Исследование электронной структуры индиго и его анионов методом DFT

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании были рассмотрены нейтральное и анионное состояния природного красителя-индиго, а также цис- и транс-конфигурации красителя методом DFT / 6-31G (d, p).

В результате проведенных работ была определена относительная стабильность транс-состояния по сравнению цис-состояние и барьер перехода между (цис-транс формами) ними два раза меньше в анионных формах относительно нейтральной молекулы индиго. А также, результаты расчетов показали характерность относительно низкий энергии образования анионной формы и энергии диссоциации (разрыва) N-H связи исследуемого соединения (индиго) по сравнению таковых имидазола, индола и пиррола.

ABSTRACT

In this study, the neutral and anionic states of the natural indigo dye, as well as the cis and trans configurations of the dye, were considered by the DFT / 6-31G (d, p) method.

Calculations showed that the trans state of the indigo molecule was relatively optimal (18.2 kcal / mol), and the barrier to the transition between them in the monoanionic (dianionic) state was almost one times less than in the neutral molecule.

The formation of a monoanion (dianion) and the dissociation (breaking) energy of the N-H bond showed that imidazole, indole, and pyrrole were less than the dissociation energy of the N-H bond.

Charge distribution analysis and EAS analysis have shown that a neutral molecule and its anions can participate as electron donors in intermolecular interactions.

Ключивые слова: Индиго, функциональная теория плотности, энергия диссоциации связи, энтальпия протонирования.

Keywords: Indigo, functional density theory, bond dissociation energy, protonation enthalpy.

Введение

Известно, что цвет красителей связан со структурой хромофоров в них и имеет интенсивные полосы поглощения в определенной части ультрафиолета и видимой сферы. Одним из таких соединений является индиго (2,2'-бииндолин-3,3'-дион), обнаруженный в растении индигофера тинкториа [1]. Краситель индиго играет важную роль как краситель, известный с древних времен, прочно прикрепляющийся к ткани. С учетом этого были разработаны способы получения индиго и его производных путем синтеза[2,3]. Спектроскопические и квантово-химические исследования играют важную роль в исследованиях в области цвета соединения и его структуры. Таким образом, природа хромофоров и электронных переходов индиго и его производных изучалась несколькими авторами с помощью методов квантовой химии [4-6]. В нескольких статьях [7, 8] изучались ИК- и КР-спектральные свойства индиго и его производных. Образование новой окраски идентифицировано в результате введения заменителей в молекулу индиго [9]. Еще одним важным аспектом соединения индиго является его способность образовывать комплексные соединения с металлами, а образование соединения типа MeL2 (хелатный комплекс) с ионами индиго Ni²⁺ , Co²⁺, Cu²⁺ и Zn²⁺ было обнаружено в 1930-х годах [10].

Известно, что молекула индиго может находиться в цис- и транс-конфигурациях (рис. 1). В транс-состоянии индиго (одиночная молекула) было обнаружено, что обе стороны могут образовывать координационные соединения с металлами через атомы кислорода и азота [10-14]. При образовании вышеуказанных комплексных соединений ион металла ковалентно связан с атомом азота в молекуле индиго и образует координационную связь с атомом кислорода. Также было обнаружено, что в случае индигоза два атома азота могут участвовать в образовании комплексного соединения [11]. Был получен даже радикальный комплекс индиго в присутствии металлического Ru [11]. Эти результаты также представляют большой интерес с точки зрения возможности увеличения донорской способности атомов O и N с помощью заменителей и для использования в качестве связующего агента для металлов путем прикрепления их к полимерным материалам (волокнам). Поэтому в данной работе были изучены геометрия цис-транс-состояний молекулы индиго и ее моно- и дианионов, энергетический барьер перехода между ними, распределение заряда в атомах, энергия диссоциации связи N-H и энтропия депротонирования. Эти характеристики ранее не рассчитывались для молекулы индиго и о них не сообщалось в литературе.

Рисунок 1. Транс (слева) и цис (справа) состояния молекулы индиго и ее моноанионов и дианионов

Методы расчета

Геометрии индиго, моноаниона индиго, дианиона индиго и их цис-, транс-состояний были сформированы в программе Авогадро [15]. Эти геометрические формы были оптимизированы методом B3LYP / 6-31G (d, p). Энергия диссоциации химической связи N-H (ЭДС) и энтальпия депротонирования определялись на основе методов, представленных в литературе [16-18]. Все расчеты проводились с использованием вычислительного набора ORCA 4.2 [19]. Результаты расчетов визуализированы в программе Avogadro. Барьер внутреннего вращения N-C = C-N относительно другого фрагмента в индиго и его моноанионах и дианионах (вокруг связи C = C) был выполнен методом B3LYP/6-31G(d, p) с шагом 5ͦ в диапазоне 0 - 360ͦ. Анализ электростатического потенциала выполнялся с использованием программ Multiwfn [20] и VMD [21].

Анализ полученных результатов

Индиго и его моно- и дианионы, цис- и транс-геометрии. Поскольку ароматические фрагменты в молекуле индиго связаны между собой двойной связью, связь между фрагментами (мезомерный эффект) намного выше, чем у ароматических фрагментов, связанных одинарной связью (например, бипиридил), и поэтому энергетический барьер вращения вокруг двойника от одного фрагмента к другому может быть больше. Однако в литературе не указывается размер барьера вращения фрагментов молекулы индиго вокруг двойника, а указывается только то, что транс-состояние является оптимальным по сравнению с цис-состоянием [10]. Из результатов расчетов (таблица 1) видно, что энергия транс-состояния для индиго и его анионов меньше энергии цис-состояния. Например, транс-состояние молекулы индиго является оптимальным и составляет 18,2 ккал / моль относительно цис-состояния. В случае моноаниона и дианиона разница между случаями намного меньше.

Таблица 1.

Суммарные энергии цис- и транс-состояний молекулы индиго и ее моно- и дианионов

* ΔЕ=E_tot(цис)-E_tot(транс)

Вращение одного из ароматических колец индиго и его молекул моноаниона и дианиона вокруг двойной связи >С=С< изучали методом DFT/6-31G(d, p) с помощью программы ORCA 4.2 [19]. В результате расчета выявлено, что барьер внутреннего вращения вокруг связи C=C одного фрагмента молекулы индиго относительно другого составляет примерно 77 ккал/моль. Размер этого энергетического барьера указывает на то, что даже в относительно жестких условиях ароматический фрагмент не может вращаться вокруг данной связи. Однако, в моноаниой и дианионной форме индиго было обнаружено, что барьер внутреннего вращения фрагмента вокруг связи C = C примерно вдвое меньше, чем у молекулы индиго, то есть около 41 ккал / моль.

Анализ распределения зарядов

Распределение заряда в атомах играет важную роль в определении реакционных центров соединений. Поэтому было разработано несколько методов расчета зарядовых распределений [22]. Среди этих методов наиболее распространенным методом является распределение заряда по Малликену. Расчетные распределения заряда для транс- и цис-состояний молекулы индиго показаны на Рисунке 2. Расчеты показали, что распределение заряда в атомах кислорода в цис- и транс-состояниях индиго частично отличается друг от друга. В состоянии цис- распределение заряда на атоме кислорода составляет -0,38, а в транс-состоянии - -0,46. В то время как наибольший отрицательный заряд локализован в атомах азота (-0,65, -0,63) в обоих случаях, наибольший положительный заряд локализован в атомах N группы NH (+0,25, +0,28).

Рисунок 2. Распределение заряда в атомах для цис- и транс-состояний молекулы индиго

Одним из наиболее широко используемых параметров при определении межмолекулярных взаимодействий, нуклеофильных и электрофильных реакционных центров соединений является электростатический потенциал (ЭСП). В литературе [23, 24] значение уровней ЭСП в выражении межмолекулярных взаимодействий выше, чем распределение заряда в атомах. Правильность этих представлений подтверждается расчетами максимального и минимального значений ЭСП для транс- и цис-случаев индиго. Зарядовые распределения транс- и цис-состояний индиго частично отличаются друг от друга (из-за заряда атома O). Однако положительные и отрицательные значения уровня ЭСП вдвое больше, чем в цис-состоянии, чем в транс-состоянии (рисунки 3 и 4). В этом случае минимальный и максимальный уровни, имеющие относительно большое значение, образуются при совмещении электронодонорной и электроноакцепторной частей.

Рисунок 3. Максимальный и минимальный уровни электростатического потенциала для транс-состояния индиго

 (показаны на поверхности и на виде сбоку молекулы). Коричневые сферические пузыри представляют максимумы ЭСП. Голубые сферические пузыри представляют собой минимумы ЭСП.

Рисунок 4. Максимальный и минимальный уровни электростатического потенциала для цис-состояния индиго

(показаны на поверхности и виде молекулы сбоку)

Коричневые сферические пузыри представляют максимумы ЭСП. Голубые сферические пузыри представляют собой минимумы ЭСП.

Известно, что уровень электростатического потенциала является важным индикатором при определении реакционных центров молекул, особенно для ковалентно несвязанных взаимодействий, указывая на нуклеофильные и электрофильные центры молекулы [23, 24]. На рисунках 3 и 4 красная область представляет собой отрицательную область поверхности ЭСП, которая является богатой электронами областью, расположенной вокруг атома кислорода. Это говорит о том, что атом кислорода может участвовать в качестве донора электронов в межмолекулярных взаимодействиях. Черная область - это положительная область уровня ЭСП, указывающая на области дефицита электронов. Анализ уровня ЭСП показывает, что группа NH имеет наибольшее положительное значение вокруг атома N, и что этот атом обладает способностью образовывать межмолекулярные N-связи и является центром нуклеофильной атаки.

Однако даже если самый большой отрицательный заряд локализован в атомах азота, они не могут участвовать в межмолекулярных взаимодействиях непосредственно в качестве электронодонорного центра. Только в случае моноаниона и дианиона атомы азота становятся ионными (или донорно-акцепторными) реакционными центрами, образующими связь (рис. 5).

Рисунок 5 Распределение заряда в атомах моноаниона (a,b) и дианиона (c, d) индиго

Наиболее широко используемые параметры в выражении электронной структуры звеньев [25-28] были рассчитаны для цис- и транс-состояний индиго, и они приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Квантово-химические параметры цис- и транс-конфигураций индиго, рассчитанные методом DFT / 6-31G (d, p) в вакууме.

Энергия диссоциации связи N-H и энтальпия депротонирования.

Результаты приведенных выше расчетов показали, что реактивная активность в анионе индиго намного выше, чем в молекуле индиго. Таким образом, был рассчитан разрыв связи N-H в молекуле индиго. Известно, что химическая связь может быть разорвана по гомолитическому и гетеролитическому механизму. Энергия диссоциации химической связи (Bond Dissociation Energy) представляет собой гомолитический разрыв связи (A: N = A + N ·), то есть процесс образования радикалов [16-18]. Энергия диссоциации химической связи напрямую связана с энергией связи. В литературе [16, 28] энергия связи N-H указана как 93 ккал/моль. Однако энергия связи N-H варьируется в зависимости от электронной структуры соединений, которые удерживают эту связь. Например, в пирроле, имидазоле и индоле энергия связи N-H составляет 93,92, 95,04 и 88 ккал / моль соответственно [16, 28]. Энергия диссоциации связи индиго N-H была определена методом DFT / 6-31G (d, p), а также рассчитана для молекул пиррола, имидазола и индола для сравнения (таблица 3).

Гетеролитическое разрушение связи N-H (N: N = N^- + H⁺), т. е. образование аниона, оценивается по величине NH-кислотности гетероциклических соединений [29]. Однако NH-кислотность большинства гетероциклических соединений, в том числе молекулы индиго, экспериментально не исследовалась. В теоретических расчетах образование анионов оценивают по энтальпии депротонирования в газовой фазе (DacidH298, ккал / моль) [29].

Пиррол, имидазол и индол - это NH-кислоты с высокой способностью к депротонированию [29]. Чтобы оценить относительную энтропию депротонирования молекулы индиго из этих соединений, также были определены их величины DacidH298 (таблица 3).

Таблица 3.

Энергия диссоциации связи N-H (ЭДС) и энтальпия депротонирования пиррола, имидазола, индола и индиго цис-, транс-состояний (ΔacidH298)

* В скобках приведены экспериментальные данные [16, 28].

Как видно из таблицы 3, метод DFT / 6-31G (d, p) показывает энергию диссоциации связи примерно на 5 ккал / моль меньше, чем та, которая была определена экспериментально. В литературе [28] метод DFT (B3LYP) показывает относительно низкие значения ЭДС. Однако случаи транс- и цис-индиго можно оценить, сравнив значения ЭДС со значениями ЭДС для пиррола, имидазола и индола. Результаты расчетов (таблица 3) показали, что энергия разрыва связи N-H в молекуле индиго была намного ниже, чем у соединений, перечисленных в качестве стандартных. Это также показало, что индиго был значительно ниже в состоянии цис, чем в состоянии транс.

Расчеты показали, что энтропия депротонирования также меньше, чем величины ΔacidH298 соединений, приведенных для сравнения, и относительно транс-состоянии к цис-состоянию.

Следовательно, теоретически в случае нейтральной молекулы и аниона у молекулы индиго есть электронодонорные центры, которые могут участвовать в межмолекулярных взаимодействиях. Реакционная активность этих центров в цис-состоянии намного выше, чем в транс-состоянии индиго.

Оценка комплексообразования индиго с металлами.

Молекулярная структура комплексных соединений (тетраэдрическая, плоско-планарная и т. д.) и их упаковка в кристаллическом яейке могут варьироваться в зависимости от соотношения лиганд:ион металла, природы растворителя и других факторов. На основе теоретических расчетов гораздо труднее оценить, какой комплекс образует молекула лиганда с ионами металлов. Только относительная оценка способности молекулы лиганда образовывать комплекс может быть сделана в зависимости от наличия или отсутствия электронодонорных центров (на основе ЭСП и распределения заряда) и пространственных барьеров, участвующих в межмолекулярных взаимодействиях. В литературе [10-14] было обнаружено, что индиго образует сложное соединение с большинством металлов. Теоретически комплексы, образованные атомом меди с соединениями, содержащими фрагменты O = C-C = O, O = C-C-N и N-C-C-N, были проанализированы в центре данных CCDC (Кембриджский центр структурных данных [30]) для изучения структуры молекулы индиго. В результате анализа в транс-состоянии с медью и другими двухвалентными d-металлами могут образовываться комплексы, расположенные в одной плоскости (плоский квадрат - плоский квадрат) (рис. 6). Однако, согласно CCDC-анализу, комплексов с октаэдрической структурой больше, чем длинноцепочечных (плоский квадрат - плоский квадрат) комплексов этого типа. Для образования таких комплексов могут быть использованы электронодонорные соединения, такие как сульфат, ацетат, перхлорат-анионы или вода, 1,4-диоксан, которые действуют как мостик между длинноцепочечными слоями (поддерживая образование перпендикулярной цепи). Аналогичным образом, анализ CCDC показал, что в цис-состоянии молекулы индиго медь и другие (II) валентные металлы обладают потенциалом образовывать комплексы с комплексным числом 4 (тетраэдрический, плоский плоский) или 5 (квадратная бипирамида).

Рисунок 6. Теоретическая сложная комбинация меди и молекулы индиго (транс-состояние) в одной плоскости

Рисунок 7. Теоретическая сложная комбинация молекулы меди и индиго (цис-состояние) в одной плоскости

Заключение

Расчеты, выполненные с помощью DFT / 6-31G (d, p), показывают, что транс-состояние молекулы индиго является относительно оптимальным (18,2 ккал / моль), а барьер перехода между ними почти в два раза меньше в моноанионном (дианионном) состоянии по сравнению с нейтральной молекулой. обнаружен. Образование моноаниона (дианиона) и энергия диссоциации (разрыва) связи N-H показали, что имидазол, индол и пиррол были меньше энергии диссоциации связи N-H.

Анализ распределения заряда и ЭСП в атомах показал, что нейтральная молекула и ее анионы могут участвовать в качестве доноров электронов в межмолекулярных взаимодействиях.

На основе анализа литературы и эмпирического (UFF) моделирования в программе Авогадро установлено отсутствие пространственных барьеров для образования комплексных соединений плоской планарной, плоской бипирамиды или октаэдрической структуры с солями меди и других (II) валентных металлов (перхлорат, ацетат) в цис- и транс-состояниях молекулы индиго, а также то, что присутствие молекул растворенного вещества с электронодонорными свойствами играют важную роль в образовании этих комплексов.

Список литературы:

1. Эргашев А., Эшчанов Р., Якубов Г., Рахимов А., Турдиева Н., Тураева Н., Уринова Х., Матчанов А. 2014. Абиотехнология Indigofera tinctoria L. на засоленных землях бассейна Аральского моря и производство натурального растительного пигмента индиго для промышленности . J. Chem. Chem. Англ. 8 (2014) 707-716
2. Lopa Pattanaik, Susant Kumar Padhi, P. Hariprasad, Satya Narayan Naik Life cycle cost analysis of natural indigo dye production from Indigofera tinctoria L. plant biomass: a case study of India (2020)
3. Herry Purnama, Nur Hidayati , Dyah S. Safitri , Sofia Rahmawati , Effect of Initial Treatment in the Preparation of Natural Indigo Dye from Indigofera Tinctoria, Green Process, Material, and Energy: A Sustainable Solution for Climate Change AIP Conf. Proc. 1855, 020022-1–020022-6; doi: 10.1063/1.4985467 · June 2017
4. Luis Serrano-Andres, B.O. Roos. A Theoretical Study of the Indigoid Dyes and Their Chromophore. Chem. Eur. J. (1991) 3(5), pp.717-725.
5. E.A. Perpe`te, J. Preat, J.-M. Andre´, D. Jacquemin. An ab Initio Study of the Absorption Spectra of Indirubin, Isoindigo, and Related Derivatives. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 5629-5635
6. F. Cervantes-Navarro, D. Glossman-Mitnik. DFT study of the effect of substituents on the absorption and emission spectra of Indigo. Chemistry Central Jou d Related Derivatives. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 5629-5635 rnal 2012, 6:70
7. Anna Amat, Francesca Rosi, Costanza Miliani, Antonio Sgamellotti, Simona Fantacci “Theoretical and experimental investigation on the spectroscopic properties of indigo dye” Journal of Molecular Structure (2011) 993, pp. 43–51
8. А. Baran, A. Fiedler, H. Schulz, M. Baranska. In situ Raman and IR spectroscopic analysis of indigo dye. Anal. Methods, (2010) 2, pp.1372–1376
9. Robin J. H. Clark and Christopher J. Cooksey. Monobromoindigos: a new general synthesis, the characterization of all four isomers and an investigation into the purple colour of 6,6-dibromoindigo. New J. Chem., (1999) pp. 323-328
10. W. Beck, C. Schmidt, R. Wienold, M. Steimunn, B. Wagner. Indigo-Metal Complexes: Synthesis and Structure of Pd" and Pt" Compounds Containing the Anions of Indigo and Octahydroindigo as Mono- and Bis-Chelate Ligands. Angew. Chem. 28 (1989 ) 11, p.1529
11. W. Beck, K. Sünkel. Indigo and of Some Related Ligands. Z. Anorg. Allg. Chem. (2020) 646, pp. 1–9
12. Dmitri V. Konarev, Leokadiya V. Zorina, Salavat S. Khasanov, Alexander F. Shestakov, Alexey M. Fatalov, Akihiro Otsuka, Hideki Yamochi, Hiroshi Kitagawa, and Rimma N. Lyubovskaya “Interligand Charge Transfer in a Complex of Deprotonated cisIndigo Dianions and Tin(II) Phthalocyanine Radical Anions with Cp*Ir III” jurnal Inorganik chemistry DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b02351.
13. Wolfgang Kaima, Goutam Kumar Lahiri “The coordination potential of indigo, nthraquinone and related redox-active dyes” Coordination Chemistry Reviews 393(2019) 1-8.
14. M.Chatterjee, P.Ghosh, K. Beyer, A.Paretzki, J.Fiedler, W.Kaim and G. K.Lahiri,Chem.–Asian J., 2018, 13, 118–125.
15. Hanwell, M.D.; Curtis, D.E.; Lonie, D.C.; Vandermeersch, T.; Zurek, E.; Hutchison, G.R. Avogadro: An Advanced Semantic Chemical Editor, Visualization, and Analysis Platform. J. Cheminf. 2012, 4, 17
16. C. Barckholtz, T.A. Barckholtz, Ch.M. Hadad. C-H and N-H Bond Dissociation Energies of Small Aromatic Hydrocarbons. J.Am.Chem.Soc., 1999, Vol.21, 491-500.
17. J. Zhao, X. Cheng, X. Yang. Theoretical studies of C–NH2 bond dissociation energies for some amino compounds. J. Mol. Struct.: THEOCHEM 766 (2006) 87–92.
18. X. Su, X. Cheng, Y. Liu. Theoretical calculation of bond dissociation energies and heats of formation for nitromethane and polynitromethanes with density functional theory. International Journal of Quantum Chemistry, Vol 107, 515–521 (2007)
19. Neese, F. ORCA Program system. Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 73-78.
20. Lu, T.; Chen, F. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580.
21. Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. VMD: Visual Molecular Dynamics. J. Molec. Graph. 1996, 14, 33.
22. Storer, J.W., Giesen, D.J., Cramer, C.J. et al. Class IV charge models: A new semiempirical approach in quantum chemistry. J Computer-Aided Mol Des 9, 87–110 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00117280
23. Politzer, P.; Murray, J. The fundamental nature and role of the electrostatic potential in atoms and molecules. Theor. Chem. Acc. 2002, 108, 134-142.
24. Murray, J.; Politzer, P. The electrostatic potential: an overview. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. . 2011, 1, 153-163.
25. Abdallah, H.H.; Ishmael, H.M.; Abdullah, H.Y.; Umar, Y.; Ramasami, P. Theoretical study of the syn- and anti-conformers of 2,2ʹ-bifuran derivatives: rotational barrier and solvent effect. Phys. Chem. Liq. 2019, 57:2, 174-183.
26. Gómez-Jeria, J.S. A New Set of Local Reactivity Indices within the Hartree-Fock-Roothaan and Density Functional Theory Frameworks. Can. Chem. Trans. 2013, 1(1), 25-55.
27. Wazzan, N.A. DFT and MP2 Study of Geometry, IR and UV-Visible Spectroscopy and First Hyperpolarizability of 2-Aminopyridine, 3-Aminopyridine and 4-Aminopyridine in Gas Phase and in Solvents. Asian J. Chem. 2015, 27(12), 4641-4656.
28. Y. Feng, L. Liu, J.-T. Wang, S.-W. Zhao, Q.-X. Guo. Homolytic C−H and N−H Bond Dissociation Energies of Strained Organic Compounds. J. Org.Chem. 2004 69 (9), 3129-3138
29. D. Kaur, R.P. Kaur. A theoretical study on N_ H bond dissociation enthalpies of oxo, thio and seleno carbamates and their N-protonated and N-deprotonated species. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. Vol 858 (2008) PP.94-100
30. Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC), https://www.ccdc.cam.ac.uk/