DOI: 10.17586/2226-1494-2016- 16-5-893-902


УДК541.64:539.2

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ БРОУНОВСКОЙ ДИНАМИКИ ЛОКАЛЬНОЙ ПОДВИЖНОСТИ В ДЕНДРИМЕРАХ С АСИММЕТРИЧНЫМ ВЕТВЛЕНИЕМ

Шавыкин О.В., Попова Е.В., Даринский А.А., Неелов И.М., Леермакерс Ф.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Шавыкин О.В., Попова Е.В., Даринский А.А., Неелов И.М., Леермакерс Ф. Компьютерное моделирование методом броуновской динамики локальной подвижности в дендримерах с асимметричным ветвлением // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 5. С. 893–902. doi: 10.17586/2226-1494-2016- 16-5-893-902

Аннотация

Для дендримеров в хорошем растворителе методом броуновской динамики изучено влияние  асимметрии ветвления на локальную ориентационную подвижность сегментов и связей. Рассмотрены «крупнозернистые» модели гибких дендримеров с различной симметрией ветвления, но одинаковой средней длиной сегментов. Рассчитаны частотные зависимости скорости спин-решеточной релаксации ядерно-магнитного резонанса [1/T1HH)] для сегментов и связей, по-разному удаленных от концов. Показано, что после исключения влияния вращения дендримера как целого положения максимумов частотных зависимостей [1/T1HH)] для сегментов одинаковой длины не зависят от их положения внутри дендримера как для фантомных моделей, так и для моделей с объемными взаимодействиями. Этот эффект не зависит от симметрии ветвления, но частотное положение максимума [1/T1HH)] определяется длиной сегмента. Для связей внутри сегментов положения максимумов [1/T1HH)] совпадают для всех рассматриваемых моделей. Таким образом, полученный ранее вывод о слабом влиянии объемных взаимодействий на локальную динамику в гибких дендримерах с симметричным ветвлением может быть обобщен и на случай дендримеров с асимметричным ветвлением.


Ключевые слова: асимметричные дендримеры, компьютерное моделирование, ЯМР-релаксация, локальная мобильность, эффект исключенного объема

Благодарности. Работа выполнена с использованием ресурсов суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова. Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ 074-U01 и грантов РФФИ 16-03-00775 и 15-33-20693mol_a_ved.

Список литературы

1. Buhleier E., Wehner E., Vogtle F. Cascade-chain-like and nonskid-chainlike syntheses of molecular cavity topologies // Synthesis. 1978. V. 78. P. 155–158.
2. Tomalia D.A., Baker H., Dewald J., Hall M., Kallos G., Martin S., Roeck J., Ryder J., Smith P. A new class of polymers: starburst-dendritic macromolecules // Polymer Journal. 1985. V. 17. P. 117–132. doi: 10.1295/polymj.17.117
3. Newkome G.R., Yao Z.-Q., Baker G.R., Gupta V.K. Cascade molecules: a new approach to micelles // Journal of Organic Chemistry. 1985. V. 50. P. 2003–2004.
4. Dendrimers and Other Dendritic Polymer / Eds. M.J. Frechet, D.A. Tomalia. Wiley, England, 2001. doi: 10.1002/0470845821
5. Dendrimers in Biomedical Applications / Eds. B. Klajnert, L. Peng, V. Cena. RSC Publishing, 2013. 204 p.
6. Dendrimer-Based Drug Delivery Systems: From Theory to Practice / Eds. Y. Cheng, D.A. Tomalia. Wiley, 2012. 542 p.
7. Polymers and Nanomaterials for Gene Therapy / Ed. R. Narain. Woodhead Publishing, 2016.
8. Patri A.K., Majoros I.J., Baker Jr. J.R. Dendritic polymer macromolecular carriers for drug delivery // Current Opinion in Chemical Biology. 2002. V. 6. N 1. P. 466–471. doi: 10.1016/S1367-5931(02)00347-2
9. Balzani V., Ceroni P., Maestri M., Saudan C., Vicinelli V. Luminescent dendrimers. Recent advances / In: Dendrimers V. Springer, 2003. V. 228. P. 159–191. doi: 10.1007/b11010
10. Helms B., Frechet J.M.J. The dendrimer effect in homogeneous catalysis // Advanced Synthesis and Catalysis. 2006. V. 348. P. 1125–1148. doi: 10.1002/adsc.200606095
11. Astruc D., Boisselier E., Ornelas C. Dendrimers designed for functions: from physical, photophysical, and supramolecular properties to applications in sensing, catalysis, molecular electronics, photonics, and nanomedicine // Chemical Reviews. 2010. V. 110. N 4. P. 1857–1959. doi: 10.1021/cr900327d
12. Dong R., Zhou Y., Zhu X. Supramolecular dendritic polymers: from synthesis to applications // Accounts of Chemical Research. 2014. V. 47. N 7. P. 2006−2016. doi: 10.1021/ar500057e
13. Stark B., Stuhn B., Frey H., Lach C., Lorenz K., Frick B. Segmental dynamics in dendrimers with perfluorinated end groups: a study using quasielastic neutron scattering // Macromolecules. 1998. V. 31. N 16. P. 5415–5423.
14. Emran S.K., Newkome G.R., Weis C.D., Harmon J.P. Molecular relaxations in ester-terminated, amide-based dendrimers // Journal of Polymer Science, Part B. 1999. V. 37. P. 2025–2038.
15. Meltzer A.D., Tirrell D.A., Jones A.A., Inglefield P.T., Hedstrand D.M., Tomalia D.A. Chain dynamics in poly(amido amine) dendrimers. A study of 13C NMR relaxation parameters // Macromolecules. 1992. V. 25. N 18. P. 4541–4548.
16. Meltzer A.D., Tirrell D.A., Jones A.A., Inglefield P.T. Chain dynamics in poly(amido amine) dendrimers. A study of 2H NMR relaxation parameters // Macromolecules. 1992. V. 25. N 18. P. 4549–4552.
17. Aumanen J., Kesti T., Sundstro V., Teobaldi G., Zerbetto F., Werner N., Richardt G., van Heyst J., Vogtle F., Korppi-Tommola J. Internal dynamics and energy transfer in dansylated POPAM dendrimers and their eosin complexes // Journal of Physical Chemistry B. 2010. V. 114. N 4. P. 1548−1558. doi: 10.1021/jp902906q
18. Wittebort R.J., Szabo A. Theory of NMR relaxation in macromolecules: restricted diffusion and jump models for multiple internal rotation in amino acid side chains // Journal of Chemical Physics. 1978. V. 69. N 4. P. 1722–1736.
19. Malveau C., Baille W.E., Zhu X.X., Ford W.T. Molecular dynamics of hydrophilic poly(propylene imine) dendrimers in aqueous solutions by 1H NMR relaxation // Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics. 2003. V. 41. N 22. P. 2969–2975. doi: 10.1002/polb.10584
20. Markelov D.A., Matveev V.V., Ingman P., Lahderanta E., Boiko N.I. Average relaxation time of internal spectrum for carbosilane dendrimers: nuclear magnetic resonance studies // Journal of Chemical Physics. 2011. V. 135. N 12. Art. 124901. doi: 10.1063/1.3638177
21. Pinto F., Correa J., Martin-Pastor M., Riguera R., Fernandez-Megia E. The dynamics of dendrimers by NMR relaxation: interpretation pitfalls // Journal of American Chemical Society. 2013. V. 135. N 5. P. 1972–1977. doi: 10.1021/ja311908n
22. Neelov I.M., Markelov D.A., Falkovich S.G., Ilyash M.Yu., Okrugin B.M., Darinskii A.A. Mathematical simulation of lysine dendrimers: temperature dependences // Polymer Science, Series C. 2013. V. 55. N 1. P. 154–161. doi: 10.1134/S1811238213050032
23. Markelov D.A, Falkovich S.G., Neelov I.M., Ilyash M.Yu, Matveev V.V., Lahderanta E., Ingman P., Darinskii A.A. Molecular dynamics simulation of spin-lattice NMR relaxation in poly-L-lysine dendrimers. Manifestation of the semiflexibility effect // Physical Chemistry and Chemical Physics. 2015. V. 17. P. 3214–3226. doi: 10.1039/c4cp04825c
24. Mazo M.A., Shamaev M.Y., Balabaev N.K., Darinskii A.A., Neelov I.M. Conformational mobility of carbosilane dendrimer: molecular dynamics simulation // Physical Chemistry Chemical Physics. 2004. V. 6. N 6. P. 1285–1289.
25. Gurtovenko A.A., Blumen A. Generalized gaussian structures: models for polymer systems with complex topologies // Advances in Polymer Science. 2005. V. 182. P. 171–282. doi: 10.1007/b135561
26. Markelov D.A., Lyulin S.V., Gotlib Y.Y., Lyulin A.V., Matveev V.V., Lahderanta E., Darinskii A.A. Orientational mobility and relaxation spectra of dendrimers: theory and computer simulation // Journal of Chemical Physics. 2009. V. 130. N 4. Art. 044907. doi: 10.1063/1.3063116
27. Markelov D.A., Dolgushev M., Gotlib Y.Y., Blumen A. NMR relaxation of the orientation of single segments in semiflexible dendrimers // Journal of Chemical Physics. 2014. V. 140. N 24. Art. 244904. doi: 10.1063/1.4884024
28. Roberts B.P., Scanlon M.J., Krippner G.Y., Chalmers D.K. Molecular dynamics of Poly(L-lysine) dendrimers with naphthalene disulfonate caps // Macromolecules. 2009. V. 42. N 7. P. 2775–2783. doi: 10.1021/ma802154e
29. Neelov I., Falkovich S., Markelov D., Paci E., Darinskii A., Tenhu H. Molecular dynamics of lysine dendrimers. Computer simulation and NMR / In: Dendrimers in Biomedical Applications. London, Royal Society of Chemistry, 2013. P. 99–114. doi: 10.1039/9781849737296-00099
30. Neelov I.M., Janaszewska A., Klajnert B., Bryszewska M., Makova N., Hicks D., Pearson H., Vlasov G.P., Ilyash M.Yu., Vasilev D.S., Dubrovskaya N.M., Tumanova N.L., Zhuravin I.A., Turner A.J., Nalivaeva N.N. Molecular properties of lysine dendrimers and their interactions with -peptides and neuronal cells // Current Medical Chemistry. 2013. V. 20. N 1. P. 134–143. doi: 10.2174/09298673130113
31. Falkovich S., Markelov D., Neelov I., Darinskii A. Are structural properties of dendrimers sensitive to the symmetry of branching? Computer simulation of lysine dendrimers // Journal of Chemical Physics. 2013. V. 139. N 7. Art. 064903. doi: 10.1063/1.4817337
32. Михайлов И.В., Даринский А.А. Влияет ли симметрия ветвления на свойства дендримеров? // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2014. Т. 56. № 4. С. 452–463.doi:  10.1134/S0965545X14040105
33. Simon E.M., Zimm B.H. A computer simulation of the unwinding of a DNA-like helix // Journal of Statistical Physics. 1969. V. 1. N 1. P. 41–55. doi: 10.1007/BF01007240
34. Darinskii A.A., Gotlib Yu.Ya., Lyulin A.V., Neelov I.M. Computer simulation of local dynamics of polymer chain in the orienting field of the LC type // Vysokomoleculyanye Soedineniya, Seriya A. 1991. V. 33. N 6. P. 1211–1220.
35. Darinskii A.A., Lyulin A., Neelov I. Computer simulations of molecular motion in liquid crystals by the method of Brownian dynamics // Macromolecular Theory and Simulations. 1993. V. 2. P. 523–530. doi: 10.1002/mats.1993.040020402
36. Neelov I.M., Adolf D.B., Lyulin A.V., Davies G.R. Brownian dynamics simulation of linear polymers under elongational flow: bead-rod model with hydrodynamic interactions // Journal of Chemical Physics. 2002. V. 117. N 8. P. 4030–4041. doi: 10.1063/1.1493187
37. Lyulin A.V., Davies G.R., Adolf D.B. Location of terminal groups of dendrimers: brownian dynamics simulation // Macromolecules. 2000. V. 33. N 18. P. 6899–6900. doi: 10.1021/ma0003811
38. Karatasos K., Adolf D.B., Davies G.R. Statics and dynamics of model dendrimers as studied by molecular dynamics simulations // Journal of Chemical Physics. 2001. V. 115. N 11. P. 5310–5318. doi: 10.1063/1.1394207
39. Neelov I.M., Adolf D.B. Brownian dynamics simulations of dendrimers under elongational flow: bead-rod model with hydrodynamic interactions // Macromolecules. 2003. V. 36. N 18. P. 6914–6924. doi: 10.1021/ma030088b
40. Люлин С.В., Люлин А.В., Даринский А.А. Моделирование заряженных дендримеров методом броуновской динамики. Динамические свойства // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2004. Т.46. № 2. С. 330–342.
41. Karatasos K., Lyulin A.V. Local polymer dynamics under strong connectivity constraints: the dendrimer case // Journal of Chemical Physics. 2006. V. 125. N 18. Art. 184907. doi: 10.1063/1.2386155
42. Neelov I.M., Binder K. Brownian dynamics of grafted polymer brushes // Macromolecular Theory and Simulations. 1995. V. 4. N 1. P. 119–136. doi: 10.1002/mats.1995.040040108
43. Neelov I.M., Binder K. Brownian dynamics of grafted polymer chains: time dependent properties // Macromolecular Theory and Simulations. 1995. V. 4. N 6. P. 1063–1084. doi: 10.1002/mats.1995.040040605
44. Neelov I.M., Borisov O.V., Binder K. Stochastic dynamics simulation of grafted polymer brushes under shear deformation // Macromolecular Theory and Simulations. 1998. V. 7. N 1. P. 141–156.
45. Neelov I.M., Borisov O.V., Binder K. Shear deformation of two interpenetrating polymer brushes // Journal of Chemical Physics. 1998. V. 108. N 16. P. 6973–6988.
46. Sheridan P.F., Adolf D.B., Lyulin A.V., Neelov I.M., Davies G.R. Computer simulation of hyperbranched polymers: the influence of the Wiener index on the intrinsic viscosity and radius of gyration // Journal of Chemical Physics. 2002. V. 117. N 16. P. 7802–7812.
47. Neelov I.M., Adolf D.B. Brownian dynamics simulation of hyperbranched polymers under elongational flow // Journal of Physical Chemistry B. 2004. V. 108. N 10. P.7627–7636. doi: 10.1021/jp030994q
48. Ermak D.L., McCammon J.A. Brownian dynamics with hydrodynamic interactions // Journal of Chemical Physics. 1978. V. 69. N 4. P. 1352–1360.
49. Воеводин Вл.В., Жуматий С.А., Соболев С.И., Антонов А.С., Брызгалов П.А., Никитенко Д.А., Стефанов К.С., Воеводин Вад.В. Практика суперкомпьютера "Ломоносов" // Открытые системы. СУБД. 2012. № 7. С. 36–39.
 



Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика