1. С использованием методики криоспектроскопии впервые проведено исследование ИК спектра метоксифлюрана (CHCl2CF2OCH3), а также его комплексов с кислородсодержащей мишенью – диметиловым эфиром (ДМЭ) в растворах в жидком ксеноне в интервале температур 160 – 200 K. В экспериментах использовался оптический криостат оригинальной конструкции с набором кювет длиной от 4 до 9 см. В области валентных колебаний СН и СН3 групп метоксифлюрана обнаружено несколько полос поглощения. Из них выделены фундаментальные полосы v1(CH3as), v2(CH3as), v3(CH) и v4(CH3sym), а также обертона деформационных колебаний метильной группы 2v(CH3). Наиболее надежным индикатором образования комплекса со слабой ВС типа Cl2СН…О оказалась новая, интенсивная полоса с низкочастотной стороны от 3(CH). Энергия образования такого комплекса, определенная из экспериментальной температурной зависимости относительных концентраций мономеров и комплекса составляет 4 ккал/моль. Согласно квантово-химическим расчетам из первых принципов (ab initio), выполненным на уровне MP2/6-311++g(df,pd) метоксифлюран имеет 4 конформера, из них два наиболее стабильны и имеют заметную заселенность при температурах эксперимента. Показано, что резонансы Ферми между переходами первого и второго порядка определяют особенности ИК спектра в области симметричного валентного CH3 колебания метоксифлюрана. Результаты работы опубликованы в статье [1].

2. С использованием метода криоспектроскопии изучены комплексы севофлюрана ((CF3)2-CH-O-CH2F) – одного из наиболее популярных и востребованных ингаляционных анестетиков в современной инвазийной хирургии. Как и в случае метоксифлюрана, ИК спектроскопия этого галогенированного эфира осложнена резонансами Ферми, в частности в области валентных колебаний групп СН и CH2.
а) Комплекс севофлюран-ДМЭ исследован в растворах в сжиженном криптоне в широком интервале температур. ДМЕ является практически идеальной моделью кислородсодержащего акцептора – мишени для севофлюрана. Обнаружен ряд новых полос, приписанных комплексам с ВС. Наиболее информативной является область валентных колебаний СН и СD донора и мишени соответственно. Экспериментальные наблюдения подкреплены результатами расчетов ab initio, выполненных на уровне MP2/6-311++G(2df,2pd). Предсказана возможность образования двух форм комплекса, стабилизируемых ВС типа О…НС, и, дополнительно, контактами Ван дер Ваальсовского типа. Относительная заселенность этих форм составляет 1 : 10-5 при T ~ 120 K. т.е. в спектроскопическом эксперименте проявляется только одна наиболее стабильная форма. Результаты работы опубликованы в статье [2].

б) Комплекс севофлюран-ацетон, который является естественным метаболитом человеческого организма, исследован в растворе в сжиженном ксеноне, что позволило увеличить растворимость компонентов. Проанализировано влияние колебательных резонансов, приводящих к сдвигам и изменению интенсивностей полос валентных колебаний, а также появлению новых, относительно сильных, полос второго порядка. При образовании комплекса в области валентных колебаний СН севофлюрана обнаружены 4 новые заметно уширенные полосы. Для анализа полученных результатов как и для мономера оказалось необходимым провести детальный ангармонический анализ с учетом резонансов Ферми и Дарлинга−Деннисона. Стабилизация наиболее устойчивых структур комплекса происходит при участии невалентных взаимодействий между атомом Н группы СН севофлюрана и атомом О ацетона. Дополнительная стабилизация связана с контактами между атомами D и F ацетона и севофлюрана соответстветственно. Результаты работы опубликованы в статье [3] и доложена на конференции [4].

3. Проведены теоретические исследования в области поиска невалентных взаимодействий, на основе свойств электронной оболочки, присущих тяжелым галогенам (Cl, Br, I) на примере молекулы фторотана (C2HBrClF3) [5]. Расчеты проводились с использованием как подходов, основанных на теории функционала плотности (DFT), причем протестирован ряд функционалов с эмпирическим учетом дисперсионной составляющей в потенциале, так и ab initio, базирующихся на теории возмущения Møller-Plesset (MP2). Для тестовых вычислений использовались умеренные валентно-расщепленные базисные наборы Поппла (6-31++G(d,p)). В случае йода возникла необходимость в использовании специальных базисных наборов (например, DGDZVP). Показано, что, хотя максимальный положительный заряд предсказывается в области атома водорода связи С-Н, небольшой положительный заряд локализуется также по направлению сигма-дырок у атомов хлора и особенно брома. Расчеты показали, что такое распределение заряда, может привести к образованию комплексов с т.н. галогенной связью. К сожалению, прочность таких комплексов заметно ниже прочности системы с ВС, образуемой, например, между СН донором фторотана и атомом азота триметиламина ((CD3)3N), в результате в ИК спектрах смесей молекул-мишеней с избытком фторотана, даже при минимальных температурах эксперимента, обнаруживаются лишь комплексы с ВС типа СН…В.

Экспериментальное исследование ИК спектра фторотана и его комплексов с ТМА в растворах проводилось в жидком криптоне в интервале температур 118 – 155 K. Относительное содержание ТМА варьировалась в широком интервале: от 0.1 до 10 концентраций анестетика. В результате, кроме димеров, стабилизированных ВС типа СН…N и, дополнительно, ван дер Ваальсовыми контактами, удалось зарегистрировать тримеры с участием двух молекул ТМА и одной молекулы анестетика. Причем, в стабилизации тримеров, кроме известной уже водородной связи СН…N, участвует и галогенная связь CHal...N (Hal = Cl, Br). Повышение температуры криораствора сопровождается смещением равновесия в сторону димеров и далее мономеров, – свободных молекул, анестетика и мишеней. Такой характер обратимых взаимодействий «таргетного» типа подтвержден серией квантово-химических расчетов во втором порядке теории возмущений МР2 с корреляционно согласованными базисными наборами Дуннинга, дополненными диффузными функциями. С использованием опции “pop=full” версии программы G 16 проведен анализ зарядового распределения на поверхности атомов, составляющих молекулы анестетика и мишени [6-8].

Кроме того, проведены квантово-химические расчеты комплексов десфлюрана с такими кислородсодержащими акцепторами, как диметиловый эфир и ацетон, а также фтористый метил. Как и в случае энфлюрана, две СН связи десфлюрана выполняют роль слабых доноров протона. Расчеты (MP2/6-311++G(2d,2p)) предсказывают сосуществование нескольких (трех, в случае диметилового эфира) структур, дополнительно стабилизируемых за счет ван-дер-Ваальсовских контактов между галогенами анестетика и атомами водорода молекулы-мишени. Такая дополнительная стабилизация может играть важную роль при встраивании анестетика в разветвленную структуру молекулы-мишени. Энергия образования для различных структур находится в пределах 4 – 6 ккал/моль, что соответствует слабой ВС, обнаруживающей в ряде случаев (диметиловый эфир, фтористый метил) нетипичные свойства (высокочастотный сдвиг, укорочение связи СН).

4. Проведено исследование комплексов фторотана в ряде систем методами жидкостной спектроскопии ЯМР при различных температурах.
а) Исследованы смеси фторотана с ацетоном в гексане при комнатной температуре и растворы фторотана в ДМЭ при комнатной температуре и при 140 К [16]. В случае ДМЭ приготовление раствора велось при повышенном давлении (6 ata). Для сравнения исследовались также ЯМР спектры растворов фторотана в ДЭЭ при комнатной температуре. Были зарегистрированы спектры 1H, 13C, 19F ЯМР для растворов фторотана в эфирах, а также, для сравнения, в гексане. Концентрация фторотана в растворах составила 5∙10-3 моль/л. В качестве эталонного сигнала в спектрах использовался сигнал тетраметилсилана (ТМС). Образование комплексов установлено по изменению спектральных характеристик: констант спин-спинового взаимодействия между атомами F и H (3JFH), C и H (1JCH) в спектрах 1H ЯМР и между атомами F и C (1JCF и 2JCF) в спектрах 13C ЯМР. В спектрах 1H ЯМР растворов фторотана наблюдается квартет сигналов в области 5.5 – 7 м.д. При этом, для растворов в эфирах квартет смещается в слабое поле по сравнению с гексаном. Значение константы спин-спинового взаимодействия 3JFH для раствора в гексане составило 5.2 Гц, а в ДМЭ и ДЭЭ - 5.6 Гц. Константа спин-спинового взаимодействия 1JCH = 176.2 Гц , 180.8 Гц, 181.2 Гц соответственно в растворах в гексане, ДЭЭ и ДМЭ. Таким образом, из сравнения спектров ЯМР растворов в эфирах и в гексане было установлено увеличение констант спин-спинового взаимодействия 3JFH, 1JCH и уменьшение констант спин-спинового взаимодействия 1JCF, 2JCF вследствие образования комплексов фторотана с молекулами растворителя. Установлено, что фторотан образует комплексы с ВС с молекулами ацетона и эфиров в растворе. Прочность связи в комплексах с ацетоном ~2.5 ккал/моль. При температуре 140 К происходит замедление вращения группы CF3, по-видимому, вследствие образования дополнительных контактов ван-дер-Ваальсовского типа между группой CF3 и протонами групп CH3 эфира. Показано, что наиболее информативными внутренними ЯМР параметрами фторотана являются δ1H, δ13C, δ19F и 1JCH. Эти параметры могут быть использованы для обнаружения слабых взаимодействий фторотана с молекулярными мишенями.

б) Исследованы смеси фторотана с триэтиламином (ТЭА) в смеси сжиженных дейтерированных газов-фреонов CDF3/CDF2Cl при трех температурах: 298К, 120К и 100К и в недейтерированном диметиловом эфире (ДМЭ) при двух температурах: 298К и 140К (вблизи температуры замерзания раствора). Концентрация фторотана в серии образцов с ТЭА составила 0.1 моль/л, а в серии образцов с ДМЭ – 0.3 моль/л. Были зарегистрированы спектры 1H и 19F, определены химические сдвиги ядер 1H и 19F и константы спин-спинового взаимодействия 3JFH и 1JCH. При температуре 140 К в ДМЭ и при температуре 120К в смеси фреонов наблюдаются отдельные сигналы от каждого атома фтора, сигналы сильно уширены, их мультиплетная структура обнаруживается в смеси фреонов при 100К. Этот эффект объясняется замедлением вращения группы CF3 из-за взаимодействий атомов фтора с молекулами растворителя, наиболее вероятно, что образуются ВС вида C–F∙∙∙H с атомами водорода растворителя. Показано, что в растворах образуются комплексы фторотана и ТЭА с ВС вида C–H∙∙∙N.

Результаты измерений для систем фторотан/В, где В = ацетон, ТЭА, ДМЭ, указывают на образование слабых комплексов с ВС типа СН…В, дополнительно стабилизируемых контактами ван-дер-Ваальсовского типа, что находится в соответствии с результатами, полученными методом ИК криоспектроскопии.

5. С использованием метода ИК спектроскопии проведен ряд экспериментов в низкотемпературных растворах (сжиженные благородные газы, CD2Cl2, CS2), а так же в газовой фазе, подтверждающих образование димеров между гексафтор-изо-пропанолом (ГФИП, (CF3)2CHOH) и двумя простейшими эфирами – диметиловым (ДМЭ) и диэтиловым (ДЭЭ). Рассматриваемый фторированный спирт является метаболитом анестетика широкого применения – севофлюрана. Показано, что ГФИП существует в виде двух конформеров (антиперипланарного - ap и синклинального - sc). Причем, в газовой фазе при комнатной температуре концентрация данных конформеров сопоставима. Однако, в растворах и при понижении температуры компонент (ap) становится преобладающим. Квантово-химические расчеты, проведенные на уровне MP2/aug-cc-pvdz, подтверждают экспериментальные наблюдения. Проведен подробный конформационный анализ, получены геометрические параметры и оценены энергии образования комплексов [9], в частности, принципиальная возможность образования слабых димеров с участием севофлюрана. Кроме того, получены ИК спектры в области переходов до третьего порядка включительно по моде v(OH), определены ангармонические постоянные и моменты переходов [10].

6. Методами жидкостной спектроскопии ЯМР исследованы спектральные проявления ВС в комплексах ГФИП и ДЭЭ. В качестве растворителя использовалась смесь сжиженных дейтерированных фреонов CDF3/CDF2Cl. Концентрация исследуемых соединений в растворе составляла 0.1 моль/л. Были зарегистрированы спектры 1H, 19F ЯМР при комнатной температуре, при 120К и 100К. При понижении температуры химический сдвиг сигнала протона группы CH спирта не изменялся. Химический сдвиг сигнала протона группы OH сдвигался в слабое поле на 2.9 ppm и значительно уширялся, что свидетельствует об образовании прочной ВС. В случае ГФИП сигнал фтора остается синглетом при 120К и 100К, что позволит в дальнейших исследованиях использовать δ19F для диагностики невалентных взаимодействий в широком диапазоне температур.

7. Рассмотрены особенности формирования ИК спектров поглощения молекулы фтороформа (CHF3), как простейшей системы, моделирующей невалентные взаимодействия типа СН…В, характерные для рассматриваемого ряда анестетиков. С использованием метода криоспектроскопии был получен спектр раствора CHF3 в сжиженном криптоне при T=118K в основной и обертонной области, вплоть до переходов третьего порядка по валентной моде vs(CH). Показано, что особенности спектра фтороформа удается объяснить с учетом последовательности резонансов Ферми vs с обертоном деформационного колебания (vs=2vb). Для корректного описания резонансных мультиплетов при высокой степени колебательного возбуждения необходимо привлечение расширенного набора спектроскопических параметров. В частности, необходимо учитывать зависимость от колебательных квантовых чисел ангармонической постоянной взаимодействия sbb. Материал опубликован в статье [11].

На примере молекул CHF3 и CDF3, изолированных в низкотемпературных матрицах проведено исследование спектроскопических эффектов, связанных с изменением симметрии окружения молекулы [12]. В аргоновой матрице симметрия молекулы сохраняется, в азотной матрице - понижается с C3v до Cs, в результате наблюдается расщепление полос вырожденных колебаний. Проведен квантово-химический расчет, получена ангармоническая поверхность потенциальной энергии и функции дипольного момента молекул. Проведенный анализ ангармонических взаимодействий (резонансы Дарлинга-Деннисона 22/2+5/25 (А1, E)) в спектре CHF3 и сложный резонанс Ферми 1/22/24/3+4+6/23+26/4+5/3+5+6 (A1, E) в спектре CDF3) позволил впервые детально интерпретировать сложные резонансные мультиплеты в ИК спектре обоих изотопологов фтороформа, предсказать наблюдаемые в азотной матрице дополнительные расщепления колебательных полос и появление «запрещенных» компонент.

8. Для оценки перспективности дальнейших экспериментальных исследований выполнены квантово-химические расчеты для ряда систем Хе + В (B=бензол, фенол, ГАМК, ГФИП). Расчеты проводились с использованием специальных базисных наборов и псевдопотенциалов для учета релятивистских поправок у тяжелых атомов. Анализ показал, что Хе образует слабые комплексы при взаимодействиях с рядом мишеней. Найдены оптимальные геометрии, энергии, геометрические параметры и частоты бинарных комплексов. Так например, энергия комплексообразования с поправкой на ошибку суперпозиции базы (BSSE) составила: -1.8 ккал/моль для В = бензол и фенол, причем основной вклад в стабилизацию системы дает взаимодействие Хе с пи-электронной системой бензольного кольца; от -1.3 до -0.8 ккал/моль для В = ГАМК в зависимости от преимущественного контакта ван-дер-Ваальсовского типа между Хе и атомами Н кислоты; -1 ккал/моль для ГФИП с контактом ван-дер-Ваальсовского типа между Хе и атомом Н гидроксильной группы. Сделан вывод о возможности детектирования слабых комплексов Хе…В в пучковых экспериментах. Следует отметить, что спектроскопические эффекты сдвига частоты, уширения и изменения интегральной интенсивности полос молекул мишеней в криорастворе в Хе имеют наблюдаемую величину. Причем межмолекулярные взаимодействия, стабилизирующие слабые димеры, в основном определяются индуцированным дипольным моментом и дисперсией, которые имеют характер притяжения.

Экспериментальную часть исследования ЯМР спектров Xe не удалось провести в связи с возникшими трудностями по обслуживанию импортного оборудования для низкотемпературной ЯМР спектроскопии.

9. Методами квантовой химии проведена серия численных экспериментов для простых модельных систем со связями C-Hal. Эти соединения содержат C-Hal группу и способны имитировать водородные, а в случае тяжелых галогенов (бром, йод) и галогенные связи, присутствующие в комплексах, образованных молекулами анестетиками. В первой серии исследовались донорные и акцепторные свойства галоген замещенных метана (CH3Hal (Hal = F, Cl, Br)) при взаимодействиях с HF и F2 и Cl2 [13, 14]. Было показано, что фтористый метил, хлористый метил и бромистый метил могут служить эффективными донорами электронов для трех молекул-партнеров при образовании комплексов с водородными связями (HF) или комплексов с галогенными связями (F2 и Cl2). При изучении спектроскопических маркеров (химических сдвигов) и энергий комплексообразования обнаружены значительные эффекты антикооперативности на этих параметрах. Было показано, что направление невалентной связи в данных случаях определяется анизотропией распределения электронной плотности вокруг центрального атома галогена и последующими изменениями анизотропии при образовании водородных или галогенных связей. Дополнительно было исследовано влияние галогенной связи F- с бромистым метилом (атом брома выступает акцептором электронов) на электронодонорные свойства атома брома для HF (с образованием ВС) и для Cl2 (с образованием галогенных связей). Обнаружены эффекты антикооперативности на длинах невалентных связей, прочности каждой связи и на спектральных характеристиках (химические сдвиги, частоты колебаний). Развито представление о совместном действии невалентных взаимодействий различного происхождения при захвате мишенями галогенсодержащих анестетиков [15].

10. Получены и проанализированы спектры отражения простых галоидосодержащих молекул в жидкой фазе и в пластическом кристалле.
а) Исследованы механизмы формирования контуров колебательных полос в спектрах ИК поглощения и комбинационного рассеяния (КР) жидкого CF4. Предложен оригинальный теоретический подход с использованием твердотельной модели. Удалось показать, что контур полосы 3 CF4 в спектре КР можно смоделировать в т.н. однофононном приближении с учетом заметного вклада вращения молекул. Показано, что в спектре ИК поглощения контур этой полосы определяется сверткой ТО (поперечной оптической) ветви с контурами вращения. Проанализированы особенности формирования контуров в области составных с 3 колебаний. По результатам работы опубликована статья [17].

б) С использованием техники напыления вещества на металлическую зеркальную поверхность и последующим отжигом получены низкотемпературные спектры отражения/поглощения тонких пленок кристаллов SF6 (при 10-100К) и поглощения жидкого SF6 в слое 90 мкм вблизи точки плавления (222 К). Исследовалась эволюция формы контуров полос, соответствующих переходам второго и третьего порядка, при изменении температуры и при фазовых переходах. Форма контура изучаемых полос моделировалась с учетом механизмов вращательного уширения и резонансного диполь-дипольного взаимодействия. Контур полосы 3v6 SF6 определяется в основном вращательным уширением, что позволило оценить время корреляции углового момента для условий эксперимента в жидкой и кристаллической фазе [18].

Проведена интерпретация спектров и определены изотопные сдвиги в спектрах отражения/поглощения изотопологов 32SF6 и 34SF6 в тонких пленках в альфа-кристаллической и бета-кристаллической фазах.

С использованием той же техники напыления вещества на металлическое зеркало при температурах 10 – 20 К получен спектр отражения/поглощения тонкой пленки C2F6 в α-кристаллической фазе. Проанализированы различные механизмы формирования контуров полос колебательных переходов.

в) Зарегистрированы спектры отражения/поглощения пластических кристаллов SF6 и СО2 при низких температурах в виде пленок в толстом поглощающем слое (~15-20 мкм). С целью определения оптимальных условий записи спектра проведен анализ скоростей напыления и температурных режимов. Для сравнения экспериментальных и модельных спектров составлена программа для расчета Давыдовского расщепления на основных колебаниях в спектре кристаллической двуокиси углерода. Результаты работы доложены на конференции [19].