ПРОЯВЛЕНИЕ ПОЛИМОРФИЗМА, КОНФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ И Н-СВЯЗИ В ИК СПЕКТРАХ САЛОЛА
, 1,
Саратовский государственный университет им.
1 Институт физики НАН, Украина, Киев
E-mail: *****@***ru
Оптическое излучение ИК диапазона после взаимодействия его с веществом несёт в себе информацию о строении вещества, что сделало ИК спектроскопию одним из физических методов исследования строения и свойств вещества в различных условиях и агрегатных состояниях. Предметом исследования в данной работе стали конформационная подвижность и водородная связь в полиморфных модификациях салола, проявляющиеся в его ИК спектрах при температурных изменениях. Наряду со стабильной и метастабильной модификациями салол обладает стеклофазой, которая изначально определила к нему интерес и стимулировала настоящие исследования. Салол - удобный объект для проведения таких исследований. Температуры плавления, стеклования и начала нуклеации его легко достижимы. Установлены структуры его полиморфных модификаций с температурами плавления 315 К (стабильной) и 301,5 К (метастабильной) [1], определена температура начала нуклеации, 260 К [2]. Установлено, что при понижении температуры до 260 К в переохлажденной жидкости образуются флуктуирующие зародыши, создающие динамическую неоднородность. При дальнейшем охлаждении эти зародыши становятся элементами структуры стекла. Температура стеклования - 224 К. Салол известен как лекарственный препарат, выпускаемый в виде таблеток, покрытых оболочкой. В [3] проведены комплексные исследования структуры и колебательных спектров салола при нормальных условиях.
В данном сообщении обсуждаются результаты исследований полиморфизма конформационной подвижности и межмолекулярных взаимодействий в салоле методами квантовой химии и ИК спектроскопии. ИК спектры салола измерены на Фурье-спектрометре фирмы BrukerIFS-88 с разрешением 2 см-1 в спектральной области см-1 в двух фазах: стабильной, при температурах 11, 70, 110, 150, 190, 230, 298 К, и метастабильной, при 11, 70 , 110, 150, 190, 210 К, с точностью 0,1 К. Проведено моделирование структур и колебательных спектров конформеров и димеров салола методом теории функционала плотности (ТФП) [4,5] B3LYP/6-31G(d) с использованием лицензионного пакета GAUSSIAN 03 [6]. Конформеры различаются ориентацией фенильного кольца относительно остальной части молекулы. Для конформера III (рис.1) воспроизведены результаты работы [3]. Угол поворота вокруг связи С8-О10 равен 58º (на 12º меньше, чем в [3]). Для других конформеров этот угол был фиксирован: 0º - в I, 30º - в II и 90º - в IV. Вычислены энергии, дипольные моменты, частоты нормальных колебаний, их интенсивности в ИК спектрах конформеров и димеров, образованных конформером III (рис.2). Оценены сдвиги частот, энергии Н-связей в димерах, длины водородных мостиков. Результаты подтвердили факт реализация в салоле внутренней Н-связи между атомами водорода Н12 и кислорода О13.
Рис.1. Строение молекулы салола
Рис. 2. Строение Н-комплексов салола
Установлено, что конформер III, обладающий минимальной энергией и максимальным дипольным моментом, наиболее устойчив. Наименее устойчив конформер I, конфигурация которого близка к плоской, его энергия выше, а дипольный момент меньше, чем у других конформеров, расстояние между атомомами кислорода О13 и водорода Н21 сокращается до 1,551 Å, и между ними образуется ещё одна внутренняя Н-связь.
Рис. 3. ИК спектры салола: измеренные (a-метастабильная, b - стабильная фазы) при11 К(1), 70 К (2), 110 К (3), 150 К (4), 190 К (5), 210 К (6a) и 230 К (6b), 298 К (7); рассчитанные (с), конформер I (1), конформер II (2), конформер III (3), конформер IV (4), димер I (5), димер II (6), димер III (7)
Анализ ИКС конформеров (рис.3) подтверждает наличие внутренней Н-связи между атомами Н12 и О13: частота 3156 см-1 колебания q(О-Н) аномально низкая, а интенсивность аномально большая. Подтверждается факт образования ещё одной Н-связи между атомами кислорода О13 и водорода Н21 в конформере I, который, как нами установлено, реализуется в стабильной фазе при 11 К: в ИКС в области см-1 имеется полоса с аномально большой интенсивностью, которая в метастабильной фазе и с повышением температуры уменьшается на порядок. Ей соответствует колебание q(С-Н) конформера I с частотой 3040 см-1, в 20 раз интенсивнее колебаний других конформеров.
Конформеры с помощью внешних Н-связей могут объединяться в димеры (рис.2). Их дипольные моменты меньше, чем у молекулы. Наименьшим дипольным моментом обладает димер III. Энергии его водородных связей в два раза меньше, а длины водородных мостиков (3,31 и 3,29 Å) больше чем в димерах I (3,26 Å) и II (3,18 Å). Полоса см-1 ИКС содержит не менее четырёх пиков, чётко проявляющихся при низкой температуре в обеих фазах, низкочастотный пик интенсивнее высокочастотного. В стабильной фазе полоса интенсивнее. С повышением температуры интенсивность низкочастотного пика уменьшается, а высокочастотного растёт. В метастабильной фазе при 110 К и в стабильной при 150 К интенсивности обоих пиков одинаковы. Эти данные согласуются с результатами моделирования: при димеризации частоты молекулы расщепляются и сдвигаются. Анализ расщеплений и сдвигов привёл нас к заключению, что наличие нескольких пиков в полосе см-1 ИКС есть следствие проявления внешних Н-связей, объединяющих молекулы в димеры. Перераспределение интенсивности между пиками, соответствующими валентным колебаниям q(О-Н), с ростом температуры связано с изменением процентного содержания димеров, различающихся строением. Изменение формы полосы в области см-1 ИКС обеих кристаллических фаз также обусловлено образованием димеров, влияющим на валентное колебание QR(С=О).
Таковы основные результаты, полученные на основе комплексного исследования структуры и спектров ИК поглощения полиморфных модификаций салола, измеренных в широком интервале температур.
Библиографический список
1. Ramos J. M., Correia N. T., Dioglo H. P. Vitrification, nucleation and crystallization in phenyl-2-hydroxybenzoate (salol) studied by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermally Stimulated Depolarisation Currents (TSDC // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2004. – 6, №4. – P. 793.
2. Hinze G., Brace D. D., Gottke S. D., Fayer M. D. Orientational Dynamics in supercooled Liquids near Tc and Comparison with ideal Mode-Coupling Theory // Phys. Rev. Lett. – 2000. – 84, № 11. – P. 2437.
3. Hanuza J., Sasiadek W., Michalski J., Lorenc J., Marczka M., Kaminslii A. A., Butashin A. V., Klapper H., Hulliger J., Mohmed Abudelrhman F. A. Polarized Raman and infrared spectra of the salol crystal-chemical quantum calculations of the vibrational normal modes// Vibrational Spectroscopy. 2004. V.34. P. 253-268.
4. Электронная структура вещества – волновые функции и функционалы плотности // Успехи физ. наук. 2002. Т.172, №3. С. 336–348
5. Попл Дж. А. Квантово-химические модели // Успехи физ. наук. 2002. Т.172, №3. С. 349–356.
6. Frisch J.,Trucks G. W, Schlegel H. B. Gaussian03, Revision B.03; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA. 2003.
, заведующий кафедрой, профессор, доктор физико-математических наук.
, ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук.
, аспирант.
Докладчик: , 25 лет
