Структура и динамика водородносвязанных комплексов о-гидроксибензойной кислоты в среде сверхкритический диоксид углерода - сорастворитель : вода, метанол, этанол

• Автор: Гурина, Дарья Леонидовна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 139 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Использование чистого и модифицированного сверхкритического

диоксида углерода в современных технологических процессах

1.2 Экспериментальное и теоретическое (методами численного

моделирования) исследование сверхкритического чистого и модифицированного полярными сорастворителями диоксида углерода

1.3 Растворимость о-гидроксибензойной кислоты в чистом и

модифицированном сверхкритическом диоксиде углерода

Глава 2. Методы молекулярно-динамического моделирования

2.1 Метод классической молекулярной динамики
2.2 Метод ab initio молекулярной динамики
2.3 Детали компьютерного эксперимента
Глава 3. Исследование растворителей на основе сверхкритического диоксида
углерода
3.1 Межмолекулярная структура сверхкритического диоксида углерода
3.2 Структурные и динамические свойства сверхкритического диоксида
углерода, модифицированного добавками полярных сорастворителей
Глава 4. Структура и динамика водородносвязанных комплексов, образуемых о-
гидроксибензойной кислотой и полярными сорастворителями в среде сверхкритического диоксида углерода
4.1 Молекулярно-динамическое моделирование димера о-гидроксибензойной
кислоты в среде чистого и, модифицированного сорастворителями сверхкритического диоксида углерода
4.2 Структурные особенности водородносвязанных комплексов о-
гидроксибензойная кислота - сорастворитель
4.3 Количественные характеристики водородносвязанных комплексов в
системе сверхкритический диоксид углерода - сорастворитель - о-гидроксибензойная кислота
4.4 Преимущественная сольватация и динамика компонентов смесей
Основные выводы
Список литературы
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
О-гидроксибензойная кислота (о-ГБК) и ее производные являются одними из основных соединений, которые используются как в качестве самостоятельных лекарственных веществ, так и при создании новых комбинированных фармацевтических форм. В традиционных технологических процессах обработки и получения лекарственных препаратов применяются токсичные реагенты и растворители, в результате чего возникает необходимость сложной многостадийной очистки, при этом выход фармакопейного продукта зачастую не превышает 80-85 %. Успешной альтернативой таким методикам являются сверхкритические (СК) флюидные технологии, в которых нередко в качестве сверхкритической среды применяется негорючий и нетоксичный диоксид углерода. Растворяющая способность чистого СК диоксида углерода по отношению к веществам различной природы неравноценна. Чтобы достичь лучшей растворимости полярных соединений, его модифицируют добавками малого количества (до 0.15 м.д.) сорастворителя. Как правило, в этом качестве используются вода и низкомолекулярные спирты. Выбор определенного сорастворителя позволяет селективно растворять соединения различной природы, увеличивает чувствительность растворяющей способности СК диоксида углерода к малым изменениям температуры и давления. Постоянное расширение сферы применения СК технологий требует развития фундаментальных исследований, направленных на выявление особенностей сольватационных процессов в растворах и изучение межмолекулярных взаимодействий в СК средах.
Актуальность настоящего исследования определяется тем фактом, что экспериментальные данные, подтверждающие увеличение растворимости о-гидроксибензойной кислоты в среде модифицированного сверхкритического диоксида углерода по сравнению с чистым, не подкреплены полной и детальной информацией о причинах этого явления на молекулярном уровне (которая может быть получена методами численного моделирования), что, в свою очередь, затрудняет подбор сорастворителей и оптимальных параметров процесса растворения о-ГБК в сверхкритическом флюиде.
Компьютерное моделирование позволяет получить данные о микроструктуре и микродинамике раствора недоступные напрямую из физического эксперимента (количественные оценки межмолекулярных взаимодействий, время жизни водородной связи и т.д.). В связи со сложностью проведения экспериментальных измерений в условиях повышенных температур и давлений актуальным становится выбор современных методов численного моделирования (в частности, метода классической молекулярной динамики и
молекулярной динамики Кара-Парринелло) в качестве основного инструмента при изучении структурных и динамических характеристик сольватации в сверхкритических средах.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии растворов им. Г.А. Крестова Российский академии наук по темам «Молекулярные и ион-молекулярные жидкофазные системы в широком диапазоне параметров состояния, включая сверхкритические. Структура, динамика и сольватационные эффекты» (2009-2011 гг., № госрегистрации 01200950825) и «Развитие подходов и методов физической химии в исследовании многокомпонентных супрамолекулярных, молекулярных и ион-молекулярных систем как перспективных материалов» (2012-2014 гг., № госрегистрации 01201260481). Проведенные исследования поддержаны Грантами РФФИ: № 12-03-97525 р_центр_а, № 14-03-00497-а.
Цель работы заключалась в установлении особенностей структуры и динамики водородносвязанных комплексов о-гидроксибензойной кислоты в среде сверхкритический диоксид углерода — сорастворитель (вода, метанол, этанол).
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- выявить особенности проявления межмолекулярных взаимодействий в модифицированном СК СОг и определить, в какой степени температура, введение сорастворителя (вода, метанол, этанол) и его концентрация влияют на локальную структуру флюида;
- исследовать в динамике разрушение димера о-ГБК в среде чистого и модифицированного СК СОг, установить роль сорастворителя в данном процессе;
- определить структурные и динамические параметры водородносвязанных комплексов о-ГБК — сорастворитель в среде модифицированного СК СО2.
Научная новизна
С применением двух методов численного моделирования получены новые данные о структуре СК СОг, модифицированного полярным сорастворителем (вода, метанол, этанол). Показана принципиальная возможность применения воды в качестве сорастворителя для увеличения растворяющей способности СК СОг. Установлено влияние концентрации сорастворителя на характер образования водородносвязанных кластеров в бинарных смесях СК С02 - полярный сорастворитель (вода, метанол, этанол). Обнаружено, что в среде СК флюида происходит разрыв межмолекулярных водородных связей в димере о-ГБК и образование устойчивого водородносвязанного комплекса между о-ГБК и сорастворителем. Установлено, что на способ образования данных комплексов не влияет ни природа (полярность) сорастворителя, ни температура.

Расчет в работах [159, 160] проводился для ограниченной сферической полостью системы частиц, взаимодействующих по потенциалу Леннарда-Джонса. Частицы за пределами полости заменялись однородной средой той же плотности, и учитывалось взаимодействие этой среды с частицами внутри полости. Таким образом, при подсчете сил, действующих на частицы, исключались дополнительные ошибки. Для интегрирования уравнений движения использовались одношаговые схемы первого (Эйлера) и четвертого (Рунге-Кутта) порядков аппроксимации [159,160].
Вычисляя значения Ду2(2И) и Ar2 (2h) при интегрировании на один шаг вперед и один шаг назад (h - шаг численного интегрирования), можно судить о преобладании стохастических или систематических ошибок. Для систематических ошибок характерна следующая зависимость Av2(2h), Ar7(2h)~(h)2(,n) (s - порядок аппроксимации схемы). Стохастическая погрешность, возникающая в результате накопления ошибок округления, также может быть оценена для используемых схем, длины числа и характеристик вычислительной машины [158]. Ошибки округления основную роль играют при вычислении силы, Ду2(2h)~h2. При дальнейшем уменьшении h, когда начинает выполняться условие 5Fh Относительная роль ошибки округления возрастает при уменьшении h, использовании схемы более высокого порядка аппроксимации (как за счет уменьшениях систематической ошибки, так и за счет увеличения числа арифметических операций на одном шаге), при уменьшении длины числа, с которым оперирует компьютер, и при увеличении числа частиц [158].
Исследования [159, 160] показали, что даже с использованием сравнительно низкой точности представления числа (всего 7 десятичных знаков), почти при всех вариантах расчета (т.е. выборе схемы и шага интегрирования) преобладающими оказались систематические ошибки. Лишь при наиболее точном расчете (s=4, h=0.005) стохастические и систематические ошибки сравниваются по порядку величины.
Что касается статической погрешности определения термодинамических свойств, то они обуславливаются в основном тем, что усреднение по бесконечному промежутку времени или полному числу состояний в машинных экспериментах аппроксимируется усреднением по конечному интервалу времени или числу состояний.