CC BY
32
Том 150, кн. 3
Естественные науки
2008
УДК 541.12.038:536.75:536.728
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕТРАЗАМЕЩЕННЫХ СТЕРЕОИЗОМЕРОВ п-трет-БУТИЛТИАКАЛИКС [4] АРЕНА, СОДЕРЖАЩЕГО МОРФОЛИНОВЫЙ ФРАГМЕНТ, МЕТОДОМ Ш И 2Б (NOESY) СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР
Ф.Х. Каратаева, М.В. Резепова, М.Н. Шамсутдинов, А.Ю. Жуков, И.И. Стойков, И.С. Антипин, В.В. Клочков
Аннотация
Методами Ш и 2D (NOESY) спектроскопии ЯМР ^ и 13С с использованием расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-химические расчеты, метод РМ3) исследована структура трех стереоизомеров 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(морфолидокарбонил)метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, находящегося в конформациях частичный конус, 1,3-альтернат и конус. Определены характеристичные кросс-пики для каждого из конформеров в двумерных спектрах NOESY. Установлено, что несимметричная конформация частичный конус более «сжата» по сравнению с высокосимметричными конформациями 1,3-альтернат и конус, а заместитель OCH2C(O)NC4H8O находится в ехо-положении. Доказана лучшая сходимость данных эксперимента и теоретического моделирования для высокосимметричных конформа-ций.
Ключевые слова: п-трет-бутилтиакаликс[4]арен, 1,3-альтернат, конус, частичный конус, стереоизомер, полуэмпирические квантово-химические расчеты (метод РМ3), химический сдвиг, кросс-пик.
Введение
Известно, что незамещенный п-трет-бутилтиакаликс[4]арен [14] существует в конформации конус как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Функционализация его по нижнему ободу теоретически может привести к образованию четырех конформационных изомеров - конус, частичный конус, 1,2-и 1,3-альтернат. При этом возможно отклонение от истинной (up/down) ориентации, например, арильные кольца могут быть вывернуты наружу с образованием так называемых «сжатых» конформаций. Кроме того, заместители по нижнему ободу могут находиться как в endo-, так и в exo- положении.
Целью данной работы является исследование структуры стереоизомеров п-трет-бутилтиакаликс[4]арена (1-3) методами одно- и двумерной (NOESY) спектроскопии ЯМР с привлечением расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-химические расчеты).
1-3
Алгоритм решения поставленной задачи следующий:
1) анализ одномерных спектров ЯМР 1Н и 13С;
2) оптимизация геометрической структуры и расчет теплот образования с целью выявления энергетически наиболее стабильного конформера для каждого из соединений 1-3;
3) анализ данных эксперимента 2Б ЯМР 1Н КОЕ8У с целью определения пространственно сближенных протонов, проявляющих ядерный эффект Овер-хаузера (ЯЭО), и расчет межпротонных расстояний;
4) сравнительный анализ данных по межпротонным расстояниям, полученных с помощью эксперимента 2Б КОЕ8У и расчета (полуэмпирический подход с использованием метода РМ3, 8еш1ешршеа1 рак^е МОРАС 2000).
1. Обсуждение результатов
Тетразамещенный по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арен (1), находящийся в конформации частичный конус, содержит три типа ареновых колец А, Б и В, два из которых эквивалентны (Б) (рис. 1).
Рис. 1. Структура соединения 1
Табл. 1
Параметры спектров ЯМР 1Н [5, м.д. (I, Гц)] соединений 1-3
Протоны1-1 5, м.д. (I, Гц)
1 2 3
НА ~ 7.6
Н2Б 7.6 (-2.5) 7.5 7.3
Н1Б 7.06 (-2.5)
НВ 7.,76
1-ВиА 1.3
¿-ВиБ 1.15 1.3 1.1
/-БиВ 1.4
0СН2В 4.8
0СН2А 5.2 4.7 5.3
0СН23Б и 0СН24Б 4.8 (-12.5) 4.6 (-125)
0(СН2-2 и 1Ч(СН2)2 морфолинового кольца ~ 3.7 и ~ 3.3 ~ 3.6-3.2 ~ 3.7-3.6
1) Верхние индексы указывают на тип кольца и местоположение протонов в нем.
Г-Вив
СБС!
8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
Он, М-Л.
Рис. 2. Спектр ЯМР 1Н соединения 1 в СБС13
Анализ спектров ЯМР Н и С проводился с учетом специфики структуры частичный конус, то есть химической эквивалентности ядер в одинаковых положениях двух ароматических колец Б ив заместителях 0СН2С(0)КС4Н80 этих колец, приводящей к удвоению интенсивности соответствующих сигналов. Действительно, в спектре ЯМР Н сигналы протонов групп ¿-Би , ¿-Би и ВиВ показывают три синглета, причем сигнал ¿-ВиБ имеет удвоенную интенсивность (табл. 1, рис. 2).
Ароматические протоны Н1Б и Н2Б, образующие спиновую систему АХ (Д5 0.54 м.д., табл. 1), показывают в спектре два дублета (рис. 2), в то время как протоны Ни Н (сигнал первого из которых перекрывается с сигналом протона Н2Б соседнего ароматического кольца) характеризуются двумя синглетами, суммарная интегральная интенсивность которых (4Н) справедливо равна суммарной интенсивности сигналов четырех протонов ароматических колец Б.
Магнитная неэквивалентность протонов групп ОСН23Б и ОСН24Б (АВ-квадруплет, рис. 2) объясняется пространственным сближением заместителей в кольцах Б (рис. 1), создающим стерические затруднения для вращения протонов этих групп относительно магнитно-анизотропной группы С=О, тогда как отсутствие таковых для протонов групп ОСН2 и ОСН2 приводит к их магнитной эквивалентности (два синглета, рис. 2).
Сигналы протонов метиленовых групп ^СН2)2 и О(СН2)2 морфолиного фрагмента заместителей, образующих две четырехспиновые системы типа АА'ХХ', сильно уширены:
что может быть вызвано близостью значений §Н одноименных групп в заместителях А, Б, В, а также инверсией цикла.
В спектре ЯМР С сигналы ядер углерода всех структурных элементов должны быть утроены. Один из них в каждой из групп должен иметь удвоенную интенсивность (два кольца Б), что четко прослеживается в резонансной области атомов углерода групп г-Ви, С=О и ОСН2 (рис. 3, табл. 2).
Проведем анализ спектра ЯМР 13С в резонансной области ароматических колец, каждое из которых содержит четыре типа неэквивалентных атомов углерода: один атом Сг-, связанный непосредственно с группой г-Ви, два атома Со, два эквивалентных атома См, и атом углерода Ср, связанный с заместителем нижнего обода.
Утроение сигналов наблюдается для атомов углерода Ср и С (табл. 2, рис. 3). Атомы углерода См из-за совпадения величин химических сдвигов СмА,Б показывают в спектре два синглета. Наличие четырех сигналов атомов Со объясняется небольшой неэквивалентностью величин химических сдвигов СоБ в каждом из колец Б (Д5 0.05 м.д., табл. 2), связанной с различием в расположении этих колец относительно соседних колец А, В и их заместителей (рис. 1). Следует отметить, что по этой же причине неэквивалентны и ароматические протоны Н1 Б и Н2Б (см. выше).
Теоретический расчет энергий (теплот образования) и расчет межпротонных расстояний в стереоизомерах 1-3 проводились с использованием полуэмпирического метода РМ3.
Табл. 2
Параметры спектров ЯМР 13С для соединений 1-3 в растворе СБС13
Атомы углерода ) 5, м.д.
1 2 3
С(СНз)А 31.083 31.080 31.072
С(СНз)Б 30.911
С(СНз)В 31.238
СА-/-Ви 34.013 34.205 34.010
СБ-/-Ви 33.955
СВ-/-Ви 34.295
М(СН2)2 и О(СН2)2 (морфолинового кольца) 66.995-41.37 66.526-41.931 66.616-41.683
ОСН2А 66.997 67.766 66.719
ОСН2Б 71.916
ОСН2В 68.130
СоНА 126.62 127.445 128.607
СоН1Б 127.89
СоН2Б 127.94
СоНВ 128.04
С А, Б См 133.97 132.169 134.342
св 134.83
Са 144.47 146.348 145.942
сб 146.39
св 146.73
СрА 157.65 156.790 157.637
СБ 157.34
Св 158.22
СА=О 165.620 166.125 167.245
СБ=О 166.047
СВ=О 168.19
1)1 Верхние индексы указывают на тип кольца.
Данные табл. 3 показывают, что высокосимметричные конформации конус и 1,3-альтернат энергетически более предпочтительны. При этом наименьшей теплотой образования обладает конформация конус. Но, поскольку расчеты проводились в газовой фазе, в данном случае можно говорить лишь о принципиальной выгодности конформации конус. В растворе необходимо учитывать взаимодействие вещества с молекулами растворителя, то есть сольватационные эффекты, влияющие на геометрию молекулы и ее стабильность, что, в свою очередь, может привести к расхождению между данными эксперимента ЯМР и теоретического моделирования.
Для экспериментального определения соответствующих межпротонных расстояний (путем выявления сближенных пар протонов в каждом из стероизоме-ров 1-3) был выбран метод измерения нестационарного ядерного эффекта Оверхаузера (двумерный эксперимент КОЕ8У) [5]. Для каждого соединения проводилась серия экспериментов КОЕ8У с различными временами смешивания (от 0.1 до 0.8 с). Затем для каждого наблюдаемого кросс-пика строилась
Рис. 3. Спектр ЯМР 13С соединения 1 в СБС13
Табл. 3
Теплоты образования для соединений 1-3, рассчитанные методом РМ3
Конформация АН, кДж/моль
конус -1390.509
частичный конус -1105.493
1,3-альтернат -1123.097
1,2-альтернат -1094.466
зависимость его интегральной интенсивности от времени смешивания. Полученная зависимость аппроксимировалась прямой, для которой вычислялся тангенс угла наклона. Данный угол наклона, или, другими словами, скорость изменения ядерного эффекта Оверхаузера, напрямую связаны с расстоянием между взаимодействующими ядрами. Расстояния между релаксирующими ядрами г, вычислялись из соотношения: г, = гк (5к / 5у), где гк - расстояние между калибровочной парой протонов, 5к - скорость изменения интенсивности калибровочного кросс-пика, - скорость изменения интенсивности анализируемого кросс-пика.
Спектр ЯМР ШБ8У соединения 1 в СБС13 при комнатной температуре содержит 9 пар кросс-пиков (рис. 4).
Каждый из ароматических протонов колец А, Б и В имеет кросс-пики с одноименными группами Г-Би. Кроме того:
- неэквивалентные протоны кольца Б имеют кросс-пики друг с другом, а протон Н2Б - с протонами группы 0СН2В заместителя у кольца В, что согласуется со структурными соотношениями в стереоизомере частичный конус 1;
МиА
,нл
■Щ.
У
0(СЯ2)2 и ^(СЯЛ
(морфолин}
сксщ" о(сн;/
а<сщ>*
ттБ 1
С*П1,|
0(сн/ |-Вив
сксщ« чснамщсц*
(моифолин)
® О
'О %
/ ©
/ о
-1.0 -2.0 -3.0 -¿.О -5.0 -6.0 -7.0
Щррт)
12(ррш)70 60 5 0 4,0 з.о 2.0 1.0 Рис. 4. Спектр ЯМР 1И ШБ8У соединения 1 в растворе СБС1э. Время смешивания
тш1х _ 0.5 с
Табл. 4
Межпротонные расстояния для соединения 1, полученные из эксперимента МОБ8У и с помощью полуэмпирических квантово-механических расчетов (метод РМ3)
Пара протонов Расстояние г, А (ШБ8У) Погрешность Аг, А Расстояние г, А (расчет)
(ОСИ2)3Б-(ОСИ2)4Б 1.77 1,77
И1Б - И2Б 2.80 0.13 2,38
И1Б - ¿-ВиБ 2.64 0.09 2,60
(ОСИ2)В - ¿-ВиБ 3.10 0.12 4,32
И2Б - (ОСИ2)В 2.64 0.09 3,25
ИА - ¿-ВиА 2.81 0.07 2,85
И2Б - ¿-ВиБ 2.87 0.07 2,66
ИВ - (ОСИ2)3Б 2.85 0.09 2,72
ИВ - ¿-ВиВ 2.69 0.11 2,67
- протоны ИВ ароматического кольца В показывают кросс-пик с протонами ОСИ23,4Б заместителя у кольца Б;
- в свою очередь, протоны групп ОСИ2В заместителя у кольца В имеют кросс-пики с протонами морфолинового кольца.
Рис. 5. Структура соединения 2
В качестве калибровочной пары протонов были выбрали протоны метиле-новой группы заместителя ОСН2 и ОСН2 , поскольку расстояние между ними постоянно и составляет 1.77 А (табл. 4).
Значения интегральных интенсивностей приведенных кросс-пиков отрицательные и обязаны эффекту Оверхаузера. Обменные кросс-пики, имеющие положительные значения интегральных интенсивностей, на данном этапе не обсуждаются.
Данные табл. 4 демонстрируют хорошее соответствие экспериментальных и теоретических результатов для большинства пар протонов [Н1Б - ¿-ВиБ, Н1,2Б -¿-ВиБ, НВ - ОСН23Б, Н1Б - Н2Б, НА - ¿-ВиА, НВ - ¿-ВиВ] в соединении 1 и значительное увеличение экспериментальных значений между двумя парами групп протонов: ОСН2В - ¿-ВиБ и Н2Б - ОСН2В. Увеличение указанных межпротонных расстояний в соединении 1 в растворе по сравнению с рассчитанными для кон-формации частичный конус указывает на отклонение заместителя у кольца В от полости макроцикла (ехо-положение). Это может быть связано с вращением метиленовых протонов ОСН2В вокруг связи С-С(О), что косвенно подтверждается магнитной эквивалентностью этих протонов в спектре ЯМР Н (рис. 2).
Стереоизомеры 2 и 3, находящиеся в конформации 1,3-альтернат и конус, характеризуются высокой степенью симметрии, в результате чего их спектры ЯМР 1Н и С имеют простой вид. Действительно, спектр ЯМР 'Н стереоизоме-ра 1,3-альтернат (2) (рис. 5) состоит из пяти сигналов (рис. 6, табл. 1), то есть одноименные протоны в четырех ароматических кольцах и их заместителях эквивалентны.
Спектр ЯМР 13С (рис. 7, табл. 2) также соответствует симметричной структуре, где четыре группы неэквивалентных атомов углерода показывают четыре сигнала, а атомы углерода групп С=О, С(СН3), С(СН3) и СН2 резонируют в виде синглетов.
Сигналы морфолиновых колец в спектрах ЯМР обоих ядер, так же как и в соединении 1, сильно уширены.
Рис. 6. Спектр ЯМР :Н соединения 2 в СБС13
Рис. 7. Спектр ЯМР 13С соединения 2 в СБС13
На рис. 8 представлен спектр 2Б ЯМР 1Н ШЕ8У соединения 2 в СБС13, в котором содержится 3 пары кросс-пиков:
- между ароматическими протонами и группами ¿-Ви;
- между ароматическими протонами двух противолежащих колец и протонами групп ОСН2 заместителей при другой паре противолежащих колец, что соответствует симметричной конформации 1,3-альтернат;
- между группами ¿-Ви одной пары колец и ОСН2 заместителей другой пары колец.
Рис. 8. Спектр 2Б ЯМР 1И ШЕБУ соединения 2 в СБС13
Табл. 5
Межпротонные расстояния для соединения 2, полученные из эксперимента МОЕБУ и полуэмпирических расчетов (метод РМ3)
Пара протонов Расстояние г, А (ШЕБУ) Погрешность Дг, А Расстояние г, А (расчет)
Иаг-ОСИ2 2.65 2.65
Иот-/-Ви 2.96 0.03 2.91
ОСИ2--Ви 3.93 0.06 3.97
В спектре имеются обменные кросс-пики между протонами морфолинового цикла, что является признаком инверсии цикла. Кроме того, протоны последнего показывают обменные кросс-пики и с другими протонами молекулы (рис. 8). Эти факты свидетельствуют о «нежесткости» стереоизомера 1,3-альтернат. Изучение этого вопроса составит предмет дальнейших исследований (в частности, измерение температурных спектров ЯМР).
Данные табл. 5 показывают хорошую сходимость экспериментальных и теоретических результатов. В качестве калибровочной пары протонов были выбраны протоны ароматического кольца и протоны метиленовых групп Н-СИ2, гс = 2.65 А.
Сравнительный анализ экспериментальных значений межпротонных расстояний в конформациях частичный конус (табл. 4) и 1,3-альтернат (табл. 5) показывает, что несимметричная конформация 1 более «сжата», о чем свидетельствует большее количество кросс-пиков в спектре 2Б ЯМР И ШЕ8У 1, сближение двух противолежащих колец Б в 1 [гг(И -И ) 2.8 А], а также укорочение расстояния между протонами групп /-Ви и ОСН2 заместителя у двух соседних ароматических колец, например, г, (ОСИ2-^-Ви) равны 3.10 А (1) и 3.93 А (2).
Рис. 10. Спектр 2Б ЯМР 1И ШЕБУ соединения 3 в СБС13. тшт = 0.3 с
Спектры ЯМР 1И и 13С стереоизомеров 2 и 3 (конус, рис. 9) имеют аналогичную конструкцию. Поэтому однозначный выбор одной из них (1,3-альтер-нат или конус) по данным только одномерных спектров затруднен. Ответ на этот вопрос дает двумерный спектр 2Б ЯМР :И КОЕБУ (рис. 10) соединения 3 в СБС13, содержащий кросс-пики между протонами групп:
- г-Ви-И-;
- ОСИ2-О(СИ2)2 и К(СИ2)2 морфолина;
- О(СИ2)2-К(СИ2)2 в морфолиновом кольце.
Характеристичными (с точки зрения конформации конус) здесь являются кросс-пики между протонами групп ОСН2 и морфолиновых колец заместителей, закономерно отсутствующие в двумерных спектрах стереоизомеров 1 и 2.
Экспериментальная часть
Стереоизомеры 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(морфо-лидокарбонил)метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена, находящиеся в конформации частичный конус (1), 1,3-альтернат (2) и конус (3) были синтезированы на кафедре органической химии Казанского государственного университета под руководством доцента И.И. Стойкова.
Все спектры были записаны на многофункциональном импульсном спектрометре ЯМР с Фурье-преобразованием «Unity-300» фирмы «Varian Associates Inc.» (США) с рабочей частотой 299.94 МГц на ядрах :Н и 75.42 МГц на ядрах 13С. При записи одномерных спектров обычно использовались 10-15-градусные импульсы и задержки между сканами 2 с. Ширина спектра до 15 м.д., число накоплений от 16 до 150 в зависимости от растворимости объекта. При записи спектров ЯМР С использовались 30-45-градусные импульсы и широкополосная развязка от протонов, задержка между сканами 0.2 с, ширина спектра 200 м.д., число накоплений от 300 до 4000. Применялась цифровая экспоненциальная фильтрация с lb = 1-3 Гц.
Стабилизация магнитного поля осуществлялась по сигналам дейтерия растворителя.
При записи двумерных спектров использовались импульсные последовательности с фазовыми циклами для уменьшения неточности калибровки импульсов. Число накоплений nt для спектров NOESY было не менее 8. Число повторений ni по временному интервалу t2 для получения второй частотной оси выбиралось из условия ni = (sw %), где sw - значение ширины спектрального окна. При записи спектров NOESY использовалась фазочувствительная импульсная последовательность. При построении двумерного спектра NOESY использовались алгоритмы преобразования Фурье, линейного предсказания для восстановления усеченного ССИ, применялась взвешивающая гауссова функция в качестве цифрового фильтра и использовалась процедура дополнения ССИ нулями для получения двумерного спектра размерностью 2048-2048 точек. Алгоритмы, позволяющие выровнять базовую линию, не использовались, так как их использование привело бы к ошибкам при измерении интегральных интенсивностей пиков в двумерных спектрах.
Теоретический расчет энергий (теплот образования) трех стереоизомеров: частичный конус, 1,3-альтернат и конус - проводился в рамках полуэмпирического подхода в программе Gaussian 03 с использованием метода РМ3.
Выводы
В заключение выделим следующие результаты:
- методами 1D и 2D (NOESY) спектроскопии ЯМР 1H и 13С с использованием расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-химические расчеты, метод РМ3) исследована структура трех стереоизомеров 5,11,17,23-тетра-
трет-бутил-25,26,27,28-тетракис[(морфолидокарбонил)метокси]-2,8,14,20-тет-ратиакаликс[4]арена, находящегося в конформациях частичный конус, 1,3-аль-тернат и конус. Определены характеристичные кросс-пики для каждого из кон-формеров в двумерных спектрах NOESY;
- установлено, что в конформации частичный конус заместитель OCH2C(O)NC4H8O находится в ехо-положении;
- показано, что несимметричная конформация частичный конус более «сжата» по сравнению с высокосимметричными конформациями 1,3-альтернат и конус;
- доказана лучшая сходимость экспериментальных и теоретических результатов по определению межпротонных расстояний для высокосимметричных кон-формаций.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 06-03-32-101а).
Summary
F.Kh. Karataeva, M.V. Rezepova, M.N. Shamsutdinov, A.Yu. Schukov, I.I. Stoikov, I.S. Antipin, V.V. Klochkov. The NMR 1D and 2D (NOESY) Study of the Tetrasubstituted Stereoisomeres Spatial Structure of p-t-Bu-calix[4]arene Containing the Morpholine Fragment.
The spatial structure of three stereoisomeres (partial cone, 1,3-alternate and cone) was established by 1D and 2D (NOESY) spectroscopy and semi-empirical quantum-chemical calculations (method PM3). The partial cone structure is shown to be more compressed than 1,3-alternate and cone. The best coincidence of theoretical and experimental results is observed for symmetrical conformations.
Key words:p-t-Bu-calix[4]arene, 1,3-alternate, cone, partial cone, NMR 1D and 2D (NOESY), conformation, spatial structure, stereoisomer, semi-empirical quantum-chemical calculations (method PM3), chemical shift, cross-peak.
Литература
1. Алексеева Е.А., Андронати К.С., Мазепа А.В., Грень А.И., Павловская В., Кравченко И.А., Божанов В.И. Каликс^^рены, содержащие по нижнему краю бенздиазе-пиновые фрагменты // Журн. общ. химии. - 2006. - Т. 76, Вып 9. - С. 1527-1530.
2. Шокова Э.А., Ковалев В.В. Тиакаликсарены - новый класс синтетических рецепторов // Журн. общ. химии. - 2003. - Т. 39, Вып. 1. - С. 13-40.
3. Bernardino R.J., Costa Cabral B.J. Structure and conformational equilibrium of thia-calix[4]arene by functional theory // J. Molecular Structure (Theochem). - 2001. -V. 549. - Р. 253-260.
4. Gutsche С.D., Drawan B., Levine J.A., No K.H., Bauer L.J. Conformational isomers of the ethers and esters of calix[4]arenes // Tetrahedron Lett. - 1983. - V. 39, No 3. -P. 409-426.
5. Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических исследований. - М.: Мир, 1992. - 401 с.
Поступила в редакцию 30.07.08
Каратаева Фарида Хайдаровна - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Резепова Мария Владимировна - студент химического факультета Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Шамсутдинов Марат Надирович - аспирант физического факультета Казанского государственного университета
Жуков Аркадий Юрьевич - аспирант химического факультета Казанского государственного университета
Стойков Иван Иванович - кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Антипин Игорь Сергеевич - доктор химических наук, чл.-корр. РАН, заведующий кафедрой органической химии Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Клочков Владимир Васильевич - доктор химических наук, профессор кафедры общей физики Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
