Мезоморфизм и надмолекулярная организация СТ-комплексов производных бензоламина с акцепторами электронов

Г. Ф. Габдулсадыкова, Н. В. Усольцева, М. А. Жарова, В. В. Соцкий

МЕЗОМОРФИЗМ И НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СТ-КОМПЛЕКСОВ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОЛАМИНА С АКЦЕПТОРАМИ ЭЛЕКТРОНОВ

Введение. Известно, что мезоморфные свойства химических соединений можно индуцировать или варьировать путём образования комплексов с переносом заряда (или сокращённо — СТ-комплексов, от англ. charge transfer complex). Это материалы, свойства которых определяются надмолекулярной упаковкой двух видов молекул — донора и акцептора электронов. СТ-комплексы в настоящее время всё чаще используются в молекулярной инженерии как органические проводники, сверхпроводники для разработки систем памяти, ксерографирования [1].

Гексакатенарные жидкие кристаллы (ЖК) являются относительно новым классом термотропных мезогенов со смешанной структурой, состоящей из стержнеобразного центрального ядра и двух концевых единиц в форме полудиска, содержащих по три алифатических заместителя [2]. В дополнение к традиционным фазам — нематической (N) и смектической (Sm), обычно формируемым каламитными ЖК, гексакатенары могут проявлять колончатые гексагональные фазы [3]. Возможность формирования молекулами гексакатенарных мезогенов фаз как слоевого, так и колончатого типа объясняется особенностью их химического строения: наличием жёсткого полиароматиче-ского планкообразного ядра и гибких периферических заместителей [4]. В связи с этим интересно было изучить мезоморфные свойства СТ-комплексов двух гексакатенаров одного гомологического ряда (соединения I и II, схема (1)) и определить влияние протяжённости терминальных алкоксизаместителей в молекулах исследуемых соединений и химической природы акцептора (соединения III и IV, схема (2)) электронов на проявляемую мезогенность.

III: TNF

O—*CHC —OH IV: (-)-TAPA CH3

© Г. Ф. Габдулсадыкова, Н. В. Усольцева, М. А. Жарова, В. В. Соцкий, 2011

Экспериментальные методы изучения структуры CT-комплексов существуют уже длительное время. Однако, несмотря на это, полной ясности в понимании механизма формирования их структурной модификации пока не достигнуто [5, 6]. В работе изучена возможность получения СТ-комплексов в двухкомпонентных системах, содержащих исследуемые соединения I и II и акцепторы электронов: 2,4,7-тринитрофлуорен-он (TNF) и [(-)-2-(2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренилиденаминокси)]пропионовая кислота ((-)-TAPA), и проведены численные эксперименты для построения структурных моделей комплексов с переносом заряда соединения I и двух акцепторов электронов — TNF и (-)-TAPA.

Моделирование структуры, насчитывающей много тысяч атомов, — крупномасштабная компьютерная задача. Поэтому для получения теоретических сведений о физических принципах самоорганизации молекул в комплексах с переносом заряда мы ограничились решением двух задач, на наш взгляд, основополагающих. Первая задача — оптимизация пространственных моделей структурных единиц изучаемых СТ-ком-плексов, вторая — поиск активных центров взаимодействия молекул при формировании ими СТ-комплексов. Для решения последней задачи впервые использовался метод молекулярного докинга (от англ. docking — «стыковка»), который ранее нашёл применение в бионанотехнологиях для предсказания взаимодействия разнообразных биомишеней и потенциальных биологически активных органических соединений [7]. Применение метода молекулярного докинга оправдывает тот факт, что акцепторы электронов (TNF или (-)-TAPA) имеют по сравнению с молекулой-донором I меньшую молекулярную массу, а следовательно, и время релаксации для них меньше. Кроме того, при использовании докинга происходит автоматический перебор конфигураций взаимодействующих молекул [8], что позволяет в конечном итоге найти преимущественное энергетически выгодное положение молекул TNF и (-)-TAPA относительно неподвижной молекулы I.

Экспериментальная часть. Объектами исследований являются замещённые производные бензоламина: 4,4'-[(Е)-1,2-этен-диил]бис^-[2,3,4-три(бутилокси)фенилме-тилен]]бензоламин — I; 4,4'-[(Е)-1,2-этен-диил]бис^-[2,3,4-три(додецилокси) фенилме-тилен]]бензоламин — II. Синтез и идентификация данных соединений были проведены в Институте органической химии Технического университета (Берлин) под руководством проф. К. Префке.

Для изучения способности формирования комплексов с переносом заряда соединениями I и II с акцепторами электронов в качестве последних использовали III и IV.

Исследование термотропного мезоморфизма индивидуальных соединений, а также их СТ-комплексов производили методом термополяризационной микроскопии с использованием микроскопа «Leitz LaborLux 12 Pol», снабжённого нагревательным столиком «Mettler FP-82».

Комплексы с переносом заряда получали методом контактных препаратов [5].

Для решения задач компьютерного моделирования были использованы: 1) неэмпирический квантово-химический метод ab initio (ограниченный метод Хартри—Фока) в базисе 6-311G [9]; 2) метод молекулярного докинга. Расчёты проведены на временном интервале 1000 пс в силовом поле ММ2. Оценка взаимной ориентации донора и ак-цептора(ов) электронов в «мгновенных» конфигурациях пространственной структуры СТ-комплекса проводилась через каждые 0,5 пс на протяжении всего расчётного временного интервала. Для корректной интерпретации результатов докинга в качестве оценочной функции использовался специально введённый нами параметр r — радиус-вектор, проведённый между центрами масс структурных единиц СТ-комплекса.

Рис. 1. Микрофотография текстуры нематической фазы соединения II при нагревании:

Т = 76,5 °С; поляризаторы скрещены, увеличение X 250

Результаты и обсуждение. Результаты термополяризационной микроскопии соединений I и II представлены в табл. 1. Согласно приведённым данным, оба исследуемых соединения энантиотропно проявляют нематическую фазу.

На рис. 1 показана микрофотография текстуры нематической фазы соединения II в режиме нагревания.

Таблица 1

Результаты термополяризационной микроскопии

Соединение Нагрев Охлаждение Ширина интервала существования М-фазы (нагревание охлаждение), °С

I „ 139,7 °С 143,0 °С т Cr ! > N ! > Iso т 141,4 °С 127,0 °С „ Iso ! > N ! > Сг 3,3/14,4

II „ 72,8 °С _ _ 78,7 °С т Cr —! > N —! > Iso т 77,1 °С _ _ 54,4 °С „ Iso —! > N —! > Сг 5,9/22,7

Установлено, что оба соединения (I и II) проявляют N-фазу, характерную для ка-ламитных соединений, тем самым показывая доминирующее действие протяжённого полиароматического ядра на тип формируемой мезофазы.

Из сравнительного анализа температурных зависимостей фазовых переходов соединений I и II видно, что удлинение терминальных алкоксизаместителей в их молекулах приводит к понижению температуры плавления и просветления нематогенов практически вдвое и к расширению температурного интервала существования мезофазы.

Для установления возможности соединениями I и II формировать с органическими акцепторами электронов (TNF и (-)-ТАРА)комплексы с переносом заряда нами использовался метод контактных препаратов. При этом за факт визуального доказательства образования СТ-комплексов, в соответствии с литературными данными [5], принималось изменение цвета зоны контакта сплавляемых индивидуальных компонентов. В нашем случае во всех контактных препаратах при сплавлении действительно наблюдалось изменение цвета зоны контакта от жёлтого (цвет индивидуальных соединений I, II, III, IV) до ярко- или тёмно-красного. Таким образом, установлено, что оба исследуемых соединения, независимо от протяжённости терминальных алкоксизаместите-лей в молекулах, с акцепторами электронов (TNF и (-)-ТАРА) проявляют способность к формированию комплексов с переносом заряда.

С целью изучения жидкокристаллических свойств полученных СТ-комплексов была проведена термополяризационная микроскопия контактных препаратов.

Рис. 2. Микрофотографии текстуры соединения I и TNF:

1 — кристаллическая фаза TNF, 2 — нематическая фаза (шлирен-текстура) СТ-комплек-са, 3 — кристаллическая фаза соединения I; цикл охлаждения — T = 88,4 °С; поляризаторы скрещены; увеличение X 100

Рис. 3. Микрофотографии текстуры соединения

II и TNF:

1 — кристаллическая фаза TNF; 2 — Sm-фаза (веерная ломаная текстура) СТ-ком-плекса; 3 — N-фаза (шлирен-текстура) зоны СТ-комплекса; цикл охлаждения — T = = 41,3 С; поляризаторы скрещены; увеличение X 25

В контактном препарате соединения I с акцептором TNF вся зона контакта при охлаждении из изотропной фазы в мезофазе проявляла шлирен-текстуру, характерную для N-фазы (рис. 2).

Иные результаты были получены при термополяризационном исследовании контактного препарата соединения II с TNF. Зона контакта в мезоморфном состоянии энантиотропно проявляла текстуры двух фаз (рис. 3): в области, прилежащей к TNF, формировалась ломаная веерная текстура, характерная для Sm-фазы, а в зоне контакта с соединением II — шлирен-текстура, характерная для N-фазы.

Важно отметить, что соединение II, являющееся нематогеном, при сплавлении с TNF, не являющимся мезогеном, в определённом соотношении концентраций компонентов проявило наряду с нематической ещё и смектическую фазу.

Таким образом, анализ экспериментальных данных показал, что соединения I и II обладают способностью к формированию СТ-комплексов с акцептором электронов III. Установлено, что длина терминальных алкоксизаместителей оказывает существенное влияние на тип формируемой мезофазы в зоне контакта. Так, для соединения II с более протяжёнными терминальными заместителями добавка TNF при определённом соотношении компонентов приводит к возникновению слоевой структуры в зоне контакта. Вероятно, в данном конкретном случае происходит усиление п-п-взаимодействий жёстких полиароматических планкообразных ядер молекул вещества с гетероциклическими центрами молекул TNF. Этот процесс в итоге способствует повышению плотности апо-лярной протяжённой периферии молекул соединения II, возможно, с процессами ин-тердигитации алифатических цепей соседних слоев, создавая тем самым предпосылки к процессу микросегрегации и индуцированию мезофазы со слоевой структурой.

Рис. 4. Микрофотографии текстуры соединения

I и (-)-ТАРА:

1 — кристаллическая фаза соедине-

ния I, 2 — изотропная фаза СТ-комплек-са, 3 — кристаллическая фаза СТ-комплекса, 4 — кристаллическая фаза (-)-ТАРА; цикл охлаждения — Т = 118,1 °С; поляризаторы параллельны; увеличение X 100

Рис. 5. Микрофотографии текстуры соединения

II и (-)-ТАРА:

1 — кристаллическая фаза соединения II,

2 — кубическая фаза СТ-комплекса; 3 — Яш-фаза (мелкозернистая текстура) СТ-ком-плекса; цикл охлаждения — Т = 25,0 С; поляризаторы скрещены; увеличение X 100

Использование (-)-ТАРА в качестве акцептора электронов для соединения I и II приводит к другим свойствам получаемых СТ-комплексов. В контактном препарате соединения I и (-)-ТАРА в режиме охлаждения зона контакта проявляла текстуры двух фаз (рис. 4): в области, прилежащей к соединению I, проявлялась изотропная фаза, которая при дальнейшем охлаждении проявляла шлирен-текстуру нематической фазы, переходящую при комнатной температуре в текстуру кристаллической фазы.

В зоне контакта, примыкающей к акцептору (-)-ТАРА, формируется только кристаллическая фаза. Соединение II с (-)-ТАРА (рис. 5) также формировало зону СТ-комплекса с разной текстурой в зависимости от концентрационного градиента донора и акцептора электронов. В зоне, непосредственно примыкающей к акцептору (-)-ТАРА, формируется предположительно Яш-фаза с мелкозернистой текстурой, а в области, прилежащей к соединению II, предположительно образуется кубическая мезофаза с изотропной текстурой, обе фазы сохраняются при комнатной температуре.

Таким образом, показано, что оба исследуемых соединения в контакте с хиральным акцептором электронов (-)-ТАРА также способны образовывать комплексы с переносом заряда. Установлено, что длина терминальных алкоксизаместителей оказывает существенное влияние на тип формируемой мезофазы в зоне контакта. Так, для соединения I с менее протяжёнными терминальными заместителями добавка (-)-ТАРА при определённом соотношении компонентов СТ-комплексов приводит к исчезновению мезоморфных свойств.

Обнаруженное различие в жидкокристаллических свойствах комплексов с переносом заряда, образуемых исследуемыми соединениями с различными акцепторами

электронов, побудило нас применить методы математического и компьютерного моделирования для исследования надмолекулярной структуры СТ-комплексов соединения I с TNF и (-)-TAPA.

Компьютерное моделирование СТ-комплексов, формируемых соединением I с различными акцепторами электронов. На первом этапе построения структурных моделей комплексов с переносом заряда квантово-химическим методом была проведена оптимизация пространственных структур молекул соединения I, TNF и (-)-TAPA и определено распределение на атомах парциальных зарядов.

Численные эксперименты показали, что молекулы соединения I, TNF и (-)-TAPA имеют близкую к планарной планкообразную форму. Такая форма однозначно способствует их самоорганизации в виде упорядоченных столбцов. Адекватная модель должна учитывать электростатические взаимодействия, возникающие при сближении до-норной и акцепторной молекул, за счёт которых и происходит молекулярная сборка СТ-комплекса. В молекуле соединения I (донора) потенциальные направления взаимодействий с TNF и (-)-TAPA (акцепторов), по нашему мнению, будут определять химические группы соединения I, на которых сосредоточен наибольший отрицательный заряд, — атомы кислорода (по 0,7е) в терминальных алкоксифрагментах и атомы азота (по 0,54e) в нитрильных мостиковых группах.

Непосредственно для топологического поиска активных центров взаимодействий молекул нами был использован метод молекулярного докинга. В качестве стартовых моделей докинга использовались СТ-комплексы соединения I с TNF и (-)-ТАРА в молекулярных соотношениях донор : акцептор 1:1 и 1:2. Молекулы в процессе расчёта находились в копланарных плоскостях. Надмолекулярная организация, отвечающая условию минимальности энергии образуемого СТ-комплекса (одной и/или двух молекул акцепторов TNF), заключается в расположении TNF над терминальными частями молекулы соединения I (рис. 6а). Напротив, для одной и/или двух молекул (-)-TAPA в СТ-комплексах с соединением I энергетически выгодна координация акцептора над центральными фрагментами молекулы донора (рис. 6б).

Результаты статистического анализа значений введённого нами параметра r, полученных в траекториях докинга со стартовой модели соответствующего СТ-комплекса, приведены в табл. 2. Среднее значение оценочного параметра r (равновесное значение) указано в приближении распределения Гаусса (рис. 7).

Таблица 2

Статистические результаты молекулярного докинга

Статистический параметр, А

Акцептор электронов

TNF

(-)-TAPA

при соотношении числа донорно-акцепторных молекул в СТ-комплексе

1:1 1:2 1:1 1:2

г 9,68 ±0,04 П = 10,96 ± 0,06 Г2 = 9,62 ± 0,01 6,81 ±0,03 П = 7,64 ± 0,01 Г2 = 4,57 ± 0,01

R - 18,84 ±0,15 - 9,52 ± 0,14

Докинг СТ-комплексов 1 : 2 показал, что при координации TNF над терминальными частями молекулы соединения I среднее расстояние между центрами масс (R) молекул акцептора составляет приблизительно 19 A. Молекулы-акцепторы (-)-ТАРА, располагаясь над центральными частями молекулы соединения I, имеют R = 9,5 А, т. е.

TNF

TNF

TNF

(-)-TAPA

-> х

Рис. 6. Модели оптимизированых структур СТ-комплексов:

а — соединение I с акцептором электронов TNF

№

Рис. 7. Графики распределения оценочного параметра г для докинга СТ-комплексов соединения I в соотношении 1:1

Z

б

докинг двух молекул акцепторов в СТ-комплексах показал невозможность третьей молекулы акцептора сориентироваться над поверхностью донора. Тем самым доказана возможность формирования СТ-комплексов только в соотношении 1:1 и 1:2.

Таким образом, на основе анализа квантово-химических результатов зарядового распределения и решения докинга для моделируемых СТ-комплексов можно утверждать, что активными центрами соединения I при взаимодействии с TNF являются фрагменты молекулы, содержащие терминальные бензольные кольца с алкоксигруп-пами, а для (-)-ТАРА — центральные бензольные кольца, соединенные нитрильными мостиковыми группами.

Выводы.

1. Мезогенные соединения I и II способны к образованию СТ-комплексов с акцепторами электронов TNF и (-)-TAPA. Установлено, что длина алкоксизаместителей, а также химическая природа акцептора электронов в совокупности определяют тип формируемых термотропных фаз СТ-комплексов.

2. Впервые примененный к изучению структуры СТ-комплексов метод докинга показал, что взаимная координация молекул донора и акцептора(ов) электронов друг относительно друга существенно зависит от химической природы акцептора. Установлено, что энергетически наиболее выгодно расположение TNF над терминальными фрагментами, а акцептора (-)-TAPA — над центральной частью молекулы замещённого производного бензоламина. Показана также возможность участия в формировании СТ-комплексов не более двух молекул акцепторов на одну молекулу донора электронов.

3. Введение понятия радиус-вектора при изучении структуры СТ-комплексов впервые дало возможность математического (численного) описания расположения центров масс молекул в СТ-комплексах и сравнения надмолекулярных упаковок в комплексах с переносом заряда с различными акцепторами электронов.

Литература

1. Farges J. P. Organic Conductors: Fundamentals and Applications. N.-Y., 1994. 806 p.

2. Nguyen H.-T, Destrade D., Malthete J. Phasmids and Polycatenars Mesogens // Advanced materials. 1997. Vol. 9. N. 5. P. 375-388.

3. Nihikawa E, Yamamoto J., Yokoyama H. Polycatenar mesogens with a perfluorinated moiety showing a variety of liquid crystalline polymorphism // Liquid Crystals. 2005. Vol. 32. N. 5. P. 585-598.

4. Gharbia M., Gharbia A., Nguyen H.-T., Malthete J. Polycatenar liquid crystals with long rigid aromatic cores: a review of recent works // Current Opinion in Colloid and Interface Science. 2002. V. 7. P. 312-325.

5. Praefcke K., Singer D. Charge-Transfer Systems // Handbook of Liquid Crystals. (B). 1998. Vol. 2. P. 945-967.

6. Усольцева Н. В., Акопова О. Б., Быкова В. В. и др. Жидкие кристаллы: дискотические мезогены. Иваново, 2004. 546 с.

7. Alonso H., Bliznyuk A. A., Gready J. E. Combining docking and molecular dynamic simulations in drug design // Med. Res. Rev. 2006. Vol. 26. P. 531-568.

8. Kitchen D. B., Decornez H., Furr J. R., Bajorath J. Docking and scoring in virtual screening for drug discovery: methods and applications // Nat. Rev. Drug Discov. 2004. Vol. 3. P. 935-949.

9. Кларк Т. Компьютерная химия / Пер. с англ. М., 1990. 383 с.

Статья поступила в редакцию 17 сентября 2010 г.