ИСТИНА

in the Проект направлен на получение новых спектральных и физико-химических данных и развитие теории строения молекул для азотсодержащих соединений, обладающих как возможностью образования различных изомерных форм (структурная, геометрическая изомерия, таутомерия), так и заторможенных внутренним вращением фрагментов вокруг одинарных химических связей. Существование для таких молекул различных минимумов на поверхности потенциальной энергии приводит к усложнению физических и математических моделей, используемых при интерпретации молекулярных спектров. Планируется исследование строения и внутримолекулярной динамики новых производных мелатонина, продуктов его метаболизма, в том числе, одного из важнейших биомаркеров - 3-гидроксимелатонина и ряда других конформационно-нежестких соединений (производных пиридина, пиперидина, имидазола, азепина и др.) методами молекулярной спектроскопии (УФ, ИК, КР) в сочетании с квантовохимическими расчетами и анализом молекулярных силовых полей на основе современных численных методов.

The goal of the project is the investigation of structure and molecular spectra of nitrogen-contating compounds with hindered internal rotation. There are melatonin derivatives and its metabolites, substituted pyridines, imidazole and piperidine derivatives, ets. Joint investigation of these compounds by vibrational spectroscopy methods and quantum mechanical calculations should result in the determination of the stable molecular conformations of compounds. . The quantum mechanical calculations at the different levels of theory with expanded basis sets were carried out for all investigated compounds and included investigation of effects of microhydration, solvation in solutions of different polarity. The spectral regions that can be used as analytical tools were proposed and the factors that can be important for the stabilization of different conformations of investigated compounds were analyzed and shifts of vibrational frequencies in a series of relative compounds were considered. The interpretation of molecular spectra was proposed and the stable conformations were identified taking into account for the possible tautomeric and conformational equilibria. The regions of characteristic and group frequencies were proposed as analytical for the identification of stable forms of compounds. For several compounds the anharmonic quantum mechanical calculations were carried out and compared to the experimental. The new service routines were included in the software package SPECTRUM and included original algorithm for solving the inverse problem in Cartesian coordinates by means of regularization method. These apprach was used for the calculations of regularized scaling factors for the key nitrogen-containing compounds. The new scheme of analyzing the vibrational spectra of the large polyatomic molecules (fragments of biological systems) within so-called cluster approximation was proposed and based on the determination of regularized quantum chemical force fields transferrable in a series of related compounds.

1. Исследование молекулярных спектров производных мелатонина, пиперидина, имидазола и и ряда других элементорганических соединений, включая низкочастотную область. 2. Квантовохимические расчеты (в том числе на пост-хартри-фоковских уровнях теории) индивидуальных молекул, их возможных ассоциатов, а также ассоциатов с молекулами растворителей, получение теоретических данных по относительной устойчивости различных конформаций исследуемых систем, их строению и частотам колебаний, в том числе и с учетом влияния среды, получение регуляризованных данных по силовым полям и другим молекулярным постоянным. 3. Создание новых моделей и новых численных алгоритмов для оценки потенциалов межмолекулярного взаимодействия, основанных на совместном использовании экспериментальных термодинамических данных и результатов квантовохимических расчетов. 4. Построение иерархии расширенных моделей для сложных молекулярных систем, объединяющих расширенную молекулярную модель и модель межмолекулярных взаимодействий, которые позволяют рассматривать различные проявления внутри- и межмолекулярных взаимодействий в сложных молекулярных системах. 5. Интерпретация спектров исследованных соединений в рамках согласованной и расширенной моделей на основе квантовохимических расчетов с учетом заторможенного внутреннего вращения, движений большой амплитуды, образования ассоциатов, внутримолекулярных взаимодействий, таутомерии и др.

В течение многих лет участники проекта занимаются экспериментальными и теоретическими исследованиями колебательных спектров различных классов органических и элементорганических соединений, молекулярных комплексов в различных агрегатных состояниях в широком интервале температур, количественными исследованиями динамики конформационных и таутомерных равновесий в органических и элементорганических соединениях. С 1981 г. участниками проекта разрабатываются новые подходы к интерпретации экспериментальных данных молекулярной спектроскопии, предложены новые оригинальные методы решения возникающих обратных задач на основе специально созданных численных методов, учитывающих некорректность возникающих математических задач. Для преодоления некорректности решения обратной колебательной задачи (нахождения параметров силового поля молекулы) предложено наряду с использованием расширенного набора экспериментальных данных учитывать результаты квантовомеханических расчетов и специальное моделирование матриц силовых постоянных. Создан уникальный, не имеющий аналогов в мире пакет программ СПЕКТР, реализующий алгоритмы решения обратных задач на основе единого подхода, эффективных численных методов и стандартизованных входных данных, позволяющий легко использовать результаты распространенных квантовомеханических программ. На основе данного комплекса программ, создана информационная система ИСМОЛ, включающая в себя также базу данных по силовым постоянным и структурным данным большого ряда соединений. Данные квантовохимических расчетов используются авторами проекта для развития новых подходов к интерпретации данных колебательной спектроскопии на основе совместного применения экспериментальных и теоретических данных в рамках устойчивых алгоритмов, основанных на теории регуляризации.

В рамках закончившегося проекта впервые исследованы строение и к молекулярные спектры большого ряда азот-содержащих соединений. К числу наиболее важных результатов относятся полученные впервые полные колебательные спектры ряда новых циклических производных мелатонина, производных терпиридина, алкильных производных пиридина, бензимидазола , гидроксиметилзамещенных пиперидинов, ряда азосоединений, а также комплексов переходных металлов с участием изученных лигандов и производных нанокристаллического кремния, модифицированного различными органическими лигандами. Все изученные объекты являются представителями практически важных классов соединений, для которых одной из актуальных проблем является установление структурных особенностей, связанных с геометрической и поворотной изомерией. Получены фундаментальных постоянных необходимые для определения областей характеристических частот, нахождения корреляций «структура – спектр», которые могут служить аналитическими метками при идентификации соединений. Выполнены расширенные квантово-химические расчеты на современных уровнях теории для всех изученных экспериментально соединений, а также для ряда модельных объектов, как в изолированных состояниях, так и с учетом окружения (микро и макро-гидратации, сольватации, влияния растворителей различной полярности, образования ассоциатов различного строения). Для интерпретации экспериментальных данных привлечен метод анализа естественных орбиталей. Впервые выполнено квантово-химическое моделирование возможных путей метаболизма мелатонина. Выполнен анализ потенциальных функций заторможенного внутреннего вращения для наиболее устойчивых конформаций производных пиперидина, пиридина и бензимидазола, для производных пиперидина также построены двумерные потенциальные поверхности. Для наиболее устойчивых структур соединений выполнен совместный анализ теоретических и экспериментальных данных, предложена полная интерпретация молекулярных спектров, определены корреляции типа «строение-свойство», предложена систематизация моделей для интерпретации спектров с учетом факторов, влияющих на стабильность сложных молекулярных систем. Предложены полные наборы фундаментальных частот колебаний изученных соединений, определены области характеристических частот колебаний для идентификации продуктов аналогичного строения. Для всех исследованных соединений выполнен анализ молекулярных силовых полей, как квантово-химических, так и полученных в результате решения обратной колебательной задачи с использованием теоретических данных в качестве стабилизатора для получения устойчивого решения обратной задачи в рамках регуляризирующих алгоритмов. Разработанные в группе алгоритмы решения обратных задач колебательной спектроскопии позволяют использовать различные типы обобщенных координат (естественные, симметрии, локальной симметрии, пользовательские и т.п.), а также проводить расчеты в декартовых координатах и использовать параметризацию силовых полей в различных системах обобщенных координат с помощью масштабированных множителей. Особое внимание уделено практике использования декартовых координат, наиболее удобных при анализе силовых полей громоздких молекулярных систем (биологических молекул, супрамолекул и т.п.). Проанализированы теоретические силовые поля ключевых молекул из рассмотренных рядов азот-содержащих соединений, установлены функциональные группы и молекулярные фрагменты, для которых теоретические силовые постоянные и масштабирующие факторы демонстрируют свойства переносимости в различных системах обобщенных координат. Для анализа колебательных спектров громоздких молекулярных систем предложено использовать т.н. кластерный подход, основанных на переносимости регуляризованных квантово-химических силовых полей молекулярных фрагментов для одного и того же уровня модельной химии.