Структурное описание водородной связи в производных антипирина: рентгеноструктурные и теоретические исследования

Цели. Работа посвящена рассмотрению особенностей кристаллического строения для 5-метил-2-фенил-4Н-пиразол-3-она, I, и 2-(4-хлорфенил)-5-метил-4Н-пиразол-3-она, II, в сравнении с результатами теоретических расчетов.

Методы. Рентгеноструктурный анализ и расчеты в рамках теории функционала плотности и квантовой теории атомов в молекулах.

Результаты. Показано, что кристаллическая структура I в твердом агрегатном состоянии характеризуется альтернацией OH и NH таутомеров, связанных посредством водородных связей O–H---O и N–H---N. Для соединения II существование цепочек из связанных водородной связью мономеров NH объясняется особенностями кооперативных эффектов и с теоретической точки зрения. В рамках квантовой теории атомов в молекулах (QTAIM) для всех димеров в критической точке межмолекулярной водородной связи были рассчитаны топологические параметры: электронная плотность, лапласиан электронной плотности, плотность кинетической, потенциальной и полной энергии. Показано, что водородная связь в димерах 1–4, 7 (соединение I) и 8–11 (соединение II) относится к взаимодействию промежуточного типа (между ковалентным и дисперсионным взаимодействием) за счет образования водородных связей с участием электроотрицательных атомов кислорода (и/или атомов азота), а водородная связь в димерах 5 и 6 (соединение I) – к дисперсионному типу (отсутствие водородной связи или образование слабой Н-связи) и представляет собой слабое взаимодействие, что коррелирует с длиной межмолекулярной водородной связи в димерах. На основании анализа значений электронной плотности и плотности полной энергии показано, что наиболее сильные межмолекулярные Н-связи реализуются в димерах 1 (OH---O), 4 (OH---O), 7 (OH---N), 8 (OH---O), 9 (NH---N) and 11 (OH---N). Результаты, полученные для I и II, сопоставлены с данными для 1,2-дигидро-1,5-диметил-2-фенил-3Н-пиразол-3-она, III.

Выводы. Показана важная роль межмолекулярной водородной связи в кристаллической упаковке, ассоциации и самоорганизации молекул.

1. Vijayan M., Viswamitra M.A. A Refinement of the Structure of Calcium Hexa-antipyrine Perchlorate and a Comparative Study of Some Metal Hexaantipyrine Perchlorates. Acta Crystallogr. 1968;B24(8):1067–1076. https://doi.org/10.1107/S0567740868003717

2. Brassy C., Mornon J.-P., Delettre J. Dinitratobis(antipyrine) cobalt(II). Acta Crystallogr. 1974;B30(9):2243–2248. https://doi.org/10.1107/S0567740874006832

3. Lenarcik B., Wisniewski M., Gabryszewski M. Complexation cаpacity of some biologically active derivatives of 5-pyrazolone. Pol. J. Chem. 1980;54(10):1869–1874.

4. Maroszová J., Findoráková L., Györyvá K., Koman M., Melník M. Bis(2-chlorobenzoato-κO)bis(phenazone-κO)zinc(II) 0.612-hydrate. Acta Crystallogr. 2007;E63(5):m1406–m1407. https://doi.org/10.1107/S1600536807016765

5. Madhu N.T., Radhakrishnan P.K., Grunert M., Weinberger P., Linert F. Antipyrine and its derivatives with first row transition metals. Rev. Inorg. Chem. 2003;23(1):1–23. https://doi.org/10.1515/REVIC.2003.23.1.1

6. Rukk N.S., Antsyshkina A.S., Sadikov G.G., Sergienko V.S., Skryabina A.Yu., Osipov R.A., Alikberova L.Yu. Synthesis and Structure of Complex Compounds of Lanthanum, Europium and Scandium Iodides with Antipyrine. Russ. J. Inorg. Chem. 2009;54(4):539–542. https://doi.org/10.1134/S0036023609040081

7. Rukk N.S., Albov D.V., Shamsiev R.S., Mudretsova S.N., Davydova G.A., Sadikov G.G., Antsyshkina A.S., Kravchenko V.V., Skryabina A.Yu., Apryshko G.N., Zamalyutin V.V., Mironova E.A. Synthesis, X-ray crystal structure and cytotoxicity studies of lanthanide(III) iodide complexes with anipyrine. Polyhedron. 2012;44(1):124–132. https://doi.org/10.1016/j.poly.2012.06.075

8. Rukk N.S., Kuzmina L.G., Albov D.V., Shamsiev R.S., Mudretsova S.N., Davydova G.A., Retivov V.M., Volkov P.V., Kravchenko V.V., Apryshko G.N., Streletskii A.N., Skryabina A.Yu., Mironova E.A., Zamalyutin V.V. Synthesis, X-ray crystal structure and cytotoxicity studies of zinc(II) and cadmium(II) iodide complexes with anipyrine. Polyhedron. 2015;102:152–162. https://doi.org/10.1016/j.poly.2015.09.011

9. Li Z.-X., Fei N., Yuan W. Crystal structure of 4-((4-methoxy-benzylidene)-amino)-1,5-dimethyl2-phenylpyrazolidin-3-ol, C19H19N3 O2 . Z. Kristallogr. NCS. 2007;222(2):133–134. https://doi.org/10.1524/ncrs.2007.0053

10. Rukk N.S., Skryabina A.Yu., Apryshko G.N. Search for potential antitumor complex compounds of rare earth metals. Russ. J. Biotherapy. 2009;8(2):14–15 (in Russ.).

11. Galantsev A.V., Drobot D.V., Dorovatovsky P.V., Khrustalev V.N. Lanthanum Complex with Neridronic Acid: Synthesis and Properties. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2019;14(2):70–77 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-2-70-77

12. Kuz’mina L.G, Vedernikov A.I., Howard J.A.K., Bezzubov S.I., Alfimov M.V., Gromov S.P. Peculiarities of styryl dyes of the benzoselenazole series crystal packings and their influence on solid phase [2 + 2] photocycloaddition reaction with single crystal retention. CrystEngComm, 2016;18:7506–7515. https://doi.org/10.1039/C6CE01426G

13. Zanatta M., Dupont J., Wentz G.N., dos Santos F.P. Intermolecular hydrogen bonds in water@IL supramolecular complexes. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018;20(17):11608–11614. https://doi.org/10.1039/C8CP00066B

14. Beijer F.H. Cooperative multiple hydrogen bonding in supramolecular chemistry. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven; 1998. 188 p. https://doi.org/10.6100/IR508563

15. Zhai C., Hou B., Peng P., Zhang P., Li L., Chen X. Hydrogen bonding interaction of ascorbic acid with nicotinamide: Experimental and theoretical study. J. Mol. Liquids. 2018;249:9–15. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.034

16. Laikov D.N. Fast evaluation of density functional exchangecorrelation terms using the expansion of the electron density in auxiliary basis sets. Chem. Phys. Lett.1997;281(1–3):151–156. https:// doi.org/10.1016/S0009-2614(97)01206-2

17. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 1996;77(18):3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

18. Gaussian 09, Revision A.02. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci D., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Yang D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng D., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T,. Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J., Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.

19. Lu T., Chen F. Multiwfn: A Multifunctional Wavefunction Analyzer. J. Comput. Chem. 2012;33(5):580–592. https://doi.org/10.1002/jcc.22885

20. Sheldrick G.M. Crystal structure refinement with SHELXL. Acta Crystallogr. 2015;C71:3–8. https://doi.org/10.1107/S2053229614024218

21. Macrae E.C.F., McCabe P., Pidcock E., Shields G.P. Taylor R., Towler M., van de Streek I. Mercury: visualization and analysis of crystal structures. J. Appl. Crystallogr. 2006;39(3):453–457. https://doi.org/10.1107/S002188980600731X

22. Dardonville C., Elguero J., Rozas I., FernándezCastaño C., Foces-Foces C., Sobrados I. Tautomerism of 1-(2º,4º-dinitrophenyl)-3-methyl-2-pyrazolin-5-one: theoretical calculations, solid and solution NMR studies and X-ray crystallography. New J. Chem. 1998;22(12):1421–1430. https://doi.org/10.1039/A805415K

23. Singh T.P., Vijayan M. Structural Studies of Analgesics and Their Interactions. I. The Crystal and Molecular Structure of Antipyrine. Acta Crystallogr. 1973;B29:714–720. https://doi.org/10.1107/S0567740873003225

24. Chugunova G.A., Kataeva O.N., Ahlbrecht H., Kurbangalieva A.R., Movchan A.I., Lenstra A.T.H., Geise H.J., Litvinov I.A. Derivatives of 1-phenyl-3-methylpyrazol2-in-5-thione and their oxygen analogues in the crystalline phase and their tautomeric transformations in solutions and in the gas phase. J. Mol. Struct. 2001;570(1–3):215–223. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(01)00514-2

25. Wang Q., Zhang Y., Wang R., Yang Y.- L., Zhi F. 5-Methyl-2-phenyl-2H-pyrazol-3-ol. Acta Crystallogr. 2008;E64(10):o1924. https://doi.org/10.1107/S1600536808028559