CC BY
37
_____________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 154, кн. 3 Естественные науки
2012
УДК 541.038.2:543.422.25:541.63
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВД'-БИС-[ДИИЗОПРОПОКСИТИОФОСФОРИЛАМИНОТИОКАРБОНИЛ]-1,7-ДИАМИНОГЕПТАНА В РАСТВОРЕ ДМСО
Ф.Х. Каратаева Аннотация
Методом спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р изучены внутримолекулярные превращения М,№-бис-[диизопропокситиофосфориламинотиокарбонил]-1,7-диаминогептана в 310%-ных растворах в диметилсульфоксиде (ДМСО). Доказана высокая подвижность макромолекулы с реализацией двух конформационных форм (линейной и складчатой типа «шпилька»), амид-амидного обмена и различных таутомерных форм.
Ключевые слова: спектроскопия ЯМР, тиомочевина, диметилсульфоксид, прото-тропия, фосфорилотропная перегруппировка, амид-амидный обмен, конформация, тау-томерная форма, внутримолекулярная водородная связь, линейная и нелинейная структура, интегральная интенсивность.
Введение
Ранее [1, 2] методом спектроскопии ЯМР :Н, 13С и 31Р было установлено, что К,№-бис [К-диизопропокситиофосфориламинотиокарбонил] - 1,7-диаминогеп-тан (1) в растворах (СБ)2СО, СБ2 С12 и СБ3СК в низкотемпературном диапазоне 183-293 К существует в состоянии сложного динамического равновесия.
(7-РгО)2-Р(8)-К1Н-С(8)-К2Н-(СН2)7-К2Н-С(8)-К1Н-Р(8)(ОРг-/)2
1А
Выделено несколько внутримолекулярных процессов, протекающих одновременно с различной скоростью: конформационные превращения макромолекулы с реализацией двух форм К1 (линейная) и К2 (складчатая) с преимуществом
складчатой формы К1, быстрый амид-амидный обмен К1Н ^ К2Н, прототропия с образованием имидотиольной формы ^^-К^С^Н)- и фосфорилотропия.
В продолжение изучения структуры и внутримолекулярных превращений тиомочевин в растворах проведен анализ спектров ЯМР соединения 1 в растворе диметилсульфоксида (ДМСО) в широком высокотемпературном диапазоне (298-373 К).
Экспериментальная часть
Регистрацию спектров ЯМР 1Н (300 МГц), 13С (75.43 МГц) и 31Р (121.42 МГц) проводили на спектрометре Уайап Ц№ТУ-300 при различных температурах и концентрациях растворов. Спектрометр работал в режиме внутренней стабилизации по линии резонанса 2Н и был снабжен температурной приставкой.
При записи спектров ЯМР 31Р обычно использовали 10-15°-ные импульсы и задержки между импульсами ЯО 1-2 с. Ширина спектра до 100 м.д. Число накоплений ЫТ от 10 до 100, цифровую фильтрацию не применяли. При записи спектров ЯМР 13С обычно использовали 20-30°-ные импульсы и широкополосную развязку от протонов ЯО 0, SW 200 м.д., ЫТ от 400 до 1000, применяли цифровую экспоненциальную фильтрацию с ЬБ 2-4 Гц.
Образцы представляли собой растворы с концентрацией 3-5 мас. % при записи спектров ЯМР 1Н и 10-15 мас. % при записи спектров 13С и 31Р. Отсчет химических сдвигов производили от линий резонанса эталонных жидкостей, растворенных в образцах (внутренний стандарт).
Обсуждение результатов
В спектрах ЯМР 1Н тиомочевин, находящихся в состоянии сложного химического обмена, наиболее информативной является резонансная область амидных протонов, в которой присутствуют сигналы собственно амидной формы 1А (К1Н и К2Н), прототропных форм Б (К2Н) или В (К1Н) и фосфорилотропной формы Г, химические сдвиги которых проявляют сильную зависимость от температуры и концентрации растворов [1, 2]:
^Р_К1=С_К2_(СН2)7_ >Р—N1—С=№ —(СН2)7— Ш1=С—№Ы—(СН2)7—
I и I Ы С !_рс
Б В Г I
Так, в спектре ЯМР 1Н 5%-ного раствора соединения 1 при 298 К сигналы амидных протонов показывают дублет (КЫ) и уширенный синглет (К Ы) (рис. 1). В интервале 298-373 К сигналы КЫ, уширяясь, почти не меняют положения.
В спектре 10%-ного раствора при 298 К в указанной области наблюдаются два уширенных сигнала разной интенсивности при 8 8.22 и 6.54 м.д. (рис. 1), первый из которых (более интенсивный) принадлежит протонам амидной формы
К1Н и К2Ы, характеризуя быстрый амид-амидный обмен К1Ы ^ К2Ы, а второй -протону =К1Ы формы Г. Дополнительный слабоинтенсивный сигнал при 8 3.1 м.д. отнесен к протону 1Ы формы Б (или В) или обеих вместе. С повышением температуры до 353 К усредненный сигнал КН почти не меняет положения и формы и в интервале 353-373 К распадается на два сигнала с 8 8.23 м.д. (КЫ) и 8.35 м.д. (К1Ы) (табл. 1). При обратном ходе температуры каждый из сигналов К , Ы также распадается на два сигнала с соотношением интегральных интенсивностей 80% : 20% (рис. 1). Сигнал протона =К1Ы (Г) испытывает значительный слабопольный сдвиг (Д5 1.3 м.д.), при этом сигнал 1Ы (Б или В), увеличиваясь по интенсивности, практически не меняет положения. В интервале 373-298 К появляются и дополнительные уширенные сигналы протонов изо-пропильных групп. Детальная информация о температурной эволюции спектров ЯМР 1Н представлена в табл. 1.
Табл. 1
Спектры ЯМР 1Н [8, м.д. (./пп. ./|ц,. Гц)] N. Ы'-бис-| Ы-дииюпро по кситиофосфориламинотио карбонил |-1,7-диамино гептана в 10%-ном растворе в (СБэ^О
т, к осн (в г-РЮ) (СН3)2 (в г-РЮ) ^Н Ы2Н (а- СН2)2 [в (СН2)7] (СН2)5 [в (СН2)7] Дополнительные сигналы, форма
298 4.8 (6.3, 10.9) 4.83 уш. с 1.36 (6.3) 8.22 уш. с 8.22 уш.с 3.48 уш. с 1.22-1.67 3.1 (Б,В), 6.54 уш. с (Г)
353 1.4 уш. д 8.35 уш. с 8.23 уш. с 3.5 уш. с 1.3-1.63 К2: 4.6 уш. с, ~ 1.2 г-РЮ, 3.4 уш. с, 1.18-1.62 [(СН2)7], 3.2 (Б, В) уш. с, 7.0 уш. с (Г)
373 4.84 уш. с 1.4 д (6.0) 1.4 уш. д 8.57 уш. с 8.3 уш. с 3.5 уш. с 1.3-1.63 К2. 8.38 (1МН1), 8.33 (]МН2), -4.6 уш. с, - 1.38 (г-РЮ), 3.3 уш. с, 1.2-1.6 [(СН2)7], 3.2 (Б,В), 7.2 уш. с (Г)
353“ 4.84 уш. м (6.3) 9.0 уш. с 8.3 уш. с 3.5 уш. д. т 1.6(0) 1.1-1.3 м К2. 8.4 уш. с (1МН1), 8.35 уш. с (1МН2), 4.63 уш. с, - 1.35 (г-РЮ), 3.3 уш. с, 1.2-1.7 [(СН2)7], 3.2 (Б,В), 7.0 уш. с и 7.83 уш. с (Г в и К2)
333“ 4.83 уш. м 1.39 д (6.0) 9.0 уш. д (-9.75) 8.3 уш. т (4.2) 3.5 д. т (-6.2) 1.2-1.7 К2: -9.1 уш. д. (1МН1), 8.39 уш. т (]МН2), 4.64 уш. м, - 1.35 (г-РЮ), 3.4, 1.2-1.7 [(СН2)7], 3.2 (Б,В), 7.0 уш. с и 7.8 уш. С (Г в /ц и К2)
313“ 4.83 м 1.38 (6.3) 9.0 д (-9.93) 8.32 уш. т 3.5 уш. д. т. (-6.0) 1.2-1.7 м К2: 9.1 уш. д (1МН1), 8.39 уш. т (]\ГН2), 4.63 м, - 1.36 (г-РЮ), 3.8, 1.2-1.7 уш. м [(СН2)7], 3.2 (Б,В); 7.0 и 8.82 уш. с (Г в А", и К2)
298“ 4.81 м 1.37 (6.0) 9.14 (-11.73) 8.32 уш. т 3.5 уш. с 1.1-1.8 уш. м К2: 9.1 уш. д (1МН1), 8.34 уш. т (]\ГН2), 4.61, - 1.36 (г-РЮ), 3.6, 1.26-1.6 Г(СН7)71, 3.2 (Б, В), 7.84 уш. с (Г)
а Обратный ход температуры.
ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ...
Рис. 1. Температурные спектры ЯМР :Н в резонансной области протонов КН для соединения 1 в виде его 5- и 10%-ных растворов в ДМСО
При интерпретации таких значительных и необратимых изменений (рис. 1, табл. 1) в температурных спектрах ЯМР 'Н тиомочевины 1 нужно учитывать следующие три обстоятельства.
1. Сигналы протонов ^Н и К2Н в интервале 373-298 К трансформируются в хорошо разделенные дублет и слаборазрешенный триплет соответственно, причем сигнал ^Н сдвигается в слабые поля на 0.57 м.д., а сигнал К2Н практически не меняет положения (табл. 1), что наряду с большой разницей химических сдвигов этих протонов при Т 298 К (обратный ход температуры) [Д8(К'Н-К2Н)
0.82 м.д.] свидетельствует о «замораживании» процесса обмена КН ^ К2Н. При этом дублет ^Н характеризует, во-первых, амидную структуру в триаде С—К1—Р. Во-вторых, сохранение спин-спинового взаимодействия протона ^Н с ядром фосфора ( ^РКн = -11.73 Гц) свидетельствует о внутримолекулярном характере превращений молекулы с участием этого протона.
2. Отметим, что сигнал второго амидного протона N Н почти не меняет положения и представляет собой сильно уширенный и слабо разрешенный триплет [спин-спиновое взаимодействие с протонами группы «-СН2 фрагмента (СН2)7, табл. 1], что можно было бы объяснить простым участием этого протона в образовании внутримолекулярной водородной связи типа К2-Н"8=С (форма В). Однако нет однозначного ответа на вопрос о принадлежности сигнала протона 8Н (8 3.1-3.3 м.д., табл. 1) форме Б или В. Возможно другое объяснение, а именно: образование и временный разрыв в сильно сольватирующем
(СН,Ь
и
I
С(К|) ст(К1)
—Г ггтргтгт"] *1 Т-ГТ"!' ■! ггтуттп |~ГЧ—Г~I —Г~Т~Т ~»~1~ ТЧЛ ~Г~]
29 28 27 26 29 2« 23 бс. М.Д.
Рис. 2. Спектр ЯМР 13С соединения 1 в резонансной области Св ъ 8-метиленовых групп
ДМСО внутримолекулярной водородной связи ^-Н"8=С с формированием в рамках макроструктуры исследуемой тиомочевины внутримолекулярной водородной связи (ВМВС) аналогичного типа, но с участием группы С=8 второго тиомочевинного фрагмента. В результате попеременного (а возможно, и одновременного с учетом двух идентичных протонов N Н) образования ВМВС-ВМВС время жизни химической связи N -Н оказывается столь малым, что спин-спи-новое взаимодействие может усредняться, при этом сама амидная форма соединения сохраняется. Последнее предположение может рассматриваться в рамках реализации второй конформации макромолекулы, имеющей нелинейную структуру (молекула складывается «сама на себя», или конформация «шпилька»), и непосредственно связано с третьим обстоятельством.
3. В спектре ЯМР 1Н при обратном ходе температуры формируется второй, менее интенсивный набор сигналов практически всех структурных элементов макромолекулы, который может принадлежать тиоамиду в конформации К2 (табл. 1). Соотношение интегральных интенсивностей сигналов К1 : К2 ~ 80% : 20%.
Предположение о реализации второй конформации подтверждается также данными температурных спектров ЯМР 13С, в которых при 298 К имеется два набора сигналов ядер углерода Р-, у-, 5-метиленовых групп открытоцепного фрагмента (СН2)7 и групп С=8 с соотношением интегральных интенсивностей в каждой из пар сигналов ~ 80% : 20% (табл. 2, рис. 2). С повышением температуры и при ее обратном ходе формируется второй набор сигналов ядер углерода групп 7-РгО (как и в спектре ЯМР 1Н), а также форм Б(В) и Г. Чрезвычайно важным признаком реализации второй, нелинейной конформации К2 в спектрах ЯМР 13С является исчезновение сигналов ядер углерода групп С=8 и а-СН2 в интервале 373—298 К, участвующих как в процессе прототропии, так и в формировании конформации К2, с одновременным и закономерным появлением дополнительных сигналов в резонансной области групп C=N форм Б, В и Г (130.8-145.6 м.д., табл. 2). Исчезновение сигнала С=8, кроме того, свидетельствует об образовании внутримолекулярной водородной связи типа N -Н—8=С, стабилизирующей конформацию К2, в то время как в растворе СБ2С12 в процессе складывания молекулы 1 (при низких температурах) наблюдалось сближение протона ^Н с группой в-СН2 фрагмента (СН2)7 [1].
Табл. 2
Спектры ЯМР 13С [8С, м.д. Гц)] Ы.Ы'-бис| Ы-дииюпро покситио-фосфориламинотио карбонил |-1.7-диаминогсптсна в 10%-ных растворах в (СБэ^О
т,к С=Я /-РЮ (СН2)7 Дополнительные сигналы, форма
осн (СН3)2 ^СН2)2 (СН2)5
298 333 373 333“ 298“ 180.68 (1.89) 180.38 72.52 72.68 72.65 (6.2) 70.1 (4.97) 70.13 (3.2) 23.12, 23.40 (3.7) 22.5,22.8 (3.1) 22.98 23.33 23.5 44.18 44.07 (3 27.9, у 26.35, 5 28.4 (3 27.7, у 26.15, 5 28.18 25.1-28.5 уш. с 25.2-28.7 (3 26.9, у 25.68, 5 28.04 К2. С=$ 180.83; (3 27.37, у 26.2, 5 28.22 К2: (СН3)2 23.34; (3 27.96, у 26.0, 5 28.37; Б (В) 140.69; Г 156.1 К2. ОСН 72.21, (СН3)2 22.72; (3, у, 5 25.1-28.5 уш. с; Б (В) 130.8 К2: ОСН 69.15 (6.86); (3, у, 5 25.2-28.7 уш. с; Б (В) 131.09, 140.66 К2. ОСН 69.21 (5.6); (3, у, 5 25.4-28.9 уш. с; Б (В) 136.09, 142.42; Г 158.42, 145.6
а Обратный ход температуры.
Ф.Х. КАРАТАЕВА
Табл. 3
Температурная зависимость спектров ЯМР 31Р [8Р, м.д. (%)]а б ^№-бис^-диизопро-покситиофосфориламинотиокарбонил]-1,7-диаминогептена в растворе (СБ3)280
Т, К К1(А) К(А) Формы Б (В), Г
298 57.2 (72.91) 56.9 (20.98) Б (В) в К1 и К2 57.4, 58.2 (0.27), Г в К1 66.74 (5.84)
333 57.24 (75.09) 57.02 (18.88) Б (В) в К2 58.24 (0.88), Г в К1 66.09 уш. с (4.25), 62.3 (0.9)
353 57.66 (91.76) Б (В) в К2 58.27 (5.85), Г в К2 62.32 уш. с
373 57.72 (93.11) (2.39)
353а 57.83 (86.65) Б (В) в К2 58.31 (6.89) Б (В) в К2 58.3 (8.17), Г в К2 61.2 уш. с,
333а 57.96, 58.04 (84.22) 61.61 (5.18) Б (В) в К2 58.27 (10.0), Г в К2 61.55 уш. с, 61.7 (5.78)
298а 58.2 (96.63) Б(В) в К1 в области формы А, Г в К2 61.62 уш. с, 61.96 (3.37)
а Обратный ход температуры.
Структурные преобразования тиоамида в растворе ДМСО приводят к изменениям и в спектрах ЯМР 31Р. При 298 К в резонансной области амидной и про-тотропных форм 8Р 56.9-58.2 м.д. имеется по два интенсивных сигнала амидной и слабоинтенсивных сигналов форм Б(В) (8 57.4 и 58.2 м.д.) и Г (табл. 3). Соотношение интегральных интенсивностей в каждой из пар сигналов приблизительно совпадает с аналогичным, полученным из спектров ЯМР 'Н и 13С. Отнесение сигналов к формам Б(В) в каждой из конформаций сделано с учетом дальнейших изменений в температурных спектрах ЯМР Р. При повышении температуры до 353 К более интенсивный сигнал формы Б(В) в конформации Кь уширяясь и испытывая небольшой слабопольный сдвиг, при 333 К попадает в область резонанса амидной формы А в конформациях К1 и К2. Одновременно растет интенсивность сигнала формы Б(В) во второй конформации и при обратном ходе температуры при 333 К достигает 10% (табл. 3). Можно предположить, что благодаря сольватирующему воздействию ДМСО облегчается поэтапный разрыв внутримолекулярных водородных связей: сначала разрыв ВМВС с участием протона ^Н, приводящий к образованию формы Б, и, как следствие, сдвиг равновесия в сторону более устойчивой в этих условиях формы В, затем разрыв ВМВС с участием протона ^Н, формирующие форму В (в интервале 313—298 К сигнал В сливается с сигналами амидной формы), и наконец образование ВМВС протона N Н с атомом серы группы С=8 второго тиомочевинного фрагмента, стабилизирующей конформацию К2. Эти предположения согласуются с фактом уширения сигнала ^Н во всем температурном диапазоне и присутствием сигналов С=N прототропных форм Б(В) в спектрах ЯМР С (табл. 2).
Температурные изменения спектра ЯМР 31Р в резонансной области формы Г требуют детального обсуждения. В линейной конформации К1 (1А) обе тио-фосфорильные группы эквивалентны и могут одновременно участвовать в фос-форилотропной перегруппировке с образованием идентичных форм Г. Поэтому уширенный сигнал при 5Р 66.74 м.д. (298 К, табл. 3) отнесен именно к этой
форме. Дальнейшее уширение сигнала формы Г в интервале 298—353 К сопровождается появлением нового уширенного сигнала при 5Р 62.32 м. д., который при обратном ходе температуры удваивается (табл. 3). При этом важно отметить, что в этом же температурном диапазоне пропадают сигналы атомов углерода групп С=N (5С 156.1 м.д.) и С=8 (табл. 2). Эти изменения в спектре ЯМР 31Р, по-видимому, также связаны с конформационными превращениями молекулы 1. Но нужно учесть, что в конформации К2 («шпилька») в принципе имеется три возможности для внутримолекулярных миграций тиофосфорильных групп к атому серы группы С=8 (показано стрелками) с образованием трех форм Г:
Конформация К2 («шпилька)
Однако миграция группы (/-Рг0)2Р^)- к «собственной» группе С=8 в нижнем тиомочевинном фрагменте представляется маловероятной из-за участия последней в образовании ВМВС с протоном ^Н второго тиомочевинного фрагмента. По-видимому, это и является причиной удвоения, а не утроения сигналов формы Г (353-373-298 К) в конформации «шпилька» (табл. 3).
Таким образом, совокупным анализом данных температурных спектров ЯМР :Н, 13С и 31Р установлено, что ^№-бис[К-диизопропокситиофосфорила-минотиокарбонил]-1,7-диаминогептан (1) в растворе ДМСО существует в состоянии сложного динамического равновесия. Показано, что на фоне конфор-мационных превращений молекулы от линейной структуры 1А (или К1) к складчатой К2 наблюдается быстрый амидный протон-протонный обмен (298—243 К), прототропия с участием двух амидных протонов и фосфорилотропия в каждой из конформаций в высокотемпературном диапазоне. Сравнительный спектральный анализ таутомерного равновесия тиомочевины (1) в различных средах [1, 2] позволил сделать вывод, что по мере возрастания сольватирующей способности растворителя в ряду CD3CN > СБ2С12 > (СБ3)2С0 > (СБ3)280 облегчается поэтапный разрыв внутримолекулярных водородных связей и равновесие смещается в сторону более устойчивой в данных условиях формы. Аналогичные тенденции изменения спектров ЯМР всех трех ядер обнаруживаются при низкотемпературных измерениях в растворах CD3CN, CD2C12, (CD3)2C0 и высокотемпературных - в (CD3)2S0.
Автор выражает искреннюю признательность профессору Н.Г. Забирову за предоставленное соединение.
Summary
F.Kh. Karataeva. Intramolecular Rearrangements of N,N'-Bis[diizopropoxythiophospho-rylaminothiocarbonyl]-1,7-Diaminoheptane in DMSO Solutions.
Intramolecular rearrangements of N,N'-bis[diizopropoxythiophosphorylaminothiocar-bonyl]-1,7-diaminoheptane in 3-10% DMSO solutions have been studied by NMR 1Н, 13C and 31F spectroscopy. The high mobility of the macromolecule with the realization of two conformational forms (linear and hairpin-type), amide-amide exchange, and different tautomeric forms has been proved.
Key words: NMR spectroscopy, thiourea, dimethyl sulfoxide, prototropy, phosphorylo-tropic rearrangement, amide-amide exchange, conformation, tautomeric form, intramolecular hydrogen bond, linear and nonlinear structures, integral intensity.
Литература
1. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил-(тио)амидов. XVI. Исследование внутримолекулярной динамики ^№-бис(тио)фос-форил(тио)мочевины, содержащей открытоцепной фрагмент, в растворах CD2Cl2 и CD3CN методом спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р // Журн. общ. химии. - 2011. -Т. 81, Вып. 3. - С. 391-396.
2. Каратаева Ф.Х., Галиуллина Н.Ф., Аганов А.В., Забиров Н.Г. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил(тио)амидов. X. Исследование строения ^№-бис(тио)фосфорил(тио)мочевины, содержащей открытоцепной фрагмент, методом спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р // Журн. общ. химии. - 2000. - Т. 70, Вып. 8. - С. 1303-1307.
Поступила в редакцию 30.05.12
Каратаева Фарида Хайдаровна - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: farida.karataeva@ksu.ru
