Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 229.12 Kb.
|
1 2
Министерство образования и науки Российской Федерации
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 2 этапа Государственного контракта № 14.740.11.1027 от 23 мая 2011 г.
Казань 2011 г. 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
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 «структура-свойство» 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 структурно-родственного гетероцикла - изоцианурата. Проанализированы все реализующиеся в кристалах внутри- и межмолекулярные взаимодействия: неподеленная пара...пи-система, пи-система...пи-система, C-H...O водородные связи, выявлены основные супрамолекулярные ассоциаты. 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 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 атомов и/или функциональных групп, таких как система (стекинг), водород (слабая Н-связь), 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. 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   1 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. 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.   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 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 (o-ортогональное 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 С19 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, соседние молекулы (2) попарно связаны двойным C-H…O взаимодействием (C15AH15A…O14B параметры: расстояние H15A…O14B 2.46 A, 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 C-H…O связи. 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 3) и межмолекулярные метиленовые мостики (мультимакроцикл 4). Пиримидинофаны такого строения могут быть использованы в качестве адсорбентов, переносчиков лекарственных препаратов, нанореакторов.   | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 2
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... ... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (Ленина)» |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур ран |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... |
| 1. Банковский сектор2 Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
