Квантово-химическое моделирование комплексов включения циклодекстринов с аренами, способных к изменению люминесцентных свойств под воздействием третьих компонентов

• Автор: Рудяк, Владимир Юрьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 123 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.

1. Компьютерное моделирование комплексов включения на основе циклодекстринов

1.1. Общая информация о циклодекстринах

1.2. Виды межмолекулярного взаимодействия, участвующие в образовании

комплексов гость циклодекстрин.

1.2.1. Основные виды взаимодействия

1.2.2. Сложные эффекты, влияющие на образование комплексов гость

циклодекстрин.

1.3. Вычисление выбранных свойств комплексов включения методами

АКСРЯ.
1.4. Моделирование комплексов включения методами силового поля
1.4.1. Методы молекулярной механики.
1.4.2. Методы молекулярной динамики.
1.5. Моделирование комплексов включения методами квантовой химии.
1.5.1. Расчет комплексов включения методами квантовой химии.
1.5.2. Цель работы
2. Расчеты димеров ациклодекстрина методом функционала плотности
2.1. Конформеры ациклодекстрина
2.2. Расчет энергий димеризации, колебательных спектров и энергий
водородных связей.
2.2.1. Энергии димеризации
2.2.2. Колебательный спектр и энергия водородной связи
2.3. Оценка вклада водородных связей в димеризацию циклодскстрина
3. Анализ применимости метода РМЗ для расчета комплексов включения гостьциклодекстрин в воде
3.1. Методика расчетов
3.2. Сравнение результатов расчетов с калориметрическими данными
3.3. Анализ геометрии рассчитанных структур.
3.3.1. Короткие водородные контакты.
3.3.2. Расположение гостя в полости.
4. Расчет методом РМЗ комплексов включения 42нафтилпиридином с гидроксипропилрциклодекстрином
4.1. Моделирование процесса протонирования
4.2. Расчет комплексов включения 42нафтилниридингидроксипропил
рциклодектрин с явным учетом растворителя
5. Модификация метода РМЗ.
5.1. Штрафная функция.
5.1.1. Методика расчета структур комплексов включения.
5.1.2. Оценка фактора коротких контактов в комплексах включения
5.2. Оценка критерия выбора параметров
5.3. Выбор оптимальных параметров метода РМЭННИ.
5.3.1. Предварительная оценка области поиска
5.3.2. Сканирование в области воспроизведения данных ЯуаФ.
5.3.3. Сканирование в области воспроизведения данных РСА1ЭРТРВЕ
5.4. Детальный анализ результатов расчетов по методу РМЗННЯ.
5.4.1. Анализ структуры изолированных малых молекул.
5.4.2. Анализ воспроизведения свойств водородной связи в комплексах
включения гостьцикподекстрин.
5.4.3. Анализ термодинамических данных для комплексов включения
гостьциклодекстрин.
6. Расчет трехкомпонентных комплексов включения
нафталинокарборанрциклодекстрина методом РМЗННК.
6.1. Метод и ка расчетов
6.2. Обсуждение результатов.
6.2.1. Комплексы 11
6.2.2. Димеры рциклодекстрина
6.2.3. Комплексы 22
6.2.4. Комплексы 211.
6.2.5. Комплексы включения более сложного состава
Заключение
Список литературы


Объяснение наблюдаемых эффектов методами компьютерного моделирования представляе т фундаментальный и практический интерес. Молекула циклодекстрина ЦД представляет собой циклический олигосахарид, состоящий из 6 альфациклодектрин, аЦД, 7 бстациклодектрин, РЦД, 8 гаммацикл одектрин, уЦД или 9 дельтациклодектрин, 6ЦД аОглюкозных остатков, связанных друг с другом кислородными мостиками. По форме ЦД напоминает баскетбольную корзину это симметричная молекула ненулевой конусности с внутренней полостью рис. Высота молекул определяется углом наклона глюкозных остатков по отношении к оси симметрии молекулы конусностью и составляет около 9 А, слабо варьируя в ряду а, р, у и 5ЦД. Диаметры полостей составляют в среднем 4. А, 6. А и 7. А для аЦД, РЦД и уЦД соответственно 1, 2 таким образом, объем полостей составляет примерно 0 А3 аЦД, 0 А3 рЦД и 0 А3 уЦД 2. Рисунок 1. Схематическое изображение аЦД а, рЦД б и уЦД в, вид сверху. Жирными линиями выделено по одному звену глюкозного остатка. Молекулы ЦД обладают высокой степенью жесткости за счет межглюкозных водородных связей, образованных гидроксильными группами 2ОН и ЗОН смежных глюкозных остатков 1, 3. Внутренняя полость ЦД гидрофобна, что способствует образованию КВ с различными молекулами в растворах 6, 7, 8, 9. При комплексообразовании полость ЦД захватывает внешние гидрофобные молекулы молекулыгости, также часто называемые субстратами, кавитандами подходящего размера. Мерой стабильности комплекса является отрицательная величина приращения свободной энергии АО. Типичные величины АО для таких молекул, как производные бензола или нафталина, составляют в водном растворе десятки к1Т, что свидетельствует о возможности образования очень стабильных КВ. При моделировании супрамолекулярных комплексов одним из наиболее важных аспектов является определение межмолекулярных сил, приводящих к их комплексов образованию. Данный вопрос обсуждается в большинстве статей, посвященных моделированию комплексов на основе ЦД. Тем не менее, нередко вопрос о силах, ведущих к образованию КВ с ЦД, остается без однозначного отвела. Чтобы лучше понять возможные причины образования таких комплексов, рассмотрим факторы, влияющие на комплексообразованис в растворе. Электростатическое взаимодействие по своей природе является классическим взаимодействием невозмущенной системы зарядов двух молекул. Оно включает в себя взаимодействия типа заряженная частица заряженная частица, диполь заряженная частица, диполь дипольное взаимодействие и мультипольные взаимодействия высшего порядка. Так как ДД электронейтральны, наиболее сильное ионионное взаимодействие возникает только в системах с модифицированными ЦД, содержащими ионные группы. Наличие диполя во всех молекулах ЦД общеизвестно , , поэтому следует ожидать иондипольного и дипольдинольного взаимодействия с молскуламигостями. Одни из первых расчетов дипольного момента 1Щ показали их высокое значение ь О. Однако позже было показано, что дипольный момент ЦД сильно зависит от окружения , , и по результатам более точных расчетов принято считать, что величина дипольного момента ЦД составляет 2 4 4 Б. Тем не менее, существенное влияние дипольдипольного взаимодействия на комплексообразование и, в частности, на ориентацию молекулгостей в полости ЦД были показаны на примере бензола и его производных . Так, к примеру, нейтральные молекулы с СООНгруппой на конце всегда располагаются в полости таким образом, чтобы карбоксильная группа находилась со стороны положительного конца диполя ЦД . Аналогичные закономерности наблюдались и для аЦД с 4замещснными фенолами, анионами фенолата, фенилинами . ВанддерВаальсовым взаимодействием обычно принято называть сумму двух сил, имеющих различную физическую природу дисперсионной силы и силы взаимодействия диполь индуцированный диполь. Дисперсионные силы, или, как их еще называют, силы Лондона, возникают за счет синхронизации движения электронов, находящихся на орбиталях разных молекул. В целом, на примере системы гостьЦД невозможно разделить эти силы, и обычно говорят о вандерВаальсовом взаимодействии в целом.