CC BY
50
Том 150, кн. 3
Естественные науки
2008
УДК 541.038.2:543.422.25:541.63
ВОЗМОЖНОСТИ ОДНО- И ДВУМЕРН ОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР ХН, 13С И 31Р В ИССЛЕДОВАНИИ СИСТЕМ СО СЛОЖНЫМ ХИМИЧЕСКИМ ОБМЕНОМ. ^ФЕНИЛГИДРАЗИН, ^-(ДИИЗОПРОПОКСИТИОФОСФОРИЛ)ТИОМОЧЕВИНА
В РАСТВОРЕ СБ2СЬ2
Ф.Х. Каратаева, Н.И. Копытова
Аннотация
Методом одно- и двумерной спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р изучены строение и внутримолекулярные превращения Ы-фенилгидразин-№(диизопропокситиофосфорил)-тиомочевины в растворе СБ2С12. Совокупный анализ данных ЯМР и расчетного моделирования подтвердил высокую подвижность изученного соединения с реализацией различных конформационных и таутомерных форм в растворах. Показано, что медленный процесс 2, ¿-изомеризации, осуществляющийся путем поворота вокруг связей С-Ы и Ы-Ы", сопровождается таутомерными превращениями молекулы (прототропия, фос-форилотропия), а также образованием внутримолекулярных водородных связей с участием двух амидных протонов и тиофосфорильной группы. Выявлена предпочтительность 2£-конформации амидной формы с цис- и транс-расположением двух связей Ы-Н относительно связи С=Б.
Ключевые слова: ЯМР-спектроскопия, Ы-фенилгидразин-Ы'(диизопропокситио-фосфорил)тиомочевина, полуэмпирические квантово-химические расчеты, 2Б (ЫОЕ8У), 2, ¿-изомеризация, внутримолекулярные водородные связи, таутомерные превращения, химический сдвиг, структура, сигнал.
Введение
Производные К-(тио)фосфорил(тио)мочевин относятся к полифункциональным соединениям, поскольку содержат одновременно тиофосфорильную (Р=8) и тиокарбонильную (С=8) группы, являющиеся реакционными центрами, а также подвижные амидные протоны ЫН (два и более), что приводит к разнообразным внутримолекулярным превращениям этих молекул в растворах [1-4] и проявлению биологической активности широкого спектра действия.
Имеющиеся и прогнозируемые спектральные данные (ЯМР, ИК) по исследованию динамических свойств Ы-(тио)фосфорил(тио)мочевин, связанные с их внутримолекулярной перестройкой (вращение вокруг связей С-Ы с реализацией ¿-изомеров (формы А), миграция амидного протона к реакционным центрам Р=8 и С=8 (прототропия, формы Б, В) [1-4] и (тио)фосфорильной группы к атому 8 (фосфорилотропия, форма Г) [3]) позволяют составить возможную схему обмена:
-:2=С—:!-р< 1 I II
¿И Н 8 В
-:2-С—КТ1^.
И 8 И 8
А
■ -;ы2-с=:1-р<
И
8И Б
8
I I
И ¿-Р< Г 8
Схема
Так, для К-фенил-№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины, содержащей два амидных протона, изучены процессы 2, ^-изомеризации с образованием трех стереоизомерных форм относительно двух связей С-К и прототро-пия в пентаде -С(8)-К'Н-Р(8)< [4].
В продолжение этих исследований методом одно и двумерной (КОЕ8У) спектроскопии ЯМР и расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-механические расчеты, метод АМ1) изучены динамические свойства К-фенил-гидразин-№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины (1), содержащей дополнительно подвижный фрагмент -^Н-^-Н-РЬ, в растворе СБ2С12:
рь-:3н-:2н-с(8)-:1н-р(8)(ОРг-/)2 (1)
Обсуждение результатов
Особенностью спектра ЯМР 1Н данного соединения в растворе СБ2С12 при 298 К является сложная картина в резонансной области амидных протонов (рис. 1, а). Наличие шести сигналов от трех протонов явно указывает на реализацию двух форм. При этом химические сдвиги трех протонов в каждой из форм, а также одноименных протонов в двух формах сильно различаются (рис. 1, а).
На первом этапе однозначно могут быть идентифицированы только два дублета протона ^Н (с учетом спин-спинового взаимодействия этого протона с ядром фосфора с константой ^Р:н, равной -13.0, см. табл. 1) в этих формах при 5 8.2 (2Е) и 9.19 (22) м.д. с соотношением интегральных интенсивностей ~ 80 : 20% соответственно.
Идентификация сигналов двух других амидных протонов, а также принадлежность каждого из них соответствующей форме была проведена на основе анализа рассчитанных структур амидных форм А (с учетом 2, Е-изомеризации) и прототропных форм Б и В (схема, рис. 2), а также данных двумерных спектров ЯМР 1Н и 31Р.
Оказалось, что две амидные и две прототропные формы попарно и между собой обладают близкими значениями теплот образования (рис. 2).
В амидной форме 2Е группа ^Н имеет ^ис-ориентацию относительно связи С=8, а группа К2Н - транс-ориентацию. В амидной форме 22 группы и К2Н имеют транс-ориентацию относительно связи С=8.
9ДО 9,00 Я:8С ¡Ш) д 40
Рис. 1. Температурная зависимость сигналов протонов групп ^Н, МН и М3Н для М-фе-нилгидразин-№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины в виде ее 5%-ных растворов в СБ2С12 при 298 К (а) и в интервале 298-197 К (б). 5[МГ3Н (ТЕ)] 9.4 м.д. при 197 К
Табл. 1
Температурные спектры ЯМР :Н М-фенилгидразин-Ы'-(диизопропокситиофосфорил)-тиомочевины (I) в растворе СБ2СЬ2 [5, м.д., (./, Гц)] в резонансной области амидных протонов
Т, К Ы'Н (ТЕ) Ы'Н (ТТ) Ы2Н (ТЕ) Ы2Н (ТТ) Ы3Н (ТЕ) Ы3Н (ТТ) Дополнительные сигналы
298 8.2 уш. д (-13.0) 9.16 уш. д (-13.0) 9.49 9.0 8.52 8.88 2.1уш. с (БН,Б), 6.6 с (БН, В), 7.6 уш. д (Ы'Н, В)
263 8.2 уш. д (-13.0) 9.14 уш. д (-13.0) 9.45 8.75 8.87 8.8 6.8 (БН, В), 7.82 уш. д (Ы'Н, В)
243 8.2 уш. д (-13.0) 9.13 9.44 8.62 9.0 8.75 ~2.6 (БН,Б), 6.86 (БН, В), 8.02 (Ы'Н, В)
233 8.2 уш. д (-13.0) 9.10 9.43 8.54 9.18 8.72 6.92 (БН, В), 8.08 (Ы'Н, В)
223 8.2 уш. д (-13.0) 9.10 уш. д (-13.0) 9.43 8.47 9.28 8.69 6.96 (БН, В), ~8.2 (Ы'Н, В)
213 8.2 уш. д (-13.0) 9.10 уш. д (-13.0) 9.41 8.40 9.42 8.65 7.08 (БН, В), ~8.3 (^Н, В),
203 8.2 уш. д (-13.0) 9.10 уш. д (-13.0) ~9.40 уш. с 8.35 9.50 8.61 3.4 уш. с (БН,Б), ~7.1 (БН, В), ~8.4 (Ы'Н, В)
193 8.2 уш. д (-13.0) 9.10 уш. д (-13.0) ~9.4 8.34 9.56 8.60 7.2 (БН, В), ~8.4 (Ы'Н, В)
иы
Б
А
и ыи /
л
22, АН -62.87 ккал/моль
иы-
-ыи
/
)Ч
-ыи
ИБ
Б, АН -64.38 ккал/моль
иб
иы-N
и
-Р.
I
В, АН -64.98 ккал/моль
Рис. 2. Рассчитанные структуры :Ы-фенилгцдразин-№-(диизопрошкситиофосфорил)тио-мочевины
Анализ структурных соотношений в доминирующей форме ZE (рис. 2) показал, что протон N2H сближен с объемистым атомом серы тиофосфорильной группы (с возможным образованием внутримолекулярной водородной связи типа N2-H.. ,S=P) и орто-протоном фенильной группы, попадая в область дезэ-кранирующего влияния последней. При этом фрагмент -N2HC(S)N'HP(S)< должен быть достаточно жестким, поскольку группа P=S препятствует вращению двух изопропоксильных групп вокруг связи Р-N1, что, в свою очередь, затрудняет процесс вращения и вокруг связи С-N . Таким образом, создается благоприятная ситуация для быстрой прототропии во фрагменте -N HC(S)N HP(S)< с образованием форм Б и В (схема).
В форме ZZ (рис. 2), исходя из структурных соотношений, протон N2H из-за достаточной удаленности от фенильной группы должен испытывать сильно-польный сдвиг по сравнению с аналогичным протоном в форме ZE. С учетом этого сильно уширенные сигналы при 5 9.49 и 9.0 м.д. (см. табл. 1, рис. 1) можно отнести к протону N2H в формах ZE и ZZ соответственно.
^иболее вероятной причиной сильного слабопольного сдвига дублета протона N1H в форме ZZ (9.16 м.д.) по сравнению с 5(N1H) 8.2 м.д. в форме ZE является влияние двух атомов кислорода групп OPr-7. При этом нельзя исключить процесс образования внутримолекулярной водородной связи этого протона с одним из атомов кислорода изопропоксильной группы (рис. 2).
Анализ направления изменения величин химических сдвигов амидных протонов в температурных спектрах ЯМР 1H в интервале 298-197 К показывает следующее (рис. 1, б):
- сигнал протона N:H в формах ZE и ZZ сохраняет дублетность и практически не меняет положения (см. табл. 1, рис. 1), что с учетом строения этих форм (схема) свидетельствует о быстром внутримолекулярном обмене типа N:H(ZE) G SH^) G N:H (ZZ) с сохранением спин-спинового взаимодействия этого протона с ядром фосфора. При этом в спектрах ЯМР :H имеется слабоинтенсивный сигнал протона SH формы Б, который в интервале 298-197 К сдвигается в слабые поля на 1.3 м.д. (см. табл. 1).
- сигнал протона N2H в форме ZE также проявляет слабый «сдвиг от температуры», что согласуется и с поведением протона N H в этой форме (с точки зрения устойчивых стерических соотношений во фрагменте -N2HC(S)N:HP(S)<), но не исключает быстрой прототропии типа N:H(ZE) G SHb). Действительно, в спектре ЯМР 'H при Ткомн имеется сигнал протона SH формы В при 5 6.6 м.д., а также слабоинтенсивный дублет протона N:H этой формы при 5 7.6 м.д. испытывающие в диапазоне 298-197 К слабопольный сдвиг на 0.6 м.д. и 0.8 м.д. соответственно (см. табл. 1). В форме ZZ, наоборот, сигнал протона N2H сдвигается в сильные поля на 0.66 м.д., свидетельствуя о сближении с группой P=S (схема). Следует подчеркнуть, что в спектре ЯМР 13С с частичной развязкой от протонов (off resonance) в интервале 263-193 К имеются сигналы групп S=C обеих амидных форм, а также сигналы групп C=N прототропных форм с соотношением интегральных интенсивностей ~80 : 20. ^ рис. 3 приведен спектр ЯМР 13С этого соединения при Т 193 К;
Рис. 3. Спектр ЯМР 13С с частичным подавлением спин-спинового взаимодействия (off resonance) ^фенилгидразин-№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины (I) в виде ее 10%-ных растворов в растворе CD2Cl2 при 193 К
Рис. 4. Температурные спектры ЯМР 31Р соединения (I) в СБ2СЬ2
- сигналы протона в обеих амидных формах имеют противоположное направление изменения величины «сдвига от температуры». Так, сигнал N Н (2Е), уширяясь, сдвигается в слабые поля на 1.04 м.д., тогда как сигнал N Н (22), наоборот, испытывает сильнопольный сдвиг на 0.28 м.д. Причиной этого может служить образование внутримолекулярной водородной связи этого про-
тона в форме ТЕ с атомом серы тиокарбонильной группы (К3Н...Б=С) с замыканием в пятичленный цикл, что отсутствует в форме ТТ.
Характеристичным является спектр ЯМР 31Р, содержащий при Т 273 К группу сигналов с близкими значениями 5Р в резонансной области амидной и прототропных форм (рис. 4). Соотношение интегральных интенсивностей сигналов форм ТЕ (5Р 58.65 м.д.) и ТТ (5Р 58.05 м.д.) соответствует аналогичному в спектрах ЯМР 1Н (~ 80 : 20, сигналы протонов в обеих формах, рис. 1) и С (сигналы групп С=О, рис. 3), причем в спектрах ЯМР 31Р без развязки от протонов эти сигналы представляют собой дублеты триплетов, что также доказывает их принадлежность именно этим формам. Соотношение интенсивностей сигналов форм Б (5р 58.5 м.д.) и В (5Р 57.9 м.д.) соответствует аналогичному для сигналов групп С=К этих форм в спектре ЯМР С (рис. 3). В интервале 273-193 К эти сигналы не меняют положения и формы. Кроме того, спектр ЯМР Р при Ткомн содержит сигнал при 5Р 54.3 м.д., испытывающий в интервале 273-193 К уширение и слабопольный сдвиг на 0.5 м.д. В спектре без развязки от протонов он остается уширенным синглетом. Вероятнее всего, этот сигнал является усредненным и описывает совокупность процессов образования внутримолекулярной водородной связи с участием протонов N Н, N Н и группы Р=Б. При Т 263 К в спектре появляется еще два слабоинтенсивных сигнала при 5Р 70.45 и 70.0 м.д. (с отношением интенсивностей ~ 80 : 20 соответственно), характерных для фосфорилотропной перегруппировки в М-(тио)фосфорил(тио)-амидах, то есть миграции группы Р(Б)(0-Рг-7)2 к атому серы группы С=Б (форма Г, схема) [8], а в данном случае, протекающей как в форме ТЕ, так и в форме ТТ. Таким образом, данные спектра ЯМР 31Р свидетельствуют, во-первых, о реализации двух амидных форм, а, во-вторых, об обменном состоянии молекулы с участием всех трех амидных протонов (в том числе о прототропии с участием протонов ^Н, М2Н) и об образовании внутримолекулярной водородной связи (протоны М2Н, М3Н и группа Р=Б). Этот результат согласуется с данными двумерного спектра
ЯМР 31Р (ШЕБУ), который содержит обменные кросс-пики между совокупностью сигналов в области 5Р ~ 59.0 м.д. и сигналом при 5Р 54.3 м.д. (рис. 5).
С целью определения путей обмена и установления пространственной структуры соединения (I) в растворе СБ2СЬ2 был проведен двумерный эксперимент ЯМР :Н МОЕБУ. Для прохождения максимального обмена или формирования максимального эффекта Оверхаузера (ЯЭО) эксперимент был проведен при двух временах смешивания тсм 0.4 и 0.8 с. Сравнительный анализ двух спектров МОЕБУ показал следующее:
- в спектре с тсм 0.4 с (рис. 6) имеются обменные кросс-пики между сигналами трех амидных протонов в форме ТЕ. В спектре с тсм 0.8 с обмениваются сигналы всех трех протонов формы ТТ, а также сигналы амидных протонов обеих форм. Все амидные протоны проявляют ЯЭО с протонами фенила;
- в спектре с тсм 0.4 (рис. 6) наблюдается обмен между сигналами М2Н (ТЕ) и БН (В), что согласуется с обнаруженной прототропией в одномерных спектрах, в отличие от протона N Н, не участвующего в этом процессе. Этот факт, кроме того, является аргументом в пользу правильности отнесения сигнала при 5Н 9.5 м.д. к протону М2Н, а не М3Н;
РЕ -(ррт)
1
р
у ........................... 'Р
61 60 59 5а 57 5Е 55 54 53 52 (ррт]
Рис. 5. Двумерный спектр ЯМР Р (КОЕ8У) К-фенилгидразин-№-(диизопропокситио-фосфорил)тиомочевины (I) в СБ2СЬ2 при Т 298 К
Рис. 6. Двумерный спектр ЯМР 1Н КОЕ8У К-фенилгидразин-№-(диизопропокситио-фосфорил)тиомочевины (I) в СБ2СЬ2 при Т 298 К; тсм 0.8 с
- спектр с тсм 0.8 с содержит большое количество кросс-пиков, характеризующих сложный обмен, в котором существует соединение (I) в растворах. В частности, наличие кросс-пиков между сигналами протонов 8И двух прото-
тропных форм Б и В хорошо согласуется с участием этих протонов в образования внутримолекулярной водородной связи типа S-H.. ,S=P (рис. 2);
- наличие большого количества кросс-пиков у сигнала протона N Н свидетельствует о его участии в общем внутримолекулярном обмене.
Экспериментальная часть
Регистрацию спектров ЯМР 1Н (300 Мгц), 13С (75.43 Мгц) и 31Р (121.42 Мгц) при различных температурах и концентрациях растворов проводили на спектрометре Varian UNITY-300. Спектрометр работал в режиме внутренней стабилизации по линии резонанса 2Н и был снабжен температурной приставкой. При записи спектров ЯМР Р обычно использовали 10-15-градусные импульсы и задержки между импульсами RD 1-2 с. Ширина спектра SW 100 м.д. Число накоплений NT от 10 до 100, цифровую фильтрацию не применяли. При записи спектров ЯМР 13С обычно использовали 20-30-градусные импульсы и широкополосную развязку от протонов RD 0, SW 200 м.д., NT от 400 до 1000, применяли цифровую экспоненциальную фильтрацию с LB 2-4 Гц.
При записи двумерных спектров использовались рекомендации, описанные в руководстве по эксплуатации спектрометра. Число накоплений nt для спектров NOESY не менее 8. Число повторений ni по временному интервалу t2 для получения второй частотной оси выбиралась из условия ni > (sw Л), , где sw -значение ширины спектрального окна. При записи спектров NOESY использовалась фазочувствительная импульсная последовательность. При построении двумерного спектра использовались алгоритмы преобразования Фурье, линейного предсказания для восстановления усеченного ССИ, применялась взвешивающая гауссова функция в качестве цифрового фильтра. Использовалась процедура дополнения ССИ нулями для получения размерности спектра 2048-2048 точек.
Образцы представляли собой растворы с концентрацией 3-5 мас.% при записи спектров ЯМР 1Н и 10-15 мас.% при записи спектров С и Р. Отсчет химических сдвигов производили от линий резонанса эталонных жидкостей, растворенных в образцах (внутренний стандарт).
Расчет конформационных энергий (теплоты образования) соединений в вакууме проводился в рамках полуэмпирического подхода по программе МОРАС 7 с использованием метода АМ1 [Semiempirical package MOPAC 7.0 QCPE № 445 (Public Domain)]. Определение геометрических параметров молекулы путем последовательного задания внутренних координат атомов проводилось с помощью пакета прикладных программ системы молекулярного моделирования HYPERCHEM 4.
Выводы
На основе совокупного анализа данных одномерных и двумерных спектров ЯМР и расчетного моделирования выявлена схема сложного внутримолекулярного обмена ^фенилгидразин-№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины в растворе CD2CL2.
Показано, что медленный процесс Z, ¿-изомеризации, осуществляющийся путем поворота вокруг связей С-N и N-N, сопровождается таутомерными пре-
вращениями молекулы (прототропия, фосфорилотропия), а также образованием внутримолекулярных водородных связей с участием двух амидных протонов и тиофосфорильной группы.
Summary
F.Kh. Karataeva, N.I. Koputova. The Possibilities of the 1D and 2D NMR 1H, 13С, 31Р Spectroscopy on the Systems with the Complex Chemical Change Study. N-phenylhydrazine, N'-(diizopropoxythiophosphoryl)thiourea in CD2CL2.
NMR study of N-phenylhуdrazine-N'-(diizopropoxythiophosphoryl)thiourea in CD2Cl2 is presented. In order to properly assign the structure and dynamic properties, the temperature and two-dimensional (NOESY) experiments, and semi-empirical quantum-chemical calculations were performed. It was shown that Z, E-isomerization slow process is accompanied by tautomeric transformations and forming of the intramolecular H-bonds of type NH...P=S. The preferable form are ZE-form with cis- and trans-orientation of two proton NH relatively C=S bond.
Key words: NMR spectroscopy, N-phenylhуdrazine-N'-(diizopropoxythiophosphoryl)-thiourea, semi-empirical quantum-chemical calculations, two-dimensional (NOESY), Z, E-isomerization, intramolecular H-bonds, tautomeric transformations chemical shift, spectrum, structure, signal.
Литература
1. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил-(тио)амидов. XIV. Электронное и пространственное строение N-диизопропокси-(тио)фосфорил(тио)бензамидов // Журн. общ. химии. - 2006. - Т. 76, Вып. 1. -С. 95-101.
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 1H, !13С и 31Р // Журн. общ. химии. - 2000. - Т. 70, Вып. 78. - С. 1303-1307.
3. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил-(тио)амидов. VI. Интерпретация методом спектроскопии ЯМР 1H, 13С и 31Р фосфо-рилотропной перегруппировки в ^№-бис(диизопропокситиофосфорил амидокар-бонил)-1,10-диаза-18-краун-6-эфире в растворе ДМСО // Журн. общ. химии. -1999. - Т. 69, Вып. 7. - С. 1183-1187.
4. Каратаева Ф.Х., Юльметов А.Р., Забиров Н.Г., Аганов А.В., Клочков В.В. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил(тио)амидов. XIII. Исследование структуры ^фенил,№-(диизопропокситиофосфорил)тиомочевины методом спектроскопии ЯМР // Журн. общ. химии. - 2005. - Т. 75, Вып. 6. - С. 908-911.
Поступила в редакцию 20.06.08
Каратаева Фарида Хайдаровна - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: Farida.Karataeva@ksu.ru
Копытова Наталья Игоревна - студент физического факультета Казанского государственного университета.
