Μελέτη διαμοριακών αλληλεπιδράσεων στην κρυσταλλική δομή οργανικών ενώσεων και μεταλλικών συμπλόκων με τη μέθοδο Hirshfeld

Abstract

The present PhD Thesis is a study of intermolecular interactions among the building units of molecular crystals. The study is based on Hirshfeld Surfaces as generated by CrystalExplorer software, which provide a new way of exploring the intermolecular interactions. The development of a simple, structured and efficient method of investigating these interactions, which are responsible for the arrangement of the chemical moieties (ions, molecules) in molecular crystals, is described. The identification of the sites that the molecules or ions are connected to each other is a useful piece of information about the crystal structure organization or crystal engineering.The Hirshfeld Surface is defined as the surface where the electron density of one molecule is equal to the electron density of its neighboring ones and it provides a useful definition of molecular boundaries within the crystal. The Hirshfeld surface partitions crystal space into smooth non-overlapping volumes associated with each molecule. Since the local nature of the surface is dictated by the electron density and position of neighboring atoms inside and outside the surface, it reflects in considerable detail the immediate environment of a molecule in a crystal, and summarizes all intermolecular interactions in a remarkable graphical fashion.Hirshfeld Surfaces mapped in color with various functions/properties facilitate the pinpointing of the sites where the intermolecular interactions are developed. Such functions/properties are:de, the distance from the point of the surface to the nearest nucleus external to the surface.di, the distance to the nearest nucleus internal to the surface.dnorm¬, the normalized contact distance which combines de, d¬i, each normalized by the van der Waals radius of the atoms. It is calculated by the equation: dnorm=(di - r_i^vdW)/ r_i^vdW+( de - r_e^vdW)/ r_e^vdW and enables identification of the regions of particular importance to intermolecular interactions.Shape index, S, a measure of ‘‘which’’ shape.Curvedness, C, which is a function of the r.m.s. curvature of the surface.A simple way to examine the Hirshfeld Surface is by using the “fingerprint plot”. The two dimensional fingerprint plot derived from the Hirshfeld Surface shows the frequency of occurrence of each combination of de, di in the molecular surface. Each such combination corresponds to some kind of interaction.In this study the intermolecular interactions of 25 new compounds are described, which were divided into the following five categories, in order to organize the Thesis text:1. Ropivacaine polymorphs: these include the neutral form C17H26N2O (1) that has been traced in a marketed pharmaceutical, as well as the already published crystal structures of ropivacaine hydrochloride monohydrate, [C17H27N2O]Cl·H2O (2) (Form Α, Slot et al., 1990˙ Dayananda et al., 2013), and two forms of anhydrous ropivacaine hydrochloride [C17H27N2O]Cl (3,4) (Forms Β και C respectively, Bergström et al., 2006). 2. Uranyl complexes: these include the compounds: [UO2(NO3)2(Mebta)2] (5), [UO2(NO3)2(6MebtaH)2] (6),[UO2(NO3)2(diMebtaH)2] (7), [UO2(NO3)2(diMebtaH)2]·(diMebtaH)·MeCN (8), [UO2(mepao)2(MeOH)2]{[UO2(NO3)(mepao)(MeOH)2]}2 (9), [UO2(mepao)2(MeOH)2] (10), [(UO2)2(O2)(O2CMe)2(mepaoH)2] (11), [UO2(phpao)2(MeOH)2] (12), [UO2(O2CMe)(ampao)(ampaoH)]·H2O (13), {[UO2(NO3)(ampao)(ampaoH)]}2 ·3EtOH·Η2Ο (14), [UO2(Ο2CMe)(ampao)(ampaoH)]·MeOH (15), [(UO2)2(Ο2CMe)2(dmpaoH)2] (16) and [(UO2)2(NO3)2(dmpaoH)2] (17), where Mebta=1-methylbenzotriazole, 6MebtaH=6-methylbenzotriazole, diMebtaH=5,6-dimethylbenzotriazole, mepaoH=methyl 2-pyridyl ketoxime, phpaoH=phenyl 2- pyridyl ketoxime, ampaoH=pyridine-2-amidoxime and dmpaoH2= pyridine-2,6-diamidoxime. 3. 3d/4f-metal complexes with phenyl 2-pyridyl ketone oxime as ligand: which include the compounds: [CoIII2GdIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.0.6MeOH (18), [CoIII2DyIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.MeOH.0.8H2O (19), [CoIII2YIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.2MeOH (20), [NiII2GdIII2(phpao)6(O2CMe)4(H2O)2].3MeOH (21) και [NiII2DyIII2(phpao)6(O2CMe)4].2.4MeOH.2.85H2O (22).4. Perovskite polymers: which include the compounds: [CH3SC(NH2)2]2[SbΧ5]¬, Χ=Ι (23), Br (24), Cl/Br (25) and [CH3SC(NH2)2]2[SbCl5]¬ (26).5. Coordination polymers of CuII with quinoxaline (qunx) as ligand: which include the compounds: {[Cu2(diba)4(qunx)]}n (27) και {[Cu2(piv)4(qunx)]}n (28).All the above compounds were characterized by single-crystal X-ray crystallography.

Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των δομικών μονάδων κρυσταλλικών στερεών. Η μελέτη αυτή έγινε με τη χρήση των Επιφανειών Hirshfeld, ενός νέου εργαλείου για την εξέταση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, όπως εφαρμόζονται στο πρόγραμμα CrystalExplorer. Αναπτύχθηκε ένας απλός και δομημένος τρόπος διερεύνησης των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων που είναι υπεύθυνες για τη διάταξη των χημικών οντοτήτων (ιόντων, μορίων) στον κρύσταλλο. Ο εντοπισμός των αλληλεπιδράσεων αυτών αποτελεί χρήσιμη πληροφορία για τον πιθανό τρόπο ανάπτυξης του κρυστάλλου.Η Επιφάνεια Hirshfeld είναι η επιφάνεια που προκύπτει από τα σημεία στα οποία η ηλεκτρονιακή πυκνότητα από το επιλεγμένο μόριο ισούται με τη συνολική ηλεκτρονιακή πυκνότητα των γειτονικών μορίων. Με τη βοήθεια της Επιφάνειας Hirshfeld τίθεται και ένα «μέτρο» ως προς τα όρια του κάθε μορίου μέσα στον κρύσταλλο. Με τη χρήση της Επιφάνειας Hirshfeld επιτυγχάνεται διαμερισματοποίηση του χώρου του κρυστάλλου σε λείους μη επικαλυπτόμενους όγκους που σχετίζονται με κάθε μόριο. Η τοπική φύση της επιφάνειας, όπως καθορίζεται από την πυκνότητα των ηλεκτρονίων και τη θέση των γειτονικών ατόμων μέσα και έξω από αυτήν, αντανακλά με σημαντική λεπτομέρεια το άμεσο περιβάλλον ενός μορίου σε έναν κρύσταλλο και συνοψίζει όλες τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις με άμεσο και παραστατικό τρόπο.Οι ιδιότητες που απεικονίζονται στην Επιφάνεια Hirshfeld και οι οποίες επιτρέπουν την αναγνώριση των θέσεων ανάπτυξης διαμοριακών αλληλεπιδράσεων με τη χρήση κατάλληλου χρωματικού κώδικα, είναι:Η απόσταση de είναι η απόσταση από ένα σημείο της επιφάνειας ως τον πυρήνα του πλησιέστερου ατόμου που ανήκει σε άλλο μόριο.Η απόσταση di είναι η απόσταση από την επιφάνεια στον πλησιέστερο πυρήνα ατόμου που βρίσκεται στο ίδιο μόριο.Η κανονικοποιημένη απόσταση δεσμού dnorm η οποία βασίζεται στις de και di σε συνδυασμό με τις ακτίνες van der Waals των αντίστοιχων ατόμων. Η dnorm δίνεται από την εξίσωση: dnorm=( di - r_i^vdW)/ r_i^vdW+( de - r_e^vdW)/ r_e^vdW και επιτρέπει την αναγνώριση περιοχών ιδιαίτερης σημασίας στις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις.Ο δείκτης σχήματος S (Shape index) που είναι ένα μέτρο του είδους του σχήματος της επιφάνειας.Η καμπύλωση C (Curvedness) που είναι μία συνάρτηση της μέσης τετραγωνικής ρίζας της καμπυλότητας της επιφάνειας. Ένας απλός τρόπος εξέτασης των Επιφανειών Hirshfeld που αποτελεί παράλληλα και ένα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη των κρυσταλλικών δομών και έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια της μελέτης με τη χρήση αυτών των επιφανειών, είναι και το δισδιάστατο διάγραμμα δακτυλικού αποτυπώματος, το οποίο δείχνει τη συχνότητα εμφάνισης κάθε συνδυασμού ενός ζεύγους τιμών de, di, στην επιφάνεια. Κάθε τέτοιος συνδυασμός αντιπροσωπεύει κάποιου είδους αλληλεπίδραση. Από αυτή τη μελέτη έγινε δυνατή η περιγραφή των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων σε 28 συνολικά νέες ενώσεις, οι οποίες για λόγους καλύτερης οργάνωσης του κειμένου της διατριβής ταξινομήθηκαν στις ακόλουθες κατηγορίες:1. Πολύμορφα ροπιβακαΐνης: περιλαμβάνονται η ουδέτερη μορφή της ροπιβακαΐνης C17H26N2O (1) που απομονώθηκε από εμπορικό σκεύασμα, καθώς και οι ήδη δημοσιευμένες δομές της υδροχλωρικής μονοένυδρης ροπιβακαϊνης, [C17H27N2O]Cl·H2O (2) (πολύμορφο Α, Slot et al., 1990˙ Dayananda et al., 2013), και τις άνυδρες υδροχλωρικές μορφές [C17H27N2O]Cl (3,4) (πολύμορφα Β και C αντίστοιχα, Bergström et al., 2006). 2. Σύμπλοκα του ουρανυλίου: περιλαμβάνονται οι ενώσεις: [UO2(NO3)2(Mebta)2] (5), [UO2(NO3)2(6MebtaH)2] (6), [UO2(NO3)2(diMebtaH)2] (7), [UO2(NO3)2(diMebtaH)2]·(diMebtaH)·MeCN (8), [UO2(mepao)2(MeOH)2]{[UO2(NO3)(mepao)(MeOH)2]}2 (9), [UO2(mepao)2(MeOH)2] (10), [(UO2)2(O2)(O2CMe)2(mepaoH)2] (11), [UO2(phpao)2(MeOH)2] (12), [UO2(O2CMe)(ampao)(ampaoH)]·H2O (13), {[UO2(NO3)(ampao)(ampaoH)]}2 ·3EtOH·Η2Ο (14), [UO2(Ο2CMe)(ampao)(ampaoH)]·MeOH (15), [(UO2)2(Ο2CMe)2(dmpaoΗ)2] (16) και [(UO2)2(NO3)2(dmpaoΗ)2] (17), όπου Mebta=1-μεθυλοβενζοτριαζόλιο, 6MebtaH=6-μεθυλοβενζοτριαζόλιο, diMebtaH=5,6-διμεθυλοβενζοτριαζόλιο, mepaoH=μέθυλο 2-πυριδυλο κετονοξίμη, phpaoH=φαίνυλο 2-πυριδυλο κετονοξίμη, ampaoH=πυριδίνη-2-αμιδοξίμη και dmpaoH2=πυριδίνη-2,6-διαμιδοξίμη. 3. Σύμπλοκα μετάλλων 3d/4f με υποκαταστάτη τη φαίνυλο 2-πυρίδυλο κετονοξίμη: περιλαμβάνονται οι ενώσεις: [CoIII2GdIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.0.6MeOH (18), [CoIII2DyIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.MeOH.0.8H2O (19), [CoIII2YIII2(phpao)6(O2CMe)4](ClO4)2.2MeOH (20), [NiII2GdIII2(phpao)6(O2CMe)4(H2O)2].3MeOH (21) και [NiII2DyIII2(phpao)6(O2CMe)4].2.4MeOH.2.85H2O (22).4. Πολυμερή-Περοβσκίτες: Περιλαμβάνονται οι ενώσεις: [CH3SC(NH2)2]2[SbΧ5]¬ με Χ=Ι (23), Br (24), Cl/Br (25) και [CH3SC(NH2)2]2[SbCl5¬] (26).5. Πολυμερή συναρμογής CuII με υποκαταστάτη κινοξαλίνη (qunx): περιλαμβάνονται οι ενώσεις: {[Cu2(diba)4(qunx)]}n (27) και {[Cu2(piv)4(qunx)]}n (28).Όλες οι παραπάνω ενώσεις μελετήθηκαν με βάση δεδομένα κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ σε μονοκρυστάλλους.