Моделирование взаимодействия азокрасителей с молекулами волокнообразующих полимеров методами квантовой химии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Ракитина, Валерия Автандиловна

• Ракитина, Валерия Автандиловна
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Ракитина, Валерия Автандиловна

Введение.

I. Литературный обзор.

1.1. Влияние взаимодействия органических красителей с окружающей средой на их спектральные, геометрические и энергетические характеристики.

1.1.1. Сольватация и ассоциация красителей, влияние на спектральные свойства красителей.

1.1.2. Взаимодействие красителя с полимерными субстратами.

1.1.3. Влияние комплексообразования на электронный спектр красителя.

1.2. Металлохелаты с участием макромолекул в качестве лигандов.

1.2.1. Определение и классификация металлохелатов.

1.2.2. Пространственная организация макромолекуляр ных металлохелатов.

1.3. Химическая структура и свойства волокна Армос.

1.4. Обзор расчётных методов квантовой химии и выбор методов исследования.

II. Влияние внешнего окружения азокрасителя, его размеров, заряда и химической структуры на энергетические и оптические свойства.

11.1. Влияние гидратации азокрасителя, его размеров, заряда и химической структуры на энергетические и оптические свойства.

11.2. Исследование возможности образования хелатных комплексов азокрасителей с ионами переходных металлов Со2+, Cr2+, Fe2+, Ni2+.

III. Исследование структурной организации фрагментов полиамидбензимидазольных волокон.

IV. Исследование электронной структуры и спектральных свойств фенилбензимидазола и его производных.

IV. 1. Квантово-химическое исследование электронного состояния и структурной организации фенилбензимидазола и диаминов на его основе.

IV.2. Квантово-химическое исследование структуры олигомеров на основе ДАФБИ.

IV.3. Комплексообразование ФБИ и его производных с ионами переходных металлов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование взаимодействия азокрасителей с молекулами волокнообразующих полимеров методами квантовой химии»

Проблема структурных и спектральных свойств красителей является одной из задач теоретической органической и физической химии. Ранее был разработан ряд подходов к предсказанию их колористических свойств в основном на уровне л:-электронного приближения. Однако, поведение красителей в условиях, моделирующих реальные (раствор красильной ванны, наличие волокна, с которым краситель взаимодействует определённым образом), до сих пор недостаточно изучены. Поэтому теоретическое описание основных закономерностей взаимодействия молекул красителя с окружающей средой (растворителем, ионами металлов, волокнообразующими полимерами) остаётся актуальной задачей для изучения практических аспектов процессов крашения.

При создании сверхпрочных высокомодульных волокон типа СВМ, Армос, Руссар из полимеров с повышенной жёсткостью цепей, содержащих бензимидазольные и бензамидные группировки, структурная организация фрагментов этих полимерных цепей во многом определяет особенности их самоорганизации в процессах формования волокон и их термообработок. В процессах синтеза полимерных цепей, содержащих полиамидбензимидазольные (ПАБИ) фрагменты, большое значение имеют водородные связи между имидазольными и амидными группировками, а также реакционная способность заместителей мономера, участвующих в реакции ацилирования при поликонденсации, в значительной мере определяющие структурную организацию этих фрагментов. Изучение структурных и спектральных свойств олигоамидбензимидазольных фрагментов позволит по-новому подойти к проблеме модификации колористических характеристик ПАБИ - волокна.

Теоретическое изучение очерченных проблем вполне осуществимо с помощью расчётных методов квантовой химии, которые позволяют предсказать поведение молекулы в тех или иных условиях и, вместе с экспериментальными измерениями, уточнить структурную организацию фрагментов сложных систем, в том числе,окрашенных.

Итак, на основании сказанного можно более подробно сформулировать задачи нашего исследования. А именно: квантово-химическое изучение спектрального поведения гидратированных структур кислотных азокрасителей, изменения структурных и спектральных характеристик азокрасителей вследствие их комплексообразования с ионами переходных металлов; построение модели хелатоподобной связи азокрасителя с волокнообразующими полимерами, имеющими аминокислотную структуру. Относительно исследования структурной организации волокнообразующих полимеров, содержащих ПАБИ фрагменты, целью нашей работы было: оценка возможности образования имидазольными и амидными группировками ПАБИ межмолекулярных водородных связей, а также вклада заместителей в структурные особенности, распределение электронной плотности и электронный спектр фенилбензимидазольных соединений; исследование возможности образования комплексов ПАБИ с переходными металлами; оценка влияния комлексообразования на структурные и спектральные свойства олигоамидбензимидазольных фрагментов.

Данные по анализу взаимодействия красителя с окружающей средой (растворителем, ионами металлов, активными центрами волокнообразующих полимеров) могут быть использованы для оптимизации процессов крашения, а также предсказания свойств оптоэлектронных систем. Для сверхпрочных высокомодульных материалов типа СВМ, Армос, Руссар показана возможность придания окраски в процессе формования или термообработки.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Ракитина, Валерия Автандиловна

ВЫВОДЫ92 с образованием между бензимидазольными фрагментами сильных Н-связей, участвующих в образовании межмолекулярных ассоциатов в полимерных цепях, а также в виде сэндвичевых димеров, в которых межмолекулярные связи несколько слабее.

6. Расчёт электронного состояния и структурной организации диаминов на основе фенилзамещённого бензимидазола показал наличие некопланарной конформации мономерного диамина с вращением бензольных и бензимидазольных циклов вокруг одинарной С-С связи. Данный расчёт подтвердил полиморфизм 5 и 6 аминозамещения в БИ фрагменте диаминофенилбензимидазола. Модельный расчёт изомерных структур олигомеров ФБИ, образованных двумя анионами диаминофенилбензимидазола и остатком терефталевой кислоты, показал, что энергетически более выгодна г/мс-конформация олигомера. Эта изомерная форма характеризуется поворотами фенильных и БИ колец вокруг одинарных связей и имеет коротковолновое смещение максимума поглощения.

7. На основе впервые проведённых квантово-химических расчётов показано, что хелатообразование производных фенилбензимидазола с ионами переходных металлов приводит к сдвигу основных полос поглощения в «красную» область спектра, сопровождающемуся увеличением интенсивности переходов, что может служить основанием к использованию комплексообразования для придания окраски ПАБИ волокну. Оптимизированная геометрия хелатного центра комплекса ДАФБИ с хромом(Н) имеет тетраэдрическую структуру.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Ракитина, Валерия Автандиловна, 2005 год

1. Насимова И.Р. Автореф. дисс. на соискание учёной степени канд. хим. наук. М., 2002.

2. Мельников Б.Н., Блиничева И.Б. Теоретические основы технологии крашения волокнистых материалов.-М.: Легкая индустрия, 1978.

3. Мельников Б.П., Морыганов А.П., Калинников Ю.А. Теория и практика высокоскоростной фиксации красителей на текстильных материалах. - М.: Лег.промбытиздат, 1987.

4. Бахшиев Н.Г. Спектроскопия межполярных взаимодействий. - Л.: Наука, 1972.

5. Kortum Z. //Phys. Chem. - 1936.- В. 33.- S. 1.

6. Теренин А.Н. Фотохимия красителей. - М.: Изд-во АН СССР, 1947.

7. Хобза П., Заградник. Р. Межмолекулярные комплексы: Роль вандерваальсовых систем в физической химии и биодисциплинах: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. - 376с.

8. Куликова М.А., Кричевскнй Г.Е., Кутдюсов А.В., Сафонова И.Н.//Изв. ВУЗов. Технология текст, пром-ти. - 1979. № 2. -С. 56-59.

9. Олтаржевская Н.Д., Куликова М.А., Блохина Е.А., Антропцева И.А. //Изв. Вузов. Технология текст, пром-ти. - 1982. № 4.- С. 65-67.

10. Левшин Л.В., Славнова Т.Д., Пенова И.В. //Изв. АН СССР, Сер. физ.-1970. т. 34.- С. 604.

11. Torn Takagishi, Kiyoaki Yoshikawa, Hiromitsu Hamano, Nobuhinco Kuroki //J. Polym. Sci., Polym. Chern. Ed.- 1985. -V. 23. -№ 1. - P. 37.15 -Handel T.M., Cohen H.L., Tan J.S. // Macromolecules. 1985. - V. 18. - № 6. -P. 1200.

12. Акимов A.M., Вязанкина JI.А., Левшин Л.В., Салецкий A.M. // Журн. прикл. спектроскопии.- 1993. т. 58. № 3/4. - С. 325.

13. Бисенбаев А.К., Вязанкина Л.А., Мукушев Б.Т., Салецкий A.M. // Журн. прикл. спектроскопии. - 1994. т. 61. № 5/6. - С. 406.

14. Бисенбаев А.К., Зуауи А., Левшин Л.В., Салецкий A.M. // Журн. прикл. спектроскопии. - 1990. т. 52. № 3.- С. 424.

15. Erdener Karadag, Duesun Saraydin, Olgun Guven // J. Appl. Polym. Sci.-1996.- V.61.- P. 2367.

16. Simitzis J. // Polymer.- 1995.-V. 36.- № 5.- P. 1017.

17. Райхардт К. Растворители и эффекты среды в органической химии. - М.: Мир. 1991.

18. Левшин В.Л., Баранова Е.Г.: Автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. хим. наук.

19. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия,- М.: Высш.шк., 1999.- 527с.

20. Wilkinson G. Comprehensive Coordination Chemistry.// Oxford: Pergamon Press. - 1987. - V. 1-7.

21. Гарновский А.Д. //Коорд. хим.- 1993. т. 19.- С. 394.

22. Garnovskii A.D., Nivorozhkin L.E., Minkin V.I.// Coord. Chem. Rev.- 1993.-V.126.-P. 1.

23. Костромина H.A., Кумок B.H., Скорик H.A. Химия координационных соединений. - М.: Высшая школа, 1990.

24. Кукушкин Ю.Н. Химия координационных соединений. - М.: Высшая школа, 1985.

25. Ларин Г.М.// Корд, хим.- 1993. т. 19. - С. 355.

26. Trofimenko S.// Chem. Rev.- 1993.- V. 93. - P. 943.

27. Backer J., Kilner M.// Coord. Chem. Rev.- 1994.- V. 133. - P. 219.

28. Минкин В.И., Ниворожкин JI.E., Коробов M.C.// Усп. хим. - 1994. т. 63. -С. 303.

29. Гарновский А.Д., Харисов Б.И., Гохон-Зорилло Г., Гарновский Д.А.// Усп. Хим. - 1995. т. 64. - С. 215.

30. Коган В.А„ Зеленцов В .В., Осипов О.А., Бурлов А.С.// Усп. Хим. - 1979. т. 48. - С. 1208.

31. Zanello P., Tamburini S., Vigato Р.А., Mazzochin G.A.// Coord. Chem. Rev. - 1987.- V. 77.- P. 165.

32. Помогайло А.Д., Уфлянд И.Е. Макромолекулярные металлохелаты. - М.: Химия, 1991. - 303 с.

33. Pomogailo A.D., Uflyand I.E. //Adv. Polim. Sci. - 1990.- V. 97.- P. 61.

34. Помогайло А.Д., Уфлянд И.Е., Вайнштейн Э.Ф.// Усп. хим. -1995. т.64. -С. 913.

35. Помогайло А.Д. Полимерные иммобилизованные металлокомплексные катализаторы. - М.: Наука, 1988. - 303 с.

36. Губин С.П. Химия кластеров. - М.: Наука, 1987.- 263 с.

37. Pomogailo A.D.// Plat. Met.Rev. - 1994.- V. 38.- P. 60.

38. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе и хроматографии./ Под ред. Г.В. Лисичкина. - М.: Химия, 1986. - 248 с.

39. Ермаков Ю.И., Захаров В.А., Кузнецов Б.Н.// Закрепленные комплексы на окисных носителях в катализе. - Новосибирск: Наука, 1980.- 248 с.

40. Помогайло А.Д., Савостьянов B.C.// Металлосодержащие мономеры и полимеры на их основе. - М.: Химия, 1988.

41. Pomogailo A.D., Savost'yanov V.S. Sinthesis and polymerization of metal-containing monomers. Boca Raton Ann Arbor-London-Tokyo: CRS Press, 1994. -P. 164.

42. Uflyand I.E., Pomogailo A.D.// Coord. Chem. Sect. В.- 1991.- V. 24.- P. 183.

43. Stille J.K. //J. Macromol. Sci. A. - 1984.- V.21.- P. 1689.

44. Frausto da Selva J.J.R., Williams R.J.P. The biological chemistry of the elements. Oxford, 1991.

45. Гарновский А.Д., Помогайло А.Д., Уфлянд И.Е.// Российский химический журнал. Ж. Рос. Хим. О-ва. Им. Д.И. Менделеева. - 1996. т. XL. № 4-5. - С. 3,4.

46. Помогайло А.Д., Уфлянд И.Е., Вайнштейн Э.Ф. Пространственная организация макромолекулярных металлохелатов.// Успехи химии. - 1995.T 64. №9.- С. 913-933.

47. Koide М., Tsuchida Е., Kurimura Y.// Makromol.Chem.- 19811. - V.82.- P. 359.

48. Branca M., Nartini M.E., Pispisa В.// Biopolymers/ - 1976. -V. 15. -P. 2219.

49. Гарновский А.Д., Гарновский Д.А., Бурлов A.C., Васильченко И.С. Стандартные и нестандартные координации типичных хелатирующих лигандов.// Российский химический журнал. Ж. Рос. Хим. О-ва. Им. Д.И. Менделеева/- 1996. т. XL. № 4-5. - С. 19-32.

50. Мачалаба Н.Н., Курылева Н.Н., Охлобыстина JI.B., Матыцын П.А., Андриюк И.А. Тверские волокна типа армос: получение, свойства.// Хим.волокна. - 2000. №5. - С. 17 - 22.

51. Мачалаба Н.Н., Будницкий Г.А., Щетинин A.M., Френкель Г.Г. Тенденции в области развития синтетических волокон для баллистических материалов.// Химические волокна. - 2001. №2. - С.31-40.

52. Область применения параарамидных волокон, http://web.tvcom.ru/57 -Кудрявцев Г.И., Варшавский В.Я., Щетинин A.M. Армирующие химические волокна для композиционных материалов.- М.: Химия, 1992.-236с.

53. Мачалаба Н.Н. //Хим. волокна. - 1999. № 3. - С. 3-10.

54. Перепелкин К.Е., Мачалаба Н.Н. Вестник МГТУ. -М.: Изд. МГТУ. -1999. - С. 142-147.

55. Иовлева М.М, Смирнова В.Н., Мачалаба Н.Н, Будницкий Г.А. Набухание волокна армос в активных жидких средах.// Хим.волокна. — 2001. №2. — С.29 -31.

56. Перепелкин К.Е., Мачалаба Н.Н., Андреев А. С. Перспективы применения паарамидных волокон и нитей и материалов на их основе: Тез. докл. Междунар. конф. «Химволокна-2000». Тверь: ОАО "Тверьхимволокно" - РИА, 2000. -С. 1-10.

57. Мачалаба Н.Н. Модифицированные и новые химические волокна: Тез. докл. Междунар. конф. «Химволокна-2000». - Тверь: ОАО "Тверьхимволокно" - РИА, 2000. -С. 54 - 63.

58. Сугак В.Н., Кия-Оглу В.Н., Голбурдина JI.JL Получение нитей из сернокислых растворов сополиамидов , содержащих звенья полиамидбензимидазола, и их термическая обработка.// Ж. Химические волокна. - 1999г. №1. - С.8-11.

59. Перепелкин К.Е. Физико-химические основы процессов формования химических волокон. - М.: Химия, 1978.- 320с.

60. Перепелкин К. Е., Матвеев В. С., Волохина А. В. // Химволокна. - 1984. № 3. - С. 17-24; №4. - С. 14-19.

61. Кудрявцев Г.И. // Хим. волокна. - 1990. № 2. - С.34-35.

62. Мачалаба Н.Н., Курылева Н.Н. и др. Тверские волокна типа армос: получение и свойства: Тез. докл. Междунар. конф. «Химволокна-2000». -Тверь: ОАО "Тверьхимволокно" - РИА, 2000. - С. 1-10.

63. Волохина А.В. Высокопрочные арамидные волокна из смесей полимеров// Хим. волокна. - 2000. № 4. - С. 5-8.

64. Калашник А.Т., Оприц З.Г. и др.// Хим. волокна. - 1998. № 3. - С.26-29.

65. ТихоновИ.В. // Хим. волокна. - 1998. № 5. - С.27-33.

66. Получение, структура и свойства волокон и нитей из ароматических полимеров: Сб. научн. тр. / Под ред. Г. И. Кудрявцева, A.M. Щетинина. -Мытищи: ВНИИВ-проект, 1986. - С. 157-168.

67. Кудрявцев Т.И., Токарев А.В.//Ж. Химические волокна.-1971.№1. -С. 76.

68. Романова Т.А., Левитес JI.M., Шаблыгин М.В. // Ж. Химические волокна. -1980. №2,- С.27-31.

69. Рао Дж. Электронные спектры в химии. - М.: Мир, 1964. - 364с.

70. Штерн Дж., Томсон К. Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии. - М.: Мир, 1974. - 300с.

71. Платонова И.В., Шаблыгин М.В., Платонов С.Ю., Сидоров О.В. Структурные особенности и полиморфизм фрагментов полиамидбензимидазолов.// Вестн. Моск. Ун-та. Сер.2. Химия. - 1998. т. 39. №4. - С. 253-257.

72. Иовлева М.М., Коновалова Л.Я., Дрозд Л.И., Бандурян С.И., Платонов В.А. Воздействие воды на свойства нитей типа армос // Хим.волокна. — 2001. №1.-С.22 - 25.

73. Платонова И.В. Электронно-колебательное состояние и структура фрагментов гетероциклических волокнообразующих полимеров: Дисс. на соискание учёной степени канд.ф-м.-наук. М., 1994.

74. Шаблыгин М.В. // Ж. Высокомолекулярные соединения. - 1980. т. 225, №4. - С.296-300.

75. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев П.М. Теория строения молекул. -Ростов-на-Дону: Феникс, 1997.

76. Жидомиров Г.М., Багатурьянц А.А., Абронин И.А.// Прикладная квантовая химия. Расчёты реакционной способности и механизмов химических реакций. - М.: Химия, 1979. - 296с.

77. Губанов В.А., Жуков В.П., Литинский А.О. Полуэмпирические методы молекулярных орбиталей в квантовой химии. - М.: Наука, 1976. - 219с.

78. Del Bene J., Jaffe H. H.// J. Chem. Phys. - 1968.- V.48.- P. 1807.

79. Chang Н. М., Jaffe Н. ИМ Chem. Phys. Lett. - 1973. - V.23.- P. 146.

80. Zahradnik R., Carsky P.// Theor. Chim. Acta. - 1972. - V. 27. - P. 121.

81. Zahradnik R., Carsky P.// J. Phys. Chem. - 1970. - V. 74. - P. 1240.

82. Giessner-Prettre C., Pullman A.// Theor. Chim. Acta. - 1969. - V.13. -P. 265.

83. Blomquist J., Norden В., Sundbom M.// Theor. Chim. Acta. - 1973. - V. 28.-P.313.

84. Chen S., Hedges P.// Theor. Chim. Acta. - 1973. V.31. -P. 275 .

85. Towl C.5 Schaumburg K.// Mol. Phys. - 1971. V.22. -P. 52.

86. Pople J. A.// Proc. Phys. Soc. (London). - 1955. V. A63. -P 81.

87. Pople J.A., Beveridge D.L. Approximate Molecular Orbital Theory. -N.Y.: McGraw-Hill Book, 1970.

88. Кондон E., Шортли Г. Теория атомных спектров. М., 1949.

89. Slater J.C. The Quantum Theory of Atomic Structure. -N.Y.: McGraw-Hill Book, 1960.

90. Mulliken R. S.// J. Phys. Chem.- 1952. V. 56. - P. 295.

91. Salahub D. R., Sandorfy CM Chem. Phys. Lett. 1971. - V. 8.- №8 - P. 71.

92. Salahub D. R., Sandorfy CM Theor. Chim. Acta.-1971.- V.22.- №325. -P.330.

93. Salahub D. R., Sandorfy CM Theor. Chim. Acta. -1971. V. 20. -P. 227.

94. Baird N. C., Dewar M. J. S.// J. Chem. Phys.- 1969.- V. 50.- P. 1262.

95. Dewar M. J. S., Wai-Kee Li.//J. Am. Chem. Soc.- 1974.- V. 96. -P. 5569.

96. Fridh C., Asbrink L., Lindholm EM Chem. Phys. Lett.- 1972. -V.15.- P. 282.

97. Kaufman J. J., Predney KM Intern. J. Quant. Chem.- 1972. -V. 6. P. 231.

98. Moor С. E. Atomic Energy Levels. National Bureau of Standards, Circular 467, 1 (1949), 2 (1952), 3 (1958).

99. Аврамов П.В., Овчинников С.Г. Квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование, СО РАН, гл. Ill, CD.

100. Stewart James J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods I. Method // Journal of Computational Chemistry. -1989. -Vol.10.- №.2. -C.209-220. 106 Кларк Т. Компьютерная химия. - М.: Мир, 1990.

101. Freeman Harold S., Hinks David. A molecular orbital approach to molecular design. National textile center annual report. - 1996.

102. Yiqi Yang. Effect of salts on physical interactions in wool dyeing with acid dyes.// Textile Research Journal. 1998. -V.8- № 68.- P. 615-620.

103. Brushwood Donald E., Perkins Henry H. Determining the metal content of cotton.//Textile Chemist and Colorist.- 1994. -№3.- P. 32-35.

104. Сафонов B.B. Электронные процессы в отделке тканей. М.: Легпромбытиздат, 1995. - С. 116-117.

105. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. М.: Химия, 1984.

106. Михейкин И.Д., Абронин И.А., Жидомиров Г.М., Казанский В.Б. Расчёты хемосорбции и элементарных актов каталитических реакций в рамках кластерной модели. Свойства поверхностных ОН-групп окислов// Кинетика и катализ АН. 1977. № 6. - С. 1580-1583.

107. Михейкин И. Д. Кислотный гетерогенный катализ// Соровский образовательный журнал. 2001. т.7. № 5. - С. 43-50.

108. Конкин А.А. Термо-, жаростойкие и негорючие волокна. М.: Химия, 1978.-424с.

109. Шаблыгин М.В. Основы спектрального анализа процессов получения термостойких полимеров и волокон: Дис. на. соиск. уч. степ, д.х.н. Москва 1984.