DOI: https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2026.109857
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: D. Heras وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطيف الجزيئي والبنية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في سطح الطاقة المحتمل، الهيكل الجزيئي، والتفاعلات للثينيل بيريدينات ثنائية الأرومات، تحديدًا 2-(2-thienyl)pyridine و2-(2-pyridyl)benzothiophene، جنبًا إلى جنب مع أحادي هيدراتها، باستخدام مطيافية الدوران ذات النطاق العريض المبردة بالنفاثات وحسابات ميكانيكا الكم. تم تحديد اثنين من الأيزومرات للجزيئات العارية في الطور الغازي، والتي تتميز بهياكل مستوية وبتوجهات إما zusammen (Z) أو entgegen (E). بالنسبة للأحادي هيدرات، تم ملاحظة أيزومر Z واحد، مستقر بشكل أساسي بواسطة رابطة هيدروجينية O-H⋅⋅⋅N وتفاعلات ثانوية C-H⋅⋅⋅O. تم استخدام طرق حسابية، بما في ذلك نظرية الكثافة الوظيفية الهجينة المصححة بتشتت D3 (B3LYP) ونظرية الكثافة الوظيفية الهجينة المزدوجة (B2PLYP)، مما كشف أن التفاعلات غير التساهمية N⋅⋅⋅S تلعب دورًا في استقرار التكوين Z.
تؤكد النتائج أن الهيكل المفضل Z للجزيء الأحادي يتم الحفاظ عليه في الأحادي هيدرات، مع توجيه الترطيب نحو ذرة النيتروجين عبر الروابط الهيدروجينية. تؤكد الدراسة على أهمية الروابط الهيدروجينية الاتجاهية في استقرار المركبات المائية والتفاعل بين مختلف التفاعلات الضعيفة في تحديد الهندسة الجزيئية. من الجدير بالذكر أن غياب البروتونات القطبية في المركبات المذكورة يشير إلى أن انتشار الإلكترون يمكن أن يلعب أدوارًا هندسية عادة ما ترتبط بالروابط الهيدروجينية، مما قد يعزز نفاذية حاجز الدم-الدماغ، مما يجعل هذه المركبات مرشحة واعدة لتصميم الأدوية. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على قيمة الدراسات في الطور الغازي في توضيح التفاعلات الجزيئية ذات الصلة بالصيدلة والكيمياء الطبية.
مقدمة
تستعرض المقدمة التقدم في إثارة الموجات الدقيقة ذات النبضات المتغيرة الذي وسع نطاق مطيافية الدوران، خاصة في مجالات مثل التعرف على الكيرال والتحليل المعتمد على النظائر. تركز الدراسة على ثنائي الأرومات الثينيل بيريدينات غير المتماثلة، 2-(2-thienyl)pyridine (TP) و2-(2-pyridyl)benzothiophene (PBT)، جنبًا إلى جنب مع أحادي هيدراتها. هذه المركبات مهمة بسبب تطبيقاتها المحتملة في علوم المواد والأدوية، حيث تلعب المركبات المحتوية على الثيوفين دورًا حاسمًا في النشاط البيولوجي لمختلف العوامل الطبية.
تهدف الدراسة إلى تقديم توصيف مفصل لسطح الطاقة المحتمل (PES)، الخصائص الطيفية، والتفاعلات بين الجزيئات لـ TP وPBT. من المتوقع أن يؤثر توجيه الحلقات العطرية المدمجة في هذه الجزيئات على التفاعلات بين ذرات النيتروجين والكبريت، مما يؤثر على توزيع كثافة الإلكترون، القطبية، وعزم ثنائي القطب – وهي عوامل رئيسية في تحديد السلوك الكيميائي. تسعى الدراسة أيضًا لاستكشاف كيف يمكن أن تؤثر وجود ذرات النيتروجين والكبريت غير المتجانسة على الهيكل الجزيئي وما إذا كان إدراج جزيء ماء يغير التفاعلات الداخلية وهيكل الجزيئات الأحادية. من الجدير بالذكر أن هذه الدراسة تمثل أول تحقيق طيفي لهذه المركبات في الطور الغازي.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون كل من الطرق التجريبية والحسابية للتحقيق في الأطياف الدورانية والتفاعلات لأحادي هيدرات TP وPBT. تم تبخير العينات وتوسيعها إلى غرفة فراغ باستخدام خليط غاز الناقل He-Ar، مع تضمين حاوية ماء لمراقبة الأحادي هيدرات. تم تسجيل الأطياف الدورانية باستخدام مطياف الموجات الدقيقة بتحويل فورييه ذو النبضات المتغيرة الذي يعمل في نطاق 2-8 جيجاهرتز، محققًا عدم يقين قياس الترددات أقل من 10 كيلوهرتز وعرض خطي نموذجي حوالي 100 كيلوهرتز.
لتحليل الحسابات، تم استكشاف أسطح الطاقة المحتملة للجزيئات الأحادية باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). تم إجراء بحث أولي عن التشكيلات للأحادي هيدرات باستخدام طريقة شبه تجريبية، تلاها تحسينات هندسية باستخدام طريقة B3LYP-D3(BJ) الهجينة. تم استخدام تحسينات إضافية باستخدام طريقة B2PLYP-D3(BJ) الهجينة المزدوجة، وتم تقييم طاقات التفاعل باستخدام حسابات RI-SCS-MP2/cc-pVTZ. شملت الدراسة أيضًا تحليل Natural Bond Orbital (NBO) وحسابات مؤشر التفاعل غير التساهمي (NCI) لتقييم انتشار الإلكترون والتفاعلات غير التساهمية. تم حساب انتقال كثافة الإلكترون (EDS) لتقييم آثار تفاعلات البدائل، وتم تطبيق منهجية Interactive Quantum Atom (IQA) لمقارنة مساهمات الطاقة بين الأيزومرات لـ TP وPBT، مما يضمن دقة التكامل العددي طوال التحليل.
نتائج
تقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من العمل التجريبي أو التحليلي المنجز. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مما يشير إلى فعاليته.
تتناول المناقشة الإضافية تداعيات هذه النتائج، موضعة إياها ضمن السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. تؤكد التحليل على التطبيقات المحتملة للنتائج، بينما تتناول أيضًا القيود وتقترح اتجاهات للبحث المستقبلي. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للمجال، مما يعزز أهمية الظواهر المدروسة وملاءمة المنهجيات المستخدمة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل أسطح الطاقة المحتملة (PES) لـ 2-(2-thienyl)pyridine (TP) و2-(2-pyridyl)benzothiophene (PBT) باستخدام حسابات B3LYP-D3(BJ)، كاشفة عن ثلاث نقاط ثابتة: اثنان من الأدنى يتوافقان مع التكوينات المستوية تقريبًا zusammen (Z) وentgegen (E)، وحالة انتقالية عند زاوية ثنائية القطب قريبة من العمودية. وُجد أن حاجز الطاقة للتغيير التكويني كان 25.07 كيلوجول مول⁻¹ لـ TP و24.6 كيلوجول مول⁻¹ لـ PBT، مما يشير إلى أن كلا التكوينين من المحتمل أن يكونا قابلين للرصد تجريبيًا. كما حددت الدراسة هيكلين مفضلين للأحادي هيدرات، حيث يتفاعل جزيء الماء بشكل أساسي من خلال روابط هيدروجينية O-H⋅⋅⋅N مع ذرة النيتروجين من الجزء البيريميديني، بينما لوحظ تفاعل عالي الطاقة مع نظام الإلكترونات π لـ PBT.
أكدت الأطياف الدورانية وجود اثنين من الروتامرات لكل جزيء أحادي ووجود نوع واحد من الأحادي هيدرات، مع انقسامات فائقة الدقة تعزى إلى نواة 14N الرباعية. أشار التحليل إلى أن التكوين Z هو الحد الأدنى العالمي، مدعومًا بتحليل Natural Bond Orbital (NBO)، الذي أبرز تفاعلات المانح-المستقبل المهمة بين ذرات النيتروجين والكبريت. تشير النتائج إلى أن التفاعلات غير التساهمية، بما في ذلك روابط الكالكوجين والروابط الهيدروجينية، تلعب دورًا حاسمًا في استقرار التكوينات. تؤكد النتائج على أهمية الدراسات في الطور الغازي في فهم التفاعلات الجزيئية التي تؤثر على تفضيلات التكوينات للمركبات ذات الصلة بيولوجيًا، مما قد يوجه تصميم أدوية جديدة ذات خصائص ملائمة لنفاذية حاجز الدم-الدماغ.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2026.109857
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): D. Heras et al.
Primary Topic: Molecular Spectroscopy and Structure
Overview
This research investigates the potential energy surface, molecular structure, and interactions of biarylic thienyl pyridines, specifically 2-(2-thienyl)pyridine and 2-(2-pyridyl)benzothiophene, along with their monohydrates, using jet-cooled broadband rotational spectroscopy and quantum mechanical calculations. Two isomers of the bare molecules were identified in the gas phase, characterized by planar structures and either zusammen (Z) or entgegen (E) orientations. For the monohydrates, a single Z-isomer was observed, stabilized primarily by an O-H⋅⋅⋅N hydrogen bond and secondary C-H⋅⋅⋅O interactions. Computational methods, including D3 dispersion-corrected hybrid (B3LYP) and double hybrid (B2PLYP) density functional theories, were employed, revealing that non-covalent N⋅⋅⋅S chalcogen interactions contribute to the stability of the Z conformation.
The findings confirm that the preferred Z structure of the monomer is maintained in the monohydrates, with solvation directed towards the nitrogen atom via hydrogen bonding. The study emphasizes the significance of directional hydrogen bonds in stabilizing hydrated adducts and the interplay of various weak interactions in determining molecular geometry. Notably, the absence of polar protons in the title compounds suggests that electron delocalization can fulfill geometric roles typically associated with hydrogen bonding, which may enhance blood-brain barrier permeability, making these compounds promising candidates for drug design. Overall, this work underscores the value of gas-phase studies in elucidating molecular interactions relevant to pharmacology and medicinal chemistry.
Introduction
The introduction outlines the advancements in chirped-pulsed microwave excitation that have broadened the scope of rotational spectroscopy, particularly in areas such as chiral recognition and isotopic-resolved analysis. The study focuses on two asymmetric biarylic thienyl pyridines, 2-(2-thienyl)pyridine (TP) and 2-(2-pyridyl)benzothiophene (PBT), along with their monohydrates. These compounds are significant due to their potential applications in materials science and pharmaceuticals, as thiophene-containing compounds play a crucial role in the biological activity of various medicinal agents.
The research aims to provide a detailed characterization of the potential energy surface (PES), spectroscopic properties, and intermolecular interactions of TP and PBT. The orientation of the fused aromatic rings in these molecules is expected to influence the interactions between nitrogen and sulfur atoms, thereby affecting electron density distribution, polarizability, and dipole moment—key factors in determining chemical behavior. The study also seeks to explore how the presence of nitrogen and sulfur heteroatoms may influence the molecular structure and whether the inclusion of a water molecule alters the intramolecular interactions and structure of the monomers. Notably, this research represents the first spectroscopic investigation of these compounds in the gas phase.
Methods
In this study, the authors employed both experimental and computational methods to investigate the rotational spectra and interactions of TP and PBT monohydrates. The samples were vaporized and expanded into a vacuum chamber using a He-Ar carrier gas mixture, with a water receptacle included for monohydrate observation. The rotational spectra were recorded using a chirped-pulse Fourier transform microwave spectrometer operating in the 2-8 GHz range, achieving frequency measurement uncertainties below 10 kHz and typical linewidths around 100 kHz.
For computational analysis, the potential energy surfaces of the monomers were explored using density functional theory (DFT). Initial conformational searches for the monohydrates were conducted with a semiempirical method, followed by geometry optimizations using the hybrid B3LYP-D3(BJ) method. Further refinements utilized the double-hybrid B2PLYP-D3(BJ) method, and interaction energies were benchmarked with RI-SCS-MP2/cc-pVTZ calculations. The study also included Natural Bond Orbital (NBO) analysis and Non-Covalent Interaction (NCI) index calculations to assess electronic delocalization and non-covalent interactions. The Electron Density Shift (EDS) was computed to evaluate the effects of substituent interactions, and the Interactive Quantum Atom (IQA) methodology was applied to compare energy contributions between isomers of TP and PBT, ensuring the accuracy of numerical integration throughout the analysis.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental or analytical work conducted. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied leads to a marked improvement in the measured outcomes, suggesting its efficacy.
Further discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The analysis underscores the potential applications of the results, while also addressing limitations and proposing directions for future research. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, reinforcing the importance of the studied phenomena and the relevance of the employed methodologies.
Discussion
In this study, the potential energy surfaces (PES) of 2-(2-thienyl)pyridine (TP) and 2-(2-pyridyl)benzothiophene (PBT) were analyzed using B3LYP-D3(BJ) calculations, revealing three stationary points: two minima corresponding to the near-planar zusammen (Z) and entgegen (E) conformers, and a transition state at a near-perpendicular dihedral angle. The energy barrier for conformational interconversion was found to be 25.07 kJ mol⁻¹ for TP and 24.6 kJ mol⁻¹ for PBT, suggesting both conformers are likely observable experimentally. The study also identified two preferred structures for the monohydrates, with the water molecule primarily interacting through O-H⋅⋅⋅N hydrogen bonds with the nitrogen atom of the pyrimidinic moiety, while a higher-energy interaction with the π-electron system was noted for PBT.
Rotational spectra confirmed the presence of two rotamers for each monomer and a single monohydrated species, with hyperfine splittings attributed to the quadrupolar 14N nucleus. The analysis indicated that the Z conformer is the global minimum, supported by Natural Bond Orbital (NBO) analysis, which highlighted significant donor-acceptor interactions between nitrogen and sulfur atoms. The findings suggest that non-covalent interactions, including chalcogen bonds and hydrogen bonds, play a crucial role in stabilizing the conformers. The results emphasize the importance of gas-phase studies in understanding the molecular interactions that influence the conformational preferences of biologically relevant compounds, potentially guiding the design of new drugs with favorable properties for blood-brain barrier permeability.