Определение конформации полимеров с помощью компьютерных расчетных программ

Введение

Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями.

Большой интерес, таким образом, представляет исследование возможности априорного предсказания химического и физического поведения полимера на основании анализа его строения. Такую возможность предоставляют методы молекулярной механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных расчетных программ.

С помощью этих методов был проведен теоретический расчет наиболее вероятной конформации некоторых олигомеров с числом мономерных звеньев от 50 до 100. Были получены данные, позволяющие определить наиболее вероятную конформацию молекул, величину сегмента Куна, число мономерных остатков в сегменте.

1. Литературный обзор

1.1 Полимеры. Особенности строения и свойств

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения специфических свойств. К специфическим свойствам следует отнести следующие способности:

способность к значительным обратимым механическим высокоэластическим деформациям;

к образованию анизотропных структур;

к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с растворителем;

к резкому изменению свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ.

Приведенные физико-химические особенности можно объяснить исходя из представления о строении полимеров. Говоря о строении следует подразумевать элементный состав вещества, порядок связи атомов, природу связей, наличие межмолекулярных взаимодействий. Характерным для полимеров является наличие длинных цепных молекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует отметить, что нет изолированных цепных молекул. Молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой, могущей иметь как полимерный характер (случай чистого полимера), так и характер обычной жидкости (разбавленные растворы полимеров). Поэтому для характеристики полимера не достаточно указания типа связей вдоль цепи - необходимо еще иметь сведения о природе межмолекулярного взаимодействия. Следует иметь в виду, что характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Именно в этом и состоит основная особенность строения полимерных тел. Поэтому можно утверждать, что весь комплекс аномальных свойств полимеров определяется наличием линейных цепных молекул с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием. Разветвление этих молекул или соединение их в сетку вносит некоторые изменения в комплекс свойств, но не меняет положения дел по существу до тех пор, пока остаются достаточно длинные цепные линейные отрезки. Напротив, утрата цепного строения молекул при образовании из них глобул или густых сеток приводит к полной утрате всего комплекса характерных для полимеров свойств.

Следствием вышеуказанного является возникновение гибкости цепной молекулы. Она заключается в её способность изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. В реальных молекулах полимеров валентные углы имеют вполне определённую величину, а звенья расположены не произвольно, и положение каждого последующего звена оказывается зависимым от положения предыдущего.

Полимеры, у которых наблюдаются достаточно интенсивные крутильные колебания, называются гибкоцепными, а полимеры, у которых повороты одной части цепи относительно другой затруднены - жесткоцепными.

Значит, молекулы могут вращаться и изменять своё строение без разрыва химических связей, образуя различные конформации, под которыми понимают различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных её частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др.

1.2 Конформационный анализ полимеров

Конформационный анализ - раздел стереохимии, изучающий конформации молекул, их взаимопревращения и зависимость физических и химических свойств от конформационных характеристик. Каждой определенной конформации соответствует определенная энергия. В обычных условиях молекула стремится перейти из энергетически наименее выгодного положения в наиболее выгодное. Энергия, необходимая для перехода молекулы из положения с минимальным значением потенциальной энергии в положение, соответствующее ее максимальному значению, называется потенциальным барьером вращения. Если уровень этой энергия высок, то вполне реально выделить молекулы с определённой пространственной структурой. Множество конформаций, находящихся в окрестности энергетического минимума с энергией ниже соответствующего потенциального барьера, представляет собой конформер. Изменение конформации макромолекулы происходит из-за ограничения вращения звеньев вокруг связей, в результате чего она обычно принимает наиболее вероятную форму статистического клубка. Различные внутри и межмолекулярные взаимодействия могут приводить к упорядоченным конформациям, а также к предельно свернутой глобулярной конформации. Исключительное значение играет конформационный анализ в биохимии. Химические и биологические свойства биополимеров в большой степени зависят от их конформационных свойств. Конформационные изменения являются обязательной составной частью практически всех биохимических процессов. Например, в ферментативных реакциях опознавание субстрата ферментом определяется пространственным строением и возможностями взаимной конформационной подстройки участвующих молекул.

Известны следующие конформации:

- конформация макромолекулярного клубка, т.е. более или менее свёрнутая конформация, которую клубок может принимать под влиянием теплового движения;

- конформация вытянутой жёсткой палочки (или стержня);

- конформация спирали, характерная для белков и нуклеиновых кислот, возникает и у виниловых полимеров и полиолефинов, однако они не стабилизированы водородными связями и, поэтому, менее устойчивы. Спираль может быть как левосторонней, так и правосторонней, т.к. на прочность это не влияет

- конформация глобулы, т.е. очень компактной сферической частицы;

- складчатая конформация, характерная для многих кристаллических полимеров;

- конформация "коленчатого вала" или "кривошипа"

Каждая конформация макромолекулы имеет определённые размеры. Теоретический расчёт размеров макромолекул был впервые сделан для свободно сочленённой цепи, которая под влиянием теплового движения может свёртываться в клубок. Расстояние между концами такого макромолекулярного клубка обозначается h или r. Очевидно, что оно может изменяться от 0 до L (длины полностью развёрнутой цепи). Для расчёта промежуточных значений h используют аппарат статистической физикой (методы молекулярной механики), так как в одной цепи имеется очень большое число звеньев.

Аналогичный расчёт можно произвести и для цепи с фиксированными валентными углами, заменив её свободно сочленённой цепью (цепью, в которой звенья не взаимодействуют). В свободно сочленённой цепи положение каждого звена не зависит от положения предыдущего. В реальной цепи положения звеньев взаимосвязаны. Однако при очень большой длине цепи между достаточно удалёнными звеньями взаимодействие пренебрежимо мало. Если такие звенья соединить линиями, то направления этих линий оказываются независимыми. Это означает, что реальную цепь, состоящую из n мономерных звеньев длиной l, можно разбить на N независимых статистических элементов (отрезков, сегментов) длиной A.

Считают, что статистический элемент, или отрезок цепи, длиной A, положение которого не зависит от положения соседних отрезков, называется термодинамическим сегментом или сегментом Куна.

Длина максимально вытянутой цепи без нарушения валентных углов называется контурной длиной цепи L. Она связана с длиной сегмента соотношением

L = AN

1.3 Эмпирические химические методы расчета

Для теоретического предсказания наиболее вероятной конформации молекулы используют метод молекулярной механики. Молекулярная механика - расчетный эмпирический метод определения геометрических характеристик и энергии молекул. Он основан на предположении о том, что энергия молекулы может быть представлена суммой вкладов, которые могут быть отнесены к длинам связей, валентным углам и торсионным углам. Кроме того, в общем выражении для энергии всегда имеется член, отражающий ван-дер-ваальсовое взаимодействие валентно не связанных атомов, и член, учитывающий электростатическое взаимодействие атомов и обусловливающий наличие эффективных атомных зарядов.

Е = Есв + Евал + Етор+ Евдв + Екул

Для расчета первых двух слагаемых чаще всего применяют известных из механики закон Гука:

Есв = Ѕ kr (r - r0)2

Предполагается, что наиболее устойчивой термодинамической конформации соответствует минимальная энергия. Метод молекулярной механики позволяет получать информацию для полного описания геометрии различных конформеров в основном состоянии.

Для реального расчета какой-либо конформации молекулы метод молекулярной механики был реализован в пакете программ HyperChem. Так, для того, чтобы произвести расчет какой-либо молекулы, необходимо построить данную молекулу на экране монитора, оптимизировав начальные параметры длин связей, валентных и торсионных углов. Затем в меню выбирается метод расчета и, кроме того, математических способ расчета, относящийся к способам расчета методами вычислительной математики. После запуска, программа ищет энергетически наиболее выгодную конформацию молекулы, которую и выдает в конце вычислений на экране. Затем оказывается возможным определить с помощью имеющихся в программе инструментов длину сегмента Куна и среднеквадратичное расстояние между концами молекулы. Вид экрана программы представлен на рис.1.

Целью данной работы, таким образом, является определение с помощью компьютерной расчетной программы наиболее вероятных конформаций нескольких модельных олигомерных.

2. Экспериментальная часть и обсуждение результатов

В качестве модельных молекул для расчета были выбраны олигомеры с числом мономерных звеньев равным 100 следующих полимеров, формулы которых представлены ниже: полидиметлилсилоксан, полиизобутилен, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат.

Все вышеуказанные олигомеры в соответствии с данными компьютерного расчета принимают конформации спирали. Данные расчетов представлены в нижеследующей таблице.

Увеличение величины сегмента Куна и, соответственно, числа мономерных остатков в сегменте в данном ряду можно объяснить увеличением размеров заместителей и как следствие увеличением скелетной жестокости цепи. Действительно, равновесная гибкость цепи зависит от химического строения основной цепи, а также от природы и размера заместителя. Наибольшей равновесной гибкостью характеризуются полидиметилсилоксан и виниловые полимеры, которые обладают большой равновесной гибкостью, не изменяющейся даже при введении такого большого заместителя, как фенил. Увеличение размеров заместителей в цепи, например гребнеобразных полимеров (полиметилметакрилатов), приводит к возрастанию сегмента Куна до 50 ангстрем, т.е. к увеличению скелетной жесткости цепи. Однако введением боковых заместителей очень сильно изменить жесткость цепи нельзя.

Выводы

В ходе выполнения данной работы был получен навык работы с научной литературой.

Была освоена современная профессиональная научная компьютерная программа по химии, позволяющая проводить теоретические расчеты наиболее вероятной конформации молекулы.

Для нескольких модельных олигомеров были получены данные об их пространственном строении, параметрах и длинах связей атомов в молекуле, которые находятся в хорошем соответствии с априорным предсказанием.

Список литературы

1. А.А. Тагер. "Физикохимия полимеров", М., химия, 1978

2. В.А. Каргин, Г.Л. Слонимский. "Краткие очерки по физикохимии полимеров", изд. МГУ, 1960