Кристаллическое строение производных изостевиола и его молекулярных комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Бескровный, Дмитрий Валерьевич

• Бескровный, Дмитрий Валерьевич
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Бескровный, Дмитрий Валерьевич

Введение

Глава I. Литературный обзор.

1.1 Супрамолекулярная химия, ее границы и модели

1.1.1 Молекулярное распознавание и его концепции

1.1.2 Кристаллическая инженерия

1.2 Кристаллическая структура аннелированных 11 насыщенных тетрациклических соединений

1.2.1 Классификация тетрациклических соединений

1.2.2 Дезоксихолевая кислота

1.2.3 Холевая кислота

1.2.4 Апохолевая кислота

1.2.5 Производные холевой кислоты и другие 24 представители класса стероидов

1.2.6 Тетрациклические терпеноиды ряда каурена и стахена

1.2.7 Коэффициент кристаллической упаковки полости хозяина

Глава II. Обсуждение результатов. Кристаллическая структура изостевиола и его производных

2.1 Изостевиол

2.1.1 Кристаллическая структура изостевиола

2.1.2 Продукты восстановления кетогруппы изостевиола

2.1.3 Азометины изостевиола

2.1.4 Сложные эфиры изостевиола

2.1.5 а-галогенкетоны изостевиола

2.1.6 Молекулярные комплексы изостевиола с молекулами 80 ароматических соединений

Глава III. Экспериментальная часть

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кристаллическое строение производных изостевиола и его молекулярных комплексов»

В последние десятилетия прошлого века широкое распространение получили исследования кристаллического строения природных соединений методом рентгеноструктурного анализа. Одним из важнейших классов природных соединений являются стероиды. Интерес к их интенсивному изучению вызван, в основном, их ценными практическими свойствами, а именно: благодаря известной склонности к образованию комплексов типа «гость-хозяин», они нашли свое применение в качестве селективных сорбентов, экстрагентов, катализаторов, переносчиков и энантиоселективных матриц. Всестороннее изучение строения как самих стероидов и их функциональных производных, так и молекулярных комплексов на их основе, развивает наши представления о процессах, протекающих в живой природе, таких как молекулярное распознавание, транспорт и перенос. По этим причинам структурные исследования стероидов и их производных, несомненно, актуальны.

Одним из важных факторов, благодаря которым изучение кристаллического строения природных соединений в целом и стероидов в частности получило «дополнительное ускорение», явилось значительное развитие и усовершенствование метода РСА. Благодаря новому поколению приборов, значительно сократилось время проведения эксперимента и, существенно повысилась точность получаемых экспериментальных данных. А это, в свою очередь, расширило круг задач, которые могут быть поставлены перед химиками-структурщиками. Так, если для середины прошлого века считалось большой удачей методом рентгеноструктурного анализа установить молекулярную геометрию соединения в кристалле (с достаточно большими, по сегодняшним меркам погрешностями), то в настоящее время расшифровка структуры соединения не представляет уже такой большой проблемы. И все большее внимание ученых привлекает исследование всех возможных межмолекулярных взаимодействий (ММВ) в кристалле, как сильных (классических водородных связей), так и слабых (C-H.0 связей, 71-Tt- стекинг и т.д.), которые играют важную роль в биологических объектах. Для различных по химической природе соединений в кристалле реализуются различные мотивы ММВ, что, в свою очередь различные типы кристаллической упаковки, а это является предметом изучения относительно новой, динамично развивающейся области химии - супрамолекулярной химии.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена всестороннему изучению кристаллического строения некоторых представителей класса стероидов, депонированных в Кембриджском банке структурных данных (КБСД). В качестве объекта собственных структурных исследований был взят природный дитерпен изостевиол, а также ряд его химических производных и молекулярных комплексов на их основе, предоставленные лабораторией химии природных соединений ИОФХ им. А.Е. Арбузова.

Проведен рентгеноструктурный анализ кристаллического строения химических производных изостевиола и его молекулярных комплексов, включая как молекулярную геометрию, так и всесторонний анализ ММВ в кристалле, и типов образующихся кристаллических упаковок. Самостоятельная задача исследования была сформулирована как выявление на примере класса стероидов (по литературным данным и собственным структурным исследованиям) зависимости между химическим строением соединения и типом супрамолекулярной структуры, образуемой им в кристалле.

Научная новизна: Установлена кристаллическая структура 27 новых соединений на основе изостевиола, в том числе спиртов, иминов, ацетатов, эфиров, а-галогенкетонов и молекулярных комплексов с различными малыми молекулами, проанализированы межмолекулярные взаимодействия и типы упаковки в этих кристаллах. Установлена абсолютная конфигурация оптически активных центров в молекуле изостевиола. Практическая значимость

1. Проведена систематизация образующихся кристаллических структур на основе холевых кислот и их аналогов.

2. Выявлены структурные условия для образования молекулярных комплексов производных изостевиола с малыми молекулами.

3. Найдена способность изостевиола образовывать устойчивые молекулярные комплексы с ароматическими молекулами малого размера. Эта способность может быть использована в дальнейшем для разделения регио- и стереоизомеров ароматических молекул в процессе кристаллизации. Апробация работы: Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: II Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра КГУ "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2001, 2003), III Всероссийская конференция молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 2001), III Международная конференция «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (С.-Петербург, 2001), I и II Международные симпозиумы по молекулярному дизайну и синтезу супрамолекулярных архитектур (Казань, 2000, 2002), II Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ» (Казань, 2002), V Молодежная научная школа -конференция по органической химии (Екатеринбург, 2002), III Национальная кристаллохимическая конференция (Черноголовка, 2003).

Публикации: По материалам диссертации имеется 20 публикаций, в том числе 5 статей в российских изданиях и 15 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Автор выражает благодарность за финансовую поддержку в проведении исследований Российскому Фонду Фундаментальных Исследований (гранты 01-0332188, 01-03-32190, 02-03-06020, 02-03-32280), Российско-Американской Программе BRHE "Фундаментальные исследования и высшее образование" (грант REC-007) и фонду НИОКР Академии наук Республики Татарстан (грант 07-7.4-39), Российскому фонд фундаментальных исследований за финансовую помощь в оплате лицензии за пользование Кембриджским банком структурных данных (грант 99-07-90133).

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Бескровный, Дмитрий Валерьевич

ВЫВОДЫ:

1. Установлена кристаллическая структура 27 новых соединений на основе изостевиола, в том числе спиртов, иминов, ацетатов, эфиров, а-галогенкетонов и молекулярных комплексов с различными малыми молекулами, проанализированы межмолекулярные взаимодействия и типы упаковки в этих кристаллах. Установлена абсолютная конфигурация оптически активных центров в молекуле изостевиола.

2. Показано, что для монокаркасных производных изостевиола, кристаллосольваты, или комплексы включения получаются только при наличии немодифицированной кислотной группой.

3. Для бисизостевиольных производных, построенных по типу «голова к голове», молекулярных комплексов не наблюдается, в то время как в кристаллах структур, имеющих тип построения «голова к хвосту» даже при коротком соединительном мостике, получены кристаллосольваты с малыми молекулами.

4. Найдена способность изостевиола образовывать устойчивые изоструктурные молекулярные комплексы с ароматическими молекулами. Супрамолекулярная структура этих комплексов представляет собой двойные спирали вокруг винтовых осей 4-го порядка, образованные молекулами изостевиола.

5. Показано, что образование комплексов изостевиола с молекулами изомеров нитроанилина и ксилола происходит региоселективно. Эта способность может быть использована в дальнейшем для разделения регио- и стереоизомеров ароматических молекул в процессе кристаллизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Бескровный, Дмитрий Валерьевич, 2004 год

1. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концеции и перспективы. Пер. с англ. -Новосибирск: Наука, 1998. -333с.

2. А.Ф. Пожарский. Супрамолекулярная химия. Часть I. Молекулярное распознавание. // Соросовский образовательный журнал. 1997. - №9. — с.32-39.

3. О.А. Раевский. Развитие концепции молекулярного распознавания. // . Российский химический журнал. 1995.— т.39. - с. 109-119.

4. Pedersen С. J. The discovery of crown ethers // Nobel lectture. Chemistry 1987. -P. 495-511.

5. Cram d. J. The design of molecular hosts, guests, and their complexes // Nobel lectture. Chemistry. 1987-P. 419-437.

6. Lehn J. M. Supramolecular chemistry scope and perspectives. Moleculars -supramoleculars - molecular devices // Nobel lectture. Chemistry - 1987. - P. 444491.

7. M. Симонетта, А. Гавезотти, К. Кучицу и др. Молекулярные структуры. Прецизионные методы исследования. М.: Мир, 1997. - 671с.

8. A. Gavezzotti. Are Crystal Structures Predictable? // Acc. Chem. Res. 1994. -Vol.27. - p. 309-314.

9. V. Videnova-Adrabinska. The hydrogen bond as a design element in crystal engineering. Two- and three-dimentional building blocks of crystal architecture. // Journal of Molecular Structure. -1996.- Vol.374. p.199-222.

10. G.R. Desiraju. Crystal Engineering; the Design of organic solids. Elsevier: New York, 1989 -p.312.

11. Gautam R. Desiraju. The С H.0 Hydrogen bond: Structural Implications and Supramolecular design. // Acc. Chem. Res. - 1996. - Vol.29. - p.441-449.

12. Gautam R. Desiraju. The С H.0 Hydrogen bond in Crystal: What is it? // Acc. Chem. Res. - 1991. - Vol.24, -p.290-296.

13. J. Bernstein, M.D. Cohen, L. Leiserowitz. In the Chemistry of Quinonoid compounds. // Patsai, S., Ed.; Interscience: New York, 1974. —p.37.

14. Z. Berkovitch-Yellin, L. Leiserowitz. The role played by C-H.,.0 and C-H.N interactions in determining molecular packing and conformation // Acta Crystallogr. 1984. - B40. -p.159-165.

15. V. Videnova-Adrabinska. The hydrogen bond as a design element in crystal engineering. Two- and three-dimentional building blocks of crystal architecture. // Journal of Molecular Structure. 1996. - Vol.374. - p.199-222.

16. Розен Б.В. Основы эндокринологии. M.: МГУ, 1994. - 384с.

17. Latschiroff P. Uebereine der cholsaure analoge neue saure // Chem. Ber. 1885. -Vol. 18.-3039-3047.

18. Y.Go, O.Kratky // Z.Phys.Chem 1934. - Vol. B26. - p.439.

19. V.M.Coiro, E.Giglio, F.Mazza, N.V.Pavel, G.Pochetti. Structure of the 4:1 inclusion compound between deoxycholic acid and (£)-/?-dimethylaminoazobenzene // Acta Ciystallogr. 1982.-Vol. B38.-p.2615-2620.

20. S. Candeloro De Sanctis, E. Giglio, V. Pavel, C. Quagliata. A study of crystal packing of the 2:1 and 3:1 canal complexes between deoxycholic acid and p-diiodobenzene and phenantrene. // Acta Cryst.— 1972. Vol. B28. - p. 3656-3661.

21. E.Giglio, F.Mazza, L.Scaramuzza // J.Inclusion Phenom.Macrocyclic Chem. -1985.- Vol.3 p.437

22. S. C. De Sanctis, E. Giglio, V. Pavel and C. Quagliata. A study of the crystal packing of the 2:1 and 3:1 canal complexes between deoxycholic acid, jo-diiodobenzene and phenanthrene // Acta Crystallogr, 1972. - Vol. B28. - p.3656-3661.

23. V.M.Coiro,E.Giglio,F.Mazza,N.V.Pavel. // J.Inclusion Phenom.Macrocyclic Chem.- 1984-Vol. l-p.329.

24. S.Limmatvapirat, K.Yamaguchi, E.Yonemochi, T.Oguchi, K.Yamamoto. A 1:1 Deoxycholic Acid-Salicylic Acid Complex // Acta Crystallogr. 1997. - Vol. C53 -p.803-805

25. M. Gdaniec, T. Bytner, M. Szyrszyng, T. Polonsky. Inclusion compounds of nitrosobenzenes with cholic acid and deoxycholic acid. // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. 2001. - Vol. 40. - p.243-247.

26. M. Gdaniec, M.J. Milewska, T. Polonsky. Enantioselective inclusion complexation of N-nitrosopiperidines by steroidal bile acids. // Angew. Chem. Int. Ed. 1999. -Vol. 38, №3.-p.392-395.

27. R. Popovitz-Biro, C. P. Tang, H. C. Chang, M. Lahav, L. Leiserowitz. Solid-state photochemistry of guest aliphatic ketones inside the channels of host deoxycholic and apocholic acids. // J. Am. Chem. Soc. 1985. - Vol. 107. - p.4043-4058.

28. K. Miki, N. Kasai, H. Tsutsumi, M. Miyata, K. Takemoto. Structure of a 2:1 complex between deoxycholic acid and ferrocene. // J. Chem. Soc., Chem. Commun.- 1987.- p.545-546.

29. J.G.Jones, S.Schwarzbaum, L.Lessinger and B.W.Low. The structure of the 2:1 complex between the bile acid deoxycholic acid and (+)-camphor // Acta Crystallogr. Sect.A. 1981.-Vol. 37.-p.76.

30. Wallimann. Steroids in molecular recognition // Chem. Rev. 1997. - V. 97, № 5. -P. 1567- 1608

31. V.M.Coiro, A.D'Andrea, E.Giglio. Strucrure and van der Waals energy study of the palmatic acid choleric acid complex // Acta Crystallogr.,Sect.B. - 1980. - Vol. 36. -p.848-852

32. V.M.Coiro, F.Mazza, G.Pochetti, E.Giglio, N.V.Pavel. The structure of the 2/1 "channel" inclusion compound between dexycholic acid and pinacolone, 2C24H4o04*C6Hi20 // Acta Crystallogr., Sect.C (Cr.Str.Comm.). 1985 - Vol. 41 -p.229-232.

33. R. Popovitz-Biro, C.P. Tang, H.C. Chang, M. Lahav, L. Leiserovitz. Solid state photochemistry of guest aliphatic ketones inside the channels of host deoxycholic acid and apocholic acid. // J. Am. Chem. Soc. 1985. - Vol. 107. - p.4043-4058.

34. M.Lahav, L.Leiserowitz, R.Popovitz-Biro, C.-P.Tang Reactions in inclusion molecular complexes. 2. A topochemical solid-state photoaddition of acetone to deoxycholic acid // J.Am.Chem.Soc. 1978. - Vol. 100. - p.2542-2544,

35. S.C.de Sanctis, E.Giglio, F.Petri, C.Quagliata. The 2:1:1 canal complex between deoxycholic acid, dimethyl sulphoxide and water // Acta Crystallogr. 1979. - Vol. B35. -p.226-228.

36. Padmanabhan K., Venkatesan K., Ramamurthy V. Structure-reactivity correlation in inclusion complexes: deoxycholic acid di-tert-butil thioketone // Can. J. Chem. -1984. Vol. 62. - P. 2025-2028.

37. De Titta G. Т., Craven В. M. Crystal structure determination of the 1:1 complex of deoxycholic acid and acetic acid // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1972. - P. 530-531.

38. K.Miki, N.Kasai, M.Shibakami, S.Chirachanchai, K.Takemoto, M.Miyata. Crystal structure of cholic acid with no guest molecules // Acta Crystallogr., 1990 - Vol.1. C46.-p.2442-2445.

39. Caira M. R., Nassimbeny L. R., Scott J. L. Crystal structure and multiphase decomposition of a novel cholic acid inclusion compound with mixed guests // J. Chem. Soc. Perkin Trans.II. 1994. - Vol. 7. - P. 1403-1405.

40. Shibakami M., Sekiya A. Crystal structures of cholic acid-aniline and 3-fluoroaniline inclusion compound; fluorine atom effect on channel and hydrogen bonding pattern // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1994. - P. 429-430.

41. Sada K., Miyata M., Nakano K. Guest-participating reversion of molecular arrangements in asymmetric multibilayers of cholic acid inclusion crystals // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995. - P. 953-954.

42. Miki K., Masui A., Kasai N., Miyata M., Shibakami M., Takemoto K. New channel-type inclusion compound of steroidal bile acid. Structure of a 1:1 complex between cholic acid and acetophenone // J. Am. Chem. Soc. 1988. - Vol. 110. - P. 65946596.

43. Caira M., Nassimbeni L., Scott J. Selective inclusion by cholic acid // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1993. - P. 612-614.

44. Gdaniec M., Polonski T. Generation of hirality in guest Aromatic ketones included in the crystals of steroidal bile acids // J. Am. Chem. Soc. 1998. - Vol. 120. -7353-7354.

45. Nakano K, Sada K., Miyata M. Novel additive effect of inclusion crystal on polymorphs-cholic acid crystals having different hydrogen-bonded networks with the same organic guest // Chem. Commun. 1996. - P. 989-990.

46. Caira M. R., Nassimbeny L. R., Scott J. L. Inclusion compounds of cholic acid with aliphatic esters // J. Chem. Soc. Perkin Trans.II 1994. - Vol. 3. - P. 623-628.

47. Nowak E., Gdaniec M., Polonski T. The crystal structure of the 2:1 cholic acid -benzophenon clathrate // Journal of Inclusion Phenomena. 2000. - Vol. 37. - P. 155-169

48. Sada K., Miyata M., Kondo Т., Ushioda M., Matsuura Y., Nakano K., Miki K. Functionalization of inclusion cavities of bile acid hosts. Channel-type inclusion compounds of cholamide // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1998. - Vol. 71. - P. 19311937.

49. Sada K., Miyata M., Sugahara M. A robust structural motif in inclusion crystal of norbile acids // Chem. Commun. 1999. - P. 293-294.

50. S.W.Pelletier, H.K.Desai, J.Finer-Moore, N.V.Mody. Structure of cuauchichicine. Its chemical correlation with (-)-".beta."-dihydrokaurene // J.Am.Chem.Soc. 1979. -Vol. 101.-p.6741-6742,

51. E.Foresti Serantoni, A.Krajewski, R.Mongiorgi, L.Riva di Sanseverino, G.M.Sheldrick. The crystal and molecular structure of a mineral diterpene, bombiccite, C20H34. // Acta Crystallogr. 1978. - Vol. B34. -p.1311-1316,

52. I.L.Karle. The structure of (-)-kaur-15-en-19-al an aldehyde isolated from Espelitia weddeti // Acta Crystallogr. 1972. - Vol. B28. - p.585-589.

53. R.F.Raffauf, M.D.Meachery, P.W.Le Quesne, E.V.Arnold, J.Clardy Antitumor plants. 11. Diterpenoid and flavonoid constituents of Bromelia pinguin L // J.Org.Chem. 1981. - Vol. 46. - p.l094-1098.

54. Wu Jianhua, Wang Boyi, Zheng Peiju, Li Zhulian, Chen Ke, Pan Deji, Xu Guangyi // Chinese J.Struct.Chem.(Jiegou Huaxue) 1986 - 5 - p.190.

55. Cambridge Structural Database System // Cambridge. Version 5.18. Nov. 1999.

56. A.M.G. Dias Rodrigues, R.H. de Almeida Santos, J.R. Lechat. Structure of (4or)-13-hydroxykaur-16-en-18-oic acid (steviol) methanol solvate // Acta Crystallogr. -1993.-Vol. C49.-p.729-731.

57. Yellin R. A., Green В. S., Knossov М., Tsoucaris G. Crystal discrimination in crystalline tri-o-thimotide clatrate inclusion complexes chemical and crystallographic studies // J.Am.Chem.Soc. 1983. - Vol. 105 - № 14. - P. 45614571

58. Лисицын В.Н., Апреленко В.М. Лекарственное растение Стевия. // Московские аптеки. 1999. - № 9. - С. 21.

59. Ogawa Т., Nozaki М., Matsui М. Total synthesis of stevioside // Tetrahedron. -1980.-Vol. 36, № 18.-P. 2641-2648.

60. J.R.Hanson. The tetracyclic diterpenes. Oxford: Pergamon Press. - 1968. - 133 p

61. Rodrigues A.M.G.D., Lechat J.R. Structure of (4a, 8p, 13 P)-13-Methyl-16-oxo-17-norkauran-18-oic acid (Isosteviol) // Acta Crystallogr.,Sect.C (Cr.Str.Comm.). -1988.-Vol. 44.-P. 1963-1965.

62. Oliveira B.-H., Santos M. C., Paulo C. L. Biotransformation of the diterpenoid, Isosteviol, by Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum and rhizopus arrhizus // Phitochemistry. 1999. -Vol. 51.-P. 737-741.

63. Альфонсов B.A., Бакалейник Г.А., Катаев B.E., Ковыляева Г.И., КоноваловА.И., Стробыкина И.Ю., Андреева О.В., Корочкина М.Г. Хлорангидрид изостевиола.// ЖОХ. 2000.- Т. 70, Вып. 8. - С. 1406.

64. Spek A.L. PLATON for Windows, version 98. // Acta Crystallogr. 1990. -Vol.46, N.l. -P.34-41.

65. Физер Л., Физер М. Стероиды. Москва: «Мир». - 1964. - 982 с

66. Назаров И.Н., Бергельсон Л.Д. Химия стероидных гормонов. Москва: Издательство академии наук СССР. - 1955. - 752 с.

67. Stephan Н., Gloe К., Schiessl P., Schmidtchen F.P. // Supramol. Chem. — 1995. -N5. —P. 273-280.

68. Hsieh H., Muller J.G., Burrows C.J. Structural Effects in Novel Steroidal Polyamine-DNA Binding // J.Am.Chem.Soc. 1994. - Vol. 116, N 26. - P. 1207712078.

69. J. Tamminen, Е. Kolehmainen. Bile acid as building blocks of supramolecular hosts. // Molecules. 2001. - Vol. 6. - P.21-46.

70. Alfonsov V.A., Bakaleynik G.A., Gubaidullin A.T., Kataev V.E., Kovyljaeva G.I., Konovalov A.I., Litvinov I.A., Strobykina I.Ju., Andreeva O.V., Korochkina M.G. Molecular Complex of Isosteviol with Aniline // Mendeleev Commun. 1999.- .N 6. - P. 227-228.

71. Clauge A.D.H., Bernstein H.J. II Spectrochim. Acta. 1969. - Vol. 25A, N 3. - P. 593-596.

72. Iogansen A. V. II Spectrochim. Acta 1999. - Vol. 55A, N 8 - P. 1585-1612.

73. M.J.S.Dewar, E.G.Zoebisch, E.F.Healy, J.J.P.Stewart AMPAC(IBM), QCPE, No. 527, 1987.

74. Altomare A., Cascarano G., Giacovazzo C., Viterbo D. SIR. A computer program for the automatic solution of crystal structures. // Acta Crystallogr. 1991. - Vol. A47, N.4. -P.744-748.

75. Straver L.H., Schreibeek A.J. MOLEN. Structure Determination System. Nonius B.V. Delft. Netherlands. 1994. - Vol.1,2.

76. Walter C. Hamilton. Significance Tests on the Crystallographic R Factor // Acta Cryst. 1965. - Vol. 18. - P.502-510.

77. G. M. Sheldrick, SHELX-97 Programs for Crystal Structure Analysis (Release 972), University of Gottingen, Germany.