Квантовохимическое моделирование взаимодействия ионов Ca2+ и Ni2+ с карбоксильными группами катионита
Аннотация
Изучено взаимодействие катионов кальция и никеля с ацетат-, сукцинат- и глутарат-анионами, и различными количествами молекул воды. Данное исследование связано с установленными ранее фактами необычного поведения полиакриловых и полиметакриловых ионообменников, таких как достижение разных стационарных объемов зерен в одних и тех же растворах по различающимся траекториям и проявление пластичности зерен в растворах солей двухзарядных ионов.
Результаты квантово-химического моделирования показали, что оптимизированная по энергии структура комплекса Ca(CH3COO)2·(H2O)4 аналогична структуре комплекса Ni(CH3COO)2·(H2O)4. Оба катиона находятся в октаэдрическом окружении из 6 атомов кислорода, два из которых представляют собой атомы кислорода карбоксильных групп, два – атомы кислорода несвязанных с ацетат-ионами молекул воды и два – атомы кислорода молекул воды, входящих в мостики между катионом и атомами кислорода карбоксильных групп. Однако расстояния между катионом кальция и атомами кислорода существенно больше, чем соответствующие расстояния в комплексе иона никеля. Добавление последующих молекул воды к ацетатным комплексам приводит к вытеснению атомов кислорода карбоксильных групп во вторую координационную сферу в случае комплекса кальция, но в комплексе иона никеля сохраняется непосредственная координация атомов кислорода карбоксильных групп к катиону.
В случае сукцинат- и глутарат-анионов, содержащих по две ионизированные карбоксильные группы, разделённые, соответственно, двумя и тремя метиленовыми группами, их карбоксильные группы через один из двух атомов кислорода сохраняют непосредственные связи с центральными катионами никеля и кальция даже в присутствии 8 молекул воды, для обоих центральных катионов сохраняются координационные числа 6. Межатомные расстояния Ni–O и Са–О во всех исследованных комплексах сохранялись практически одинаковыми.
Ион никеля образует более прочные однотипные комплексы с ацетат, сукцинат- и глутарат-анионами по сравнению с ионом кальция, что согласуется с данными о более прочном связывании ионов никеля с полиметакриловым катионитом. Результаты моделирования позволяют допустить, что взаимодействие карбоксильных групп полиметакрилового катионита с противоионами никеля и кальция может также происходить через непосредственную координацию атомов кислорода этих групп к противоиону.
Скачивания
Литература
Karpyuk E.A., Titova O.I., Pas-tukhov A.V., Davankov V.A., Kargov S.I., Ivanov V.A. Complex formation of diva-lent cations with carboxylic acid resins as a factor determining different stationary states of their swelling. Solv. Extr. Ion Exch. 2016; 34(4): 362-374. https://doi.org/10.1080/07366299.2016.1155898
Karpyuk E.A., Pastukhov A.V., Gavlina O.T., Kargov S.I., Ivanov V.A. Elastoplastic properties of ion exchangers based on cross-linked polyelectrolytes. Sorbtsionnye I Khromatograficheskie Protsessy, 2024; 24(2): 170-179. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2024.24/12123 (In Russ.)
Boisvert J.-P., Malgat A., Pochard I., Daneault C. Influence of the counter-ion on the effective charge polyacrylic acid in dilute condition. Polymer. 2002; 43(1): 141-148. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(01)00603-6
Ludwig H., Loebel K.-H. Interaction of polyelectrolytes with mono- and diva-lent cations. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1996; 100(6): 863-868. https://doi.org/10.1002/bbpc.19961000629
Pochard I., Couchot P., Foissy A. Potentiometric and conductometric analy-sis of the binding of barium ions with alkali polyacrylate. Colloid Polym. Sci. 1998; 276: 1088-1097. https://doi.org/10.1007/s003960050350
Molnar F., Rieger J. “Like-charge attraction” between anionic polyelectro-lytes: molecular dynamics simulations. Langmuir. 2005.; 21(2): 786-789. https://doi.org/10.1021/la048057c
Sabbagh I., Delsanti M. Solubility of highly charged anionic polyelectrolytes in presence of multivalent cations: Specific interaction effect. Eur. Phys. J. E. 2000; 1: 75-86. https://doi.org/10.1007/s101890050009
Schweins R., Huber K. Collapse of sodium polyacrylate chains in calcium salt solutions. Eur. Phys. J. E. 2001; 5: 117-126. https://doi.org/10.1007/s101890170093
Schweins R., Goerigk G., Huber K. Shrinking of anionic polyacrylate coils in-duced by Ca2+, Sr2+ and Ba2+: A combined light scattering and ASAXS study. Eur. Phys. J. E. 2006; 21: 99-110. https://doi.org/10.1140/epje/i2006-10047-7
Nechaeva L.S., Butyrskaya E.V., Shaposhnik V.A. Strukturno-gruppovoi an-aliz karboksilnogo kationoobmennika. Sorbtsionnye I Khromatograficheskie Protsessy. 2009; 9(2): 208-214. (In Russ.)
Butyrskaya E.V., Nechaeva L.S., Shaposhnik V.A., Selemenev V.F. Bezetalonnyi strukturno-gruppovoi analiz supramolekulyarnykh sistem. Zhurn. analit. khimii. 2009; 64(10): 1028-1034.
Soldatov V.S., Zelenkovskii V.M. Interionic interactions in carboxylic acid cation exchangers on the base of polyacryl-ic acid. Ab initio calculations. Solv. Extr. Ion Exch. 2011; 29(3): 458-487. https://doi.org/10.1080/07366299.2011.573450
Granovsky A.A., Firefly version 8, http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
Lee C., Yang W., Parr R. G. Devel-opment of the Colle–Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988; 37(2): 785-789. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact ex-change. J. Chem. Phys. 1993; 98(7): 5648-5652. https://doi.org/10.1063/1.464913
Boys S.F., Bernardi F. The calcula-tion of small molecular interactions by the differences of separate total energies. Some procedures with reduced errors. Molecular Physics. 1970; 19(4): 553-566. https://doi.org/10.1080/00268977000101561
Van Duijneveldt F.B., van Duijneveldt-van de Rijdt J.G. C. M., van Lenthe J. H. State of the Art in Counter-poise Theory. Chem. Rev. 1994; 94(7): 1873-1885. https://doi.org/10.1021/cr00031a007
Remko M., Fitz D., Broer R., Rode B. M.. Effect of metal Ions (Ni2+, Cu2+ and Zn2+) and water coordination on the struc-ture of L-phenylalanine, L-tyrosine, L-tryptophan and their zwitterionic forms. J. Mol. Model. 2011; 17(12): 3117-3128. https://doi.org/10.1007/s00894-011-1000-0
Van Niekerk J.N., Schoening F.R.L. The crystal structures of nickel acetate, Ni(CH3COO)2.4H2O, and cobalt acetate, Co(CH3COO)2.4H2O. Acta Crystallograph-ica. 1953; 6: 609-612. https://doi.org/10.1107/S0365110X5300171X
Downie T. C., Harrison W., Raper E. S., Hepworth M. A. A three-dimensional study of the crystal structure of nickel ace-tate tetrahydrate. Acta Cryst. B. 1971: 27(3): 706-712. https://doi.org/10.1107/S0567740871002802
Treushnikov E.N., Kuskov V.I., Aslanov L.A., Soboleva L.V. Izuchenie raspredeleniya elektronnoi plotnosti v tetragidrate acetata nikelya Ni(CH-COO)2·4H2O po rentgenovskim dannym. Kristallografiya. 1980; 25(2): 287-293.
Trofimova N. N., Titova O. I., Kar-pyuk E. A., Ivanov V. A., Slovokhotov Yu. L., Zubavichus Ya. V., Pomogailo A. D. Local coordination of Co2+ and Ni2+ cations in polyacrilate matrices. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2013; 77(9): 1127-1130.
Dudev M., Wang J, Dudev T., Lim C. Factors governing the metal coordina-tion number in metal complexes from Cambridge structural database analyses. J. Phys. Chem. B. 2006; 110(4): 1889-1895. https://doi.org/10.1021/jp054975n
Pavlov M., Siegbahn P. E. M., Sandström M. Hydration of beryllium, magnesium, calcium, and zinc ions using density functional theory. J. Phys. Chem. A. 1998; 102(1): 219-228. https://doi.org/10.1021/jp972072r
Peschke M., Blades A.T., Kebarle P. Binding energies for doubly-charged ions M2+ = Mg2+, Ca2+ and Zn2+ with the ligands L = H2O, acetone and N-methylacetamide in complexes MLn2+ for n=1 to 7 from gas phase equilibria determinations and theo-retical calculations. J. Am. Chem. Soc. 2000; 122(42):10440-10449. https://doi.org/10.1021/ja002021z
Megyes T., Grosz T., Radnai T, Bako I., Palinkas G. Solvation of calcium ion in polar solvents: an X–ray diffraction and ab initio study. J. Phys. Chem. A. 2004; 108(35): 7261-7271. https://doi.org/10.1021/jp048838m
Carl D. R., Moision R.M., Armen-trout P.B. Binding energies for the inner hydration shells of Ca2+: An experimental and theoretical investigation of Ca2+(H2O)x complexes (x = 5–9). Int. J. Mass Spec-trom. 2007; 265(2-3): 308-325. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2007.03.008
Lei X. L., Pan B. C. Structures, sta-bility, vibration entropy and IR spectra of hydrated calcium ion clusters [Ca(H2O)n]2+ (n = 1–20, 27): A systematic investigation by density functional theory. J. Phys. Chem. A. 2010; 114(28): 7595-7603. https://doi.org/10.1021/jp102588m
Ivanov V.A., Karpyuk E. A. , Gavlina O. T. , Kargov S. I. Superheated solutions in dual-temperature ion exchange separations. React. Func. Polym. 2018; 122(1): 107-115. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2017.11.009
