сорбента приводит к появлению топологической хиральности. Задача распознавания и определения оптических изомеров лекарственных веществ является актуальной, так как физиологическая активность оптически активных соединений зависит от вида изомера (D- или L-) вплоть до того, что разные энантиомеры могут иметь противоположные свойства.
Изучение процесса самосборки производных и аналогов урацила необходимо для понимания их самоорганизации с целью создания материалов с заданными свойствами. Данные о предпочтительных межмолекулярных взаимодействиях и ряды относительной устойчивости ассоциатов производных и аналогов урацила полезны для более глубокого понимания структурных особенностей исследуемых веществ в кристаллической фазе.
Симуляция самосборки производных и аналогов урацила на поверхности графена актуальна для создания модели поверхности модифицированного угольно-пастового электрода. Полученные модели необходимы для изучения природы взаимодействия оптических изомеров с модифицированными поверхностями угольно-пастового электрода, графитированной сажи.
Работа выполнена при поддержке проекта №4.299.2014/K, исполняемого в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности.
Цель настоящей работы
Установление закономерностей процесса самосборки производных и аналогов урацила. Разработка молекулярно-динамической модели поверхности модифицированного угольно-пастового электрода.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Квантово-химический расчет термодинамических параметров различных
ассоциатов производных урацила с целью получения рядов относительной устойчивости
исследуемых структур на основе анализа значений энтальпий ассоциации. Количественное
определение электростатического потенциала электронодонорных и электроноакцепторных
заместителей в исследуемых молекулах для выявления предпочтительных
межмолекулярных взаимодействий.
-
Молекулярно-динамическое моделирование процесса самосборки урацила, циануровой кислоты и меламина на поверхности графена. Создание модели поверхности модифицированного угольно-пастового электрода.
-
Молекулярно-динамическое моделирование сорбции оптических изомеров модельного соединения - пропранолола на модифицированном и немодифицированном графене.
-
Моделирование сорбции пропранолола из водного раствора на системах меламин-графен, урацил-графен, циануровая кислота-графен, сравнение сорбционной способности путем сопоставления количества водородных связей между молекулами модификатора и пропранолола.
Методология и методы исследования
Квантово-химические расчеты проводили с помощью программного пакета
Gaussian09, в качестве основного приближения использовали гибридный функционал
TPSSh в сочетании с базисным набором тройного валентного расщепления TZVP. Данное
приближение характеризуется сравнительно небольшими величинами ошибки
суперпозиции базисного набора (BSSE) и является достаточно ресурсоемким для изучения ассоциатов производных и аналогов урацила. Функционал TPSSh в литературе успешно используется для описания систем, содержащих межмолекулярные связи. Анализ приведенного градиента плотности (RDG) и электростатического потенциала на молекулярной Ван-дер-Ваальсовой поверхности проводили в программе Multiwfn. Для визуализации областей межмолекулярных взаимодействий и ESP карты на VdW-поверхности использовали программу VMD и Chemcraft.
Молекулярно-динамические симуляции выполнены с помощью программного пакета GROMACS c использованием силового поля GROMOS96 54a7. Топологии для всех структур генерировали с помощью сервиса ATB.
Научная новизна и научно-практическая значимость
1. Методами квантовой химии изучена относительная стабильность ассоциатов 5-
фторурацила, 5-бромурацила, 5-хлорурацила, 6-метилурацила, 5-гидрокси-6-метилурацила.
Рассчитана сила межмолекулярных взаимодействий в исследуемых структурах в терминах
приведенного градиента плотности (RDG). Предложены закономерности их самосборки.
2. Методом молекулярной динамики выполнено моделирование процесса
самосборки урацила, меламина и циануровой кислоты на поверхности графена. Разработана
модель поверхности модифицированного угольно-пастового электрода, ранее не известная
в литературе и представляющая собой графен, модифицированный монослоем исследуемых
молекул.
3. Посредством молекулярно-динамического моделирования установлена различная
прочность связывания энантиомеров пропранолола с модифицированной урацилом
поверхностью графена, хотя процессы взаимодействия энантиомеров пропранолола с
поверхностью графена идентичны. Показано что полученные данные коррелируют с
вольтамперометрическими параметрами чувствительности на угольно-пастовых
электродах.
Найденные значения величин энтальпий ассоциации могут быть использованы для установления рядов устойчивости ассоциатов производных урацила и полезны для более глубокого понимания структурных особенностей исследуемых веществ в кристаллической фазе.
Модель модифицированного графена рекомендована для дальнейшего изучения сорбции различных веществ и выяснения природы взаимодействия оптических изомеров с
модифицированными поверхностями угольно-пастового электрода и графитированной сажи в условиях газовой хроматографии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты квантово-химических расчетов термодинамических параметров
различных ассоциатов ряда производных. Ряды относительной устойчивости исследуемых
структур полученные на основе анализа значений энтальпий ассоциации.
Предпочтительные межмолекулярные взаимодействия в исследуемых молекулах в
терминах количественного электростатического потенциала.
2. Разработанная молекулярно-динамическая модель поверхности модифицированного
угольно-пастового электрода.
-
Результаты симуляции сорбции оптических изомеров модельного соединения пропранолол на модифицированном и немодифицированном графене.
-
Моделирование сорбции пропранолола из водного раствора на системах меламин-графен, урацил-графен, циануровая кислота-графен, сравнение сорбционной способности путем сопоставления количества водородных связей между молекулами модификатора и пропранолола.
Апробация результатов работы
Результаты работы были доложены и обсуждены на VII Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и её приложения в естествознании». Уфа, 2014; VII Всероссийской молодежной школе конференции «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». Иваново, 2015; Всероссийской молодежной конференции «Достижения молодых ученых: химические науки». Уфа, 2015; XXVIII Симпозиуме Современная химическая физика. Туапсе, 2016; VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Иностранный язык в профессиональной коммуникации». Уфа, 2016; Всероссийской конференции по квантовой и математической химии. Уфа, 2017.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 работ: 6 – из списка рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК (3 статьи включены в базы Web of Science и Scopus), 10 – в сборниках материалов и тезисов научных конференции.