Этап 2 - Институт органической и физической химии им. А. Е

Министерство образования и науки Российской Федерации
УДК
ГРНТИ
Инв. №
УТВЕРЖДЕНО:
Исполнитель:
Учреждение Российской академии наук
Институт органической и физической химии им
А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН
От имени Руководителя организации
______________/___________/
М.П.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ
ОТЧЕТ
о выполнении 2 этапа Государственного контракта
№ 14.740.11.1027 от 23 мая 2011 г.
Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт органической и
физической химии им А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН
Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации
мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под
руководством кандидатов наук.
Проект: Поиск корреляции «структура-свойство» для ряда новых биоактивных азот- и
серосодержащих соединений на основе анализа их кристаллического строения
Руководитель проекта:
______________/Лодочникова Ольга Александровна
(подпись)
Казань
2011 г.
1
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
по Государственному контракту 14.740.11.1027 от 23 мая 2011 на выполнение поисковых
научно-исследовательских работ для государственных нужд
Организация-Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт органической и
физической химии им А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН
Руководитель темы:
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Лодочникова О. А.
подпись, дата
Исполнители темы:
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Воронина Ю. К.
подпись, дата
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Криволапов Д. Б.
подпись, дата
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Добрынин А. Б.
подпись, дата
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Миронова Е. В.
подпись, дата
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Сайфина А. Ф.
подпись, дата
кандидат химических
наук, доцент
______________________ Семенов В. Э.
подпись, дата
2
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Николаев А. Е.
подпись, дата
кандидат химических
наук, без ученого звания
______________________ Штырлин Н. В.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Бодров А. В.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Арефьев А. В.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Исламов Д. Р.
подпись, дата
кандидат химических
наук, доцент
______________________ Курбангалиева А. Р.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Латыпова Л. З.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Косолапова Л. С.
подпись, дата
без ученой степени, без
ученого звания
______________________ Валиев М. Ф.
подпись, дата
3
Реферат
Отчет 77 с., 1 ч., 10 рис., 0 табл., 17 источн., 1 прил.
кристаллическая структура , межмолекулярные взаимодействия , супрамолекулярные
ассоциаты
В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 2 этапу
Государственного контракта № 14.740.11.1027 "Поиск корреляции «структурасвойство» для ряда новых биоактивных азот- и серосодержащих соединений на основе
анализа их кристаллического строения" (шифр "2011-1.2.2-131-004") от 23 мая 2011
по направлению "Проведение научных исследований научными группами под
руководством кандидатов наук в следующих областях:- неорганическая и
координационная химия. Аналитическая химия неорганических соединений;органическая и элементоорганическая химия. Аналитическая химия органических
соединений;- физическая химия. Электрохимия. Физические методы исследования
химических соединений;- химия высокомолекулярных соединений. Нефтехимия.
Катализ;- коллоидная химия и поверхностные явления;- радиохимия. Химия высоких
энергий" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными
группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение
научных исследований научными группами под руководством докторов наук и
кандидатов наук" , направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере
науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы
"Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.
Цель работы - Изучение строения новых представителей ряда производных
пиримидина и изоцианурата методом РСА, выявление роли различных
межмолекулярных взаимодействий: пи…пи, НЭП…пи-система, CH…O в
формировании их кристаллической упаковки.
Монокристальный рентгеноструктурный анализ, квантово-химические расчеты
Трехкружный автоматический монокристальный рентгеновский дифрактометр с
координатным детектором Smart Apex II, BRUKER, ФРГ (2007 год выпуска)
Проведены рентгеноструктурные эксперименты по определению строения ряда новых
производных азотсодержащих гетероциклов. Установлена и подробно изучена
кристаллическая структура новых макроциклов на основе урацила и структурнородственного гетероцикла - изоцианурата. Проанализированы все реализующиеся в
кристалах внутри- и межмолекулярные взаимодействия: неподеленная пара...писистема, пи-система...пи-система, C-H...O водородные связи, выявлены основные
супрамолекулярные ассоциаты.
4
СОДЕРЖАНИЕ
Список исполнителей
2
Реферат
4
Введение
6
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ.
2.1. Установление структуры новых производных азотсодержащих гетероциклов
– пиримидинов и урацилов.
2.1.1 Анализ кристаллической структуры пиримидиноциклофанов, содержащих
атом азота в полиметиленовом мостике: межмолекулярные взаимодействия и
супрамолекулярные ассоциаты
8
1.1.2. Кристаллическая структура криптандоподобного пиримидинофана и
мультипиримидинофана.
13
1.1.3. Изучение внутри- и межмолекулярных взаимодействий в производных
урацила и структурно-родственного гетероцикла - изоцианурата- с привлечением
квантово-химических расчетов.
16
Заключение
22
Список использованных источников
23
Приложение. Ксерокопии статей и тезисов докладов, опубликованных за отчетный
период
25
5
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что химические, физико-химические и биологические характеристики
соединений зависят от их пространственного строения. Изучение новых органических
азотсодержащих соединений в кристаллическом состоянии позволяет проанализировать
различные невалентные взаимодействия, характерные для этих соединений, как внутри-, так
и межмолекулярные, что, в свою очередь, позволит глубже понять характер химических и
биохимических процессов, протекающих с их участием. Необходимо отметить, что изучение
нековалентных взаимодействий, особенно межмолекулярных, методами ИК или ЯМР
спектроскопии
достаточно
затруднительно,
в
то
время
как
даже
рутинный
рентгеноструктурный эксперимент дает объективную информацию о сближении атомов, на
основании которой можно судить о наличии того или иного взаимодействия
В настоящее время в мировой химической и биохимической науке можно отметить
настоящий прорыв в области глубокого понимания и детального изучения природы и
энергетики
межмолекулярных
взаимодействий.
Это
стало
возможным
благодаря
усовершенствованию приборной базы для проведения как рутинного, так и прецизионного
РСА, что позволяет не только точно устанавливать геометрию соединения в кристалле, но и
анализировать распределение электронной плотности в молекуле. С другой стороны, далеко
шагнули методы квантово-химических расчетов, и на данный момент возможно их
применение к изучению межмолекулярных взаимодействий, как классических, так и
вторичных, слабых, к исследованию сравнительной устойчивости разных типов ассоциатов и
даже, в ряде случаев, к предсказанию типа кристаллической упаковки.
На протяжении последнего десятилетия подвергаются серьезному переосмыслению
взаимодействия между ароматическим кольцом и различными малыми молекулами. Эти
взаимодействия крайне важны для биологических систем. Они играют очень важную роль в
стабилизации биологических макромолекул, а также для связи ингибиторов в биохимических
рецепторах.
Но, несмотря на значительный интерес к данным взаимодействиям, в особенности в
молекулярной
биологии,
исследования
таких
взаимодействий
в
большей
степени
ограничиваются модельными системами, такими как димеры и тримеры бензола [1] и
пиридина [2,3], смешанные димеры: бензол-фенол, бензол-толуол, бензол-фторбензол,
бензол-гексафторбензол [4,5]. Взаимодействия -системы возможны с широким кругом
6
атомов и/или функциональных групп, таких как система (стекинг), водород (слабая Нсвязь),
неподеленная
пара
заряженного
или
незаряженного
атома.
Исследования
взаимодействий последнего типа начаты в последние годы[6-10]. Нами все три
перечисленных выше вида взаимодействий обнаружены для макроциклических производных
структурно-родственных гетероциклов - изоцианурата и урацила. В установленных нами
структурах
эти
взаимодействия
либо
стабилизируют
определенную
конформацию
макроцикла, либо ответственны за межмолекулярное связывание в кристалле. В рамках
данного этапа реализации проекта нами подробно изучено взаимодействие неподеленная
пара…пи-система с привлечением данных как РСА, так и квантово-химических расчетов..
Такой комплексный подход позволил подтвердить связывающий характер взаимодействия,
установить природу и оценить его энергию.
7
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ
2.1. Установление структуры новых производных азотсодержащих гетероциклов
– пиримидинов и урацилов.
2.1.1 Анализ кристаллической структуры пиримидиноциклофанов, содержащих
атом азота в полиметиленовом мостике: межмолекулярные взаимодействия и
супрамолекулярные ассоциаты
16
15
H
14
O
1 (CH2)5
N
N
13
17
O
7
N
19
(CH2)5
1
(CH2)5
16 1
N
15
17
H
O
14
N
13
O
(CH2)5
7
N
*
19
2
Изучены в сравнении кристаллическая структура пиримидиноциклофанов (1) и (2).
Важно, что соединение (1) не содержит устойчивых элементов хиральности, в то время как
пиримидинофан (2) представляет собой энантиоиндивидуальный изомер, содержащий в
качестве элемента хиральности асимметрический атом углерода С19 заданной конфигурации,
определяемой условиями синтеза.
В кристалле молекулы пиримидинофана (1) находятся в двух энантиомерных формах (
в соотношении 1:1 соответственно симметрии пространственной группы). Конформация
молекул «сложенная», характеризующаяся пространственной сближенностью ортогонально
расположенных ароматических фрагментов (рис.1 –РСА, молекулы A и B).
а)
б)
Рис .1 Две кристаллографически независимые молекулы соединения (1) :а) молекула
А, «левая» энантиомерная форма; б) молекула В, «правая» энантиомерная форма.
8
По данным ЯМР пиримидинофан (1) в растворе также находится преимущественно в
«сложенной» конформации, конформационные переходы, приводящие к инверсии одной
антиподной формы в другую ( т. наз. flip-flop превращения) осуществляются достаточно
медленно во временной шкале ЯМР.
Согласно
современным
стереохимическим
представлениям
[11],
изученные
особенности рассматриваемого пмримидинофана (1) позволяют отнести его к классу
хиральных соединений, а в качестве хирального элемента выделить плоскость урацилового
фрагмента.
Согласно определению, хиральная плоскость характеризуется тем, что у нее можно
различить «верх», «низ», а также «правую» и «левую» стороны. Так, приняв за стандартный
вид рассматриваемой молекулы (1) проекцию на плоскость макроциклического фрагмента,
который находится «над» плоскостью урацилового цикла, а фенильный цикл ориентирован «
на наблюдателя» , можно обозначить «левой» l- (left) ту энантиомерную форму, в которой
метильная группа находится слева, и соответственно «правой» r- (right) ту, в которой
метильная группа расположена справа.
Вызывало теоретический и практический интерес, возможно ли разделение
антиподных форм, то есть существуют ли условия, в которых одна из них могла бы
существовать в индивидуальном виде.
Рассмотрение
кристаллической
упаковки
молекул
(1)
показало
отсутствие
гомохиральных слоев, наличие которых явилось бы указанием на возможность разделения
энантиомерных молекул путем подбора условий кристаллизации с целью получения
конгломерата. Напротив, антиподные молекулы A соединения (1) связаны попарно в
центросимметричные димеры за счет - взаимодействий их урацильных циклов (рис. 2,
параметры взаимодействия: кратчайшее расстояние между плоскостями 3.35 A, между
центрами циклов- 3.80 A), для молекул B такого рода взаимодействий не наблюдается.
Существенные взаимодействия другого рода в кристалле (1) также отсутствуют.
9
а)
б)
Рис. 2. а) Стекинг-димеры пиримидинофана (1) в кристалле, б) диаграмма
перекрывания урацильных циклов в стекинг-димерах.
В продолжение работ по изучению структуры пиримидиноциклофанов нами изучено
строение продукта взаимодействия 1,3-бис(ω-бромпентил) урацила с хиральным амином - R(+)-фенилэтиламином (2). Выделенный продукт реакции количественно закристаллизовался,
полученные монокристаллы изучены нами методом РСА (рис. 3).
Рис. 3. Геометрия независимой молекулы А пиримидиноциклофана (2) в кристалле.
В кристаллической ячейке соединения (2), как и в случае (1), находятся 2
10
кристаллографически независимые молекулы A и B, являющиеся практически полностью
идентичными в пределах погрешности эксперимента, включая одинаковую хиральность как
по асимметрическому атому углерода С19 (R-), так и по второму элементу хиральности –
плоскости. Согласно принятой выше классификации, обе молекулы являются «правыми» (r). Таким образом, «левые» молекулы с (l-) конфигурацией хиральной плоскости в кристалле
макроциклического соединения (2) отсутствуют.
Обращает на себя внимание практически полная схожесть конформации молекул (2) с
изученной ранее молекулой (1). Конформация соединительных цепочек N1-N7 и N13-N7 в
обоих случаях может быть определена как o.g,t,t,g,t и g,g,t,t,g,g соответственно (oортогональное звено, g- гош- или скошенное, t- трансоидное)
По всей видимости, присутствие в кристалле лишь одной диастереомерной формы
показывает, что мы имеем дело с интереснейшим явлением, которое на устаревшем языке
стереохимии было бы определено как асимметрическое превращение второго рода – т.е.
сдвиг равновесия превращения двух диастереомерных форм друг в друга в сторону наиболее
энергетически выгодной с полным удалением ее из раствора, и что в последнее время
принято называть «индуцируемым кристаллизацией асимметрическим превращением»[11].
Представлял интерес сравнительный анализ кристаллических упаковок соединений (1)
и (2).
Как было рассмотрено выше, появление метильной группы у атома С 19 в молекуле
пиримидинофана (2) по сравнению с (1) не вносит изменений в конформацию молекулы, и
принципиально упаковка кристаллов (1) и (2) отличается только наличием в первом случае
равного количества «правых» и «левых» молекул, а во втором – только «правых» в
индивидуальном виде. Нам предоставлялась возможность определить, какие типы
межмолекулярных взаимодействий возможны для только «правых» молекул в условиях
полного отсутствия «левых»,т.е. по существу сравнить гетеро- и гомохиральный способ
упаковки.
Как было упомянуто выше, основным супрамолекулярным мотивом в кристалле (1)
являются центросимметричные стекинг-димеры.
Рассмотрение упаковки кристалла (2) показало, что здесь мы имеем дело с гораздо
большим числом взаимодействий. Фактически оказался задействован каждый потенциальный
центр взаимодействий ( рис.4).
Во-первых,
взаимодействием
соседние
молекулы
(C15AH15A…O14B
(2)
параметры:
попарно
связаны
расстояние
двойным
H15A…O14B
C-H…O
2.46
A,
11
C15AH15A…O14B
1780;
C15BH15B…O14A параметры:
расстояние
H15B…O14A
2.52
A,
C15AH15A…O14B 1670). Такое взаимодействие было невозможно для пары антиподных
молекул (1) , они не могли взаимно ориентироваться должным образом из-за «мешающих»
друг другу фенильных заместителей. В противовес этому, для пары «правых» молекул
кристалла (2) такая взаимная ориентация соответствует достаточно выгодному с точки зрения
- взаимодействия расположению фенильных циклов (параметры … взаимодействия:
кратчайшее расстояние между плоскостями 3.35 A, , между центрами циклов- 4.46 A,
диэдральный угол между плоскостями взаимодействующих циклов 17.490). И в-третьих,
урацильные циклы молекул(2) также оказываются связанными - взаимодействиями
(параметры … взаимодействия: кратчайшее расстояние между плоскостями 3.40 A, ,
между центрами циклов- 4.17 A, диэдральный угол между плоскостями взаимодействующих
циклов 4.170).
Взаимодействия 1-го и 3-го типов являются попарными, а взаимодействия 2-го типа
транслируются вдоль определенного направления в кристалле, в результате совместного
проявления всех взаимодействий связанными друг с другом оказываются все молекулы.
Таким образом, присутствие в кристалле (2) молекул только определенной (r-)
конфигурации хиральной плоскости способствует завязыванию значительно большего
количества межмолекулярных взаимодействий, реализации которых в кристалле (1) мешает
присутствие зеркально симметричных молекул.
Рис. 4. Межмолекулярные взаимодействия в кристалле (2). Пунктиром показаны CH…O связи.
12
1.1.2. Кристаллическая структура криптандоподобного пиримидинофана и
мультипиримидинофана.
Изучена кристаллическая структура двух новых представителей ряда
пиримидинофанов - криптандоподобный пиримидинофан (3) и мультипиримидинофан
циклического строения (4). Это первые представители макроциклов - пиримидинофанов,
содержащих в своем составе производные нуклеотидных оснований, и в частности урацила, в
структуру которых введены внутримолекулярный метиленовый мостик (криптандоподобный
макроцикл
и
3)
межмолекулярные
метиленовые
мостики
(мультимакроцикл
4).
Пиримидинофаны такого строения могут быть использованы в качестве адсорбентов,
переносчиков лекарственных препаратов, нанореакторов.
O
N
Et
(CH2)4
H3C
O
N
O
N
O
O
N
O
(CH2)4
(CH2)4
N
(CH2)4
N
N
CH3
N
N
N
O
N
CH3
(CH2)4
O
(CH2)4
Et
Et
N
CH3
(CH2)4
N
N
(CH2)4
(CH2)4 O
N
(CH2)4
Et
O
(CH2)4
(CH2)4 O
N
N
CH3
O
Et
N
CH3
Et
3
4
Рис. 5. Геометрия молекулы (3) в кристалле на примере молекулы В.
В кристалле макроцикл (3) представлен двумя независимыми молекулами А и В,
13
различия в их конформациях пренебрежимо малы. Так, диэдральный угол между
плоскостями урацильных циклов N1C28C27C26N25C29 (ur1) и N11C12C13C14N15C30 (ur2) для
молекулы А составляет 80.1 (2)0, а для молекулы В 86.8 (2)0. В полиметиленовых
соединительных цепочках превалируют транс-конформации.
Рис.6. Геометрия молекул А и В соединения (3) в кристалле- показано наложение
молекул по атомам урацильного цикла N1C29.
В то же время, различия в кристаллическом окружении молекул А и В более
существенны: в молекуле В оба урацильных цикла участвуют в межмолекулярных π…π
взаимодействиях, в то время как в молекуле А в них участвует только цикл ur1. Так, стекингвзаимодействия реализуются между циклами ur1 молекул А и В, параметры взаимодействия:
кратчайшее межпоскостное расстояние 3.431 Å, расстояние между центрами циклов 3.799(2)
Å, угол между их плоскостями  1.850. Для цикла ur2 молекулы В в кристалле реализуется
взаимодействие с циклом ur2 соседней молекулы B, симметрически связанной центром
инверсии, параметры взаимодействия: кратчайшее межплоскостное расстояние 3.434 Å,
расстояние между центрами циклов Cg…Cg 3.833 Å.
В кристалле наблюдаются свободные полости объемом 85.1 A3.
14
Рис. 7. Геометрия молекулы (4) в кристалле.
Молекула соединения (4), представляющая собой четыре практически плоских
урацильных фрагмента, связанных девятичленными цепочками, в кристаллах находится в
частном положении в центре инверсии. Конформация молекул в кристалле определяется
нековалентными взаимодействиями между урацильными фрагментами, в независимой части
ur1 (N1C2N3C4C5C6) и ur2 (N8C9N10C11C12C13), во второй части - ur1' и ur2' соответственно.
Так, циклы ur2 и ur2’ частично перекрываются друг с другом, при этом расстояние между
плоскостями составляет 3.661Å, а между центрами тяжести циклов – 4.792(2) Å. Угол между
вектором, соединяющим центроиды взаимодействующих циклов и перпендикуляром между
ними
равен
40.190.
Такое
взаимное
расположение
циклов
соответствует
π…π
взаимодействию, которое в большинстве случаев обладает достаточно высокой энергией,
чтобы стабилизировать ту или иную конформацию молекулы. Помимо этого, наблюдается
короткий контакт между атомом кислорода карбонильной группы, входящей в состав цикла
ur2, и урацильным циклом ur1. Расстояние от атома кислорода до центроида ur2 составляет
3.622(4) Å, до плоскости цикла – 3.485 Å. Угол между вектором, направленным от атома
кислорода к центроиду цикла ur1 и его проекцией на этот цикл – 74.180. Таким образом, это
15
взаимодействие представляет собой взаимодействие неподеленная пара…пи- система, также
имеющее достаточно высокую энергию. Таким образом, молекулярная структура (4) в
кристалле определяется взаимодействиями типа пи-система…пи-система и неподеленная
пара…пи-система. Кристаллическая структура (4) представляет собой бесконечные слои,
направленные вдоль оси 0b. Молекулы внутри слоя связаны СН…О взаимодействиями (
расстояние H331…O4=2.59 Å, C33…O4=3.542(5) Å, C33H331…O4=1670), слои связаны между
собой Ван дер Ваальсовыми взаимодействиями.
Рис. 8. Упаковка молекул в кристалле соединения (4). Проекция в плоскости а0с.
Атомы водорода не показаны для ясности рисунка.
1.1.3. Изучение внутри- и межмолекулярных взаимодействий в производных
урацила и структурно-родственного гетероцикла - изоцианурата- с привлечением
квантово-химических расчетов.
Как уже отмечалось выше, наибольший интерес в случае гетероциклических
соединений представляют нековалентные взаимодействия с участием гетероциклических
фрагментов. Так, кристаллическая структура производных урацила достаточно широко
изучена [12-17], и показано, что в большинстве кристаллов этих соединений присутствует
16
π…π взаимодействие между урацильными фрагментами, однако в кристаллах некоторых
производных урацила наблюдается и НЭП…π взаимодействие, представляющее особый
интерес как достаточно мало изученное, но играющее весомую роль в биохимических
процессах. Особенно интересно проанализировать этот тип взаимодействия в производных
урацила, близкого по структуре природным пиримидиновым основаниям. Анализ данных
Кембриджской базы структурных данных показал, что подобное взаимодействие не является
основным структурообразующим для производных урацила, однако встречается достаточно
часто.
Другая картина складывается при анализе данных для структурно родственных
урацильным производных изоцианурата – большинство кристаллов этих соединений
образовано за счет НЭП…π взаимодействий. Сравнительный анализ геометрических
параметров этих взаимодействий в производных урацила и изоцианурата показывает, что
между ними нет никакой принципиальной разницы, и не дает объяснения, почему в случае
изоциануратов основную структурообразующую роль играют НЭП…π взаимодействия, а в
случае урацилов – π…π взаимодействия.
Для более подробного изучения нековалентных взаимодействий в этих системах был
проведен топологический анализ функции распределения электронной плотности в рамках
теории Бейдера «Атомы в молекулах» по данным квантово-химических расчетов для
димеров, образованных π…π и НЭП…π взаимодействиями. Обнаружено, что при расчете
стекинг-димеров во всех случаях происходит смещение циклов таким образом, что они
располагаются строго
друг над другом, в результате чего π…π взаимодействие
характеризуется наличием шести критических точек (3,-1) между взаимодействующими
циклами. Необходимо отметить, что в кристаллах π…π взаимодействия достаточно редко
имеют такую геометрию, в большинстве случаев взаимодействующие циклы несколько
сдвинуты друг относительно друга, что понижает общую энергию взаимодействия. Энергия
π…π взаимодействий для ряда проанализированных производных урацила и изоцианурата,
рассчитанная с использованием корреляции Лекомта-Эспинозы, составляет порядка 1.5
ккал/моль.
Особый интерес представляет подробное исследование взаимодействий типа
неподеленная пара атома…π-система, реализующееся в обоих классах соединений.
Интересной особенностью такого типа взаимодействия при рассмотрении его в рамках
теории Бейдера является существование одной или двух критических точек связи (3,-1) в
зависимости от расположения атома кислорода относительно ароматического фрагмента.
17
Очевидно, данная особенность определяется количеством неподеленных электронных пар
атома кислорода, взаимодействующих с π-системой. Так, в исследованных нами соединениях
встречаются оба варианта взаимодействия, и очевидно, что энергия НЭП…π взаимодействия,
образованного с участием двух НЭП атома кислорода, примерно в два раза превышает
энергию взаимодействия, образованного за счет одной неподеленной пары. Так, энергии
взаимодействий, образованных одной НЭП составляет порядка 1-1.5 ккал/моль, двумя –
порядка 2-3 ккал/моль. Подробный сравнительный анализ НЭП…π взаимодействий в
производных урацила и изоцианурата в рамках геометрического подхода показал, что
геометрические параметры НЭП…π взаимодействий в кристаллах производных урацила
достаточно далеки от тех, которыми характеризуются сильные взаимодействия такого типа.
В частности, расстояния между атомом кислорода и атомами, входящими в состав цикла в
производных урацила, очень близки к сумме их ван-дер-ваальсовых радиусов, тогда как в
производных изоцианурата это расстояние значительно меньше. Таким образом, можно
предполагать и значительную разницу в энергиях НЭП…π взаимодействий в производных
урацила
и
изоцианурата.
Данное
предположение
подтверждается
при
проведении
топологического анализа функции распределения электронной плотности по данным,
полученным в результате квантово-химических расчетов для димеров, образованных за счет
НЭП…π взаимодействий (оптимизация геометрии - PBE1PBE, 6-31G d,p, топологический
анализ - AIMall).
Методом квантово-химических расчетов было подробно изучено по одному
представителю каждого класса, НЭП…π взаимодействия в которых образованы только одной
неподеленной электронной парой атома кислорода – макроцикл с двумя урациловыми и
одним тиминовым фрагментом (5) и производное изоцианурата (6). Их геометрия в
кристаллах приведена на рисунке 9.
18
CH3
O
CH3
O
O
H
N
N
O
O
N
N
CH3
(CH2)5
O
N
O
CH3
N
N
CH3
O
CH2SCH2COOCH3
(CH2)5
N
N
O
CH3
5
6
а)
б)
Рис. 9. а) Геометрия молекулы (5) кристалле, б) димер молекул (6), образованный
взаимодействием неподеленная пара…пи- система.
Так, длина связевого пути в пиримидинофане с двумя урациловыми и одним
тиминовым фрагментом (5) и производном изоцианурата (6) различается более чем на 0.2
A (3.18 A и 2.96 A соответственно). Значения топологических параметров в точках (3,-1)
позволяют охарактеризовать эти взаимодействия как образованные по типу закрытых
оболочек, и оценить их энергию по корреляции Лекомта-Эспинозы: так, энергия НЭП…π
19
взаимодействия в (5) составляет 1.04 ккал/моль, в (6)– 1.42 ккал/моль. Интегрирование
функции распределения электронной плотности по атомным бассейнам позволило оценить
заряды на взаимодействующих атомах кислорода и азота и показало, что оба
взаимодействующих атома заряжены отрицательно и величины зарядов незначительно
отличаются по абсолютной величине. Так, заряды на атомах кислорода, вступающих во
взаимодействие − -1.24e и -1.34e, на атомах азота − -1.26e и -1.04e для (5) и (6)
соответственно.
Таким образом, на паре соединений (5) и (6) было показано, что для производных
изоцианурата взаимодействие неподеленная пара…пи-система характеризуется более
коротким расстоянием и несколько большей энергией по сравнению с производными
урацила.
Рис. 10 Внутримолекулярное взаимодействие неподеленная пара…пи-система: на
примере молекулы (5).
Проведенные квантово-химические расчеты (оптимизация геометрии - PBE1PBE, 631G d,p, топологический анализ - AIMall) для изолированных молекул производных
изоциануратов, содержащих в цепочке заместителя атом кислорода карбонильной или
сульфонильной группы, показали, что возможно возникновение внутримолекулярного
НЭП…π взаимодействия при условии достаточной длины мостика между изоциануратным
циклом
и
электронодонорным
внутримолекулярное
НЭП…π
атомом.
На
взаимодействие
данный
момент
возникает
при
обнаружено,
наличии
что
между
изоциануратным циклом и электронодонорной группой цепочки из 5 атомов. Очевидно,
что образование внутримолекулярного взаимодействия изменяет электронную структуру
соединения по сравнению с аналогами, в которых данное взаимодействие не реализуется,
20
что в свою очередь может оказывать влияние на протекание некоторых химических
реакций.
Таким образом, можно утверждать, что нековалентные взаимодействия с участием
гетероциклических фрагментов, характерные для исследованных классов соединений,
имеют значительные энергии и оказывают влияние на образование супрамолекулярных
структур и протекание химических реакций с участием исследованных соединений
21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На втором этапе проекта установлена и детально изучена структура новых
представителей макроциклических соединений на основе урацила и структурно-родственного
гетероцикла – изоцианурата. На примере двух пиримидиноциклофанов с одним урацильным
фрагментом и атомами азота в соединительных мостиках показано различие в упаковке
макроцикла, не содержащего асимметрического атома углерода, от макроцикла, содержащего
хиральный центр. Показано, что в кристаллической упаковке последнего наблюдается
большее количество взаимодействий. Изучена кристаллическая структура двух первых
представителей пиримидинофанов, содержащих в своем составе производные нуклеотидных
оснований, и в частности урацила, в структуру которых введены внутримолекулярный
метиленовый мостик (криптандоподобный макроцикл) и межмолекулярные метиленовые
мостики (мультимакроцикл).
Методом квантово-химических расчетов показано, что нековалентные взаимодействия
с участием гетероциклических фрагментов имеют значительные энергии и оказывают
влияние на образование супрамолекулярных структур исследованных соединений.
22
Список использованных источников:
1. S. Tsuzuki, K. Honda, T. Uchimaru, M. Mikami, K. Tanabe, Origin of attraction and
directionality of the / interaction: Model chemistry calculations of benzene dimer
interaction, Am. Chem. Soc., 2002, 124, 104;
2. B.K. Mishra, N. Sathyamurthy, - interaction in pryridine, J. Phys. Chem., 2006, A109, 6;
3. M. Piancenza, S. Grimme, Van der Waals Interactions in Aromatic Systems: Structure and
Energetics of Dimers and Trimers of Pyridine, ChemPhysChemm, 2005, 6, 1554;
4. S.
Tsuzuki,
T.
Uchimaru,
M.
Mikami,
Intermolecular
interaction
between
hexafluorobenzene and benzene: Ab initio calculations including CCSD(T) level electron
correlation correction, J. Phys. Chem., 2006, A110, 2027;
5. M.O. Sinnokrot, C.D. Sherrill, Substituent Effects in - Interactions: Sandwich and TShaped Configurations, J. Amer. Chem. Soc., 2004, 126, 7690;
6. M. Egli and R. V. Gessner, Proc. Natl.Acad. Sci. U. S. A., 1995, 92, 180–184.
7. Sanjay Sarkhel, Alexander Rich, and Martin Egli, Water-Nucleobase “Stacking”: H-? and
Lone Pair-? Interactions in the Atomic Resolution Crystal Structure of an RNA Pseudoknot,
J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 8998-8999
8. Tiddo J. Mooibroek, Patrick Gamez and Jan Reedijk, Lone pair…p interactions: a new
supramolecular bond?, CrystEngComm, 2008, 10, 1501-1515.
9. Alok Jain, Chandra Shekhar Purohit, Sandeep Verma, and Ramasubbu Sankararamakrishnan
Close
Contacts
between
Carbonyl
Oxygen
Atoms
and
Aromatic
Centers
in
ProteinStructures: π…π or Lone-Pair…π Interactions?, J. Phys. Chem. B, 2007, Vol. 111,
30, 8680-8683
10. Amrita Das, Somnath Ray Choudhury, Carolina Estarellas, Biswajit Dey, Antonio Frontera,
Joanna Hemming, Madeleine Helliwell, Patrick Gamez and Subrata Mukhopadhyay
Supramolecular assemblies involving anion–π and lone pair–π interactions: experimental
observation and theoretical analysis CrystEngComm, 2011, Advance Article.
11. Э. Илиел, С Вайлен, М.Дойл «Основы органической стереохимии» Москва, 2007.
12. В.Э. Семенов, А.Е. Николаев, Л.Ф.Галиуллина, О.А. Лодочникова, И.А. Литвинов,
А.П. Тимошева, В.Е. Катаев, Д.Р.Шарафутдинова, Ю.Я. Ефремов, А.В. Чернова, Ш.К.
Латыпов, В.С. Резник, Изв. А.Н., сер. Хим, 2006, № 3, c. 539-547.
13. V. Semenov ,A. Gubaidulin, O. Kataeva, O. Lodochnikova, A. Timosheva, V. Kataev, R.
Giniyatullin, A. Nikolaev, A. Chernova, R. Shagidullin, A. Nafikova, V. Mukhina, V.
23
Reznik, Struct. Chem., 2006, 17, № 4, p. 409-417.
14. Лодочникова О.А., Губайдуллин А.Т., Литвинов И.А., Семенов В.Э., Гиниятуллин
Р.Х., Резник В.С., Ж. структурной химии, 2008, 49, №1, С.190-192.
15. V. Semenov, L. Galiullina, O. Lodochnikova, O. Kataeva, A. Gubaidullin, A. Chernova, Yu.
Efremov, Sh. Latypov, V. Reznik, Eur. J. Org. Chem., 2007, Issue 27, P. 4578–4593.
16. Семенов В. Э., Лодочникова О.А., Губайдуллин А.Т., Катаева О.Н., Чернова А.В.,
Ефремов Ю.Я., Харламов С.В., Латыпов Ш.К., Резник В.С., Изв. АН., Серия хим.,
2008, №1, c. 119-131.
17. Ю.К. Воронина, Л.Ф. Сайфина, Е.С. Романова, О.А. Лодочникова, И.А. Литвинов, Ж.
Структурной химии, 2009, 50, №3, С. 608-611.
24