ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ, 2020, том 90, № 5, с. 818-820

ПИСЬМА

В РЕДАКЦИЮ

УДК 666.233

ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ ВОДОРОДА

В НАНОАЛМАЗЕ, МОДИФИЦИРОВАННОМ

ПРОТОНОДОНОРНЫМИ ГРУППАМИ

Санкт-Петербургский государственный университет,

Университетская наб. 7-9, Санкт-Петербург, 190034 Россия

*e-mail: a.petrov@spbu.ru

Поступило в Редакцию 22 декабря 2019 г.

После доработки 22 декабря 2019 г.

Принято к печати 28 декабря 2019 г.

Квантово-химическим методом функционала плотности изучены зарядовые состояния атомов водорода,

которые принадлежат протонодонорным группам (OH, COH, COOH, Н), модифицирующим поверхность

наноалмаза. Наиболее высокий заряд атома водорода имеет наноалмаз, модифицированный гидроксиль-

ными группами.

Ключевые слова: наноалмаз, метод функционала плотности

DOI: 10.31857/S0044460X2005025X

Большое внимание к детонационным нано-

заряда на атоме водорода характеризует легкость

алмазам обусловлено широким спектром приме-

его гидратации и последующие химические пре-

нения этого углеродного материала в различных

вращения модифицированного наноалмаза. В ка-

областях - от медицины до альтернативной энер-

честве протонодонорных групп были исследованы

гетики. Химическая модификация наноалмазов

OH, COH, COOH и атом водорода. В настоящее

позволяет значительно изменить их физико-хими-

время отсутствует анализ зарядовых состояний

ческие свойства в направлении необходимой обла-

групп в модифицированных наноалмазах, необхо-

сти применения [1, 2]. От присутствия полярных

димый для понимания природы химической связи

функциональных групп зависит взаимодействие

в этих структурах.

частицы наноалмаза в полярных растворителях.

В этой связи важным становится исследование

свойств модифицированного наноалмаза в водных

растворах и возможности депротонирования про-

тонодонорных групп. Это существенно как для

создания медицинских препаратов на его основе,

так и для изучения возможности агрегации частиц

модифицированного наноалмаза и устойчивости

периферической оболочки [3, 4].

Главное внимание уделено нами изучению за-

рядовых состояний атомов водорода, которые

принадлежат протонодонорным группам, моди-

Частицы наноалмаза: исходная (а), модифицированная

фицирующим поверхность наноалмаза. Величина

карбонильными и гидроксильными группами (б).

818

ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ ВОДОРОДА В НАНОАЛМАЗЕ

819

Для изучения зарядовых состояний применяли

Для расчета электронной структуры применя-

расчетный квантово-химический метод функци-

ли метод теории функционала плотности, реали-

онала плотности. Модель наноалмаза была пред-

зованный на атомном базисе в программе DMol³

ставлена наночастицей кристаллического алмаза

[5] программного пакета Materials Studio [6]. Рас-

с 87 атомами в своем составе, размером около 1

четы проводили с функционалом плотности PBE

нм (см. рисунок, а). Во всех модифицированных

[7] в полноэлектронном подходе с базисом DNP

моделях сохранялись 16 карбонильных групп, ко-

4.4, включающим поляризационные поправки. Ге-

торые полностью насыщали двойные валентные

ометрию структуры наночастицы оптимизировали

связи, образованные граничными атомами части-

в вакууме и воде (модель COSMOS). Заряды оце-

цы наноалмаза. К оставшимся на поверхности 12

нивали по схеме Малликена. Зарядовые состояния

углеродным атомам добавлялись протонодорные

(в единицах заряда электрона) атомов водорода

группы с образованием химической связи (см.

в модифицированных наноалмазах приведены

рисунок, б).

ниже.

СOH

COOH

Группа

(вакуум)

(вода)

(вакуум)

(вода)

(вакуум)

(вода)

(вакуум)

(вода)

Заряд

0.252

0.306

0.105

0.127

0.247

0.290

0.063

0.079

Как видно из результатов расчетов, наиболее

ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА

высокий заряд атома водорода имеет наноалмаз,

Работа выполнена при финансовой поддержке

модифицированный гидроксильными группами.

Российского фонда фундаментальных исследова-

В карбоксильных группах в перераспределении

ний (грант № 17-08-01651) с использованием вы-

заряда участвует углеродный атом этой группы,

числительных ресурсов Вычислительного центра

что уменьшает смещение электронной плотности

Санкт-Петербургского государственного универ-

с атома водорода, на атом кислорода. Такая же

ситета.

ситуация и в альдегидной группе, но отсутствие

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

второго атома кислорода, по сравнению с карбок-

сильной группой, значительно снижает положи-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

тельный заряд атома водорода. При насыщении

интересов.

свободных валентностей атомов углерода атомами

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

водорода заряды атомов водорода минимальны.

1. Lai L., Barnard A. S.// J. Nanosci. Nanotechnol. 2015.

При расчетах методом молекулярной динамики

Vol. 15. P. 989. DOI: 10.1166/jnn.2015.9735

важную роль играют электростатические взаимо-

2. Mochalin V.N., Shenderova O., Ho D., Gogotsi Yu. //

действия, обеспечивающие максимальный вклад

Nature. Nanotechnology. 2012. Vol.7. P. 209. doi

в межатомные взаимодействия на больших рас-

10.1038/NNANO.2011.209

стояниях. Поэтому рассчитанные заряды для мо-

3. Lai L., Barnard A.S.// Nanoscale. 2014. Vol. 6.

дифицированных наноалмазов позволяют оценить

P. 14185. doi 10.1039/c4nr05363j

относительную энергию взаимодействия с ди-

4. Datta A., Kirca M., Fu Y., To A.C. // Nanotechnology.

польными молекулами растворителя или реагента.

2011. Vol. 22. P. 065706. doi 10.1088/0957-

4484/22/6/065706

Таким образом, наиболее эффективное взаимо-

5. Delley B. // J. Chem. Phys. 2000. Vol. 113. P. 7756. doi

действие наноалмаза с водой и более легкий отрыв

10.1063/1.1316015

протона происходит при модифицировании по-

6. BIOVIA Materials Studio. http://accelrys.com/products/

верхности наноалмаза гидроксильными группами,

collaborative-science/biovia-materials-studio/

что необходимо учитывать при использовании его

7. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett.

в качестве добавок в композиционные материалы

1996. Vol. 77. P. 3865. doi 10.1103/PhysRevLett.

или при синтезе его производных в водной среде.

77.3865

ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ том 90 № 5 2020