ТРЕХЪЯДЕРНЫЙ КОМПЛЕКС МЕДИ (II) С 2,2'-СУЛЬФАНЕДИИЛБИС(5-МЕТИЛ-1,3,4-ТИАДИАЗОЛОМ)

АННОТАЦИЯ

В ходе исследования разработана новая методика синтеза 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) и синтезирован трехъядерный комплекс меди(II) [Cu₃(L)₂Cl₆]. Методом рентгеноструктурного анализа (РСА) установлена структура лиганда и комплекса. Показано, что лиганд кристаллизуется в моноклинной сингонии, а комплекс – в триклинной. Подтверждено образование трехъядерного комплекса меди(II) с соотношением металл:лиганд 3:2. Координационное окружение центрального и периферийных атомов меди представлено октаэдром и искаженными квадратными пирамидами, соответственно. Установлено, что комплекс стабилизируется за счет неклассических водородных связей C–H···Cl. Результаты расчета энергий взаимодействия внутри кристалла указывают на преобладание кулоновских сил и дисперсионных взаимодействий.

ABSTRACT

A new method for the synthesis of 2,2'-sulfanediylbis(5-methyl-1,3,4-thiadiazole) was developed and a trinuclear copper(II) complex [Cu₃(L)₂Cl₆]was synthesized. The structure of the ligand and the complex was determined by X-ray diffraction (XRD). It was shown that the ligand crystallizes in the monoclinic syngony, and the complex in the triclinic one. The formation of a trinuclear copper(II) complex with a metal:ligand ratio of 3:2 was confirmed. The coordination environment of the central and peripheral copper atoms is represented by an octahedron and distorted square pyramids, respectively. It was found that the complex is stabilized by nonclassical C–H Cl hydrogen bonds. The results of calculating the interaction energies inside the crystal indicate the predominance of Coulomb forces and dispersion interactions.

Ключевые слова: Синтез, лиганд, тиадиазол, комплекс, трехъядерный, кристалл, рентгеноструктурный анализ.

Keywords: Synthesis, ligand, thiadiazole, complex, trinuclear, crystal, X-ray structural analysis.

Введение

1,3,4-Тиадиазол является ключевым структурным элементом в множестве соединений, демонстрирующих широкий спектр биологической активности [1]. Эти соединения находят применение в качестве противораковых [2], противомикробных [3], противоэпилептических [4] и других лекарственных средств. Многие препараты на основе 1,3,4-тиадиазола уже доступны на рынке и широко используются в медицинской практике. Примерами могут служить цефалоспориновые антибиотики и сульфаниламидные препараты. Помимо биологической активности, производные 1,3,4-тиадиазола используются как лиганды в металлокомплексах [5], хелатирующие смолы [6], компоненты азокрасителей [7] и присадки к смазочным материалам [8], что подчеркивает их универсальность.

Целью данного исследования является синтез симметричного лиганда производного 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2тиола и комплекса меди (II) на его основе.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являются синтезированные лиганд 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L) и комплекс [Cu₃(L)₂Cl₆]. Для изучения строения синтезированных соединений проводился рентгеноструктурный анализ на дифрактометре CCD Xcalibur Ruby (Rigaku Oxford Diffraction), с излучением CuKα (λ=1.54178 Å), данные рентгеновской дифракции монокристаллов были собраны с использованием программ CrysAlisPRO, SHELX, OLEX2.

Для понимания слабых межмолекулярных взаимодействий, влияющих на упаковку молекул в кристаллах был проведен анализ рассчитанных поверхностей Хиршфельда  в программе Crystal Explorer 17 [9].

Методика синтеза 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L).В литературе описана методика синтеза L[10], однако нами была разработана новая методика, заключающаяся в следующем: к этанольно-водной (10 мл : 10 мл) суспензии 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2тиола (0,02 моль) добавляли 60% перекись водорода по каплям (1,5 мл) при температуре 40^оС (рис. 1). Раствор приобретал желтый цвет и становился прозрачным, через час непрерывного перемешивания выпадал кристаллический осадок светло-желтого цвета (L), осадок фильтровали, промывали дистиллированной водой и сушили на воздухе. Выход реакции составил 84%, температура плавления. 116^оС.

Рисунок 1. Схема синтеза 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола)

Методика синтеза комплексного соединения меди (II) с лигандом L

К этанольному раствору (0,1 моль) безводного хлоридамеди (II), по каплям при постоянном перемешивании, добавляли этанольный раствор лиганда L(0,2 моль)(рис. 2). Реакция проводилась при комнатной температуре в течение 5 часов при непрерывном перемешивании. Полученнный раствор отфильтровывался и оставлялся для кристаллизации. Через 10 днейбыли получены зеленые монокристаллы пригодные для рентгеновской дифракции. Выход реакции составил 63%, температура плавления 140^о.

Рисунок 2. Схема синтеза комплекса [Cu₃(L)₂Cl₆]

Результаты и обсуждение

Рентгеноструктурный анализ (РСА) синтезированного лиганда 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L) выявил, что молекулярная структура L кристаллизуется в моноклинной сингонии, пространственная группа P2₁/m, характеризующейся примитивной кристаллической решеткой с винтовой осью вдоль направления b и зеркальной плоскостью вдоль направления c (рис. 3). Несмотря на отсутствие классических межмолекулярных водородных связей в кристаллической упаковке молекул, стабилизация структуры обеспечивается за счет укороченных контактов С-H···S длиной 2,982 Å (рис. 3 а) и π…π - стекинговых взаимодействий Cg1-Cg1ⁱ ( коды симметрий i: 1-x,-1/2+y,2-z; 1-x,1/2+y,2-z; 1-x,-y,2-z), осуществляемых на расстоянии  3,681 Å, а также Cg2-Cg2ⁱ(коды симметрий i: -x,-1/2+y,1-z; -x,1/2+y,1-z; -x,-y,1-z; -x,1-y,1-z), осуществляемых на расстоянии  3,659 Å (рис. 3 б).

 Рисунок 3. Упаковка молекул L (водородные связи CHS (а), винтовая ось симметрии, зеркальная плоскость и  π…π - стекинговые взаимодействия (б))

Значения длин связей и углов (рис. 4), установленные для L, соответствуют данным, представленным для близких по структуре соединений [10, 11]. Торсионные углы N3-C4-S2-C3 иC4-S2-C3-S1 равны 0^о, что свидетельствует о том что указывает на копланарность тиадиазольных колец.

Рисунок 4. Геометрические параметры L: длины связей (а), углы (б)

Все параметры, уточняющие кристаллографические данные и структуру монокристалла лиганда2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры, уточняющие кристаллографические данные и структуру монокристалла лигандаL

Структура синтезированного комплекса [Cu₃(L)₂Cl₆] (рис. 5) представляет собой трехъядерную нейтральную молекулу с триклинной сингонией, пространственная группа P-1 (табл. 2). Три атома меди расположены линейно, с углом Cu1–Cu2–Cu1, равным 180°. Расстояние Cu1-Cu2 составляет 3,273 Å, что указывает на слабое взаимодействие между соседними атомами Cu1 и Cu2. Асимметричная единица представляет собой половину молекулы, в центре инверсии находится ион меди Cu2, имеющий искаженное октаэдрическое координационное окружение: в экваториальной плоскости расположены два атома хлора Cl2 и два лиганда L, координированные через донорный атом азота N1, в аксиальном положении координация осуществляется с двумя атомами хлора Cl1. Все лиганды в центральном полиэдре являются мостиковыми, связывающими центральный и периферийные атомы меди.

Рисунок 5. Молекулярная структура [Cu₃(L)₂Cl₆]

Периферийные атомы меди Cu1 имеют координационное окружение в виде искаженной квадратной пирамиды, основание которой образовано плоскостью, включающей два атома азота N3 и N2 лиганда L. При этом формируется стабильный шестичленный хелатный цикл с центральным атомом Cu1, а также двумя хлорид-анионами Cl1 и Cl3, где Cl1 выступает в качестве мостикового лиганда, связывающего Cu1 и Cu2. Вершину пирамиды занимает мостиковый лиганд Cl2. Центральный октаэдр и пирамиды имеют общие ребра, образованные атомами Cl1 и Cl3. Длины связей Cu–N, варьирующиеся в диапазоне от 1,989 до 2,097(2) Å, находятся в пределах стандартных значений для связей Cu–N [12].

Таблица 2.

Кристаллографические данные [Cu₃(L)₂Cl₆]

В структуре [Cu₃(L)₂Cl₆] обнаружены неклассические водородные связи C—H···Cl, образующие 2D структуру кристалла вдоль кристаллографических осей а и b, которая образует слои вдоль оси с (рис.6, табл. 3)

Рисунок 6. Система водородных связей в [Cu₃(L)₂Cl₆](а); слоистая структура вдоль оси с(б)

Таблица 3.

Геометрия водородной связи (Å, º) для[Cu₃(L)₂Cl₆]

(коды симметрии: (i) x+1, y, z;  (ii) x, y+1, z;  (iii) x-1, y+1, z)

Для дальнейшего изучения межмолекулярных взаимодействий и энергий взаимодействия внутри кристалла, присутствующих в данном соединении, была использована программа CrystalExplorer17 [9].

На рисунке 7 представлена трехмерная (3D) поверхность Хиршфельда комплекса с dnorm, построенная в диапазоне от -0,1365 до 1,2375 а.е., с контактами в радиусе 3,8 Å. Установлено, что наибольший вклад в межатомные взаимодействия вносят водородные связи C—H···Cl, а также укороченные контакты S···Cl, осуществляемые на расстояниях от 3,329 до 3,413 Å.

Рисунок 7. Вид трехмерной поверхности Хиршфельда комплекса [Cu₃(L)₂Cl₆] и процентные вклады межатомных взаимодействий

Результаты расчета энергий взаимодействия внутри кристалла демонстрируют общую энергию взаимодействия, равную -341,65 кДж/моль. Она складывается из кулоновской энергии (электростатического взаимодействия) (-245,78 кДж/моль), энергии поляризации (-103,05 кДж/моль), энергии дисперсии (-151,37 кДж/моль) и энергии отталкивания (158,55 кДж/моль). Основные силы притяжения (кулоновское взаимодействие, дисперсионное взаимодействие и суммарная полная энергия) указывают на более выраженное связывание вдоль кристаллографических направлений a и b (рис. 8).

Рисунок 8. Основные силы притяжения в [Cu₃(L)₂Cl₆], рассчитанные с помощью модели CE-HF···HF/3-21G (толщина цилиндров отражает силу взаимодействий)

Заключение

В ходе исследования была разработана новая методика синтеза и подтверждена структура синтезированного 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола). Синтезирован и установлена структура комплекса [Cu₃(L)₂Cl₆]. Анализ данных РСА подтвердил образование трехядерного комплекса меди (II), в котором соотношение металла к гетероциклическому лиганду составляет 3:2. Координационные полиэдры определены как октаэдр, для центрального иона меди, и квадратные пирамиды, для периферийных ионов меди. Комплекс относится к нейтральному типу и стабилизируется при кристаллизации за счет нетипичных водородных связей C—H···Cl. Выявленные особенности структуры указывают на стабильность образованного соединения, а также на его потенциальные свойства, важные для дальнейших исследований в области биологической активности и катализа. Полученные результаты служат основой для дальнейшего изучения свойств комплекса и его возможного применения в медицине и материаловедении.

Список литературы:

1. Hu Y., Li C., Wang X. et al. 1,3,4-Thiadiazole: synthesis, reactions, and applications in medicinal, agricultural, and materials chemistry //Chemical reviews. – 2014. – V. 114. – I. 10. – P. 5572-5610. doi.org/10.1021/cr400131u
2. Janowska S., Khylyuk D., Bielawska A. et al. New 1,3,4-thiadiazole derivatives with anticancer activity //Molecules. – 2022. – V. 27. – I. 6. – P. 1814. doi.org/10.3390/molecules27061814
3. Barbosa G. A. D., de Aguiar A. P. Synthesis of 1,3,4-thiadiazole derivatives and microbiological activities: A review //Rev. Virtual Quim. – 2019. – V. 11. – I. 3. – P. 806-848. DOI: 10.21577/1984-6835.20190058
4. Anthwal T., Nain S. 1, 3, 4-thiadiazole scaffold: As anti-epileptic agents //Frontiers in Chemistry. – 2022. – V. 9. – P. 671212. doi.org/10.3389/fchem.2021.671212
5. Kinshakova E.,  Torambetov B., Kaur S. et al. Synthesis, crystal structure, Hirshfeld surface analysis and DFT calculations of the coordination compound tetraaquabis {2-[(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl) sulfanyl] acetato-κO} cobalt (II) //Structure Reports. – 2025. –V. 81. – I. 1. – P. 63-68. doi.org/10.1107/S2056989024011939
6. Zhou H., Zheng J., Wang H. et al. Preparation of a novel chloromethylated polystyrene-2-mercapto-1,3,4-thiadiazole chelating resin and its adsorption properties and mechanism for separation and recovery of Hg (II) from aqueous solutions //Water Science and Technology. – 2017. – V. 76. – I. 7. – P. 1915-1924. doi.org/10.2166/wst.2017.292
7. Kudelko A., Olesiejuk M., Luczynski M. et al. 1, 3, 4-Thiadiazole-containing azo dyes: Synthesis, spectroscopic properties and molecular structure //Molecules. – 2020. – V. 25. – I.. 12. – P. 2822. doi.org/10.3390/molecules25122822
8. Hipler F.,  Fischer R. A., Müller J. Matrix-isolation pyrolysis investigation of mercapto-functionalized 1,3,4-thiadiazoles: thermal stability of thiadiazole lubricant additives //Physical Chemistry Chemical Physics. –2005. –V.7. – I.5. – P.731-737. doi.org/10.1039/B415019H
9. Spackman P.,  Turner M., McKinnon J. et al. CrystalExplorer: a program for Hirshfeld surface analysis, visualization and quantitative analysis of molecular crystals //Journal of Applied Crystallography. – 2021. – V. 54. – I. 3. – P. 1006-1011. doi.org/10.1107/S1600576721002910
10. Dani R., Bharty M., Kushawaha S. Syntheses, spectral, X-ray and DFT studies of 5-benzyl-N-phenyl-1,3,4-thiadiazol-2-amine and 2-(5-methyl-1,3,4-thiadiazole-2-ylthio)-5-methyl-1,3,4-thiadiazole obtained by Mn (II) catalyzed reactions //Journal of Molecular Structure. – 2013. – V. 1054. – P. 251-261. doi.org/10.1016/j.molstruc.2013.09.051
11. Bharty M. , Bharti A., Dani R. Studies on novel Cu (II) complexes of 5-(4-hydroxy-phenyl)-1,3,4-thiadiazole-2-thiol and 5-thiophen-2-yl-3H-1,3,4-oxadiazole-2-thione: Synthesis, spectral and structural characterization // Polyhedron. – 2012. – V. 41. – I. 1. – P. 52-60. doi.org/10.1016/j.poly.2012.04.025
12. Maeyer J., Johnson T., Smith A. Pyrimidine, pyridazine, quinazoline, phthalazine, and triazine coordination polymers of copper (I) halides //Polyhedron. – 2003. – V. 22. – I. 3. – P. 419-431. doi.org/10.1016/S0277-5387(02)01372-4