Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В настоящее время нитросоединения имеют огромное значение для фармацевтики и химической индустрии. Особое внимание уделяется получению мультикомпонентных веществ и материалов на их основе, полезные свойства которых значительно усиливаются за счет синергетического эффекта компонент. Сокристаллизация для этих целей выглядит чрезвычайно привлекательно, поскольку позволяет получать комбинированные материалы точно известно состава, и без дорогостоящей и зачастую небезопасной химической трансформации исходных компонент, причем с практически количественными выходами (при использовании промышленных процессов с возвратом маточных растворов). Пероксид водорода может оказаться очень удачным в качестве второй компоненты для большинства нитропроизводных, поскольку прекрасно образует кристаллические аддукты с амфотерными соединениями, содержащими значительное количество протонодонорных и протоноакцепторных центров. Важно то, что во многих случаях именно Н2О2 может оказаться отличным интенсификатором интересующих биофармацевтических и физико-химических свойств нитросоединений, поскольку она сама, будучи источником активного кислорода, обладает весьма сходным спектром химической активности. В прошедшем году были получены более 15 образцов новых кристаллических пероксосольватов нитросоединений и определены их кристаллические структуры. Это потребовало наработки существенных количеств чистых, и, главное, несольватированных, исходных энергоемких соединений и значительных объемов высококонцентрированного пероксида водорода. Для наиболее стабильных соединений проведены ДСК и ТГ исследования, а также исследованы возможности их получения из растворов H2O2 невысоких концентраций (30-60%). На ряде примеров была показана принципиальная достижимость такой кристаллизации, однако обнаружилось, что это часто сопровождается включением различных количеств кристаллизационной воды за счет изоморфного замещения пероксидных позиций в кристаллических ячейках. Работа велась по трем основным направлениям: 1) пероксосольваты антибиотиков нитрофуранового ряда; 2) пероксосольваты энергоемких (нитропиразолил)фуразанов; 3) пероксосольваты солей с нитрат-анионом. 1. Впервые получен целый ряд сольватоморфных (пероксоморфных) аддуктов перекиси водорода с широко используемым в дерматологии, стоматологии и отоларингологии эффективным антибиотиком нитрофуранового ряда – фурацилином (C6H6N4O4•H2O2, C6H6N4O4•1.5(H2O2) и C6H6N4O4•3.5(H2O2)) низкотемпературной кристаллизацией из перекиси водорода разных концентраций (от 20 до высококонцентрированных 96%). Оказалось, что, как ни странно, более богатые активным кислородом пероксосольваты фурацилина кристаллизуются из менее концентрированных растворов H2O2. Обнаружено, что во всех полученных аддуктах вообще не наблюдается частичное изоморфное замещение молекул перекиси на воду, хотя в наиболее богатом на пероксид комплексе C6H6N4O4•3.5(H2O2) большинство из 7 кристаллографически независимых молекул H2O2 крестообразно неупорядочены. С помощью рентгенодифракционных методов установлено, что кристаллические упаковки всех полученных аддуктов фурацилина основаны на одном и том же плоском хелатном синтоне, образованном за счет прочных водородных связей молекулы H2O2 с нитрофурановым циклом. Устойчивость этого фрагмента связана с геометрической комплиментарностью молекул фурацилина и перекиси водорода, а стабильность аддуктов объясняется его плоской конфигурацией, способствующей образованию прочных межмолекулярных стекинг-взаимодействий. Впервые исследованы структуры, в которых наблюдаются плоские водородно-связанные слои, построенные исключительно из молекул H2O2. В кристаллической структуре одного из них была обнаружена не имеющая аналогов взаимосогласованная протонная неупорядоченность молекул перекиси водорода, объединенных за счет водородных связей в необычные двумерные агрегаты: 2. Впервые получены (из 96% H2O2) и структурно охарактеризованы пероксосольваты перспективных энергоемких соединений, проявляющих амфотерные свойства – (нитропиразолил)фуразанов C6H5N5O3•H2O2, C6H4N6O5•H2O2 и 5(C5H2N6O5)•H2O2. Обнаружено, что все три аддукта базируются на одном и том же практически плоском супрамолекулярном фрагменте, в котором молекулы пероксида образуют три водородных связи (две как доноры, и одну как акцепторы протона) с двумя пиразольными и одним фуразановым фрагментом соседних коформеров: Установлено, что нитрогруппы не участвуют в водородных связях с молекулами H2O2, но при этом вовлечены в межмолекулярные C-H…O2N взаимодействия. Обнаружено, что все структуры характеризуются короткими pi-стекинг контактами между органическими компонентами. Проведенные твердофазные DFT расчеты с периодическими граничными условиями показали, что во всех случаях энергии водородных связей типа NH…O2H2 имеют необычайно большие величины (вплоть до 50 кДж/моль), ранее вообще не наблюдавшиеся для пероксосольватов. Это, очевидно, связано с высокой кислотностью внутрициклических NH групп за счет наличия сильно электроноакцепторных нитрогрупп. Все полученные пероксосольваты характеризуются существенно лучшим кислородным балансом и более высокой плотностью, чем исходные коформеры. 3. Впервые получены и структурно исследованы пероксосольваты солей с нитрат-анионом, причем как с катионами металлов, так и с органическими ионами: KNO3•0.5H2O2, RbNO3•0.5H2O2, RbNO3•0.5H2O2•0.5H2O и Et4N+NO3‾•2H2O2. Установлено, что смешанный гидрат-пергидрат легко и с высоким выходом образуется уже из 60%-го пероксида водорода. Оказалось, что все соли металлов достаточно устойчивы в течение длительного времени на воздухе, но, как показали ДСК исследования, имеют достаточно низкие (40-70° С) температуры плавления. Выяснилось, что в структурах с катионами металла, молекулы перекиси образуют по две водородные связи с соседними нитрат-анионами, а неподеленными парами электронов координируют по четыре соседних атома металла. Твердофазные DFT расчеты с периодическими граничными условиями показали, что эти водородные связи достаточно прочные (30-35 кДж/моль), и в случае органической соли Et4N+NO3‾•2H2O2 приводят к образованию в структуре весьма необычных H-связанных слоев: 4. Закристаллизованы и структурно охарактеризованы пероксосольваты ряда бициклических производных нитропиразола: В последнем соединении для обеих кристаллографически независимых молекул перекиси наблюдается весьма большое и довольное редкое в структурах персольватов число образуемых водородных связей – пять. Пероксосольваты этих соединений не удается получить из менее концентрированных растворов H2O2 (50-60%), при этом происходит либо кристаллизация исходных коформеров, либо их гидратов. Опубликована 1 статья в журнале CrystEngComm (Q1 по JCR - Crystallography) и отправлены в печать 2 статьи в журнал Cryst. Growth Des. (Q1 по JCR - Crystallography).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Гетероциклические полинитросоединения имеют огромное значение для фармацевтики и химической индустрии. Большой интерес вызывает получение многокомпонентных веществ и материалов на их основе, полезные свойства которых значительно усиливаются за счет кооперативного взаимодействия отдельных составляющих. Солеобразование и сокристаллизация для этих целей выглядят чрезвычайно привлекательно, поскольку позволяют получать комбинированные материалы точно известно состава, и без дорогостоящей и зачастую небезопасной химической трансформации исходных компонент, причем с практически количественными выходами (при использовании промышленных процессов с возвратом маточных растворов). Пероксид водорода может оказаться очень удачным в качестве второй компоненты для большинства нитропроизводных, поскольку прекрасно образует кристаллические аддукты с амфотерными соединениями, содержащими значительное количество протонодонорных и протоноакцепторных центров. В прошедшем году были получены более 15 образцов новых кристаллических пероксосольватов нитросоединений и определены их кристаллические структуры. Это потребовало наработки существенных количеств чистых, и, главное, несольватированных, исходных энергоемких соединений и значительных объемов высококонцентрированного пероксида водорода. Для наиболее стабильных соединений проведены ДСК и ТГ исследования, а также исследованы возможности их получения из растворов H2O2 невысоких концентраций (20-70%). На ряде примеров была показана принципиальная достижимость такой кристаллизации, однако обнаружилось, что это часто сопровождается включением различных количеств кристаллизационной воды за счет изоморфного замещения пероксидных позиций в кристаллических ячейках. Обнаружена высокая термическая и временная стабильность аддукта пероксосольват тринитропиразолата калия K+•C3N5O6ˉ•H2O2, делающая его перспективным для создания энергоемких материалов. Работа велась по трем основным направлениям: 1) пероксосольваты солей тринитропиразола с катионами щелочных металлов, гуанидиния и аминогуанидиния; 2) прецизионные рентгенодифракционные исследования пероксосольватов с центросимметричными молекулами H2O2 в кристаллах с последующими DFT расчетами в периодических граничных условиях; 3) пероксосольваты органических солей с нитрат-анионом. 1. Предложен принципиально новый подход к получению устойчивых пероксосольватов гетероароматических нитросоединений с почти нулевым кислородным балансом. Впервые получен ряд новых солей тринитропиразола с катионами щелочных металлов, гуанидиния и аминогуанидиния (калиевая (I, полугидрат), рубидиевая (II), цезиевая (III), гуанидиниевая (IV), аминогуанидиниевая (V) и 3-амино-1,2,4-триазолиевая (VI)) соли. Из них синтезирован ряд пероксосольватов, некоторые из которых продемонстрировали замечательную стабильность благодаря образованию значительно числа прочных координационных связей атомами металлов с атомами азота гетероциклических остовов и кислородами нитрогрупп анионов тринитропиразола, а также молекулами пероксида водорода. Все аддукты были охарактеризованы с помощью рентгеноструктурного анализа. Дополнительная стабилизация их кристаллических решеток возникает за счет большого количества вторичных взаимодействий молекул H2O2. Для цезиевых солей впервые наблюдался η2 тип координации лигандного пероксида водорода. Исследован пероксоморфизм некоторых из полученных соединений. Для высокостабильного тринитропиразолата калия K+•C3N5O6ˉ•H2O2 показана возможность получения из растворов пероксида невысоких концентраций. 2. Впервые получены кристаллы пероксосольватов, пригодные для высокоточных рентгенодифракционных исследований. Это было достигнуто благодаря расположению молекул H2O2 на кристаллографических центрах инверсии и их полного упорядочения за счет образования большого числа водородных связей. Проведение прецизионных рентгеноструктурных исследований и последующее мультипольное уточнение выявили у связи O–O критическую точку (3,-1) с электронной плотностью ρb ~0,24 а.е. Для обоих соединений экспериментальные карты плотности деформации показали не накопление, а истощение зарядовой плотности вблизи центров связи O–O. Найденные значения Лапласиана электронной плотности ∇2ρb существенно положительны и лежат около 0.75 а.е. Значения ρb, рассчитанные методами теории функционала плотности с периодическими граничными условиями (periodic DFT), согласуются с экспериментальными данными. Расчетные значения ∇2ρb зависят от базисного набора. Они принимают небольшие значения, как положительные, так и отрицательные, для базиса 6-31G** и составляют около 0,3 а.е. для базисного набора pob_TZVP. Связь O–O в пероксосольватах можно рассматривать как «charge-shift» связь [S. Shaik et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 984]. Таким образом, впервые экспериментально подтверждено существование «charge-shift» связи. Это позволило дополнить теорию «Атомы в Молекулах» [R. F. W. Bader, Chem. Rev. 1991, 91, 893] новым типом межатомных взаимодействий. 3. Продолжены исследования пероксосольватов солей с нитрат-анионом. Синтезированы и охарактеризованы кристаллические пероксосольваты нитратов с катионами производных триэтилендиамина (DABCO): динитрата H2DABCO2+ (C6H14N2)2+•2NO3‾•H2O2 и мононитрата DABCO N,N'-диоксида (C6H13N2O2)+•NO3‾•2H2O2. Для этих соединений характерно образование бифуркатных водородных связей с нитрат-анионами. В структурах обнаружены очень короткие дважды зарядово-промотированные водородные связи N→OH+…O3N‾ (d(О–О) = 2.551(2) Å). Всего в 2025 г. было опубликовано 4 статьи в журналах J. Phys. Chem. Lett. (Q1), Cryst. Growth Des. (Q1), CrystEngComm (Q2) и Struct. Chem. (Q2). Адреса ресурсов в сети Интернет, созданных по результатам выполнения проекта: 1. https://scientificrussia.ru/articles/moskovskie-himiki-vpervye-polucili-seriu-soedinenij-perekisi-vodoroda-s-furacilinom 2. https://rscf.ru/news/chemistry/moskovskie-khimiki-vpervye-poluchili-seriyu-soedineniy-perekisi-vodoroda-s-furatsilinom/ 3. https://t.me/chemrussia/6405 4. https://vk.com/wall688212315_973 5. https://newchemjournal.ru/news/dopolnena-teoriya-himicheskoj-svyazi-novym-tipom-mezhatomnyh-vzaimodejstvij/ 6. https://mendeleev.info/teoriya-himicheskoj-svyazi-dopolnena-novym-tipom-mezhatomnyh-vzaimodejstvij/ 7.https://t.me/mendeleevinfo/1788 8. https://sciencemon.ru/office/org/blog/264517/ 9. https://dzen.ru/a/aTWzgeg23grSDPsf