[ «ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ И ТЕРМОДИНАМИКА СОРБЦИИ ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА ...»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
Яшкин Сергей Николаевич
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ
И ТЕРМОДИНАМИКА СОРБЦИИ ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА
02.00.04 - Физическая химия 02.00.02 - Аналитическая химияДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени доктора химических наукСамара 2014
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕСПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1. СТРОЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА АДАМАНТАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ. СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Номенклатура, молекулярное строение, основные физико-химические свойства и области применения производных каркасных углеводородов 1.1.1. Номенклатура и классификация производных адамантана и поли- мантанов 1.1.2. Особенности геометрического и электронного строения производ- ных каркасных углеводородов 1.1.3. Физико-химические свойства производных адамантана 1.1.4. Области применения производных адамантана 1.2. Газовая хроматография каркасных соединений 1.2.1. Газо-адсорбционная хроматография 1.2.2. Газожидкостная хроматография 1.2.3. Газовая хроматография в определении физико-химических свойств адамантана и его производных 1.2.4. Методы газовой хроматографии в анализе лекарственных произ- водных адамантана 1.3. Жидкостная хроматография производных адамантана 1.3.1. Высокоэффективная жидкостная хроматография производных ада- мантана 1.3.1.1. Обращенно-фазовая ВЭЖХ 1.3.1.2. Нормально-фазовая ВЭЖХ 1.3.1.3. Адсорбционная ВЭЖХ на углеродных адсорбентах 1.3.2. Тонкослойная хроматография производных адамантана 1.3.3. Методы жидкостной хроматографии в анализе лекарственных производных адамантана2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Объекты исследования 2.1.1. Сорбаты 2.1.2. Адсорбенты для ГАХ 2.1.3. Неподвижные жидкие фазы и твёрдые носители для ГЖХ 2.1.4. Сорбенты для ВЭЖХ 2.2. Методы исследования 2.2.1. Проведение эксперимента в условиях газоадсорбционной хромато- графии 2.2.2. Методика иммобилизации в слой НЖФ и нанесения на поверх- ность твердой подложки молекул -циклодекстринов 2.2.3. Расчет термодинамических параметров сорбции из данных равно- весной ГАХ 2.2.4. Алгоритм молекулярно-статистических расчетов термодинамиче- ских характеристик адсорбции на однородных поверхностях 2.2.5. Проведение эксперимента в условиях газожидкостной хромато- графии 2.2.6. Расчет термодинамических параметров сорбции из данных равно- весной ГЖХ 2.2.7. Методика эксперимента в ВЭЖХ. Определение термодинамиче- ских параметров сорбции посредством ВЭЖХ-измерений 2.2.8. Алгоритм расчета топологических индексов 2.2.9. Оценка погрешности определения удельного удерживаемого объ- ема в условиях равновесной газовой хроматографии3. ТЕРМОДИНАМИКА СОРБЦИИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ УДЕРЖИВАНИЯ
ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА В УСЛОВИЯХ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ НА НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗАХ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
3.1. Термодинамические характеристики сорбции и закономерности удерживания производных адамантана и их структурных аналогов на углеводородных НЖФ 3.2. Термодинамика сорбции производных адамантана на полимерных НЖФ различной полярности 3.3. Зависимость индексов удерживания производных адамантана от моле- кулярной структуры на НФ различной полярности 3.4. Применение метода газожидкостной хроматографии для определения па- раметров равновесия жидкость-пар в ряду адамантана и его производных 3.4.2. Критические параметры и давления насыщенного пара 3.4.3. Определение коэффициентов активности и избыточных функций смешения в растворах 3.4.4. Энтальпии испарения производных адамантана и некоторых угле- водородов состава C10Hn 3.5. Применение метода газожидкостной хроматографии в анализе лекарст- венных производных адамантана4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ АДСОРБЦИИ
ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА В УСЛОВИЯХ ГАЗО-АДСОРБЦИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
4.1. Удерживание на колонках с графитированной термической сажей 4.1.1. Термодинамические характеристики адсорбции углеводородов каркасного строения 4.1.2. Термодинамические характеристики адсорбции функциональных производных адамантана на ГТС 4.1.3. Сравнительный анализ ТХА производных адамантана на ГТС 4.2. Удерживание на колонках с модифицированной термической сажей 4.2.1. Межмолекулярные взаимодействия в системе производное ада- мантана-ГТС-полиэтиленгликоль 4.2.2. Межмолекулярные взаимодействия в системе производное ада- мантана-ГТС--циклодекстрин 4.3. Адсорбция адамантана на геометрически неоднородных поверхностях5. МОЛЕКУЛЯРНО-СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ
ПРОИЗВОДНЫХ КАРБОЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА АДСОРБЕНТАХ С ПЛОСКОЙ ОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
5.1. Определение параметров атом-атомных потенциальных функций межмоле- кулярного взаимодействия атомов-неметаллов с атомами углерода базисной грани графита 5.1.1. Расчет параметров потенциальных функций парного межмолекулярного взаимодействия атомов органогенов с атомами С базисной грани графита 5.1.1.1. ААП для пары О(спирт)…С(графит) 5.1.1.4. ААП для пары NO2(аром. нитропроизводное)…С(графит) 5.1.2. Методы корректировки параметров потенциальных функций, удовлетворяющих экспериментальным термодинамическим характеристикам адсорбции 5.2. Молекулярно-статистический расчет термодинамических характеристик адсорбции циклических углеводородов на плоской однородной поверхности 5.2.4.2. Кубан и его каркасные изомеры6. АДСОРБЦИОННО-ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АДАМАН-
ТАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ В УСЛОВИЯХ ОБРАЩЕННО- И НОРМАЛЬНОФАЗОВОГО ВАРИАНТОВ ВЭЖХ
6.1. Термодинамика сорбции и межмолекулярные взаимодействия произ- водных адамантана в условиях обращено-фазового варианта ВЭЖХ 6.2. Хроматографическое удерживание производных адамантана в ВЭЖХ системах с добавками -циклодекстрина 6.3. Закономерности удерживания производных адамантана в условиях нормально-фазового варианта ВЭЖХ 6.4. Адсорбция и разделение производных адамантана на колонках с порис- тым углеродным материалом Hypercarb в условиях ВЭЖХ7. ТОПОЛОГО-ГРАФОВЫЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ МОЛЕКУЛЯРНО-
ГО СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ КАРКАСНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. ПРИМЕНЕНИЕ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ СТРУКТУРА-СВОЙСТВО И СТРУКТУРА-УДЕРЖИВАНИЕ
7.1. Тополого-графовый анализ молекулярной структуры молекул насыщен- ных карбоциклических соединений 7.1.1. Индексы молекулярной связности (индексы Рэндича) 7.1.2. Дискриминирующая способность и численные значения различ- ных топологичеких индексов 7.2. Топологические индексы в прогнозировании различных физико- химических свойств молекул предельных карбоциклических углеводородовСПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ААП – атом-атомный потенциал (атом-атомная функция парного межмолекулярного взаимодействия атома Х адсорбата с атомом С базисной грани графита);ВЭЖХ – высокоэффективная жидкостная хроматография;
ВЭЖХ- – высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометриМС ческим детектированием;
ГАХ – газо-адсорбционная хроматография;
ГЖХ – газо-жидкостная хроматография;
ГТС – графитированная термическая сажа;
ГХ – газовая хроматография;
ГХ-МС – газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием;
ДИП – пламенно-ионизационный детектор;
ДТП – детектор по теплопроводности;
ЖЖЭ – жидкостно-жидкостная экстракция;
ИГХ – инверсионная газовая хроматография;
ККл – капиллярные колонки;
КР – комбинационное рассеяние;
КС – каркасные соединения;
КССВ – константа спин-спинового взаимодействия;
КЭ – капиллярный электрофорез;
МВ – микроволновая спектроскопия;
МС – масс-спектрометрия;
НЖФ – неподвижная жидкая фаза;
НФ ВЭЖХ – нормально-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография;
ОФ ВЭЖХ – обращено-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография;
ПАУ – полиароматические углеводороды;
ПГС – пространственная группа симметрии;
ПГУ – пористый графитированный углерод;
ПМР – парамагнитный резонанс;
ПМСТА – полуэмпирическая молекулярно-статистическая теория адсорбции;
ПФ – подвижная фаза;
РСА – рентгеноструктурный анализ;
ТГС – точечная группа симметрии;
ТСХ – тонкослойная хроматография;
ТХА – термодинамические характеристики адсорбции;
ТХС – термодинамические характеристики сорбции;
ТХУ – термодинамические характеристики удерживания;
ТФЭ – твердофазная экстракция;
УВ – углеводороды;
УФ – ультрафиолетовая область;
ЦД – циклодекстрин;
ЭГ – газовая электронография;
ЭЗД – электронно-захватный детектор;
– параметр сил межмолекулярного отталкивания в ААП Бакингема-Корнера, C8 – константа диполь-квадрупольного дисперсионного взаимодействия, – изменение стандартной мольной теплоемкости, Дж/(мольК);
– мольная стандартная теплоемкость адсорбции, Дж/(мольК);
С 1,v – мольное стандартное изменение свободной энергии адсорбата при адсорбo ads F i – объемная скорость газа-носителя, измеренная с помощью пенного расхоFpa,Ta – парциальная избыточная мольная энергия Гиббса смешения;
– дифференциальная стандартная мольная энергия Гиббса сорбции, – парциальная избыточная мольная энтальпия смешения, кДж/моль;
– дифференциальная стандартная мольная энтальпия сорбции, кДж/моль;
– мольная стандартная энтальпия испарения вещества, кДж/моль;
vap H m,i – мольная стандартная энтальпия образования вещества, кДж/моль;
f H m,gas H isorb JC,H – константа спин-спинового взаимодействия;
K H,i K с,i константа устойчивости комплекса включения гость-хозяин, 1/моль;
параметр сил межмолекулярного отталкивания в ААП Бакингема-Корнера, нм-1;
q dif, R универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(мольК);
ro – равновесное расстояние между атомом Х адсорбата и атомом С базисной Svdw – ван-дер-ваальсовая площадь молекулы, A 2;
– удельная поверхность адсорбента, определенная по адсорбции азота, м2/г;
– мольная стандартная дифференциальная энтропия адсорбированного вещеоs ~о – стандартная энтропия чистого адсорбата в состоянии идеального газа при S gas,c ~о – стандартная энтропия чистого жидкого адсорбата, Дж/(мольК);
S liq – термическая составляющая энтропии адсорбированного вещества, S therm – парциальная избыточная мольная энтропия смешения, Дж/(мольК);
– дифференциальная стандартная мольная энтропия сорбции, Дж/(мольК);
( S 1,с ) s ads S i – мольная стандартная энтропия испарения вещества, Дж/(мольК);
vap S i – мольное стандартное изменение энтропии сорбата при образовании комo com S i SDZ Tav – средняя температура выполненного хроматографического эксперимента, К;
Tcom – температура энтальпийно-энтропийной компенсации, К;
VА, Vg,i – мольное стандартное изменение внутренней энергии адсорбата при адo ads U i – мольное стандартное изменение внутренней энергии сорбата при образоваo com U i – поправка в ААП, учитывающая приближенный характер формулы Кирквуда-Мюллера;
– предельный коэффициент активности адсорбата в бесконечно разбавленi – дисперсионный компонент свободной энергии поверхности, мДж/м2;
– универсальная газовая постоянная, 0.08314 л·бар/(мольК);
А...С( ГТС ) – атом-атомный потенциал;
– массовый предельный коэффициент активности адсорбата в бесконечно ОБЩАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Методы газовой (ГХ) и высокоэффективной жидкостной (ВЭЖХ) хроматографии занимают лидирующее положение в разделении и идентификации представителей каркасных соединений (КС), характеризующихся большим числом структурных и пространственных изомеров. Вместе с тем, изучение механизма и термодинамики сорбции этих соединений, исследование их физико-химических свойств хроматографическими методами, поиск новых высокоселективных сорбентов, чувствительных к особенностям структуры КС, практически не проводились. В этой связи актуальным является установление количественной связи между строением КС, их физико-химическими и адсорбционно-хроматографическими свойствами в различных вариантах ГХ и ВЭЖХ, что открывает широкие возможности в априорном предсказании величин хроматографического удерживания отдельных представителей этого класса, понимании механизма сорбции объемных молекул в системах с различным типом структурной селективности и создании новых высокоэффективных методов разделения и концентрирования органических соединений каркасного строения 1.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами НИР СамГТУ Термодинамика межмолекулярных взаимодействий каркасных соединений в условиях газовой и жидкостной хроматографии и Термодинамика межмолекулярных взаимодействий органических соединений с супрамолекулярными системами (№01200705939; №01201053369; №01201161065 (2008-2011 гг.)); при финансовой поддержке грантов РФФИ (№08-03-99033-р_офи; №13-03-97001-р_поволжье_а; №13-03р_поволжье_а; №14-03-97071-р_поволжье_а), гранта Европейского союза (PLASMACARB, №GRD1-1999-10617 (2001-2003 гг.)), гранта Немецкого каучукового общества (DKG) (№13/01, г.), грантов Губернатора Самарской области (2012, 2013 гг.), в рамках Федеральной Целевой Программы Министерства образования и науки РФ Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (ГК №П1035, (2009 г.)), при поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК 14.В37.21.0304 и 14.В37.21.0323), а также при финансовой поддержке государственного задания в сфере научной деятельности в части проведения научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных исследований и экспериментальных разрабоЦель работы. Установление взаимосвязи между каркасной структурой производных адамантана и других карбоциклических соединений в условиях равновесных ГХ и ВЭЖХ и их способностью к межмолекулярным взаимодействиям, а также оптимизация процесса хроматографического разделения представителей класса полиэдрических соединений на сорбентах с различным типом структурной селективности.
Для достижения поставленной цели основными задачами диссертации явились:
- экспериментальное определение и теоретический анализ термодинамических характеристик сорбции (ТХС) производных адамантана на неподвижных жидких фазах (НЖФ) различной полярности в условиях равновесной ГЖХ; установление влияния особенностей молекулярного строения КС на закономерности их удерживания и параметры равновесия раствор в НЖФ-пар;
- экспериментальное изучение адсорбции производных карбоциклических соединений на поверхности базисной грани графита; исследование селективности графитоподобных адсорбентов при разделении смесей структурных и пространственных изомеров производных адамантана; теоретическое обоснование и развитие молекулярно-статистических методов к описанию адсорбции молекул объемного строения на плоских однородных поверхностях;
- получение и теоретический анализ ТХС производных адамантана на смешанных сорбентах на основе систем с двумерной (графитированная термическая сажа (ГТС) и её аналоги) и трехмерной (циклодекстрины) типами селективности;
- анализ ТХС и закономерностей удерживания производных адамантана из среды разбавленных водно-органических растворов в условиях ОФ- и НФ-вариантов ВЭЖХ; изучение структурной селективности и теоретическое описание адсорбции молекул каркасного строения на графитоподобных сорбентах в ВЭЖХ;
- установление связи между хроматографическими и топологическими характеристиками молекул каркасного строения и получение на их основе новых зависимостей структура-удерживание;
- выбор оптимальных условий определения и достоверной идентификации лекарственных производных адамантана в сложных матрицах с помощью хроматографических методов, в том числе сочетая их с предварительным концентрированием;
- развитие методологии исследования адсорбционно-хроматографических свойств углеродных материалов методом инверсионной газовой хроматографии (ИГХ); поиск закономерностей, связывающих ТХС на неоднородных поверхностях со структурой и свойствами молекул сорбатов-реперов;
Научная новизна определяется совокупностью полученных в работе новых результатов.
Экспериментально методом равновесной ГЖХ на НЖФ различной полярности в широком интервале температур определены надежные взаимосогласованные ТХС (константы распределения, энтальпии и энтропии сорбции, предельные коэффициенты активности, избыточные термодинамические функции смешения) более 60 производных адамантана, а также большой группы циклоалканов, бициклоалканов, триток) по проекту Исследование физико-химических свойств поверхности нано- и супрамолекулярных систем (2014-2016 гг.).
циклоалканов, аренов и их функциональных производных. Для большинства изученных производных адамантана на основании ГЖХ-данных определены параметры равновесия жидкость-пар (температуры кипения, энтальпии испарении и др.) индивидуальных соединений. Полученные сорбционно-структурные корреляции между ТХС, физико-химическими и структурными характеристиками, учитывающими особенности молекулярного строения исследованных соединений, использованы для прогноза параметров хроматографического удерживания в условиях ГЖХ. Определены интервалы селективности рассмотренных НЖФ и способы их направленного модифицирования для эффективного разделения смесей структурных и пространственных изомеров производных карбоциклических соединений методом ГЖХ. Предложено строгое термодинамическое описание макроциклического эффекта при комплексообразовании КС с молекулами -ЦД, иммобилизированных в объём НЖФ.
Экспериментально методом равновесной ГАХ на ГТС определены ТХА более производных адамантана и других карбоциклических соединений. Показано влияние особенностей пространственного строения молекул адсорбатов, числа и положения заместителей в основном структурном фрагменте, а также различных внутримолекулярных эффектов (невалентные взаимодействия, орто-эффекты, сопряжение в ароматических системах, внутреннее напряжение и др.) на закономерности хроматографического удерживания рассмотренных соединений на колонках с ГТС. На примере КС предложена модель адсорбции органических соединений на плоской однородной поверхности, учитывающая вклад удаленных атомов адсорбата в общую энергию взаимодействия. В рамках атом-атомного приближения теории физической адсорбции выполнены молекулярно-статистические расчеты более 400 различных производных адамантана, циклоалканов, бициклоалканов, трициклоалканов, аренов, алканов, включая гипотетические структуры и различные конформеры, что позволило теоретически оценить энергию их взаимодействия с поверхностью графита, а также предсказать возможный порядок элюирования на колонках с ГТС в условиях ГАХ.
Определены и обоснованы адекватные значения параметров атом-атомных потенциалов (ААП) взаимодействия атомов и групп атомов в молекуле адсорбата (Si, I, F, NO2, NН2, ОН и др.) с атомами углерода базисной грани графита, а также найдены поправки в уже известные параметры ААП, что позволило значительно повысить точность выполнения молекулярно-статистических расчетов и расширить область их практического применения. Получен ряд важных соотношений, связывающих параметры тонкой молекулярной структуры адсорбатов с их адсорбционным потенциалом на поверхности графита. В рамках моделей локализованной и делокализованной адсорбции, концепции о термической составляющей энтропии адсорбированного вещества и др. сделан вывод о подвижности и физическом состоянии молекул КС на поверхности ГТС.
Экспериментально в условиях ГАХ исследована селективность ГТС к структурным и пространственным изомерам производных адамантана и других карбоциклических соединений. Развита новая топологическая концепция построения графов для оценки энергии взаимодействия молекул каркасного строения с поверхностью базисной грани графита.
Экспериментально методом равновесной ВЭЖХ изучена термодинамика сорбции производных адамантана из бинарных растворов на сорбентах различной природы.
Показаны достоинства и ограничения известных ВЭЖХ-моделей удерживания для описания закономерностей и особенностей сорбции КС. С использованием данных молекулярно-статистических расчетов развита модель адсорбции КС на графитоподобных сорбентах из среды многокомпонентного элюента. Исследованы и интерпретированы эффекты энтальпийно-энтропийной компенсации сорбции и полярного удерживания на графите производных адамантана в условиях ОФ- и НФ-вариантов ВЭЖХ. Показана связь равновесных свойств растворов производных адамантана в различных растворителях с параметрами их удерживания в условиях ВЭЖХ.
Достоверно идентифицированы отдельные представители производных адамантана, включая и лекарственные соединения, в сложных смесях структурных и пространственных изомеров. Предложены методики определения лекарственных препаратов мидантан, ремантадин, мемантин и др..
В условиях ИГХ исследована геометрическая неоднородность поверхности углеродных адсорбентов и показана её связь с фрактальной размерностью поверхности.
Предложен газохроматографический метод оценки геометрической неоднородности поверхности, основанный на различиях в адсорбции молекул линейного и каркасного строения. Показано, что в ряду графитированных саж увеличивается их структурная селективность при газохроматографическом разделении смесей близких по свойствам пространственных изомеров молекул циклических и каркасных УВ.
Практическая значимость работы определяется совокупностью экспериментальных и теоретически рассчитанных данных по адсорбционно-хроматографическим и термодинамическим параметрам сорбции производных адамантана и других карбоциклических соединений в условиях ГХ и ВЭЖХ на сорбентах различной природы.
Предложены способы регулирования общей и структурной селективности, использованные разработки высокоселективных хроматографических методик разделения и концентрирования близких по свойствам изомеров производных каркасных УВ из сложных по составу синтетических и природных смесей. Определенные и скорректированные параметры ААП значительно расширяют возможности молекулярностатистических методов адсорбции, позволяя выполнять теоретические расчеты ТХА применительно к адсорбции различных по составу и структуре органических соединений. Найдены условия хроматографического анализа лекарственных производных адамантана и определены возможные примеси в готовых фармацевтических препаратах. Востребованными являются высокочувствительные и экспрессные методы газовой хроматографии в оценке комплекса адсорбционных свойств углеродных материалов, включая наноразмерные частицы графита, нанотрубки и другие малоизученные аллотропные модификации углерода.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментального и теоретического исследования термодинамики адсорбции молекул каркасного строения на поверхности графитоподобных адсорбентов. Модель адсорбции объемных органических соединений на плоской однородной поверхности, учитывающая адсорбционную неэквивалентность атомов в адсорбате, находящихся на различном удалении от поверхности адсорбента и влияние внутримолекулярных электронных эффектов в адсорбате на его адсорбционный потенциал.
2. Концепция о влиянии тонкой молекулярной структуры высокосимметричного адамантанового фрагмента на комплекс адсорбционно-хроматографических свойств адамантилсодержащих соединений. Гипотеза о способности атомов Н при третичных атомах углерода в адамантановом каркасе вступать в специфические межмолекулярные взаимодействия с полярными фрагментами НФ.
3. Применение метода ГЖХ для термодинамического описания состояния карбоциклических соединений в растворах с низко- и высокомолекулярными НЖФ и равновесия жидкость-пар. Впервые определенные значения избыточных термодинамических функций смешения в системах каркасная молекула-сорбент. Данные по ГХселективности различных НЖФ для эффективного разделения производных адамантана.
4. Результаты молекулярно-статистических расчетов ТХА молекул циклического и каркасного строения на базисной грани графита. Параметры потенциальной функции взаимодействия атомов и атомных групп в адсорбате (Si, I, F, NO2, NН2, ОН и др.) с атомами углерода базисной грани графита. Новые методы введения поправок в параметры ААП, учитывающие валентное состояние и окружение атома в адсорбирующейся молекуле. Результаты хроматоскопических исследований различных карбоциклов на ГТС.
5. Экспериментальные данные и модель удерживания производных адамантана на смешанных сорбентах с добавками -ЦД. Строгое термодинамическое обоснование эффекта эндотермического комплексообразования и резкого уменьшения энтропии сорбции, обусловленных образованием прочных комплексов включения производных адамантана с макроциклической полостью молекул -ЦД.
6. Большой массив физико-химических параметров производных адамантана, рассчитанных на основе данных по хроматографическому удерживанию, а также результаты тополого-графового исследования молекулярной структуры этих соединений.
Количественные зависимости между сорбционно-хроматографическими, структурными, физико-химическими и топологическими характеристиками производных адамантана и других карбоциклических соединений. Результаты априорной оценки параметров ТХС производных адамантана в условиях газовой и жидкостной хроматографии.
7. Результаты идентификации отдельных изомеров производных карбоциклических УВ в синтетических и природных смесях.
8. Данные по термодинамике удерживания производных адамантана в условиях ВЭЖХ на сорбентах различной природы. Результаты исследования влияния состава подвижной фазы на удерживание и селективность разделения производных адамантана в ВЭЖХ. Подход к априорному определению параметров удерживания органических соединений из бинарных растворов в ВЭЖХ на графитоподобных сорбентах с помощью молекулярно-статистических расчетов ТХА на графите.
9. Хроматографические методики определения промежуточных продуктов синтеза лекарственных препаратов на основе адамантана (мидантан, ремантадин, мемантин и др.).
10. Данные по применению различных теоретических моделей (теории фракталов, модели локализованной адсорбции и др.) к описанию состояния адсорбированных молекул на неоднородных поверхностях. Метод оценки геометрической неоднородности поверхности, основанный на различиях в адсорбции молекул линейного и каркасного строения.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 56 статей (50 из перечня ВАК) и тезисы 160 докладов на профильных конференциях различного уровня 2.
Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийском симпозиуме по теории и практике хроматографии и электрофореза (Москва, 1998); Международной научной конференции Органический синтез и комбинаторная химия (Москва, 1999); Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999); Всероссийской научной конференции Химический анализ веществ и материалов (Москва, 2000); Third International Conference on Carbon Black (Mulhouse, France, 2000); IX Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции и адсорбционной хроматографии (Москва, 2001);
IX Международной научной конференции Химия и технология каркасных соединений (Волгоград, 2001); Всероссийском симпозиуме Современные проблемы хроматографии (Москва, 2002); XII Всероссийской конференции по газовой хроматографии (Самара, 2002); XIV, XVII, XVIII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT) (St.Petersburg, 2002; Kazan, 2009; Samara, 2011); V KautschukHerbst-Kolloquium (Hannover (Deutschland), 2002); 3rd International Symposium on Separations in BioSciencies (SBS’03) Biomedical Appications of Chromatography and Electrophoresis (Moscow (Russia), 2003); XXVIIth Scientific Symposium Chromatographic methods of investigating the organic compounds (Katowice (Poland), 2003); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003); Всероссийском симпозиуме Хроматография и хроматографические приборы (Москва, 2004); Международной конференции Физико-химические основы новейших технологий XXI века (Москва, 2005); Всероссийской конференции Теория и практика хроматографии.
Применение в нефтехимии (Самара, 2005); VI, VIII Всероссийсих конференциях по анализу объектов окружающей среды Экоаналитика (Самара, 2006; Архангельск, 2011); Всероссийской конференции Химический анализ (Москва, 2008); XI Международной научно-технической конференции Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений (Волгоград, 2008); III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); II Международном форуме Аналитика и Аналитики (Воронеж, 2008); Всероссийской молодежной конференции по математической и квантовой химии (Уфа, 2008); III Региональной конференции молодых ученых Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем (Крестовские чтения) (Иваново, 2008); III Всероссийской конференции Аналитика России с международным участием (КрасноЗа цикл работ Исследование сорбции каркасных соединений в условиях газовой и жидкостной хроматографии автор диссертации был удостоен молодежной премии Научного совета РАН по аналитической химии (2010 г.).
дар, 2009); I и II Съездах аналитиков России (Москва, 2010, 2013); IV Международной конференции Экстракция органических соединений (ЭОС-2010) (Воронеж, 2010);
Всероссийских конференциях Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез (Туапсе, 2010, 2013); V International Symposium Methods and Applications of Computational Chemistry (Kharkiv (Ukraine), 2013), Всероссийской конференции Адсорбция-2013 (Тверь, 2013) и др..
Личный вклад. Выбор научного направления, постановка задачи и целей исследования, проведение эксперимента, теоретический анализ и интерпретация полученных результатов, оформление публикаций и формирование выводов выполнены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность своим коллегам за их советы, консультации и замечания, а также своим ученикам (к.х.н.
Д.А. Светлову, к.х.н. О.Б. Григорьевой, А.А. Светлову, к.х.н. О.В. Новоселовой, к.х.н.
Н.В. Кудашевой, к.х.н. Б.А. Мурашову, к.х.н. Е.А. Яшкиной, Ю.А. Агеевой, А.В. Базилину) за их неоценимый вклад в использованные в работе результаты совместных исследований. Глубокую признательность и благодарность хочется выразить профессору А.К. Буряку (ИФХЭ РАН) за его внимание, интерес и добрую критику, которые значительно расширили представления автора диссертации об адсорбционной хроматографии и молекулярно-статистической теории адсорбции, высоким уровнем развития которых всегда отличалась отечественная хроматографическая школа. Памятными для автора остаются годы учебы и совместной работы на кафедре общей химии и хроматографии Самарского государственного университета под руководством профессоров Л.А. Онучак и С.В. Курбатовой, сумевших привить неугасаемый интерес к различным аспектам газовой и жидкостной хроматографии. Автор выражает искреннюю признательность профессору, доктору Р.Х. Шустеру (Немецкий институт технологии каучука, Ганновер, Германия) за годы совместной работы над проблемами химии поверхности углеродных материалов и инверсионной газовой хроматографии, а также любезно предоставленные для исследования образцы саж и наноразмерных углеродных адсорбентов. Особая благодарность сотрудникам кафедры органической химии СамГТУ, в особенности профессорам И.К. Моисееву и Ю.Н. Климочкину, за любезно предоставленные образцы исследованных в работе производных адамантана.
1. СТРОЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА АДАМАНТАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Номенклатура, молекулярное строение, основные физико-химические свойства и области применения производных каркасных углеводородов 1.1.1. Номенклатура и классификация производных адамантана и полимантанов Адамантан (трицикло(3,3,1,13,7)декан) представляет собой насыщенный трициклический углеводород (С10Н16) мостикового типа. Адамантан имеет высокосимметричную структуру (Td, =12), образованную тремя циклогексановыми фрагментами в конформации кресло. Своё название углеводород получил благодаря тому, что его структура схожа с кристаллической решеткой алмаза (рис.1.1). По этой причине адамантан и его структурные аналоги также получили название диамандоиды (от англ. diamond - алмаз) [1]. Само тривиальное название адамантан происходит от греческого несокрушимый (греческое название алмаза) [2-4].Первое упоминание об этом уникальном углеводороде датируется 1924 г., когда на конгрессе естествоиспытателей в Инсбруке Г. Деккер высказал мысль о возможном существовании такого необычного по структуре соединения [5]. Неоднократные попытки синтезиро- Рис.1.1. Фрагмент кривать этот углеводород, предпринятые выдающимися сталлической структуры химиками-органиками первой половины ХХ века, оста- алмаза.
вались неудачными [6].
Впервые адамантан как индивидуальное химическое соединение был получен чешскими учеными С. Ландой и В. Махачеком в 1933 г [7] из нафтеновой фракции нефти Годонинского месторождения. Этими же исследователями было показано, что аномально высокая температура плавления выделенного ими предельного углеводорода (Tm= К) является следствием его уникальной химической структуры. Вплоть до начала 40-х годов XX века адамантан считался достаточно экзотическим веществом, поскольку его многостадийный синтез долгое время оставался слишком трудоёмким3.
Работы по исследованию термодинамической стабильности возможных изомеров состава С10Н16 показали, что именно структура адамантана отвечает наиболее глубокому минимуму потенциальной энергии. Последнее дало возможность разработать методы синтеза адамантана путем термодинамически контролируемой изомеризации других углеводородов состава С10Н16. Впервые такой синтез был осуществлен в 1957 г. П. Шлейером, разработавшим актуальный по настоящее время препаративный метод синтеза незамещенного адамантана [9,10]. В настоящее время методы синтеза адамантана и его производных хорошо исследованы и широко внедрены. Большой вклад в синтетическую химию адамантана и его производных внесли представители отечественной школы по органической химии (С.С. Новиков, А.Ф. Платэ, Ал.А. Петров, Н.С. Зефиров, Е.И. Багрий, А.Г.
Чешским учёным удалось выделить всего несколько миллиграмм адамантана из нефти, поскольку его содержание в нефтях различных месторождений относительно невелико (0.0001% (парафиновые)-0.03% (нафтеновые)), а впервые разработанные Прелогом (1941 г.) [8] и Штеттером (1956 г.) методы синтеза адамантана из эфира Меервейна имели выходы лишь в пределах 6%.
Юрченко, И.К. Моисеев, И.А. Новаков и др.) [2].
Для монозамещенных производных адамантана и других представителей класса диамандоидов возможен только один тип структурной изомерии, обусловленный расположением заместителей при третичном (узловом) или мостиковом (вторичном) атомах углерода каркаса (рис.1.2). Заметим, что ввиду высокой симметрии трициклического каркаса монозамещенные производные адамантана пространственных изомеров не имеют. У дизамещенных производных адамантана наряду со структурной также возможна и пространственная изомерия. В случае соединений, когда оба заместителя расположены в одном циклогексановом кольце (рис.1.3(а,б)), применяют обычную цис-, транс-номенклатуру и указывают соответствующую ориентацию заместителей а или е 4. Если оба заместителя расположены в разных циклогексановых кольцах, то в рассматриваемой молекуле выделяют бициклическую систему типа бицикло[3,3,1]нонана, связанную со всеми заместителями и при обозначении пространственной ориентации заместителей используют термины экзо-, эндо-, анти- и син- [2,11].
Значительно более сложная картина наблюдается в случае изомерных тризамещенных производных адамантана. Для них число возможных стереоизомеров вследствие высокой симметрии адамантанового каркаса может сократиться, т.к. у различных структур может наблюдаться вырождение (рис.1.3(в)).
Так, ряд изомеров, имеющих по четыре хиральных центра в молекуле, имеет на самом деле лишь по четыре диастереоизомера вместо восьми ожидаемых. Подробный обзор числа возможных структурных и пространственных изомеров в ряду производных адамантана, а также анализ их термодинамической устойчивости был выполнен в целом ряде работ и нашел отражение в самостоятельных монографиях [1-4,11].
В зависимости от строения заместителя в боковой цепи к адамантановому фрагменту, также возможны различные типы изомеров.
Названия производных адамантана с раз- Рис.1.3. Стереоизомеры в ряду дизамещенных производных адамантана.
ветвленным заместителем в боковой цепи Благодаря структурной жесткости адамантанового фрагмента и невозможности конверсии шестичленных циклов такие конформационные понятия, как а и е, являются в данном случае уже понятиями конфигурационными.
обычно строят с использованием наименования радикала (адамантил). Примером могут быть 1(1’адамантил)этиламин (ремантадин) и 2N-бензоиламино)адамантан (бемантан), структурные формулы которых приведеРис.1.4. Структурные формулы рены на рис.1.4. Кроме того, для производ- мантадина и бемантана.
ных каркасных углеводородов, нашедших широкое практическое применение или имеющих особенности в молекулярном строении довольно часто используются тривиальные названия (например: трициклоундекан – гомоадамантан; трицикло(3,3,1,12,7)декан – протоадамантан;
пентацикло-(7,3,1,14,12,02,7,06,11)тетрадекан – диамантан, конгрессан).
Отдельного рассмотрения заслуживает номенклатура и классификация молекул конденсированных полициклических углеводородов ряда адамантана, в которых два адамантильных фрагмента могут иметь 1, 2, 3 или 6 общих атомов углерода:
Согласно правилам, предложенным Балабаном и Шлейером, эта группа соединений получила название [n]диадамантаны, где n – число общих атомов углерода [12-15].
Интенсивное развитие в последние годы получила химия полимантанов (диамондоидов), одним из представителей которых является [6]диадамантан [1,16-20].
Полимантаны образуют псевдогомологическую серию, описываемую общей формулой С4n+6H4n+12. В основе современной классификации полимантанов лежит теоретикографовый подход с использованием так называемых двойных графов (dualist graphs (англ.)). Ключевым понятием этой концепции является ячейка адамантанового каркаса, которая представляется точкой. Эта точка является вершиной двойного графа. Степень вершины такого графа равна четырем, что соответствует четырем возможным направлениям присоединения последующих единичных адамантановых ячеек к исходной (рис.1.5). Каждое направление в исходной ячейке нумеруется от 1 до 4. Двойные графы строятся посредством соединения центров связанных общей гранью (циклогексановым кольцом) центров адамантановых ячеек. Ребром двойного графа является отрезок, связывающий центры двух адамантановых фрагментов, имеющих 6 общих атомов углерода (одно общее циклогексановое кольцо). При соединении двух адамантановых ячеек получается диамантан, которому приписывается код 1, поскольку выбирается наименьший номер направления в исходном адамантановом фрагменте, по которому осуществлялось связывание. При всех последующих соединениях единичных адамантановых ячеек указывается номер того направления, которое совпадает с вновь образуемым ребром двойного графа.
количеству присоединенных к исходной ячейке адамантановых фрагментов. На рис.1.5 приведена схема получаемого графа окончательный набор цифр должен сформировать число, наименьшее из возможных. Получаемые двойные графы также могут быть циклические (перимантаны и коронамантаны). Рассмотренные выше [121]- и [1(2)3]тетрамантаны относятся к группе катамантанов, поскольку их двойные графы изоструктурны графам алициклических двойной граф образует шестичленный цикл, то соответствующий полимантанам относится к группе перимантанов (например, [12312]гексамантан (рис.1.6(а))). Высшие полимантаны, у которых двойные графы образуют циклы значительно большого размера относятся к группе коронамантанов (например, [12123242312123242]коронамантан (рис.1.6(б)).
Рис.1.5. Схема построения и обозначения двойных графов [13,14] катамантаны относятся к типу регулярных на примере молекул [121]- и полимантанов, а перимантаны и коронамантаны нерегулярных. Отличительной особенностью регуляртетрамантанов.
ных полимантанов является то, что они описываются общей брутто-формулой С4n+6H4n+12, а нерегулярные полимантаны общей бруттоформулы не имеют. Кроме того, нерегулярные полимантаны содержат в своём составе меньшее в расчете на один атом С число атомов Н по сравнению с регулярными.
В зависимости от пространственного расположения единичных адамантановых ячеек у высших полимантанов (n4) возможно появление изомеров (в том числе и энантиомеров), число которых резко увеличивается с введением каждого нового адамантанового фрагмента. В ряде крупных обзоров [13-15] был выполнен подробный анализ числа возможных изомеров полимантанового ряда, определен тип симметрии этих соединений, а также предложена оригинальная классификация, позволяющая унифицировать постоянно появляющиеся новые сведения по отдельным Рис.1.6. Двойные графы приведена схема, иллюстрирующая возможные типы изо- [12123242312123242]коромеров и структурных групп некоторых известных полиман- намантана (С70Н72) (б) [14].
танов [13].
В завершении отметим ещё одну интересную деталь химии диамондоидов – их отличие от наноалмазов. Согласно данным работы [21], шкала относительных содержаний различных полимантанов в нефти и газовых конденсатах выглядит следующим образом: адамантаны (100), диамантаны (50), триамантаны (15), тетрамантаны (5), пентамантаны (1), гексамантаны (2000 атомов Рис.1.7. Семейства полимантановых С в наночастице) [23]. В связи с этим очень акту- структур, образованные путем различного соединения единичных адаальной остаётся проблема синтеза молекул по- мантановых фрагментов [13].
лимантанов, размер которых сопоставим с размерами наименьших частиц наноалмазов.
Таблица 1.1. Сравнение свойств полимантанов и наноалмазов [1] Химический состав Природные источники Растворимость Методы получения Морфология 1.1.2. Особенности геометрического и электронного строения производных каркасных углеводородов Геометрическое строение адамантана и его производных в конденсированной и газовой фазах Геометрическое строение адамантана и многих его производных, а также отдельных представителей семейства полимантанов исследовано различными экспериментальными и расчетными методами как в газообразном, так и в конденсированном состояниях.
Методы газовой электронографии (ЭГ) и микроволновой спектроскопии (МВ) нашли широкое использование для определения молекулярной геометрии производных адамантана в свободном состоянии. Так, с помощью указанных методов были установлены геометрические параметры молекул адамантана [24,25], галоген- [26-29], гидроксиамино- [31], циано- [32] и других замещенных адамантанов [33-35]. Геометрическая структура незамещенной молекулы адамантана практически близка к идеальной: валентные углы близки к тетраэдрическим, а длины связей С-С близки к таковым в налканах (0.154 нм). Вместе с тем, нужно отметить, что значения валентных углов при третичных атомах С несколько выше (109.8) по сравнению с углами при вторичных атомах С (108.8). Вероятно небольшое искажение валентных углов связано с небольшим внутренним напряжением, обусловленным взаимодействием несвязанных атомов С в каркасе. Вычисленные методом силового поля значения энергии напряжения адамантана в газовой фазе равны 28.7 или 24.8 кДж/моль [2]. Интересная закономерность была обнаружена нами при сравнении величин длин связей различных заместителей с третичным атомом С в адамантановом каркасе (см. табл.1.2). Оказалось, что длины связей С-Х для 1-производных адамантана имеют промежуточные значения между длиной связи в соответствующих трет-бутил- и циклогексилпроизводных с одной стороны и фенил- и винилпроизводными с другой. Наблюдаемая закономерность, вероятно, является следствием необычного распределения электронной плотности в адамантановом каркасе, что подтверждается данными об отличном от sp3-гибридного состоянии третичных атомов С в адамантановом каркасе Таблица 1.2. Значения длин связей СX в молекулах разВ исследовании гео- личных замещенных углеводородов и адамантана, определенные методами ЭГ и МВ (Х: F; Cl; Br; CN) [36,37] метрии каркасных соедиcycloнений широко использу- Соединение t-BuX C H X 1-AdX PhX С2Н3X их помощью исследована структура адамантана [39,40], его функциональrC-X, нм 0.1791 0.1809 0.1790 0.1739 0. ных производных [41-44], тановых [40,45-47] и по- rC-X, нм 0.1975 0.1967 0.1947 0.1898 0. лимантановых [48,49] структур. При исследоваа нии последних, в частности, было установлено, что в молекуле 2-(1диамантил)[121]-тетрамантана (рис.1.8) имеет место самая длинная среди насыщенных углеводородов связь С(sp3)-С(sp3). Рассчитанное значение длины связи, равное 0.171 нм, нашло экспериментальное подтверждение с помощью метода РСА.
Широкое распространение в конформационном анализе адамантилсодержащих соединений получили методы спектроскопии 1H- и 13С-ЯМР. Так, были исРис.1.8. Х-структура молеследованы конформационные переходы в молекулах кулы 2-(1-диамантил)[121]фенил- [50], 2-фенил- [51], 2-метил- [52] и др. [53]. тетрамантана [49].
На примере различных молекул 2-замещенных (метилтрет-бутил-, гидрокси- и др.) адамантана были исследованы С-Н(адамантан)…СY(адамантан) аксиальные взаимодействия [54-56], заметно влияющие на спектр различных физико-химических свойств производных циклогексана и адамантана [57].
Большое число исследований было выполнено по исследованию кристаллической структуры адамантана и его производных. Молекула незамещенного адамантана кристаллизуется в объемно-центрированную решетку, при T=208.62 К переходит в гранецентрированную решетку ( trans H m,i =3.4 кДж/моль, четыре молекулы на дну ячейo ку), которая является чрезвычайно необычной для органического соединения [58,59].
На начальных стадиях роста у первичных кристаллов адамантана обнаруживаются только кубические и октаэдрические грани. Явление молекулярной реориентации в твердой пластической фазе наблюдается и для различных функциональных производных адамантана (хлор- [60], фтор- [61], кето- [62] и других производных [63]). Введение различных заместителей существенно понижает симметрию молекулярного кристалла незамещенного адамантана [64] и существенно отражается на различных физико-химических характеристиках соединений (в частности, Тm,, sub H m,i и др.).
Особый интерес представляет анализ кристаллической структуры различных представителей семейства полимантанов. Из данных таблицы 1.3 видно, что по мере увеличения числа адамантановых фрагментов в молекулах полимантанов симметрия их молекулярных кристаллов заметно уменьшается. Так, установлено, что в кристаллической решетке [1(2,3)4]пентамантана, имеются пустоты, значительно бльшие по сравнению с другими аналогичными кристаллами. Несмотря на алмазоподобную молекулярную структуру, кристаллы [1(2,3)4]пентамантана образованы слабыми межмолекулярными взаимодействиями, что обуславливает их относительную непрочность [65]. Напротив, кристаллическая структура 1,3,5,7-тетракарбоксиадамантана образована посредством прочных водородных связей симметрично расположенных карбоксильных групп четырех ближайших соседей [66]. Аналогичный тип взаимодействия наблюдается и в кристаллической решетке 1,3,5,7-тетраиодадамантана, образованной посредством межмолекулярных связей I…I [67,68]. В 1,3,5,7-тетрагидроксиадамантане водородные связи между ОН-группами образуют объёмо-центрированную кристаллическую решетку, аналогичную решетке хлорида цезия [69]. Особо отметим, что геометрические параметры углеродного скелета адаманТаблица 1.3. Некоторые физико-химические и структурные характеристики адамантана и полимантанов Тетрамантаны (С22Н28) Пентамантаны (С26Н32) Гептамантаны (С30Н34) Примечание: амолекулярная масса; бтемпература плавления; вплотность; гточечная группа симметрии; дпространственная группа симметрии.
танового фрагмента в газовой и твердой фазе практически не различаются, что обусловлено жесткой алмазоподобной структурой каркаса. Кроме того, адамантановый каркас устойчив настолько, что его геометрическая структура не искажается под давлением вплоть до 26 ГПа [70,71]. В связи с этим, многие структурные параметры фрагментов в кристаллических структурах производных адамантана, могут быть применены к отдельным изолированным молекулам.
Распределение электронной плотности в производных каркасных углеводородов Среди ряда специфических свойств, присущих каркасным соединениям, наибольшего внимания заслуживают необычное распределение электронной плотности внутри каркасной молекулы, а также связанные с этим различные эффекты. Главной характеристикой электронной структуры адамантана, во многом определяющей физикохимические свойства и реакционную способность самого адамантана, а также стабильность и реакционную способность его многочисленных производных, является распределение валентной электронной плотности внутри (в полости) адамантанового каркаса С10 и на его гранях. Было выполнен ряд классических квантово-химических расчетов параметров электронной структуры адамантанового фрагмента, посвященных пространственному распределению зарядовой плотности валентных электронов и влиянию электронной плотности внутри ядра на заместители в различных положениях [72-77]. Заметим, что на сегодняшний день молекула адамантана, состоящая из 26 атомов, является самой большой молекулой, исследованной методом спектроскопии электронных моментов. Данный метод позволяет получить подробную информацию о распределении электронов по валентным орбиталям в молекуле. Показано [75], что большая часть из 38 валентных состояний молекулы адамантана являются дважды или трижды вырожденными, благодаря высокой симметрии молекулы (Td).
Известно, что адамантан и его 1-производные (в частности, 1-галогенадамантаны), легко дают стабильный третичный 1-адамантил-катион [78-83]. Повышенная стабильность такого катиона связана с участием третичных атомов С кар- б каса в делокализации заряда. Экспериментальным подтверждением этого эффекта служат спектры ЯМР. Так, в ряду алифатических третичных карбениевых ионов наличие положительного заряда в молекуле приводит к слабопольному сдвигу сигналов протонов групп, связанных с заряженным атомом (по отношению к их положению в спектре ковалентв ного предшественника). Величина этого эффекта снижается в ного атома карбения в порядке: >> (рис.1.9(а)). В случае клетки (б), эффект 1-адамантил-катиона также наблюдается значительный сдвиг гиперконьюгативного в слабое поле сигналов -протонов, однако для протонов в - взаимодействия по связям (в).
положениях этот эффект выражен гораздо отчетливее. Ещё в большей степени такое дезэкранирование проявляется в спектрах 13С-ЯМР [84,85]. Первооткрыватели этого эффекта Форт и Шлейер [84] интерпретировали его как результат возможного перекрывания вакантной орбитали несущего заряд углеродного атома с внутренними лопастями связей С(трет.)-Н адамантанового каркаса (рис.1.9(б)). Такой же точки зрения придерживался и Нобелевский лауреат (1981 г.) К. Фукуи, впервые выполнивший точный квантово-химический расчет структуры адамантана и его ионов [73]. Выполненные позднее расчеты показали, что для системы адамантана такое взаимодействие однако не может быть значительным. Более современной является трактовка, основанная на механизме сверхсопряжения с участием С-С -связей. В работах другого Нобелевского лауреата (1994 г.) Дж. Ола этот эффект был назван эффектом гиперконьюгативного взаимодействия по -связям [86]. Во всяком случае факты таковы, что для системы адамантана дальние взаимодействия оказываются более существенными, чем обычные индуктивные эффекты. Также отметим, что вторичные (мостиковые) атомы С каркаса участия в описанном выше электронном эффекте практически не принимают [2]. Приведем один пример влияния тонкой электронной структуры адамантанового каркаса на химические свойства некоторых производных. 1-Бромадамантан5 легко подвергается гидролизу (превращается в 1-гидроксиадамантан) в водном ацетоне уже при комнатной температуре, подобно типичным трет-алкилгалогенидам. Эта реакция протекает по механизму SN1 через образование относительно стабильного карбениевого катиона. Вместе с тем 1,3,5,7-тетрабромадамантан превращается в соответствующий 1,3,5,7-тетрагидроксиадамантан лишь при обработке сульфатом серебра в горячей серной кислоте [87]. Очевидно, что причина такой пассивации этого соединения в нуклеофильном замещении – резкая дестабилизация карбениевого интермедиата (С10Н12Br3+) за счет влияния трех удаленных электроотрицательных заместителей в -положениях. Однако, независимо от того, каковым является механизм распределения электронной плотности внутри каркаса, важным остаётся тот факт, что данное электронно-структурный феномен полиэдрических структур оказывает существенное влияние на химические и физико-химические свойства каркасных соединений. В отечественной [2] и зарубежной [73,84] литературе за описанным эффектом прочно закрепилось название эффект клетки (cage effect). Этим термином мы и будем пользоваться в настоящей работе.
В литературе имеется много примеров по исследованию как самого эффекта клетки, так и его влияния на различные свойства соединений. Перечислим лишь некоторые из них: работы по изучению степени гибридизации атомов С в адамантановом каркасе [38], исследования ЯМР-спектральных характеристик адамантана и его производных (константы спин-спинового взаимодействия, химические сдвиги) [89-92], данные по хроматографическим свойствам соединений [93-95], реакционной способности производных адамантана [2-4, 16,96-98], структуре и свойствам ионов и радикалов адамантанового типа [78-83,99-101] и др.
Примером аномально высокой реакционной способности молекулы незамещенного адамантана (предельного углеводорода!) является тот факт, что его взаимодействие с бромом легко протекает уже при комнатной температуре с образованием 1-бромадамантана [2].
Достаточно подробно в научной литературе представлены данные по дипольным моментам молекул () производных адамантана, для которых были выполнены как экспериментальные, так и теоретические исследования. В работах [102-108] приводятся результаты измерения диэлектрических постоянных и показателей преломления растворов производных адамантана в различных неполярных растворителях (бензол, диоксан, четыреххлористый углерод и др.). Некоторые рассчитанные с их помощью величины приведены в таблице 1.4. Ввиду высокой симметрии (Td) молекула незамещенного адамантана не имеет дипольного момента. Постоянные дипольные моменты появляются при введении в молекулу адамантана различных заместителей. Значения у 1-производных адамантана по величине заметно выше для соответствующих трет-бутильных производных, что свидетельствует о большем положительном индуктивном эффекте 1-адамантильного радикала по сравнению с трет-бутильной группой (см. табл. 1.4). С помощью представлений об эффекте клетки, авторы [103,104] высказали гипотезу о том, что у 1производных адамантана с отрицательными заместителями положительный заряд молекулы находится не на атоме С, имеющем заместитель, а вблизи ядра адамантана (рис.1.10).
Такое увеличение расстояния между зарядами может быть одной из причин относительно больших значений у 1-производных адамантана. Уменьшение величины у 2замещенных адамантанов по сравнению с 1-производными было объяснено меньшей электронной плотностью на атоме С в положении 2 каркаса. Анализ литературных данных показывает, что численные значения у разных авторов могут заметно различаться, что необходимо учитывать при их использовании в построении различных количественных соотношений структура-свойство и структура-удерживание. Наряду с измерением дипольных моментов в растворах, также известны работы по определению производных адамантана в твёрдой фазе [109-111].
Интересные результаты были получены при использовании различных квантовохимических и аддитивно-групповых метоРис.1.10. Образование дипольных модов для расчета величин в ряду галоген- ментов у 1- и 2-замещенных производных производных адамантана и диамантана адамантана.
[112-116]. Так, было показано, что различ- Таблица 1.4. Сопоставление дипольных ные теоретические методы расчета величин моментов монопроизводных адамантана, трет-бутила и изопропила* риментом величины (особенно в случае 1- бенность распределения электронной плот- -Br 2.49 2.27 2.21 2. работах Экснера с соавт. [112-114] был предложен алгоритм, позволяющий выпол- -NH2 1.38 1.30 1.29 1. строения, сопоставимых с экспериментальПримечание: *приведенные данные полуными данными. Таким образом, адамантан чены для растворов в бензоле при 298 К.
и его производные характеризуются особым типом распределения электронной плотности в молекуле, что непосредственно сказывается на различных физико-химических, в том числе и хроматографических, свойствах.
1.1.3. Физико-химические свойства производных адамантана Термодинамические свойства адамантана и его производных в конденсированном и газообразном состояниях Исследованию термодинамических свойств адамантана и его производных посвящено достаточно большое число публикаций [62,117-149], данные по которым обобщены в таблице 1.5. Из таблицы 1.5 следует, что наиболее изученными являются величины стандартных энтальпий и энтропий образования, ( f H m,i, S i ), а также теплоёмкостей ( C p,i ) индивидуальных соединений в различных агрегатных состояниях. Большой массив данных получен по измеренным в широком интервале температур величинам давления насыщенного пара ( pio ) и энтальпиям равновесия пар-конденсированная фаза ( vap(sub ) H m,i ). Цикл исследований по изучению термодинамики реакций изомеризации в ряду производных адамантана был выполнен авторами [131,134]. Вместе с тем, практически не исследованными остаются критические свойства (Tc, Pc, Vc) представителей класса каркасных соединений, несмотря на большую практическую значимость и востребованность этих характеристик [150-152]. В большинстве перечисленных выше работ обсуждается влияние особенностей адамантанового фрагмента на значения термодинамических параметров, а также проводится сравнительный анализ значений найденных параметров для соединений каркасного, циклического и линейного строения.
Известно, что адамантан и многие его функциональные производные подвергаются одному или нескольким твердофазным переходам, приводящим к образованию так называемых пластических кристаллов, обладающих набором необычных свойств [128,137Согласно работе [139], критерием существования пластического кристалла является соотношение trsSm/fusSm1. Так, например, для 1-адамантанола trsSm/fusSm=1.35, для 2-адамантанола trsSm/fusSm=0.97 [138], для 2-метил-2-адамантанола trsSm/fusSm=3.4 [137], для 2-адамантанона trsSm/fusSm=1.7 [62], что свидетельствует о наличии для данных молекул состояния пластического кристалла. Другим критерием существования пластического кристалла может быть, вероятно, наличие кубической кристаллической решетки [137]. Известны две модификации пластических кристаллов с различной молекулярной ориентацией: изотропные и анизотропные. Причем некоторые вещества образуют оба типа пластических кристаллов. Природа молекулярной подвижности в пластических кристаллах может быть исследована с помощью Рамановской спектроскопии [137].
Немаловажно отметить, что многие термохимические свойства адамантана и его производных, полученные в работах в разные периоды с помощью различных физико-химических методов, находятся в противоречии друг с другом. Так, величины энтальпии сублимации адамантана при 298.15 К измеренные хроматографическим методом составляют 60.7±0.2 кДж/моль [153], а найденные по давлению насыщенных паров 80.3±2.5 кДж/моль [135]. Данные по энтальпиям образования адамантана также Таблица 1.5. Данные (ссылки) о важнейших термодинамических характеристиках некоторых индивидуальных производных адамантана Диамантан 1-Метиладамантан 2-Метиладамантан 1,3,5,7-Тетраметиладамантан 2,2-Диметиладамантан 1-Этиадамантан 1,1’-Диадамантан Ариладамантаны (изомеры) Метилдиамантаны (изомеры) 1-Адамантанол 2-Адамантанол 2-Метил-2-адамантанол 2-Адамантанон 1-, 3-, 4-Диамантанолы Диамантанон (1-Адамантил)метилкетон 1,1’-Диадамантилкетон 1-Адамантил карбоксамид Метиловый эфир 1-адамантанкарбоновой кислоты 1-Цианоадамантан 1-Аминоадамантан 1-(1’-Адамантил)этиламин 1-Бромадамантан 1,3,5,7-Тетраазаадамантан плохо согласуются:
-310.9±3.8 кДж/моль [135] и -319.7±1.2 кДж/моль [154]. Значение энтальпии сублимации 2-адамантанона, измеренное на дифференциальном калориметре, составило при 298.15 К 66.38±0.25 кДж/моль [62].
Физико-химические свойства растворов производных каркасных углеводородов Физико-химические свойства растворов производных каркасных углеводородов исследовались в различных аспектах. Так, в серии работ были получены значения парциo альных молярных объёмов (V i ), плотности растворов (sol), молярные энтальпии раствоo рения ( sol Н i ) и других параметров для адамантана, диамантана, триамантана и их производных в различных как индивидуальных, так и смешанных растворителях [155-165].
Так, авторами [159] по результатам исследования термодинамических характеристик растворения незамещенного адамантана в циклогексане, н-гексане и четыреххлористом углероде установлено, что диаметр молекулы адамантана в растворе составляет 0.636 нм.
На примере ряда предельных углеводородов состава C10Hn показано [163], что уменьшение величин предельного парциального объёма (24 см3/моль) и энтальпии сольватации (15 кДж/моль) для молекулы адамантана самые высокие, что обусловлено особенностями плотной упаковки каркасных молекул в растворе и более сильными межмолекулярными взаимодействиями растворенное вещество - растворитель. Установлено, что избыточные термодинамические функции смешения адамантана и его производных с различными растворителями могут быть описаны в рамках теории растворов Флори.
Интересные результаты получены из данных прецизионных калориметрических измерений энтальпий растворения производных адамантана в 22 различных растворителях [166,167]. Полученные данные обработаны с помощью полипараметрических зависимостей в рамках сольватационной модели. Подробно обсуждается вклад различных типов межмолекулярных взаимодействий в суммарную энтальпию сольватации. Аналогичный подход использован и в работах [168,169], в которых подробно исследована термохимия растворения 1-бромадамантана в различных растворителях.
В ряде работ была исследована растворимость адамантана и его структурных аналогов в различных средах: органических растворителях [170], воде [171] и газовых средах [172], ионных жидкостях и жидких кристаллах [173,174], субкритической воде [151], а также суперкритических растворителях [150], а также в других средах [175,176]. В перечисленных работах приводятся количественные данные по растворимости, а также влиянию различных внешних факторов на термодинамику растворения адамантана и его производных.
Подробно исследованы кислотно-основные свойства производных адамантана и его производных. Так в серии работ [177-179] методом потенциометрического титрования водно-спиртовых растворов были определены значения констант диссоциации адамантилсодержащих карбоновых кислот. Установлено, что значения рКа этих кислот удовлетворительно коррелируют с индукционными константами заместителей I, что подтверждает индукционный характер влияния заместителей в адамантановой системе.
Определены факторы проводимости адамантанового цикла (Zцикл.), а также оценена доля индукционного влияния, передаваемого через пространство внутри цикла (Zпрост.) и по -связям (Zсвяз.). Полученные данные свидетельствуют об относительно большой величине Zпрост., которая сравнима с Zсвяз.. Следует однако отметить, что в зависимости от взаимного расположения заместителей в адамантановом фрагменте относительно карбоксильной группы, величина Zпрост. сильно меняется: у 2-замещенных 1-адамантанкарбоновых кислот значение Zпрост. близко к нулю, а в случае 3- и 4-замещенных 1-адамантанкарбоновых кислот величина Zпрост. достигает 72-73 % от суммарной величины Zцикл.. Нужно сказать, что механизм передачи индукционного влияния через пространство в адамантановом фрагменте до конца не выяснен, что служит дополнительным доказательством необычного характера распределения электронной плотности внутри каркаса. Авторы [177-179] полагают, что одним из объяснений этого необычного явления может быть гипотеза Пальма о диполь-дипольном механизме взаимодействия при передаче индуктивного влияния. На рис.1.11 схематично показана модель передачи индукционного влияния в молекуле 3-замещенной-1-адамантанкарбоной кислоты из положения 3 в положение 1 по -связям и через пространство внутри цикла. В таблице 1.6 приведены значения рКа для некоторых замещенных 1-адамантанкарбоновых кислот.
Исследованию взаимосвязи между строением и кислотно-основными свойствами в ряду адамантилсодержащих соединений также посвящены работы [180-187]. Были исследованы амино- [180-186], гидрокси- [187] и галогенадамантаны [188], на примере которых показано что кислотно-основные свойства 1- и 2-производных заметно различаются, что обусловлено особым типом распределения электронной плотности в молекулах изученных соединений.
Также немаловажную роль играет и стерический фактор, создаваемый объёмным фрагментом адамантана. Несмотря на большой интерес исследователей к этой проблеме многие аспекты по влиянию адамантанового каркаса на кислотно-основные свойства этих соединений остаются невыясненными.
Большой объём исследований был выполнен по изучению производных адамантана в растворах, содержащих различные супрамолекулярные агенты. В частности, речь идет о Рис.1.11. Модель передачи индукционного комплексах включения производных ада- влияния в молекуле 3-замещенной-1мантана с различными макроциклическими адамантанкарбоной кислоты.
лигандами (циклодекстрины (ЦД), кукурби- Таблица 1.6. Значения рКа некоторых 1турилы, каликсарены и др.). Наиболее иссле- адамантановых кислот в водно-этадованными в настоящее время являются нольных растворах (50:50) при Т=298 К* комплексы производных адамантана с раз- Заместитель ются чрезвычайно высокой устойчивостью несколько порядков превосходят аналогичNO2 - 6.00 - ные величины для подавляющего числа других органических кавитатов [189]), обусловленной практически идеальным совпадением размеров адамантанового фрагмента и внутренней полости -ЦД (рис.1.12). В таблице 1.7 приведены систематизированные в настоящей работе данные по термодинамическим параметрам комплексообразования производное адамантана-ЦД в различных по кислотности и составу средах. Нужно сказать, что комплексообразование производных адамантана с ЦД нашло применение и в практике различных вариантов хроматографии с целью варьирования интервала селекРис.1.12. Схемативности различных хроматографических систем в отношении тическое изобрамолекул сорбатов с объемной химической структурой. Кроме жение комплекса того, в ряде работ [203-205] было высказано мнение о том, что включения произпроизводные адамантана могут рассматриваться как идеальные водное адаманта- могут быть лишены комплексообразующей функции. Уникаль- соотношении 1:1.
ные свойства комплексов ЦД с молекулами адамантилсодержащих соединений уже нашли применение на практике. Так, в работе [206] предложено использовать комплексообразование -ЦД с молекулами различных по размерам полимантанов для их прямого выделения из сырой нефти. Предложенная авторами методика является эффективной и характеризуется высокими показателями структурной селективности. Ещё одним примером использования комплексов производное адамантана-ЦД является создание 3D структурно-селективных биосенсоров, обладающих очень высокой чувствительностью в отношении различных метаболитов и маркеров на различные заболевания [207-208].
Оптические и спектральные свойства адамантана и его производных Оптические и спектральные характеристики производных адамантана исследованы достаточно подробно. Кратко остановимся на некоторых наиболее важных результатах [209-242].
Метод ЯМР 13С является наиболее информативным методом исследования адамантанов [2], поскольку позволяет не только получать сигналы всех атомов углерода в молекуле, но и относить пики к первичным, вторичным, третичным и четвертичным атомам углерода. В связи с этим спектроскопия ПМР нашла гораздо меньшее распространение.
Методом ЯМР 13С исследована большая группа алкил- [209], алкенил- [210], арил- [211], гетериладамантанов [212] и других производных, полимантаны [17,20,213] и их производные [213,214], а также различные природные соединения, содержащие гетероадамантановый фрагмент [215]. Наряду с решением чисто аналитических задач установления структуры и чистоты соединений, метод ЯМР активно используется в конформационных исследованиях, определении геометрического и электронного строения соединений, изучении взаимного влияния заместителей в карбо- и гетероциклических структурах, подвижности молекул в конденсированных фазах, в растворах и др. Наряду с данными по химическим сдвигам (), в литературе широко представлены данные по константам спин-спинового взаимодействия (КССВ) (1JC,H, nJC,С, nJC,F и др.) [216-218], непосредственно Таблица 1.7. Константы устойчивости различных 1:1 комплексов типа гость-хозяин (lgKCA), изменения стандартной свободной энергии (Gо), энтальпии (Но) и энтропии (TSо) комплексообразования различных производных адамантана с -, -, и -циклодекстринами 1-адамантанкарбоновая кислота 1-адамантилтриметиламмониум Примечание: калориметрический; кинетический; кондуктометрический; потенциометрический; УФ-спектроскопический.
отражающим особенности распределения электронной плотности и валентное состояние атомов в молекулах адамантанов. Методы ЯМР являются самыми чувствительными и информативными при исследовании такого необычного для предельных соединений эффекта, как эффект клетки. Большое количество данных по ЯМР характеристикам производных адамантана приведено в монографии [219].
Масс-спектры адамантана и его производных хорошо исследованы [220-226] и являются достаточно характеристичными [2]. Фрагментация незамещенного адамантана под действием электронного удара в силу высокой симметрии и устойчивости его молекулы напоминает распад ароматических углеводородов. Основной пик масс-спектра адамантана представляет собой молекулярный ион С10Н16+ (m/z 136). Остальные ионы образуются в результате его распада или распада возникших ранее фрагментов. Массспектры 1- и 2-монозамещенных адамантанов характеризуются значительно меньшей по сравнению с масс-спектром адамантана интенсивностью молекулярного иона. Для 1замещенных производных характерно отщепление заместителя в виде радикала X в тех случаях, когда заместитель обладает электроноакцепторными свойствами. Вместе с тем, если заместитель характеризуется электронодонорными свойствами, то во всех главных фрагментах масс-спектра заместитель сохраняется 2,221,224 (табл.1.8). Совершенно иная картина наблюдается в случае 2-замещенных производных адамантана. Основное направление распада их молекулярных ионов связано с отщеплением заместителя Х в виде молекулы НХ. Основная причина подобного поведения 2-производных под действием электронного удара связана с аксиальной ориентацией заместителя Х, в результате чего он сближен с водородными атомами в положении 4 того же кольца, что способствует 1,3элиминированию. Однако некоторые 2-замещенные производные также могут распадаться с отщеплением X, причем направление распада молекулярного иона таких производных адамантана зависит от относительной стабильности образующегося Х-радикала 2.
Большое распространение получил метод ГХ-МС для идентификации молекул семейства полимантанов [221,222]. Однако МС-характеристики изомерных полимантанов оказываются чрезвычайно близки, что не позволяет выполнить индивидуальную идентификацию отдельных изомеров. В связи с этим использование метода хромато-масс-спектрометрии зачастую ограничивается лишь групповой идентификацией соединений семейства полимантанов, при этом значительно возрастают требования к структурной селективности применяемых хроматографических сорбентов, число которых, как известно, ограничено.
Таблица 1.8. Направления фрагментации производных адамантана в зависимости от электронного характера заместителя Электроноакцепторные (Cl-, Br-, NO2-, СООН-) X Примечание: азаместитель сохраняется; бв зависимости от стабильности образуемого радикала.
Адамантан, а также алкиладамантаны практически не поглощают в УФ-области, однако введение типичных хромофоров – групп с n*, и * переходами между молекулярными орбиталями, приводит к появлению поглощения (С=С, С=S, C=O и др.). Исследование УФ-спектров производных адамантана обусловлено прежде всего интересами их аналитической химии, в частности, с определением различных биологически активных соединений этой группы методом ВЭЖХ с УФ-детектированием.
Для увеличения чувствительности в ВЭЖХ-анализе используют дериватизацию исходных соединений различными хромофорными агентами [227-229].
Фотоэлектронные спектры исследованы в работах [44,230-233]. Были определены первые потенциалы ионизации (I1) для незамещенного адамантана, а также его алкилкислород-, галоген и др. производных. Для описания ФЭ-спектров применены различные квантово-химические приближения, позволившие определить возможные внутримолекулярные электронные переходы, энергии различных молекулярных орбиталей, а также стабильность образуемых катионов. Интересную закономерность установили авторы [233], показавшие, что в ряду адамантан - полимантаны с увеличением числа адамантановых ячеек в молекуле полимантана значения I1 монотонно уменьшаются. Полученные данные были объяснены особенностями симметрии и электронного строения рассмотренных соединений.
В работах [234-237] были исследованы спектры комбинационного рассеяния (КР) адамантана, его производных, а также большой группы полимантанов. Полученные данные были использованы для анализа молекулярной структуры производных адамантана, их межмолекулярных взаимодействий в конденсированных фазах и др. Следует особо подчеркнуть, что метод КР-спектроскопии является наиболее чувствительным к высокосимметричным ковалентным связям с маленьким или отсутствующим дипольным моментом.
Углерод-углеродные связи в адамантане и полимантанах полностью соответствуют этому критерию, поэтому КР-спектры способны обнаруживать мельчайшие изменения в каркасной структуре данных соединений. КР-спектры полимантанов достаточно характеристичны, что позволяет использовать этот метод для их обнаружения и идентификации [237]6.
Вопросы идентификации углеводородов адамантанового ряда, их структурногруппового или индивидуального анализа успешно решаются с помощью метода ИКспектроскопии 7. В работах [239-242] приведены результаты ИК-исследования молекулы незамещенного адамантана [239], адамантильного катиона [240], а также некоторых высших полимантанов [241,242].
1.1.4. Области применения производных адамантана Производные адамантана нашли широкое практическое использование. Кратко перечислим лишь основные области их применения, связанные с фармакологией [243-245], геохимией [20,246,247], химией полимеров [248] и различными областями наноиндустрии [249,250] и др.. Достаточно подробный обзор данных по этой теме приведен в монографиях [1-3]. Остановимся лишь на некоторых из наиболее заметных достижений.
Наибольшее распространение производные адамантана нашли в фармацевтической практике, благодаря высокой липофильности адамантанового фрагмента. В настоящее время известно около 10 производных адамантана, широко внедренных в медицинскую практику. Высокую химиотерапевтичекую активность производные адамантана обнаруживают в отношении вирусных инфекций, в том числе вирусов гриппа А, простого герпеса, гепатита Высокая чувствительность КР-спектров к структуре алмазоподобных материалов нашла применение в анализе бриллиантов: КР-спектры природных, облагороженных и искусственных камней существенно различаются [238].
Информацию по ИК-спектральным характеристикам можно найти в многочисленных работах, посвященных синтезу производных адамантана.
С, СПИДа и др. Другим характерным фармакологическим эффектом является нейролептическая активность адамантилсодержащих соединений, что нашло применение при создании противопаркинсонических средств. У производных адамантана также обнаружена психостимулирующая, противовирусная, иммунотропная и противоопухолевая активность, а также адаптогенные свойства. Как будет показано далее, хроматографические методы занимают центральное место в анализе адамантилсодержащих лекарственных препаратов8.
Перспективной областью применения диамандоидов является геохимия нефти [20]. Несмотря на то, что эти соединения не являются типичными биомаркерами (терпены, стераны) нефти, их высокая устойчивость, а также присутствие во многих нефтяных и газоконденсатных месторождениях позволяют их использовать для оценки возраста, генезиса и биодеградации нефти. Были предложены так называемые метиладамантановые индексы, являющиеся критериями зрелости и химической эволюции нефти (см. раздел 1.2.2). Кроме того, класс каркасных углеводородов может служить своеобразными отпечатками пальцев при установлении подлинности и качества различных нефтепродуктов. Подчеркнём, что основными аналитическими методами определения этих соединений являются различные варианты хроматографии.
Адамантилсодержащие соединения нашли большое применение при получении различных полимерных материалов. Как правило, содержащие адамантановый фрагмент полимеры термостойки, имеют высокую температуру размягчения, проявляют высокую устойчивость к окислению, гидролизу, воздействию света и растворителей.
Получены адамантилсодержащие полиэфиры, полисульфоны, полиамиды, полиимиды, полиуретаны, полиэпоксиды и др. Подробный анализ адамантилсодержащих полимеров, а также областей их использования выполнен в монографиях [1,2].
На фоне зарождающейся эры нанотехнологий, оказалось, что представители каркасных УВ являются удобными молекулярными строительными блоками (molecular building blocks), удовлетворяющими целому ряду необходимых при создании наноматериалов свойств: высокая прочность углеродного каркаса и легкость формирования трехмерной структуры; относительная синтетическая доступность; возможность химического модифицирования с целью придания необходимого набора физикохимических характеристик; низкая токсичность; стабильность при высоких давлениях, температурах и в различных растворителях и т.д. Отдельные представители этого класса проявляют уникальные оптико-спектральные характеристики. Так, обнаружена монохроматическая электронная фотоэмиссия из монослоев функционализированного диамондоида – [121]тетрамантан-6-тиола, нанесенного на металлическую подложку [19]. Около 68% всех испускаемых электронов образуют один энергетический пик.
Такие источники монохроматических электронов могут найти применение в электронной микроскопии, электронно-лучевой литографии и в производстве дисплеев с плоским экраном.
Амантадин (1-аминоадамантан), ремантадин (-(1-адамантил)этиламин), адапромин (-(1адамантил)2-метилбутиламин), глудантан (N-(1-адамантил)-1-амино-1-дезоксиглюкуроновая кислота), мемантин (1-амино-3,5-диметиладамантан), бромантан (N-(2-адамантил)-4-броманилин), кемантан (1-оксиадамантан-4-он), диадоний (дитозилат бис[ди(2-(адамантилдиметиламмонио)этил)сукцината]), бемантан (2-(N-бензоиламино)адамантан), димантан (ди(2-адамантил)амин).
1.2. Газовая хроматография каркасных соединений Газовая хроматография (ГХ) как метод анализа и исследования свойств адамантана и его производных применяется с конца 60-х годов ХХ века. Общее число работ по этой теме в настоящее время превышает 360. На рис.1.13 приведена диаграмма, отражающая распределение публикаций по ГХ производных адамантана по годам в период с конца 60-х годов ХХ века по настоящее время. Из диаграммы видно, что наибольшее развитие получили исследования по газожидкостной хроматографии (ГЖХ) с различными по полярности сорбентами. Значительно меньшее число работ посвящено газо-адсорбционной хроматографии (ГАХ), что, в целом, отражает общую тенденцию по применению различных вариантов ГХ к другим классам органических соединений [251].
Подробный анализ собранных литературных данных показывает, что наиболее изученным представителем данной группы соединений является незамещенный адамантан. Вместе с тем данные по хроматографическому удерживанию различных функциональных производных носят разрозненный характер, для которых отсутствуют систематические исследования по поиску и изучению общих закономерностей, связывающих особенности уникальной молекулярной структуры каркасных соединений с их адсорбционно-хроматографическими свойствами. Несмотря на то, что подавляющее число публикаций посвящено аналитическим аспектам применения ГХ для определения адамантана и его производных в синтетических и природных смесях, большое значение имеют работы по использованию методов ГХ для определения различных физико-химических характеристик представителей данной группы веществ.
Из приведенной на рис.1.13 диаграммы видно, что начиная с 2000-х годов наблюдается повышенный интерес исследователей к хроматографическим методам идентификации, концентрирования и выделения производных адамантана. Это обусловлено рядом объективных причин, одна из которых связанна с бурным развитием различных областей наноиндустрии, фармацевтической промышленности, нефтехимии, тонкого органического синтеза и других наукоёмких отраслей, в которых различные представители каркасных соединений нашли широкое практическое применение. С другой стороны, значительный прогресс наблюдается и в развитии самих хроматографических методов, в частности в создании новых высокоселективных сорбентов, чувствительных к особенностям тонкой молекулярной структуры органических сорбатов. В связи с этим появляются новые возможности хроматографического разделения и идентификации Рис.1.13. Распределение публикаций по газовой хроматограблизких по свойствам от- фии производных адамантана по годам в период с конца 60-х дельных изомеров каркас- годов ХХ века по настоящее время.
ных соединений. Существенный рост селективности разделения в этом случае достигается, как правило, с помощью новых сорбентов смешанного типа, сочетающих преимущества каждого из компонентов в отдельности (например, двумерную селективность графитоподобных адсорбентов, жидкокристаллических сред и трехмерную селективность различных макроциклических лигандов). Детальный анализ и систематизация проанализированных литературных данных позволили определить цели и задачи настоящей диссертационной работы.
1.2.1. Газо-адсорбционная хроматография Проведенный в настоящей работе подробный анализ литературы по проблеме использования ГАХ для разделения представителей каркасных углеводородов показал, что подавляющее число известных работ в этой области было выполнено представителями отечественной хроматографической школы (А.В. Киселевым, К.Д. Щербаковой, Т.М. Рощиной, Л.А. Онучак и др.). Несмотря на большие возможности метода ГАХ для разделения высококипящих производных каркасных углеводородов, представленных, как правило, смесями близких по физико-химическим свойствам изомеров, данный вариант газовой хроматографии оказался развит значительно меньше, по сравнению с методом ГЖХ, что послужило одним из основных мотивов для выполнения нами исследований в данном научном направлении.
Среди большого разнообразия адсорбентов, известных к настоящему времени в ГАХ [252], для хроматографического разделения адамантана и его производных нашли применение лишь адсорбенты на основе ГТС, силикагеля и его различных модифицированных производных, а также небольшой группы других неорганических материалов, причем непористые углеродные адсорбенты (ГТС и адсорбенты на её основе) занимают лидирующее положение. В классических работах А.В. Киселева и его школы было показано, что самыми высокими показателями структурной селективности при разделении различных типов изомеров, а также других близких по физикохимическим свойствам соединений характеризуется ГТС и её аналоги 253-255. Наряду с накопленным огромным экспериментальным материалом по применению ГТС для разделения сложных смесей углеводородов и их производных, большое развитие также получили теоретические исследования термодинамики адсорбции на графитоподобной поверхности. В результате была создана молекулярно-статистическая теория, позволяющая в рамках атом-атомного приближения межмолекулярных взаимодействий моделировать поведение сложных органических соединений в адсорбированном на поверхности графита состоянии 255. Важным достоинством молекулярностатистических расчетов является возможность использования их результатов для априорной оценки ТХА молекул различного состава и строения в условиях равновесной ГАХ на Кл с ГТС. Структура и свойства ГТС, а также других материалов с плоской однородной поверхностью, определяющие их уникальные адсорбционно-хроматографические свойства подробно исследованы и изложены в классических монографиях как отечественных [251,253-255], так и зарубежных [256-258] исследователей. Поэтому подробно остановимся на конкретных примерах использования ГТС и материалов на её основе для разделения адамантана и его производных в условиях ГАХ.
Работа [259] является одной из первых по изучению адсорбционнохроматографических свойств адамантана на поверхности ГТС. Авторам на короткой микронасадочной Кл (500.3 см) с ГТС при T400 К удалось полностью разделить смесь адамантана и экзо-тетрагидродициклопентадиена (адамантан элюируется первым), которые практически не делятся в условиях ГЖХ на длинных капиллярных Кл (ККл) с неполярной НЖФ (в частности, значения I iT для адамантана и экзотетрагидродициклопентадиена на НЖФ Сквалан равны 1064 и 1065 (T=333 К), соответственно). В работе [260] наряду с экспериментальным определением основных ТХА (K1,C, q dif,1, I iT ) молекул адамантана и диамантана на Кл с ГТС, также впервые были выполнены молекулярно-статистические расчеты параметров адсорбции на базисной грани графита, которые в области температур выше 373 К в рамках погрешности ГХ-метода совпали с экспериментальными значениями. Авторы [261,262] использовали Кл с чистой ГТС и обработанной высокочастотной низкотемпературной плазмой ГТС для успешного разделения смеси изомеров состава С10Н16, состоящей из адамантана и экзо-/эндо-триметиленнорборнанов. Было впервые отмечено, что направленное модифицирование поверхности ГТС позволяет не только повысить селективность разделения изомеров, но и существенно сократить время хроматографического анализа. Анализ литературных данных и результатов собственных исследований позволяет сделать вывод о том, что среди углеводородов состава С10Нn адамантан характеризуется самыми низкими значениями ТХА на поверхности графита, что обусловлено особенностями геометрического строения его молекулы.
Данные по удерживанию функциональных производных адамантана на графитоподобных адсорбентах крайне немногочисленны. Так, в работах [263,264] приводятся значения K1,C и q dif,1 для некоторых кислород- и галогенпроизводных адамантана. Отмечается, что структурная селективность Кл с ГТС в отношении изомеров положения заметно увеличивается при модифицировании поверхности графита монослоями различных модификаторов. Более подробно термодинамика сорбции производных адамантана на Кл с ГТС была выполнена в работах [265-268]. Авторами газохроматографическим методом измерены ТХА адамантана, а также девяти его производных (1-фтор-, 1-/2-хлор-, 1,3-дифтор-, 1,3-дихлор-, 1,3-дибром-, 1-амино-, 1-гидроксиадамантана и метил(1адамантил)кетона) в широком интервале температур. Однако значения ТХА, приведенные в работах [265] и [266] для одних и тех же соединений существенно различаются, что ограничивает их использование в анализе закономерностей удерживания производных адамантана на поверхности ГТС. Кроме того, в работе [267] отмечается, что Кл с ГТС не могут быть использованы для разделения некоторых производных адамантана с ароматическими заместителями. Как показали выполненные нами впоследствии исследования удерживания изомерных фенил- и диадамантанов на коротких микронасадочных Кл ГТС [269], выводы авторов [267] оказались ошибочными. Интересные результаты были получены авторами [265] при сопоставлении экспериментальных величин ТХА с данными молекулярно-статистических расчетов. Установлено, что экспериментальные теплоты адсорбции превышают расчетные значения на 3-10 кДж/моль, однако причины наблюдаемых расхождений не раскрываются. Выполненный в работе [270] на примере галогенпроизводных адамантана анализ величин рассчитанных молекулярностатистическим методом констант адсорбционного равновесия на базисной грани графита также показал их заметное расхождение с экспериментальными данными. Авторы [270] отмечают, что причина подобных расхождений заключается в использовании в расчетах неадекватных значений параметров атом-атомных потенциалов, которые не учитывают особенности электронного строения производных адамантана. В ряде работ [265,271] также был выполнен анализ величин энтропий адсорбции адамантана и некоторых его производных на поверхности графита в рамках модели двумерного идеального газа. Однако выводы, сделанные разными авторами оказываются противоположными.
Так, в работе [265,268] отмечается, что при адсорбции на поверхности ГТС молекулы исследованных производных адамантана образуют слой двумерного идеального газа.
Напротив, один из создателей этой теории А.А. Лопаткин [271] непосредственно указывает, что модель двумерного идеального газа (полная потеря при адсорбции одной поступательной степени свободы) в случае адсорбции на плоской поверхности графита молекул циклогексана, адамантана, 2-метиладамантана и других неплоских структур является слишком жесткой и неудовлетворительно описывает экспериментальные величины энтропии адсорбции, а в действительности сохраняется низкочастотное колебание центра масс молекулы адсорбата, перпендикулярное поверхности (его вклад 20 эн. ед.).
Анализ приведенных выше фактов позволяет сделать общий вывод о том, что известные теоретические модели описания адсорбционного поведения органических соединений на плоской поверхности в случае объемных производных адамантана имеют существенные ограничения. Очевидно, что распространение этих теоретических моделей на класс соединений каркасного строения требует накопления надежных экспериментальных данных по термодинамике адсорбции различных представителей данной группы веществ, а также развития новых теоретических представлений об адсорбции молекул, содержащих удаленные от поверхности на расстояние нескольких Ван-дер-ваальсовых радиусов атомов. В контексте обсуждаемой проблемы, особое место занимают работы А.М. Долгоносова [272-274], в которых в рамках теории обобщенного заряда молекулы дано одно из возможных объяснений особенностей адсорбции объемных органических соединений на плоской поверхности. Также следует упомянуть работу [275], в которой с помощью количественных параметров молекулярных полиэдров Вороного-Дирихле – универсальных 3D-дескрипторов, были рассчитаны значения теплот адсорбции алициклических и каркасных углеводородов на поверхности графита из газовой фазы.
«