Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Исследования, проводимые в рамках проекта в 2016 году были направлены на выполнение основной задачи проекта: всестороннее исследование межмолекулярных взаимодействий в рядах родственных кристаллических структур: кристаллах соединений, различающихся одними или несколькими заместителями или их положением, структурах с несколькими независимыми молекулами в элементарной ячейке, полиморфных модификациях, сокристаллах и сольватах. В рамках проекта в 2016 году были рассмотрены все эти классы структур. Для анализа межмолекулярных взаимодействий были использованы различные подходы: геометрическое описание укороченных межатомных контактов, квантовохимический расчет парных межмолекулярных энергий, качественный и количественный анализ хиршфельдовских поверхностей и полиэдров Вороного-Дирихле, топологический анализ функции распределения электронной плотности по данным прецизионных рентгенодифракционных исследований и квантовохимических расчетов изолированных молекул, их ассоциатов и кристаллов. Основными объектами исследования являлись кристаллические структуры замещенных гетероциклических соединений: производные пиридина, хинолина и их комбинации, замещенные гликольурилы и полинитроорганические соединения с высокой плотностью. В частности, для 8-гидроксихинолина был проведен конформационный анализ супрамолекулярного синтона — H-связанного димера, присутствующего в трех известных полиморфных модификациях; было показано, что наблюдаемая в кристалле наиболее стабильного ромбического полиморфа скрученная конформация димера выгоднее по энергии, чем копланарное расположение циклов в двух других формах, а основное различие в кристаллической упаковке полиморфов возникает из-за разницы в общей площади стекинг-взаимодействий. Для 5,7-динитропроизводного 8-гидроксихинолина на основании квантовохимических расчетов показано, что обнаруженная в кристалле цвиттерионная форма более выгодна в поле кристалла, и наблюдаемый перенос протона приводит к предпочтительности копланарного расположения молекул в H-связанном димере и стопочной упаковке молекул в кристалле. Для ряда нитрозамещенных производных гидроксипиридинов и 8-гидроксихинола получены сокристаллы и соли, образованные представителями ряда, и для этих сокристаллов проанализированы особенности межмолекулярных взаимодействий. Так, получен сокристалл 2‑нитро-пиридин-3-ола с 3,5-динитропиридин-2-оном, в котором в первом коформере (молекуле в сокристалле) изменяется тип H-связывания с межмолекулярного на внутримолекулярный по сравнению со структурой чистого соединения из-за формирования межмолекулярного H-связанного синтона с дополнительными C-H...O взаимодействиями. В нецентросимметричной соли 3,5-динитропиридин-2-она с 8- гидроксихинолином, несмотря на перенос протона, сохраняются хиральные H-связанные цепи, характерные для первого коформера. В нецентросимметричной структуре сокристалла 3,5-динитропиридин-2-она с 5-нитропиридин-2-оном при разнице в молекулах в одну нитрогруппу, также сохраняются хиральные цепи, хотя и отличающиеся по геометрии от структуры первого коформера. В трех найденных полиморфных модификациях сокристаллов 5-нитропиридин-2-она с пиридин-2-оном наблюдаются различные супрамолекулярные синтоны — H-связанные одномерные ассоциаты и цепи. При этом энергия H-связей в этих синтонах достаточно близка для трех форм. Для полиморфов различными методами оценена энергия решетки и разница в неспецифических межмолекулярных взаимодействиях. Для нецентросимметричного полиморфа (пр. гр. Pc) на основании расчета кристалла методами DFT оценена эффективность генерации второй гармоники, оказавшаяся в 5 и 40 раз выше, чем у кристаллов коформеров. Получены и охарактеризованы четыре полиморфные модификации и шесть сольватов 5,7‑динитро-N-(хинолин-8‑ил)хинолин-8‑амина; на основании квантовохимических расчетов показано, что наблюдаемые в кристаллах конформации молекул различаются по энергии менее чем на 1 ккал/моль; обнаружено, что при разрушении сольватов с ароматическими растворителями образуется одна из полиморфных форм. Показано, что в кристаллах полиморфов и сольватов 5,7‑динитро-N-(хинолин-8‑ил)хинолин-8‑амина наблюдается разнообразное, хотя и повторяющееся в части структур взаимное расположение формально донорных и акцепторных фрагментов соседних молекул, что говорит о возможности интерпретации взаимодействий между частями молекул как о супрамолекулярных синтонах. Начато исследование серии структур дизамещенных дифенилпроизводных гликольурилов и их сольватов. Показано, что конформация молекулы и геометрические параметры бициклического гликольурильного каркаса фактически не зависят от межмолекулярных взаимодействий. Для всех структур обнаружено формирование димеров за счет N-H...O связей, далее объединяющих молекулы в бесконечные цепи. Показано, что при её наличии, молекула растворителя может встраивается в этот димер с расширением размерности образуемого цикла. Для серии N-(2-галоген-2,2-динитроэтил)пирролидин-2,5-дионов (Hal=F, Cl, Br) проведен сравнительный анализ кристаллических упаковок и показано, что в зависимости от типа галогена, в кристалле наблюдается различный характер галогеновой связи и изменяется вклад других типов взаимодействий в кристаллическую упаковку. Для 2,4,6-трис(2-фтор-2,2-динитроэтокси)-1,3,5-триазина на основании геометрического анализа и квантовохимических расчетов парных межмолекулярных взаимодействий проанализировано влияние на плотность упаковки и распределение по типам межмолекулярных контактов замены одной нитрогруппы в соответствующем тринитроэтокси- производном на атом фтора. Показано, что атомы фтора, образуют в основном в F...pi взаимодействия, при этом по сравнению с тринитроэтокси аналогом в кристалле исчезает стекинг-взаимодействие между гетероциклами, что, в конечном итоге, приводит к увеличению плотности упаковки этого высокоэнергетического соединения. Таким образом, поставленные на 2016 год задачи проекта выполнены полностью. По результатам исследований опубликовано две статьи.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проводимые в 2017 году исследования были направлены на выполнение основной задачи проекта: всестороннее исследование межмолекулярных взаимодействий в рядах родственных кристаллических структур: кристаллах соединений, различающихся одними или несколькими заместителями или их положением, структурах с несколькими независимыми молекулами в элементарной ячейке, полиморфных модификациях, сокристаллах и сольватах. Все описанные классы структур были рассмотрены в 2017 году; основными объектами являлись структуры, включающие гетероциклические молекулы: производные пиридина и хинолина, соединения с жёстким молекулярным каркасом: производные гликольурила и [2.2]парациклофана, а также родственные полинитроогранические соединения. В частности, экспериментальными и теоретическими методами исследованы супрамолекулярные синтоны (цепи и димеры) в структурах изомерных метилпроизводных 5-нитропридин-2-она. Показано, что положение метильного заместителя может являться определяющим для стабилизации того или иного типа синтона или его конформации. Для 3-метил-5-нитропиридин-2-она энергетическим минимумом является плоская конформация H-связанной цепи с симметрией Pmc21, близкая к наблюдаемой в кристалле. В то же время для остальных двух изомеров минимуму энергии соответствуют цепи с симметрией P1121, которые найдены в двух полиморфах 4-метил-5-нитропиридин-2-она. Хотя цепь как супрамолекулярный синтон во всех случаях является энергетически более выгодной, для 6-метил-5-нитропиридин-2-она разница в энергии между изолированной цепью и димером наименьшая, что, по-видимому является одной из причин наличия именно димера в кристаллической упаковке, в отличие от большинства нитропоизводных пиридин-2-она. Получены новые сокристаллы, содержащие молекулу 8-гидроксихинолина и 3- и 5-нитропроизвдные пиридин-2-она. С 5-нитропиридин-2-оном получены две полиморфные модификации сокристаллов. В отличие от рассмотренной ранее соли 3,5-динитропиридин-2-она, наличие только одной акцепторной нитрогруппы оказывается недостаточным для стабилизации в кристалле формы соли. В ряду этих сокристаллов супрамолекулярным синтоном является цепь, образованная за счёт N-H...N и O-H...O связей, причём цепь с фактически такими же геометрическими параметрами наблюдается и с случае соли, что позволяет говорить о таутомерных формах супрамолекулярного синтона. На основании квантовохимичческих расчётов методом DFT показано, что для корректного воспроизведения наблюдаемой таутомерной формы необходимо учитывать не только межмолекулярные взаимодействия в цепи, но всё кристаллическое окружение: при расчётах изолированных цепей как для 5-нитро-, так и для 3,5-динитропроизводного более выгодной является форма без переноса атома H, а при расчётах кристаллов в случае динитропроизводного более выгодной является форма соли, что согласуется с экспериментом. Перенос заряда при образовании соли оценен в 0.8 e. Получены и охарактеризованы три новые полиморфные модификации 5,7‑динитро-N-(хинолин-8‑ил)хинолин-8‑амина в дополнение к четырём полиморфам и шести сольватам, найденным в первый год выполнения проекта. Рассмотрена возможность выделения полиморфных форм в фазово чистом виде для физико-химических исследований; на настоящий момент это возможно для двух модификаций. Проанализированы разнообразные варианты взаимного расположения донорных и акцепторных частей молекул в кристалле. На основании расчётов методами атом-атомных потенциалов и DFT оценена энергия кристаллической решётки и энергия образования кристаллов; хотя результаты расчётов приводят к характерным для полиморфных форм небольшим разницам в энергии, они плохо согласуются между собой и другими косвенными показателями стабильности, таким как плотность кристалла. Обнаружено, что аналогичная молекула, содержащая нафталиновый заместитель — 5,7‑динитро-N-(нафталин-1‑ил)хинолин-8‑амин в аналогичных условиях и при использовании того же набора растворителей и их и их смесей кристаллизуется в одной и той же кристаллической форме, при этом в её упаковке наблюдается мотив, не найденный ни в одном полиморфе хинолинового аналога — бесконечные стопки, образованные за счёт стекинг-взаимодействий как между донорными, так и акцепторными фрагментами молекулы. Этот супрамолекулярный синтон может стабилизировать наблюдаемую кристаллическую структуру и затруднять кристаллизацию других полиморфов. Определены кристаллические структуры аналогичных производных 5,7-динитрохинолина с изомерными 3-, 4- и 6-метилпиридин-1-аминами. В трёх исследованных структурах индивидуальных соединения, а также сольвате 5-метилпроизводного с толуолом наблюдаются различные варианты взаимного расположения гетероциклов; при этом несмотря на наличие от 2 до 4 симметрически независимых молекул и образование сольвата, полиморфные модификации не найдены при кристаллизации из широкого набора растворителей. Для 1,6-диметил- и 1,6-диэтилпроизводных дифенилзамещённых гликольурилов получены и охарактеризованы шесть и восемь сольватов с различными растоврителями. Проанализирована возможность модификации упаковки молекул в кристалле с помощью растворителя: бифункциональные растворители нарушают систему H-связей между молеклами гликольурилов, растворители с гидроксильными группами дополнительно координируются по карбонильному атому гликольурильного каркаса, а прочие растворители не влияют напрямую на систему H-связей, но изменяют конформацию цепей из молекул гликольурила в зависимости от размера и формы. Для производных [2.2] парациклофана проанализировано влияние упаковки в диастереомерных парах с планарной хиральностью одного из двух оптических центров на нелинейнооптичскоие свойства, а также и возможность модификации этих свойств при использовании подобных пар. Для двух диастереомерных пар показано, что при эквивалентности молекулярных свойств эффективность генерации второй гармоники может различаться на порядок из-за различной кристаллической упаковки. Предложен новый критерий Δidi (индекс проникновения плотности, interpenetration density index), показывающий степень деформации электронной плотности молекулы при переходе из изолированного состояния в кристалл и рассчитываемый как изменение плотности изолированной молекулы при переходе в кристалл. Этот индекс, совместно с качественным анализом межмолекулярных взаимодействий и энергий парных взаимодействий, полученных квантовохимическими методами, позволили объяснить разницу в плотности кристаллических структур для пар из двух изомеров 2,2‑бис(метокси-NNO-азокси)этильных производных нитропиразола, диамино-динитроэтилена (FOX-7) и его гидроксильного аналога, а также в ряду тетразол-пиразольных бициклических соединений с -C(NO2)2X группой (X=NO2,F,NF). На основании проведённого анализа можно сделать вывод, что наличие специфических прочных внутри- и межмолекулярных взаимодействий может понижать способность молекулы в кристалле подстраиваться под конформацию и ориентацию, необходимую для более плотной упаковки. Проведено рентгеноструктурное исследование обратимого фазового перехода производного триазина, содержащего тринитроэтокси-, тринитрометил-, и третбутильный заместители при атомах углерода, соответствующего изменению пространственной группы с P21 (Z'=2) на P21/c (Z'=1) из-за существенно возрастающего теплового движения атомов двух последних групп. Таким образом, поставленные на 2017 год задачи проекта выполнены полностью. По результатам исследований опубликовано четыре статьи.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведённые в 2018 году исследования были направлены на выполнение основной задачи проекта: всестороннее исследование межмолекулярных взаимодействий в рядах родственных кристаллических структур, включающих кристаллы гетероциклических и прочих соединений с различными заместителями, структуры с несколькими независимыми молекулами в элементарной ячейке, полиморфные модификациях, сокристаллы и кристаллосольваты. В 2018 году были рассмотрены все эти классы структур: было продолжено исследование производных пиридина и хинолина, изучены производные 1,3,4-оксадиазола, пиразола, имидазола; а также ацетамидоксимов, сидноиминов и циклических кетонов с винилацетиленовыми заместителями. В частности, экспериментальными и теоретическими методами исследованы полиморфные модификации 5-метил-3-нитропиридин-2-она и его сокристалл с 8-гидроксихинолином. Хотя в обоих полиморфах супрамолекулярным синтоном является H-связанная цепь, характерная для исследованных ранее производных пиридин-2-она, в структуре более плотной формы (пр. гр. Pna21) молекулы в цепи развёрнуты друг относительно друга, а в менее плотной (пр. гр. Pnma) цепь лежит на плоскости симметрии, и реализуется фактически максимальный для данного типа синтонов параметр трансляции 8.3494(10) Å. Сокристалл с 8‑гидроксихинолином фактически изоструктурен ранее исследованному моноклинному полиморфу сокристалла 8-гидроксихинолина с 5-нитропопиридин-2-оном. Для 3,5-динитропиридин-2-она получены две полиморфные формы кристаллосольватов с диоксаном состава 2:1, с шестью (пр. гр. P-1) и одной (пр. гр. Pbca) кристаллографически независимыми молекулами 3,5-динитропиридин-2-она в элементарной ячейке. В ромбическом полиморфе с более высокой плотностью образуется центросимметричный H-связанный димер, не характерный для многокомпонентных кристаллов этого соединения. Проведённое систематическое исследование возможности получения полиморфных форм 5,7-динитро-N-(R)хинолин-8-аминов (R=хинолин-8-ил, 2-нафтил и изомерные метилпиридин-2-илы) не выявило наличие новых полиморфных форм для этих соединений, несмотря на широкий набор использованных растворителей и методов кристаллизации. Для 5,7-динитро-N-(хинолин-8-ил)хинолин-8-амина была получена новая структура сольвата с диоксаном, схожая с ранее охарактеризованным сольватом с мета-ксилолом, но не изоструктурная ему. В кристаллосольвате за счёт стекинг- и C-H...пи взаимодействий образуются слои, между которыми располагаются молекулы диоксана. В ряду родственных производных 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола с -NH-C(O)-R заместителями во 2 положении одного из фенильных циклов (R=-CH3, -CF3, -CCl3) обнаружено, что конформация молекулы с внутримолекулярной N-H...N связью в кристаллах фактически совпадает. Кристаллы галогенсодержащих производных изоструктурны, и их основным отличием от ацетилпроизводного является характер стекинг-взаимодействий: в первом случае за счёт пи-стекинг взаимодействиями 1,3,4-оксадиазольных и фенильных циклов образуются бесконечные стопки, в другом — центросимметричные димеры с взаимодействиями между гетероциклами. Предложенный в 2017 году новый подход к анализу межмолекулярных взаимодействий, основанный на изменении плотности молекулы при попадании в кристалл, был применён к ряду полинитроорганических соединений. Так, исследованное производное бипиразола с 10 нитрогруппами, несмотря на стерическую перегруженность молекулы достаточно конформационно лабильно, а внешняя поверхность молекулы образована в основном нитрогруппами. При этом молекула при переходе в кристалл образует множество относительно слабых межмолекулярных взаимодействий, и суммарным результатом эффективной "подстройки" геометрии молекулы для этих взаимодействий является высокая плотность кристаллов (2.021 г/см3 при комнатной температуре). Проведённые исследования серии фтординитрозамещенных изомерных нитроазолов (имидазолов и пиразола) позволили объяснить различие в плотности их кристаллической упаковки. Молекулярные плотности исследованных азолов практически одинаковы и различие в плотности кристаллов диктуется только лишь различиями их кристаллической упаковки. В кристаллических структурах всех трех азолов количество и типы межмолекулярных взаимодействий фактически одинаковы, но эти взаимодействия распределены между разным числом молекул ближайшего окружения (10, 12 и 14). Распределение взаимодействий между большим числом соседей приводит к более эффективной подстройке молекулы под кристаллическое окружение, и, как следствие, к более плотной упаковке. В случае двух исследованных галогенпроизводных динитроацетамидоксимов молекула, содержащая атом Cl кристаллизуется без растворителя, а при замене этого атома на Br в тех же условиях получается сольват с ацетонитрилом (1:1). Предложенное объяснение этого факта включает правило о предпочтительности образования межмолекулярных взаимодействий между нуклеофильными и электрофильными центрами примерно равной силы. Так, в структуре с атомом Cl оксимные группы образуют H-связанные димеры. Однако в молекуле с атомом Br появляется ещё один электрофильный центр — так называемая сигма-дырка на атоме галогена, и галогенная Br...N связь для атома азота оксимной группы оказывается более предпочтительной. При этом для компенсации потери акцептора атома водорода в структуру встраивается молекула ацетонитрила, с которой и образуется межмолекулярная N-H...N связь. В двух производных сидноиминов, различающихся заместителем при одном из атомов азота гетероцикла (фенил/изопропил) наиболее многочисленным типом являются С-H…O контакты и реализуется центросимметричный димер за счет С-H…O=P водородной связи. Существенным различием между структурами является наличие стекинг-взаимодействия в кристалле с фенильным заместителем, отсутствующее в кристалле изопропильного аналога. Был исследован ряд циклических кетонов — аналогов пентенонов с различными винилацетиленовыми заместителями, с целью поиска оптимальных заместителей для кристаллизации этих ахиральных молекул в нецентросимметричных пространственных группах. Подробный сравнительный анализ кристаллического строения восьми исследованных соединений и анализ Кембриджской базы структурных данных показал, что наличие заместителей в пара-положении концевых фенильных фрагментов препятствует образованию центросимметричных димеров, и предпочтительной становится H-связанная цепочка с расположением молекул "голова-к-хвосту". Четыре из рассмотренных соединений кристаллизуются в нецентросимметричных пространственных группах, при этом в зависимости от заместителя значительно изменяются дипольный момент молекулы (от 0.94 до 1.72 D), молекулярная гиперполяризуемость и экспериментально измеренная эффективность генерации второй гармоники. Таким образом, поставленные на 2018 год задачи проекта выполнены полностью. По результатам исследований опубликовано шесть статей.