ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Проект направлен на изучение строения гетероциклических соединений в газовой фазе ряда производных диазиридина (диазациклопропана) и некоторых других азоторганических соединений, значимых для фармакологической и оборонной промышленности, а также важных для развития фундаментальных представлений теоретической органической химии, и установление закономерностей их строения на основе совместного анализа данных газовой электронографии, колебательной и микроволновой спектроскопии.
The project is aimed to study the structure of pharmacologically and technically important heterocycle molecules of diazacyclopropan raw and of several other nitrogen-containing compounds in the gas phase and establishing the regularities of their structure on the basis of joint analysis of gas electron diffraction, vibrational and microwave spectroscopy data. As a result of the project, it is planned to study experimentally for the first time the molecular structures and conformational features of eleven compounds: five diaziridines: 1,2-diethyldiaziridine, 1,2,1',2'-tetramethyl-3,3'-bidiaziridine, 1,2-diasaspiro[2,5]octane, 1,5-diasospyro[bicyclone[3.1.0]hexan-6,1'-cyclohexan]e, 6-cyclopropyl-1,5-bicyclic diaza[3.1.0]hexane, as well as other nitrogen-containing biologically active substances: benzhydrazide, phenylhydrazine, picolinic acid hydrazide, nicotinic acid hydrazide, 3-methyl-4-nitrofuroxane and 4-methyl-3-nitrofuroxane. Relevance and significance of this study is determined by the fact that these hydrocyclic compounds possess high physiological activity. Thus, diaziridine derivatives have direct influence on the central nervous system, showing various types of neurotrophic activity, mainly antidepressant, and hydrazides and nitrofuroxanes have a strong antibacterial effect. New highly effective drugs can be obtained from them. Diaziridine derivatives also have a low toxicity compared to hydrazine derivatives currently used as rocket fuel. Thus, in addition to the importance for the pharmaceutical industry, this study is relevant for the creation of new low-toxic components of propellents based on diaziridine derivatives, which are very promising as combustible components, due to the high positive enthalpy of formation due to the presence of a three-membered cycle and intracyclic N-N-bond. Structural regularities and conformational features of free molecules, as well as priority stereochemical and electronic effects, which contribute to the formation of stable equilibrium configurations, established during current research, will allow to establish a number of "structure-property" regularities, which are necessary for the modeling of physiological processes in different phases and contribute to the development of new promising drugs and components of rocket fuels.
За первый год реализации проекта планируется определить конформационный состав и строение молекул 1,2-диэтилдиазиридина, гидразида никотиновой кислоты, 3-метил-4-нитрофуроксана и 4-метил-3-нитрофуроксана в газовой фазе, а также получить для исследуемых соединений термохимические данные и провести оценку энергий возможных водородных связей в исследуемых молекулярных системах. Анализ полученных результатов и позволит выявить, какие стерические и электронные эффекты данных молекул отвечают за устойчивость определенных конформаций. Полученные результаты планируется опубликовать в отечественных и зарубежных научных журналах.
Коллективом авторов накоплен большой опыт по получению информации о динамике молекул в газовой фазе. Выполнен электронографический структурный анализ и изучены колебательные спектры большого числа (более 100) соединений с использованием результатов квантово-химических расчетов геометрии и силового поля молекул. В последние годы участниками научного коллектива были определены структуры свободных молекул, имеющих важное биологическое и фармакологическое значение: тетрамезина, норадреналина, гистамина, пиразинамида, клонидина, 3-циклопропил-1,2-диметилдиазиридина, производных изатина, ряд цианопиридинов и многих других. Полученные структурные данные вошли в международную компьютерную базу данных MOGADOC и международные справочные издания. Структурные параметры молекулы клонидина вошли также в базу данных Кембриджского университета. Метод G4 использовался авторами при расчете энтальпий образования 122 молекул большого размера, относящихся к различным классам органических соединений (Dorofeeva O.V., Kolesnikova I.N., Marochkin I.I., Ryzhova O.N. Assessment of Gaussian-4 theory for the computation of enthalpies of formation of large organic molecules. // Struct. Chem., 2011, 22, 1303–1314, doi:10.1007/s11224-011-9827-7). В распоряжении имеется необходимое экспериментальное оборудование: электронограф ЭГ-100М, набор фотопластинок MACO EM-FILM EMS для записи дифракционных картин соединений, исследуемых в газовой фазе, сканер Epson Perfection 4870, а также комплекс специфических программ необходимых для проведения качественного структурного анализа, таких как UNEX версия 1.6 (Ю.В. Вишневский, 2015), SHRINK (В.А.Сипачев, 2011), Vibmodule (Ю.А. Жабанов, 2015) и SYMM/DISP/ELDIFF/LARGE (И. В. Кочиков, 2014). Для проведения соответствующих квантово-химических расчетов на современном теоретическом уровне в распоряжении имеются программные пакеты Gaussian, GAMESS US, Firefly и CFOUR, компьютер большой мощности, находящийся в лаборатории газовой электронографии.
За первый год реализации проекта установлен конформационный состав и определена структура молекулы 1,2-диэтилдиазиридина, а также рассчитана энтальпия образования данного соединения в газовой фазе, получены равновесные структуры молекул 3-метил-4-нитро- и 4-метил-3-нитрофуроксанов. Изучена структура гидразида никотиновой кислоты методами квантовой химии. Кроме того, выполнены дополнительные экспериментальные и теоретические исследования равновесных структур молекул 6-метил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана и фторфуллерена C60F36. По результатам данных исследований опубликованы четыре статьи.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 15 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Определение структуры и исследование конформационных особенностей ряда азотсодержащих соединений в газовой фазе |
Результаты этапа: За первый год реализации проекта установлен конформационный состав и определена структура молекулы 1,2-диэтилдиазиридина, а также рассчитана энтальпия образования данного соединения в газовой фазе, получены равновесные структуры молекул 3-метил-4-нитро- и 4-метил-3-нитрофуроксанов. Изучена структура гидразида никотиновой кислоты методами квантовой химии. Кроме того, выполнены дополнительные экспериментальные и теоретические исследования равновесных структур молекул 6-метил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана и фторфуллерена C60F36. По результатам данных исследований опубликованы четыре статьи. | ||
2 | 14 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Определение структуры и исследование конформационных особенностей ряда азотсодержащих соединений в газовой фазе |
Результаты этапа: За второй год проекта впервые определена равновесная структура свободной молекулы 3,4-динитрофуразана методом газовой электронографии (ГЭ) при температуре 30 ºС с применением квантово-химических расчетов уровня CCSD(T)-AE/aug-cc-pwCVQZ в рамках динамической модели. Средние квадратичные амплитуды и колебательные поправки, необходимые для ГЭ были рассчитаны на уровне теории B3LYP/SNDS/MP2/aug-cc-pwCVTZ с использованием квадратичных и кубических силовых полей. Установлено, что модель молекулы, обладающая симметрией С2, лучше всего описывает наблюдаемые интенсивности рассеяния. Рассчитана энтальпия образования данного соединения и незамещенного фуразана методом G4 (65.9 и 47.2 ккал/моль, соответственно), а также энергия диссоциации связи N-O для данных соединений (37.4 и 48.1 ккал/моль, соответственно). Более высокое значение энтальпии образования 3,4-динитрофуразана по сравнению с незамещенным фуразаном отражает перспективность использования 3,4-динитрофуразана в качестве компонента ракетных топлив. Выявлены и проанализированы особенности электронного и геометрического строения 3,4-динитрофуразана с использованием различных методов (NBO, NCI, AIM), а также различных топологических, магнитных и орбитальных числовых характеристик. Установлено, что вследствие введения двух нитрогрупп в молекуле 3,4-динитрофуразана наблюдается уменьшение длин связей С-С и N-N и увеличение ипсо-углов по сравнению с незамещенным фуразаном, что является следствием электроноакцепторных свойств соответствующих заместителей. Структурные характеристики молекулы 3,3,6-триметил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана (ТМДАБГ) были впервые получены методом ГЭ при 20 ºС с привлечением данных ИК- и рамановской спектроскопии, а также данных и квантово-химических расчетов. В результате совестного структурного анализа, установлено что в свободном виде молекула ТМДАБГ существует в виде смеси конформаций "кресла" и "ванны", с преобладанием конформации "кресла". Методом ЯМР 1H и 13C спектроскопии установлено, что в растворе CDCl3 данная молекула находится только в конформации "кресло". Рассчитана потенциальная функция деформации циклической системы ТМДАБГ в зависимости от величины двугранного угла между плоскостями, образованными атомами C2–C3–C4 и C2–N1–N5–C4 в приближениях B3LYP/cc-pVTZ и MP2/cc-pVTZ . На основании расчетов методом MP2/aug-cc-pVTZ было установлено, что энергия конформации "кресло" на 1,4 ккал/моль ниже, чем конформации "ванна", аналогичные расчёты методом B3LYP/cc-pVTZ показали, что энергия конформации "кресло" на 0,6 ккал/моль ниже, чем конформации "ванна". Впервые зарегистрированы ИК и рамановские спектры для жидких образцов ТМДАБГ, что позволило методом Пулая подобрать масштабирующие множители силовых полей. Согласно данным структурного анализа были определены наиболее важные равновесные параметры для обеих конформаций молекулы ТМДАБГ, а также установлен процентный состав смеси «кресло»: «ванна» (74% : 26%). Анализ экспериментальных данных, что при конформационном переходе «ванна» – «кресло» сильно увеличивается длина связи N-N: от 1.518(2) Å до 1.552(2) Å. Впервые был установлен конформационный состав и определена равновесная структура свободных молекул гидразидов никотиновой и пиколиновой кислот методом ГЭ с применением колебательно-вращательных поправок к межъядерным расстояниям, полученных из на основе квадратичных и кубических силовых полей методом B3LYP/cc-pVTZ, а также рассчитаны энтальпии образования данных соединений в газовой фазе методом реакции атомизации и изодесмических реакций. В случае гидразида никотиновой кислоты установлено, что данная молекула в газовой фазе молекула может существовать в виде восьми конформаций, две из которых являются основными E-sp-sc и Z-sp-sc (более 99%), с преобладанием E-sp-sc конформера по сравнению с Z-sp-sc (71% : 29%), определены структурные параметры данных конфомеров при температуре ГЭ эксперимента (152 ºС). Следует отметить, что в кристалле данная молекула существует в форме, близкой по строению к менее энергетически выгодному Z-конформеру газовой фазы, что свидетельствует о том, что в твердой фазе межмолекулярные взаимодействия (образование межмолекулярных водородных связей и эффектов кристаллической упаковки), сильнее влияют на геометрию молекулы гидразида никотиновой кислоты, чем внутримолекулярные взаимодействия. Для определения эффектов электронной делокализации для двух преобладающих конформеров гидразида никотиновой кислоты был проведен NBO-анализ на теоретическом уровне B3LYP/сс-pVTZ. Согласно результатам расчетов, предпочтительный конформер E-sp-sc сильнее стабилизирован за счет соответствующих электронных взаимодействий пиридинового кольца с разрыхляющей пи-орбиталью карбонильной группы. Для данного соединения рассчитана стандартная энтальпия образования в газовой фазе с учетом конформационного состава, ее значение составило 18.1 ± 1.0 ккал/ моль. Значения энтальпии, полученное методом реакции атомизации и изодесмических реакций хорошо согласуются между собой, что подтверждает надежность теоретического предсказания энтальпии образования гидразида никотиновой кислоты. Для гидразида пиколиновой кислты методами квантовой химии выявлена возможность существования 6 конформаций для свободной молекулы, однако только одна из них симметрии Сs является преобладающей - E-sp-sc (более 99%), для данного конформера определены равновесные структурные параметры при температуре ГЭ эксперимента (108 ºС), а также внутримолекулярные взаимодействия, приводящие к стабилизации данного конформера. Так методом NBO анализа в приближении B3LYP/сс-pVTZ установлено, что E-sp-sc форма стабилизирована за счет образования очень слабой внутримолекулярной водородной связи N...H между атомом азота пиридинового кольца и одного из атомов водорода гидразидной группы (E(2)((LP(N2) → σ*(N9–H15))=1.2 ккал/моль), данные AIM расчетов также подтверждают образование слабой внутримолекулярной водородной связи, показывая критическую точку (3, -1) в соответствующем регионе со значениями ρ(r) = +0.018 а. е. и ∇2ρ(r)=+0.088 a. u. Следуют отметить, что анализ методом NCI показывает значение sign(λ2(r))ρ(r)=-0.018 а.е., для области N2...H15, что является промежуточным между водородной связью и Ван-дер-ваальсовским взаимодействием, а также выявил Ван-дер-ваальсовским взаимодействие между атомом кислорода гидразидной группы и H14 пиридинового кольца (sign(λ2(r))ρ(r)=-0.013 а.е.). Следует отметить, что при переходе в кристаллическую фазу для данная молекулы наблюдается потеря симметрии и искажение молекулярной геометрии, вследствие образования межмолекулярных водородных связей. Для данного соединения рассчитана стандартная энтальпия образования в газовой фазе, которая составила (12.0 ± 1.0 ккал/моль). Значения энтальпии, полученное методом реакции атомизации и изодесмических реакций практически совпадают, что подтверждает надежность теоретического предсказания энтальпии образования гидразида пиколиновой кислоты. Дополнительно в рамках данного проекта впервые методом газовой электронографии изучено строение свободной молекулы гидразида изоникоиновой кислоты (изониазида) - противотуберкулезного препарата первого поколения. Для данного соединения выявлено наличие четырех конформаций, отличающихся различной ориентацией фрагментов O=C–N–N и C–N–N–H . Установлено, что при температуре электронографического эксперимента 160 ºС преобладающей (более 99.3 %) является конформация, в которой фрагмент O=C–N–N обладает синперипланарной конфигурацией, а фрагмент C–N–N–H синклинальной (sp-sc). Геометрия молекулы изониазида была определена с учетом ангармоничности молекулярных колебаний, благодаря использованию кубических силовых постоянных при расчете поправок к межъядерным расстояниям на уровне B3LYP/сс-pVTZ. Установлено, что данная молекула не является плоской, гидразидная группа повернута приблизительно на 20 градусов относительно плоскости пиридинового кольца (значение угла C2C1C7O8 составило 22.6(1.2) градусов). Данный эффект, по-видимому вызван отталкиванием протонов H15 гидразидной группы и H14 пиридинового кольца, которое мешает сопряжению электронной системы гидразидной группы и ароматического кольца. Данные NBO анализа позволили выявить соответствующее стерическое напряжение с энергией порядка 1 ккал/моль между связями N9–H15 и C10–H14, оценить энергию соответствующего сопряжения (E(2)(π(C1–C6)→π∗(C7–O8))=16.6 ккал/моль), а также методом удаления соответствующих орбитальных взаимодействий в рамках NBO анализа, установить, что отсутствие сопряжения между между гидразидной группой и пиридиновым кольцом приводит к увеличению торсионного угла между карбонильной группой и пиридиновым кольцом до 60 градусов. Методом NBO выявлены также орбитальные, электронные, и стерические эффекты, приводящие к стабилизации основного конформера. Так, основными стабилизирующими факторами являются n(N9)→π∗(C7–O8) взаимодействие (68.4 ккал/моль) и электростатическое взаимодействие в между атомом кислорода и атомом водорода H17 (соответствующие натуральные заряды составили -0.7e and +0.4 e, для атомов кислорода и водорода, соответственно) внутри гидразидной группы, анализ стерических взаимодействий с оценкой энергии E(ex), также подтвердил выгодность данной конформации по сравнению с остальными. Для выявления характера взаимодействия между атомами O и H17 были проведены дополнительные исследования методом AIM и NCI. Метод AIM показал отсутствие внутримолекулярной водородной связи между данными атомами, в то время как метод NCI показал наличие Ван-дер-ваальского взаимодействия между ними ((sign(λ2(r))ρ(r)=-0.017 а.е.), а также наличие Ван-дер-ваальского взаимодействия между атомом кислорода гидразидной группы и атомом Н11 пиридинового кольца ((sign(λ2(r))ρ(r)=-0.011 а.е.). Установлено, что структура изониазида в газовой фазе отличается от структуры в твердой фазе, что связано с образованием в кристалле межмолекулярных водородных связей. Дополнительно в рамках данного проекта изучено строение молекулы 6,6′-диметил-1,1′,5,5′-тетразо-6,6′-би(бицикло[3.1.0]гексана) (ДМТАББГ) в газовой фазе квантово-химическими методами (B3LYP/6-31G(d,p), B3LYP/cc-pVTZ и MP2/cc-pVTZ) , в растворе - с помощью 1D ЯМР –спектроскопии (1H и 13C) и 2D ЯМР–спектроскопии ({1 H-13C}HSQC и {1 H-1 Н}gNOESY 2D) при температуре 20 ºС, а также в кристалле с помощью рентгеноструктурного анализа при температуре -153ºС. Установлено, что в газовой фазе молекула существует в виде конформера симметрии C2 c транс расположением метильных групп относительно связи C-C, соединяющей два бициклических фрагмента. Следует отметить, что каждый из шестичленных бициклов имеет коноформацию «ванна», с практически плоским строением пятичленного цикла. Методом NBO анализа (уровень B3LYP/cc-pVTZ) установлено, что конформация «ванна» стабилизирована за счет аномерного эффекта, E(2)(n(N)→σ*(C–C))= 3.6 ккал/моль и E(2)(n(N) →σ*(C–H))=4.3 ккал/моль, а пространственное расположение атомов водорода двух метильных групп определяется стерическими эффектами отталкивания атомов водорода метильных групп с соответствующими атомами водорода циклических фрагментов, так значения энергий, характеризующие стерическое е отталкивание соответствующих пар связей C–H составили порядка 1.2 – 2.3 ккал/моль. Методом реакции атомизации рассчитана энтальпия образования данного соединения в газовой фазе, которая составило 106.1±1.2 какал/моль, что свидетельствует о потенциальной перспективности данного соединения в качестве горючего компонента ракетных топлив. Показано, что в растворе CDCl3 реализуется конформация, аналогичная, рассчитанной для газовой фазы, что было доказано применением двумерной ЯМР-спектроскопии, которая показала эффект Оверхаузера при взаимодействии протонов метильных групп с протонами циклических фрагментов. Установлено строение данного соединения в кристалле и показано, что в отличии от газовой фазы и раствора CDCl3, в твердой фазе реализуется форма, сходная по строению с одним из низколежащих переходных состояний газовой фазы, что по-видимому связано с эффектами кристаллической упаковки.. Дополнительно в рамках данного проекта методом ГЭ и кваново-химических расчетов изучено строение молекулы биогенного амина адреналина при температуре 194 ºС. Поучены структурные параметры данной молекулы в рамках модели rh1. Показано, что основной конформер стабилизируются за счет внутримолекулярной водородной связи O-H..N. Некоторые различия в длинах связей для газовой и кристаллической фаз возникают из-за присутствия нейтральной или цвиттер-ионной формы. Таким образом, за второй год проекта было запланировано исследование конформационного состава и молекулярной структуры пяти объектов методом газовой электронографии: 3,4-динитрофуразана, 3,3,6-триметил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана, 1,2-диазаспиро[2,5]октана, гидразидов никотиновой и пиколиновой кислот, а также получить для них термохимические данные. За отчетный период установлен конформационный состав и определены равновесные структуры молекулы 3,4-динитрофуразана, 3,3,6-триметил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана, гидразида никотиновой кислоты и гидразида пиколиновой кислоты, а также рассчитаны энтальпии образования данных соединений в газовой фазе. Кроме того выполнены дополнительные экспериментальные и теоретические исследования равновесных структур молекул 6,6′-диметил-1,1′,5,5′-тетразо-6,6′-би(бицикло[3.1.0]гексана), гидразида изоникотиновой кислоты (изониазида) и адреналина. По результатам данных исследований опубликовано шесть статей и двое тезисов конференций. | ||
3 | 14 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Определение структуры и исследование конформационных особенностей ряда азотсодержащих соединений в газовой фазе |
Результаты этапа: Установлен конформационный состав и впервые определены молекулярные структуры 1,1',6,6'-тетрааза-7,7'-би(бицикло[4.1.0]гептана) и двух производных 1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана (6-циклопропил- и 6-циклопентил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана) на основе данных газовой электронографии (ГЭ) и квантово-химических расчетов (DFT/B3LYP/cc-pVTZ; МP2/cc-pVTZ; RI-MP2/def2-QZVPP). C помощью расчетов метода G4 оценены величины стандартных энтальпий образования исследованных веществ в газовой фазе. В парах 6-циклопентил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексан существует в виде единственной формы с перпендикулярным расположением 1,5-диазабицикло[3.1.0]гексанового цикла (конформация ванна) и циклопентанового цикла (конформация конверт). Для 6-циклопропил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана устойчивой получена конформация ванна 1,5-диазабицикло[3.1.0]гексанового цикла, а циклопропановый заместитель предпочтительнее располагается в гош конформации (85%), чем в анти положении в зависимости от торсионной координаты H-С(циклопропан)-С(диазиридин)-H. Расчеты NBO для 6-циклопропил-1,5-диазабицикло[3.1.0]гексана указывают на несколько большую энергию n(N)→σ*(C−C) орбитального взаимодействия, имеющем место для конформации ванна 1,5-диазабицикло[3.1.0]гексанового цикла в сравнении с энергией аналогичных взаимодействий в конформации кресло (разница составляет ≈3 ккал/моль), что обуславливает устойчивость коноформации ванна для 1,5-диазабицикло[3.1.0]гексановых производных. Для 1,1',6,6'-тетрааза-7,7'-би(бицикло[4.1.0]гептана) показаны различия в структурах конформаций газовой, жидкой и кристаллических фазах. Так, согласно электронографическим данным, газообразный 1,1',6,6'-тетрааза-7,7'-би(бицикло[4.1.0]гептан) может быть обнаружен в основном в виде двух форм: превалирующей конформации семичленных фрагментов полукресло-полукресло (50(7)%) и форме полукресло-кресло(39(5)%). Содержание третьего конформера 1,1',6,6'-тетрааза-7,7'-би(бицикло[4.1.0]гептана) с расположением двух бициклических фрагментов в конформации кресло-кресло не превышает 11%. Рентгеноструктурный анализ и спектральный анализ ЯМР 1H и 13C 1,1',6,6'-тетрааза-7,7'-би(бицикло[4.1.0]гептана) в растворе CDCl3 указывает, что в обеих конденсированных фазах присутствует одна конформация, структурно наиболее близкая к конформеру полукресло-полукресло. По результатам данных исследований опубликованы три статьи. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".