Streszczenie_pracy

Mgr inż. Jakub Wojciechowski
Streszczenie pracy doktorskiej „Dyslokacje gęstości elektronowej w kryształach
wybranych kwasów i estrów dietylowych kwasów aminofosfonowych
Organiczne związki fosforu odgrywają istotną rolę w wielu procesach biologicznych.
Szczególne znaczenie mają występujące w przyrodzie związki, w których występują wiązania
fosfor-węgiel oraz ich syntetyczne analogi. Do wspomnianej grupy zaliczają się kwasów
fosfonowych oraz aminofosfonowe, różniące się w stosunku do aminokwasów obecnością
tetraedrycznego atomu fosforu oraz znacznie zwiększoną kwasowością w porównaniu
do grupy karboksylowej. Różnice te mogą być efektywnie wykorzystane przy projektowaniu
nowych leków lub substancji biologicznie czynnych. Obecność w kwasach fosfonowych
wiązania
fosforylowego
powoduję
występowanie
ciekawych
oddziaływań
stereoelektronowych. Formalnie wiązanie P=O jest bardzo często przedstawiane jako
podwójne, należy jednak podkreślić, że jego silny charakter dipolowy lepiej odzwierciedla
hybryda rezonansowa dwóch struktur kanonicznych, z których II wywiera wpływ
dominujący.
II
I
Obecne teorie opisują wiązanie P=O jako oddziaływanie donor-akceptor, któremu towarzyszy
nakładanie się orbitali typu pπ atomu tlenu i orbitali niewiążących zdegenerowanego układu
R3P (ujemna hiperkoniugacja). Można zatem stwierdzić, że wiązanie R3P=O najlepiej
przedstawia struktura jonu obojnaczego R3P+–O-, o ładunku dodatnim zlokalizowanym na
atomie fosforu.
Kwasy aminofosfonowe są wykorzystywane w medycynie jako analogi stanów
przejściowych, powodując inhibicję enzymów. Znane jest też wykorzystanie ich jako
antybiotyki (np.: Alafosfalina, Fosmidomycyna czy antybiotyk A53868A) i potencjalne
czynniki antyrakowe. Niektóre pochodne kwasów aminofosfonowych są herbicydami.
Przykładem może być Bialanafos. Z powodu odkrycia syntetycznych genów odporności,
dzięki którym udało się wytworzyć organizmy modyfikowane genetycznie (GMO) odporne
na Bialanafos. Jednakże dominujące znaczenie jako herbicyd ma N-fosfonometyloglicyna
czyli Glifosat. Odkryty w 1971 roku, jest nieselektywnym, przyjaznym środowisku
herbicydem.
Glifosat
Nie wykazuje toksyczności w stosunku do ssaków oraz większości innych organizmów
żywych. Do tej pory nie stwierdzono występowania jej szkodliwego działania na ludzi. W
środowisku naturalnym jest szybko rozkładana do nieszkodliwych produktów przez bakterie.
Ogromne zainteresowanie pochodnymi kwasów aminofosfonowych zarówno w dziedzinie
medycyny jak i agrochemii nie jest proporcjonalnie odzwierciedlone w badaniach
rentgenograficznych. Pierwszą strukturę kryształu
kwasu aminoalkilofosfonowego
opublikował Okaya w 1966 roku. Kwas 2-aminoetylofosfonowy (CSD: AMEPAC), nazwany
ciliatyną, jest pierwszym wykrytym związkiem pochodzenia naturalnego, w którym
stwierdzono wiązanie fosfor-węgiel. Obecnie w Krystalograficznej Bazie Danych CSD
(wersja 5.35, listopad 2013) znajdują się 102 struktury kwasów α- i βaminomonofosfonowych. Natomiast prac dotyczących badań gęstości elektronowej
kryształów zawierających atom fosforu jest kilkakrotnie mniej. Na obecną chwilę
opublikowano jedynie dwie prace dotyczących rozkładu eksperymentalnej gęstości
elektronowej związków zawierających grupy fosfonową lub fosfonianową.
Dyfrakcja rentgenowska, jako wynik interakcji foton-elektron pozwala na obserwację
rzeczywistej (eksperymentalnej) gęstości elektronowej. Rekonstrukcja gęstości elektronowej
kryształu na podstawie zarejestrowanego obrazu dyfrakcyjnego wymaga rozwiązania wielu
problemów, najczęściej poprzez zastosowanie mniej lub bardziej dokładnych przybliżeń.
Standardowa analiza rentgenograficzna opiera się o model niezależnych atomów sferycznych
(IAM). Formalizm ten zakłada że gęstość elektronowa jest skupiona wokół jąder atomowych,
tworząc sferyczną, izolowaną chmurę elektronów, która nie kontaktuje się bezpośrednio z
innymi atomami w krysztale. Aby uzyskać lepsze przybliżenie niż standardowe sferyczne
(IAM) stosuję się obecnie formalizm opracowany przez Hansena i Coppensa (tzw. formalizm
multipolowy). Obecnie rozwijany przez Jelscha jest też nowe podejście, minimalizujące ilość
parametrów potrzebnych do opisania gęstości asferycznego atomu. Wykorzystuję on
sferyczne atomy i ładunki, umieszczone strategicznie wokół atomu, by modelować gęstość
wiązania chemicznego, czy wolnych par elektronowych.
W mojej pracy przedstawiłem wyniki badań rentgenograficznych monokryształów sześciu
kwasów
fosfonowych
oraz
ich
pochodnych.
Dla
kryształów
kwasu
1-(aminometylo)winylofosfonowego oraz szeroko stosowanego herbicydu, kwasu
N-fosfonometyloglicyny (Glifosatu), zarejestrowałem dane dyfrakcyjne o rozdzielczości
poniżej d = 0,40 Å umożliwiające obliczenie rozkładów gęstości elektronowej z
uwzględnieniem asferycznych modeli atomów.
W pierwszej części mojej pracy opisałem metodykę udokładniania modeli mieszanych
(„Kappa restrained model”), opartych o formalizm asferycznego pseudoatomu, stosowanych
do wyznaczania eksperymentalnej gęstości elektronowej. Optymalizacja parametrów kappa z
wykorzystaniem danych obliczonych na poziomie ab initio i z uwzględnieniem
periodyczności układu pozwoliła przezwyciężyć trudności związane z korelacjami
występującymi bardzo często podczas stosowania formalizmu multipolowego. W celu
ustalenia odpowiednich wag więzów miękkich parametrów zastosowałem test R-free.
Otrzymane w ten sposób modele gęstości elektronowej dokładnie określają położenia
i topologię wolnych par elektronowych w grupie fosfonowej. Pozwala to przeanalizować
subtelne różnice pomiędzy atomami tlenu oraz określić charakter wiązań i niewiążących par
elektronowych. W szczególności dla kwasu N-(karboksymetylo)aminometylofosfonowego
udało się zlokalizować położenia wszystkich trzech wolnych par elektronowych na atomach
tlenu grupy fosfonowej, co stanowi przekonujący dowód na silnie dipolowy charakter wiązań
fosfor-tlen. Znalazło to pełne potwierdzenie w wyniku przeprowadzonej analizy orbitali
naturalnych wiązań obliczonych na poziomie ab initio.
Udokładnione przeze mnie modele gęstości elektronowej w oparciu o formalizm sferycznych
atomów i ładunków znacznie uprościło schemat udokładniania oraz pozwoliło zmniejszyć
liczbę parametrów definiujących poszczególne atomy. Formalizm ten pozwala uzyskać
zadowalające dopasowanie modelu do danych w porównaniu ze złożonym formalizmem
multipolowym. Porównując wyniki analizy AIM Badera dla obu modeli można wyraźnie
zauważyć różnice w wartościach laplasjanu w punktach krytycznych wiązań podwójnych oraz
wiązań pojedynczych fosfor-węgiel. Niedoskonałości modelu sferycznych atomów i
ładunków widoczne były podczas analizowania parametrów topologicznych oddziaływań
międzycząsteczkowych. W szczególności, model ten nie pozwolił na precyzyjne
zlokalizowanie punktów krytycznych słabych oddziaływań zachodzących z udziałem grup
metylowych i karboksylowych. Punkty te były natomiast dobrze widoczne w przypadku
zastosowania pełnego modelu multipolowego. W przypadku znacznie silniejszych
oddziaływań wodorowych wyniki uzyskane za pomocą obu modeli były porównywalne.
Uzyskane przeze mnie wyniki zdecydowanie potwierdzają fakt, że wiązania w grupie
fosfonowej mają charakter silnie spolaryzowanych wiązań typu σ. Dotyczy to zarówno
wiązań P–O jak i P–C , co potwierdziła analiza ich stopnia kowalencyjności (BD). Zgodnie
z klasyfikacją przedstawioną przez Espinozę, wartości parametrów BD dla tych wiązań
sugerują ich hybrydowy charakter uwzględniający silny wpływ formy dipolowej.
W kwasach aminofosfonowych występują oddziaływania stereoelektronowe, które
scharakteryzowałem za pomocą metody NBO Weinholda. Najsilniejsze efekty związane są z wolnymi
parami elektronowymi na atomach tlenu grupy fosfonowej oraz niewiążącymi orbitalami, silnie
polarnych wiązań fosfor-tlen lub fosfor-węgiel. Dyslokacje gęstości elektronowej w grupie fosfonowej
indukuje dalekie oddziaływania typu α–γ. Wykazana przeze mnie zależność wartości energii
stabilizacji tego oddziaływania od centralnego kąta torsyjnego α, sugeruje jego znaczący wpływ na
konformację kwasów β-aminofosfonowych.
W ostatniej części pracy przedstawiłem struktury kryształów trzech nowych estrów dietylowych
kwasów fosfonowych. Ich cząsteczki przyjmują podobne konformacje. Różnice dotyczą głównie położenia
grup etoksylowych. Są one związane ze zmianą hybrydyzacji atomów węgla związanych z fosforem.
Pomimo dużych podobieństw strukturalnych badanych estrów, charakteryzują się one bardzo
zróżnicowanymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Nawet oddziaływania z udziałem atomu
halogenu, występujące w dwóch spośród trzech struktur, wykazują odmienny charakter. Analizując
rozkład potencjału elektrostatycznego na powierzchniach Hirshfelda, można wyraźnie zobaczyć tzw. „σdziurę” wyjaśniającą oddziaływania halogen-tlen i halogen-węgiel. Porównanie ze sobą zestawów
nadmiarowych ładunków atomowych obliczonych metodami CHELPG Wiberga i NBO Weinholda wyraźnie
wskazuje, że pełna analiza oddziaływań elektronowych wymaga komplementarnego podejścia
i analizowania różnych metod partycjonowania gęstości elektronowej w cząsteczce.