Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Структура и конформационные особенности некоторых молекул с внутренним вращением по данным газовой электронографии и квантовой химии

Диссертация: Структура и конформационные особенности некоторых молекул с внутренним вращением по данным газовой электронографии и квантовой химии
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Научная новизна. Впервые методом газовой электронографии определен конформационный состав и структурные параметры следующих молекул: янтарная кислота, 2-метоксифуран, норадреналин. Показана ошибочность имеющихся в литературе электронографических данных о конформационном составе и структуре фумаровой кислоты в газовой фазе. Выполненная модернизация уникального прибора ЭМР-100М позволила повысить… Читать ещё >

Структура и конформационные особенности некоторых молекул с внутренним вращением по данным газовой электронографии и квантовой химии (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. СТРУКТУРА ЯНТАРНОЙ И ФУ МАР ОВОЙ КИСЛОТ
    • 1. 1. Введение
    • 1. 2. Известные данные о структуре молекулы янтарной кислоты
    • 1. 3. Квантово-химические расчеты структуры янтарной кислоты
    • 1. 4. Электронографическое исследование янтарной кислоты
    • 1. 5. Известные данные по строению фумаровой кислоты
    • 1. 6. Квантово-химические расчеты структуры фумаровой кислоты
    • 1. 7. Электронографическое исследование фумаровой кислоты
  • ГЛАВА 2. СТРУКТУРА 2-МЕТОКСИФУРАНА
    • 2. 1. Введение
    • 2. 2. Данные о структуре молекулы
    • 2. 3. Квантово-химическое исследование
    • 2. 4. Электронографическое исследование
  • ГЛАВА 3. НОРАДРЕНАЛИН В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
    • 3. 1. Введение
    • 3. 2. Структурные фрагменты молекулы норадреналина
    • 3. 3. Структура норадреналина
    • 3. 4. Электронографическое исследование
    • 3. 5. Определение продуктов деструкции
    • 3. 6. Структурный анализ
  • ГЛАВА 4. МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ДИФРАКЦИИ
    • 4. 1. Введение
    • 4. 2. Постановка задачи
    • 4. 3. Рабочие характеристики электронографа ЭМР-100М до модернизации
    • 4. 4. Описание и рабочие характеристики генератора электронных пучков GDS 60 и системы откачки вакуума
    • 4. 5. Результаты тестового эксперимента
    • 4. 6. Результаты и
  • выводы по Главе
  • ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ БЛАГОДАРНОСТИ

Экспериментальное изучение строения молекул всегда будет представлять интерес для науки, т.к. особенности строения определяют физико-химические свойства вещества. Основные тенденции в развитии современной химии связаны с изучением биологических и энергоемких соединений. Изучение строения молекул, принадлежащих к этим классам, представляет как большой практический, так и теоретический интерес, а повышение качества и точности получаемых структурных данных является неотъемлемой частью научного исследования. В настоящей диссертационной работе изучена структура четырех молекул со сложной внутримолекулярной динамикой: янтарной и фумаровой кислот, 2-метоксифурана, норадреналина. Норадреналин и дикарбоновые кислоты обладают высокой биологической активностью, входят в важнейшие циклы биохимических реакций, 2-метоксифуран является представителем группы перспективных энергоёмких материалов. В последнее время в лаборатории электронографии Химического факультета МГУ особое внимание уделяется совершенствованию экспериментальной техники, в связи с чем была проведена комплексная модернизация электронографической установки.

Цель работы. Установление геометрического строения и конформационной устойчивости органических соединений со сложной внутримолекулярной динамикой методом газовой электронографии с использованием дополнительных данных неэмпирических квантово-химических расчетов. Глубокая модернизация имеющегося оборудования для проведения электронографических исследований.

Научная новизна. Впервые методом газовой электронографии определен конформационный состав и структурные параметры следующих молекул: янтарная кислота, 2-метоксифуран, норадреналин. Показана ошибочность имеющихся в литературе электронографических данных о конформационном составе и структуре фумаровой кислоты в газовой фазе. Выполненная модернизация уникального прибора ЭМР-100М позволила повысить качество и воспроизводимость получаемых экспериментальных данных.

Научная и практическая значимость работы заключается в получении надежных данных для структурной химии органических соединений. Конформационные особенности молекулы являются одним их основных факторов, определяющих биологическую активность соединения, что важно как с точки зрения практического применения, так и для научных исследований. Электронографические данные для свободных молекул, обладающих сложным внутренним вращением, представляют собой ценную информацию в качестве реперных точек для квантово-химических методов расчета структуры и свойств различных соединений. Опубликованные данные по структуре исследованных в настоящей работе молекул подготовлены для базы данных MOGADOC и могут быть включены в справочник Landolt-Bornstein «Structure Data of Free Polyatomic Molecules» .

Личный вклад автора. Сбор и анализ литературных данных, выбор пути решения поставленной задачи, обработка экспериментального электронографического материала, проведение квантово-химических расчётов, анализ теоретических данных, структурный анализ указанных молекул, участие в написании и обсуждении публикаций, написание диссертации, работы по модернизации установки для газовой дифракции электронов ЭМР-100М.

Основные положения, выносимые на защиту:

— структурные параметры и конформационный состав пара веществ янтарной и фумаровой кислот, 2-метоксифурана, норадреналина;

— модернизация установки для электронографического эксперимента, анализ результатов проведенной работы.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: 13th European Symposium on Gas Phase Electron Diffraction (Blaubeuren, 2009 г.), 23th Austin Symposium on the Molecular Structure, (Austin, Texas 2010 г.), 14th European Symposium on Gas Phase Electron Diffraction (Москва, 2011 г.), XVI Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Иваново, 2012 г.),.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, и в 4 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка литературы из 84 наименований. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста и включает 26 таблиц и 44 рисунка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Впервые определены геометрические параметры и конформационный состав молекулы янтарной кислоты в газовой фазе при 445 К.

2. Проведенное повторное исследование строения фумаровой кислоты показало ошибочность имеющихся в литературе электронографических данных о конформационном составе и структуре фумаровой кислоты в газовой фазе, в то время как полученные нами данные находятся в согласии с данными ИК спектроскопии в Аг матрице и МВ спектроскопии. Три конформера фумаровой кислоты находятся в равных количествах.

3. Полученные данные по геометрическому строению (ге структура) для молекул янтарной и фумаровой кислот хорошо соотносятся с рассчитанными в приближении МР2/сс-рУ (^ теоретическими значениями.

4. Впервые определены геометрические параметры и конформационный состав молекулы 2-метоксифурана. Согласно проведенному исследованию основным конформером в смеси при 300 К является анти.

5. Исследован конформационный состав пара вещества норадреналина. Полученные данные указывают на преобладание в смеси конформеров группы в01, что также подтверждается данными ЯМР исследования норадреналина в жидкой фазе. Определены значения гы геометрических параметров для АС1а и ОС1а конформеров молекулы.

6. Выполнена комплексная модернизация прибора для газовой электронной дифракции ЭМР-100М. Проведена серия тестовых экспериментов по установлению метрологических характеристик нового оборудования. Полученные данные доказали высокую эффективность предпринятых мер по улучшению качества эксперимента.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную помощь, неоценимую поддержку и полезные советы своему научному руководителю д.х.н. Шишкову И. Ф. Автор считает своим долгом поблагодарить: Митина A.B. за ценные рекомендации при обсуждении квантово-химических проблемк.х.н. А. Н. Рыкова и к.х.н. Н. М. Карасёва, выполнивших основной объём электронографического эксперимента в МГУпрофессора Хайнца Оберхаммера (Heinz Oberhammer, университет г. Тюбинген, Германия) за неоценимую помощь в интерпретации данных эксперимента и термодинамических расчетов молекулы 2-метоксифуранааналитическому центру МГУ и лично М. В. Попику за помощь в исследовании норадреналина. Особую благодарность хочется выразить своему научному консультанту д.х.н. Н. Ю. Фогт (Vogt) за плодотворную совместную работу и ценные консультации, а также за руководство работой во время ее выполнения в Германиив.н.с. Ю. Фогт за поддержкуст.н.с. к.х.н. J1.B. Христенко за помощь в подготовке текста диссертации, к.х.н. Альтовой Е. П. и к.х.н. И. И. Марочкину за ценные советы и помощь в подготовке диссертационной работы, с.н.с. A. J1. Вилковой, и н.с. A.M. Макуренкову за неоценимую поддержку и советы на всех этапах работы, а также всем не указанным выше сотрудникам, студентам, аспирантам лаборатории электронографии МГУ, без участия которых данная работа не была бы доведена до завершения.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (11−03−716-а, 12−03−91 330-ННИОа), DFG и Dr. Barbara Mez-Starck Foundation.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Krebs H.A. The history of the tricarboxylic acid cycle. // Perspect. Biol. Med., 1970, 14, 154−170.
  2. Gottschalk G. Bacterial Metabolism. New York: SpringerVerlag, 1986, 242 249.
  3. Bechtold I., Bretz K., Kabasci S., Kopitzky R., Springer A. Succinic acid: A new platform chemical for biobased polymers from renewable resources. // Chem. Eng. Technol., 2008, 31(5), 647−654.
  4. Wolfe S. Gauche effect. Some stereochemical consequences of adjacent electron pairs and polar bonds. // Acc. Chem. Res., 1972, 5, 102−111.
  5. Srinivasa Gopalan R., Kumaradhas P., Kulkarni G.U., Rao C.N.R. An experimental charge density study of aliphatic dicarboxylic acids. // J. Mol. Struct., 2000, 521, 97−106.
  6. Broadley J.S., Cruickshank D.W.J., Morrison J.D., Robertson J.M., Shearer H.M.M. Three-dimensional refinement of the structure of (3-succinic acid. // Proc. Royal Soc. London A, 1959, 251, 441−457.
  7. Leviel J.L., Auvert G., Savariault J.M. Hydrogen bond studies. A neutron diffraction study of the structures of succinic acid at 300 and 77 K. // Acta Cryst. B, 1981,37,2185−2189.
  8. Lit E.S., Mallon F.K., Tsai H.Y., Roberts J.D. Conformational changes of butanedioic acid as a function of pH as determined from changes in vicinal protonproton NMR couplings. // J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 9563−9567.
  9. Nunes T.M., Gil V.M.S., Ascenso J. The conformation of succinic acid in aqueous solution studied by 'H and 13C NMR. // Tetrahedron, 1981, 37, 611−614.
  10. Price D.J., Roberts J.D., Jorgensen W.L. Conformational complexity of succinic acid and its monoanion in the gas phase and in solution: ab initio calculations and Monte Carlo simulations. // J. Am. Chem Soc., 1998, 120, 96 729 679.
  11. Nguyen T.H., Hibbs D.E., Howard S.T. Conformations, energies, and intramolecular hydrogen bonds in dicarboxylic acids: Implications for the design of synthetic dicarboxylic acid receptors. // J. Comput. Chem., 2005, 26, 1233−1241.
  12. N. Vogt, M. A. Abaev, A. N. Rykov, I. F. Shishkov, Determination of molecular structure of succinic acid in a very complex conformational landscape: Gas-phase electron diffraction (GED) and ab initio studies.// J. Mol. Struct., 2011, 996, 120−127.
  13. Н.Ю. Равновесная структура и ее определение для некоторых биологически важных молекул. // Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук, 2012, Ульм-Москва.
  14. Sipachev V.A. Anharmonic corrections to structural experiment data. // Struct. Chem., 2000, 11(2/3), 167−172.
  15. V. A. Sipachev. Hindered internal rotation: Once more about the nitroethane molecule. //J. Mol. Struct, 2012, 1018, 145−148.
  16. V.A. Sipachev The use of quantum-mechanical third-order force constants in structural studies. //J. Mol. Struct. 2004, 693, 235−240.
  17. Derissen J.L. The molecular structure of fumaric acid and the deformation of carboxyl group geometry on crystallization. // J. Mol. Struct., 1977, 38 177−183.
  18. Mafoas E.M.S., Fausto R., Lundell J., Pettersson M., Khriachtchev L., Rasanen M. A matrix isolation spectroscopic and quantum chemical study of fumaric and maleic acid. // J. Phys. Chem. A, 2001, 105, 3922−3933.
  19. Vogt N., K.P. Rajappan Nair, Vogt J., Grabow J. Microwave rotational spectrum and ab initio equilibrium structure of fumaric acid: Anharmonicity bridging the molecular characterizations.// J. Mol. Spectr., 2011, 268(1−2), 16−22
  20. Vogt N., Abaev M.A., Karasev N.M. Molecular structure and stabilities of fumaric acid conformers: gas phase electron diffraction (GED) and quantumchemical studies. //J. Mol. Struct., 2011, 987, 199−205.
  21. Hamilton W.C. Significance tests on the crystallographic R factor. // Acta Cryst., 1965, 18,502−510.
  22. Hagen K. Fumaryl chloride: gas phase molecular structure and conformational composition as determined by electron diffraction. // J. Mol. Struct., 1985, 128, 139−149.
  23. Tsuji T., Ito H., Takeuchi H., Konaka S. Molecular structure and conformation of methyl methacrylate determined by gas electron diffraction. // J. Mol. Struct., 1999, 475, 55−63
  24. Huber G.W., Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts and engineering. // Chemical Reviews, 2006, 106, 4044−4098.
  25. Granada C. B, Zhu L., Holtzapple M. T., Sustainable liquid biofiiels and their environmental impact. // Environ. Prog., 2007, 26, 233−250.
  26. Rusch M., Schone H., Direct, HighYield Conversions of Cellulose into Biofuel and Platform Chemicals On the Way to a Sustainable Biobased Economy. // ChemSusChem, 2009, 2, 127−128.
  27. M. Mascal M., E.B.Nikitin E. B., Direct, High Yield Conversion of Cellulose into Biofuel. // Angew. Chem. Int. Ed, 2008, 47, 7924−7926.
  28. Binder J. B., Raines R. T., Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furans for Fuels and Chemicals. // JACS., 2009, 131, 1979−1985.
  29. Tan M., Zhao L., Zhang Y., Production of 5-hydroxymethyl furfural from cellulose in CrCl2/Zeolite/ BMIMC1 system. // Biomass and Bioenergy, 2011, 35, 1367−1370.
  30. K. Itoh K., S. Kishimoto S., Novel formation of phenylcyclopropanes from the reaction of b-cyanostyrenes and related compounds with 2-methoxyfuran: experimental and theoretical studies. // New J. Chem, 2009, 33, 1127−1138.
  31. Ignatyev I. S., Montejo M., Sundius T., Uren F. P., Gonzalez J., Structure and vibrational spectra of vinyl ether conformers. The comparison of B3LYP and MP2 predictions. // Chem. Plfys., 2007, 333, 148−156.
  32. Abramov A. V., Toryashinova D. S., Vashchenko A. V., Frolov Y. L., Ab Initio Calculations of the Protonated Forms of Vinyl Methyl and Allenyl Methyl Ethers and Sulfides. // J. Struct. Chem., 2002, 43, 218−224.
  33. Durig J. R., Compton D. A. C., Low frequency vibrational spectra, methyl torsional potential functions, and internal rotational potential of methyl vinyl ether and methyl-d3 vinyl ether. // J. Chem. Phys., 1978, 69, 2028−2036.
  34. Owen N. L., Stkensen O., Microwave Spectrum, Conformation, and Barrier to Internal Rotation of Ethyl Vinyl Ether. // J. Phys. Chem., 1979, 83, 1483−1488.
  35. Cahill P., Gold L. P., Owen N. L., Microwave Spectrum, Conformation, Dipole Moment, and Barrier to Internal Rotation in Methyl Vinyl Ether. // J. Chem. Phys., 1968, 48, 1620−1627.
  36. Bernardi F., Epiotis N. D., Yates R. L., Schlegel H. B., Nonbonded Attraction in Methyl Vinyl Ether. // J. Am. Chem. Soc., 1976, 98 (9), 2385−2390.
  37. Hobgood R. T., Reddy G. S., Goldstein J. H., Nuclear Magnetic Resonance Spectra of Some Alkyl Vinyl Ethers and Methyl Vinyl Sulfide. // J. Phys. Chem., 1963, 67(1), 110−112.
  38. Abramov A.V., Vashchenko A.V., Frolov Y. L., Quantum chemical investigation of methyl vinyl ether and sulfide. // J. Mol. Struct. (Theochem), 2002, 594, 101−105.
  39. Cadioli B., Pincelli U., Rotational Isomerism and Barriers to Internal Rotation in Methyl Vinyl Ether and 3-Fluoropropene. // J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1972, 68, 991−1000.
  40. Sebbar N., Bozzelli J. W., Bockhorn H., Thermochemical Properties, Rotation Barriers, Bond Energies, and Group Additivity for Vinyl, Phenyl, Ethynyl, and Allyl Peroxides. // J. Phys. Chem. A, 2004,108, 8353−8366.
  41. Owen N. L., Sheppard N., Infrared spectra and structure of methyl vinyl ether. //Trans. Faraday Soc., 1964, 60, 634−645.
  42. Beukes J. A., Marstokk K. M., Mollendal H., The structural and conformational properties of 2-methoxyfuran as studied by microwave spectroscopy and quantum chemical calculations. // J. Mol. Struct., 2001, 567 568, 19−27.
  43. Hudzik J. M., Bozzelli J. W., Structure and Thermochemical Properties of 2-Methoxyfuran, 3-Methoxyfuran, and Their Carbon Centered Radicals Using Computational Chemistry. // J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 7984−7995.
  44. Vishnevsky YV (2009) UNEX: United Nuclear Experiments. http://molstruct.chemport.ru/index.php, 2009.
  45. Elias, L. J, & Saucier, D. M. (2005). Neuropsychology: Clinical and Experimental Foundations. Boston: Pearson.
  46. Goldberg N., Beuming T., Soyer O., Goldstein R., Weinstein H., Javitch J., Probing conformational changes in neurotransmitter transporters: a structural context., Eur. J. Pharm., 2003, 479, 3−12.
  47. Patricia R. Richardson P. R., Bates S. P., Anita C. Jones A. C., A Molecular Orbital Study of the Conformational Properties of Tyramine and Phenethylamine. // J. Phys. Chem. A, 2004, 108, 1233−1241.
  48. Godfrey P. D., Hatherley L. D., Brown R. D., The Shapes of Neurotransmitters by MillimeterWave Spectroscopy: 2-Phenylethylamine. // J. Am. Chem. Soc., 1995, 117(31), 8204−8210.
  49. Sun S., Bernstein E. R., Spectroscopy of Neurotransmitters and Their Clusters. 1. Evidence for Five Molecular Conformers of Phenethylamine in a Supersonic Jet Expansion. //J.Am.Chem.Soc., 1996, 118, 5086−5095.
  50. Yao J., Im H. S., M. Foltin M., Bernstein E. R., Spectroscopy of Neurotransmitters and Their Clusters: Phenethylamine and Amphetamine
  51. Solvation by Nonpolar, Polar, and Hydrogen Bonding Solvents. // J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 6197−6211.
  52. Godfrey P. D., McGlone S. J., Brown R. D., The shapes of neurotransmitters by millimetrewave spectroscopy: 2-Phenylethylamine. // J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 8204−8210.
  53. Nagy P. I., Alagona G., Ghio C., Theoretical Studies on the Conformation of Protonated Dopamine in the Gas Phase and in Aqueous Solution. // J. Am. Chem. Soc., 1999, 121 (20), 4804815.
  54. Nagy P. I., Alagona G., Ghio C., Novak K. T., Theoretical Conformational Analysis for Neurotransmitters in the Gas Phase and in Aqueous Solution. Norepinephrine. // J. Am. Chem. Soc., 2003,125 (9), 2770−2785.
  55. Alagona G., Ghio C., Nagy P. I., Theoretical Conformational Analysis for Neurotransmitters in the Gas Phase and in Aqueous Solution. Serotonin. // J. Chem. Theory Comput., 2005, 1 (5), pp 801−816.
  56. Baker C. M., Grant G. H., The Effect of Solvation on Biomolecular Conformation: 2-Amino-l-phenylethanol. // J. Phys. Cnem. B, 2007, 111 (33), 9940−9954.
  57. Butz P., Kroemer R. T., Macleod N. A., Simons J. P., Conformational Preferences of Neurotransmitters: Ephedrine and Its Diastereoisomer, Pseudoephedrine. // J. Phys. Chem. A, 2001, 105 (3), pp 544−551.
  58. Thomas F. Miller T. M., Clary D. C., Predicting Conformations of Biomolecules: Application to a Noradrenaline Analogue. // J. Phys. Chem. B, 2004, 108 (7), 2484−2488.
  59. Butz P., Kroemer R. T, Macleod N. A., Robertson E. G., Simons J. P., Conformational Preferences of Neurotransmitters: Norephedrine and the Adrenaline Analogue, 2-Methylamino, l-phenylethanol. // J. Phys. Chem. A, 2001, 105, 1050−1056.
  60. Sun W., Theoretical studies on ethanolamine in gas phase and solution: Conformations, frequencies and basicities. // J. Comp. Sei. & Eng., 2011, 1, 54−64
  61. Neil A. M., Robertson E. G., Simons J. P., Hydration of neurotransmitters: acomputational and spectroscopic study of a noradrenaline analogue, 2-amino-l-phenyl-ethanol. //Mol. Phys., 2003, 101, 2199−2210
  62. Snoek L. C., Mourik V. T., John P. S., Neurotransmitters in the gas phase: a computational and spectroscopic study of noradrenaline. // Molecular Physics, 2003, 101: 9, 1239 -1248.70. http://www.biasep.ru
  63. Mark, H., and Wierl, R., Naturwiss., 18, 205 (1930) —
  64. Mark, H., and Wierl, R.72 VOL. 19, 1933 CHEMISTRY. BANCROFT AND RUTZLER Naturwiss., 18, 778 (1930) —
  65. Wierl, R., Phys. Zeit., 31, 366 (1930) —
  66. Wierl, R., Ann. Phys., 8, 521 (1931) —
  67. Berger R. J.F., Hoffmann M., Hayes S.A., Mitzel N.W. An improved gas electron diffractometer- the instrument, data collection, reduction and structure refinement procedures. // Z. Naturforsch. B., 2009, 64, 1259−1268.
  68. S., Iijima K., Tani R., Nakamura I. // Reports of Faculty of Science, Shizuoka University, 9 (1974), 33
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!