Hydrogen bonds in camphorsulfonic acid doped polyaniline

• Autorzy: Łużny W. , Piwowarczyk K.

Warianty tytułu

PL

Wiązania wodorowe w polianilinie domieszkowanej kwasem kamforosulfonowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

We conducted a set of computer simulations to explore in details the way polyaniline (PANI) interacts with its dopant molecules like camphorsulfonic acid (CSA) and with solvent like chloroform, m-cresol or a mixture of m-cresol and water. The simulated system was built of a single layer of polyaniline chains in protonated state with attached camphorsulfonic acid ions as dopants. The system of the size above 50 A* was subject to the periodic boundary conditions. All atoms in simulated molecules were assigned to atom types from OPLS-AA force field. However the inter-ring torsion profile for polyaniline in protonated emeraldine state was modified according to the density functional theory simulations. Prepared systems were simulated for 1 ns under the constant temperature (293 K) and constant pressure (1000 hPa) conditions. The results of molecular dynamics simulation exhibit a broad variety of hydrogen bond patterns between PANI-CSA as well as solvent molecules. We observed high probability (36 %) of configurations where single CSA molecule is attached to a PANI chain via a single hydrogen bond. However, the high probability (44 %) of a configuration where single CSA molecule bridges two or more PANI chains via hydrogen bonds was quite unexpected. Our simulations show also that in the presence of solvent, PANI-CSA interaction slightly weakens. Nevertheless, in the case of solvents being able to form hydrogen bonds in which CSA molecule is involved.

PL

W celu lepszego zrozumienia wpływu wiązań wodorowych na strukturę polianiliny (PANI) domieszkowanej kwasem kamforosulfonowym (CSA), przeprowadziliśmy symulacje tego systemu metodą dynamiki molekularnej uwzględniając także cząsteczki rozpuszczalnika, tj. chloroform, m-krezol oraz m-krezol z dodatkiem wody. Symulowany układ był złożony z warstwy polianiliny, którą tworzyło 12 łańcuchów polimeru otoczonych 96 jonami CSA. Cały układ o wymiarach rzędu 50 A* podlegał periodycznym warunkom brzegowym, tak że łańcuchy polianiliny mogły być efektywnie traktowane jak nieskończony polimer. Parametry oddziaływań międzyatomowych zostały dobrane w ramach pola siłowego OPLS-AA, przy czym parametry profilu torsyjnego dla łańcucha polianiliny w stanie sprotonowanym zostały obliczone na podstawie symulacji kwantowych metodą DFT/B3LYP/6-31G*. Tak spreparowane systemy były symulowane w temp. 293 K i ciśnieniu 1000 hPa przez 1 ns. Wyniki symulacji pokazują dużą różnorodność konfiguracji wiązań wodorowych. Zaobserwowaliśmy znaczny procent (36 %) oczekiwanych konfiguracji, w których jedna cząsteczka CSA łączy wiązaniem wodorowym jeden łańcuch PANI. Niespodziewanym wynikiem było duże prawdopodobieństwo (44 %, tabela 2) konfiguracji, w których cząsteczka CSA łączy za pomocą wiązań wodorowych dwa lub trzy łańcuchy PANI [wzór (III)—(V)]. W przypadku dodania rozpuszczalnika, symulacje odkryły dwa typy zachowań. Cząsteczki rozpuszczalnika zdolne do formowania wiązań wodorowych (m-krezol, woda) wbudowują się między CSA i PANI tworząc rodzaj mostków [wzór (I)] i nie wpływając w sposób istotny na całkowitą liczbę wiązań wodorowych, w których uczestniczy polianilina. To zachowanie powoduje znaczny wzrost liczby wiązań wodorowych między CSA i rozpuszczalnikiem, co usztywnia strukturę takiego układu i powoduje, że jest on mniej podatny na zmiany. Z drugiej strony, cząsteczki dowolnego rozpuszczalnika osłaniają cząsteczki CSA [wzór (VII)] i redukują liczbę wiązań wodorowych PANI-CSA (tabela 3).

Słowa kluczowe

EN

polyaniline; camphorsulfonic acid; hydrogen bonds

PL

polianilina; kwas kamforosulfonowy; wiązania wodorowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 56, nr 9
• Strony: 652--656
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz.

Twórcy

autor

Łużny W.

autor

Piwowarczyk K.

• AGH University of Science and Technology Faculty of Physics and Applied Computer Science, al. Mickiewicza 30, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Djurado D. et. al.: Phys. Review B 2002, 65, 1842.
• 2. Łużny W., Bańka E.: Macromulecules 2000, 33, 425.
• 3. Winokur M. J., Guo H., Kaner R. B.: Synth. Met. 2001, 119, 403.
• 4. Jana T., Roy S., Nandi A. K.: Synth. Met. 2003, 132, 257.
• 5.Foreman J. P., Monkman A. P.: Synth. Met. 2003, 135, 375.
• 6. Ikkala O. T. et. al.: Synth. Met. 1997, 84, 55.
• 7. Rizzo R. C., Jorgensen W. L.: J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4827.
• 8. Pigache A., Cieplak P., Dupradeau F.-Y.: "227th ACS National Meeting", Anaheim, CA, USA, March 28--April 1 2004.
• 9. High Performance Computational Chemistry Group, NWChem, A Computational Chemistry Package for Parallel Computers, Version 4.5 (2003), Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 99352, USA.
• 10. Ren P., Ponder J. W.: J. Phys. Chem. B 2003, 107, 5933.
• 11. Martínez L., Andrade R., Birgin E. G., Martínez J. M.: J. Comp. Chem. 2009, 30 (13), 2157.
• 12. Hess B., Kutzner C., van der Spoel D., Lindahl E.: J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 435.
• 13. Shacklette L. W.: Synth. Met. 1994, 65, 123.
• 14. Mills J. E., Dean P. M.: J. Comput. Aided. Mol. Des. 1996,10 (6), 607.
• 15. Łużny W., Śniechowski M., Laska J.: Synth. Met. 2002, 126, 27.