Целью проекта является подробное и систематическое изучение неклассических типов нековалентных взаимодействий с участием pi-электронной системы оксадиазольного кольца, включая анализ кристаллических структур, содержащихся в специализированных базах данных, синтез новых органических и координационных соединений, а также получение сокристаллизатов, в том числе, с люминесцентными комплексами платины.
Производные оксадиазолов широко применяются во многих областях научно-технической деятельности. В частности 1,3,4-оксадиазолы являются «золотым» структурным элементом в оптоэлектронике и светоизлучающих материалах, а противовирусный препарат Ралтегравир, содержащий также 1,3,4-оксадиазольный цикл, входит в число самых прибыльных продуктов Мерк и Ко. В свою очередь 1,2,4-оксадиазолы прежде всего важны своей крайней востребованностью в биомедицинских исследованиях и входят в состав многих терапевтических агентов. Более того в последние годы они стали активно изучаться и в контексте разработки новых материалов. Например, опубликован большой цикл работ по высокоэнергетическим соединениям, одним из ключевых структурных элементов которых служит 1,2,4-оксадиазол.
Хотя понимание того, что pi-электронные ароматические системы способны быть участниками нековалентных взаимодействий сложилось достаточно давно, их способность выступать донорами pi-дырки (pi-hole, pi(h)) установлена относительно недавно.
Исследований, посвященных изучению люминесценции супрамолекулярным метллокомплексным люминофорам, образованных за счёт неклассических типов нековалентных взаимодействий крайне мало.
В рамках настоящего проекта предполагается провести полномасштабный анализ содержащих оксадиазольный мотив кристаллических структур, которые представлены в специализированных базах данных (включая базу кристаллизованных белков). Кроме того, планируется наработать значительное количество новых кристаллических объектов на основе ранее синтезированных заявителем оксадиазолов или за счёт впервые полученных соединений. Синтез последних будет проводиться преимущественно в соответствии с разработанными заявителем протоколами. Настоящее исследование не будет ограничено исключительно органическими молекулами, но также охватит металлокомплексные и координационные соединения, содержащие оксадиазольный цикл.
На завершающем этапе исследования будет проведена сокристаллизация перфторфенилзамещённых оксадиазолов с координационными соединениями, включая люминесцентные комплексы платины(II). Анализ полученных сокристаллических структур позволит выявить эффект, оказываемый pi-дырка–[Pt] взаимодействием на фотофизические параметры системы.
Цель проекта - идентификация новых типов взаимодействий между молекулами химических веществ и определение их влияния на светоизлучающие свойства материалов.
В результате поиска по кембриджской базе структурных данных было найдено 459 структур для 1,3,4-оксадиазола (в 170 случаях расстояние между атомом галогена и оксадиазольной системой меньше суммы Ван-дер-Ваальсовых радиусов по Бонди + 0.2 Å), 91 структура для 1,2,5-оксадиазола (в 54 случаях расстояние между атомом галогена и оксадиазольной системой меньше суммы Ван-дер-Ваальсовых радиусов по Бонди + 0.2 Å) и 100 структур для 1,2,4-оксадиазола (в 37 случаях расстояние между атомом галогена и оксадиазольной системой меньше суммы Ван-дер-Ваальсовых радиусов по Бонди + 0.2 Å).
Основываясь на значении угла R–Hal•••оксадиазол найденные примеры были разделены на галогенную связь (150–180 °С) и lp•••π взаимодействия (65–115 °С). По данным критериям галогенная связь наблюдается в 55 структурах, а lp•••π взаимодействие в 195. Таким образом, видно, что основной тип взаимодействий оксадиазольной системы с галогенами это lp•••π, то есть взаимодействие между неспаренной парой электронов галогена π(hole) оксадиазола.
Был разработан способ синтеза аминов, содержащих оксадиазольный фрагмент, взаимодействием амидоксимов с эфирами ароматических аминокислот в системе NaOH-ДМСО.
Взаимодействием хлорангидрида пентафторбензойной кислоты с гидразингидратом был синтезирован соответствующий диацилгидразид, который далее обрабатывали п-толуолсульфонил хлоридом в присутствии триэтиламина, что приводило к образованию 2,5-бис(перфторфенил)-1,3,4-оксадиазола.
По разработанному ранее методу синтезирован ряд из 6 N-пиридилмочевин, содержащих 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель. Для всех 6 соединений были получены монокристаллы, которые были исследованы методом РСА. Анализ кристаллографических данных показал наличие различных нековалентных взаимодействий с участием оксадиазольных фрагментов во всех изученных случаях. В зависимости от строения мочевинового фрагмента наблюдаются либо (оксадиазол)•••(пиридин), либо (оксадиазол)•••(оксадиазол) нековалентные взаимодействия. В соответствии с геометрическими параметрами (расстояния и углы) данные взаимодействия можно классифицировать как π–π взаимодействия. Участие оксадиазольной системы в π–π-взаимодействиях было подтверждено теоретически расчетами, включающими NCI анализ (для экспериментально определённых структур) и QTAIM (для оптимизированных равновесных структур ассоциатов).
Был синтезирован ряд металлоциклов реакций изоцианидных комплексов палладия с N-пиридилмочевинами, содержащими 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель.
На основе полученных ранее анилинов, содержащих 1,2,4-оксадиазольный фрагмент синтезирована серия цинковых комплексов. Данные комплексы проявляют люминесценцию в диапазоне 550–590 нм. Получить кристаллические структуры комплексов к настоящему времени не удалось. Кроме того, стоит отметить, что люминесцентными свойствами обладают не только целевые цинковые комплексы, но и промежуточные основания Шиффа.
Была предпринята попытка получить серию 1,2,4-оксадиазолов реакцией амидоксимов с ангидридами тетрагалогенфталевой кислоты, однако методы, ранее успешно применявшиеся для таких реакций (системы NaOH/ДМСО и K2CO3/1,4-диоксане), не привели к целевым продуктам. Для определения причин столь малой реакционной способности ангидридов тетрагалогенфталевых кислот были изучены соответствующие кристаллические структуры.
Детальный анализ данных кристаллических структур выявил до сих пор не описанные короткие контакты между атомом галогена и кислородом ангидридного цикла (X•••O(ангидрид)) в структурах тетрахлорфталевого (TCPA) и тетрабромфталевого (TBPA) ангидридов. На основании анализа геометрических параметров эти контакты были отнесены к галогенным связям. В то же время, в кристаллической структуре тетраиодфталевого ангидрида (TIPA) аналогичной галегенной связи не наблюдается, а кислород ангидрида участвует во lp•••πh взаимодействии с атомом углерода ангидридной системы.
Были получены кристаллические структуры синтезированных ранее оксадиазольных производных циклогексан- и циклогексенкарбоновых кислот. В данных структурах были найдены два типа неизвестных до сих пор нековалентных взаимодействий между оксадиазольным фрагментом и карбоксильной группой. В одном случае со стороны оксадиазольного цикла во взаимодействии участвует атом углерода, а карбоксильная группа участвует атомом кислорода (O(карбоксил)•••C (оксадиазол)). В другом случае взаимодействие наблюдается между атомом кислорода гетероцикла и карбоксильным атомом углерода (O(оксадиазол)•••C(карбоксил)).
По разработанному ранее методу (Baykov et al. Tetrahedron Lett. 2019, 60, 151108) синтезирован ряд из 6 N-пиридилмочевин, содержащих 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель. Для всех 6 соединений были получены монокристаллы, которые были исследованы методом РСА. Анализ кристаллографических данных показал наличие различных нековалентных взаимодействий с участием оксадиазольных фрагментов во всех изученных случаях. В зависимости от строения мочевинового фрагмента наблюдаются либо (оксадиазол)•••(пиридин), либо (оксадиазол)•••(оксадиазол) нековалентные взаимодействия. В соответствии с геометрическими параметрами (расстояния и углы) данные взаимодействия можно классифицировать как π–π взаимодействия. Участие оксадиазольной системы в π–π-взаимодействиях было подтверждено теоретически расчетами, включающими NCI анализ (для экспериментально определённых структур) и QTAIM (для оптимизированных равновесных структур ассоциатов).
Изучение баз кристаллографических данных выявило ряд дополнительных примеров релевантных (оксадиазол)•••π взаимодействий, как в Кембриджской базе структурных данных (CSD), так и в банке белковых структур (PDB). Анализ данных CSD выявил 480 структур, в которых ядра 1,2,4-оксадиазолов и 1,3,4-оксадиазолов участвуют в межмолекулярном π•••π-взаимодействии с участием 6- и 5-членных π-систем. В частности, обсуждаемые (оксадиазол)•••π-взаимодействия были также обнаружены в кристаллических структурах двух биологически активных соединений на основе 1,3,4-оксадиазола: Ралтегравира (CCDC DIRCIS) и Зиботентана (CCDC OCAGAB). Более того, с помощью программы IsoStar 2020.3 были найдены 4 примера взаимодействия (1,2,4-оксадиазол)•••π в базе данных PDB. Последнее демонстрирует, что за счёт изучаемых (оксадиазол)•••π-взаимодействий (в том числе) происходит связывание малых физиологически активных молекул (лигандов) с целевыми доменами терапевтических белковых мишеней.
Был синтезирован ряд металлоциклов реакций изоцианидных комплексов палладия с N-пиридилмочевинами, содержащими 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель.
В структурах данных металлоциклов, полученных в результате кристаллографического исследования методом РСА, были найдены короткие контакты между металлоцентром (палладием) и оксадиазольной системой. В частности, в структуре комплекса с 1,3,4-оксадиазольным заместителем расстояние между палладием и атомом азота оксадиазола составляет 3.345(3) Å, тогда как сумма Ван дер Ваальсовых радиусов соответствующих атомов по Альварезу равна 3.81 Å. В то же время в структуре комплекса с 1,2,4-оксадиазольным заместителем короткий контакт (3.3539(17) Å) наблюдается между палладием и атомом кислорода гетероцикла (сумма соответствующих атомных радиусов равна 3.65 Å). Проведённые теоретические расчёты показали, что данные короткие контакты очень слабы и скорее всего носят вынужденный характер.
На основе полученных ранее анилинов, содержащих 1,2,4-оксадиазольный фрагмент (Russ. J. Gen. Chem. 2020, 90, 1892–1900) синтезирована серия цинковых комплексов.
Данные комплексы проявляют люминесценцию в диапазоне 550–590 нм. Получить кристаллические структуры комплексов к настоящему времени не удалось. Кроме того, стоит отметить, что люминесцентными свойствами обладают не только целевые цинковые комплексы, но и промежуточные основания Шиффа.
Была предпринята попытка получить серию 1,2,4-оксадиазолов реакцией амидоксимов с ангидридами тетрагалогенфталевой кислоты, однако методы, ранее успешно применявшиеся для таких реакций (системы NaOH/ДМСО и K2CO3/1,4-диоксане), не привели к целевым продуктам. Для определения причин столь малой реакционной способности ангидридов тетрагалогенфталевых кислот были изучены соответствующие кристаллические структуры.
Детальный анализ данных кристаллических структур выявил до сих пор не описанные короткие контакты между атомом галогена и кислородом ангидридного цикла (X•••O(ангидрид)) в структурах тетрахлорфталевого (TCPA) и тетрабромфталевого (TBPA) ангидридов. На основании анализа геометрических параметров эти контакты были отнесены к галогенным связям. В то же время, в кристаллической структуре тетраиодфталевого ангидрида (TIPA) аналогичной галегенной связи не наблюдается, а кислород ангидрида участвует во lp•••πh взаимодействии с атомом углерода ангидридной системы.
Теоретические расчеты показали, что основной вклад в архитектуру кристаллов TCPA и TBPA вносят галогенные связи C–X•••O(ацил) и C–X•••X, тогда как обсуждаемые контакты X•••O(ангидридные) более слабые и, по-видимому, обусловлены так называемыми эффектами упаковки. Структура кристалла TIPA преимущественно направляется сильными галогенными связями между атомами иода (I•••I) и в меньшей степени галогенными связями C–I•••O(ацил), что дает другой профиль упаковки кристалла и, следовательно, отсутствие контакта X••• O(ангидрид). Кроме того, проведенными расчетами установлено, что найденные галогенные связи X•••O(ангидрид) имеют электростатическую и дисперсионную природу.
Были получены кристаллические структуры синтезированных ранее оксадиазольных производных циклогексан- и циклогексенкарбоновых кислот. В данных структурах были найдены два типа неизвестных до сих пор нековалентных взаимодействий между оксадиазольным фрагментом и карбоксильной группой. В одном случае со стороны оксадиазольного цикла во взаимодействии участвует атом углерода, а карбоксильная группа участвует атомом кислорода (O(карбоксил)•••C (оксадиазол)). В другом случае взаимодействие наблюдается между атомом кислорода гетероцикла и карбоксильным атомом углерода (O(оксадиазол)•••C(карбоксил)). Анализ структурных данных выявил корреляцию между экваториальной/аксиальной ориентацией 1,2,4-оксадиазольного кольца относительно циклоалкильного фрагмента и видом взаимодействия.
Теоретические расчеты показали, что эти взаимодействия, по-видимому, вызваны эффектами упаковки (в первую очередь водородными связями между карбоксильными группами). Кроме того, проведенными расчетами установлено, что оба типа нековалентных взаимодействий имеют дисперсионный характер.
По разработанному ранее методу синтезирован ряд из 6 N-пиридилмочевин, содержащих 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель. Для всех 6 соединений были получены монокристаллы, которые были исследованы методом РСА. Анализ кристаллографических данных показал наличие различных нековалентных взаимодействий с участием оксадиазольных фрагментов во всех изученных случаях. В зависимости от строения мочевинового фрагмента наблюдаются либо (оксадиазол)•••(пиридин), либо (оксадиазол)•••(оксадиазол) нековалентные взаимодействия. В соответствии с геометрическими параметрами (расстояния и углы) данные взаимодействия можно классифицировать как π–π взаимодействия. Участие оксадиазольной системы в π–π-взаимодействиях было подтверждено теоретически расчетами, включающими NCI анализ (для экспериментально определённых структур) и QTAIM (для оптимизированных равновесных структур ассоциатов).
Был синтезирован ряд металлоциклов реакций изоцианидных комплексов палладия с N-пиридилмочевинами, содержащими 1,2,4- или 1,3,4-оксадиазольный заместитель.
На основе полученных ранее анилинов, содержащих 1,2,4-оксадиазольный фрагмент синтезирована серия цинковых комплексов. Данные комплексы проявляют люминесценцию в диапазоне 550–590 нм. Получить кристаллические структуры комплексов к настоящему времени не удалось. Кроме того, стоит отметить, что люминесцентными свойствами обладают не только целевые цинковые комплексы, но и промежуточные основания Шиффа.
Была предпринята попытка получить серию 1,2,4-оксадиазолов реакцией амидоксимов с ангидридами тетрагалогенфталевой кислоты, однако методы, ранее успешно применявшиеся для таких реакций (системы NaOH/ДМСО и K2CO3/1,4-диоксане), не привели к целевым продуктам. Для определения причин столь малой реакционной способности ангидридов тетрагалогенфталевых кислот были изучены соответствующие кристаллические структуры.
Детальный анализ данных кристаллических структур выявил до сих пор не описанные короткие контакты между атомом галогена и кислородом ангидридного цикла (X•••O(ангидрид)) в структурах тетрахлорфталевого (TCPA) и тетрабромфталевого (TBPA) ангидридов. На основании анализа геометрических параметров эти контакты были отнесены к галогенным связям. В то же время, в кристаллической структуре тетраиодфталевого ангидрида (TIPA) аналогичной галегенной связи не наблюдается, а кислород ангидрида участвует во lp•••πh взаимодействии с атомом углерода ангидридной системы.
Были получены кристаллические структуры синтезированных ранее оксадиазольных производных циклогексан- и циклогексенкарбоновых кислот. В данных структурах были найдены два типа неизвестных до сих пор нековалентных взаимодействий между оксадиазольным фрагментом и карбоксильной группой. В одном случае со стороны оксадиазольного цикла во взаимодействии участвует атом углерода, а карбоксильная группа участвует атомом кислорода (O(карбоксил)•••C (оксадиазол)). В другом случае взаимодействие наблюдается между атомом кислорода гетероцикла и карбоксильным атомом углерода (O(оксадиазол)•••C(карбоксил)).
Байков Сергей Валентинович, старший преподаватель, руководительй проекта 80%
Савко Полина Юрьевна, студент, 10%
Гейль Кирилл Константинович, 10%
| Акроним | PresidentMK_2020 - 2 |
|---|
| Статус | Завершено |
|---|
| Эффективные даты начала/конца | 1/03/21 → 31/12/21 |
|---|
