CC BY
5
УДК 544.142.4
Артоболевский С.В., Махров Д.Е., Алаторцев О.А.
КВАНТОВО -ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КРИСТАЛЛОВ H2O/H2O2
Артоболевский Сергей Владимирович - бакалавр 3-го года обучения факультета естественных наук; sergey.artobolevskiy@mail.ru
Махров Денис Евгеньевич - бакалавр 3-го года обучения факультета естественных наук; Алаторцев Олег Александрович - бакалавр 3-го года обучения факультета естественных наук; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В работе представлены итоги масштабного сравнительного анализа изоморфных кристаллогидратов и пероксосольватов органических соединений. На основе данных Кембриджской базы структурных данных и методов молекулярного моделирования выяснены основные закономерности структуры сеток водородных связей в многокомпонентных органических кристаллах. Рассмотрена возможность использования молекулярного электростатического потенциала для оценки способности активных центров к формированию сильных нековалентных взаимодействий.
Ключевые слова: кристаллогидраты, пероксосольваты, водородные связи, молекулярные кристаллы, расчеты методами ТФП.
QUANTUM-TOPOLOGICAL EXPLANATION OF THE FORMATION OF VARIOUS TYPES OF MULTICOMPONENT H2O/H2O2 CRYSTALS
Artobolevskii S.V., Makhrov D.E., Alatortsev O.A
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
The work presents the results of a large-scale comparative analysis of isomorphic crystallohydrates and peroxosolvates of organic compounds. Based on the data from the Cambridge Structural Database and molecular modeling approaches, the main patterns of the structures of hydrogen bonds networks were established. The possibility of using molecular electrostatic potential in order to evaluate the ability of active centers to form strong non-covalent interactions was considered.
Key words: crystallohydrates, peroxosolvates, hydrogen bonds, molecular crystals, DFT computations.
Современные методы квантовой химии и молекулярной динамики позволяют изучать физико-химические свойства самых разнообразных систем. Наибольший интерес, вне всякого сомнения, представляют структуры, нашедшие применение в медицине и промышленности. Примерами таковых могут служить многочисленные органические молекулярные кристаллы, широко используемые в фармацевтике. Расчёты и экспериментальные данные показывают, что зачастую состав таких кристаллов значительно осложняется: на практике вместо гетеродимеров реализуются структуры, содержащие воду или иные включённые молекулы.
Многие подобные соединения зачастую представляют особую практическую ценность. К примеру, пероксид водорода, являясь ближайшим гомологом воды, представляет собой одну из наиболее значимых биологически активных молекул. Благодаря малым размерам и исключительным способностям образовывать водородные связи она легко может проникать в практически любые живые структуры. Это приводит к тому, что она, к примеру, несет сигнальные функции в клетках. Следует отметить, что пероксосольваты (твердые аддукты пероксида водорода), не содержащие связей металл-пероксид, могут явиться простейшими модельными веществами для многих биохимических процессов, поскольку именно водородные связи пероксида с
органическими коформерами полностью определяют их образование и стабильность. С другой стороны, кристалличность пероксосольватов дает нам возможность использовать рентгенодифракционные методы для исследования природы водородных связей и топологических свойств кооперативных сеток водородных связей в этих соединениях [1].
Для сравнения свойств многокомпонентных органических кристаллов, содержащих молекулы воды и пероксида водорода, нами были рассмотрены более двухсот различных структур, представленных в Кембриджской базе кристаллографических данных. Было всесторонне анализировано распределение числа кристаллов по количеству донорных ^Н) и акцепторных (АН) связей, образованных молекулами воды и пероксида водорода. Полученные результаты демонстрируют следующие тенденции (рис.1). Во-первых, для кристаллогидратов характерно наличие не более двух донорных и акцепторных связей, образованных молекулой воды; возможно полное отсутствие акцепторных связей. Во-вторых, заметим, что вода способна образовывать структуры даже с тремя донорными водородными связями, что не свойственно пероксиду водорода. Для пероксосольватов доминируют структуры с двумя донорными и полным отсутствием акцепторных связей, образованных молекулой пероксида водорода. Для более детального рассмотрения структурных
особенностей сеток водородных связей пероксосольватов и кристаллогидратов, а также причин, вызывающих данные закономерности, нами были отдельно изучены две пары подобного рода кристаллов.
Основой для первой пары структур послужила 2-аминоникотиновая кислота (2Ат№с) - модельный
объект, воспроизводящий структурные свойства некоторых лекарственных соединений [2]. Кристаллы 2-аминоникотиновой кислоты с малеиновой кислотой (М1е) и пероксидом водорода были получены в лаборатории кристаллохимии и
рентгеноструктурного анализа Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (рис. 2).
I
м
Рис.1. Число донорных (слева) и акцепторных (справа) связей, образуемых молекулами воды (темно-серый) и пероксида водорода (светло-серый)
а
Рис.2. Пероксосольват «2ЛтШс + М1е + Н2О2»
Сравнительный анализ пероксосольватов и кристаллогидратов 2-аминоникотиновой кислоты с малеиновой кислотой указывает на следующую закономерность: акцепторные связи, образуемые молекулой Н2О, сильнее аналогичных у Н2О2. В случае донорных связей закономерность имеет обратный характер (табл.1).
Следующей парой кристаллов, рассмотренных нами, стали соединения нитрофурантоина (КРЫТ) -противомикробного средства широкого спектра действия (рис. 3).
Как и в случае кристаллов предыдущей серии, все длины, а, как следствие, энергии водородных связей, были установлены по данным рентгеноструктурного анализа (табл.2). Заметим, что в данном случае наблюдается аналогичная тенденция: вода образует более сильные акцепторные Н-связи. Сравнительный анализ донорных свойств молекул затрудняется наличием большого числа бифуркатных водородных связей. Таким образом, обе пары структур подтверждают закономерность, отмеченную ещё в рамках анализа Кембриджской базы
кристаллографических данных. Помимо формулы Розенберга нами использовался подход, основанный на квантово-топологическом описании молекулярных кристаллов.
Рис. 3. Кристаллогидрат «ЫГЫТ + Н2О»
Использование всех прочих эмпирических методов оценки энергии водородных связей, в том числе - формулы Иогансена, основанной на частоте валентных ОН-колебаний, приводит к аналогичным закономерностям.
Развитая Бейдером теория атомов в молекулах позволяет исследовать широкий спектр свойств, так или иначе связанных с электронной плотностью. Несомненным плюсом можно считать тот факт, что некоторые из них (в том числе - сама электронная плотность и ее лапласиан) могут быть вообще говоря оценены экспериментально.
Как известно, помимо геометрических параметров, энергия водородных связей определяется электростатическим взаимодействием,
компенсирующим отталкивание Паули. В соответствии с этим фактом в качестве критерия, свидетельствующего о донорных/акцепторных свойствах активного центра, нами был рассмотрен
молекулярный электростатический потенциал (МЭП). Ниже представлены распределения МЭП для молекул воды и пероксида водорода (рис. 4). Как видно, область локализации неподеленных электронных пар на атоме кислорода воды является
значительно более сильным нуклеофильным аттрактором, что, вероятно, и объясняет тот факт, что молекулам воды присущи более сильные акцепторные водородные связи.
I
-о.ого
-0 040 -O.0ÉO -0.060 -0.100
Рис.4. Распределение молекулярного электростатического потенциала в молекулах Н2О (слева) и Н2О2
(справа)
Расчеты проводились в дискретно-континуальном приближении по программе Gaussian16 [3] - модель PCM - с помощью функционала B3LYP/6-311++G**.
Нами был проведен масштабный сравнительный анализ кристаллогидратов и пероксосольватов, представленных в Кембриджской базе кристаллографических данных. Детально
исследованы свойства сеток водородных связей, образуемых молекулами воды/пероксида водорода в кристаллах 2-аминоникотиновой кислоты и малеиновой кислоты, а также нитрофурантоина. Подтверждена концепция метода поиска наилучших коформеров [4]. На основании данных предположений и были синтезированы кристаллы 2-аминоникотиновой кислоты с малеиновой и фумаровой кислотами, обладающие практической ценностью. Выбран дескриптор, с помощью которого возможно оценивать способность того или иного активного центра к образованию водородных связей.
Авторы выражают благодарность к.х.н., с. н. с. лаборатории 4-1 ИХР РАН, Сурову Артему Олеговичу за предоставленную возможность использования расчетного пакета Gaussian16 и д.х.н., зав. лаб. кристаллохимии и рентгеноструктурного
анализа ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН, Чуракову Андрею Викторовичу.
Список литературы
1. Навасардян М.А. пероксосольватов и
органических соединений : степени канд. хим. наук
Кристаллохимия новых гидразиносольватов дис. на соискание ученой : специальность 02.00.04
«Физическая химия. Химические науки» / М.А. Навасардян; ФГБУН ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН.
— Москва, 2021. — 151 с.
2. Surov A.O., Vasilev N.A., Churakov A.V., Parashchuk O.D., Artobolevskii S.V., Alatortsev O.A., Makhrov D.E., Vener M.V. / Two faces of water in the formation and stabilization of multicomponent crystals of zwitterionic drug-like compounds // Symmetry. — 2021.
— Vol. 13, no. 3. — P. 425.
3. https://gaussian.com/
4. Артоболевский С.В., Махров Д.Е., Алаторцев О.А., Венер М.В. Межмолекулярные нековалентные взаимодействия: обнаружение эффекта усиления водородной связи в различных гетеродимерах // Успехи в химии и химической технологии. - 2020. -Том 34. - №2. - С.71-73.
