Влияние внутрициклического и периферийного замещения в кобальтпорфиринах на их электрохимические и электрокаталитические свойства

Исследование химических свойств кобальтпорфиринов, отличающихся количеством фенильных групп в молекуле порфирина и природой заместителей. Оценка электрокаталитической активности данных комплексов в реакции электровосстановления молекулярного кислорода.

Рубрика Химия
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 14.12.2017
Размер файла 199,7 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

ВЛИЯНИЕ ВНУТРИЦИКЛИЧЕСКОГО И ПЕРИФЕРИЙНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ В КОБАЛЬТПОРФИРИНАХ НА ИХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

02.00.04 - физическая химия

Филимонов Дмитрий Александрович

Иваново - 2007

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет".

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Базанов Михаил Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Улитин Михаил Валерьевич,

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Валиотти Александр Борисович.

Ведущая организация: Институт Химии Растворов Российской Академии Наук (ИХР РАН), г. Иваново.

Защита состоится "12" ноября 2007г. в__14____ч. в ауд.___Г-205___ на заседании диссертационного совета К 212.063.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "ИГХТУ".

Автореферат разослан "8" октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Егорова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одно из направлений фундаментальных исследований в электрохимии органических комплексов с металлами связано с изучением новых типов соединений, обладающих особыми электрохимическими и электрокаталитическими свойствами. В связи с этим, исследования электрохимических и электрокаталитических свойств ранее неизученных металлопорфиринов для создания банка экспериментальных и расчетных данных по физико-химическим и электрокаталитическим свойствам органических комплексов с металлами представляются актуальными. Эти исследования позволят подойти к более глубокому пониманию механизма электрохимических процессов протекающих на электродах химических источников тока с кислородной (воздушной) деполяризацией и дать рекомендации по их практическому использованию.

Диссертация выполнена в рамках научных исследований кафедры аналитической химии ГОУ ВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" Федерального агентства по образованию.

Цель работы. Целью настоящей работы является установление взаимосвязи между внутрициклическим и периферийным замещением в кобальтпорфиринах и их электрохимическими и электрокаталитическими свойствами в щелочном растворе.

Научная новизна. Впервые методом циклической вольтамперометрии в щелочном растворе (0,1М КОН) исследованы электрохимические и электрокаталитические свойства кобальтпорфиринов, отличающихся количеством фенильных групп в молекуле порфирина, природой заместителей в этих фрагментах, а также наличием аза-замещения во внутрициклической сфере порфиринового лиганда. Определены окислительно-восстановительные потенциалы (Еred/ox) для процессов превращения иона металла (кобальта) и органического лиганда различного строения. Изучено влияние на электрохимические и электрокаталитические свойства металлопорфиринов следующих факторов: скорости сканирования, диапазона измерений по потенциалу, предварительного окисления и восстановления рабочего электрода, строения комплексов. Дана сравнительная оценка электрокаталитической активности исследованных органических комплексов в реакции электровосстановления молекулярного кислорода.

Практическое значение работы. Полученные значения потенциала полуволны электровосстановления молекулярного кислорода () могут быть использованы для оценки электрокаталитической активности соединений в реакции электровосстановления молекулярного кислорода. Наиболее эффективные катализаторы (СoT(4-OHPh)P и СoT(4-ClPh)P) могут быть рекомендованы для исследования в составе пористых катодов для химических источников тока с кислородной (воздушной) деполяризацией (воздушно-цинковые гальванические элементы, воздушно-алюминиевые батареи, водородно-кислородные топливные элементы и др.).

Рассчитанные значения сродства к электрону (Ас) и окислительно-восстановительные потенциалы для превращений металла-комплексообразователя, органического лиганда и молекулярного кислорода могут найти применение в квантово-химических расчетах модельных соединений исследованного ряда и послужить основой для формирования банка данных по физико-химическим и электрохимическим свойствам органических комплексов с металлами.

Полученные в настоящей работе результаты и сделанные выводы могут быть использованы для проведения целенаправленного синтеза новых комплексов, обладающих более высокой электрокаталитической активностью.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на III Международном симпозиуме "Приоритетные направления в развитии химических источников тока" (Плес, 2004 г.), XXV Научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. (Иваново, 2004 г.), XXVI Российском семинаре по химии порфиринов и их аналогов (Иваново. 2004 г.), V региональной студенческой научной конференции "Фундаментальные науки - специалисту нового века", (Иваново, 2004 г.), VI-Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений.(С. Петербург, 2005 г.), VI Международной конференции "Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики" (Саратов, 2005 г.), V международном научно-практическом семинаре "Современные электрохимические технологии в машиностроении",(Иваново, 2005 г.), III Всероссийском семинаре с международным участием "Топливные элементы и энергоустановки на их основе",(Екатеринбург, 2006 г.), XXV Научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. "Проблемы бионеорганической химии в России", (Иваново, 2006 г.), XXIX Научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. "Достижения и перспективы развития координационной химии порфиринов. Итоги 50-летних исследований",(Иваново, 2006 г.), III Школе-семинаре "Квантовохимические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул", (Иваново, 2007 г.), Всероссийской научной конференции "Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги", (Сыктывкар, 2007), XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Одесса, 2007), VII-Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Одесса, 2007).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в сборниках научных трудов и 1 в журнале, входящем в перечень ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 15 таблиц. Состоит из введения, литературного обзора, 4 глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговых выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 124 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическое значение, апробация, публикации и объем работы.

1. Обзор литературы состоит из пяти разделов, включающих анализ литературных данных по вопросам строения и свойств порфирина и его металлокомплексов, использование электрохимических методов в исследовании порфириновых соединений, окислительно-восстановительных и электрокаталитических свойств, кинетики и механизма процессов электровосстановления молекулярного кислорода.

2. Постановка задачи исследования. В этой главе приведена постановка задачи исследования, включающая обоснование выбора объектов, метода исследования (циклическая вольтамперометрия) и условий проведения эксперимента.

3. Экспериментальная часть состоит из двух глав. В первой главе дано описание структурных особенностей объектов исследования и способов их синтеза. Изученные в настоящей работе кобальтпорфирины были получены в Ивановском государственном химико-технологическом университете на кафедре органической химии под руководством д.х.н. Семейкина А.С. Исследованные соединения отличались количеством фенильных групп в молекуле парфирина, природой заместителей в этих фрагментах, а также наличием аза-замещения во внутрициклической сфере комплексов. Структуры изученных порфиринов приведены на рис. 1.

Во втором разделе приведены методики исследования металлокомплексов методом циклической вольтамперометрии, способ приготовления активной массы и конструктивные особенности рабочего электрода.

Электрохимические исследования были выполнены в 0,1М растворе едкого калия на компьютеризированной установке для измерения циклических I-E кривых. Для определения редокс-потенциалов, эффективного числа электронов и оценки электрокаталитической активности соединений в реакции электровосстановления молекулярного кислорода I-E-кривые были измерены в следующей последовательности:

1. Циклирование в атмосфере аргона до установления стационарного состояния.

2. Измерение I-E-кривых для различных скоростей сканирования 100, 50, 20, 10, 5 мВ/с.

3. Измерение I-E-кривых для различных диапазонов крайних катодных и анодных значений потенциала.

4. Предокисление при крайнем анодном потенциале (0,5 В) в течение 10,50,100,200, 500 с.

5. Предвосстановление при крайнем катодном потенциале (-1,4 В) в течение 10,50,100,200, 500 с.

6. Ввод в электролит газообразного кислорода до полного насыщения и обратная отдувка аргоном.

4. Исследование электрохимических и электрокаталитических свойств кобальтовых комплексов.

В настоящем разделе приведены данные по исследованию электрохимических и электрокаталитических свойств замещенных порфиринов, структуры которых приведены на рис. 1.

M=Co,R=OH-Кобальт(II) 5,10,15,20-тетракис(4?-гидроксифенил)порфин CoT(4-ОНPh)P

M=Co,R=Cl - Кобальт(II) 5,10,15,20-тетракис(4?-хлорфенил)порфин CoT(4-СlPh)P

M=Co,R=I - Кобальт(II) 5,10,15,20-тетракис(4?-иодфенил)порфин CoT(4-IPh)P

M=Co,R=NO2-Кобальт(II) 5,10,15,20-тетракис(4?-нитрофенил)порфин CoT(4-NO2Ph)P M=H,H,R=NO2-5,10,15,20-тетракис(4?-нитрофенил)порфин T(4-NO2Ph)P

5-аза-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-дибутилпорфирин Co-azaGМеDiBuР

5,15-диаза-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18-тетрабутилпорфина Co-diazaТМеТBuР

Размещено на http://www.allbest.ru/

М = СоОАс; R = (OPhTAP)Co

Размещено на http://www.allbest.ru/

М=СоОАс; R = (OClPhTAP)Co

Размещено на http://www.allbest.ru/

М=СоОАс; R = (OBrPhTAP)Co

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структуры исследованных соединений

В связи с тем, что целью работы было исследование влияния внутрициклического и периферийного замещения в кобальтпорфиринах на электрохимические и электрокаталитические свойства в щелочном растворе, рассмотрение электрохимического поведения исследованных соединений было проведено по группам.

В главе 4.1 дан анализ данных по влиянию внутрициклического аза-замещения в молекуле кобальтпорфирина на электрохимические и электрокаталитические свойства соединений.

Впервые проведены исследования электрохимических и электрокаталитических свойств порфиринов, имеющих дополнительные атомы азота в циклическом макрокольце.

На рис. 2 представлены типичные I-E-кривые для электрода, содержащего в активной массе Co-azaGМеDBuР при различных скоростях сканирования (V). Можно видеть, что на катодной ветви I-E - кривой отчетливо проявляются два пика (максимума), отвечающих переходу Co3+Co2+ в области потенциалов 0.5 -0.25 В и электровосстановлению органического лиганда при -1.0 -1.5 В. На анодной ветви I-E-кривой им соответствуют пики (максимумы) обратных электрохимических процессов (0.5 0.1 В) и (-1.2 -0.5 В). На анодном ходе кривой наблюдается также пик в области -0.4 -0.7 В, не имеющий соответствующей пары на катодном ходе кривой при данных условиях измерений.

Полученные данные показывают, что в данных экспериментальных условиях измерения для электродов с Co-azaGМеDBuР наблюдаемые окислительно-восстановительные процессы превращения центрального иона металла и органического лиганда (по второй ступени) характеризуются высокой степенью обратимости как по количеству электричества в области катодного (Qк) и анодного (Qа) максимумов, так и по положению потенциалов соответствующих электронных переходов при низких скоростях сканирования. При измерениях в широком диапазоне скоростей сканирования наблюдаемые электронные переходы вблизи крайних катодных и анодных значений с ростом скорости сканирования нередко выходят за пределы выбранной области измерения потенциала. С увеличением скорости развертки катодные максимумы смещаются в область отрицательных значений, а анодные - в положительную область.

Рис. 2. Влияние скорости сканирования на I-Е - кривые для электрода с Co-azaGМеDBuР. V, мВ/с: 1-5; 2-10; 3-20; 4-50; 5-100

Полученные данные свидетельствуют о том, что для исследования электрохимических процессов и сопоставления электрохимических свойств комплексов целесообразно использовать скорости сканирования от 5 до 20 мВ/с, когда протекание процессов стремиться к обратимому (квазиобратимому) протеканию.

Из данных представленных на рис. 2. были получены численные значения для потенциалов максимумов наблюдаемых электрохимических процессов и рассчитаны значения редокс-потенциалов, как полусумма катодных и анодных значений потенциалов. Результаты приведены в табл.1.

Для подтверждения возможности изменения протекания наблюдаемых электрохимических процессов в области крайних катодных и анодных значений потенциалов, были проведены опыты по влиянию времени выдержки электродов при потенциале +0.5В и - 1.4В.

Изменение диапазона измерений по потенциалу позволяет исключить взаимное влияние одних процессов на другие, изменяет обратимость наблюдаемых редокс-процессов.

Таблица. 1. Электрохимические параметры окислительно-восстановительных превращений для электродов с Co-azaGМеDBuР

V

мB/c

Co3+ Co2+

L L1-

L1- L2-

В

Ac

эВ

Ered/ox

В

n

Ered/ox

В

n

Ered/ox

В

n

0

0.19

-

-0.53

-

-1.08

-

-0.17

3.70

5

0.20

1.00.1

-0.55

1.10.1

-1.10

1.10.1

-0.18

10

0.21

1.20.1

-0.58

1.10.1

-1.12

1.00.1

-0.20

20

0.24

1.10.1

-0.60

1.010.1

-1.13

1.00.1

-0.21

50

0.25

1.10.1

-0.63

1.20.1

-1.15

1.10.1

-0.22

100

0.26

1.00.1

-0.65

1.10.1

-1.18

1.20.1

-0.24

Значения потенциалов определялись как среднее арифметическое из серии параллельных 5-6 опытов. Погрешность в определении значений потенциалов составляла не более 10 %.

Подробное описание влияния предокисления, предвосстановления и изменение диапазонов измерений по потенциалу на характер I-E-кривых приведено в диссертационной работе.

На рис. 3. представлено изменение I-E-кривых при введении в раствор молекулярного кислорода. Как видно из полученных данных, общий характер кривой не меняется, т.е. на ней сохраняются катодные и анодные максимумы, отвечающие процессам восстановления (окисления) центрального иона металла и органического лиганда. Характерной особенностью зависимостей тока от потенциала при введении кислорода в электролит является значительное увеличение тока в области потенциалов -0,1ч-0,5В. Это обусловлено протеканием процесса электровосстановления молекулярного кислорода.

Рис. 3. Изменение I-Е-кривых при введении в электролит молекулярного кислорода для электрода, содержащего в активной массе CoazaGМеDBuР: 1-Ar; 2-полное насыщение дикислородом. V = 20 мВ/с

Циклические I-Е-кривые, полученные для электродов, содержащих в активной массе Co-diazaТМеТBuР, в целом имеют тот же характер, что для электродов, содержащих Co-azaGМеДBuР. Как и в предыдущем случае, наблюдались катодные и анодные максимумы, отвечающие процессам превращения иона металла, органического лиганда и молекулярного кислорода. Для комплекса Co-diazaТМеТBuР наблюдаются лишь относительные смещения максимумов в область катодных или анодных значений потенциалов и некоторое изменение величин редокс-потенциалов. Результаты представлены в табл.2.

Значения потенциалов определялись как среднее арифметическое из серии параллельных 5-6 опытов. Погрешность в определении значений потенциалов составляла не более 10 %.

Таблица 2. Электрохимические параметры окислительно-восстановительных превращений для электродов с Co-diazaТМеТBuР

V мB/c

Co3+ Co2+

L L1-

L1- L2-

В

Ac

эВ

Ered/ox В

n

Ered/ox В

n

Ered/ox В

n

0

0.19

-

-0.53

-

-1.02

-

-0.20

5

0.20

1.20.1

-0.55

1.00.1

-1.04

1.00.1

-0.22

10

0.21

1.20.1

-0.58

1.20.1

-1.06

1.20.1

-0.25

20

0.24

1.00.1

-0.60

1.10.1

-1.07

1.10.1

-0.26

3.70

50

0.25

1.10.1

-0.63

1.00.1

-1.09

1.10.1

-0.28

100

0.26

1.00.1

-0.65

1.10.1

-1.11

1.00.1

-0.30

Для выявления влияния аза-замещения, как структурного фактора, на электрохимические и электрокаталитические свойства было проведено сопоставление поведения изученных аза-комплексов с исследованными ранее. При этом в качестве структурных аналогов рассматривались порфириновые комплексы без аза-замещения. Cравнение свойств проведено на основании данных таблицы 3.

Таблица 3. Влияние аза-замещения на электрохимические и электрокаталитические свойства комплексов

Соединение

Co3+Co2+

LL1-

L1-L2-

В

Ered/ox, B

Ered/ox, B

Ered/ox, B

CoGМеДBuP

0.11

-0.65

-1.03

-0.18

Co-аzaGМеDBuP

0.23

-0.60

-1.13

-0.21

CoТМеТBuP

0.19

-0.65

-1.10

-0.13

Co-diazaТМеТBuP

0.24

-0.60

-1.07

-0.26

УТЭ

-

-

-

-0.30-0.35

- исследованы ранее.

Как видно из полученных данных, при переходе от 2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-дибутил порфирина кобальта (СоGМеDВuP) к его моноаза-аналогу наблюдается изменение значений редокс-потенциалов для превращений как по центральному иону металла (Co3+"Co2+), так и органическому лиганду (L1-"L2-), а также некоторое снижение электрокаталитической активности в реакции электровосстановления молекулярного кислорода, что проявляется в сдвиге значений в область отрицательных значений (от -0.18В до - 0.21В). Введение двух аза-групп во внутрициклическую сопряженную систему порфиринового лиганда (Co-диазаТМеТBuР) приводит к еще более сильному сдвигу потенциала в область отрицательных значений (от - 0.13В до - 0.26В), т.е. наблюдается еще большее снижение электрокаталитической активности. Общим свойством для аза-замещения является облегчение процесса электровосстановления по центральному иону металла (0.23В и 0.24В для моно- и диазапроизводных по сравнению с 0.11В и 0.19В - для соответствующих комплексов без аза замещения). Аза-замещение приводит также к облегчению процесса восстановления лиганда по первой стадии, что проявляется в сдвиге Ered/ox для LL1- в область положительных значений потенциала на 50мВ (с - 0.65В до - 0.60В).

В главе 4.2. приведены данные по исследованию электрохимических и электрокаталитических свойств ряда кобальтовых комплесов октафенилтетразапорфина. Общая структура этой группы порфиринов представлены на рис. 1.

Отличительной структурной особенностью указанных комплексов является наличие четырех аза-атомов, включенных во внутрициклическую сопряженную систему порфиринового лиганда, а также восьми фенильных фрагментов, связанных с лигандом по пиррольным ядрам и содержащих атомы галогена (F,Cl,Br), что обесечивает в них не только нутрициклический, но и перефирийный характер воздействия.

Для данной группы соединений был проведен весь комплекс исследований, как и для соединений описанных выше. Результаты исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4. Электрохимические параметры окислительно-восстановительных превращений для электродов с комплексами на основе октафенилтетраазапорфина, V=20 мВ/с

Соединение

Со 3+ Со 2+

L L1-

L1- L2-

,

В

ЕкатI, В

ЕанI,

В

Ered/oxI, В

EкатII, В

EанII,

В

Ered/oxII В

EкатII, В

EанII, В

Ered/oxIIIВ

(OPhTAP)Co

0.20

0.48

0.34

-0.58

-0.35

-0.47

-0.96

-0.76

-0.86

-0.15

(OClPhTAP)Co

0.20

0.48

0.34

-0.60

-0.36

-0.48

-0.98

-0.78

-0.88

-0.24

(OBrPhTAP)Co

0.30

0.42

0.36

-0.64

-0.52

-0.58

-1.00

-0.80

-0.90

-0.22

OFPhTAP

-

-

-

-0.76

-0.48

-0.62

-1.16

-0.94

-1.05

-0.21

Анализ данных по электрохимическому и электрокаталитическому поведению соединений этого ряда (табл 4.) показал:

1. Электрохимическое превращение лиганда по первой и второй стадии (LL-1, L-1L-2) для комплексов с металлами протекает при более положительных потенциалах, чем для свободного лиганда.

2. Для всех из исследованных соединений ((OPhTAP)Co, (OClPhTAP)Co, (OBrPhTAP)Co, OFPhTAP) эффективное число электронов, участвующих в процессе электровосстановления дикислорода составило величину n=3.50.2, что указывает на параллельное протекание процесса восстановления молекулярного кислорода как по 2-х, так и по 4-х электронному механизму (глава 1.5.).

3. Из исследованных комплексов наиболее высокую электрокаталитическую активность проявляет (OPhTAP)Co (=-0.15В), что, по-видимому, обусловлено как внутрициклическими изменениями (наличие дополнительных четырех аза-атомов в молекуле), так и внешнесферными факторами (восьмью фенильными фрагментами, связанными непосредственно с пиррольными ядрами), приводящих к существенным пространственным искажениям.

В главе 4.3. представлены данные по электрохимическим и электрокаталитическим свойствам ряда производных тетрафенилпорфирина кобальта - СoT(4-NO2Ph)P, СoT(4-IPh)P, СoT(4-ClPh)P, СoT(4-OHPh)P. Особенностью этой группы порфиринов является наличие ряда заместителей (R - I, Cl, NO2, OH), расположенных в фенильных фрагментах молекулы, обладающих различной электронодонорной и электроноакцепторной способностью. Для идентификации электронных переходов был исследован безметальный порфириновый лиганд T(4-NO2Ph)Р.

Циклические I-Е-кривые, полученные для электрода, содержащего в активной массе T(4-NO2Ph)P, представлены на рисунке 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Влияние скорости сканирования на I-E кривые для электрода с T(4-NO2P). V, мВ/c: 1-5, 2-10, 3-20, 4-50, 5-100

Как видно из рисунка, на циклических I-Е-кривых наблюдается две пары катодных и анодных максимумов отвечающих процессу электровосстановления органического лиганда (LL1-) и переход комплекса в моноанионную (монорадикальную), а также в дианионную (L-1L-2) формы.

Аналогичные зависимости были получены для СoT(4-NO2Ph)P, СoT(4-IPh)P, СoT(4-ClPh)P и СoT(4-OHPh)P. Различие наблюдалось лишь значениях редокс-потенциалов (Ered/ox) и в появлении еще одной пары максимумов в области потенциало 0,100,45В, где протекает процесс превращения иона-комплексообразователя (Со 3+ Со 2+).

Для всех соединений этого ряда были проведены исследования по методике, описанной в 3 главе диссертационной работы.

Интересный факт был установлен при исследовании влияния диапазона измерения по потенциалу для электродов с T(4-NO2Ph)P, где при измерении I-E-кривых в области потенциалов от 0.0В до - 1.4В наблюдалась дополнительная пары максимумов в области -0.3 -0.6 В. (рис. 6.). Указанный окислительно-восстановительный процесс, обозначенный на рис. 5. как переход III, может быть отнесен к электровосстановлению нитрогруппы в щелочном растворе, как было установлено ранее для других нитросодержащих макрoциклических соединений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Cкорость сканирования 20 мВ/c для электрода, содержащего в активной массе T(4-NO2Ph)P. Диапазон измерения 0.0 -1.4 В

Результаты исследований соединений этой группы приведены в таблице 5. химическое электрокаталитическая кобальтпорфирин заместитель

Таблица 5. Электрохимические параметры окислительно-восстановительных превращений для электродов с исследованными соединениями. V=20 мВ/с. 0.1М КОН

Соединение

Процесс

E1/2(О 2), B

Co3+Co2+

LL1-

L1-L2-

Ered/oxB

nk

na

Ered/oxB

nk

na

Ered/ox

B

nk

na

СoT(4-NO2Ph)P

0.29

0.90.1

1.10.1

-0.65

1.20.1

1.20.1

-1.11

0.90.1

1.00.1

-0.24

СoT(4-IPh)P

0.26

1.00.1

1.20.1

-0.59

1.00.1

1.10.1

-1.07

1.00.1

1.00.1

-0.22

СoT(4-ClPh)P

0.28

1.20.1

0.90.1

-0.50

0.90.1

0.90.1

-1.11

1.20.1

1.10.1

-0.18

СoT(4-OHPh)P

0.20

1.10.1

1.10.1

-0.58

0.90.1

1.20.1

-1.06

0.90.1

1.00.1

-0.15

T(4-NO2Ph)P

-

-

-

-0.68

1.20.1

1.10.1

-1.04

1.20.1

0.90.1

-0.28

СoT(4-BrPh)P)

0.20

1.10.1

1.00.1

-0.52

1.00.1

1.10.1

-1.05

1.10.1

1.00.1

-0.20

СoTPhP

0.20

1.00.1

1.00.1

-0.53

1.20.1

1.10.1

-1.11

1.10.1

1.20.1

-0.23

УТЭ

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-0.30-0.35

- исследованы ранее.

Анализ представленных данных позволяет сделать следующие выводы:

1) В ряду галогенпроизводных, содержащих Cl, Br, I-заместители, наблюдается закономерное увеличение потенциала электровосстановления порфиринового лиганда как по первой, так и по второй стадии процесса (табл.6.).

Таблица 6. Влияние природы атома галогена на электрохимические и электрокаталитические свойства соединений

Заместители

Cl

Br

I

Ered/ox, B (LL1-)

-0.50

-0.52

-0.59

Ered/ox, B (L1-L2-)

-1.03

-1.05

-1.07

E1/2(O2), B

-0.18

-0.20

-0.22

2) Для исследованных нитропроизводных соединений зафиксирован процесс электровосстановления нитрогруппы, который предшествует стадии электровосстановления порфиринового лиганда. Как безметальное соединение (T(4-NO2Ph)P), так и его кобальтовый комплекс (СоT(4-NO2Ph)P) не обладают более высокими электрокаталитическими свойствами по сравнению с галогенпроизводными порфирина.

3) Ведение электронодонорных гидроксо-групп в фенильные фрагменты металлопорфирина приводит к наибольшему воздействию на процесс электровосстановления дикислорода. Указанное соединение - CoT(4-OHPh)Р оказало наибольший каталитический эффект (E1/2(O2)=-0.15В) на процесс ионизации молекулярного кислорода в щелочном растворе из ряда комплексов данной группы. Расчет эффективного числа электронов для процессов электровосстановления и электроокисления исследованных соединений подтверждает одноэлектронный характер наблюдаемых электрохимических стадий. Совокупность наблюдаемых окислительно-восстановительных процессов может быть представлена в общем виде следующей схемой:

Co3+T(4-RPh)P1+Co2+T(4-RPh)P0Co2+T(4-RPh)P1-Co2+T(4-RPh)P2-

Для указанной схемы процесса следует сделать лишь одну оговорку. Присоединение электрона к нейтральной форме соединений не исключает возможности образования моноанионной (радикальной) формы соединений с изменением степени окисления центрального иона металла и образования Co1+T(4-RPh)P1-. Возникновение возможных двух форм может протекать в близких областях потенциалов и нередко их разделение не представляется возможным.

В главе 4.3. приведены также расчеты энергетических характеристик, электронного и пространственного строения изолированных молекул 5,10,15,20-замещенных порфиринов - тетракис-(4'-хлорфенил)-порфина (I: R1=Cl, R2=H), тетракис-(4'-бромфенил)-порфина (II: R1=Br, R2=H), тетракис-(4'-иодфенил)-порфина (III: R1=I, R2=H) (рис 6.).

Рис. 6. Строение производных тетрафенилпорфирина, взятых для расчетов

Расчет выполнен с помощью стандартного программного обеспечения МОРАС v.7.0 полуэмпирическим методом АМ 1 с полной оптимизацией всех геометрических параметров.

В таблице 4.3.4. представлены результаты вычисления электронной (EE), ядерной (ECC), полной (ETot) энергии, энергии высшей занятой молекулярной орбитали (EВЗМО) и низшей свободной молекулярной орбитали (ЕНСМО) и теплоты образования молекул (fH). Электронная энергия представляет собой потенциальную энергию электронов в молекуле и имеет отрицательный знак. Энергия отталкивания остовов определяется как электростатическое взаимодействие положительных точечных зарядов и, соответственно, имеет положительный знак. Значения полной энергии представляет собой сумму электронной энергии и энергии отталкивания остовов. Для определения

теплоты образования программа рассчитывает энергию атомизации, и далее вычисляет теплоту образования соединения с использованием эмпирических значений теплот образования атомов углерода, азота, кислорода, водорода, хлора, брома и иода. Полученные данные сопоставлены с результатами вольтамперометрического исследования электрохимических и электрокаталитических свойств указанных соединений и их металлокомплексов. (Табл. 7.)

Таблица 7. Результаты расчета энергетических характеристик порфиринов

R1

R2

R3

fH

ккал/моль

- EE

эВ

ECC

эВ

- ETot

эВ

- EВЗМО

эВ

- EНСМО

эВ

Ered/ox, B

L1-L2-

Ас, эВ

I

Сl

H

H

333.04

84534

76228

8306

7.886

1.731

-1.03

3.80

II

Br

H

H

381.05

84143

75919

8224

7.945

1.784

-1.05

3.78

III

I

H

H

426.54

83882

75682

8200

7.951

1.785

-1.07

3.71

С учетом того, что квантово-химические расчеты выполнены для свободных лигандов, а электрохимические данные получены для кобальтовых комплексов проведение сопоставительного анализа возможно лишь при допущении одинакого энергетического влияния центрального иона металла одной природы (Со 2+) на электронное состояние порфиринового лиганда. В рамках этого допущения и без учета влияния среды, в которой проводились электрохимические исследования, на энергетическое состяние комплексов сопоставление экспериментальных и рассчитанных данных позволяет сделать вывод о том, что в ряду галогеносодержащих порфиринов при переходе от Cl к Br и I-производным наблюдается снижение энергии низшей свободной молекулярной орбитали (Енсмо) и закономерное с этим снижение энергии, требуемой на восстановление органического лиганда. Это проявляется в смещении потенциала восстановления (Ered/ox) для стадии LL1- в область положительных значений и увеличении величины сродства к электрону (Ас).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ литературных данных по электрохимическим и электрокаталитическим свойствам различных производных порфирина, что позволило определить круг объектов и метод исследования для настоящей работы.

2. Впервые с использованием метода циклической вольтамперометрии в щелочном растворе (0,1М КОН) изучены электрохимические и электрокаталитические свойства 11 порфириновых соединений. Отличительной особенностью строения исследованных порфиринов является наличие дополнительных аза-атомов в макрокольце; четырех аза-атомов, включенных во внутрициклическую сопряженную систему порфиринового лиганда; восьми фенильных фрагментов, связанных с лигандом по пиррольным ядрам и содежащих атомы галогена (F,Cl,Br), а также четырех мезо-тетрафенильных фрагментов с заместителями I, Cl, NO2, OH.

3. Исследовано электрохимическое поведение металлокомплексов в щелочном растворе в интервале потенциалов +0,5 -1,4 В и скоростях сканирования 5-100 мВ/c. Показано, что для всех исследованных кобальтпорфиринов существуют фиксированные области потенциалов протекания редокс-процессов, связанных с превращением иона-комплексообразователя и органического лиганда. Для процессов превращения Со 3+/Со 2+ величина ЕRed/Ox находится в диапазоне от 0.16 до 0.30В, для органического лиганда - -0.50 -1.12В. Полученные значения окислительно-восстановительных потенциалов (ЕRed/Ox) и сродства к электрону (Ас) представляют интерес как справочный материал по физико-химическим (электрохимическим) свойствам органических комплексов с металлами различного строения.

4. Установлено, что процессы превращения иона металла и органического лиганда являются одноэлектронными. Общая схема электрохимических превращений для исследованных металлопорфиринов может быть представлена в виде:

{Сo3+T(4-RPh)P}1+{Co2+T(4-RPh)P}0{Co2+T(4-RPh)P}1-{Co2+T(4-RPh)P}2-

5. Изучено влияние различных факторов на электрохимические параметры исследуемых процессов для электродов с кобальтпорфиринами: скорость сканирования, диапазон измерений по потенциалу, время выдержки электродов при потенциалах электроокисления (0,5 В) и электровосстановления (-1,4 В). Показано, что:

- в зависимости от скорости сканирования (V) наблюдается смещение в положении катодных и анодных максимумов, связанных с превращениями иона-металла и органического лиганда. Рассчитанные значения редокс-потенциалов в отдельных случаях изменяются от скорости сканирования, поэтому определение Еred/ox возможно методом экстраполяции на V = 0.

- уменьшение диапазона измерений по потенциалу позволяет выделить стадии электрохимических превращений в отдельные и достигнуть более высокой степени их обратимости.

6. Установлено, что введение атомов галогена (Cl, Br, I) в фенильные фрагменты молекулы порфирина приводит к закономерному увеличению потенциала восстановления лиганда как по первой, так и по второй стадиям процесса.

7. Исследованы закономерности протекания процесса электровосстановления дикислорода на электродах, модифицированных исследованными кобальтовыми комплексами. Показано, что введение различных по природе заместителей в периферийную часть молекулы порфирина (в пиррольные и в фенильные фрагменты) приводит к смещению потенциала полуволны процесса ионизации дикислорода () в область положительных значений. Наиболее эффективные из исследованных металлопорфиринов - СoT(4-ClPh)P, СoT(4-ОНPh)P, (ОPhТАР)Сo могут представлять практический интерес в детальном изучении катализированных катодов для химических источников тока с кислородной (воздушной) деполяризацией. Установлены ряды изменения электрокаталитической активности соединений:

для тетрафенилпроизводных:

СoT(4-OHPh)P > СoT(4-ClPh)P > СoT(4-IPh)P > СoT(4-NO2Ph)P.

для октафенилроизводных:

(OPhТАP)Сo > (ОBrOPhТАP)Сo > (ОClOPhТАP)Сo.

Внутрициклические изменения за счет введения дополнительных атомов азота в порфириновый цикл приводит к снижению электрокаталитической активности соединений при переходе от моно- к диазапроизводным.

8. Выполнены полуэмпирические квантово-химические расчеты для модельных замещенных производных порфирина. Установлена корреляция между энергией низшей вакантной молекулярной орбиталью (НВМО) и потенциалом восстановления порфириновых соединений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Филимонов Д.А., Евсеев А.А., Базанов М.И. Электрохимические и электрокаталитические свойства ряда производных порфирина // Тезисы докладов. XXV Научная сессия Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. Иваново, 2004, с. 49.

2. Филимонов Д.А., Базанов М. И, Евсеев А.А., Юрина Е.С., Петров А.В. Влияние природы заместителей в фенильных фрагментах молекулы тетрафенилпорфина кобальта на электрохимические и электрокаталитические свойства // Тезисы докладов. XXVI Российский семинар по химии порфиринов и их аналогов. -Иваново. -2004. -с. 30.

3. Филимонов Д.А., Базанов М.И., Евсеев А.А., Юрина Е.С., Петров А.В. Исследование электрохимических и электрокаталитических свойств ряда производных тетрафенилпорфина кобальта. VI-Школа-конференция молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений. С. Петербург, 2005, С. 89-91.

4. Филимонов Д.А., Базанов М.И., Семейкин А.С., Юрина Е.С., Евсеев А.А., Турчанинова И.В., Петров А.В. Производные тетрафенилпорфина кобальта - электрокатализаторы для ХИТ с воздушной (кислородной) деполяризацией. // Актуальные проблемы электрохимической технологии. Сборник статей молодых ученых, Саратов 2005, С. 293-298.

5. Филимонов Д.А., Юрина Е.С., Базанов М.И., Петров А.В., Турчанинова И.В. Электрохимические и электрокаталитические свойства кобальтового комплекса 5-аза-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-дибутилпорфина в щелочном растворе // Сборник материалов VI Международной конференции "Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики", Саратов, 2005, С. 490-492.

6. Bazanov M.I., Evseev A.A., Petrov A.B., Filimonov D.A., Turchaninova I.V., Andrijewski G. Electrochemical and electrocatalytical properties of organic complexes with metals. // Abstracts of the 4th China - Russia - Korea International symposium on chemical engineering and new materials science. - Shen Yang, - 2005. - p. 34-37.

7. Юрина Е.С., Филимонов Д.А., Базанов М.И., Петров А.В. Изучение электрохимических свойств моно- и диазапорфиринов с кобальтом // Материалы V международного научно-практического семинара "Современные электрохимические технологии в машиностроении", Иваново, 2005, С. 291-294.

8. Филимонов Д.А., Юрина Е.С., Базанов М.И., Турчанинова И. В, Семейкин А.С. Электрохимические и электрокаталитические свойства металлокомплексов кобальта на основе тетрафенилпорфирина // III Всероссийский семинар с международным участием "Топливные элементы и энергоустановки на их основе", Екатеринбург, 2006, с. 75-77.

9. Филимонов Д.А., Юрина Е.С., Базанов М.И., Семейкин А.С. Электрохимические и электрокаталитические свойства кобальтовых комплексов 5-аза-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-дибутилпорфина и 5,15-диаза-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18- тетрабутилпорфирина в щелочном растворе // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 2006. Т.49. Вып.12. с. 45-48.

10. Юрина Е.С., Филимонов Д. А, Базанов М.И., Любимцев А.В., Петров А.В. Электрохимические и электрокаталитические свойства тетра- третбутилфталоцианина кобальта // XXV Научная сессия Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. "Проблемы бионеорганической химии в России", Иваново, 2006, с. 53.

11. Филимонов Д.А., Гридчин С. Н., Базанов М.И. Полуэмпирический расчет строения некоторых производных тетрафенилпорфирина // III Школа-семинар "Квантовохимические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул", Иван., 2007, с. 217.

12. Базанов М.И. Филимонов Д.А., Березина Н.М., Щепетильников И. Л, Петров А.В., Семейкин А.С., Глазунов А.В. Современные аспекты в электрохимии и электрокатализе порфириновых соединений // Всероссийская научная конференция "Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги", Сыктывкар, 2007, с. 5-6.

13. Филимонов Д.А., Базанов М.И., Семейкин А.С., Глазунов А.В. Влияние природы заместителей в фенильных фрагментах молекулы тетрафенилпорфирина на электрохимические и электрокаталитические свойства в щелочном растворе // Всероссийская научная конференция "Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги", Сыктывкар, 2007, с. 120.

14. Березина Н.М., Филимонов Д.А., Гридчин С. Н., Базанов М.И. Квантово-химический расчет строения некоторых мезо-замещенных порфиринов // Всероссийская научная конференция "Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги", Сыктывкар, 2007, с. 121.

15. Базанов М.И., Филимонов Д.А., Березина Н.М., Самолетов О.В., Евсеев А.А., Гиричев Е.Г., Петров А.В., Юрина Е.С., Семейкин А.С. Особенности электрохимического и электрокаталитического поведения порфиринов и их комплексов с металлами // XXIII Международная Чугаевская конференция по координационной химии, Одесса, 2007, с. 70-71.

16. Филимонов Д.А., Базанов М.И., Семейкин А.С. Производные тетрафенилпорфирина. Электрохимические и электрокаталитические свойства // XXIII Международная Чугаевская конференция по координационной химии, Одесса, 2007, с. 707-708.

17. Филимонов Д.А., Базанов М.И., Семейкин А.С. Электрохимические и электрокаталитические свойства комплексов галогенпроизводных тетрафенилпорфирина // VII-Школа-конференция молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений, Одесса, 2007, с. 62.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Реакции электрофильного замещения: их условия и предъявляемые требования, механизм и основные этапы. Правила ориентации электрофильного замещения под влиянием заместителей в кольце. Реакции боковых цепей аренов, присоединения к ароматическому кольцу.

    контрольная работа [314,9 K], добавлен 05.08.2013

  • Химические свойства: реакции электрофильного замещения, присоединения, гидрирование и галогенирования. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу. Правила ориентации в бензольном кольце. Влияние заместителей в ядре на и распределение изомеров при нитровании.

    реферат [290,9 K], добавлен 21.02.2009

  • Основные факторы, влияющие на ход процесса нуклеофильного замещения галогена в молекуле органического соединения. Процесс замещения сульфогруппы в промышленности, в синтезе лекарственных веществ и витаминов, пептидов, антибиотиков и модификаций сахаров.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 07.06.2011

  • Общая характеристика элементов подгруппы меди. Основные химические реакции меди и ее соединений. Изучение свойств серебра и золота. Рассмотрение особенностей подгруппы цинка. Получение цинка из руд. Исследование химических свойств цинка и ртути.

    презентация [565,3 K], добавлен 19.11.2015

  • Особенности полимер-металлических комплексов. Классификация и виды полиэлектролитов. Получение новых металлполимерных комплексов, исследование их свойств и практического применения их в катализе. Агломерация комплексообразующих молекул в растворах ИПЭК.

    дипломная работа [1,7 M], добавлен 24.07.2010

  • Определение свойств химических элементов и их электронных формул по положению в периодической системе. Ионно-молекулярные, окислительно-восстановительные реакции: скорость, химическое равновесие. Способы выражения концентрации и свойства растворов.

    контрольная работа [58,6 K], добавлен 30.07.2012

  • Свойства и применение хлороформа. Антимикробное, дезорирующее действие. Меры предосторожности при работе с йодоформом. Синтезы йодоформа. Реакции нуклеофильного замещения галогеналканов. Реакции отщепления (элиминирование). Методы синтеза галогеналканов.

    курсовая работа [668,3 K], добавлен 17.01.2009

  • Характеристика строения атома, аллотропии, способа получения, окислительных и восстановительных свойств серы. Исследование истории открытия химических элементов теллура, полония, селена, физических свойств и работы с ними, основных областей применения.

    презентация [4,4 M], добавлен 27.11.2011

  • Примеры нуклеофильных реакций. Мономолекулярное нуклеофильное замещение и отщепление. Стереохимическое течение реакций нуклеофильного замещения. SN1 и SN2 реакции. Влияние факторов на реакции замещения. Применение реакций нуклеофильного замещения.

    реферат [79,5 K], добавлен 16.11.2008

  • Виды и реакции спиртов. Реакционные центры в молекуле спиртов. Кислотно-основные свойства спиртов, реакции в которых они проявляются. Реакции с участием нуклеофильного центра. О-Ацилирование. Реакция этерификации. О-Алкилирование, алкилирующие агенты.

    реферат [127,5 K], добавлен 04.02.2009

  • К.В. Шееле как выдающийся немецкий химик, краткий очерк его жизни, этапы личностного и научного становления, значение в открытии кислорода. Исследование свойств кислорода английским свящeнником и химиком Джoзефом Пpистли. Лавуазье и открытие кислорода.

    контрольная работа [30,6 K], добавлен 26.12.2014

  • Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции. Влияние внешних условий на химическое равновесие. Влияние давления, концентрации и температуры на положение равновесия. Типы химических связей.

    реферат [127,3 K], добавлен 13.01.2011

  • Изучение физических и химических свойств карбоновых кислот. Анализ реакции нуклеофильного замещения в ряду производных. Характеристика общей схемы механизма в присутствии катализатора. Обзор циклического, ароматического и гетероциклического ряда кислот.

    реферат [314,0 K], добавлен 19.12.2011

  • Понятие, строение молекул, химические свойства галогеналканов. Особенности реакций замещения и присоединения как способов получения галогеналканов, условия протекания этих процессов. Реакции нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода.

    контрольная работа [288,1 K], добавлен 05.08.2013

  • Общее понятие о химической реакции, ее сущность, признаки и условия проведения. Структура химических уравнений, их особенности и отличия от математических уравнений. Классификация и виды химических реакций: соединения, разложения, обмена, замещения.

    реферат [773,3 K], добавлен 25.07.2010

  • Поли-3,4-этилендиокситиофен: синтез и электрохимические свойства. Структура и электрохимические свойства композитных пленок с включениями частиц золота. Получение композитных материалов на основе пленок PEDOT с включениями частиц дисперсного золота.

    дипломная работа [6,0 M], добавлен 10.11.2011

  • Особенности химических реакций в полимерах. Деструкция полимеров под действием тепла и химических сред. Химические реакции при действии света и ионизирующих излучений. Формирование сетчатых структур в полимерах. Реакции полимеров с кислородом и озоном.

    контрольная работа [4,5 M], добавлен 08.03.2015

  • Изучение физико-химических свойств воды. Химическая природа воды и ее память (структура, свойства, состав). Схема образования связей в молекуле воды. Состояние водных объектов города Рязани. Антропогенное и техногенное воздействие на воду. Лечение водой.

    реферат [439,9 K], добавлен 27.10.2010

  • Альдегиды и их основные производные. Следствие удлинения алкильного радикала в молекуле альдегида. Физико-химические свойства альдегидов. Методы анализа альдегидов. Причины нестойкости раствора формальдегида, особенности хранения и области применения.

    курсовая работа [839,9 K], добавлен 01.03.2015

  • Понятие фенолов, их сущность и особенности, общая формула, характеристика и химические свойства. Распространенность в природе производных фенолов и их использование в медицине и парфюмерии. Реакции нуклеофильного замещения ароматических соединений.

    реферат [114,0 K], добавлен 04.02.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.