Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период 2019 г. проводимые исследования были направлены на выполнение задач по анализу кристаллического строения различных гетероциклических систем с использованием комплекса методов с целью их оптимизации и усовершенствования. Использовали геометрический метод анализа кристаллических упаковок, энергетический подход, базирующийся как на данных прецизионных рентгенодифракционных исследований, так и на результатах квантовохимических расчетов, метод анализа поверхностей Хиршфельда, а также предлагаемый в проекте подход, основанный на анализе изменения объема изолированной молекулы (или ее плотности) при образовании кристалла. В ходе реализации проекта объяснено различие в плотности кристаллов метил- и пропиленамид-нитроцитизинов – потенциальных ноотропных соединений. Установлена положительная корреляция между плотностью кристаллической упаковки и температурой плавления. На примерах аминов, содержащих теразинотриазольный и фуразановый гетероциклические заместители исследована роль нитро и азидной группы. Показано, что использование нитрогруппы как заместителя более существенно увеличивает молекулярную плотность по сравнению с азидной группой. При этом плотность упаковки нитропроизводного лишь незначительно уступает таковой азидного аналога. Проведено исследование галогенпроизводных 3-нитропиридин-2-она и их сокристаллов с 8-гидроксихинолином. Для 5-хлор-3-нитропиридин-2-она найдены условия получения трёх неизвестных полиморфных модификаций, в которых основным супрамолекулярным синтоном является H-связанная цепь. В двух моноклинных полиморфах плоские цепи объединяются в одинаковые слои за счёт Cl···H и Cl···O контактов, и основное различие между структурами состоит в упаковке этих слоёв: разнице сдвигов слоёв друг относительно друга; таким образом эти две структуры представляют собой достаточно редкий для молекулярных кристаллов пример политипии. В третьем ромбическом полиморфе 5-хлор-3-нитропиридин-2-она H-связанные цепи не плоские, и упаковываются с формированием стекинг-взимодействий только в пределах цепи. Близость упаковок двух полиморфов и их существенное отличие от третьего установлено на основании количественного анализа хиршфельдовских поверхностей. Для ромбического полиморфа проведённое прецизионное рентгеноструктурное исследование и анализ экспериментальной функции распределения электронной плотности позволило сделать вывод о его фактической изоструктурности кристаллу 3,5-динитропиридин-2-она. Установлено, что кристалл 5-бром-3-нитропиридин-2-она изоструктурны одной из полиморфных модификаций Cl-аналога. В случае 5-иод-3-нитропиридин-2-она основной мотив упаковки — слой из плоских H-связанных цепей — сохраняется, однако некоторое отличие в его геометрии, а также способе дальнейшей упаковки — приходит и изменению симметрии кристалла при сохранении очень близких параметров элементарной яцеки. При этом вариация атома галогена приводит к небольшому, но значимому изменению вклада взаимодействия различных типов в хиршфельдовскую поверхность, в основном за счёт галоген-галогенных взаимодействий. В сокристаллах 5-галогенпроизводных 3-нитропиридин-2-она с 8-гидроксихинолином наблюдается та же тенденция. Во всех сокристаллах основным структурообразующим супрамолекулярным синтоном является H-связанная цепь, соседними звеньями которой выступают гетероциклы различных типов; цепь объединяются в слои за счёт стекинг-взаимодействий различный типов. Сокристаллы для Cl и Br-производных молекул изоструктурны, а для I-производного при сохранении основного и вторичного синтонов — цепей и слоёв — изменяется их геометрия, и симметрия кристалла меняется с моноклинной на ромбическую. В случае сокристаллов распределение по типам контактов, образуемых молекулой 5-Hal-3-нитропиридин-2-она фактически совпадает для Hal=Cl и Br, но значимо отличается для Hal=I. На примере солей фуразанокситриазола (FOT), содержащих цундель-катион (H5O2+) исследованы межионные взаимодействия в кристалле, в том числе между формально ионами с зарядом одного знака по данным рентгеноструктурного исследования и квантовохимических расчётов кристаллической структуры методом PBE0-D3/POB-TZVP. Во всех трёх исследованных солях: [H5O2][FOT], [NH4][H5O2][FOT]2 и [K][H5O2][FOT]2 гетероциклические анионы упакованы стопками, между которыми наблюдается стекинг-взаимодействие. В соли [H5O2][FOT] наблюдается связывающее взаимодействие между атомами кислорода формально оксониевой части цундель-катиона. Две смешанные соли изоструктурны, с расположением катионов на центрах инверсии. хотя квантовохимический расчёт указывает на несимметричную структуру цундель-катиона. При этом катионы аммония и калия в октаэдрическом окружении координированы шестью гетероциклическими атомами аниона, а также двумя атомами цундель-катиона; в случае NH4+ эта координация обеспечивается как за счёт четырёх водородных связей, так и за счёт четырёх неклассических взаимодействий. Все связывающие взаимодействия анион-катион, анион-анион и катион-катион в солях FOT были найдены с помощью топологического анализа расчётной функции распределения электронной плотности, при этом одинаковый характеристический набор критических точек электронной плотности и сходные интегральные характеристики подтверждает изоструктурность двух солей. На основании сравнения компонентов солей установлено, что определяемые хиршфельдовскими поверхностями объёмы не являются переносимыми между структурами, в отличие от объёмов атомных бассейнов, которые могут быть использованы для оценки плотности неизвестных структур. В ходе реализации проекта метод анализа молекулярных объемов был усовершенствован и распространен на возможность исследования многокомпонентных кристаллов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Работы, проведённые за отчётный период 2020 года, были направлены на выполнение основных задач проекта по исследованию кристаллического строения моно- и многокомпонентных гетероциклических систем с использованием комплекса методов и подходов. В частности, был использован развиваемый в рамках проекта подход, основанный сопоставлении объёма изолированной молекулы (или её плотности) с соответствующими значениями в кристалле в сочетании с геометрическим анализом межмолекулярных контактов, анализом функции распределения электронной плотности по данным прецизионных рентгеноструктурных исследований и квантовохимических расчётов, а также качественным и количественным анализом поверхностей Хиршфельда. В ходе выполнения этапа проекта получены и охарактеризованы методом РСИ сокристаллы бензотрифуроксана с аммониевой солью тринитрометил-триазинатетразола-5-она, содержащие в составе два формально заряженных, и формально нейтральный компонент. По сравнению с кристаллами исходных компонентов, в многокомпонентной структуре меняется вклад различных типов межмолекулярных взаимодействий в стабилизацию кристаллической упаковки: в то время как в кристаллах BTF и аммониевой соли можно выделить многочисленные стекинг-взаимодействия, в сокристалле доминирующим типом взаимодействий становятся O…π и N…π контакты, а классического стекинга не наблюдается. Различия в типах упаковок могут объяснить более высокую плотность сокристалла по сравнению с ожидаемой, поскольку направленные взаимодействия (в частности, стекинг) обычно понижают плотность упаковки. На примере молекул динитрофуразана, динитропиразолов и полинитропроизводных 1,3,5-триазина продолжены развитие и верификация критерия ΔOED. Кристаллы динитрофуразана — жидкости при комнатной температуре, были получены методом in situ кристаллизации. Плотность полученной структуры (1.917 г/см3 при 100 К или 1.85 г/см3 при пересчёте с учётом теплового расширения до комнатной температуры) оказалась намного меньше предсказанной теоретическими методами по инкрементным схемам (1.98–2.02 г/см3). Подобное расхождение может быть объяснено с использованием ΔOED с разбиением молекулы на фрагменты: из за стерических факторов две нитрогруппы по-разному ориентированы относительно гетероцикла (что не учитывается в инкрементных схемах): одна фактически параллельна плоскости гетероцикла, а вторая развернута на 54.0(4)°. Сопоставление значений ΔOED для нитрогрупп с числом и прочностью образуемых ими межмолекулярных взаимодействий показывает, что для фактически копланарной гетероциклу нитрогруппы ΔOED на 0.07 г/см3 больше, чем для отвернутой, и эта же нитрогруппа образует больше межмолекулярных контактов. Таким образом, копланарное расположение нитрогруппы выгодно с точки зрения повышения плотности упаковки; а рассчитанная с помощью ΔOED плотность гипотетической структуры со строго копланарным расположением обеих нитрогрупп согласуется с предсказаниями инкрементных схем. Полученные для динитрофуразана выводы были проверены с помощью критерия ΔOED на примере ранее исследованных изомеров 3,4- и 3,5-динитропиразола. Показано, что в случае орто-изомера объём изолированной молекулы изначально ниже, а уплотнение при переходе в кристалл выражено в меньшей степени (в основном, именно из-за разворота одной из нитрогрупп относительно плоскости гетероцикла). Однако в сумме из-за противоположной разницы в объёмах изолированных молекул и ΔOED плотности кристаллов изомеров фактически совпадают (1.78 и 1.79 г/см3 3,4- и 3,5-изомеров). Анализ двух производных 1,3,5-триазина с алкил- и нитро-содержащими заместителями с помощью критерия ΔOED, применённого к молекулярным фрагментам, позволил выявить и количественно описать факторы, ответственные за большую плотность соединений в кристалле. Так, наличие в молекуле 1,3,5-триазинового цикла положительно сказывается на плотности кристалла, поскольку этот фрагмент характеризуется как изначально высокой плотностью, так и большой величиной ΔOED. Ожидаемо, как начальная плотность, так и ΔOED для алкильных заместителей ниже, чем для фрагментов, содержащих нитрогруппы: этот эмпирический факт прекрасно иллюстрируется с помощью предложенного подхода. Более того, наличие дополнительного метиленового фрагмента и, как следствие, большая конформационная лабильность тринитроэтоксильной группы по сравнению с тринитрометильной оказывается недостаточно для компенсации меньшей величины ΔOED мостика, и, следовательно, с помощью тринитрометильной группы могут быть получены структуры с более плотной кристаллической упаковкой. В случае соли фуразантриазолоксида с гидроксиламином для выявления особенностей строения энергетического аниона и кристаллической упаковки был использован топологический анализ функции распределения электронной плотности по данным прецизионного рентгеноструктурного исследования и квантовохимического расчёта. Установлено, что связи N-O в фуразановом фрагменте соответствуют взаимодействию типа закрытых оболочек, а все три гетероатома фуразанового фрагмента характеризуются значительным отрицательным зарядом. Показано, что послойная упаковка ионов одного типа в этой энергетической соли приводит к появлению как стандартных связывающих катион-анионных взаимодействий, так и к катион-катионным и множественным анион-анионным взаимодействиям. При этом ни одна из классических водородных связей между гетероатомами аниона и атомами H гидроксиламмония не является существенно прочной, что приводит к достаточно высокой плотности кристалла (1.815 г/см3 при комнатной температуре). Установлено, что заряд аниона и катиона составляет ±0.8e, что свидетельствует от частичном переносе заряда с аниона на катион. В трёх полученных и охарактеризованных полиморфных модификациях сокристаллов 4 метил-5-нитропиридин-2-она с 8-гидроксихинолином состава 1:1 реализуются разные конформации двух типов супрамолекулярных H-связанных синтонов. В двух триклинных модификациях (пр. гр. C2/c, Z'=1) найдены две различные конформации бесконечной цепи с H-связями между NH-группой и атомом азота хинолинового цикла и OH-группой и атомом кислорода пиридин-2-онового фрагмента: в форме с Z'=1 молекулы одного типа в цепи связаны трансляцией, а в полиморфе с Z'=2 соседними в цепи являются кристаллографически независимые молекулы, связанные некристаллографической плоскостью скользящего отражения. В третьем моноклинном полиморфе (пр. гр. C2/c, Z'=2) две пары молекул каждого сорта образуют гомодимеры за счёт H-связей, причём одна пара димеров лежит на центрах инверсии, а вторая — на оси второго порядка. Конформация супрамолекулярного синтона и его тип оказывают существенное влияние на кристаллическую упаковку: для цепей цепь в структуре с Z'=2 оказывается более компактной, а для димеров скрученная конформация является более выгодной для 8 гидроксихинолина и менее выгодной для 4 метил-5-нитропиридин-2-она. В целом, развитие использования критерия ΔOED, в том числе для молекулярных фрагментов, в сочетании с другими методами анализа кристаллических упаковок позволило улучшить понимание кристаллических упаковок гетероциклических соединений.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Целью исследований в отчетном периоде 2021 года являлось проведение исследований, направленных на детальный анализ межмолекулярных взаимодействий и дальнейшее усовершенствование предлагаемого в проекте ΔOED-подхода и его распространение на решение различных задач кристаллохимии. Были продолжены исследования солей фуразантриазолоксида (FTO) с гуанидинием и катионом натрия. В последнем случае в составе элементарной ячейки участвовала молекула воды. В случае соли с гуанидинием анионы и катионы образуют слои за счет многочисленных водородных связей. В натриевой соли анионы образуют ассоциаты из "лесенок" центросимметричных димеров, которые за счет координации с катионом металла образуют слои. Периодические квантовохимические расчеты показали, что структуры охарактеризованных солей стабилизированы достаточно прочными анион-анионными взаимодействиями, как и в ранее изученных солях FTO. При этом в случае объемных катионов во всех случаях наблюдаются катион-катионные взаимодействия, а в случае с натрием такие взаимодействия отсутствуют. Как показал сравнительный анализ всех исследованных в настоящем проекте солей FTO, заряд и объем аниона в кристалле мало зависят от природы катиона. В рамках исследования супрамолекулярной организации гетероциклических соединений с нестандартными супрамолекулярными синтонами были охарактеризованы три полиморфные модификации 1-(3,5-динитро-1,4,-дигидропиридин-4-ил)пропан-2-она. Характерной особенностью этих модификаций является образование одного и того же супрамолекулярного синтона – Н-связанного димера с участием карбонильного атома кислорода и NH-группы. Проведенные расчеты показали, что геометрия такого синтона может существенно искажаться за счет вторичной супрамолекулярной организации. В рамках продолжения исследований сокристаллов гетероциклических соединений с различными заместителями были получены и охарактеризованы сокристаллы 3-нитропиридин-2-она и его метильного аналога с 8-гидроксихинолином и аммониевой соли тринитрометил-триазинатетразола-5-она с бензотрифуроксаном (БТФ). Показано, что в сокристаллах 3-нитропиридин-2-онов основным супрамолекулярным синтоном является бесконечная водородно-связанная цепь. Наличие метильного заместителя не оказывает существенного влияния на конформацию супрамолекулярного синтона. В этих сокристаллах вторичным синтоном являются бесконечные π-стопки, построенные из молекул коформеров. В случае сокристалла аммониевой соли тринитрометил-триазинатетразола-5-она с БТФ основным синтоном являются тримерные ассоциаты, в которых молекула БТФ взаимодействует с двумя анионами посредством анион…π контактов. В отличии от чистых коформеров, где важную роль в стабилизации кристаллической упаковки играют π…π взаимодействия, в сокристалле эти взаимодействия практически отсутствуют. Более того, энергия межмолекулярных взаимодействий между структурными единицами одного и того же коформера существенно ниже чем энергия взаимодействия между разными коформерами, что и обуславливает образование сокристалла. Из описанного выше следует, что упаковка структурных единиц в сокристалле весьма значительно отличается от их упаковки в соответствующих коформерах. Однако проведенный анализ в рамках ΔOED-подхода показывает, что объемы структурных единиц оказываются практически одинаковыми как в коформерах, так и в сокристалле, т.е. все структурные единицы не испытывают никаких изменений при переходе в сокристалл, т.е. эти коформеры являются идеальной парой для сокристаллизации, что объясняет минорные различия в физических свойствах. В рамках продолжения исследований о влиянии различных типов гетероциклов и заместителей на плотность кристаллической упаковки проведен анализ полинитро-фуразанопиразола, содержащего пиразольный и фуразановый циклы, а также нитрогруппы, непосредственно присоединенные к гетероциклам и в виде тринитрометильного фрагмента. Вклад последних оказался более весомым, а эффективность фуразана оказалась вдвое выше чем пиразола. Анализ кристаллической упаковки бис-фуразан-пиридин-она позволил оценить влияние на плотность таких межмолекулярных взаимодействий как водородные связи и слабые O(N)…O(N) контакты. Оказалось, что несмотря на то, что Н-связанные димеры более энергетически выгодны, с точки зрения плотности такие димеры оказываются более "рыхлыми" по сравнению с димерами, стабилизированными более слабыми O(N)…O(N) контактами, образующимися при O(N)…π и NO2…NO2 взаимодействиях. Наиболее важным итогом проводимых исследований явилась модификация и усовершенствование подхода, основанного на анализе изменения плотности структурной единицы при ее переходе из изолированного состояния в кристалл (ΔOED-подхода). К настоящему моменту подход позволяет анализировать и давать объяснение различиям в кристаллическом строении и плотности изомеров и в рядах соединений отличающихся заместителями (выявляя роль последних), анализировать вклады функциональных групп и любых фрагментов молекулы в общую плотность кристалла, объяснять особенности строения сокристаллов и проводить детальный сравнительный анализ с кристаллическим строением коформеров, из которых сокристалл состоит. Таким образом, совместное использование анализа распределения электронной плотности для описания энергетики взаимодействий и ΔOED-подхода может успешно использоваться для решения разнообразных задач структурной химии.