Молекулярная и кристаллическая структура производных 1,2,4,5,7-тетраоксазоканов и тетраоксаспирододекан диаминов

Во введении обоснованы актуальность, сформулирована цель и задача диссертационной работы, представлена научная новизна проведенных исследований, их теоретическая и практическая значимость.
Первая глава диссертации содержит обзор литературных данных по кристаллохимическим исследованиям циклических органических пероксидов. В обзоре обобщены структурные исследования конформаций циклов и геометрических параметров пероксидной связи, а также рассмотрены физико-химические свойства и биологическая активность циклических пероксидов. Так, для циклических пероксидов характерны в основном те же конформации, что и для циклоалканов. Например, для диоксетанов характерны две конформации – плоская и складчатая, озонидов – полукресло, искаженный конверт и конверт, триоксанов – кресло, твист-ванна, твист-кресло и ванна и т.д. Длина пероксидной связи в большинстве соединений варьирует в пределах от 1.45 до 1.49 Å и практически не коррелирует с размером пероксидного цикла, тогда как длины С–О связей варьируют в широких пределах от 1.392 до 1.513 Å. Глава завершается заключением, подчеркивающим актуальность структурных исследований семи- и восьмичленных циклических пероксидов, что является важнейшей задачей физической химии.
Вторая глава представляет собой экспериментальную часть, где собраны данные об использованном оборудовании, применяемых методах и программах исследования физико-химических характеристик тетраоксазоканов и тетраоксаспирододекан диаминов. Основные кристаллографические характеристики исследуемых соединений приведены в таблице 1.
Третья глава содержит обсуждение экспериментальных результатов.

1 Структурные особенности производных 1,2,4,5,7-тетраоксазоканов
Молекулярная структура. С целью установления факторов, влияющих на конформацию тетраоксазоканового цикла, изучен ряд производных 1,2,4,5,7-тетраоксазоканов 1-13 (рисунок 1).
Установлено, что N-арильный заместитель в структурах 1-8 и 10-13 занимает псевдоаксиальное положение относительно «эффективной» плоскости тетраоксазоканового цикла (рисунок 2). Сумма валентных углов при атоме азота составляет от 354.32 до 357.94°.
Восьмичленный пероксидный цикл принимает несколько типов конформаций: твист-ванна-кресло в соединениях с адамантановыми и циклоалкановыми заместителями (1-8), кресло-кресло и ванна-кресло – в структурах со спироментоновыми заместителями (10-13), в зависимости от природы заместителя при атоме азота. Следует отметить, что в структуре 9 наблюдается разупорядоченность тетраоксазоканового цикла, реализующаяся в виде сосуществования двух изомеров (кресло-кресло и твист-ванна-кресло), в которых тетраоксазокановые циклы имеют общие O1, O2, C3, N4, C5 и C8 атомы. Подобных азапероксидных циклов в Кембриджской базе данных не обнаружено (CSD, Release 2020.0).
Для количественной оценки тетраоксазокановых и тетраоксепановых циклов, имеющих одинаковую конформацию, была рассчитана амплитуда складчатости цикла (метод Кремера-Попла), которая отображает отклонение атомов цикла от его средней плоскости. Амплитуды складчатости гетероциклов 1-4 изменяются в пределах от 1.191 до 1.198 Å. В соединении 5 конформация пероксидного кольца сохраняется прежней (твист-ванна-кресло), но при этом амплитуда складчатости меньше и равна 1.154(2) Å. Несмотря на то, что в спироциклических тетраоксазоканах 6, 7 и 8 также реализуется конформация твист-ванна- кресло, амплитуда складчатости для них составляет 1.183(4), 1.214(2) и 1.2173(18) Å соответственно. В кристаллах 9 реализуются два изомера, тетраоксазокановый цикл одного из которых (кресло-кресло конформер) имеет амплитуду складчатости 0.945(3) Å, а второй (твист-ванна-кресло конформер) – 1.137(4) Å. Амплитуда складчатости тетраоксазоканового цикла в конформации кресло-кресло (структуры 10-12) лежит в узком диапазоне от 0.885 до 0.895 Å, тогда как в конформации ванна-кресло (13) равна 1.277(3) Å.

Таблица 1 – Кристаллографические данные соединений 1–17
Соединение No
2
4
6
8
10
12
14
16
a, Å b, Å c, Å α, ° β, ° γ, °
12.735(3) 6.5866(9) 18.883(3) 90 90 90 20.1904(17) 6.6711(4) 12.9057(9) 90 106.432(8) 90 12.6307(9) 6.6410(5) 19.1592(14) 90 90 90 20.184(4) 6.6789(7) 12.7848(16) 90 104.567(16) 90 12.4037(10) 14.5530(17) 9.9903(8) 90 103.023(8) 90
V, Å3
1583.9(5) 1667.3(2) 1607.1(2) 1668.1(4) 1757.0(3) 2793.9(2) 1449.9(3) 1543.7(2) 1189.2(2)
Простр. группа Pna21 P21/c Pna21 P21/c P21/c Pbca Cc P21/n P-1 P21 P21 P21 P21
Z Z ́
4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 8 1 4 1 4 1 4 2 2 1 4 2 2 1 2 1 4 1 4 1 4 1 4 1
dвыч, Rgt/Nref г/см3 (I≥2σ(I)) 1.331 0.0490/2359 1.320 0.0972/3809 1.386 0.0399/3765 1.401 0.0916/3891 1.313 0.0766/4041 1.347 0.0939/3246 1.362 0.0372/2662 1.340 0.0482/3560 1.381 0.0975/5453 1.233 0.0653/3445 1.276 0.0583/6850 1.248 0.0675/3613 1.301 0.0859/3831 1.404 0.0856/4094 1.386 0.0547/4395 1.402 0.0825/4313 1.651 0.0750/4798
12.4485(6) 10.2927(6) 5.7993(5) 25.037(3) 5.6520(4) 26.493(3) 6.3428(5) 10.3466(13)
21.8055(10) 10.1500(11) 10.4717(10) 19.0468(15) 13.5007(19)
18.9061(6) 11.4711(4) 8.7831(3) 90 99.134(3) 90 1880.66(11) P21/c 12.9687(13) 10.0294(8) 14.5182(15) 90 100.068(10) 90 1859.3(3) P21/n 10.6640(6) 9.4362(6) 20.7558(11) 90 97.997(5) 90 2068.3(2) P21/n
90 90 90
90 100.329(11) 90
90 100.108(8) 90
78.754(9) 82.207(6) 77.034(8)
90 116.417(17) 90 914.1(2)
12.8989(17) 5.8609(5)
11.5582(8) 6.0006(3) 27.226(2) 90 101.111(7) 90 1852.9(2)
12.146(2) 6.0004(7) 14.022(3) 90 112.03(2) 90 947.3(3)
6.3859(8) 8.1389(8) 16.238(3) 90 99.013(13) 90 833.53(19) 10.550(3) 9.4988(15) 20.359(3) 90 99.44(2) 90 2012.7(8) P21/n
Рисунок 1 – Структурные формулы соединений 1-17
Рисунок 2 – Молекулярная структура спироадамантан 1-5, спироциклоалкан 6-9 и спироментон 10-13 тетраоксазоканов.
9 ́ и 9 ́ ́ – конформеры в кристалле 9. Атомы представлены эллипсоидами тепловых колебаний (р = 30 %)
Анализ топологических параметров КТ(3,–1) C–O связей показал корреляцию длин связей с величиной электронной плотности и ее лапласиана. Отличительной особенностью С–N связей по сравнению с O–О и С–О является сравнительно большие по модулю значения электронной плотности и ее лапласиана.
Стереоэлектронные эффекты. Причину различий в длинах связей тетраоксазоканового цикла проанализировали с точки зрения стереоэлектронных эффектов. В структурах 1-13 nN→σ*C–О стереоэлектронные эффекты проявляются на двух N–C–O участках и не зависят от типа конформации тетраоксазоканового цикла по сравнению с семичленными дитиазепанами (рисунок 3).
Для соединений с симметричными ванна-кресло (13) и кресло-кресло (10-12) конформациями разница в энергиях nO→σ*C–N взаимодействий на участках N4–C3–O2 и N4–C5–O6 незначительна и составляет от 0.33 до 3.72 кДж/моль. В случае тетраоксазокановых циклов с несимметричным строением (твист-ванна-кресло) энергии взаимодействия существенно отличаются.
На участке О1–С8–О7 неподеленные электронные пары атомов кислорода вовлекаются во взаимодействия с орбиталями соседних С8–О7
и С8–О1 связей, энергии которых лежат в диапазоне 47-70 кДж/моль. Кроме того, для O–O–C участков выявлены слабые взаимодействия nO7→σ*O6–C5 и nO6→σ*O7–C8, nO1→σ*O2–C3 и nO2→σ*C1–O8.
Рисунок 3 – Схема стереоэлектронных взаимодействий n→σ* в структуре 2. Значения приведены в кДж/моль
Таким образом, в ряду исследуемых соединений выявлены стереоэлектронные эффекты, которые проявляются на O–C–O, двух N–C–O, и четырех O–O–C участках независимо от типа конформации.
Конформационный анализ. С целью установить возможные конформации тетраоксазоканового цикла, изучено конформационное поведение молекул 1-13 с применением квантово-химических расчетов в рамках метода B3LYP/6-31G(d,p). Выявлен ряд возможных конформаций за счет изменения торсионных углов N–C–O–O, O–C–N–C, O–O–C–O и C–O–O–C пероксидного гетероцикла. Переходные состояния уточнены по наличию одной из мнимых частот в соответствующем гессиане (рисунок 4).
Рисунок 4 – Конформационный анализ структуры 13
Главному минимуму на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) в соединениях 1-4, 6-12 соответствует реализуемая в кристаллическом состоянии конформация, в отличие от соединений 5 и 13. Энергетический барьер между конформациями твист-ванна-кресло и кресло-кресло в 5 составил 2.05 кДж/моль. Для соединения 13 энергетический барьер между ванна-кресло и кресло-кресло конформерами значительно больше и составляет 6.78 кДж/моль, что может быть обусловлено природой заместителя.
Таким образом, выявлено, что в кристаллах соединений 1-4, 6-8 реализуется конформация твист-ванна-кресло, в 10-12 – кресло-кресло которые соответствуют глобальному минимуму на ППЭ. В кристаллах 9 одновременно реализуются две конформации твист-ванна-кресло и кресло-кресло, а значению глобального минимума соответствует конформация твист-ванна-кресло. Для соединений 5 и 13 согласно конформационному анализу наиболее энергетически выгодная конформация кресло-кресло, тогда как в кристаллическом состоянии наблюдается твист-ванна-кресло (5) и ванна-кресло (13).
Внутримолекулярные взаимодействия.
Показано, что ориентация арильного заместителя в структурах 1-4 создает благоприятные условия для образования внутримолекулярных водородных C–H…O связей и коротких H…H взаимодействий (рисунок 5).
Рисунок 5 – Внутримолекулярные взаимодействия в структурах 2, 5-7, 9, 10, 13

Так, в структурах 1-4 С–Н…О связь формируется между атомом водорода арильного фрагмента и атомом кислорода тетраоксазоканового цикла. Кроме того, между протонами арильного фрагмента и водородами метиленовых групп тетраксазокана формируются H…H взаимодействия.
Метоксифенильный фрагмент в силу стерических причин имеет большой угол поворота относительно средней плоскости тетраоксазокана 5, что приводит к образованию других внутримолекулярных связей. В структуре 5 образуются две С–Н…О водородные связи между атомами H19 и O1, а также между атомом кислорода метоксигруппы О24 и водородом H5B. Интересно отметить, что в структуре 6 также наблюдается образование коротких H3B…H15 и H5B…H19 взаимодействий между ароматическим заместителем и метиленовыми группами, как и в случае соединений 1-4. Замечено, что амплитуды складчатости восьмичленных циклов молекул 1-4 и 6 также схожи, как и типы образующихся внутримолекулярных взаимодействий. Обнаруженная схожесть амплитуд складчатости и образующихся внутримолекулярных взаимодействиях характерна для соединений 7-8.
В соединениях 10-12 для которых реализуется конформация кресло- кресло, формируются аналогичные внутримолекулярные взаимодействия между атомом кислорода O6 тетраоксазоканового кольца и атомами водорода фенильного (H23) и ментонового (H10) фрагментов, а также между метильным атомом водорода H16C и атомом кислорода O7 тетраоксазоканового цикла (рисунок 5). Отличительной особенностью структуры 13 от 10-12 является формирование С16–H16C…O1, H5B…H22 взаимодействий. По типу образуемых внутримолекулярных взаимодействий ментоновые производные можно разделить на две группы: 10-12 и 13, в пределах которых амплитуды складчатости близки по значению.
Таким образом, выявлена взаимосвязь между амплитудой складчатости цикла и внутримолекулярными взаимодействиями.
Кристаллическая структура. Мы предположили, что на конформацию тетраоксазоканового цикла соединений 1-13 могут также влиять межмолекулярные взаимодействия.
Независимая часть элементарной ячейки кристаллов соединений 1-8, 10, 12, 13 включает в себя одну молекулу, в отличие от кристаллов 9 и 11, где наблюдаются две молекулы. Все кристаллы рассматриваемой группы соединений относятся к низшим сингониям: триклинной (9), моноклинной (2, 4, 5, 7, 8, 10-13) и ромбической (1, 3 и 6). В кристаллах между молекулами преимущественно формируются С–Н…О водородные связи и короткие Н…Н взаимодействия, а также в зависимости от природы заместителя образуются С–Н…Х (Х = F, Cl и N) и О–Н…О водородные связи и С–Н…π контакты. Молекулы 1-4, 6 и 7 формируют в кристаллах
2D мотивы за счет водородных связей типа С–Н…О, 5 – 3D мотив, 8, 10- 13 – 1D мотивы, тогда как 9 – 0D мотив за счет О–Н…О взаимодействий.
Кристаллы соединений 1 и 3 изоструктурны. В паре соединений 1 и 3 двумерный мотив формируется за счет прочных С–Н…О водородных связей между атомами кислорода тетраоксазоканового цикла и атомами водорода адамантанового и фенильного фрагментов. Наиболее прочными С–Н…O связями в кристаллах 1 и 3 являются взаимодействия между атомом кислорода тетраоксазоканового цикла и водородом метиленового фрагмента.
Во второй паре соединений 2 и 4, кристаллы которых изоструктурны, так же как и для 1 и 3, формируются 2D мотивы, но за счет С–Н…О взаимодействий между атомами кислорода тетраоксазоканового цикла и атомами водорода адамантанового и метиленового фрагментов.
Отличительной особенностью структуры 5 является наличие метоксильной группы в орто-положении фенильного фрагмента, кислородный атом которой наряду с атомами кислорода тетраоксазоканового цикла посредством образования С–Н…O связей участвует в формировании 3D супрамолекулярного мотива в кристалле.
Таким образом, для рассматриваемой группы соединений со спироадамантановым заместителем кристаллическая упаковка стабилизируется за счет C–H…O межмолекулярных взаимодействий. При этом стоит отметить, что кристаллы 1 и 3, 2 и 4 имеют аналогичные мотивы. Из общей массы рассматриваемых структур можно выделить соединение 5, супрамолекулярный мотив которого отличается от остальных из-за наличия метоксильной группы.
Молекулы соединений 6 и 7 формируют 2D мотив в кристаллах за счет слабых С–Н…O водородных связей, образующихся между атомами кислорода тетраоксазоканового цикла и атомами водорода метиленового и фенильного фрагментов. Кислородный атом O1 участвует в образовании C–H…O водородных связей, за счет которых молекулы соединения 6 формируют зигзагообразную цепочку (вдоль оси b), а молекулы 7 – стопки (вдоль оси а).
Кристаллическая упаковка соединения 8 формируется за счет С5-Н5A…О1 и С9–Н9A…О7 водородных связей, образующих 1D мотив, в котором молекулы укладываются в стопки вдоль оси a.
Молекулы 9 формируют циклический димер (0D мотив) за счет O-Н…O взаимодействий. Также в кристалле образуются слабые C–Н…О водородные связи: С14–H14B…O16, С3–H3B…O1 ́ и С3–H3B…O2 ́. Следует отметить, что бифуркатные связи имеют схожую геометрию (dO1 ́…Н3B = 2.65(3) Å, dO2 ́…Н3B = 2.66(3) Å, ∠С3–H3B…O1 ́ = 149.2°, ∠С3–H3B…O1 ́ = 128.9°).
В соединениях 10-12 формируется 1D мотив за счет С–Н…O водородных связей. Интересно отметить, что только для соединения 10 формируется мотив за счет С–Н…О (С5–Н5А…О6 и С3–Н3A…О6) бифуркатных водородных связей. В кристаллах 11 и 12 за счет бифуркатных С–Н…O водородных связей образуются спиралевидные (зигзагообразные) цепи. Этот мотив, в отличие от соединения 10, образуется между метиленовым атомом водорода H3A и атомами кислорода O1 и O2 тетраоксазоканового кольца.
В кристалле 13 формируется зигзагообразная цепочка из молекул, связанных между собой за счет C–H…N взаимодействий. Значения топологических параметров критических точек составляют ρ(r) = 0.0115 e/au3 и ∇2ρ(r) = 0.0348 e/au5, что указывает на сильное взаимодействие между атомами водорода и азота. Ортогонально зигзагообразным цепям образуются стопки из молекул, связанных между собой С–Н…O водородными связями.
Таким образом, в кристаллах 1-8, 10-12 молекулы стабилизированы преимущественно за счет C–H…O водородных связей, тогда как в 9 и 13 кристаллообразующими являются O–H…O и C–H…N межмолекулярные взаимодействия.
2 Структурные особенности производных тетраоксаспирододекан диаминов
С целью определения конформации и межмолекулярных взаимодействий, возникающих в структурах пероксидов с атомами азота, не включенными в пероксидный цикл, был проведен анализ четырех новых структур тетраоксаспирододекан диаминов (рисунок 6).
Молекулярная структура. Установлено, что торсионный угол N20–C10–C9–N13 между N-арильными заместителями составляет соответственно -73.0(3), -79.4(2), и -68.8(4) и -75.07(6)° для соединений 14, 15, 16 и 17, что указывает на гош-конформацию относительно связи С9–С10. Наибольший угол характерен для структуры 15 с орто-фтор- арильными заместителями при атоме азота, поскольку это приводит к минимальному стерическому напряжению между ними. Таким образом, можно сделать вывод, что природа и положение атомов галогенов в бензольных фрагментах слабо влияет на геометрические параметры исследованных молекул 14-17.
В литературе найдены системы, содержащие аналогичный семичленный тетраоксановый цикл, который в кристаллическом состоянии может принимать конформации кресло (ref. code QAQFAP) и твист-кресло (ref. code QONLOU). С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что в соединениях 14-17 тетраоксепановое кольцо
принимает конформацию твист-кресло (рисунок 6). Амплитуда складчатости тетраоксепановых циклов лежит в узком диапазоне от 0.970(3) до 1.0072(14) Å, что говорит о близости конформаций при их сравнении по методу Кремера-Попла.
Рисунок 6 – Молекулярные структуры соединений и внутримолекулярные взаимодействия в структурах 14-17. Атомы представлены эллипсоидами тепловых колебаний (р=30%)
В исследуемых соединениях длины C–O связей принимают значения в достаточно широком диапазоне (1.423–1.463 Å), что соответствует значениям из КБСД. Длины O–O связей принимают меньшие значения по сравнению с литературными данными. Длины C–N связей в исследуемых структурах 14-17 также немного меньше известных в литературе среднестатистических значений (1.469 Å). Во всех молекулах атомы азота имеют плоскую конформацию (сумма углов при атоме азота ~360°), что является следствием сопряжения между π-системой ароматического заместителя и неподеленной электронной парой атома азота. Таким образом, наблюдаемое несоответствие длин С–О и C–N связей литературным значениям, а также уплощение атома азота является проявлением стереоэлектронных эффектов в структурах 14-17.

Топологический анализ распределения электронной плотности показал, что наибольшая электронная плотность и ее лапласиан в критических точках КТ(3,–1) характерны для C–N связей, что свидетельствует об их высокой прочности.
Стереоэлектронные эффекты. Для подтверждения наличия стереоэлектронных эффектов были построены проекции Ньюмена и проведен анализ с помощью метода натуральных связевых орбиталей (рисунок 7).
Рисунок 7 – Схемы стереоэлектронных взаимодействий n→σ* в структуре для соединения 14. Значения приведены в кДж/моль
На участке О7–С1–О12 наблюдается взаимодействие неподеленной пары атома кислорода О7 с сигма разрыхляющей орбиталью С1–О12 связи, а также в обратном направлении. Энергии взаимодействий nО7→σ*С1–О12 и nО12→σ*С1–О7 незначительно отличаются и изменяются в пределах 42.26–45.19 кДж/моль. Взаимодействия nN→σ*C–O характеризуются большими значениями энергии (от 71.59 до 86.48 кДж/моль). Следует отметить, что энергия взаимодействия атома азота N13 с антисвязывающей σ*-орбиталью C9–O8 связи в структуре 16 наибольшая среди всех nN→σ*C–O взаимодействий, что ведет к значительному укорочению N13–C9 связи (1.382(5) Å). Отличительной особенностью взаимодействий на N–C–O участке для тетраоксепанов 14- 17 в отличие от тетраоксазоканов 1-13, является наличие очень слабых nО→σ*C–N и относительно сильных nО→σ*C-С взаимодействий. Меньшие значения энергии данных взаимодействий объясняются анти-ориентацией неподеленной электронной пары атома кислорода c C–C и С–H связями, и гош расположением относительно C–N связи.

Таким образом, в ряду исследуемых соединений выявлены стереоэлектронные эффекты, которые проявляются на O–C–O, двух N–C–O, двух O–C–С и четырех O–O–C участках.
Внутримолекулярные взаимодействия. Ориентация арильных заместителей в исследованных структурах создает благоприятные условия для образования C–H…O и H…H внутримолекулярных взаимодействий (рисунок 6).
Так, в структуре 14 между протонами арильного фрагмента (Н19 и Н22) и атомами водорода тетраоксепанового кольца (Н9 и Н10) формируются H…H взаимодействия, расстояние между атомами водорода которых составляет 2.209 и 2.235 Å соответственно. В структуре 15 в дополнение к H9…H22 короткому контакту образуется C19–H19…O8 внутримолекулярнуая связь. Для соединения 16 установлено формирование C22–H22…O11 водородной связи, а также H9…H19 и H10…H22 коротких контактов. В структуре 17 аналогично 14 образуются H9…H19 и H10…H22 взаимодействия, расстояние между водородными атомами которых незначительно отличается от вышеуказанных контактов и равна 2.215 и 2.240 Å соответственно.
Таким образом, установлено, что образующиеся внутримолекулярные взаимодействия схожи, как и амплитуды складчатости тетраоксепанового цикла.
Кристаллическая структура. Для проверки влияния межмолекулярных взаимодействий на конформацию тетраоксепанового кольца был проведен их комплексный анализ.
Независимая часть элементарной ячейки соединений 14-17 включает в себя одну молекулу. Все кристаллы рассматриваемой группы соединений относятся к моноклинной сингонии. В кристаллах между молекулами преимущественно формируются N–H…O, С–Н…О и C–H…N водородные связи и короткие Н…Н взаимодействия, а также в зависимости от природы заместителя образуются С–Н…Х и N–H…X (Х=F, Cl и Br) и С–Н…π контакты. Молекулы 14-17 формируют в кристаллах 2D мотивы за счет N-H…O и С–Н…O водородных связей.
Молекулы соединения 14 формируют в кристалле зигзагообразные цепи вдоль оси b за счет прочных N13–H13…O12 и С–Н…O (С15-Н15…О12, С23–Н23…О8) водородных связей. Бифуркатный атом кислорода O12 кроме N13–H13…O12 взаимодействия также формирует С15–Н15…О12 связь, которая является самой слабой в мотиве, и ее длина составляет 2.63(2) Å. Кроме того, в мотиве также формируются С–Н…О взаимодействия между протоном Н23 фенильного фрагмента и атомом кислорода О8 энергия взаимодействия которого больше на 16.5 %, чем для С15–Н15…О12.
В кристаллах 15 за счет сильных N13–H13…O7 и N20–H20…O12 водородных связей, формируются цепи вдоль оси с. Интересно отметить, что атомы кислорода О7 и О12 образуют бифуркатные межмолекулярные взаимодействия, при этом O…H расстояния в C–H…O связях в отличие от N–H…O больше суммы ван-дер-Ваальсовых радиусов.
Кристаллическая упаковка соединений 16 и 17, также как и для 14, формирует зигзагообразные цепочки за счет N–H…O и С–Н…O водородных связей, которые образуют 2D мотив. Наиболее прочная N13-H13…O12 связь среди рассматриваемых структур в 17 (E = 14.31 кДж/моль), тогда как наименьшее значение энергии связи характерно для 16 (E = 11.97 кДж/моль).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках данной диссертационной работы исследована молекулярная и кристаллическая структура тринадцати спиро- тетраоксазоканов. Установлено что в молекулах спироадамантановых и спироциклоалкановых азапероксидов реализуется конформация восьмичленных гетероциклов твист-ванна-кресло, а для спироментоновых – кресло-кресло и ванна-кресло. Анализ натуральных молекулярных орбиталей в рамках теоретического приближения B3LYP/6-31G(d,p) позволил обнаружить и количественно оценить стереоэлектронные взаимодействия nO→σ*C–O, nO→σ*C–N, nN→σ*C–O и nO→σ*O–C на участках N-C–O, О–C–O и O–O–C. Показано, что энергия nN→σ*C–O (66.15-94.60 кДж/моль) взаимодействий больше, чем для nO→σ*C–N (10.13-54.10 кДж/моль). Взаимодействие неподеленной электронной пары атома кислорода с антисвязывающей σ*-орбиталью C–O связи имеют значительно большую энергию по сравнению с nO→σ*O–С. Проведен конформационный анализ и сравнение конформаций, реализуемых в кристаллах и в газовой фазе и показано, что в некоторых кристаллах реализуется конформация восьмичленного гетероцикла не совпадающая с глобальным минимумом из квантово-химических расчетов. Выполнена количественная оценка амплитуд складчатости циклов по методу Кремера-Попла. Выявлено, что полученные значения взаимосвязаны с типами формируемых внутримолекулярных взаимодействий. Анализ кристаллической упаковки и межмолекулярных взаимодействий позволил выявить, что в кристаллах 1-8, 10-12 молекулы стабилизированы преимущественно за счет внутримолекулярных C–H…O водородных связей, тогда как в кристаллах 9 и 13 стабилизация конформаций осуществляется также и за счет сильных O–H…O и C–H…N межмолекулярных взаимодействий.
С целью определения конформаций и межмолекулярных взаимодействий, реализующихся в кристаллах пероксидов с экзоциклическими атомами азота, проведен анализ четырех новых структур тетраоксаспирододекан диаминов. Для всех этих структур характерна конформация твист-кресло. С помощью метода натуральных связевых орбиталей обнаружены стереоэлектронные взаимодействия на N–C–O, О–C–O, O–O–C и O–C–C участках. Установлено, что энергии nO→σ*C–N взаимодействий в тетраоксаспирододекан диаминах меньше, чем в тетраоксазоканах, а также выявлено наличие взаимодействия неподеленной электронной пары атома кислорода с σ*-разрыхляющей орбиталью C–C связи с относительно большими значениями энергий взаимодействия. Так же как и для тетраоксазоканов, установлена взаимосвязь между амплитудой складчатости цикла и образующимися внутримолекулярными взаимодействиями. На основе анализа межмолекулярных взаимодействий выявлено, что в кристаллах преимущественно образуются N–H…O и С–Н…О водородные связи.
Установленные особенности пространственного строения новых производных тетраоксазоканов и тетраоксаспирододекан диаминов будут способствовать поиску и целенаправленной разработке новых фармакологически перспективных соединений для медицины, обладающих потенциальной противомалярийной и противоопухолевой активностью.
ВЫВОДЫ
1. Впервые установлено пространственное строение тринадцати новых производных тетраоксазоканов и четырех новых производных тетраоксаспирододекан диаминов в кристаллическом состоянии. Установлено, что тетраоксазокановый цикл в производных спиро- адамантан и спиро-циклоалкан тетраоксазоканов принимает конформацию твист-ванна-кресло, тогда как в галогенфенильных производных 1-изопропил-4-метил-тетраокса-азаспиро тридеканов – кресло-кресло, а в 1-изопропил-4-метил- метилизооксазол-тетраокса- азаспиро тридекане – ванна-кресло. Установлено что конформация тетраоксепанового цикла в тетраоксаспирододекан диаминах–твист- кресло, не зависит от типа галогена и его положения в бензольных кольцах аминогрупп;
2. Выявлены стереоэлектронные взаимодействия на участках N–C–O, О–C–O и O–O–C (nO→σ*C–O, nO→σ*C–N, nN→σ*C–O и nO→σ*O–C), возникающие в тетраоксазокановом цикле рассмотренных соединений и установлено, что для всех исследованных соединений проявления стереоэлектронных эффектов наблюдаются на двух N–C–O участках
независимо от конформации восьмичленных циклов. При этом энергия взаимодействия nO→σ*C–N в тетраоксазоканах больше по сравнению с тетраоксаспирододекан диаминами, вследствие эффективного перекрытия неподеленной электронной пары атома кислорода и C–N связи, достигаемого благодаря их анти-ориентации в тераоксазоканах, тогда как в тетраоксаспирододекан диаминах неподеленная электронная пара атома кислорода и C–N связь находятся в гош положении;
3. Методами компьютерного моделирования конформационных превращений с применением квантово-химических расчетов в рамках метода B3LYP/6-31G(d,p) установлено, что рассчитанные энергетически наиболее выгодные конформеры для фенил-, p-толил-, 4-фторфенил-, 4-хлорфенил-спироадамантан тетраоксазокана, 4-фторфенил- тетраоксаазаспиро-циклогексана, -циклогептана и -циклооктана (твист-
ванна-кресло) 4-фторфенил-,
тетраоксаазаспиротридекана
конформациям, наблюдаемым
тетраоксаазаспиротридекан уксусной кислоты одновременно реализуются две конформации твист-ванна-кресло и кресло-кресло, при этом значению глобального минимума соответствует конформация твист- ванна-кресло. Найдено, что реализуемая в кристаллах конформация цикла 2-метоксифенил-спироадамантан тетраоксазокана (твист-ванна-кресло) и 4-метилизоксазол-тетраоксаазаспиротридекана (ванна-кресло) отличается от теоретически рассчитанной конформации кресло-кресло за счет влияния межмолекулярных взаимодействий.
4. Установлена определяющая роль слабых С–Н…O внутримолекулярных водородных связей и H–H взаимодействий на амплитуду складчатости оксазоканового и оксепанового циклов, которые фиксируют положения атомов кислорода относительно фенильных, адамантановых, циклоалкановых и ментоновых заместителей.