1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 93, № 1, 2019

Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 1, стр. 59-66

Особенности межмолекулярных взаимодействий в водно-ацетонитрильных растворах производных хинолина
Н. А. Некрасова, С. В. Курбатова

Н. А. Некрасова a, С. В. Курбатова a, *

a Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва
Самара, Россия

* E-mail: curbatsv@gmail.com

Поступила в редакцию 07.02.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методами аb initio молекулярной динамики исследована структура водно-ацетонитрильных растворов некоторых производных хинолина и тетрагидрохинолина. Показано, что склонность их молекул к образованию различных типов водородных связей существенно зависит как от природы функциональных групп, так и от стерических факторов. Получена линейная зависимость между долей конфигураций с водородными связями и логарифмом факторов удерживания в условиях обращенно-фазовой жидкостной хроматографии при использовании в качестве сорбента пористого графитированного углерода.

Ключевые слова: обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография, производные хинолина, вода, ацетонитрил, молекулярно-динамическое моделирование

В жидкостной хроматографии сорбция из жидкой фазы, как известно, осуществляется за счет конкурентных межмолекулярных взаимодействий участников хроматографического процесса как на поверхности сорбента, так и в объеме подвижной фазы. В условиях обращенно-фазового варианта высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) вещества сорбируются преимущественно за счет дисперсионных взаимодействий молекул сорбата с неполярной поверхностью сорбента. Основными типами взаимодействия в объеме подвижной фазы при реализации такого метода являются, как правило, ориентационные и индукционные, либо водородные связи и другие специфические взаимодействия полярных компонентов элюента и молекул аналитов. Как известно, компоненты подвижной фазы также способны к прочной сорбции на поверхности сорбента, что может существенно изменить его свойства [1].

Таким образом, природа и состав элюента в условиях ОФ ВЭЖХ оказываются весьма важными факторами, влияющими на хроматографический процесс в целом. При этом разнообразие межмолекулярных взаимодействий, которые могут быть реализованы в объеме раствора элюента, позволяет, с одной стороны, в сравнительно широком диапазоне варьировать характеристики удерживания и селективность разделения за счет изменения качественного и количественного составов подвижной фазы, но, с другой стороны, существенно усложняет вид зависимости удерживания от свойств сорбатов, которую в большинстве используемых в настоящее время моделей удерживания аппроксимируют линейной функцией [2]. В связи с этим обстоятельством в публикациях последних лет все большее внимание уделяется исследованию не только непосредственно механизмов сорбции, но и процессов, протекающих в объемном растворе элюента и в конечном итоге также влияющих на реализацию определенного сорбционного механизма [3, 4].

Значительные отклонения от известных моделей удерживания наблюдаются, как правило, при хроматографировании сложных полифункциональных веществ, к которым можно отнести гетероциклические соединения, в частности, производные хинолина и тетрагидрохинолина, интерес к которым не ослабевает, прежде всего, в связи с их ценными практическими свойствами [5, 6]. Производные хинолина находят применение в качестве красителей, растворителей, консервантов и т.п. Однако, основная практическая ценность этих соединений обусловлена их фармакологическими свойствами, поскольку гетероциклическая система хинолина является структурной основой многих природных биологически активных веществ и ряда синтетических лекарственных препаратов.

В связи с изложенным цель настоящей работы – исследование процессов, протекающих в объеме водно-ацетонитрильного элюента при хроматографировании производных хинолина в условиях ОФ ВЭЖХ, с помощью методов молекулярно-динамического моделирования. Ранее нами изучены особенности сорбции этих соединений на поверхности сорбентов различной химической природы, представленные в публикациях [7, 9], в которых отмечены существенные отклонения от традиционных зависимостей “удерживание–состав элюента” для отдельных производных хинолина и тетрагидрохинолина, что побудило нас к исследованию процессов в объеме подвижной фазы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика проведения хроматографического эксперимента подробно описана в [10]. В качестве сорбента использовали пористый графитированный углерод (ПГУ) – Hypercarb (размеры колонки 50 × 3 мм, размер зерен сорбента 5 мкм). В качестве подвижной фазы применяли смесь ацетонитрил – вода (80 об. %).

Формулы исследованных соединений, а также значения фактора удерживания, рассчитанные известным способом [1], представлены в таблице 1.

Таблица 1.  

Формулы исследованных соединений и значения их фактора удерживания (k)

№ Формула k № Формула k
1 0.78 4 0.51
2 2.78 5 1.34
3 1.57 6 1.62

Оптимизацию геометрии молекул исследуемых сорбатов проводили с помощью пакета программ Gaussian 09 методом функционала плотности с использованием функционала B3LYP [11, 12] в базисном наборе 6-31G(d). Исходную конфигурацию для молекулярно-динамического моделирования получали с помощью программы Packmol [13]. Ячейка содержала одну оптимизированную молекулу сорбата, 50 молекул воды и 50 молекул ацетонитрила; размеры ячейки составляли 19 × 19 Å. Молекулярно-динамическое моделирование проводили с помощью программы Cp2k [14] при использовании гибридных базисов гауссовых функций и плоских волн в рамках функционала PBE с дисперсионной поправкой DFT-D3 [15].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Достоинства и недостатки растворителей, используемых в качестве элюентов в ВЭЖХ, достаточно подробно описаны в литературе [16–18]. Одним из наиболее часто используемых растворителей в условиях ОФ ВЭЖХ является смесь вода – ацетонитрил с различным содержанием ацетонитрила. Многие авторы при этом отмечают ряд особенностей водно-ацетонитрильных растворов, обусловленных, как предполагается, их структурой, приводящей к определенным аномалиям физико-химических характеристик этой смеси и, в частности, хроматографического поведения некоторых соединений при использовании в качестве элюента системы ацетонитрил – вода [8, 9, 19]. Предполагается, что такие отклонения от традиционных зависимостей вызваны, прежде всего, процессами гомо- и гетероассоциации в водно-ацетонитрильном растворе, приводящими к изменению свойств раствора.

Исследование возможных межмолекулярных взаимодействий в водно-ацетонитрильных растворах производных тетерагидрохинолина проведено нами посредством моделирования данных смесей с помощью аb initio молекулярной динамики. Мы предполагали, что использование данного метода позволит оценить тип взаимодействия тетрагидрохинолинов с компонентами водно-ацетонитрильной смеси и установить характер образующихся комплексов без привлечения эмпирических параметров, необходимых для классической молекулярной динамики.

Из рис. 1 следует, что соединение 1 взаимодействует с компонентами подвижной фазы при участии карбоксильной группы, оба атома кислорода которой образуют водородные связи с молекулами воды (рис. 1а). При этом молекулы растворителя, не участвующие в таком связывании, располагаются вблизи образованного комплекса в виде цепочек (рис. 1б). Молекулы вещества 3 взаимодействуют с молекулами воды через атом кислорода карбонильной группы (рис. 1в), а также посредством образования водородной связи с участием атома азота гетероцикла, в отличие от вещества 1, для которого образование такой связи не характерно (рис. 1г). Соединение 5 взаимодействует с компонентами водно-ацетонитрильного раствора преимущественно за счет гидроксильной группы, образуя водородную связь как с молекулами воды (рис. 1д), так и с атомом азота ацетонитрила (рис. 1е).

Рис. 1.

Строение комплексов, образованных молекулами исследованных соединений и молекулами подвижной фазы за счет водородных связей (а, б – соединение 1; в, г – соединение 3; д, е – соединение 5).

Для оценки относительной силы межмолекулярных взаимодействий в исследуемых системах “производное хинолина–ацетонитрил–вода” нами были получены функции радиального распределения для атомов сорбатов, участвующих в образовании водородных связей, и молекул подвижной фазы, графическое изображение которых приведено на рис. 2–5. Из анализа полученных функций следует возможность связывания молекул аналитов с компонентами подвижной фазы различными способами и соответственно разное число конфигураций образующихся комплексов.

Рис. 2.

Функции радиального распределения для пары атомов D и А соединения 1 и молекул подвижной фазы, образующих связь D–H···A; а: D – гидроксильный атом кислорода карбоксильной группы, А – атом кислорода молекулы воды; б: D – атом кислорода молекулы воды, А – карбонильный атом кислорода карбоксильной группы; в: D – атом кислорода молекулы воды, А – гидроксильный атом кислорода карбоксильной группы; г: D – углерод молекулы ацетонитрила, А – карбонильный атом кислорода карбоксильной группы.

Рис. 3.

Функции радиального распределения для пары атомов D и А соединения 3 и молекул подвижной фазы, образующих связь D–H···A; а: D – атом кислорода молекулы воды, А – атом азота в гетероцикле; б: D – атом кислорода молекулы воды, А – карбонильный атом кислорода сложноэфирной группы.

Рис. 4.

Функция радиального распределения для пары атомов D и А соединения 4 и молекул подвижной фазы, образующих связь D–H···A; а: D – атом кислорода молекулы воды, А – карбонильный атом кислорода сложноэфирной группы; б, в: D – атом кислорода молекулы воды, А – атом кислорода карбонильной группы; г: D – атом азота гетероцикла, А – атом кислорода молекулы воды; д: D – атом кислорода молекулы воды, А – эфирный атом кислорода сложноэфирной группы.

Рис. 5.

Функции радиального распределения для пары атомов D и А соединения 5 и молекул подвижной фазы, образующих связь D–H···A; а: D – атом кислорода гидроксильной группы, А – атом азота молекулы ацетонитрила; б: D – атом кислорода молекулы воды, А – атом кислорода гидроксильной группы; в: D – атом кислорода гидроксильной группы, А – атом кислорода молекулы воды.

Как видно из рис. 2, соединение 1 взаимодействует с комонентами подвижной фазы посредством атомов кислорода карбоксильной группы, образуя водородные связи либо с молекулами воды (а, б, в), либо с ацетонитрилом (д). При этом возникающая между молекулами сорбата и ацетонитрила связь СН···О относится к слабым водородным связям [20]. Наиболее вероятным оказывается взаимодействие атомов водорода карбоксильной группы и кислорода молекулы воды с образованием водородной связи средней силы преимущественно электростатической природы по классификации Джеффри [21].

Для системы “соединение 3–ацетонитрил–вода” вид функции радиального распределения имеет иной вид. Из рис. 3 следует преобладание в этом случае водородной связи атома азота гетероцикла с молекулой воды (комплекс (а)), в которой азот выступает акцептором водорода. Взаимодействия с карбонилом сложноэфирной группы (комплекс (б)) характеризуются практически такой же длиной связи, как и в случае атома азота, однако, они выражены в значительно меньшей степени, о чем свидетельствует небольшая высота соответствующего пика.

На рис. 4 приведены графики функций радиального распределения для системы “соединение 4–ацетонитрил–вода”, которые наглядно демонстрируют образование водородных связей в комплексах (а), (б), (в) и (г): максимальные пики на кривых соответствуют расстоянию между атомами r ≤ 3Å, что весьма близко к характерным значениям длин водородных связей (~2.8 Å между атомами О–О, ~2.9 Å между атомами N–O). Однако такое взаимодействие в комплексе (г) оказывается, по-видимому, более слабым, что выражается в заметно меньшей доле конфигураций с расстоянием N–O, не превышающем 3.2 Å. Этот факт обусловлен, вероятно, меньшей электроотрицательностью атома азота по сравнению с кислородом и, как следствие, меньшим частичным положительным зарядом на водороде, связанном с ним. Водородная связь в комплексе (д) оказывается наиболее слабой для рассмотренных конфигураций. В данном случае причиной может быть наличие сопряжения между двумя атомами кислорода сложноэфирной группы, причем атом кислорода, образующий водородную связь в комплексе (д), в отличие от карбонильных атомов кислорода комплексов (а), (б) и (в) проявляет положительный мезомерный эффект. В результате он теряет часть электронной плотности и притягивает атом водорода молекулы воды в меньшей степени. Карбонил в положении 2 тетрагидрохинолинового каркаса способен образовывать водородные связи с двумя молекулами воды, что иллюстрируют представленные на графике оба соответствующих ассоциата (комплексы (б) и (в)). В обоих случаях образуется сравнительно сильная водородная связь, при этом длина связи в ассоциате (в) может быть существенно меньше и составлять ~2.5 Å, что соответствует сильной, преимущественно ковалентной водородной связи по классификации Джеффри [21]. Водородные связи между молекулами содинения 4 и ацетонитрила при молекулярно-динамическом моделировании не были обнаружены.

Как следует из графика функции радиального распределения для ассоциатов молекулы соединения 5 с компонентами подвижной фазы (рис. 5), одни и те же связи могут значительно варьироваться по силе, что может свидетельствовать о значительном влиянии конфигурации молекул, окружающих данные комплексы. Так, гидроксильный кислород может связываться и с водой (комплексы (б), (в)), и с ацетонитрилом (комплекс (а)), проявляя себя как в качестве донора, так и в качестве акцептора атома водорода. В обоих случаях длина соответствующей связи составляет ~2.6–3.6 Å, т.е. охватывает диапазон как сильных, так и слабых водородных связей. При этом для ассоциата с молекулой воды преобладающей оказывается доля сильных взаимодействий. Связь гидроксил–вода, в которой гидроксильная группа выступает донором водорода (комплекс (в)) оказывается менее выраженной, хотя и характеризуется приблизительно такой же длиной связи, как и в случае проявления им роли акцептора (комблекс (б)). Преобладание акцепторной функции можно объяснить положительным индуктивным влиянием связанного с гидроксилом метилентетрагидрохинолинового скелета, что приводит к повышению электронной плотности на атоме кислорода по сравнению с кислородом молекулы воды.

Таким образом, результаты молекулярно-динамического моделирования показывают возможность образования исследуемыми производными хинолина и тетагидрохинолина водородных связей с молекулами подвижной фазы, причем их число и сила значительно различаются для разных сорбатов и функциональных групп в их составе.

Различие в силе межмолекуляных взаимодействий, характеризуемое долей конфигураций с водородными связями “сорбат–компоненты раствора” относительно всех конфигураций, полученных в ходе молекулярно-динамического моделирования, наглядно демонстрирует диаграмма на рис. 6. Максимальная склонность к образованию водородных связей с молекулами воды и ацетонитрила наблюдается у соединения 4, минимальная – у соединения 2. Эти данные согласуются с результатами хроматографического эксперимента: для соединения 4 характерно наименьшее удерживание в ряду исследуемых сорбатов, а для соединения 2 – наибольшее. Интересно отметить при этом, что в молекулах обоих соединений присутствует одинаковый набор полярных функциональных групп; их строение различается только положением заместителей и наличием в структуре соединения 2 фенильного и метильного радикалов. По-видимому, их экранирующим действием и объясняется столь сильное различие в способности молекул к образованию водородных связей.

Рис. 6.

Доля конфигураций с водородными связями “сорбат–компоненты раствора” (α).

Кроме того, как видно из диаграммы, атом азота аминогруппы соединения 6 преимущественно образует водородные связи с молекулами ацетонитрила, что согласуется с более выраженными электронодонорными способностями атома азота ацетонитрила по сравнению с таковыми для кислорода воды. Однако, гетероциклический атом азота тетрагидрохинолинового каркаса более сколонен к образованию связей с молекулами воды, наиболее вероятная причина этого – стерический фактор: молекулы ацетонитрила больше молекул воды, и заместитель в положении 2 в структуре сорбатов препятствует их приближению на достаточные расстояния.

Различие в способности к образованию водородных связей карбонильным кислородом карбоксильной (соединение 1) и сложноэфирной (соединения 2–4) групп также оказывается довольно заметным. При этом исходя из электронных эффектов заместителей можно ожидать большей склонности к ее образованию для сложноэфирной группы вследствие положительного индуктивного влияния метильного радикала и соответственно увеличения электронной плотности на атомах кислорода. Однако, для соединения 2 соответствующие связи оказываются значительно слабее, чем для соединения 1. Этот факт, вероятно, также связан с пространственным строением молекулы соединения 2: расположение фенильного радикала в его структуре приводит к значительному экранированию карбонильного кислорода сложноэфирной группы.

Таким образом, стерические факторы оказывают не меньшее влияние на межмолекулярные взаимодействия в системе “производное хинолина–ацетонитрил–вода”, чем электронные эффекты заместителей, входящих в структуру молекул аналитов.

Способность гидроксильного атома кислорода карбоксильной (соединение 1) и гидроксильной (соединение 5) групп к образованию водородных связей также заметно различается, и оказывается более выраженой для карбоксильной группы. Это согласуется с представлениями теоретической органической химии: карбонил в карбоксигруппе проявляет электроноакцепторное влияние за счет отрицательного мезомерного эффекта; в результате электронная плотность на гидроксильном кислороде понижается, связанный с ним водород приобретает больший частичный положительный заряд и сильнее притягивается кислородом молекул воды.

Влияние различной способности производных хинолина к образованию водородных связей с компонентами водно-ацетонитрильного раствора элюента на их хроматографическое поведение представлено на рис. 7. Из представленного графика следует удовлетворительная линейная корреляция между логарифмом факторов удерживания и склонностью молекул сорбатов к образованию водородных связей с компонентами элюента. При этом с усилением межмолекулярных взаимодействий в водно-ацетонитрильном растворе удерживание, как и следовало ожидать, уменьшается.

Рис. 7.

Зависимость удерживания производных хинолина (lg k) от доли конфигураций с водородными связями “сорбат–компоненты раствора” (α).

В целом на основании анализа полученных результатов можно сделать заключение о способности молекул аналитов образовывать специфические связи с компонентами раствора различными способами, реализация которых определяется как электронными эффектами заместителей в молекулах аналитов, так и стерическими факторами. При этом доля конфигураций с водородными связями “аналит–компоненты раствора” линейно коррелирует с хроматографическим удерживанием соединений при сорбции из растворов соответствующего состава на неполярных сорбентах, что позволяет использовать данный параметр в качестве дескриптора при прогнозировании хроматографического поведения близких по структуре веществ.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания по гранту №№ 4.5883.2017/8.9 и Мегагранту № 14.В25.31.0005.

Список литературы

  1. Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная хроматография: Основы теории. Методология. Применение в лекарственной химии. Рига: Зинатне, 1988. 390 с.

  2. Kaliszan R. // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 3212.

  3. Chirkin V.A., Karpov S.I., Selemenev V.F. // J. Anal. Chem. 2013. V. 68. № 4. P. 341.

  4. Saifutdinov B.R. // Russ. Chem. Bull. 2015. V. 63. № 12. P. 2609.

  5. Kumar S., Bawa S., Gupta H. // Mini-Reviews Med. Chem. 2009. V. 9. № 14. P. 1648.

  6. Sridharan V., Suryavanshi P.A., Menendez J.C. // Chem. Rev. 2011. V. 111. P. 7157.

  7. Савченкова А.С., Курбатова С.В., Земцова М.Н. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. С. 468.

  8. Парамонова А.С., Андреева А.А., Курбатова С.В. и др. // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 32. № 10. С. 42.

  9. Парамонова А.С., Курбатова С.В., Земцова М.Н. // Журн. физ. химии. 2014. Т. 88. № 2. С. 333.

  10. Некрасова Н.А., Курбатова С.В., Земцова М.Н. // Там же. 2016. Т. 90. № 12. С. 1883.

  11. Lee C., Yang W., Parr R.G. // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. № 2. P. 785.

  12. Becke A.D. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. № 7. P. 5648.

  13. Martinez L., Andrade R., Birgin E.G. et al. // J. Comput. Chem. 2009. V. 30. № 13. P. 2157.

  14. Hutter J., Iannuzzi M., Schiffmann F. et al. // WIREs Comput. Mol. Sci. 2014. V. 4. P. 15.

  15. Grimme S., Antony J., Ehrlich S. et al. // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. № 15. P. 154104.

  16. Prache N., Abreu S., Sassiat P. et al. // J. Chromatogr. A. 2016. V. 1464. P. 55.

  17. Shen Y., Chen B., Van Beek T.A. // Green Chem. 2015. V. 17. № 7. P. 4073.

  18. Melnikov S.M., Höltzel A., Seidel-Morgenstern A. et al. // J. Phys. Chem. 2015. V. 119. № 1. P. 512.

  19. Galaon T., Anghel D.-F., David V. et al. // Chromatographia. 2013. V. 76. № 23–24. P. 1623.

  20. Steiner T. // Implic. Mol. Mater. Struct. New Technol. 1999. V. 360. P. 185.

  21. Jeffrey G.A. An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press, 1997. 320 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал