Краун-соединения

Отбор структур, построенных с использованием алгоритма LINKER

Для отбора структур, полученных с использованием алгоритма LINKER, используются два метода. Первый метод отбирает структуры, учитывая их комплементарность, рассчитанную с использованием геометрических параметров. Второй метод отбирает структуры, учитывая их преорганизацию, основанную на расчете конформационной энергии структуры молекулы-хозяина.

В ходе конструирования каждого фрагмента комплекса гость располагается относительно компонента молекулы-хозяина с учетом комплементарной геометрии связывающих участков этого компонента. Когда два фрагмента комплекса соединяются, степень наложения двух атомов-гостей является простым критерием для быстрого оценивания степени комплементарности новой молекулы-хозяина. Оптимальная комплементарность получается, когда среднее квадратичное отклонение (root mean squared deviation, RMSD) расстояния между эквивалентными парами атомов двух гостей равно нулю, другими словами, когда два гостя, реализуя оптимальную ориентацию связей по отношению к каждому компоненту молекулы-хозяина, точно совпадают.

Алгоритм OVERLAY

Алгоритм OVERLAY реализует другой подход, чем тот, который был использован в алгоритме LINKER. Он формирует молекулу-хозяина путем объединения созданного пользователем фрагмента комплекса связывающим фрагментом. Алгоритм строит новую структуру молекулы-хозяина в результате формирования двух связей между одним фрагментом комплекса и одним связывающим фрагментом.

Оценивание структур при использовании алгоритма OVERLAY

Для оценивания структур, полученных при использовании алгоритма OVERLAY, используются два метода. Первый метод ранжирует структуры, основываясь на том, как хорошо связывающий фрагмент подходит к фрагменту комплекса. Второй метод ранжирует структуры в терминах преорганизации, основываясь на расчете конформационной энергии структуры молекулы-хозяина. Степень соответствия измеряется средним квадратичным отклонением несовпадения, RMSD, четырех точек фрагмента комплекса с четырьмя точками связывающего фрагмента, где в каждом случае четыре точки являются концами связывающих векторов. В дополнение к ранжированию структур при помощи RMSD, второй метод используется для ранжирования структур посредством преорганизации, основанной на расчете относительной конформационной свободной энергии молекулы-хозяина. Этот подход идентичен подходу, используемому в случае алгоритма LINKER.

Соединения РЗЭ с азот- и фосфорсодержащими подандами

На основе работ [25, 26], посвященных исследованию экстракции редкоземельных элементов из различных растворов, можно выявить основные особенности лигандов, ориентированных на комплексообразование с редкими землями.

Известно, что оксиды (диалкилкарбамоилметил)диарилфосфинов (КМФО) являются эффективными реагентами для извлечения редкоземельных элементов из азотнокислых растворов [27]. Было показано, что введение в метиленовый мостик молекулы КМФО дополнительных координирующих центров, таких как Ph2P(O)CH2- или Bu2NC(O)CH2-, не приводит к увеличению коэффициентов распределения РЗЭ(III) при экстракции из азотнокислых растворов и сорбции полимерными сорбентами, импрегнированными этими реагентами. Экстракционная способность оксида (дибутилкарбамоилбутил)дифенилфосфина по отношению к Am(III) и Eu(III) в азотнокислых средах не отличается от таковой 1,7-бис(дибутилкарбамоил)-1,7-бис(дифенилфосфинил)гептана, молекула которого содержит две координирующие группы Ph2P(O)CHC(O)NBu2, соединенные через метиленовые группы пентаметиленовой цепочкой [28].

Между тем объединение в одной молекуле двух бидентатных Ph2P(O)CH2C(O)NH- фрагментов через амидный атом азота приводит к заметному увеличению способности такого экстрагента извлекать из азотнокислых сред ионы Am(III) и Eu(III) по сравнению с таковой оксида (диизобутилкарбамоилметил)октилфенилфосфина [29]. Исследованы некоторые закономерности межфазного распределения нитратов РЗЭ(III) между водными растворами HNO3 и растворами в дихлорэтане фосфорсодержащих подандов I и II в сравнении с их моноаналогом - оксидом (дибутилкарбамоилметил)дифенилфосфина III [26].

Ph2P(O)CH2C(O)NH(CH2CH2O)nCH2CH2NHC(O)CH2P(O)Ph2, n=1 (I), n=2 (II);

Ph2P(O)CH2C(O)NBu2 (III).

Полученные данные показали, что исследованные P,N-содержащие поданды с двумя бидентатными координирующими фрагментами, соединенными через амидную группу полиэтиленгликолевой цепочкой, проявляют более высокую экстракционную способность по отношению к ионам металлов в азотнокислых растворах по сравнению с таковой оксида (дибутилкарбамоилметил)дифенилфосфина III.

Функция желательности

Задачу оптимизации процессов, характеризующихся несколькими откликами, обычно сводят к задаче оптимизации по одному критерию с ограничениями в виде равенств или неравенств. В зависимости от вида поверхности отклика и характера ограничений, для оптимизации предлагается использовать методы неопределенных множителей Лагранжа, линейного и нелинейного программирования, ридж-анализ и др. К недостаткам этих способов решения задачи оптимизации следует отнести вычислительные трудности. В частности, при описании поверхности отклика полиномами второго порядка решение задачи на условный экстремум с применением неопределенных множителей Лагранжа приводит к необходимости решать систему нелинейных уравнений.Поэтому одним из наиболее удачных способов решения задачи оптимизации процессов с большим количеством откликов является использование предложенной Харрингтоном [30] в качестве обобщенного критерия оптимизации так называемой обобщенной функции желательности D.

Для построения обобщенной функции желательности предлагается преобразовать измеренные значения откликов в безразмерную шкалу желательности d. Построение шкалы желательности, которая устанавливает соотношение между значением у и соответствующим ему значением d, является в своей основе субъективным, отражающим отношение исследователя к отдельным откликам [31].

Для построения шкалы желательности удобно использовать метод количественных оценок с интервалом значений желательности от нуля до единицы, хотя возможны и другие варианты шкалы. Значение d=0 соответствует абсолютно неприемлемому значению данного отклика, а d=1 - самому лучшему значению отклика, причем дальнейшее улучшение его или невозможно, или не представляет интереса.

Проведение расчета

Исходные данные

Перед началом моделирования необходимо решить две задачи:определить строение будущего лиганда и подобрать донорные центры.

Из литературных данных известно, что наиболее прочные комплексы РЗЭ образуют с подандами, сочетающими в себе фосфорильные и аминные группы (Рис. 4). Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, редкие земли имеют высокое сродство к азоту. Во-вторых, на атоме кислорода фосфорильной группы сосредоточена достаточно высокая электронная плотность, которая может быть еще увеличена посредством введения фенильных заместителей. Кроме того, использование именно этих донорных центров дает возможность для образования внутримолекулярной водородной связи, что в свою очередь обеспечивает необходимую предорганизацию молекулы.

Рис. 4 - Фосфорильная и аминная донорные группы

Начальные геометрические данные для донорных групп были взяты из кембриджской базы данных ConQuest ver.1.13. Использовались соединения с кодами:для аминной группы - HOJJIA [32], для фосфорильной - UHAYOR [33]. Для аминной группы это длина связи Eu-N (2,586 Е) и валентный угол C-Eu-N (110,59є). Для фосфорильной группы - длина связи Eu-O (2,435 Е), валентный угол Eu-O-P (145,43є).

При сравнении подандов линейной и разветвленной структуры можно сделать вывод, что наиболее устойчивые комплексы образуются с лигандом, содержащим наибольшее число активных центров. Учитывая, что координационное число европия равно девяти, в данной работе было отдано предпочтение триподандам с десятью донорными центрами. Расположение активных центров также выбиралось исходя из возможности образования внутримолекулярных водородных связей, три фосфорильные группы на одной ветке и по три аминные группы на двух оставшихся ветках. В качестве центрального атома выступает атом азота.

Рис. 5 - Форма моделируемого лиганда - триподанд

Используя представленные данные, можно переходить к непосредственному подбору мостиков между донорными группами. При этом необходимо получить две группы мостиков:

между двумя аминными группами;

между двумя фосфорильными группами.

Подбор мостиков

Подбор углеводородных мостиков между донорными группами осуществлялся при помощи программного продукта HostDesigner. Так как алгоритм Linker позволяет задавать геометрические характеристики только для донорных центров и не дает возможности настраивать расположение центров друг относительно друга, расчеты проводились с использованием обоих алгоритмов.

Рис. 6 - Подбор мостика между донорными группами с применением алгоритма Linker

При подборе мостиков алгоритмом Overlay в пределах 5 % варьировались длины связей Eu-O и Eu-N. Начальные значения углов N-O-N, P-O-P и N-O-P приравнивались 50 градусам, что более или менее соответствует взаимному расположению десяти активных групп вокруг центрального атома европия, и изменялись программой HostDesigner в пределах 10 %.

Рис. 7 - Подбор мостика между донорными группами с применением алгоритма Overlay

Результаты расчетов