Количественный конформационный анализ циклов среднего размера и макроциклов в органических молекулах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ



Гг.,

/

Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского Российской Академии Наук

На правах рукописи

Зотов Александр Юзефович

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ КОНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ЦИКЛОВ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА И МАКРОЦИКЛОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛАХ

(02.00.03 - Органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА - 1996

Работа выполнена в лаборатории математической химии и компьютерного синтеза Института органической химии им. Н.Д.Зелинского Российской Академии Наук.

Научные руководители: академик РАН Зефиров Н.С.

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Палюлин В.А.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Бутин К.П.

кандидат химических наук, старший

научный сотрудник Никаноров В.А.

Ведущая организация: Тверской государственный университет

(кафедра физической химии)

Защита состоится "19" января 1996 г. в 10 часов на заседании Специализированного Совета К 002.62.02 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН по адресу: 117913, Москва, Ленинский проспект, 47, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН.

Автореферат разослан "ЗСУ' ноября 1995 г.

Ученый секретарь ^

специализированного совета,

доктор химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Конформационный анализ циклических молекул является важной областью стереохимии. С помощью различных экспериментальных и расчетных методов для многих тысяч органических молекул получены данные о расположении атомов в пространстве. Такие названия для конформаций циклов, как кресло, ванна, твист-ванна, конверт и т. д., являются давно устоявшимися понятиями. Однако на основе только координат атомов или трехмерного изображения молекулы часто бывает трудно (особенно для несимметричных конформаций) корректно охарактеризовать форму циклической молекулы и однозначно определить тип копформации. В то же время существует ряд методов, позволяющих однозначно описать форму цикла любого размера на основе вычисляемых из декартовых координат атомов параметров складчатости. Эти методы получили достаточно широкое применение при описании конформаций циклов малого размера. Однако исследование конформаций циклов среднего и большого размера связано с определенными трудностями и практически не проводилось. Применение параметров складчатости для систематического описания конформаций циклов среднего размера, таких как девяти- и десятичленные циклы, а также для анализа краун-эфиров, является весьма актуальной задачей.

Цель работы - разработка методологии и программного обеспечения для количественного описания конформаций циклических молекул на основе параметров складчатости, теоретический анализ спектра возможных конформаций 9- и 10-членных циклов и краун-эфиров серий 12-краун-4, 15-краун-5 и 18-краун-6, а также поиск закономерностей в конформационном поведении соединений данных классов.

Научная понизна. Разработана оригинальная методология автоматического определения типа анализируемой конформации цикла с использованием параметров складчатости; предложен метод описания формы макроцикла в краун-эфирах с использованием параметров складчатости псевдоцикла, состоящего из атомов кислорода или других гетероатомов, что упрощает интерпретацию количественных характеристик и позволяет выявить закономерности при исследовании конформаций краун-эфиров; впервые проведен

систематический анализ конформаций большого числа 9-, 10-членных циклов и краун-эфиров с помощью параметров складчатости и найден ряд закономерностей.

Практическая значимость. Разработана компьютерная программа RICON (Ring CONformations), позволяющая проводить качественный и количественный анализ конформаций циклов малого и среднего размера в органических молекулах, предложена новая методология для систематического описания конформаций 9-, 10-членных циклов и краун-эфиров, найден ряд зависимостей между структурой и конформацией для соединений данных классов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на 8 конференции ИЮПАК по органическому синтезу (Хельсинки, 1990 г.), на XI семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Пущино, 1993), на международном симпозиуме по физической органической химии (университет Кюсю, 1995). Компьютерная программа RICON применяется в ряде НИИ и университетов России, США, Италии, Голландии, Финляндии и др. стран.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Материал иллюстрирован 9 таблицами и 31 рисунком. Список литературы включает 265 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы рассматриваются различные методы количественного описания конформаций циклов в органических молекулах, проводится их сравнение, анализируются их преимущества и недостатки, рассматривается применение параметров складчатости для циклов различного размера.

Для решения поставленных в работе задач нами использовался метод, предложенный Зефировым и Палюлипым и позволяющий однозначно описать произвольную конформацию ./V-членного цикла с помощью N-'З параметров складчатости sm и у/т (амплитуд и фазовых углов), вычисленных из значений эндоциклических торсионных углов

(полученных из экспериментальных или расчетных данных) следующим образом:

I 2 JV (р.

smc°s Vrn = "Л Т7 Zsin-^-sin[^m(2y + l)/iV],

\N j—\ 2

[~2~ N (p.

5msin y/m = -,/— S sin-^-cos[;rm(2_/ +1)/N ]. V JV j=i 2

Угол ç>j соответствует торсионному углу между атомами j-(j+1)-(/+2)-(/'+3). Параметр m принимает значения от 2 до (N-1)/2 для нечетных TV и до (iV/2)-l для четных N; в последнем случае также вычисляется дополнительный параметр складчатости

I M 2

Величина S = £ sm (M равно (7V-l)/2 для нечетных A7" и (iV/2) для

Vm=2

четных TV) представляет собой общую складчатость анализируемого цикла.

Базисные вектора конформационного пространства, описываемого параметрами складчатости, задают N-3 базисные формы. Любая произвольная конформация jV-членного цикла может быть описана как линейная комбинация базисных форм.

В работе также нашел достаточно широкое применение метод Кремера-Попла.

Вторая глава содержит описание структуры и возможностей программы RICON и разработанных для нее алгоритмов.

Нами была создана компьютерная программа RICON, которая, используя методы, предложенные Кремером и Поплом (КП), а также Зефировым и Палюлиным (ЗП), позволяет качественно и количественно описать копформации циклических молекул малого и среднего размера, используя координаты атомов в качестве исходных данных (полученные с помощью рентгеноструктурного анализа, расчетов по методам молекулярной или квантовой механики и т.д.). На основе рассчитанных параметров складчатости RICON определяет область конформационного пространства, в которой находится конформация анализируемого цикла, и, исходя из этого, дает

характеристику формы цикла, что позволяет химику, пользующемуся этой программой, получить название конформации непосредственно из таблицы координат атомов. РЛССЖ также предоставляет широкий спектр функций для изучения геометрических параметров молекул и работы с базами данных. Программа ШССЖ обладает дружественным интерфейсом и рассчитана на пользователя, не обладающего знаниями в области применения параметров складчатости. Операции по определению типа конформации молекулы осуществляются с использованием развитой системы меню (Рис. 1).

Рис. 1. Главное меню компьютерной программы RICON.

Программа RICON автоматически формирует список всех циклов в молекуле, распознавание циклов осуществляется по разработанному нами алгоритму, основанному на теории графов.

RICON позволяет получить для анализируемого цикла параметры складчатости по методам КП и ЗП, причем параметры для 5- и 6-членных циклов могут быть автоматически сведены в минимальный интервал с помощью изменения нумерации атомов в цикле.

Нами разработан метод отнесения анализируемой конформации к определенному типу с помощью параметров складчатости. Тип конформации определяется на основе величин вкладов базисных форм для данной конформации, которые вычисляются по следующим выведенным нами формулам:

sm sin [Wm ^т) ^ _ sm

sin(am - у/т) sin {am-bm) ' m sin [am-bm)

Величины cm и dm представляют собой амплитуды складчатости базисных форм с плоскостью и с осыо симметрии, ат и Ът -ближайшие к фазовому углу у/т значения фазовых углов соответствующих форм {у/т и sm - параметры складчатости анализируемой конформации). Процентный вклад каждой базисной формы

определяется как отношение ее амплитуды складчатости к сумме величин ст и dm для т и модуля величины Sff/2 (для циклов с четным N). В зависимости от процентного соотношения базисных форм анализируемая конформация определяется как "X", "искаженная X", "промежуточная между X и Y", "комбинация X, Y и Z" и "комбинация более трех базисных форм", где X, Y и Z - названия базисных конформаций с максимальными вкладами.

Для 6-членных циклов кроме трех базисных форм в процесс определения типа анализируемой конформации включены еще три высокосимметричные конформации ("конверт", "полукресло" и "1,3-дипланарная"), которые также могут быть представлены в виде комбинации базисных форм. Для этого нами была выполнена специальная модификация алгоритма. Три величины Pj, Р2 и Р^, представляющие собой вклады базисных форм, могут изменяться от О до 1 и образуют трехкомпонентную диаграмму, которая может рассматриваться как альтернативное представление конформа-ционного пространства. Эту диаграмму мы разделяем на области, объединяющие конформации, относящиеся к одному типу (Рис. 2). Если сумма отклонений величин вкладов базисных форм анализируемой конформации от одной из шести стандартных конформаций X меньше 0.1, то ей будет присвоено название "X", если сумма будет меньше 0.2, то - "искаженная X". В противном случае анализируемая конформация рассматривается как промежуточная между двумя стандартными конформациями X и Y, которые выбираются таким образом, чтобы расстояние между точкой на диаграмме, соответствующей анализируемой конформации, и линией между X и Y было минимальным среди всех возможных пар стандартных конформаций и чтобы проекция точки на эту линию находилась между X и Y. На рисунке 2 С означает "chair" ("кресло"), В - "boat" ("ванна"), Т - "twist boat" ("твист-ванна"), Е - "envelope" ("конверт"), Н - "half-chair" ("полукресло"), S - "screw" ("1,3-дипланарная"), ~ означает "искаженная", XY означает "промежуточная между X и Y".

В работе нами приведены примеры использования программы RICON для количественного описания и сравнения конформаций циклических молекул с помощью параметров складчатости.

Рис. 2. Разбиение конформационного пространства 6-членных циклов на области с конформациями одного типа (параметры складчатости рассчитаны по методу ЗП). 1 - БЕ, 2 - ЕТ, 3 - ВЕ, 4 - ТБ, 5 - ~В, 6 - ~Т.

Третья глава посвящена количественному описанию конформаций 9- и 10-членных циклов в органических молекулах.

Для обеспечения универсального подхода к конформационному анализу таких циклов и упрощения сравнения конформаций в различных циклах нами предложено использовать анализ параметров складчатости, применявшийся для циклов малого и среднего размеров.

Конформации А-членных циклов с одинаковой общей складчатостью 5 мы соотносим с точками на (Лг-4)-мерной поверхности гиперсферы с радиусом Экватор щ такой гиперсферы представляет собой множество точек, для которых из всех параметров лш только отличен от нуля (для циклов с четным числом атомов N точки, для которых ¿№2 * 0, а остальные параметры равны нулю, соответствуют полюсам гиперсферы). Базисные конформации располагаются на экваторах и полюсах гиперсферы, а остальные точки на гиперсфере соответствуют промежуточным конформациям.

Конформация произвольного 9-членного цикла описывается шестью параметрами складчатости, вычисляемыми из 27 декартовых координат атомов. Конформационное пространство представляет собой гиперсферу, имеющую 3 экватора, на которых лежат шесть базисных конформаций (по 36 конформаций на экваторах щ и у/4 и 12 конформаций на экваторе щ). Эти базисные формы соответствуют по

симметрии введенным Хендриксоном конформациям ВВ (ванна-ванна), ТВВ (твист-ванна-ванна), Cjv, D3 (TBC (твист-ванна-кресло)), СС (кресло-кресло) и ТСС (твист-кресло-кресло) (Рис. 3).

ЛЛ6 №

ВВ C3V тсс

ТВВ D, СС

Рис. 3. Базисные конформации 9-членных циклов.

Конформации 10-членных циклов описывается семью параметрами складчатости. Гиперсфера в случае 10-членных циклов имеет 3 экватора и 2 полюса. Шесть базисных конформации 10-членных циклов, лежащих на экваторах гиперсферы (по 20 конформаций на каждом экваторе), соответствуют по симметрии конформациям ВВ (ванна-ванна), ТВВ (твист-ванна-ванна), ВСВ (ванна-кресло-ванна), LC (длинное кресло), СС (кресло-кресло) и ТСС (твист-кресло-кресло), на полюсах гиперсферы располагаются конформации Cr (корона) (Рис. 4).

W А/ W

ВВ ВСВ СС

(X) СГ

твв lc тсс

Рис. 4. Базисные конформации 10-членных циклов.

В ходе исследования конформаций 9-членных циклов нами с помощью программы RICON были рассчитаны параметры складчатости по методам КП и ЗП и выполнен сравнительный анализ конформаций для 44 соединений на основе имеющихся в литературе рентгеноструктурных данных.

Нами установлено, что самыми распространенными для 9-членных циклов являются конформации, лежащие вблизи экватора y/j. Конформацию £>з имеет ряд насыщенных циклов (например, соединение 1). При введении в цикл трех двойных связей, трех оксирановых колец или трех пептидных связей цикл становится более жестким и принимает конформацию Cjv (причем в соединении 2 форму цикла можно считать идеальной). Для этих соединений с

относительно жестким циклом характер заместителей не влияет на конформацию цикла за исключением случаев, когда введение заместителя меняет гибридизацию атомов, находящихся в цикле. Преобладающий вклад базисных форм, лежащих на экваторе 4/3, имеет ряд конформаций циклических лактамов.

—о I ) о—

Большинство конформаций, лежащих около экваторов у/2 и у/4, имеют заметный вклад базисных форм, находящихся на других экваторах. Вблизи экватора щ лежат конформации циклов, содержащих в цикле четыре кратные связи (например, соединение 3). Конформации циклов, содержащих группы >БОг и >Р=0 (например, соединение 4), находятся вблизи экватора у/4 и представляют собой "искаженное ТСС". Кроме того вблизи экватора щ находятся конформации ряда соединений с одной жесткой связью (близкие к СС).

о

О. .0

Интересным оказалось сравнение конформаций различных циклических третичных аминов 5-8. Молекулы этих соединений можно рассматривать как 9-членные циклы с дополнительным мостиком между двумя атома азота. Длина мостика не оказывает существенного влияния на форму цикла. В то же время если циклы в соединениях 5 и 6 с 1,4-расположением атомов азота имеют конформацию, близкую к то 7 и 8 с 1, о - р а с п о л о же н и е м атомов азота сильно искажены и существуют в конформации с равным

вкладом форм со всех трех экваторов (и с последовательностью знаков торсионных углов, соответствующей конформации ТС В).

CD CD О С

н pjcr- Н Pier" н SO3CF3 Н picr-

5 6 7 8

При исследовании конформаций 10-членных циклов нами были рассчитаны параметры складчатости и проведен сравнительный анализ конформаций для 84 циклов на основе рентгеноструктурных данных, найденных в Кембриджском банке данных.

Показано, что наиболее распространенным типом конформаций 10-членных циклов является промежуточная между ВСВ и Сг (14 циклов). Анализ распределения конформаций циклов на конформационной гиперсфере свидетельствует, что на участке сферы между базисными формами В СБ и Сг расположено больше половины исследуемых конформаций. Так, 25 конформаций являются промежуточными между ВСВ и Сг, 4 - комбинацией ВСВ, Сг и других конформаций (с ВСВ и Сг на первом и втором местах в порядке уменьшения вкладов конформаций), для 5 конформаций вклады ВСВ и Сг находятся на первом и третьем местах, а для 10 конформаций -на втором и третьем.

Единственным представителем циклов с преобладающим вкладом базисных конформаций, лежащих на экваторе ц/2, является тетрабензоциклодекандион 9, существующий в конформации, промежуточной между ТВ В и ТСС. Строго на экваторе ц/4 находится только конформация диселенациклодекана 10 (промежуточная между ТСС и СС), однако существует ряд конформаций с преобладающим вкладом базисных форм СС и ТСС. В то же время большое число 10-членных циклов имеют конформации, лежащие на экваторе ц/$ (например, соединение мышьяка 11 с конформацией "искаженная ВСВ" и высокосимметричный цикл с двумя двойными связями 12 с идеальной конформацией LC). Существует также несколько циклов с конформацией "искаженная Сг" (например, соединение 13 с двумя двойными связями в транс- конфигурации) и большое число других циклов в конформации с преобладающим вкладом базисной формы Сг.

N

ОМе

9

10

I \

Аэ Аб— ■ Мо(СО)6

Аз Аб^

11

12

13

Распределение конформаций по тому, ближе к какому экватору (или полюсу) находятся они на гиперсфере (т.е. для какого т величина является максимальной для данной конформации) показывает, что чаще всего 10-членные циклы существуют в конформациях, находящихся вблизи экватора ц/з (41 конформация), 20 конформаций находятся около у/4, 22 - вблизи полюсов и только конформация соединения 9 - около экватора

Насыщенные производные циклодекана, не содержащие объемных заместителей или конденсированных циклов, принимают обычно конформацию, промежуточную между ВС В и Сг. Введение двойных связей существенно влияет на конформацию цикла. Так, производные циклодека-1,6-диена с цис-, г^ис-конфигурацией связей принимают конформации ЬС и "искаженное ЬС", соединение 13 с транс-, трансконфигурацией находится в конформации "искаженная Сг", а цикл с двумя цис- и одной транс- двойными связями существует в конформации, промежуточной между ВСЕ, Сг и ТСС.

Введение в насыщенный циклодекановый фрагмент различных гетероатомов не всегда приводит к изменению конформации цикла. Так, тетраоксациклодекан 14 и даже октаметилдиазатетрасила-циклодекан 15 имеют конформацию, промежуточную между ВС В и Сг, аналогичную конформации незамещенного циклодекана. Однако появление двух связей сера-сера в соединении 16 приводит к смещению положения конформации на экватор щ ("промежуточная между ВСВ и ЬС"). К существенному отличию конформации цикла от

- и -

конформации самого циклодекана приводит также наличие пяти гетероатомов в 10-членном цикле (например, соединение 17).

С) 1 }- ()

\

14 15 16 17

Представляет интерес также группа соединений, являющихся производными циклодека-1,6-диина. Конформации 10-членных циклов в этих соединениях преимущественно являются комбинациями Сг и базисных форм с экватора щ (ВСВ или ЬС), причем в отличие от циклодекана общая складчатость циклов почти в два раза меньше, а преобладающий вклад вносит базисная форма Сг. Введение различных гетероатомов в циклодека-1,6-диины в целом не влияет на конформацию этих соединений; при сохранении центра симметрии в структурах полностью отсутствуют вклады форм с экваторов цг2 и щ.

Четвертая глава посвящена анализу количественных характеристик формы циклов в краун-эфирах серий 12-краун-4, 15-краун-5 и 18-краун-6.

Для краун-эфиров очень большое значение имеет расположение гетероатомов в пространстве, которое во многом определяет конформацию всего цикла. Поэтому в качестве удобного способа описания формы макроцикла в краун-эфирах мы предлагаем анализ параметров складчатости псевдоцикла, состоящего из атомов кислорода или других гетероатомов.

В случае 18-краун-6 псевдоцикл состоит из шести гетероатомов (Рис. 5).

Рис. 5. Выделение шестичленного псевдоцикла в 18-краун-6

Конформация такого псевдоцикла описывается двумя амплитудами складчатости и ^ и фазовым углом у/2. Для удобства

визуализации конформационного пространства производится переход от цилиндрической системы координат (.??, у/2) к сферической: (5, 0, у/2), где £ - общая складчатость. Конформации "кресло" располагаются на полюсах сферы, а на экваторе с интервалом в 60° находятся конформации "ванна" и "твист-ванна". Эти конформации являются базисными, и любая другая конформация 6-членного цикла может быть представлена как их суперпозиция. Кроме базисных конформаций можно также выделить ряд других симметричных конформаций: "конверт", "1,3-дипланарная" и "полукресло". С помощью перенумерации атомов в цикле осуществляется сведение параметров складчатости в интервал 0° > у/2 ^ 30°, 0° > в > 90° и переход от всей сферы к ее сектору.

В случае 15-краун-5 псевдоцикл состоит из пяти гетероатомов, и его конформация описывается амплитудой складчатости ^ и фазовым углом у/2. Конформационное пространство представляет собой окружность с радиусом 5, на которой с интервалом в 36° находятся базисные конформации "конверт" и "твист". В случае 12-краун-4 возможно выделение псевдоцикла из четырех гетероатомов. Его конформация описывается единственным параметром - амплитудой складчатости которая является мерой складчатости цикла.

Предложенный метод конформационного анализа краун-эфиров был применен для исследования конформаций большой группы краун-эфиров серий 18-краун-6, 15-краун-5 и 12-краун-4 на основе рентгеноструктурных данных из Кембриджского банка данных.

Распределение конформаций 419 исследуемых псевдоциклов в 18-краун-6 в конформационном пространстве приведено на Рис. 6. Наиболее распространенной конформацией 6-члешюго псевдоцикла в 18-краун-6 является идеальное кресло, однако оказались представленными и практически все другие идеальные и промежуточные формы (Табл. 1). У большинства конформаций общая складчатость 51 находится в интервале 0.2-1.0, у 12 конформаций 5 < 0.1, и они могут рассматриваться как плоские, небольшая группа конформаций имеет 5 в районе 2.0.

кр ОСЛО

твист-ванна

ванна

Рис. 6. Распределение копформаций псевдоциклов в 18-краун-6 на секторе конформационной сферы.

Было найдено, что спектры распределения конформаций для чисто кислородсодержащих и для азотсодержащих краун-эфиров весьма похожи друг на друга, но значительно отличаются от спектров серусодержащих краун-эфиров.

Мы рассмотрели также влияние заместителей в краун-зфирах на конформацию псевдоцикла. Наиболее широко представленными являются дициклогексано- и дибензо-краун-эфиры. Конформация дициклогексано-краун-офиров полностью зависит от конфигурации трициклической системы - соединения с цис-анти-цис конфигурацией имеют псевдоцикл в конформации "кресло", конформации псевдоциклов в структурах с цис-син-цис конфигурацией находятся в конформационном пространстве вблизи экватора. Большинство псевдоциклов в дибензозамещенных краун-эфирах являются плоскими.

Комплексы краун-эфиров с катионами металлов имеют несколько большую долю конформаций, отличающихся от "идеального кресла", и большую общую складчатость по сравнению с соединениями, в которых отсутствует координация молекул краун-эфиров с катионами металлов, но в целом спектры распределения конформаций похожи.

Таблица 1. Формы 6-членных псевдоциклов в 18-краун-6.

Название типа Количество конформаций для комплексов 18-краун-6

конформации с орг. мол. с н3о+ и ЫН4+ с К+ с с др. мет. Всего

кресло 106 - 17 5 17 145

искаженное кресло 8 2 6 2 2 20

промежуточная между - - 1 - - 1

креслом и полукреслом

промежуточная между 16 8 28 - 10 62

креслом и конвертом

промежуточная между 3 - - - 3 6

полукреслом и конвертом

промежуточная между 3 1 - 1 2 7

полукреслом и ванной

конверт - 1 - 1 - 2

искаженный конверт - 1 1 - 1 3

промежуточная между 2 1 4 - 2 9

конвертом и креслом

промежуточная между 2 4 3 - 1 10

конвертом и полукреслом

промежуточная между 4 - - 1 - 5

конвертом и 1,3-дипла-

нарнои

промежуточная между 4 1 2 1 2 10

конвертом и твист-ваннои

промежуточная между 2 2 2 1 4 11

конвертом и ванной

промежуточная между 4 - 4 2 4 14

1,3-дипланарной и ванной

ванна - - - 1 - 1

промежуточная между - - 1 1 3 5

ванной и конвертом

промежуточная между 4 2 2 1 7 16

ванной и полукреслом

промежуточная между 5 - 3 2 3 13

ванной и 1,3-дипланарной

промежуточная между 7 5 7 7 24 50

ванной и твист-ваннои

промежуточная между - - - 1 1 2

твист-ваннои и ванной

плоская 8 - 4 - - 12

Нами был выявлен также ряд закономерностей для конформаций псевдоциклов в комплексах с катионами определенных металлов.

Среди комплексов краун-эфиров с катионами калия 47 псевдоциклов из 51 имеют конформацию "кресло". Комплексы краун-эфиров с катионом натрия можно разделить на две группы. Конформации псевдоциклов из первой группы находятся около полюса сферы и имеют значения 5 в интервале 0.5-0.6, как и рассматриваемые ранее комплексы с калием. Конформации псевдоциклов второй группы находятся около экватора и между полюсом и экватором и имеют значения Я в интервале 0.9-1.1. Почти все соединения первой группы являются сольватами тетрагидрофурана (ТГФ), во второй группе сольваты ТГФ отсутствуют. Конформации псевдоциклов в комплексах краун-эфиров с лантаноидами разбросаны по всей конформационной сфере, их положение полностью определяется природой лигандов.

Для анализа влияния природы катиона металла и его координационного числа, а также ближнего и дальнего окружения на конформации псевдоциклов в краун-эфирах при отсутствии влияния других факторов было отобрано 59 комплексов краун-эфиров (содержащих только кислородные гетероатомы и не содержащих заместителей в макроцикле) с катионами металлов, причем в этих комплексах присутствовали только неорганические лиганды.

Анализ комплексов краун-эфиров с катионами металлов с похояшми характеристиками при прочих одинаковых условиях показал, что конформации псевдоциклов, как и следовало ожидать, являются также похожими. Так, комплексы 18-краун-6 с хлоридами кадмия и ртути, катионы которых обладают похожими свойствами и близкими значениями атомных радиусов, имеют одинаковые конформации псевдоциклов ("идеальное кресло").

В то же время изменение координационного числа металла существенно влияет на конформацию псевдоцикла в краун-эфирах, как из-за изменения характера координации с кислородными атомами в макроцикле, так и из-за изменения числа частиц в ближнем окружении краун-эфира. Так, например, все псевдоциклы в комплексах олова(Н) и олова(1У) 18 - 21 имеют конформации, находящиеся на конформационной сфере вблизи "кресла", но между ними существуют определенные отличия. Соединения 18 и 19 с одинаковым ближним окружением имеют практически идентичные конформации, соединение 20 (два дополнительных атома хлора) имеет

меньшее значение общей складчатости 5, соединение 21 (два дополнительных атома хлора и две молекулы воды в ближнем окружении) отличается от остальных циклов по значению в на 10° и имеет конформацию псевдоцикла "идеальное кресло".

Было найдено, что при одинаковом количестве частиц в ближнем окружении краун-эфиров их природа существенно не влияет на конформацию псевдоцикла. Так, в комплексах 18-краун-б с хлоридом и бромидом аммония конформации псевдоциклов эквивалентны.

В заключение можно сказать, что природа и число частиц во внешнем окружении краун-эфира оказывает существенно меньшее влияние на конформацию псевдоцикла, чем природа катиона или число частиц в ближнем окружении краун-эфира. Это видно на примере как упомянутых выше соединений 18 и 19, имеющих очень похожие конформации циклов, так и соединений 22 и 23, для которых число молекул воды во внешнем окружении существенно не влияет на конформацию псевдоцикла.

18

19

20

21

22

23

Хотя анализ влияния различных факторов на конформации краун-эфиров проводился преимущественно на примере

кислородсодержащих краун-эфиров, но аналогичные закономерности наблюдаются и для азот- и серусодержащих аналогов.

Среди 278 исследованных конформаций 5-членного псевдоцикла в 15-краун-5 оказался представленным практически весь спектр возможных конформаций 5-членных циклов со значениями ц/2 в интервале от 0° ("конверт") и до 18° ("твист") (Табл. 2.) и с общей складчатостью 51 в интервале от 0.0 до 0.9. Выделить наиболее распространенную конформацию при этом оказывается невозможным.

Таблица 2. Формы 5-членных псевдоциклов в 15-краун-5.

Название конформации Количество конформаций для комплексов 15-краун-5

с орг. мол. с К+ с N3" с др. мет. Всего

конверт 5 2 6 19 32

искаженный конверт 10 6 11 14 41

промежуточная между конвертом и твист 18 16 18 24 76

промежуточная между твист и конвертом 17 9 21 22 69

искаженная твист 11 2 15 10 38

твист 3 1 3 5 12

плоская - 2 1 7 10

Нами было найдено, что в незамещенных 15-краун-5 присутствуют как плоские, так и складчатые псевдоциклы, введение в макроцикл бензильного заместителя приводит к уплощению псевдоцикла, а в циклогексано-краун-зфирах, азотсодержащих краун-эфирах, и в циклах, не закомплексованных с катионом металла, плоские циклы отсутствуют, причем последние имеют конформации псевдоцикла с преобладанием формы "твист".

У псевдоциклов в комплексах с катионами щелочных металлов значения ц/2 распределены равномерно по всему интервалу, значения общей складчатости 5 находятся преимущественно в интервале 0.350.7. У 6 из 79 псевдоциклов значения Б лежат в интервале 0.05-0.15, и эти псевдоциклы могут считаться плоскими. Конформации псевдоциклов в комплексах с лантаноидами имеют значения 5 в интервале 0.5-0.6 и значения щ в интервале от 4° до 6° ("искаженный конверт") и располагаются в конформационном пространстве

относительно плотной группой. Среди достаточно представительных групп комплексов с катионами металлов также можно выделить комплексы с магнием (все 5 псевдоциклов плоские)

Изменение координационного числа металла существенно влияет на конформацию псевдоциклов в 15-краун-5, в то же время природа анионов в ближнем окружении краун-эфиров (при одинаковом их числе) и природа и число частиц во внешнем окружении 15-краун-5 не оказывает значительного влияния на конформацию псевдоцикла. Например, в соединениях титана 24 и 25 псевдоциклы находятся в одинаковых конформациях (практически плоские); псевдоциклы в соединениях 26, 27 и 28 с одинаковым числом частиц в ближнем окружении имеют близкие конформации.

27 28

Интересным примером, иллюстрирующим влияние на конформацию псевдоцикла координации металла с гетероатомами для азотсодержащих 15-краун-5, являются соединения 29 и 30. В первом соединении калий координирован с одним атомом кислорода в заместителе при азоте, а во втором соединении - с двумя (в обоих соединениях калий координирован также и с гетероатомами в макроцикле). Из-за различной координации калия конформации псевдоциклов различаются весьма существенно (общая складчатость 5 отличается в два раза).

29

30

Таким образом, анализ влияния природы металла и его координационного числа, а также ближнего и дальнего окружения на конформации псевдоциклов в 15-краун-5 выявил те же закономерности, что и для 18-краун-6.

Мы проанализировали также 181 псевдоцикл в 12-краун-4 и нашли, что подавляющее большинство их являются плоскими.

К неплоской конформации приводит появление в краун-эфире одного бензольного ядра. Аналогичная картина с большой вероятностью наблюдается при замене двух атомов кислорода в макроцикле на атомы азота или серы. В то же время среди 99 комплексов краун-эфиров с катионами щелочных металлов только три псевдоцикла (все - в комплексах лития) имели неплоскую конформацию. Из 13 незамещенных краун-эфиров, не координированных с катионами металлов, в шести псевдоциклы являются неплоскими, причем переход псевдоцикла в неплоскую конформацию вызывается наличием в кристаллографической ячейке второй молекулы краун-эфира в комплексе с катионом металла (которая имеет плоскую конформацию псевдоцикла).

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод автоматического отнесения конформаций циклов в органических молекулах к определенному типу на основе анализа параметров складчатости.

2. Создана эффективная компьютерная программа ШСОК, позволяющая как качественно, так и количественно характеризовать конформации циклов малого и среднего размера в органических молекулах.

3. Предложено описание конформационного пространства 9- и 10-членных циклов на основе параметров складчатости, вычисляемых из эндоциклических торсионных углов, и использование в качестве конформационных карт экваторов гиперсферы. Проведен анализ параметров складчатости для большого количества органических молекул, содержащих 9- и 10-членные циклы, и выявлен ряд зависимостей между конформациями циклов и природой и расположением заместителей в них.

4. Предложен метод описания формы макроцикла в краун-эфирах с использованием параметров складчатости псевдоцикла, состоящего из атомов кислорода или других гетероатомов.

5. Проведен анализ количественных характеристик псевдоциклов в краун-эфирах серий 18-краун-6, 15-краун-5 и 12-краун-4 и найден ряд закономерностей, связывающих форму псевдоцикла со строением и окружением молекул краун-эфиров.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Zefirov N.S., Palyulin V.A., Zotov A.Yu. RICON computer program. 11 Software Workshop Abstr. 8th IUPAC Conf. Org. Synth. Helsinki. 23-27 July. 1990.

2. Зотов А.Ю., Палюлин B.A., Зефиров H.C.. Количественный кон-формационный анализ краун-эфиров серии 18-краун-6. // ДАН. 1994. Т. 339. N5. С. 621-626.

3. Zotov AYu., Baskin I.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. Quantitative characteristics of nine-membered ring conformations. II J. Chem. Research (S). 1995. N4. P. 130-131; J. Chem. Research (M). 1995. N4. P. 951-976.

4. Zefirov N.S., Palyulin V.A., Zotov A.Yu. Quantitative characteristics of ring conformations // Abstracts of Kyushi International Symposium on Physical Organic Chemistry. Kyushi Universtity. 2528 July. 1995. P. 167.

5. Zotov A.Yu., Baskin I.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. RICON - the computer program for the quantitative investigations of cyclic organic molecule conformations. /I J. Chem. Inf. Сотр. Science. 1995 (in press).