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A chiral analog of the bicyclic guanidine TBD : synthesis, structure and Brønsted base catalysis
(2016)
Starting from (S)-β-phenylalanine, easily accessible by lipase-catalyzed kinetic resolution, a chiral triamine was assembled by a reductive amination and finally cyclized to form the title compound 10. In the crystals of the guanidinium benzoate salt the six membered rings of 10 adopt conformations close to an envelope with the phenyl substituents in pseudo-axial positions. The unprotonated guanidine 10 catalyzes Diels–Alder reactions of anthrones and maleimides (25–30% ee). It also promotes as a strong Brønsted base the retro-aldol reaction of some cycloadducts with kinetic resolution of the enantiomers. In three cases, the retro-aldol products (48–83% ee) could be recrystallized to high enantiopurity (≥95% ee). The absolute configuration of several compounds is supported by anomalous X-ray diffraction and by chemical correlation.
As a centerpiece of antigen processing, the ATP-binding cassette transporter associated with antigen processing (TAP) became a main target for viral immune evasion. The herpesviral ICP47 inhibits TAP function, thereby suppressing an adaptive immune response. Here, we report on a thermostable ICP47-TAP complex, generated by fusion of different ICP47 fragments. These fusion complexes allowed us to determine the direction and positioning in the central cavity of TAP. ICP47-TAP fusion complexes are arrested in a stable conformation, as demonstrated by MHC I surface expression, melting temperature, and the mutual exclusion of herpesviral TAP inhibitors. We unveiled a conserved region next to the active domain of ICP47 as essential for the complete stabilization of the TAP complex. Binding of the active domain of ICP47 arrests TAP in an open inward facing conformation rendering the complex inaccessible for other viral factors. Based on our findings, we propose a dual interaction mechanism for ICP47. A per se destabilizing active domain inhibits the function of TAP, whereas a conserved C-terminal region additionally stabilizes the transporter. These new insights into the ICP47 inhibition mechanism can be applied for future structural analyses of the TAP complex.
The geminal frustrated Lewis pair tBu2PCH2B(Fxyl)2 (1; Fxyl=3,5-(CF3)2C6H3) is accessible in 65 % yield from tBu2PCH2Li and (Fxyl)2BF. According to NMR spectroscopy and X-ray crystallography, 1 is monomeric both in solution and in the solid state. The intramolecular P⋅⋅⋅B distance of 2.900(5) Å and the full planarity of the borane site exclude any significant P/B interaction. Compound 1 readily activates a broad variety of substrates including H2, EtMe2SiH, CO2/CS2, Ph2CO, and H3CCN. Terminal alkynes react with heterolysis of the C−H bond. Haloboranes give cyclic adducts with strong P−BX3 and weak R3B−X bonds. Unprecedented transformations leading to zwitterionic XP/BCX3 adducts occur on treatment of 1 with CCl4 or CBr4 in Et2O. In less polar solvents (C6H6, n-pentane), XP/BCX3 adduct formation is accompanied by the generation of significant amounts of XP/BX adducts. FLP 1 catalyzes the hydrogenation of PhCH=NtBu and the hydrosilylation of Ph2CO with EtMe2SiH.
This thesis is concerned with protein structures determined by nuclear magnetic resonance (NMR), and the text focuses on their analysis in terms of accuracy, gauged by the correspondence between the structural model and the experimental data it was calculated from, and in terms of precision, i.e. the degree of uncertainty of the atomic positions. Additionally, two protein structure calculation projects are described...
Phenytoin (PHT), valproic acid, and modern antiepileptic drugs (AEDs), eg, remacemide, loreclezole, and safinamide, are only effective within a maximum of 70%-80% of epileptic patients, and in many cases the clinical use of AEDs is restricted by their side effects. Therefore, a continuous need remains to discover innovative chemical entities for the development of active and safer AEDs. Ligands targeting central histamine H3 receptors (H3Rs) for epilepsy might be a promising therapeutic approach. To determine the potential of H3Rs ligands as new AEDs, we recently reported that no anticonvulsant effects were observed for the (S)-2-(4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)benzylamino)propanamide (1). In continuation of our research, we asked whether anticonvulsant differences in activities will be observed for its R-enantiomer, namely, (R)-2-(4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)benzylamino)propaneamide (2) and analogs thereof, in maximum electroshock (MES)-, pentylenetetrazole (PTZ)-, and strychnine (STR)-induced convulsion models in rats having PHT and valproic acid (VPA) as reference AEDs. Unlike the S-enantiomer (1), the results show that animals pretreated intraperitoneally (ip) with the R-enantiomer 2 (10 mg/kg) were moderately protected in MES and STR induced models, whereas proconvulsant effect was observed for the same ligand in PTZ-induced convulsion models. However, animals pretreated with intraperitoneal doses of 5, 10, or 15 mg/kg of structurally bulkier (R)-enantiomer (3), in which 3-piperidinopropan-1-ol in ligand 2 was replaced by (4-(3-(piperidin-1-yl)propoxy)phenyl)methanol, and its (S)-enantiomer (4) significantly and in a dose-dependent manner reduced convulsions or exhibited full protection in MES and PTZ convulsions model, respectively. Interestingly, the protective effects observed for the (R)-enantiomer (3) in MES model were significantly greater than those of the standard H3R inverse agonist/antagonist pitolisant, comparable with those observed for PHT, and reversed when rats were pretreated with the selective H3R agonist R-(α)-methyl-histamine. Comparisons of the observed antagonistic in vitro affinities among the ligands 1-6 revealed profound stereoselectivity at human H3Rs with varying preferences for this receptor subtype. Moreover, the in vivo anticonvulsant effects observed in this study for ligands 1-6 showed stereoselectivity in different convulsion models in male adult rats.
Das Hauptziel dieser Dissertation lag in der Verbesserung einzelner Schritte im Prozess der automatischen Proteinstrukturbestimmung mittels Kernmagnetischer Resonanz (NMR). Dieser Prozess besteht aus einer Reihe von sequenziellen Schritten, welche zum Teil bereits erfolgreich automatisiert wurden. CYANA ist ein Programmpaket, welches routinemäßig zur automatischen Zuordnung der chemischen Verschiebungen, der Nuclear Overhauser Enhancement (NOE) Signalen und der Strukturrechnung von Proteinen verwendet wird. Einer der Schritte, der noch nicht erfolgreich automatisiert wurde, stellt die Signalidentifizierung von NMR Spektren dar. Dieser Schritt ist besonders wichtig, da Listen von NMR-Signalen Grundlage aller Folgeschritte sind. Fehler in den Signallisten pflanzen sich in allen Folgeschritten der Datenauswertung fort und können am Ende in falschen Strukturen resultieren. Daher war ein Ziel dieser Arbeit, einen robusten und verlässlichen Algorithmus zur Signalidentifizierung von NMR Spektren in CYANA zu implementieren. Dieser Algorithmus sollte mit dem in FLYA implementierten Ansatz zur automatischen Resonanzzuordnung, der automatischen NOE-Zuordnung und der Strukturrechnung mit CYANA kombiniert werden. Der in CYANA implementierte CYPICK Algorithmus ahmt den von Hand durchgeführten Ansatz nach. Bei der manuellen Methode schaut sich der Wissenschaftler zweidimensionale Konturliniendarstellungen der NMR Spektren an und entscheidet anhand verschiedener Geomtrie- und Ähnlichkeitskriterien, ob es sich um ein Signal des Proteins oder um einen Artefakt handelt. Proteinsignale sind ähnlich zu konzentrischen Ellipsen und erfüllen bestimmte geometrische Kriterien, wie zum Beispiel ungefähr kreisförmiges Aussehen nach entsprechender Skalierung der spektralen Achsen und gänzlich konvexe Formen, die Artefakte nicht aufzeigen. CYPICK bewertet die Konturlinien lokaler Extrema nach diesen Bedingungen und entscheidet anhand dieser, ob es sich um ein echtes Signal handelt oder nicht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es ein Maß zur Quantifizierung der Information von strukturellen NMR Distanzeinschränkungen zu entwickeln. Der sogenannte Informationsgehalt (I) ist vergleichbar mit der Auflösung in der Röntgenkristallographie. Ein weiteres Projekt dieser Dissertation beschäftigte sich mit der strukturbasierten Medikamentenentwicklung (SBDD). SBDD wird meist von der Röntgenkristallographie durchgeführt. NMR hat jedoch einige Vorteile gegenüber der Röntgenkristallographie, welche interessant für SBDD sind. Daher wurden Strategien entwickelt, die NMR für SBDD zugänglicher machen sollen.
Gastric cancer is one of the most common malignancies and a leading cause of cancer death worldwide. The prognosis of stomach cancer is generally poor as this cancer is not very sensitive to commonly used chemotherapies. Epigenetic modifications play a key role in gastric cancer and contribute to the development and progression of this malignancy. In order to explore new treatment options in this target area we have screened a library of epigenetic inhibitors against gastric cancer cell lines and identified inhibitors for the BET family of bromodomains as potent inhibitors of gastric cancer cell proliferations. Here we show that both the pan-BET inhibitor (+)-JQ1 as well as a newly developed specific isoxazole inhibitor, PNZ5, showed potent inhibition of gastric cancer cell growth. Intriguingly, we found differences in the antiproliferative response between gastric cancer cells tested derived from Brazilian patients as compared to those from Asian patients, the latter being largely resistant to BET inhibition. As BET inhibitors are entering clinical trials these findings provide the first starting point for future therapies targeting gastric cancer.
Weltweit sind ca. 130–180 Millionen Menschen mit HCV infiziert und jährlich sterben etwa 500.000 Menschen an dessen Folgen. Die neuartigen Therapien versprechen zwar eine sehr hohe Heilungsrate, sind aber aufgrund ihrer enorm hohen Kosten nur in Industrieländern verfügbar. Noch immer gibt es keine prophylaktische Vakzinierung gegen HCV. Deshalb ist es wichtig, den HCV-Lebenszyklus und die Interaktion zwischen Wirtszelle und Virus detailliert zu verstehen, um die Entwicklung von Therapien und Impfungen zu ermöglichen. Außerdem kann ein fundiertes Wissen von HCV translatiert werden und auf neuartige Erreger der Familie der Flaviviridae, wie Denguevirus und Zikavirus, angewendet werden. Während der Zelleintritt und die Replikation von HCV relativ gut charakterisiert sind, bleiben die Assemblierung und Freisetzung der viralen Partikel schlecht verstandene Schritte des HCV-Lebenszyklus. In dieser Arbeit sollte die Rolle des zellulären Proteins α-Taxilin im Lebenszyklus von HCV untersucht werden. In einer späteren Phase der Arbeit wurde der endosomale Freisetzungsweg von HCV untersucht. Dazu wurden HCV Varianten generiert und charakterisiert, die Fluoreszenz-Proteine im NS5A- und E1-Protein enthalten, durch die es möglich ist, den Replikationskomplex und die Viruspartikel zu visualisieren und zu quantifizieren und den viralen Lebenszyklus dadurch besser untersuchen zu können...
Für die Optimierung sowie Entwicklung lichtsteuerbarer Systeme für biologische Anwendungen oder neue Materialien ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden komplexen, lichtinduzierten Prozesse eine Voraussetzung. Die Verwendung von Photoschaltern in Makromolekülen ermöglicht eine zeitliche und örtliche Kontrolle über strukturelle Änderungen sowie die entsprechend folgenden (biologischen) Funktionen durch die Verwendung von Licht als externem Auslöser.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines auf Licht reagierenden Riboschalters, welcher die gezielte Kontrolle über Genexpression ermöglicht. Hierzu wurde eine spektroskopische Charakterisierung von verschiedenen Photoschaltern bezüglich einer Verwendung als biologischer Ligand sowie der Wechselwirkungen zwischen Azobenzolen und RNA, auch hinsichtlich ihrer Bindungsdynamiken durchgeführt. Zunächst wurde die hohe Abhängigkeit der (photo-)chemischen Eigenschaften der Azobenzole von der Wahl der Substituenten untersucht, wobei besonders die Anwendung in wässrigem Milieu betrachtet wurde. In einer detaillierten (zeitaufgelösten) Studie wurde der positionsabhängige Einfluss der Hydroxy-Substitution von Azobenzolen auf die Photoisomerisierung in wässriger Lösung untersucht. Für eine ortho-Substitution ergab sich hierbei ein alternativer Deaktivierungskanal nach Photoanregung, welcher stärker ausgeprägt ist als die Isomerisierung. Hierbei wird ein intramolekularer Protontransfer im angeregten Zustand (ESIPT) beobachtet, welcher mit einer Zeitkonstante von 0.3 ps beschrieben werden kann und in einer Keto-Spezies resultiert. Eine Keto-Enol-Tautomerie konnte für die para-Hydroxy-Substitution schon im Grundzustand beobachtet werden. Somit können beide Spezies gezielt adressiert werden. Durch Acetylierung der Hydroxygruppe verlangsamt sich die thermische Relaxation des cis-Isomer zu dem entsprechenden trans-Isomer signifikant ohne die Isomerisierung zu beeinträchtigen. Dementsprechend ermöglicht eine solche Acetylierung die Verwendung von bekannten Azobenzolderivaten als Photoschalter.
Zudem werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Herangehensweisen in der Entwicklung eines Riboschalters beschrieben, welcher sich durch Licht regulieren lässt.
Diese sind durch kovalentes bzw. nicht-kovalentes Einbringen eines Azobenzolderivats in die RNA Struktur charakterisiert. Ein neuer Linker, welcher auf einer Desoxyribose-Struktur beruht, wird für die kovalente Anbindung des Azobenzols an den RNA Strang präsentiert, welcher eine licht-induzierte Dehybridisierung ermöglichen soll. Eine außergewöhnlich hohe Schaltamplitude mit einem cis-Gehalt von etwa 90% konnte für das Azobenzol im RNA Einzelstrang schon bei Raumtemperatur ermittelt werden. Zudem wurde der Einfluss des Photoschalters sowie der benachbarten Nukleotide in der RNA auf die Stabilität der RNA Doppelhelix untersucht. Die zweite Vorgehensweise beruht auf einer nicht-kovalenten Bindung zwischen einem Azobenzolderivat und einem RNA-Aptamer, welche lediglich für eines der Photoisomere ermöglicht wird, wodurch eine örtliche und zeitliche Kontrolle der Ligandenbindung der RNA erfolgt. Im Rahmen dieser Arbeit war es möglich zwei verschiedene photoschaltbare RNA Aptamere zu identifizieren und zu untersuchen, welche eine hohe Spezifität und Affinität aufweisen. Zudem wurde die Photoisomerisierung des Azobenzols innerhalb der RNA-Struktur sowie daraus resultierende lichtinduzierte Konformationsänderungen der RNA mittels zeitaufgelöster Anreg-/Abtastspektroskopie untersucht. Die daraus resultierende Dynamik der photoinduzierten Ligandenbindung sollte eine weitere gezielte Optimierung lichtschaltbarer biologischer Systeme erlauben.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der zeitaufgelösten Untersuchung eines photoschaltbaren Foldamers. Speziell wurde der strukturelle Übergang des OmPE-Foldamers 10-5 zwischen einer definierten helikalen und einer ungefalteten Konformation auf Grund der Photoisomerisierung der, in das Rückgrat integrierten, Azobenzole untersucht.
Dabei konnten die frühen (Ent-)Faltungsmechanismen des Foldamers im sub-Nanosekunden-Zeitbereich beobachtet werden, welche durch quantenmechanische Rechnungen unterstützt werden konnten. Darüberhinaus, war es möglich einen Anregungsenergietransfer vom PE-Rückgrat des Foldamers auf die Azobenzole nachzuweisen, welcher die Lebensdauer der angeregten Zustände des Systems signifikant verkürzt.
Diese Arbeit liefert wichtige Informationen zu den Reaktionspfaden, den gezielten Wechselwirkungen zwischen Photoschaltern und größeren organischen Molekülen, sowie den daraus resultierenden lichtinduzierten strukturellen Änderungen durch die Anwendung einer Vielzahl an (zeitaufgelösten) spektroskopischen Methoden. Diese Ergebnisse tragen zum weiteren Verständnis komplexer Prozesse in biologischem sowie nicht-biologischem Zusammenhang und somit zu einer weiterführenden Entwicklung neuer Systeme bei.
Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as a promising class of crystalline porous inorganic-organic hybrid materials showing a wide range of applications. In order to realize the integration of MOFs into specific devices, this thesis mainly focuses on the controlled growth and the properties of highly oriented surface-mounted metal-organic frameworks (SURMOFs).
The stepwise layer-by-layer (LbL) growth method exhibits vast advantages for the controllable growth of SURMOFs regarding the crystallite orientation, film thickness and homogeneity. However, up to date, only a few MOFs have been demonstrated to be suited for this protocol. So the first project of this thesis was designed to extend the applicability of the LbL growth. To this end, a semi-rigid linker based [Cu2(sdb)2(bipy)] (sdb = 4,4’-sulfonylbiphenyl dicarboxylate; bipy = 4,4’-bipyridine) MOF was chosen. Employing the LbL growth, [Cu2(sdb)2(bipy)] SURMOFs were successfully grown onto both pyridyl- and carboxyl-terminated surfaces at the temperature range of 15-65 °C. Interestingly, the orientation of the SURMOFs largely depends on temperature on both surfaces. At low temperatures (below 40 °C), SURMOFs with exclusive [010] orientation are obtained. In contrast, at high temperatures (40-65 °C), [001] oriented SURMOF growth is favored. A novel growth mode was demonstrated, which is, instead of surface chemistry, the temperature-induced ripening processes and the tendency to minimize surface energies can dominate the SURMOF growth.
Inspired by the advantages of LbL deposition of isoreticular SURMOFs, the second project was conceived to grow multivariate SURMOFs (MTV-SURMOFs) using mixed dicarboxylate linkers. We advance a hypothesis that linker acidity (expressed by the pKa values) may have an influence on the oriented growth of MTV-SURMOFs. To test the hypothesis, seven isoreticular [Cu2L2(dabco)] (L = single kind of dicarboxylate linker; dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane) SURMOFs were grown onto pyridyl-terminated surfaces at 60 °C. The quality of [001] orientation is greatly affected by the acidity of the linkers. With this observation, we deposited a series of [Cu2Lm2(dabco)] (Lm = mixed dicarboxylate linkers) SURMOFs under the same conditions. [Cu2Lm2(dabco)] SURMOFs with exclusive [001] orientation are obtained when the growth solution contains two linkers of relatively high pKa value or more than two kinds of linkers (independent of the pKa values), while the mixtures of ligands with relatively low pKa values or a high content of low pKa valued linkers can result in mis-oriented growth of SURMOFs with unexpected [100] orientation.
Moreover, the LbL growth shows enormous potential in the rational construction of functional SURMOFs. Therefore, the third project of this thesis was devised to deposit SURMOFs containing redox-active species. For this, the 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (H2(bpdc)) linker was functionalized with ferrocene (Fc) and dimethyl ferrocene (Me2Fc) moieties. [Cu2(bpdc-amide-Fc)2(dabco)] SURMOF (Fc-SURMOF) is perfectly grown along the [100] direction, while mis-oriented growth of [Cu2(bpdc-amide-Me2Fc)2(dabco)] SURMOF (Me2Fc-SURMOF) was observed. Surprisingly, Fc-SURMOF shows excellent electrochemical properties due to the reversible oxidation and reduction of the ferrocene moieties in the oriented pores, while the Me2Fc-SURMOF was found to be a closely packed insulating layer since no extensive charge transfer is observed. A diffusion controlled mechanism of redox reaction is proposed, where the diffusion of the counter anions in the pores limits the current.
Besides the LbL growth protocol, the spin-coating technique is also promising for the oriented growth of SURMOFs. Driven by the specific applications, the fourth project of this thesis was planned to grow functional SURMOFs containing catalytically active units. The Keggin-type polyoxometalates (POMs) with high catalytic activities were chosen to functionalize the HKUST-1 SURMOFs. Combining the technique with methanol vapor induced growth, a series of POM functionalized HKUST-1 SURMOFs (denoted as POM@HKUST-1 SURMOFs) were controllably deposited onto pyridyl-terminated surfaces. The SURMOFs exhibit great potential as electrocatalysts in electrochemical devices due to the excellent redox properties of POMs. In addition, the PTA@HKUST-1 (PTA = phosphotungstic acid) SURMOF can be employed as an ideal platform for the selective loading of methylene blue (MB) dye with high efficiency. Owing to the strong binding between the dye molecules and the framework, the MB dye cannot be desorbed by ion exchange and MB loaded PTA@HKUST-1 SURMOF shows reliable redox properties under inert conditions, further confirming the application potential in electrochemical devices.
ATP-binding cassette (ABC) transporters, a superfamily of integral membrane proteins, catalyse the translocation of substrates across the cellular membrane by ATP hydrolysis. Here we demonstrate by nucleotide turnover and binding studies based on 31P solid-state NMR spectroscopy that the ABC exporter and lipid A flippase MsbA can couple ATP hydrolysis to an adenylate kinase activity, where ADP is converted into AMP and ATP. Single-point mutations reveal that both ATPase and adenylate kinase mechanisms are associated with the same conserved motifs of the nucleotide-binding domain. Based on these results, we propose a model for the coupled ATPase-adenylate kinase mechanism, involving the canonical and an additional nucleotide-binding site. We extend these findings to other prokaryotic ABC exporters, namely LmrA and TmrAB, suggesting that the coupled activities are a general feature of ABC exporters.
CryoEM at IUCRJ: a new era
(2016)
The title fluorinated bisbenzoxazine, C18H18F2N2O2, crystallizes with one half-molecule in the asymmetric unit, which is completed by inversion symmetry. The fused oxazine ring adopts an approximately half-chair conformation. The two benzoxazine rings are oriented anti to one another around the central C-C bond. The dominant intermolecular interaction in the crystal structure is a C-H...F hydrogen bond between the F atoms and the axial H atoms of the OCH2N methylene group in the oxazine rings of neighbouring molecules. C-H...[pi] contacts further stabilize the crystal packing.
The title benzoxazine molecule, C18H18Br2N2O2, was prepared by a Mannich-type reaction of 4-bromophenol with ethane-1,2-diamine and formaldehyde. The title compound crystallizes in the monoclinic space group C2/c with a centre of inversion located at the mid-point of the C-C bond of the central CH2CH2 spacer. The oxazinic ring adopts a half-chair conformation. The structure is compared to those of other functionalized benzoxazines synthesized in our laboratory. In the crystal, weak C-H...Br and C-H...O hydrogen bonds stack the molecules along the b-axis direction.
Crystal structure of 1,3-bis(3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylbenzyl)-1,3-diazinan-5-ol monohydrate
(2016)
In the title hydrate, C28H42N2O3·H2O, the central 1,3-diazinan-5-ol ring adopts a chair conformation with the two benzyl substituents equatorial and the lone pairs of the N atoms axial. The dihedral angle between the aromatic rings is 19.68 (38)°. There are two intramolecular O-H...N hydrogen bonds, each generating an S(6) ring motif. In the crystal, classical O-H...O hydrogen bonds connect the 1,3-diazinane and water molecules into columns extending along the b axis. The crystal structure was refined as a two-component twin with a fractional contribution to the minor domain of 0.0922 (18).
The title Schiff base, C19H22N2O3, was synthesized via the condensation reaction of 1,3-diaminopropan-2-ol with 4-methoxybenzaldehyde using water as solvent. The molecule exists in an E,E conformation with respect to the C=N imine bonds and the dihedral angle between the aromatic rings is 37.25 (15)°. In the crystal, O-H...N hydrogen bonds link the molecules into infinite C(5) chains propagating along the a-axis direction. The packing of these chains is consolidated by C-H...O interactions and C-H...[pi] short contacts, forming a three-dimensional network.
In the title compound, C7H14N4·2C6H5ClO, which crystallized with two crystallographically independent 4-chlorophenol molecules and one 1,3,6,8-tetraazatricyclo[4.3.1.13,8]undecane (TATU) molecule in the asymmetric unit, the independent components are linked by two O-H...N hydrogen bonds. The hydrogen-bond acceptor sites are two non-equivalent N atoms from the aminal cage structure, and the tricyclic system distorts by changing the C-N bond lengths. In the crystal, these hydrogen-bonded aggregates are linked into chains along the c axis by C-H...N hydrogen bonds. The crystal structure also features C-H...[pi] contacts.