Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

3 4 Рис. 5. Геометрия молекулы (3) в кристалле на примере молекулы В. В кристалле макроцикл (3) представлен двумя независимыми молекулами А и В, 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, стекинг-взаимодействия 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. 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 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 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. 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. 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 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, 6-31G 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 атомом. На данный момент обнаружено, что внутримолекулярное НЭП…π взаимодействие возникает при наличии 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, 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 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. Список использованных источников: 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; B.K. Mishra, N. Sathyamurthy, - interaction in pryridine, J. Phys. Chem., 2006, A109, 6; M. Piancenza, S. Grimme, Van der Waals Interactions in Aromatic Systems: Structure and Energetics of Dimers and Trimers of Pyridine, ChemPhysChemm, 2005, 6, 1554; 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; M.O. Sinnokrot, C.D. Sherrill, Substituent Effects in - Interactions: Sandwich and T-Shaped Configurations, J. Amer. Chem. Soc., 2004, 126, 7690; M. Egli and R. V. Gessner, Proc. Natl.Acad. Sci. U. S. A., 1995, 92, 180–184. 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 Tiddo J. Mooibroek, Patrick Gamez and Jan Reedijk, Lone pair…p interactions: a new supramolecular bond?, CrystEngComm, 2008, 10, 1501-1515. 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 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. Э. Илиел, С Вайлен, М.Дойл «Основы органической стереохимии» Москва, 2007. 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. 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. Reznik, Struct. Chem., 2006, 17, № 4, p. 409-417. 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. 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. 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. Ю.К. Воронина, Л.Ф. Сайфина, Е.С. Романова, О.А. Лодочникова, И.А. Литвинов, Ж. Структурной химии, 2009, 50, №3, С. 608-611.

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...