СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПЛЕКСА 2-МЕТИЛТИОБЕНЗОКСАЗОЛА С КОБАЛЬТОМ

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе приведены результаты исследования, посвященные синтезу, изучению строения и свойств комплекса кобальта с 2-метилтиобензоксазолом. Методом рентгеноструктурного анализа изучено строение и свойства полученного комплекса. Кристалл обладает моноклинной сингонией, с P21/c (№15), a=16,5799 (8), b=9,8956 (4), c=19,1097 (9) Å, b=112,925 (6), V=2887,7 (2) Å3. В которой две молекулы лиганда связаны с атомом кобальта в монодентатном состоянии, а два нитрат-иона находятся в бидентатном состоянии пространственной группы. Для визуализации межмолекулярных взаимодействий был проведен анализ поверхности Хиршфельда.

ABSTRACT

This paper presents the results of a study devoted to the synthesis, structure and properties of a cobalt complex with 2-methylthiobenzoxazole. The structure and properties of the obtained complex were studied by X-ray diffraction analysis. The crystal has a monoclinic syngony, with P21/c (No. 15), a=16.5799 (8), b=9.8956 (4), c=19.1097 (9) Å, b=112.925 (6), V=2887.7 (2) Å3. In which two ligand molecules are bound to the cobalt atom in the monodentate state, and two nitrate ions are in the bidentate state of the space group. Hirshfeld surface analysis was performed to visualize intermolecular interactions.

Ключевые слова: азотсодержащие гетероциклические соединения, 2-этилтиобензоксазола, кобальт, структура, рентгеноспектральный анализ, поверхность Хиршфельда.

Keywords: nitrogen-containing heterocyclic compounds, 2-ethylthio-benzoxazole, cobalt, ligands, structure, X-ray spectral analysis, Hirschfeld surface.

ВВЕДЕНИЕ

Производные 2-метилтиобензоксазола обладают биологическим действием [1-3], противогрибковой, фунгицидной активностью [4, 5], являются антиоксидантами [6], противогрибковая активность этих 2-замещенных производных бензоксазола была оценена в отношении патогенных грибов Aspergillus niger и Fusariumoxy sporium. Установлено, что все соединения обладают умеренной антибактериальной и противогрибковой активностью[7-9].

К концу двадцатого века химия гетероциклических соединений стала интенсивно развивающейся областью органической химии. Этому способствовало то, что многие азотсодержащие гетероциклы являются высокоэффективными лекарствами. Среди азотсодержащих гетероциклов занимают достойное место 2-метилтиобензоксазол и его производные.

Представляет большой практический интерес изучение синтеза и свойств комплексов 2-метилтиобензоксазола с переходными элементами.

Целью настоящей работы является синтез и исследование структуры и физико-химических свойств нового комплексного соединения 2-метилтиобензоксазола с кобальтом (II) с применением современных инструментальных методов и компьютерного моделирования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Используемые реактивы и приборы. В работе использованы нитраты кобальта(II) квалификации “ч.д.а.”, 2-метилтиобензоксазола, раствор гидроксида калия, раствор этанола и др. Кристаллографические параметры монокристаллов определены по рентгенограмме «Crysalis Excalibur», CuK_α-излучение от острофокусной трубки, монохроматизированное отражение от графитового кристалла. Для сбора данных использовали набор отражений. Сбор данных проводился при t=25°C. Обработка данных выполнялась с помощью программы SHELXS86 и SHELXL97. Структуры расшифрованы прямым методом и уточнены полноматричным методом наименьших квадратов в анизотропном приближении. Атомы водорода выявлены в разностном синтезе электронной плотности и уточнены изотропно.

Синтез комплекса: В колбе снабжённой обратным холодильником и магнитной мешалкой при постоянном перемешивании при 80-90°С нагревали реакционную смесь, содержащую этанольный раствор 0,002 моль лиганда и водный раствор 0,002 моль едкого калия. Реакцию проводили в течение 2,5 часа, потом добавляли водный раствор 0,001 моль нитрат Co (II). На следующий день образовался осадок желтый цвета, которого отфильтровывали, промывали несколько раз этанолом и сушили на воздухе. Выход – 75%.

Все синтезированные производные 2-меркаптобензоксазола были проверены на антибактериальную активность с использованием ДМФ в качестве растворителя против микроорганизмов S.aureus и E.coli. Противогрибковая активность доказана на Candidaalbicans методом дисковой диффузии на питательной агаровой среде. Стандартным используемым препаратом был амоксициллин (антибактериальное действие) и кетоконазол (стандартное противогрибковое действие) [10-11].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для изучения структуры и свойств комплексного соединения кобальта с 2-метилтиобензоксазоланами синтезирован комплекс имеющей по данным элементного анализа состав [CoL¹₂(NO₃)₂]_. Состав и строение синтезированного комплекса обсуждено на основании результатов РСА (рис.1).

Кристаллографические данные: C₁₆H₁₄CoN₄O₈S₂, M=208.79 г·моль^-1, прозрачные кристаллы Светло-желтого цвета с моноклинной сингонией, пространственная группа P2₁/c(№. 15), a=16.5799 (8), b=9.8956 (4), c=19.1097 (9) Å, β=112.925 (6), V=2887.7 (2) ų, Z=13. (табл.1,2,3)

Таблица 1.

Основные кристаллографические параметры и характеристики Co(C₈H₇NOS) по данным рентгеоструктурного анализа

Таблица 2.

Кристаллографические характеристики комплекса

Таблица 3.

Корректирующие параметры рекристаллизации и позиционирования атомов водорода

На рис. 2. приведена кристаллическая структура комплексного соединения 2-метилтиобензоксазола. Строение 2-метилтиобензоксазола комплекс, с короткой лиганд-металл связью (Co-N и Co-O) с различным атомами кобальта. И снова формируется полимерная структура, но в этом случае лиганды принимают спиральную форму рис. 2.

Два атома азота координированы цис-по отношению друг к другу. Атом кобальт (2,28 и 2.33 Å), экзоциклические атомы серы каждого из лиганды координируются с короткими расстояниями Cd-O (2,55 и 2,60 Å) к соседним атомам кобальт в противоположных направлениях вдоль полимерной цепи.

На рис. 3. показана кристаллическая упаковка комплексного соединения [CoL¹₂(NO₃)₂]_. по осям «b» и «c».

Рисунок 3. Упаковка структурных элементарных ячеек: снимки из а) “b” и б) “c” оси

Поверхность Хиршфельда анализировали с помощью программы Crystal Explorer 17.5 с целью визуализации межмолекулярных взаимодействий в комплексе [12-14]. На основе кристаллографических данных комплексного соединения, полученных экспериментально с помощью РСА, были изучены межмолекулярные взаимодействия в них.

На рис.4. показаны двумерные отпечатки пальцев, показывающие доли атомов, участвующих в межмолекулярных взаимодействиях, и доли соответствующих пар атомов (%), общую площадь поверхности и объем Хиршфельда. 2D-график отпечатков пальцев строился по осям графика с использованием значений расстояний d_e и d_i со стандартным представлением расстояний 0,6-2,6 E. Функция d_norm — это соотношение, которое фиксирует расстояние от произвольной точки на поверхности до ближайшего внутреннего (d_i) и внешнего (d_e) атома, а также Ван-дер-Ваальсовые радиусы (vdW) атомов.

Поверхность Хиршфельда комплекса [CoL¹₂(NO₃)₂] была картирована путем маркировки трехмерных поверхностей d_norm при стандартном разрешении поверхности символами цветовой шкалы от -0,5137 (красный) до 1,3727 (синий) (рис. 4, а).

Таблицы индекс формы и кривых составляют от -1,0 до 1,0 а. б. соответственно и от -4,0 до 0,4 а.с. (рис. 4 (б, в)).

Красные треугольники, представленные вогнутыми областями в индексе рисунка, обозначают π -взаимодействия, а синие треугольники, представленные выпуклыми областями, обозначают кольцевые атомы молекулы внутри поверхности (рис. 4, (б)). Искривления на поверхности указывают на электронную плотность вокруг молекулярных взаимодействий (рис. 4, (в)).

Рисунок 4. (а) Поверхности Хиршфельда комплекса [CoL¹₂(NO₃)₂]в d_norm, (б) область показателей формы и (в) область кривой, показывающая области взаимодействия

Плоские участки поверхности соответствуют малым значениям кривизны, а участки с резкой кривизной соответствуют большим значениям кривизны и обычно имеют тенденцию разделять поверхность на части, что указывает на взаимодействие между соседними молекулами. Большая плоская область, обведенная синим цветом, представляет собой π∙∙∙π-взаимодействие. Кривизна этого соединения указывает на π∙∙∙π-взаимодействие.

По данным анализа поверхности Хиршфельда, существенную роль в кристаллообразовании играют эффекты H•••H 30,3 %, C•••Н/Н•••С 9,9 %, S•••Н/Н•••S 5,3  %, затем имеют места эффекты C•••C 4,6 %. Доля других межмолекулярных взаимодействий на поверхности Хиршфельда N•••H/H•••N составляет 3,6 %. Анализ Хиршфельда показывает, что наибольшую долю в сложной кристаллической ячейке занимают межмолекулярные взаимодействия H•••H, которые образуются при взаимодействии водородов метиленового и бензольного кольца. Это объясняется тем, что силы Ван-дер-Ваальса оказывают важное влияние на стабилизацию положения в кристаллической структуре. График отпечатков пальцев и связь коротких эффектов приведена на рис. 5.

Рисунок 5. Полное двумерное поле отпечатка пальца [CoL¹₂(NO₃)₂] комплекса. Значения d_i и d_e на ближайшем внутреннем и внешнем расстоянии (E) от заданной точки поверхности Хиршфельда 

Выводы

Таким образом, анализируя значения зарядов и локализацию ВЗМО, донорными центрами, которые могут координироваться с ионом металла в молекуле лиганда, являются атомы азота (N) оксазольного кольца (-0,216, -0,202 эВ) и метода B3LYP/6–311G (d, p), основанного на квантово-химическом расчете, можно заключить, что в ходе реакции комплексообразования оксазольное кольцо лиганда координируется с комплексообразующим ионом, проявляя монодентность через атом азота. Эти теоретические предположения в дальнейшем были подтверждены экспериментальными данными.

Список литературы:

1. Kiran K.R. Swaroop T.R., Sukrutha K.P., Shruthi J.B., Anil S.M., Rangappa K.S., Sadashiva M.P. Acid-Catalyzed Condensation of o-Phenylenediammines and o-Aminophenols with α-Oxodithioesters: A Divergent and Regioselective Synthesis of 2-Methylthio-3-aryl/Heteroarylquinoxalines and 2-Acylbenzoxazoles //Synthesis. –2019. – Т. 51. – №. 22. – С. 4205-4214.
2. Bhat R., Kumbhar P., Helavi V. Synthesis, characterization and evaluation of antibacterial and antifungal activity of 2-mercaptobenzothiazole and 2-mercaptobenzoxazole derivatives // Chemistry & Biology Interface. 2019. – V. 9. –№.1. – P.38-58.
3. Wang L., Ma Zh-G., Wei X-J, Meng Q-Y, Yang D.T. Du Sh-F, Chen Z-F, Wu. L.Zh. Liu Q. Synthesis of 2-substituted pyrimidines and benzoxazoles via a visible-light-driven organocatalytic aerobic oxidation: enhancement of the reaction rate and selectivity by a base //Green chemistry. – 2014. – Т. 16. – №. 8. – С. 3752-3757.
4. Wu F.L., Hussein W.M., Ross B.P., Mc Geary R.P. 2-Mercaptobenzothiazole and its derivatives: syntheses, reactions and applications //Current Organic Chemistry. – 2012. – Т. 16. – №. 13. – С. 1555-1580.
5. Balogun M.M., Shamim Sh, Khan Kh.M., Salar U., Oladosu I.A., Lateef M., Wadood A., Taha M., Moronkola D.O., Rehman A.U., Rahim F, Perveen Sh. 2‐Mercapto Benzoxazole Derivatives as Novel Leads: Urease Inhibition, In Vitro and InSilico Studies // Chemistry Select. –2021. –Т. 6. –№. 33. –С. 8490-8498.
6. Mohammed O.A., Dahham O.S. Synthesis, Characterization, and Study of Antibacterial Activity of Some New Formazan Dyes Derivatives, Derived from 2-Mercapto Benzoxazole //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, – 2018. –Т. 454. – №. 1. – С. 012-015.
7. Губанова П.А., Рамш С.М. Особенности спектров ¹Н ЯМР четвертичных солей бензазолов в ДМСО-D₆ // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института. – 2010. – №. 7. – С. 54-57.
8. Askar F.W., Hassan H.A., Jinzeel N.A. Synthesis of Some Heterocyclic Compounds Derived from 2-Mercapto Benzoxazole // Baghdad Science Journal. –2013. –Т. 10. –№. 3.  –С. 766-778.
9. Parham H., Khoshnam F. Solid phase extraction–preconcentration and high performance liquid chromatographic determination of 2-mercapto-(benzothiazole, benzoxazole and benzimidazole) using copper oxide nanoparticles // Talanta. –2013. – Т. 114. –С. 90-94.
10. Jain C., Choudhary N., Nagar M., Seth G. Synthesis and Biological activity of organophosphates phenoxy derivatives derived from 2-mercapto benzoxazole //Phosphorus, Sulfur, and Silicon and the Related Elements. –2014. –Т. 189. –№. 11. –С. 1699-1705.
11. Jadhava R.R. Gurrala S., Harathi P. Shinde P. Synthesis of some novel benzoxazole derivatives and their antimicrobial activity //Journal of Pharmacy Research. –2011. – Т. 4. –№. 10. – С. 3562-3565.
12. Spackman M.A. Jayatilaka D. Hirshfeld surface analysis // Cryst. Eng. Comm. Vol. – 2009. –11. – P. 19-32.
13. M.Kinnon J.J., Jayatilaka D., Spackman M.A. Towards quantitative analysis of intermolecular interactions with Hirshfeld surfaces // Chemical Communications. – 2007. – №. 37. – P. 3814-3816.
14. Spackman P.R., Turner M.J., McKinnon J.J., Wolff S.K., Grim wood, D.J., Jayatilaka, D. Crystal Explorer: a program for Hirshfeld surface analysis, visualization and quantitative analysis of molecular crystals // J. Appl. Cryst. –2021. –Vol. 54. –P. 1006-1011.