Квантно-хемијско и кристалографско испитивање С-Н/О интеракција ароматичних молекула

Abstract

Нековалентне интеракције имају велики значај у различитим хемијским и биохемијским системима. Оне утичу на структуре биолошких макромолекула као што су ДНК и РНК, а познавање ових интеракција је од кључног значаја и за дизајнирање лекова и нових материјала. У овом раду проучаване су енергије и геометрије С-Н/О интеракција између ароматичних С-Н донора и различитих кисеоничних акцептора. Урађена је анализа геометријских података из кристалних структура преузетих из Кембричке банке кристалографских података, као и квантно-хемијски прорачуни на модел системима. Анализом геометријских података из кристалних структура које садрже С-Н/О контакате између С-Н група С6-Н ароматичних фрагмената и пиридина и различитих типова кисеоничних акцептора показано је да С-Н/О интеракције у овим ароматичним системима не теже увек ка линеарном распореду. Геометрија С-Н/О интеракција у великој мери зависи од супституената у орто- положају у односу на интерагујућу С-Н групу. Квантно-хемијски прорачуни рађени на различитим модел системима показали су да су бифурковане интеракције јаче од линеарних у оваквим системима. У случају С-Н/О интеракција нуклеинских база статистичка анализа геометријских података је такође показала да ове интеракције не теже увек линеарном распореду. Квантно-хемијски прорачуни су показали да су најјаче С-Н/О интеракције у овим системима бифурковане интеракције C-H/N-H типа, док су интеракције С-Н/С-Н типа слабије од линеарних. Да би се објасниле наведене енергије интеракција, израчунати су електростатички потенцијали молекула и приказани у виду мапа електростатичког потенцијала.

Noncovalent interactions are of great importance in different chemical and biochemical systems. They influence the structure of biological macromolecules like DNA and RNA and knowledge of these interactions is crucial in drug and material design. In this work energies and geometries of C-H/O interactions between aromatic C-H donors and different oxygen acceptors were studied. Analysis of geometrical data from crystal structures from Cambridge structural database and quantum chemical calculations were performed. Analysis of geometrical data from crystal structures which contain С-Н/О contacts between С-Н groups from С6-Н aromatic molecules as well as pyridine molecule and different types of oxygen acceptors showed that С-Н/О interactions of these aromatic systems do not show clear preference for linear arrangement. Geometry of С-Н/О interactions mostly depends on type of supstituent in ortho- position to interacting C-H group. Quantum chemical calculations performed on different model systems showed that bifurcated C-H/O interactions are stronger than linear interactions in these systems. In case of С-Н/О interactions of nucleic bases statistical analysis of crystallographic data also showed that these interactions do not show preference towards linear arrangement. Quantum chemical calculations showed that the strongest С-Н/О interactions in these systems are bifurcated C-H/N-H interactions, and that С-Н/С-Н interactions are weaker than linear С-Н/О interactions. To explain these interaction energies electrostatic potentials of these molecules were calculated and visualized in form of electrostatic potential map.