Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведённые за отчётный период 2022 года работы по проекту были направлены на выполнение его основных задач по исследованию полиморфных модификаций органических соединений с различными заместителями для изучения конкуренции межмолекулярных взаимодействий в кристаллах различных форм. В ходе выполнения этапа проекта были получены две полиморфные формы 4′-метил-2,4-динитрофениламина: нецентросимметричная (пр. гр. P21212) и центросимметричная (пр. гр. P-1, Z'=2). В обеих формах образуется одинаковый супрамолекулярный синтон — H‑связанный димер, дополнительно стабилизированный связывающими O···O и C-H···O взаимодействиями, выявленными на основе анализа функции распределения электронной плотности. При этом при фактически идентичных графах связанности в димерах их симметрия и геометрические параметры существенно различаются, что позволяет говорить о конформационном полиморфизме, обусловленном конформационной нежёсткостью супрамолекулярного синтона, хотя из-за близости конформаций молекул термин «конформационный полиморфизм» в его традиционном понимании был бы неприменим. Несмотря на то, что энергия связи в димерах составляет не более 15% от энергии кристаллической решётки, его наличие в обеих формах и кристаллах ближайших аналогов свидетельствует о его значимости для формирования кристалла. Сопоставление кристаллической упаковки полиморфов и ближайшего аналога - 2,4‑динитрофениламина показывает частичную изоструктурность: наличие одинаковых фрагментов упаковки, образованных за счёт π-стекинга и ненаправленных невалентных взаимодействий. Эти фрагменты объединяются с помощью супрамолекулярных димерных синтонов в структуру нецентросимметричного полиморфа за счёт оси второго порядка, и в центросимметричную структуру фенильного аналога с пр. гр. P21/n за счёт центра инверсии. Таким образом, кристаллическая упаковка рассмотренных динитрофениламинов определяется взаимным влиянием конформации супрамолекулярного синтона и размером, формой молекулы и заместителями, периферийными по отношению к синтону. Вторым рассмотренным объектом является 1H-3-нитро-5-хлорпиридин-2-он, для которого получены две полиморфные формы, причём одна из форм образуется только в присутствии в растворе фенантрена. В обеих формах супрамолекулярным синтоном является H-связанная цепь, причём несмотря на разницу в симметрии и наличие в одном из полиморфов двух кристаллографически независимых молекул, геометрические параметры цепей очень близки. Более того, в обеих полиморфах формах присутствует больший фактически изоструктурный фрагмент, состоящий из четырёх цепей, связанных центром инверсии и винтовой осью в полиморфе с Z'=1 и центром инверсии и трансляцией в полиморфе с Z'=2. Однако в первом случае дальнейшая упаковка фрагментов происходит со сдвигом в одном направлении, а во втором фрагменты расположены в шахматном порядке. Подобная упаковка молекул, а также близость рассчитанных энергий решётки и когезии позволяет говорить о политипии кристаллических форм. Также были исследованы три полиморфа 1-бензил-3-(α,4-дихлорбензил)-3-гидроксииндолин-2-она, которые представляют собой пример как конформационного полиморфизма из-за существенного разворота бензильного заместителя в одной из форм, так и упаковочного полиморфизма, поскольку в других двух формах конформации молекул фактически совпадают. Конформационная нежёсткость молекулы подтверждается квантовохимическими расчётами, однако конформация молекулы в кристалле частично фиксирована образованием супрамолекулярного синтона — центросимметричного O-H···O связанного димера, общего для всех трёх полиморфов. Анализ межатомных расстояний показывает, что основные различия наблюдаются в характере и типе межмолекулярных взаимодействий. При этом конформация молекулы оказывает существенное влияние на плотность кристалла, коэффициент упаковки и энергию кристаллической решётки: в полиморфе с менее компактной формой молекулы кристаллическая упаковка более эффективна. Таким образом, проведённые исследования позволили не только выявить основные супрамолекулярные синтоны и систематизировать прочие межмолекулярные взаимодействия в кристаллах полиморфных форм, но и обнаружить случаи частичной изоструктурности и её связь с полиморфизмом.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проводимые в отчётном периоде 2023 года работы по проекту являлись продолжением исследований, направленных на выполнение его основных задач по исследованию полиморфных модификаций органических соединений с различными заместителями для изучения конкуренции межмолекулярных взаимодействий в кристаллах различных форм. В ходе выполнения этапа проекта были подобраны условия кристаллизации и получена новая полиморфная модификация 4-метил-3-нитропиридин-2(1H)-она (пр. гр. P21/n, Z' =1), структура известной формы (пр. гр. P21/n, Z' =2) переопределена при 120 К. В обеих формах наблюдается очень близкая геометрия молекул с существенным разворотом нитрогруппы относительно плоскости гетероцикла. Также в кристаллах обеих форм реализуется одинаковый супрамолекулярный синтон — H‑связанный димер, псевдоцентросимметричный между независимыми молекулами в известной модификации, и центросимметричный в кристалле новой модификации. Близость геометрических параметров H-связей и энергии связывания в обоих полиморфах (15.0 и 14.8 ккал/моль по данным расчётов методом PBE0-D3/POB-TZVP) позволяет говорить об упаковочном полиморфизме супрамолекулярного синтона. Более того, следующая ступень супрамолекулярной организации — димеры H-сязанных димеров, образованные за счёт π-стекинг взаимодействия — в кристаллах полиморфов также совпадают, однако их расположение в кристаллической упаковке различается. В полиморфе с Z' = 2 один из центров инверсии расположен в геометрическом центре между H-связанным димерами, что приводит к значимому перекрыванию гетероциклов обеих молекул, образующих H-связанный димер; в свою очередь, π-связанные димеры H-связанных димеров объединяются в слои за счёт стекинг-взаимодействия между молекулами одного типа через второй центр инверсии. В полиморфе с Z' = 1 из-за сочетания малого размера молекулы и наличия центра инверсии в H-связанном димере стекинг возможен только для одной молекулы последнего с одной из сторон гетероцикла, что приводит к упаковке H-связанных димеров «лесенкой». Энергия кристаллической решётки (36.5 и 36.8 ккал/моль) и когезии (33.9 и 34.1 ккал/моль) полиморфов была получена по данным квантовохимических расчётов кристаллов с периодическими граничными условиями методом PBE0-D3/POB-TZVP; небольшая разница в энергии, согласуется с близкой плотностью полиморфов и возможностью их получения в схожих условиях. Также получены и охарактеризованы методом рентгеноструктурного анализа четыре полиморфные модификации органического радикала, 4,4,5,5-тетраметил-2-(4-нитрофенил)-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксила, в том числе три известные формы α, β и γ, и новая моноклинная ε-форма (пр. гр. P21/n). В новой полиморфной модификации присутствуют две кристаллографически независимые молекулы, что отличает её от известных ранее форм, и хотя геометрические параметры независимых молекул фактически совпадают, их конформация значимо отличается от других полиморфов ориентацией нитрофенильного заместителя. Обнаружено, что в кристалле ε-формы одна из независимых молекул образует супрамолекулярный синтон — центросимметричный H-связанный димер с очень прочными C-H···O бифуркатными водородными связями (C···O 3.084(2) и 3.225(2), H···O 2.325 и 2.633 Å при C-H 1.082 Å). Согласно Кембриджской базе структурных данных, синтон присутствует в 16% органических производных 2‑фенил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксила. Новый ε-полиморф является единственным, в котором за счёт π-стекинг взаимодействия между фенильными циклами молекулы объединены в бесконечные стопки. Это приводит к очень коротким расстояниям между атомами O парамагнитных фрагментов групп в стопке (3.508(2) и 3.627(2) Å), значительно меньшему, чем в других полиморфах (~4.2 Å), что может существенно влиять на магнитные свойства. На примере полиморфов α-ε показаны возможности расширенного качественного и количественно анализа поверхностей Хиршфельда для оценки эффективности кристаллической упаковки, выявления выгодности взаимодействий между определёнными типами атомов и для количественного описания симметрийных предпочтений взаимодействий кристаллографически независимых молекул друг с другом. Кроме этого, получены и охарактеризованы методом рентгеноструктурного анализа три полиморфные формы впервые синтезированного N4-этил-N1-(дифенилфосфорил)ацетил-тиосемикарбазида, которые представляют собой различные примеры упаковочного полиморфизма (P21/c, Z'=1; Pc, Z'=2; P21/c, Z'=1). Установлено, что для полиморфов воспроизводится одинаковая конформация ацетилтиосемикарбазидного остова, которая стабилизируется внутримолекулярной водородной связью N-H···O типа, а конформер тиосемикарбазидного фрагмента относится к цис,Z-изомеру. Основным мотивом упаковки в во трёх формах выступает зигзагообразная цепочка, образующаяся одних и тех же доноров, но разных акцепторов H-связи (атомы O или S). Для двух полиморфов при идентичности первичного супрамолекулярного 1D-мотива (цепей, формирующихся N-H···O связями) наблюдается различие во взаимном расположении 2D-мотивов, образующихся за счёт неспецифических контактов: в форме P21/c, (Z'=1) слои расположены антипараллельно, а в форме Pc (Z'=2) при отсутствии центров инверсии слои ориентированы одинаковым образом, что приводит к супрамолекулярной направленности в кристалле. При этом по данным ДСК эксперимента полиморф с Z'=1 термодинамически более стабилен. В третьем полиморфе с N-H···O и N-H···S связями в 1D-мотиве также формируются антипараллельные слои, но с менее прочными вторичными взаимодействиями. Таким образом, схожее устройство 1D-мотивов приводит к подобию структурной организации полиморфов с послойной упаковкой гидрофильных (тиосемикарбазидный) и гидрофобных (дифенилфосфорильная) областей. Подобие структур полиморфов находит отражение в отпечатках поверхностей Хиршфельда, а также близкой энергии основных взаимодействий в одномерных мотивах и энергий кристаллической решётки в целом. Таким образом, проведённые исследования позволили не только выявить основные супрамолекулярные синтоны, систематизировать межмолекулярные взаимодействия в кристаллах полиморфных форм, но и выявить связь упаковки синтонов с нецентросимметричностью упаковки и возможными магнитными свойствами.