Спросить
Войти
А.Ю. Сетейкин, А.И. Котельников, В.А. Пересунько
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР
НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНОВ
В работе рассмотрены различные подходы к изучению физико-химических свойств гибридных наноструктур на основе фуллерена C60: метод спектролюминесценции и квантово-химическое моделирование. Установлена зависимость стабильности гибридных структур при термической и ультразвуковой обработке.
Different approaches was described for the study of the physicochemical properties of hybrid nanostructures based on C60 fullerene. Stability of hybrid structures depends of thermal and ultrasonic effects was observed.
Введение
Долгие годы считалось, что углерод может образовывать две кристаллические структуры -алмаз и графит. Алмаз имеет пространственную структуру, в которой атомы углерода, образующие между собой сильные химические связи, ориентированы относительно друг друга не в плоскости, а в пространстве. Структура графита слоистая, т.е. каждый атом образует сильные химические связи с другими атомами, расположенными в одной с ним плоскости, в то время как химические связи с ближайшими атомами соседнего слоя относительно слабы. Поэтому разделить соседние слои значительно легче, чем разорвать каждый из слоев. Склонность углерода к образованию поверхностных структур еще в большей степени проявилась в новой форме углерода - фуллеренах, предсказанных в 70-х гг. ХХ в. [1, 2] и полученных во второй половине 80-х гг. [3]. Эти замкнутые поверхностные структуры углерода проявляют специфичные физико-химические свойства, которые уже нашли применение в различных технологических областях [4, 5, 6].
С начала 90-х гг., т.е. с момента получения фуллерена в граммовых количествах, они стали изучаться многими науками - такими как астрономия и органическая химия, физика твердого тела и медицинская биология, неорганическая химия и геология. Открылись уникальные возможности химической модификации фуллеренов: присоединение функциональных групп по двойным связям (экзопроизводные), внедрение атомов и целых кластеров внутрь углеродной сферы (эндопроизводные), а также образование новых соединений заменой одного атома углерода на атом другого химического элемента (гетерофуллерены).
В данной работе использовались два подхода к изучению физико-химических свойств -спектролюминесцентный анализ и квантово-химическое моделирование. Преимущество люминесцентных методов исследований заключается в высокой чувствительности, а также удобном временном диапазоне: испускание флуоресценции происходит через ~10-8 с после поглощения света. За этот промежуток времени может произойти множество различных молекулярных процессов, способных повлиять на спектральные характеристики флуоресцирующего соединения [7, 8]. Вторым методом исследований являлось ab initio моделирование с помощью квантово-химического пакета Firefly [9] (прежнее название PC GAMESS). Данный метод позволяет теоретически оценивать физико-химические свойства веществ, в том числе те, которые невозможно, крайне трудно или слишком дорого исследовать экспериментально [10, 11]. Подход квантово-химического моделирования основан на численном решении уравнений Шредингера, Рутаана, позволяющих судить о строении молекулярных систем,
а также об изменениях, происходящих в этих системах в результате химических преобразований или внешних воздействий [12].
Уровни энергии в молекулах
Из квантовой механики известно, что для описания молекулы необходимо решить соответствующее уравнение Шредингера, т.е. найти собственные значения Е^ и собственные функции оператора Гамильтона: НТ = ЕТ,
где Н - сумма операторов кинетической энергии движения электронов Те, кинетической энергии движения ядер Тп и потенциальной энергии взаимодействия между электронами, ядрами, а также между электронами и ядрами и:
Н = Т + Т + и.
Этот гамильтониан зависит как от координат ядер X, так и от координат электронов х: Н (х, X )Т( х, X ) = Е¥( х, X).
Уравнение Шредингера не учитывает спины электронов и справедливо для частиц, скорости которых много меньше скорости света. Обычно полагают, что движение электронов зависит от координат ядер, но не зависит их от скоростей. В молекулах это имеет место, поскольку масса электронов много меньше массы ядер. Такое приближение называется адиабатическим, или приближением Борна - Оппенгеймера. В этом приближении собственная функция молекулы может быть представлена как произведение электронной х, X) и ядерной (х, X) волновых
функций:
Н (х, X )^е (х, X ) = ЕУп (х, X).
Электронная собственная функция (х, X) определяется из электронного уравнения Шредингера, описывающего движение электронов при фиксированной конфигурации ядер: Не (х, X К (х, X ) = Ее^е (х, X ).
Собственная функция системы частиц, обладающих спинами, должна зависеть как от пространственных координат, так и от спиновых переменных. При слабой спин-орбитальной связи полная электронная волновая функция может быть представлена как произведение:
е с э
где - координатная волновая функция, а - спиновая волновая функция.
Как известно, спин электрона э =1. Частицы с полуцелым спином подчиняются так
называемому принципу исключения Паули, согласно которому полная электронная волновая функция должна быть антисимметричной в отношении перестановки любой электронной пары.
Электронная волновая функция описывает электронное облако в молекуле: электронная
плотность в любой точке пространства пропорциональна Т I . Для каждого электрона можно
указать граничную поверхность, которая содержит большую часть электронного облака. Эта поверхность является изображением электронной орбитали. Сложные молекулы обладают большим числом орбиталей, которые описываются волновыми функциями . Принцип исключения Паули означает, что лишь два и только два электрона могут занимать одну молекулярную орбиталь, и эти два электрона должны иметь противоположные спиновые функции.
Чтобы рассчитать электронный спектр молекулы, необходимо решить электронное уравнение Шредингера, т.е. найти электронные собственные функции (х,X) и собственные
значения Ee (X ) оператора энергии. Набор собственных значений оператора энергии соответствует последовательности возможных уровней энергии в молекуле.
Расчет волновых функций и собственных значений электронной энергии многоатомных молекул достаточно сложен и возможен далеко не всегда. Наиболее успешные результаты расчетов получены для простейших двухатомных молекул.
Гибридные структуры на основе фуллеренов и их применение в медицине
Актуальной проблемой развития современных нанотехнологий является создание новых материалов для медицины, основанных на гибридных наноструктурах. Значительное место среди современных наноматериалов занимают наноуглеродные структуры, в том числе фуллерены. Активно развиваются работы по созданию водорастворимых производных фуллеренов, которые обладают высокой биосовместимостью и проявляют широкий спектр биологической активности.
Фуллерены благодаря своей уникальной пространственной и электронной структуре проявляют ряд замечательных свойств, позволяющих создавать на их основе гибридные наноуглеродные структуры для использования в качестве компонентов композитных материалов, элементов в устройствах запасания и преобразования энергии, в качестве разнообразных биологически активных структур для лечения и диагностики широкого спектра социально значимых заболеваний (ВИЧ, цитомегаловирусная и другие вирусные инфекции, болезнь Альцгеймера) и др. [5]. Ежегодно в мировой научной литературе публикуется несколько тысяч научных статей по данной тематике.
Изначально углеродный сфероид фуллерена чрезвычайно гидрофобен и практически нерастворим в воде или в других полярных растворителях, что затрудняет их модификацию и практическое использование. ЭМФ-Эндометаллофуллерены (фуллерены с ионом металла внутри сфероида) до последнего времени получались только в миллиграммовых количествах, что также ограничивало их практические приложения.
Существуют методы модификации фуллеренов, в результате которой фуллереновая структура приобретает возможность растворения в растворителях различной полярности. Кроме того, к фуллерену возможно присоединение люминесцирующего хромофора, что позволяет осуществлять контроль за ходом реакции, анализировать структуру нанокомпозита или распределение фуллеренов в организме методами ЭПР и люминесценции. Перспективным методом диагностики в онкологии и кардиологии может быть ЯМР-томография с использованием растворимых производных ЭМФ на основе ионов Gd3, что исключает контакт иона металла с организмом, позволяет снизить вводимую дозу препарата, а в результате создать низкотоксичные препараты для медицинской ЯМР-томографии [6].
Методом модификации фуллеренов [6] путем присоединения двух различных аддендов: аминокислоты, придающей фуллереновому ядру растворимость, и соединения, обладающего биологической активностью (например, фотосенсибилизирующими или антиоксидантными свойствами [6]) был осуществлен синтез фуллеренил-эозин-пролина (далее - C60-eosine-Pro) и аналогичной гибридной структуры на основе эндометаллофуллерена Gd@C82 (далее - Gd@C82-eosine-Pro) - см. рис. 1.
Рис. 1. Химическая формула C6o-eosine-Pro и Gd@C82-eosine-Pro.
Эозин эффективно возбуждается в синглетное и триплетное состояние, затем возбужденное состояние может переноситься на фуллерен или приводить к переносу электрона с эозина на фуллерен [13, 14]. С помощью такой гибридной структуры возможна эффективная генерация синглетного кислорода или супероксид-радикала при возбуждении красителя в зеленой области спектра на длине волны 533 нм.
В гибридных структурах C60-eosine-Pro и Gd@C82-eosine-Pro фуллереновое ядро и молекула эозина соединены короткой углеводородной цепочкой с эфирной связью (в развернутом виде - около 7,5 А). Данная эфирная связь может быть относительно нестабильной и разрываться в результате гидролиза при повышении температуры, изменении рН, обработке ультразвуком или действия специфических ферментов, присутствующих в организме. Все эти факторы способны приводить к разрыву данной связи при подготовке соединения для введения в организм или сразу после его введения. Разрыв связи вызовет появление отдельных соединений - фуллерена и эозина, биологическая активность которых может коренным образом отличаться от биологической активности гибридной структуры in vitro. Таким образом, стабильность данной химической связи может иметь ключевое значение для правильной интерпретации экспериментальных данных по биологической активности C60-eosin-Pro и Gd@C82-eosine-Pro.
Принципиальная возможность провести исследование прочности данной связи появилась при изучении флуоресцентных свойств гибридных структур C60-eosine-Pro и Gd@C82-eosine-Pro. Оказалось, что в структуре C60-eosine-Pro эозиновый фрагмент обладает флуоресценцией, по интенсивности и положению спектра подобной флуоресценции свободного эозина. В то же время в структуре Gd@C82-eosine-Pro интенсивность флуоресценции эозинового фрагмента примерно в 1000 раз меньше, чем у свободного эозина (см. рис. 2). По-видимому, это обусловлено эффективным тушением флуоресценции эозина парамагнитным ионом Gd3+, находящимся внутри сфероида фуллерена. Эффект тушения люминесценции эозинового фрагмента должен исчезать при разрыве эфирной связи, соединяющей его с Gd@C82, при этом интенсивность флуоресценции будет соответствовать неприсоединенному эозину, и тогда амплитуда спектра флуоресценции может служить мерой доли молекул, в которой произошел разрыв связи.
Исследование стабильности эфирной связи эндометаллофуллерена Gd@C82-eosine-Pro происходило в зависимости от разных типов воздействия:
О) £Р
° 200С л
C -eosine-Pro
Gd@C82-eosine-Pro
Длина волны, нм
Рис. 2. Интенсивность флуоресценции C60-eosine-Pro и Gd@C82-eosine-Pro.
Исследование стабильности эфирной связи в зависимости от температуры и рН показали незначительное увеличение интенсивности флуоресценции во времени (рис. 3). В данном буфере эффект зависит от pH раствора незначительно. Из этого можно заключить, что температура и рН практически не оказывают влияния на флуоресценцию образца.
Отличия значений интенсивности могут быть связаны с попаданием примесей в кювету. Возможно, увеличение интенсивности флуоресценции происходит из-за испарения образца в кювете. Эксперименты проводились с герметичным закрыванием кюветы, но вода конденсировалась на крышке и стенках, при этом концентрация фуллерена в растворе возрастала.
Небольшое увеличение интенсивности или его отсутствие указывает на достаточно прочную связь между эндометаллофуллереновым ядром и эозином, устойчивую к воздействию температуры при кислотных, нейтральных и щелочных рН.
fT 3-| х
о О) CL
£ 24 с;
pH=4 pH=10
-Г"
-1—&—г~
-Г"
—1—I—|—I—|—I—|—I—|—I
Время действия температуры 95 С, мин.
Рис. 3. Интенсивность флуоресценции Gd@C82-eosine-Pro, 1ш-НС1, Т=95°С.
Исследование стабильности эфирной связи при воздействии ультразвуком показало незначительное увеличение интенсивности флуоресценции (рис. 4). Следовательно, эфирная связь при проведении ультразвуковой стерилизации достаточно устойчива.
Ёт 2,0I
ср 1,5 о
с; ¡5 1,0& о
Кювета 1 Кювета 2
—I-&-1—
—I— 140
—I-&-1—
Время действия ультразвука, мин.
Рис. 4. Интенсивность флуоресценции Gd@C82-eosine-Pro, Tris-HCl при обработке ультразвуком.
Квантово-химические расчеты гибридных структур на основе фуллеренов
В зависимости от степени аппроксимации параметров в приближенном решении уравнения Шредингера для многоцентровых, многоэлектронных систем квантово-химические методы подразделяются на эмпирические - все параметры взяты из экспериментальных и спектроскопических данных, полуэмпирические - часть параметров зануляется, часть параметров заменяется числовыми величинами из эксперимента, а часть оставшихся интегралов вычисляется, неэмпирические - все интегралы, возникающие при решении алгебраических уравнений Рутаана после нулевого дифференциального приближения, численно рассчитываются [8].
Расчет электронных характеристик молекул и комплексов столкновений может быть проведен, например, различными методами молекулярной механики или динамики, полуэмпирическими или неэмпирическими методами ab initio.
Полуэмпирические методы квантовой химии в зависимости от применения нулевого дифференциального перекрывания и аппроксимации остовных, кулоновских и обменных интегралов, входящих в матричные элементы оператора Фока, имеют разные модификации. Каждый из методов позволяет в результате расчета получить набор тех или иных электронных или спектральных характеристик, значения которых хорошо совпадают с экспериментом [12, 15].
С помощью полуэмпирических методов был произведен расчет конформаций молекул гибридных структур. Из библиотеки стандартных примитивов была взята структура C60 с симметрией Th по Шёнфлису. Так как предполагались расчеты с несимметричными структурами, то после оптимизации геометрии было произведено понижение симметрии до C1. В программе молекулярной визуализации Chemcraft была сконструирована группа QH4OH и присоединена к фуллерену, затем производилась оптимизация геометрии. После присоединения пятичленного гетероцикла NC4 при расчетах был введен дополнительный параметр, учитывающий невозможность существования данной структуры в мультиплетном состоянии. После расчета геометрии
ионизированной молекулы произведено присоединение атомов водорода к гетероциклу, а после оптимизации структуры прикреплен остаток уксусной кислоты СН3СОО. Конструирование других гибридных соединений происходило аналогичным образом. Оптимизированные конформации С60-ma1eimid-Pro и C60-eosine-Pro представлены на рис. 5.
Рис. 5. Оптимизированная геометрия C60-ma1eimid-Pro и C60-eosine-Pro.
Также были рассчитаны дипольные моменты и полные энергии для различных полуэмпирических методов. Наибольшую точность и достоверность для данных структур продемонстрировал метод PM3, основанный на методе пренебрежения двухатомным дифференциальным перекрыванием (см. таблицу).
Энергии молекул и дипольные моменты
Структуры Полная энергия, а.е. Дипольный момент, Д
C6o-ma1eimid-Pro 364.5094354 1.652824
C60-eosine-Pro 526.2875200 7.579768
Таблица содержит расчетные энергии и дипольные моменты. Полная энергия выражена в атомных единицах Хартри (1 а.е. = 627,51 ккал/моль = 2625,5 кДж/моль = 27,212 эВ), дипольный момент - в Дебаях (Д = 3,336-10-30 Кл-м)
Полученные данные подтверждают меньшую точность метода МКБО [9], так экспериментально подтверждено [6], что С60-C2H4OH-Pro и C60-ma1eimid-Pro хорошо растворимы в воде и полярных растворителях, а наилучшую водорастворимость имеет структура на основе малеимида. Дипольный момент воды равен 1,83 Д; сравнивая его с полученными значениями можно судить о растворимости структуры в полярных и неполярных растворителях. Для соединения C60-eosine-Pro из полученных данных следует плохая растворимость в воде. Это же
подтверждается визуальной кластеризацией водного раствора С60-ео8те-Рго при длительном хранении.
Подобная методика позволяет достоверно предсказывать физико-химические свойства нужных соединений, чтобы наиболее эффективно их синтезировать. Также, комбинируя квантовую химию с молекулярной динамикой, можно оценить воздействие структур на биологические объекты, например, мембраны клеток [16].
Работа частично была выполнена в Институте проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Московская область
