Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Суттрамолекулярная структура и кристаллическая упаковка макроциклических соединений 14
1.1. Комплексы диаминометилкаликс[4]резорцинарена с галогенидами металлов. Фрагментарная модель 16
1.2. Калике [4]резорцинарены 25
1.2.1. Амилоалкилированные каликс[4]резорцинарены 25
1.2.2. Ацетилированные калике[4]резорцинарены 32
1.3. Каликс[4]резорцинареньт со свободными группами ОН 34
1.3.1. Пространственное строение каликс[4]резорцинаренов по данным рентгеноструктурного анализа 34
1.3.2. Псевдополиморфизм комплексов С-метилкаликс[4]резорцин-арена с диметилсульфоксидом и водой 38
1.4. Недостатки фрагментарной модели 47
1.4.1. Кристаллическая структура калике[4]пирогаллодарена 47
1.4.2. С-арилкаликс[4]метилрезорцинарен на основе Ме-резорцинола и п-толуолальдегида 51
1.4.3. Обсуждение результатов 53
1.5. Модель локализации гидрофильных и гидрофобных областей в кристалле 55
1.5.1. Механизм микрофазового разделения в блок-сополимерах 56
1.5.2. Методы определения степени гидрофобности 59
1.5.3. Пример анализа строения кристалла в модели локализации гидрофильных и гидрофобных областей. Базовые положения и ограничения модели 63
1.6. Кристаллическая структура и амфифильные свойства макроциклических соединений 67
1.6.1. Применение модели локализации гидрофильных областей к анализу строения кристаллов производных калике [4]резор-цинарена 69
1.6.2. Тетратиакаликс[4]арены 73
1.6.3. Макроциклические соединения ряда пиримидина 77
1.6.4. Строение макроциклических дисульфидов 78
1.6.5. Макроциклы нового типа - аминометилфосфины 80
1.6.6. Обсуждение результатов 82
ГЛАВА 2. Проявление амфифильпых свойств в фосфорсодержащих гетероциклических соединениях 84
2.1. Кристаллическая структура шестичленных фосфорсодержащих гетероциклических соединений 84
2.1.1. Роль «классических» водородных связей 87
2.1.2. Влияние слабых взаимодействий и типа заместителей на кристаллическую упаковку 95
2.2. Межмолекулярные взаимодействия в кристаллах семичленных фосфорсодержащих гетероциклических соединений 101
2.3. Амфифильные свойства и строение кристаллов фосфорсодержащих гетероциклических соединений 114
2.4. Связь морфологических структур с симметрией кристаллов 124
2.5. Влияние фторсодержащих фрагментов молекул на кристаллическую упаковку 128
ГЛАВА 3. Азот-, серасодержащие гетероциклические соединения 135
3.1. Строение соединений на основе хиноксалина 135
3.2. Строение трициклических соединений 145
3.3 Тиазоло[3,4-а]хиноксалины - водородное связывание и проявление амфифильпых свойств 153
3.4. Распределение гидрофильных и гидрофобных областей в кристаллах гетероциклических соединений с атомами азота и серы 167
3.5. Результаты прогнозирования морфологического типа упаковки в тиазоло[3,4-а]хиноксалинах 177
ГЛАВА 4. Полициклические и карбоциклические соединения 180
4.1. Молекулярная и кристаллическая структура бис-гомохинонов 180
4.2. Супрамолекулярная структура производных изостевиола 186
4.3. Строение некоторых бис- и моно-аддуктов фуллерена Сео 194
ГЛАВА 5. Применение модели к изучению строения кристаллов полиморфных форм, энантиочистых и рацемических соединений 199
5.1. Полиморфные и псевдополиморфные формы 200
5.2. Кристаллы рацемических и энантиочистых соединений 208 ГЛАВА 6. Экспериментальная часть 216
Условия экспериментов 216
Параметры кристаллов исследованных соединений 217
Основные результаты и выводы 247
Литература
- Пространственное строение каликс[4]резорцинаренов по данным рентгеноструктурного анализа
- Влияние слабых взаимодействий и типа заместителей на кристаллическую упаковку
- Строение трициклических соединений
- Супрамолекулярная структура производных изостевиола
Введение к работе
Актуальность проблемы. Модели, описывающие образование кристаллических структур, базируются на различных подходах, учитывающих такие,факторы как водородные связи, слабые взаимодействия, стерические факторы, особенности строения соединений. Однако взаимосвязь и взаимозависимость этих факторов остается объектом исследования по сегодняшний день. В настоящее время становится очевидным, что роль некоторых из них была сильно переоценена. Поэтому актуален поиск новых подходов к анализу взаимосвязи строения молекулярных форм с кристаллической структурой.
Анализ кристаллической и пространственной структуры оказывается столь важным в настоящее время, особенно учитывая все возрастающий интерес многих исследователей к созданию материалов на основе органических соединений путем дизайна их кристаллических структур [1-5], Этот интерес объясняется во многом уникальными физическим свойствами этих материалов, такими как пористость [6], проявлениям магнитных свойств [7-8], электронных [9,10] и электрооптических свойств [11-14]. На сегодняшний день становится очевидным, что одно из главных препятствий в создании подобных материалов - то, что фактические физические свойства кристаллов зависят в значительной степени не столько от строения и конформации индивидуальной молекулы, сколько от структурыкристалла, и что сложно предсказать кристаллическую структуру только из знания строения молекул и стехиометрии состава. В связи с этим особо остро встает вопрос о предсказательной способности теорий и принципов, заложенных в основу и используемых для описания кристаллической упорядоченности. Обзор литературных данных свидетельствует, что в настоящее время можно выделить два общих направления в описании кристаллической структуры - «от частного к общему» и «от общего к частному». С точки зрения первого, наиболее стандартного в настоящее время направления, исходной точкой к описанию структуры кристалла являются стехиометрия и молекулярная структура соединения в кристалле, полученные из различных баз данных. [15-17]. Далее из этих молекулярных данных выявляются
различные межмолекулярные силы, действующие в .ближайшем окружении молекулы, на основании анализа которых можно делать определенные выводы относительно структуры кристалла в целом. Именно в связи с этим направлением в последние годы неотъемлемой составной частью инженерии молекулярных кристаллов и важнейшим инструментом выявления общих закономерностей, управляющих формированием кристаллической упаковки, становится систематический анализ кристаллоструктурпых данных, накопленных в шіформационньїх банках [18]. К этому же направлению относятся работы, посвященные использованию баз данных для определения общих молекулярных мотивов [19-21]. Именно на основе таких исследований на рубеже 80-х 90-х годов XX столетия появляется новая область органической химии, которая получила название "супрамопекулярная химия". У ее истоков стоят исследования трех нобелевских лауреатов 1987 года -Ж.-М. Лена, Ч. Педерсена и Д. Крама. Работы, проведенные Чарльзом Педерсеном по синтезу и изучению краун-эфиров [22], Дональдом Крамом - кавитандов [23], Жан-Мари Леном - криптаидов [24], а также введенная ими терминология стали классическими, и дали толчок бурным исследованиям, которые в последние годы определяют направление развития современной химической науки [25-30]. За счет слабых взаимодействий образуются ассоциаты, устойчивость которых сравнима с устойчивостью комплексов «фермент- субстрат». [31]. В рамках данного направления используются и теоретические методы для установления кристаллической структуры из геометрии их молекулярных составных частей [32-35]. Первоначально задача поиска устойчивой структуры с помощью минимизации энергии межмолекулярного взаимодействия была решена именно для молекулярных органических кристаллов. Успех принес метод так называемых атом-атомных потенциалов, созданный А.И. Китайгородским. С помощью этого метода удается рассчитывать геометрию упаковки молекул, энергию сублимации органических кристаллов и некоторые их физические свойства [36,37].
Намного меньше исследований выполнено в рамках противоположного подхода, где в качестве исходной точки рассматривается топология кристалла и на основании ее анализа делаются заключения о молекулярных фрагментах, необ-
ходимых, чтобы сосуществовать внутри такой кристаллической структуры. Несколько примеров этого последнего подхода могут быть найдены в литературе, например, работы [38-40]. Авторы этих работ постулировали, что в кристаллах существуют топологические структуры, которые более устойчивы, чем другие (например, упаковка алмаза) и показали, что могут быть выбраны жесткие высоко симметричные молекулы и ионы, которые будут образовывать такие же типы структур. К этому же направлению относится анализ пустот в кристаллических структурах с помощью полиэдров Вороного-Дирехле [41].
Другой подход, относящийся к дашгому направлению и основанный на проявлении молекулами амфифильных свойств, был предложен нами и использован при анализе структуры замещенных бензофосфориненов [42]. Ранее при изучении структуры каликсаренов мы обнаружили, что в кристаллах соединений наблюдается локализация гидрофильных и гидрофобных областей, причем размерные характеристики этих областей совпадали с размерами ассоциатов молекул в растворах, полученных методом малоуглового рентгеновского рассеяния [43,44]. Для объяснения этого явления была использована теория микрофазового разделения, развитая для блоксополимерных и жидкокристаллических систем [45-50]. В таких системах имеются обычно два компонента (например, гидрофильные и гидрофобные блоки). При изменении соотношения между компонентами А и В в диблок-сополимерах в результате микрофазового разделения наблюдается переход от гомогенной структуры А к упаковке сфероидных структур с компонентом В в матрице А, цилиндрических структур В в матрице А, затем (примерно при соотношении компонентов 50%) к ламеллярным структурам с чередованием слоев с преимущественным содержанием компонентов А и В, и далее - к инверсным структурным образованиям вплоть до полностью гомогенной структуры. Для обозначения подобных структур, образующихся в блок-сополимерах, С.Я.Френкелем был предложен термин суперрешетка или суперкристалл [51], что оправдано, так как во многих случаях сегрегированные домены образуют правильные трехмерные, двумерные или одномерные структуры. Как оказалось, аналогичное разделение наблюдается и в кристаллах органических соединений, с той лишь разницей, что
гидрофильные и гидрофобные области образуют фрагменты молекул, обладающие такими свойствами. Как мы полагаем, одной из характеристик процесса разделения гидрофильных и гидрофобных областей в кристалле может служить соотношение объемных долей гидрофильной и гидрофобной составляющих, приходящихся на симметрически независимую часть элементарной ячейки кристалла. Можно предположить, что изменение этого соотношения в кристаллах должно приводить к изменению типа морфологических структур, подобно тому, как происходит изменение надмолекулярной структуры в диблок-сополимерах. Причем предварительный анализ возможного топологического типа может быть выполнен теоретически на основании структурной формулы этого соединения.
Известно, что гидрофобный эффект является одним из главных факторов, определяющих такие важные биологические процессы, как образование третичной (глобулярной) структуры протеинов в растворах, связывание энзимов с субстратом, формирование мембран и мицелл в водных растворах [52, 53]. Принято считать, что этот эффект имеет.в основном энтропийный характер, движущая сила этих процессов - вынужденное структрирование молекул воды вблизи аполярных молекул, биологических макромолекул и гидрофобных поверхностей. Традиционно гидрофильные взаимодействия принято рассматривать в растворах и коллоидных системах [54], хотя на сегодняшний день имеется достаточно обширная информация о проявлениях этого эффекта и в твердых телах. Наиболее развита теория этого явления для полимерных и жидкокристаллических систем. Для кристаллических веществ до последнего времени в основном ограничивались констатацией факта образования гидрофильных областей.
Цели работы: 1. Изучение факторов, определяющих кристаллическую упаковку и супрамолеку-лярнуго структуру новых соединений, принадлежащих к четырем классам - макроциклам, фосфорсодержащим и азот, серасодержащим гетероциклам, и полициклическим природным соединениям.
2. Разработка модели кристаллической структуры, основанной на проявлении
молекулами амфифильных свойств.
3, Систематический сравнительный анализ кристаллической упаковки и супра-
молекулярной структуры представительных серий органических соединений раз
личного типа в рамках предложенной модели, учитывающей локализацию гидро
фильных и гидрофобных областей в кристаллах.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
В рамках предложенной модели, основанной на явлении локализации в кристаллах областей с преимущественно гидрофильными и гидрофобными свойствами, обобщены данные и выполнен сравнительный анализ кристаллической упаковки и супрамолекулярной структуры более чем 200 впервые синтезированных органических соединений, условно разделенных на четыре класса: каликс[4]арены и S, Р-макроциклические соединения, фосфорсодержащие гетероциклические соединения, азот-, серасодержащие гетероциклические соединения, полициклические и карбоциклические соединения.
Проведен анализ распределения по типам образующихся структур в исследованных соединениях и аналогичных, имеющихся в Кембриджской базе крис-таллоструктурных данных (КБСД).
Показана применимость данного подхода для анализа кристаллической упаковки полиморфных и псевдополиморфных форм органических соединений, пар энантиочистых и рацемических соединений, а также изомерных и диастерео-мерных форм органических соединений.
Научная новизна. Предложена модель описания структуры кристаллов, основанная на аналогии с микрофазовым разделением в блок-сополимерных и жидкокристаллических системах.
В рамках предложенной модели проведен сравнительный систематический анализ строения кристаллов представительных серий соединений.
Впервые показано, что в кристаллах соединений с произвольным распределением в молекулах гидрофильных и гидрофобных фрагментов наблюдается лока-
лизация областей, преимущественно обладающих гидрофильными и гидрофобными свойствами.
Обнаружено, что тип образующихся надмолекулярных структур зависит от соотношения гидрофильного и гидрофобного объемов, рассчитанных для фрагментов молекул, составляюгцих асимметрическую часть элементарной ячейки кристалла, и не всегда совпадает с типом и размерностью супрамолекулярных структур, возникающих за счет водородных связей и слабых межмолекулярных взаимодействий, однако связан с симметрией кристаллов.
Впервые показано, что в кристаллах изомерных форм органических соединений локализация областей с преимущественным содержанием гидрофильных и гидрофобных областей может приводить к надмолекулярным структурам различного типа.
Впервые показано, что в результате локализации областей с преимущественно гидрофильными и гидрофобными свойствами в кристаллах полиморфных форм, диастереомерных форм органических соединений и пар энантиочистых и рацемических соединений образуются преимущественно надмолекулярные структуры одного и того же топологического типа.
Показано, что предварительный анализ возможного топологического типа для соединений, не полученных в кристаллической форме, может быть выполнен теоретически на основе расчета распределения в молекуле гидрофильных и гидрофобных областей и вычисления объемной доли компонентов.
Впервые установлены закономерности ассоциации фторсодержащих фрагментов молекул в кристаллах фосфорсодержащих гетероциклических соединений.
Впервые обнаружена и проанализирована взаимосвязь между типом образующихся в кристаллах надмолекулярных структур и симметрией кристаллов.
Результаты, описаїшьіе выше, являются новыми. Все исследованные соединения впервые синтезированы; для анализа их молекулярной и супрамолекулярной структуры использован впервые предложенный нами подход, основанный на расчете соотношения гидрофильных и гидрофобных фрагментов молекул.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты рентгеноструктурного анализа молекулярной и супрамолекулярной структуры рядов новых соединений: кали кс[4] арен ов и S, Р-макроциклических соединений, фосфорсодержащих гетероциклических соединений, азот-, серасодер-жащих гетероциклических соединений, полтщиклических и карбоцикличсских соединений.
Модель описания кристаллической упаковки соединений, базирующаяся на проявлении амфифильных свойств молекул и обнаруженном явлении локализации гидрофильных и гидрофобных областей в кристаллах органических соединений.
Взаимосвязь объемной доли гидрофильных и гидрофобных фрагментов молекул с образующимся в кристалле морфологическими типами надмолекулярных структур, анализ распределения по типам для соединений различных классов.
Прогнозирование морфологического типа кристаллической упаковки в кристаллах органических соединений на основе расчета гидрофильно-гидрофобного соот-ношетшя в молекулах.
Практическая значимость работы. Обобщены данные и выполнен сравнительный анализ кристаллической упаковки и супрамолекулярной структуры для более чем 200 впервые синтезированных производных каликс[4]аренов и S, Р-макроциклических соединений, фосфорсодержащих гетероциклических соединений, азот-, серасодержащих гетероциклических соединений, полициклических и карбоциклических соединений.
Анализ образующихся структур в исследованных соединениях и имеющихся в КБСД подобных соединениях свидетельствует о том, что теория, разработанная для описания микрофазового разделения в полимерных гетерогенных системах, может быть использована не только для анализа упаковки молекул органических соединений в кристалле, но и для предсказания морфологического типа молекулярной упаковки.
Одним из преимуществ модели гидрофобно-гидрофильиого разделения в кристаллах является то, что предварительный анализ возможного топологического
типа может быть выполнен теоретически на основании структурной формулы соединений, еще не полученных в кристаллической форме.
Предложенная модель может быть также использована при разработке соответствующего алгоритма для расшифровки кристаллических структур по данным метода порошковой рентгеновской дифракции.
Личный вклад автора. Результаты экспериментальных исследований и расчетов, включенных в работу, получены автором лично или при его непосредственном участии. Соискатель самостоятельно провел анализ литературы, поставил проблемы диссертации, выбрал объекты и методы исследования, обсудил и обобщил результаты диссертационной работы и сформулировал выводы и основные положения, выносимые на защиту.
В ходе выполнения диссертаций шюй работы соискатель в качестве одного из руководителей подготовил 1 кандидата наук: Добрынина А.Б. (2002 г., к.х.н.).
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Европейской кристаллографической конференции (Москва, 1990), I Национальной Кристаллохимической Конференции (Черноголовка, 1998), Европейской конференции по порошковой дифракции (Будапешт, 1998), XVII Европейской кристаллографической конференции (Прага, 1998), XVIII Международном конгрессе союза кристаллографов (Глазго, 1999), Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, 2000), III Международной конференции "Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии" (С.-Петербург, 2001), XIII Международной конференции по химии соединений фосфора и IV Международном симпозиуме по химии и применению фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений "Петербургские встречи" (С.-Петербург, 2002), II Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, 2002), III Национальной кристаллохимиической конференции, (Черноголовка, 2003), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Российс ко-французский симпозиум «Супрамолекулярные системы в химии и биологии») (Казань, 2003), III Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных
архитектур" (Казань, 2004), Международной конференции "Современные тенденции в химии элементоорганических соединений и полимеров", посвященной 50-летиіо ИНЭОС, (Москва, 2004), XXII Европейской кристаллографической конференции (Будапешт,2004),
Работа выполнена. Работа выполнена в Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской Академии Наук.
Работа поддержана грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№ 02-03-32280, 05-03-33008).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 62 публикациях, в том числе 45 статьях в зарубежных и отечественных журналах и 17 тезисах докладов на конференциях.
Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 286 страницах, содержит 15 таблиц, 168 рисунков, 318 библиографических ссылок. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитированной литературы.
Автор выражает глубокую благодарность член-корреспонденту РАН профессору О.Г. Синяшину за поддержку в работе над этой темой.
Автор выражает глубокую благодарность академику РАН А.И. Коновалову за постоянный интерес к данной работе и участие в обсуждении результатов.
Автор считает своим приятным долгом выразить сердечную признательность своим коллегам А.А. Бредихину, Б.И. Бузыкину, В.А. Мамедову, В.Е. Катаеву, за большое внимание, постоянный интерес к работе, за полезное обсуждение результатов.
Автор признателен всем химикам, предоставившим для исследования свои объекты и принимавшим участие в обсуждении полученных результатов, в особенности В.А. Альфонсову, А.С. Балуевой, Э.С. Батыевой, Э.Х. Казаковой, А.А. Карасику, В.Ф. Миронову, А.Р. Мустафиной.
Особую признательность автор выражает заведующему лабораторией Диффракционных методов исследований профессору И.А. Литвинову за ценные советы и замечания, и сотрудникам лаборатории ДМИ - Д.В. Бескровному, А.Б. Добрынину, О.Н. Катаевой, Д.Б. Криволапову, О.А. Лодочниковой, участвовавшим в выполнении экспериментальной работы.
\
Пространственное строение каликс[4]резорцинаренов по данным рентгеноструктурного анализа
Таким образом, суммируя результаты, полученные при исследовании серий производных каликс[4]резорцинаренов, можно отметить следующие существенные моменты. В целом модель достаточно хорошо описывает кристаллическую упаковку соединений, позволяя оперировать не с отдельными молекулами, а их ассоци-атами. Однако различие во внутреннем строении таких цилиндрических структур (в одних случаях молекулы каликсарена располагались в них стопкой по типу «голова к голове» или «голова к хвосту», а в других - молекулы располагались «боком», так что полости макроциклов оказывались на боковой поверхности фрагментарных структур) приводит к некоторой неопределенности.
Представлялось целесообразным рассмотреть строение и незамещенных калике [4]резорцинаренов, имеющих гидроксильные группы. Они представляют особый интерес за счет наличия большого числа функциональных групп, способных к образованию водородных связей, и находят широкое практическое применение в качестве матриц для синтеза пространственно организованных структур и для медицинского диагностирования [60]. Комплексы с переносом заряда с участием каликс[4]резорцинаренов являются потенциальными кандидатами для использования в нелинейной оптике [62]. При этом большинство из этих соединений оказываются крайне нестабильными, что и является, видимо, причиной весьма ограниченного числа кристаллографических данных по незамещенным калике [4]резор-цинаренам.
С целью получения наиболее полной информации о структуре каликс[4]ре-зорцинаренов и их комплексов нами был проведен поиск соединений подобного типа по КБСД [65]. В результате обнаружено более семисот структур каликс-аренов, из них двадцать пять относятся к кал икс [4]резорцинар єнам.
Следует отметить, что во всех имеющихся в литературе данных о кристаллической структуре каликерезорцинаренов, эти макроциклы образуют в кристалле либо комплексы включения, либо кристаллосольваты в зависимости от того, входит ли в полость "гостевая" молекула или нет. Во многих случаях в кристалле присутствуют молекулы нескольких растворителей (Табл.1.1). При этом анализ структур не выявляет заметную зависимость типа симметрии образующихся кристаллов от природы растворителя, входящего в состав кристаллов. Так, кристаллы комплексов калике[4]резорцинарена с 4-метилпиридином и нитрометаном [80], с 4,4,-бипиридилом и ацетонитрилом [81] принадлежат к моноклинной сияго-нии, а комплексы каликс[4]резорцинарена с 1,10-фенантралином, бензолом и ацетонитрилом [80], с пиридином [81] кристаллизуются в ромбической сингонии. В то же время в исследованном ряду комплексов калике[4]рсзорцинарена с 4,4 -бипиридином и «-хлортолуолом, 4,4 -бипиридином и адамантаном, 4,4 -6ипириди ном и и-циклофаном [82] кристаллы всех полученных соединений имеют моноклинную сингонию.
Авторами работы [80] показано, что в комплексах калике резорцинарена со смесью 1,10-фенантролина, бензола и ацетонитрила, и со смесью 4-метил-пиридина и нитрометана молекула каликс[4]резорцииарена находится в конформа-ции конус благодаря сильным внутримолекулярным водородным связям между гидр оке ильными группами. При этом наличие молекулы растворителя в полости макроцикла оказывается несущественным для этих взаимодействий (в первом случае в полости находится молекула ацетонитрила, во втором - полость остается пустой). Поэтому для большинства изученных структур комплексов каликс[4]-резорцинарена характерна конформация макроїщкла, близкая к конусу. Если на мостиковых атомах углерода в макроцикле имеются достаточно объемные заместители, то конформация макроцикла может переходить в близкую к 1,3-дипланарной форму. В работе [S3] представлен комплекс калике[4]резорцинарєна (Яг СпНгз) с этиловым спиртом, в котором молекула каликс[4]резорцинарена находится в конформации уплощенного конуса.
Влияние слабых взаимодействий и типа заместителей на кристаллическую упаковку
Полученные данные свидетельствуют, что водородные связи классического типа приводят в кристаллах шестичленных гетероциклических соединении к образованию супрамолекулярных структур двух видов - димеров и цепочек молекул. Однако во всех приведенных выше случаях наблюдаются и множественные контакты С-Н...Х и п-% типа, что в конечном счете приводит к более сложным системам взаимного связьіваїгия молекул. В частности, для рассмотрешгого ранее соединения 2.1 взаимодействия С-Н...0 типа [d(H ...О ) 2.7б(3)А, (2-x,l-y,l-z), Z(C18-H182...Or) 147(2)] приводят к дополнительному связыванию в димеры молекул, принадлежащих соседним водородное вязанным цепочкам (Рис,2.12,а). Таким образом, хотя тип супрамолекулярной структуры, возникающей за счет межмолекулярньтх контактов (бесконечная цепочка молекул) и сохранился, но он уже составлен из двух описанных ранее цепочек (Рис.2.12,6). Отметим, что по своему морфологическому типу он в данном случае совпадает с ассоциатами, образующимися в результате разделения гидрофильных и гидрофобных областей (цилиндрические гидрофильные ассоциаты в гидрофобной матрице). Некопланарность ароматического заместителя гетероциклическому фрагменту препятствует достижению высокой плотности упаковки молекул (0.66) в кристалле.
Отстуствие классических донорных и акцепторных групп в молекулах следующих исследованных соединений выводит на первый план именно слабые, но множественные взаимодействия С-Н...Х, С-Н... тс, %-к и Hal - Hal типов. Проиллюстрируем характер изменения типа супрамолекулярной структуры в зависимости от реализации тех или иных взаимодействий в кристаллах на примере серии производных 1,2-оксафосфоринов с изменяющимися но объему и положению заместителями в конденсированном и гетероароматическом фрагментах молекул. Кристалл 2-оксо-4-хлорметокси-2,8-дихлорбензо[е]-1,2-оксафосфорина (2.13) стабилизирован водородными связями С-Н...О-типа. За счет взаимодействий C,0-H10...O2 [-l+x,l+y,z] и С12-Н12і...02 (параметры водородных связей: С!0-Н10 0.94(6)А, Н,0...О2 2.52(6) А, С10...О2 3.427 A, Z С,0-Н!0...О2 163(5) и С12-Н121 0.93(4)А, Нш..02 2.43(4) А, С,2...02 3.255(5) A, ZC,2-H,2,...02 148(3) соответственно) образуется цепочка бифуркатных водородных связей, параллельная диагонали аОЬ (Рис.2.13). Таюке наблюдаются межмолекулярные взаимодействия С-Н...С1-типа. Взаимодействие С-Н ...CI12 [x,y,-l+z] (параметры водородной связи: С8-Н8 0.99(4)А, Н8...С112 2.91(4) А, С8...С112 3.771 A, Z С8-Н8...С112 146(3) ) связьгеаст указанные цепочки вдоль оси Ос, приводя к образованию слоевой супрамолекулярной структуры.
Увеличение числа заместителей в конденсированном бензольном фрагменте молекулы 7-метил-4-хлорметокси-2-оксо-2,6,8-трихлорбешо[е]-1,2-оксафосфорина (2.14) не повлекло изменения системы водородных связей в кристалле, возникающих за счет взаимодействий С-Н...О-типа (цепочка бифуркатных водородных связей вдоль оси а с расстояниями Н...0 равными 2.63(4)А и 2.45(4)А). Однако кроме этих взаимодействий присутствуют и взаимодействия С-Н...С1 и С1...С1 типа, которые связывают молекулы в двух перпендикулярных друг другу направлениях (Рис.2.14) и приводят в конечном счете к трехмерной суттрамолекулярной структуре.
В отличие от классических водородных связей С-Н...0 взаимодействия в данных соединениях могут приводить к большему разнообразию супрамолекулярных структур, в том числе и циклических [191]. В кристалле 7-метил-2-оксо-2,6-дихлорбензо[е]-1,2-оксафосфорина (2.15) возникновение димеров молекул происходит благодаря именно С3-Н3.„02 взаимодействиям ([l-x;-y,2-z], параметры водородной связи: С3-Н3 0.80(2)А, Н3...02 2.512(19) А, С3...О2 3.257(3) А, С3-Н3...02 143.6(4)) (Рис.2.15).
Строение трициклических соединений
В кристалле соединения 3.6 межмолекулярные взаимодействия С-Н...0 и С-H...N типа связывают молекулы в двух взаимно перпендикулярных направлениях -вдоль кристаллографических осей Оу и Ох соответственно. Общая картина межмолекулярных контактов дополняется также множественными взаимодействиями к-п типа, которые приводят к достаточно высокому коэффициенту упаковки молекул в кристалле - 69.5%. Участие электронных систем бензохиноксалиновых фрагментов и фенильньгх колец в тс-тг взаимодействиях (с расстояниями между центрами циклов от 3,28 до 3.64А) приводит к образованию трехмерной супрамолекулярной структуры с псевдоканалами, параллельными кристаллографической оси Ох, в которых расположены бензимидазольные фрагменты молекул (Рис.3.11). Причем в Tt-тг взаимодействия они вступают только попарно с соответствующей центро-симметричной парой (расстояние между центрами циклов равно 3.48А и диэдраль-ный угол равен 0). Возможно, что кристаллы данного соединения, имеющие подобное избранное направление, должны обладать и значительной анизотропией физических свойств.
Близкие результаты получены нами и при рентгеноструктурном анализе других соединений на основе хиноксалиновой бициклической системы колец, в частности, подандов - соединений, содержащих на концевых атомах полиэфирных или полиметиленовых звеньев различные функционализированные гетероциклические системы. По результатам рентгеноструктурного исследования трех подандов с бисхиноксалиновыми терминальными фрагментами [232] было показано, что при отсутствии классических водородных связей упаковка определяется в первую очередь тс-л контактами и приводит к слоевым и трехмерным супрамолекулярным структурам, а наличие других типов контактов - к усложнению системы взаимодействий.
Совокупность полученных данных о строении в кристалле бициклических соединений свидетельствует о конкуренции различных типов взаимодействий в кристаллах. При этом нельзя безоговорочно утверждать, что наличие классических водородных связей оказывает преимущественное влияние на упаковку молекул. В отличие от фосфорсодержащих гетероциклов, взаимодействия между ароматическими системами в рассматриваемых гетероциклических соединениях оказывают более существенное влияние, но, тем не менее, эффект всех анализируемых взаимодействий чаще всего приводит к образованию трехмерных супрамолекулярных структур. В конечном счете это затрудняет выбор супрамолекулярного синтона для моделирования строения кристалла и в каждом конкретном случае требует отдельного его рассмотрения.
В то же самое время, как оказалось, конкуренция между различными типами взаимодействий, происходящая в ущерб какой-то из них, в малой степени затрагивает стремление системы в целом к локализации в кристалле областей, обладающих преимуществен по гидрофильными и гидрофобными свойствами. Правильнее сказать, приводит, скажем, к изменению типа ассоциатов, по не к исключению факта локализации как такового. И это важно, поскольку свидетельствует о возможности рассмотрения явления локализации как дополнительного принципа формирования кристаллического состояния.
В отличие от рассмотренных соединений гетероциклические соединения с тремя сопряженными циклическими фрагментами характеризуются большей жесткостью и, вероятно, должны проявлять несколько иной баланс между реализацией сильных взаимодействий - классических и кооперативного влияния более слабых типов взаимодействий, в частности %-% контактов.
Как показывают результаты изучения супрамолекулярной структуры 2-фенил-4Н-тиазоло[4,5-с]изохинолин-5-она (3.7), баланс межмолекулярных взаимодействий в кристалле осуществляется только между двумя типами взаимодействий. В молекуле 3.7 тиазолоизохинолиновый цикл плоский в пределах экспериментальной погрешности 0.053(5)А, фенильный заместитель молекулы несколько развернут относительно его плоскости (двугранный угол равен 28.5(2)). Из классических водородных связей в кристалле наблюдается взаимодействие N4-Н4...05 (-Х, 2-у, -z): d(H4...05 ) 1.84(4)А, ./(гЛнЛ.О5 ) 174(4), приводящее к образованию в кристалле центро-симметричных димеров молекул (рис. 3.12),
Супрамолекулярная структура производных изостевиола
В данном разделе приводятся результаты изучения структуры серии производных природного дитерпена изостевиола и его структурных аналогов. Основной акцент сделан на анализе применимости предложенной модели описания надмолекулярной структуры, основанной на проявлении амфифильных свойств молекул, однако нами также проведен анализ как упаковки молекул в кристаллах, так и межмолекулярных взаимодействий.
Предварительный анализ литературы показал, что ни сам изостевиол, ни его производные до наших исследований не рассматривались в качестве базового материала для построения кристаллических супрамолекулярных образований. Все известные нам публикации посвящены синтезу некоторых производных изостевиола с целью выявления свойств регуляторов роста растений [248-252]. Следует также отметить, что несмотря на все разнообразие изученных и описанных в литературе стероидных и терпеноидных структур [253-284], целенаправленных систематических исследований, посвященных их кристаллической организации, до наших исследований практически не проводилось.
Вследствие своего природного происхождения, изостевиол является индивидуальным энантиочистым веществом, имеющим в своем составе шесть оптически активных центров (Рис.4.7).
Нами была установлена абсолютная конфигурация его хиральных центров: (R)-C\ (S)-C5, (R)-C\ (S)-C9, (S)-Cw, (S)-C12. В молекуле изостевиола имеются две пространственно разделенные полярные группы: кетонная при атоме С и карбоксильная при углеродном атоме С , ориентированные по одну сторону молекулы. Поэтому можно было ожидать, что как сам изостевиол, так и продукты взаимодействия его реакционно-способных групп будут проявлять способность к образованию специфических суттрамолекулярных структур. В связи с этим был проведен систематический анализ супрамолекулярной организации изостевиола, его производных, а таюке его структурных аналогов -природных соединений на основе холиевых и желчных кислот [285],
Была исследована серия полттциклических природных соединений на основе изостевиола. Отметим особенность этих соединений - наличие объемного жесткого тетрациклического каркаса, обладающего преимущественно гидрофобными свойствами.
Исследованы как различные производные изостевиола [286- 293], так и - бис-изостевиольные длина цепочки, связывающей тетрациклические каркасы бис-изостевиольньгх производных, в определенной степени влияет па их взаимную ориентацию, "пинцетообразность" молекулярной структуры, которая является одним из факторов, необходимых для связывания производными изостевиола молекул "гостей". Тем не менее, практически все исследованные бис-изостевиольные производные кристаллизуются индивидуально, в то время производные - твизер-структурьт [294-296]. При этом было установлено, что как большинство из производных изостевиола образует кристаллы с участием молекул растворителей [288,289]. Подобное поведение данных соединений отражается соответственно и на коэффициенте упаковки молекул в кристалле — для производных изостевиола его значение лежит в диапазоне величин 0.67 - 0.71, для бис-изостевиолъных соединений он несколько ниже - 0.64 - 0.66.
Несмотря на эти различия, для кристаллов всех рассматриваемых соединений характерно наличие развитой системы межмолекулярных взаимодействий, как классического, так и С-Н...0 типа. При этом классические водородные связи приводят, в основном, к образованию OD-мерных супрамолекулярных структур -димеров молекул, и лишь в нескольких случаях - к Ш-мерным цепочечным структурам. Учет же более слабых, но и более многочисленных контактов С-Н...0 типа приводит в большинстве из исследованных соединений к образованию 20-мерных супрамолекулярных структур - водородно-связанных слоев молекул. Наличие сольватньгх молекул в кристаллах не существенно меняет систему межмолекулярных контактов.
Использовашіе модели, учитывающей локализацию гидрофильных и гидрофобных областей в кристалле, оказывается и здесь.весьма плодотворным. Отметим при этом, что указанное ранее отличие этих соединений (повторимся — наличие объемного гидрофобного тетрациклического каркаса) оказывает очень существенное влияние на тип образуемых структур. В результате того, что гидрофобный фрагмент молекул оказывается очень большим, а размеры обладающих гидрофильными свойствами заместителей для всех исследованных соединений достаточно малы, рассчитанные значения объемных долей гидрофильных фрагментов укладываются в диапазон величин 0.13 - 0.30.
