Исследование межмолекулярных взаимодействий с участием современных летучих анестетиков методами низкотемпературной оптической и ЯМР спектроскопии и квантовой химии.: 2021 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

Изучение природы невалентных взаимодействий (водородная и галогенная связи, электростатические, ван дер Ваальсовы взаимодействия), определяющих особенности избирательного связывания двух молекул при образовании слабых комплексов между современными летучими анестетиками (метоксифлюран, фторотан, энфлюран, изофлюран, десфлюран, севофлюран и др.) и молекулами-мишенями, содержащими атомы кислорода (эфиры, альдегиды) и атомы азота (нитрилы, амины) с неподеленными парами, а также пи-электронные системы. Будут получены результаты, указывающие на первостепенную роль процессов молекулярного распознавания в возникновении и развитии анестетического эффекта.

Экспериментальный метод исследований – сочетание низкотемпературной оптической (ИК и КР) и ЯМР спектроскопии. Для интерпретации полученных данных будут использоваться модельные и квантово-химические расчеты. С учетом эффектов ангармонического взаимодействия, а также многообразия конформационных форм будет проведена интерпретация спектров свободных молекул и комплексов, получены их структурные, спектроскопические и термодинамические характеристики. Рассмотрены возможности образования самоассоциатов, а также более сложных комплексов в условиях сильного избытка акцепторных систем.

описание для неспециалистов

Методами низкотемпературной спектроскопии в сочетании с квантово-химическими расчетами изучен ряд систем с невалентными взаимодействиями, включающих современные анестетики и галоген-замещенные модельные соединения.
По материалам 2021 г. опубликовано 4 статьи, результаты доложены в виде 3 докладов на 2 международных конференциях.

основные результаты по проекту в целом

Методами низкотемпературной спектроскопии в сочетании с квантово-химическими расчетами изучен ряд систем с невалентными взаимодействиями, включающих современные анестетики и галоген-замещенные модельные соединения. Основные результаты работы:
1. Методом криоспектроскопии впервые исследованы ИК спектры молекул-анестетиков: метоксифлюрана (CHCl2CF2OCH3) и севофлюрана ((CF3)2-CH-O-CH2F) и их комплексов с водородной связью (ВС) с диметиловым эфиром в растворах в сжиженных благородных газах (Xe, Kr) в широком интервале температур. Из температурной зависимости спектров определена энергия образования комплексов. Показано, что структура спектра в области валентных колебаний v(CH) определяется сильными ангармоническими взаимодействиями по типу резонансов Ферми. Выполнен конформационный анализ для мономеров и комплексов.
2. Проведен теоретический анализ особенностей взаимодействия фторотана (C2HBrClF3) с триметиламином. Получена карта электростатического потенциала фторотана, 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. Таким образом, кроме комплексов с ВС типа СН…N, возможно образование менее прочной галогенной связи типа Hal…N (Hal=Cl, Br).
3. Методами квантовой химии исследованы донорные и акцепторные свойства простых модельных систем, имитирующих взаимодействие анестетиков с молекулами-мишенями, а именно: галоген замещенные метана (CH3Hal (Hal = F, Cl, Br)) при взаимодействиях с HF и FF. Показано, что связи С-Hal могут выступать эффективными донорами электронов при образовании комплексов с ВС (HF) и комплексов с галогенной связью (FF). Обнаружены значительные эффекты антикооперативности на спектроскопических и энергетических характеристиках комплексов, определяемых с помощью спектроскопии ЯМР.
4. Методом ИК спектроскопии систем, изолированных в низкотемпературных матрицах, проведено исследование тонких спектроскопических эффектов, определяемых изменением симметрии окружения молекулы. Для двух изотопологов галоген-замещенного метана CHF3 и CDF3 впервые обнаружено качественное изменение структуры сложных резонансных мультиплетов (Ферми и Дарлинга-Деннисона) в матрицах из аргона и азота. Детальная интерпретация полученных результатов проведена с привлечением результатов квантово-химических расчетов.
5. Исследованы механизмы формирования контуров колебательных полос в спектрах ИК поглощения и комбинационного рассеяния (КР) жидкого тетрафторметана (CF4). Предложен оригинальный теоретический подход с использованием твердотельной модели. Удалось показать, что контур полосы v3 CF4 в спектре КР можно смоделировать в т.н. однофононном приближении с учетом заметного вклада вращения молекул.

По материалам 2020-2021 гг. опубликовано 7 статей, результаты доложены на 5 международных конференциях.

основные результаты по этапу (подробно)

1. С использованием оригинальной методики изучения молекул и комплексов при низких температурах (метод криоспектроскопии [1]) проведено систематическое исследование ИК спектра фторотана (C2HBrClF3), а также его комплексов с азотсодержащей мишенью – триметиламином (ТМА) в растворах в жидком криптоне в интервале температур 118 – 155 K. В экспериментах использовался оптический криостат оригинальной конструкции с набором кювет длиной от 4 до 9 см. Относительное содержание ТМА варьировалась в широком интервале: от 0.1 до 10 концентраций анестетика. В результате, кроме димеров, стабилизированных водородной связью 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. Оказалось, что кроме типичного для атома водорода группы СН заметного положительного заряда, предсказывается также и более слабый эффект уменьшения электронной плотности на пространственно - ограниченной, внешней поверхности тяжелых атомов галогенов (Cl, Br) фторотана. Указанная область соответствует положению т.н. сигма-дырки в распределении электронной плотности. В результате, взаимодействие мишени с отрицательно заряженной областью (сигма-дыркой) галогена приводит к образованию слабой невалентной связи, получившей название галогенной связи. Результаты исследований опубликованы в статьях [2, 3] и доложены на международной конференции [4].

2. Проведен ряд экспериментов как в низкотемпературных растворах (сжиженные благородные газы, CD2Cl2, CS2), так и в газовой фазе, подтверждающих образование димеров между гексафторизопропанолом (ГФИП, (CF3)2CHOH) и двумя простейшими эфирами – диметиловым и диэтиловым. Рассматриваемый фторированный спирт, является метаболитом анестетика широкого применения – севофлюрана. Потенциально ценным свойством ГФИП является его антиприонная активность в прионно-инфицированных клетках [5]. Показано, что он существует в виде двух конформеров (антиперипланарный - ap и синклинальный - 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. Предсказана также принципиальная возможность образования слабых димеров с участием севофлюрана. По материалам данного исследования опубликованы тезисы доклада [6] и готовится публикация.

3. 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 [7].

4. Средствами квантовой химии продолжено исследование геометрических и спектроскопических (в том числе ЯМР) свойств простейших систем с невалентными взаимодействиями, моделирующих особенности проявлений водородной и галогенной связей, которые образуются между молекулами анестетика и молекулами-мишенями. В качестве молекулы-модели анестетика выбран бромистый метил – CH3Br, взаимодействующий с мишенями HF через водородную связь, а с Cl2 и F- – через галогенную. Обнаружены эффекты антикооперативности на длинах невалентных связей, прочности каждой связи и на спектральных характеристиках (химические сдвиги, частоты колебаний). Дальнейшее развитие получили представления о совместном действии невалентных взаимодействий различного происхождения при захвате мишенями галогенсодержащих анестетиков. Предполагается, что смоделированные эффекты будут обнаружены при исследовании спектров ЯМР модельных систем. Результат работы доложен на конференции [8], материал готовится к публикации.

5. В рамках плана второго года проекта была выполнена работа по получению и анализу спектров отражения модельных галоидосодержащих систем с сильным дипольным поглощением, в частности, относительно простых молекул (CF4 и C2F6) в жидкой фазе и в пластическом кристалле.
а) При интерпретации полученных ранее ИК и КР спектров низкотемпературной конденсированной системы CF4 (жидкость, альфа- и бета-кристаллы) в области полос с участием колебания v3 (CF) учитывалось резонансное диполь-дипольное взаимодействие молекул в условиях конденсированной среды. Было показано, что заметный вклад в формирование контуров этих полос вносит внутримолекулярный резонанс Ферми. По результатам проделанной работы опубликована статья [9].

б) С использованием методики осаждения вещества из газовой фазы на охлажденное позолоченное зеркало при температурах 10 – 20 К получен спектр отражения/поглощения тонкой пленки C2F6 в α-кристаллической фазе. С целью построения модельного спектра этой системы разработана программа в приближении , что коэффициент отражения от металла равен 1, а изменение фазы излучения при отражении равно pi. Сравнение экспериментального и модельного спектра показало, что такой подход является слишком приближенным и в настоящее время разрабатывается программа, которая позволит рассчитывать спектр более точно. Работа будет продолжена и опубликована в 2022 г.

в) Начата работа по регистрации спектров 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.

г) 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.

Список литературы:
1. "Molecular Cryospectroscopy" in Advances in spectroscopy, v.23, ed.by: R.J.H. Clark and R.E. Hester, John Wiley & Sons Chichester, New York, 1995, 311 p.
2. S.M. Melikova, K.S. Rutkowski, K. Orzechowski, M. Rospenk, J. Mol. Struct., 2021, 1243, 130766.
3. С.М. Меликова, К.С. Рутковский, Опт. и спектроскопия, 2021, 129(4), 454-461.
4. S.M. Melikova, K.S. Rutkowski, K. Orzechowski, M. Rospenk, Trimer formation between halothane and trimethylamine, stabilized by hydrogen and halogen bonds. Cryospectroscopic and ab initio studies, Chemistry in a Confined Space, European Meeting on Physical Organic Chemistry (EMPOC), Wroclaw-Karpacz, Poland, 13-17 September 2021, P.43.
5. T. Shimizu, E. Nogami, Y. Ito, K. Morikawa, M. Nagane, T. Yamashita, T. Ogawa, F. Kametani, H. Yagi, N. Hachiya, Neurochemical Research, 2021, 46, 2056-2065.
6. S.M. Melikova, K.S. Rutkowski, K. Orzechowski, M. Rospenk, Complex formation between 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol and dimethyl ether verified by FTIR spectroscopic measurements and ab initio calculations, Chemistry in a Confined Space, European Meeting on Physical Organic Chemistry (EMPOC), Wroclaw-Karpacz, Poland, 13-17 September 2021, P. 42.
7. С.М. Меликова, К.С. Рутковский, Д.Н. Щепкин, S. Macholl, W.A. Herrebout, Опт. и спектроскопия, 2021, 129(8), 1019-1026.
8. M.A. Kostin, P.M. Tolstoy, S.M. Melikova, The study of non-covalent interactions in complexes of CH3Br by quantum-chemical calculations, Magnetic resonance and its applications: Proceedings of 18th International School-Conference, Saint Petersburg, Russia, 29.03.2021-02.04.2021, p. 216-217.
9. О.С. Голубкова, Т.С. Катаева, Д.Н. Щепкин, Т.Д. Коломийцова, Опт. и спектроскопия, 2021, 129 (3), 282-291.

основные результаты по этапу (кратко)

Изучен ряд систем с невалентными взаимодействиями, включающих современные анестетики и галоген-замещенные модельные соединения. Основные результаты работы:
1.Методом криоспектроскопии впервые проведено систематическое исследование ИК спектра фторотана, а также его комплексов с триметиламином (ТМА) в растворах в жидком криптоне в широком диапазоне температур и относительных концентраций ТМА. Экспериментальные данные подтверждают присутствие в растворе тримеров 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). Наблюдаемый результат подтверждается серией квантово-химических расчетов.
2.Проведен ряд экспериментов как в низкотемпературных растворах (сжиженные благородные газы, CD2Cl2, CS2), так и в газовой фазе, подтверждающих образование димеров между гексафторизопропанолом (ГФИП, (CF3)2CHOH) и двумя простейшими эфирами – диметиловым и диэтиловым. 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.
3.С использованием метода криоспектроскопии был получен спектр раствора CHF3 в сжиженном криптоне в основной и обертонной области, вплоть до переходов третьего порядка по валентной моде vs(CH). Особенности спектра объясняются наличием последовательности резонансов Ферми vs с обертоном деформационного колебания (vs=2vb). Показано, что для корректного описания резонансных мультиплетов при высокой степени колебательного возбуждения необходимо учитывать зависимость от колебательных квантовых чисел кубической постоянной взаимодействия a_sbb.
4.Средствами квантовой химии продолжено исследование геометрических и спектроскопических (в том числе ЯМР) свойств простейших систем с невалентными взаимодействиями, моделирующих особенности проявлений водородной и галогенной связей, которые образуются между молекулами анестетика и молекулами-мишенями. На примере модельной системы CH3Br...HF обнаружены эффекты антикооперативности на длинах невалентных связей, прочности каждой связи и на спектральных характеристиках (химические сдвиги, частоты колебаний).
5.Были получены и проанализированы спектры отражения модельных галоидосодержащих систем с сильным дипольным поглощением (CF4 и C2F6, SF6) в жидкой фазе и в пластическом кристалле.

По материалам 2021 г. опубликовано 4 статьи, результаты доложены в виде 3 докладов на 2 международных конференциях.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Меликова С.М. доцент 25%
Рутковский К.С. профессор 25%
Щепкин Д.Н. доцент 15%
Голубкова О.С. нс 10%
Катаева Т.С. асп.10%
Костин М.А. асп. 15%

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается
АкронимRFBR_a_2020 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания23/03/2128/12/21

Ключевые слова

  • ингаляционные анестетики
  • водородная связь
  • галогенная связь
  • ик спектроскопия
  • ЯМР спектроскопия
  • межмолекулярные взаимодействия
  • резонансное диполь-дипольное взаимодействие
  • криорастворы
  • структура комплексов
  • ангармоничность

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.