Библиографическое описание:

Салахов М. С., Гречкина О. Т., Багманов Б. Т., Аббасов З. С. Модифицированные теоретико-информационные индексы в установлении зависимости «структура-растворимость» фуллерена С60 в ароматических растворителях // Молодой ученый. — 2014. — №12. — С. 351-355.

В настоящее время одним из активно развивающихся направлений в химии является исследование фуллеренов, так как они характеризуются необычными свойствами, проявляемыми в различных условиях, и представляют интерес как перспективный материал для научных исследований [1]. В связи с этим, ранее нами проведена работа по визуализации молекул фуллеренов Сn ичисла валентных связей [2].

Установление закономерностей их взаимодействия с молекулами растворителей является одной из основных задач в изучении фуллеренов, так как изучение растворимости фуллеренов играет важную роль в в установлении способа их выделения из фуллереновой сажи. За последнее время накоплен большой банк данных по растворимости фуллеренов в различных растворителях. Во многих случаях процесс растворения фуллеренов рассматривается по правилу «Подобное растворяет подобное», где в качестве подобия рассматриваются различные физико-химические свойства вещества [3]. Наиболее изученной из молекул, принадлежащей классу фуллеренов, является молекула С60, обладающая наиболее высокой симметрией и наибольшей стабильностью. Большое количество данных по растворимости фуллерена получено в ароматических растворителях. Так же установлено, что наибольшая растворимость молекулы С60 наблюдается в ароматических углеводородах [4]. Но, тем не менее, не выявлены закономерности между строением молекул растворителей и растворимостью в них фуллеренов С60. Многие аспекты растворимости С60 до сих пор не нашли объяснения и не найден универсальный прогнозирующий параметр растворяющей способности растворителей [4]. В связи с этим, представляет интерес провести исследование существования зависимости физико-химических свойств растворителей фуллерена С60 от их строения, описываемого с помощью модифицированных теоретико-информационных индексов. В качестве растворителей нами выбраны метил-, этил-, изопропил- и третбутилбензолы (I-IV), а также моно –F, –I, -Br, -Cl бензолы (V-VIII). Экспериментальные данные по растворимости С60 взяты из работы [5].

Модифицированные теоретико-информационные индексы ICk/, ТICk/,SICk/, ВICk/ и СICk/ с учетом констант электроотрицательности и радиусов атомов рассчитаны по формулам (1–5):

                                                                            (1)

(2)

(3)

(4)

                                                                                                  (5)

где n — число вершин графа, равное , ni — количество вершин в подмножестве i, N-число ребер графа, Еi — коэффициент электроотрицательности атома, Ri –радиус атома

Как мы показали ранее [6], введение таких параметров как константа электроотрицательности и радиус атомов в существующие теоретико-информационные индексы ICk, ТICk,SICk, ВICk и СICk[7], обусловлено необходимостью качественного описания природы связей в молекулярной системе. Данная методика позволяет получать различие в значениях индексов для молекул углеводородов и их галогензамещенных, обладающих одинаковой структурой, но различным составом, что дает возможность описывать с их помощью соединения такого типа и устанавливать зависимость между их структурой и физико-химическими свойствами.

Установлено существование линейных корреляционных зависимостей между модифицированными теоретико-информационными индексами и растворимостью- f(TIC0/) — Р (1), f(SIC0/) — Р (2), f(CIC0/) — Р (3), f(CIC1/) — Р (4), f(TIC1/) — Р (5), f(CIC2/) — Р (6), потенциалом ионизации — f(TIC0/) — j (7), f(SIC0/) — j (8), f(CIC0/) — j (9), f(TIC1/) — j (10), f(CIC2/) — j (11), электроотрицательностью — f(TIC0/) –c (12), f(SIC0/) –c (13), f(CIC0/) –c (14), f(TIC1/) –c (15), f(CIC1/) –c (16), и мезомерным эффектом — f(TIC0/) –M (17), f(SIC0/) –M (18), f(CIC0/) –M (19), f(TIC1/) –M (20), f(CIC1/) –M (21), f(CIC2/) –M для алкилбензолов (I-IV):

                                                                       (1)

                                                                       (2)

                                                                     (3)

                                                                    (4)

                                                                  (5)

                                                                      (6)

                                                                    (7)

                                                                               (8)

                                                                     (9)

                                                                   (10)

                                                                     (11)

                                                                   (12)

                                                                    (13)

                                                                  (14)

                                                                  (15)

                                                                  (16)

                                                                  (17)

                                                                      (18)

                                                                   (19)

                                                                  (20)

                                                                (21)

                                                                  (22)

Как следует из значений величины достоверности аппроксимации R2, для уравнений описывающих зависимость f(ТИ)-растворимость, наиболее точным является уравнение (1) содержащее индексTIC0/, соответственно для f(ТИ)-потенциал ионизации — уравнение (8) с участием индекса SIC0/, f(ТИ)-электроотрицательность — уравнение (15) c индексом TIC1/ и для f(ТИ)-мезомерный эффект — (18) с индексом SIC0/. На рис. 1–4 приведены графические интерпретации указанных уравнений.

Рис.1. Корреляционная зависимость TIC0/ — растворимость (Р) для алкилбензолов (I-IV)

Таблица 1

Значения модифицированных теоретико-информационных индексов ICk/, TICk/, SICk/, CICk/ (k=0–2), Ткип, Тпл, растворимости (Р), потенциала ионизации (j), электроотрицательности (c) и мезомерного эффекта (М) для алкил- (I-IV) и моногалоидбензолов (V-VIII)

№ 

Соединение

IC0/

TIC0/

SIC0/

CIC0/

IC1/

TIC1/

SIC1/

CIC1/

IC2/

TIC2/

SIC2/

CIC2/

т.кип/°С

т.пл /°С

Растворимость С60 Р, мг×мл-1

Потенциал ионизации j, эВ

Электроотрица-тельность c, эВ

Мезомерный эффект М

Дипольный момент, m

 

I

метилбензол

0,0225

0,3379

0,0058

3,8844

0,0387

0,5808

0,0099

3,8682

0,0559

0,8384

0,0143

3,8509

110,6

-95

3,0

8,82

2,580

+ 0,227

 
 

II

этилбензол

0,02255

0,40596

0,00541

4,1474

0,04334

0,7801

0,0104

4,12659

0,06349

1,1428

0,01522

4,10644

136

-95

2,6

8,76

2,501

+ 0,204

 
 

III

изопропилбензол

0,02253

0,47312

0,00513

4,36979

0,04398

0,92364

0,01001

4,34834

0,06198

1,3015

0,0141

4,33034

152,39

-96

1,2

8,69

2,336

+ 0,178

 
 

IV

третбутилбензол

0,02249

0,53974

0,0049

4,5625

0,0437

1,04868

0,00953

4,54127

0,04646

1,11499

0,0101

4,53851

168,2

-58

0,9

8,68

2,310

+ 0,175

 

V

моно фторбензол

0,02816

0,33789

0,00785

3,556805

0,03797

0,45566

0,01059

3,54699

0,05019

0,60225

0,014

3,53478

85

-41,9

1,2

9,20

4,00

+ 0,35

1,57

 

VI

моно йодбензол

0,03769

0,45228

0,01051

3,54727

0,0475

0,57005

0,01325

3,53746

0,05972

0,71664

0,01666

3,5252

188

29

2,1

8,73

2,44

+ 0,20

1,70

 

VII

моно бромбензол

0,03426

0,4111

0,00956

3,55070

0,04407

0,52887

0,01229

3,54089

0,05629

0,67547

0,0157

3,52867

156

-30,8

4,6

8,98

2,85

+ 0,28

1,72

 

VIII

моно хлорбензол

0,03211

0,38535

0,00896

3,55285

0,04193

0,50312

0,0117

3,50312

0,05414

0,64971

0,0151

3,53082

131

-45,6

5,7

9,07

3,00

+ 0,32

1,73

 

Рис.2. Корреляционная зависимость SIC0/ — потенциал ионизации(j)для алкилбензолов (I-IV)

Рис.3. Корреляционная зависимость ТIC1/ — электроотрицательность(c) для алкилбензолов (I-IV)

Рис.4. Корреляционная зависимость SIC0/ — мезомерный эффект (М)для алкилбензолов (I-IV)

Согласно экспериментальным данным, полученным ранее [4] (табл.1) растворимость фуллерена С60 в галогенбензолах растет в ряду заместителей –F < -I < -Br < -Cl (V-VIII), резко уменьшаясь во фторбензоле. Так же авторами [4] были установлены линейные корреляционные зависимости растворимости С60 от положительных мезомерных эффектов заместителей, дипольных моментов, потенциалов ионизации и электроотрицательности галогенбензолов (V-VIII), на которых, в силу своего низкого значения растворимости, фторбензол отклоняется от линейной зависимости, образованной рядом заместитетелей –I, -Br, -Cl. Такое же отклонение фторбензола обнаружено нами для корреляционных зависимостей f(ТИ)- Р и f(ТИ)- m для индексов нулевого, первого и второго порядков, примером которых служат зависимости f(IC2/)-Р (рис.5) и f(IC2/)- m (рис.6).

Рис5. Корреляционная зависимость IC2/ — растворимость (Р) для галогенбензолов (V-VIII)

Рис. 6. Корреляционная зависимость IC2/ — дипольный момент (m) для галогенбензолов (V-VIII)

Между модифицированными теоретико-информационными индексами (k=0–2) и значениями потенциалов ионизации (j), атак же электроотрица-тельностью (c)имезомернымэффектом (М)галогенбензолов (V-VIII) существуют в зависимости от выбранного индекса, как симбатные, так и антибатные линейные корреляционные зависимости, так, например, индекс СIC0/ образует симбатные корреляционные зависимости значениями j, c и М:

  (23);     (24)

                                                                     (25)

Таким образом, нами впервые установлены корреляционные зависимости между модифицированными теоретико-информационными индексами ICk/, ТICk/,SICk/, ВICk/ и СICk/ таких ароматических растворителей как алкил- (I-IV) и моногалоидбензолы (V-VIII), и значениями их растворимости, потенциалом ионизации,электроотрицательностью и мезомерным эффектом, что указывает на возможность использования данных индексов для описания структуры растворителей в решении задачи «структура-растворимость» и установления закономерностей взаимодействия фуллеренов с молекулами растворителей.

Литература:

1.      В. Н. Безмельницын, А. В. Елецкий, М. В. Окунь. Фуллерены в растворах // Успехи физических наук, 1998, т.168, № 11, с.1995–1220

2.      М. С. Салахов, Б. Т. Багманов, З. С. Аббасов и др. Модели для визуализации молекул фуллеренов Сn и числа валентных связей // Молодой ученый, № 4(51), 2013, с.130–132

3.      А. В. Елецкий, Б. М. Смирнов // Успехи физических наук, 1995, т.165, № 9, с.977

4.      Н. С. Аникина, Д. В. Щур, С. Ю. Зигайченко и др. Закономерности растворения фуллерена С60 в полиметилзамещенных бензола // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. 2013, т.11, 31, с.173–192

5.      M. T. Beck, G. Mandi, S. Keki, Fullerene Sci. Technol.,v.2, 1955, p.1510

6.      М. С. Салахов, О. Т. Гречкина, Б. Т. Багманов и др. Модифицированные теоретико-информационные индексы органических молекул в решении задачи «структура-свойство» // Материалы научно- практической конференции, посвященной 91-летию Общенационального лидера Гейдара Алиева «Актуальные проблемы современной биологии и химии», Гянджа, 12–13май, 2014, с.175–179

7.      Рувре Д. Химические приложения топологии и теории графов / Под.ред. Кинга Р. М.:Мир,1987.С.259.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle