CC BY
33
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 151, кн. 4
Естественные науки
2009
УДК 541.038.2:543.422.25:541.63
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ В НЕКОТОРЫХ ^ДИМЕТОКСИ(ТИО)ФОСФОРИЛ(ТИО)АЦЕТАМИДАХ
Ф.Х. Каратаева, В.В. Клочков
Аннотация
Методом спектроскопии ЯМР с привлечением расчетного моделирования изучена структура и внутримолекулярная динамика К-диметокси(тио)фосфорил(тио)ацетамида (1) и К-метокси,тиометоксифосфорилацетамида (2) в растворах СС14, СБ2С12 и СБ3СК Показано, что соединение 1 существует в равновесии двух цис-, транс-амидных (50 : 50) и двух прототропных форм, а соединение 2 - только в транс-форме.
Ключевые слова: М-диметокси(тио)фосфорил(тио)ацетамид, спектроскопии ЯМР, химический сдвиг, амидный протон, объемный заместитель, связь, полуэмпирические квантово-химические расчеты (метод РМ3), цис-ротамеры, транс-ротамеры, прототро-пия, внутри- и межмолекулярные процессы, синглет, дублет.
Введение
К-фосфорилированные амиды представляют интерес как с точки зрения большой практической значимости, поскольку среди них выявлены препараты с высокой антивирусной и фунгицидной активностью, так и в плане изучения общетеоретических проблем химии, поскольку они являются удобными объектами для изучения механизмов реакций, перегруппировок, конформационных и таутомерных превращений, а также электронных эффектов и водородного связывания в соединениях, содержащих пептидный фрагмент (Х)С-КН-Я. В настоящей статье представлены результаты изучения структуры и внутримолекулярных процессов К-диметокси(тио)фосфорил(тио)ацетамидов (1, 2) в растворах СС14, СБ2С12 и СБ3С№
1. СН3С(8)-КН-Р(0)(0СИ3)2,
2. СН3С(0)-КН-Р(0)(0СН3)(8СН3).
Обсуждение результатов
Ранее было показано [1-3], что схема внутримолекулярного обмена К-(тио) фосфорил(тио)ацетамидов [СН3С(Х)-КН-Р(У)(0Я)2, X, У = 0, 8] в растворах довольно разнообразна, но чаще всего включает в себя две амидные формы А с цис- и транс-расположением групп КН и С = Х относительно связи С-К (схема 1, рис. 1) (процесс заторможенного вращения вокруг связи С-К) и две про-тотропные формы Б и В (миграция амидного протона к реакционным центрам 0
^Р—N=0— —N4—С— С —
У ХН УХ УИ X
с транс-, цис- с
Б А В
^Р(У) — N1^ 0(Х) Г ТО ' '
Схема 1
H
Н3>-<
/ N
и
транс-ротамер цис-ротамер
Рис. 1. Транс- и цис-ротамеры К-(тио)фосфорил(тио)амидов
или 8 (схема 1)). Было также показано [1-3], что с уменьшением объема заместителя у атома углерода доля цис-ротамера растет. В этой связи соединение 1 является удобным объектом для изучения влияния размера заместителей у атомов углерода и фосфора на указанные процессы в растворах.
В спектрах ЯМР К-фосфорилированных амидов наиболее характеристичной является резонансная область амидных протонов. Так, в спектре соединения 1 в растворе СС14 (298 К) сигнал протона КН представляет собой уширенный синглет при 5 8.2 м.д., а в растворе СБ2С12 в интервале 313-183 К сигнал КН эволюционирует от сильно уширенного синглета при 5 8.2 м.д. в два уширенных дублета с приблизительно равным отношением интегральных ин-теисивиостей (Т 243 К, рис. 2).
NN
N11
а)
2+ЗК
ЗОЗК
«.О 6, м.д.
3! ЗК
8.0 ¡%мл.
Рис. 2. Резонансная область амидных протонов в спектрах ЯМР 1Н соединений 1 (а) и 2 (б) в растворе СБ2С12
Табл. 1
Рассчитанные значения теплот образования (-ДН, ккал/моль) для соединений 1 и 3
№ дтранс Ацис Б В
1 -68.766 -69.188 -72.297 -67.272
3 -81.60 -83.383 -86.088 -74.728
Слабопольный дублет при 5 8.68 м.д. с учетом величины стереоспецифичной геминальной константы спин-спинового взаимодействия 2/РКН -18.0 Гц отнесен к транс-ротамеру [4], так же как и в случае К-диизопропокситиофосфорил-тиоацетамида СН3-С(8)-КН-Р(0)(0рг-/)2 3 [1], а сильнопольный дублет при 5 8.35 м.д. с 2/Ркн -14.0 Гц - к цис-ротамеру.
В диапазоне 313-183 К больший сдвиг в слабые поля испытывает дублет цис-ротамера (Д5 0.62 м.д.), сигнал транс-ротамера сдвигается на 0.46 м.д. в ту же сторону. Сохраняющееся уширение сигналов свидетельствует об участии протонов КНцис' транс в процессе прототропии [1-3, 5, 6]. Однако наличие интенсивных сигналов групп СН3 (5 2.5 м.д.) и ОСН3 (5 3.7 м.д.) в области, характеристичной для прототропных форм Б и В [1-3], а также обычно малая интенсивность сигналов последних не позволили детально изучить этот процесс. Тем не менее мы провели теоретическое моделирование амидных и прототропных форм соединения 1 и сравнили результаты с таковыми для близкого по структуре соединения 3.
Согласно данным по теплотам образования (табл. 1), для соединений 1 и 3 наиболее предпочтительна прототропная форма Б (схема). В отличие от соединения 3, для соединения 1 велика вероятность образования и второй прото-тропной формы В: |Д(-ДЯтранс"В)| 1.494 ккал/моль (1) и 6.872 ккал/моль (3). Из двух амидных форм меньшей теплотой образования характеризуется цис-форма. При этом отметим, что практически во всех изученных нами производных К-(тио)фосфорил(тио)амидов в растворах доминирует форма Атранс [1-3, 5, 6]. В данном случае разность теплот образования амидных форм в соединении 1 (0.422 ккал/моль) меньше, чем в соединении 3 (1.7830 ккал/моль). Возможно, уменьшение величины |Д(-ДН)| в соединении 1 обязано уменьшению объема заместителя ОСН3 у атома фосфора по сравнению с /-ОС3Н7 в соединении 3, приводящему к ослаблению стерического напряжения в структуре 1, а следовательно, и к увеличению доли цис-ротамера до 50% относительно 20% этой формы в соединении 3 (в обоих случаях растворитель СБ2С12).
Ослабление стерического напряжения (то есть увеличение скорости вращения вокруг связи С-К) в соединении 1 согласуется также и с уменьшением величины свободной энергии перехода из транс-формы в цис- (ДG# 313 К) до 64 1 кДж/моль по сравнению с 67.01 кДж/моль в соединении 3.
И, наконец, увеличение размера заместителя у атома углерода также оказывает влияние на соотношение транс-, цис-ротамеров в подобных соединениях. Например, замена метильной группы у атома углерода на фенильную в К-диизо-пропокситиофосфорилтиобензамиде приводит к сильному торможению процесса вращения вокруг связи С-К и, соответственно, увеличению |Д(-ДН)| до 8 ккал/моль [6, 7].
Табл. 2
Рассчитанные угловые характеристики для транс- и цис-ротамеров соединений 1 и 3
№ соеди- Углы, °
нения С-КТ-Р а) Са-С-К-Р б) НКТС=8 б) Н№=8 б) 0 в)
1 транс- 132.03 168.2 -179.5 г) -10.84 171.88
цис- 135.86 -2.44 2.6 -5.6 -4.2
3 транс- 135.04 163.3 137.99 11.72 -167.7
цис- 131.76 -9.2 8.27 -165.7 -164.8
Примечания: а) плоский угол; б) двугранный угол; в) угол между проекциями связей С=8 и Р=8; г) знак «минус» означает расположение связей по разные стороны от рассматриваемой плоскости.
Таким образом, данные по теплотам образования и эксперимента ЯМР для соединения 1 свидетельствуют о возможной реализации равновесия с участием двух амидных форм (процесс вращения вокруг связи С-К) и двух прото-тропных форм (прототропия), а также об увеличении доли цис-ротамера, обязанного уменьшению объема заместителя у атома фосфора по сравнению с соединением 3.
Сравнительный анализ геометрических характеристик соединений 1 и 3, важных с точки зрения прогноза стерической предпочтительности внутримолекулярных переходов, показал следующее:
- угол С-К-Р, равный 109° для неплоского атома азота [8], в транс- и цис-формах соединений 1, 3 свидетельствует об уплощении остова молекул в обоих случаях (табл. 2);
- двугранные углы Са-С-К-Р, меньшие 180° в транс-формах и больше нуля в цис-формах (рис. 1), указывают на выход атома углерода метильной группы из плоскости основной цепи молекулы;
- двугранный угол НКС=8, определяющий принадлежность к транс- или цис-формам, характеризует планарность связей Н-К и С=8 в обеих формах в соединении 1 (~180° - транс- и 2.6° - цис-, рис. 1), в то время как в транс-форме соединения 3 наблюдается значительное отклонение от планарности (табл. 2), что, вероятнее всего, связано с большим объемом заместителя у атома фосфора в соединении 3;
- двугранные углы НКР=8 подобны в транс-формах 1, 3;
- противоположные знаки двугранных углов между проекциями связей С=8 и Р=8 в двух амидных формах соединения 1 согласуются с аналогичными для углов Са-С-К-Р, что также подтверждает расположение групп СН3 в этих формах по разные стороны от плоскости скелета молекулы.
Таким образом, данные табл. 2 свидетельствуют о подобии стерических соотношений в соединениях 1 и 3, за исключением величин двугранных углов НКС=8 в транс-формах, что, в принципе, должно отразиться на предпочтительности внутримолекулярных переходов в этих соединениях. Действительно, рассмотрение проекций Ньюмена для транс- и цис-форм соединения 1 (рис. 3) с учетом укорочения связи Р-К во фрагменте Р1ЧС=8 (1.66 А [8]) показывает некоторое преимущество перехода Атранс' цис ^ В по сравнению с Атранс' цис ^ Б, что согласуется с уменьшением величин разности энергий \А(-АНтранс~ цис_В)| 1.494 и 1.92 ккал/моль по сравнению \А(-АНтранс-' цис"Б)\ 3.531 и 3.1 ккал/моль
соответственно (табл. 1). И, наоборот, в соединении 3 переход Атранс' цис ^ Б более предпочтителен [^(-ДН^"^' цис_Б)| 4.488 и 3.305 ккал/моль] относительно перехода Атранс'цис ^ В [|Д(-ДНтранс-' цис"В)| 6.872 и 8.645 ккал/моль], в частности и из-за уменьшения величины угла НКС=8 (табл. 1, 2).
Несмотря на некоторые расхождения данных по энергетике и стереохимии внутримолекулярных переходов, результаты сравнительного анализа можно считать удовлетворительными и не противоречащими эксперименту ЯМР прежде всего из-за крайне низких барьеров активации прототропных миграций [9], приводящих к усреднению сигналов и, в принципе, неоднозначной их интерпретации. В работе [9, с. 349-350] о явлении прототропии сказано следующее: «давно предполагаемая, но никогда еще не зафиксированная таутомерия амидов».
Н3О
0СН3 Н3СО ^
.С
Н3^11
8
Транс-
ОСН
Цис-
Рис. 3. Проекции Ньюмена для транс- и цис-форм соединения 1
В результате прохождения внутримолекулярных процессов в амидах часто, кроме выше обозначенных форм, появляются и другие, минорные формы, например, продукт 2, образующийся в результате обмена гетероатомов О и 8 у атома фосфора во фрагменте -КНР(8)(ОЯ)2 [1, 10, 11]. В отличие от соединения 1, в спектре ЯМР :Н (растворы в СБ3СК и СБ2С12) в резонансной области ключевого протона КН с понижением температуры «вымораживается» единственный дублет транс-ротамера при 5Н 8.52 м.д. (СБ3СК, 353-228 К) и 8.9 м.д. (СБ2С12, 283-228 К) с 2/РКН -11.0 Гц (рис. 2), который в первом растворителе испытывает необычно большой слабопольный «сдвиг от температуры», равный 1.56 м.д., а во втором - 0.6 м.д. Поскольку сигналы остальных групп протонов имеют приблизительно одинаковые химические сдвиги при смене растворителя, приведем данные спектра ЯМР в растворе СБ3С№ дублет ОСН3 3.68 м.д. с 3/РООН 13.0 Гц, дублет 8СН3 2.24 м.д. с 3/Р8ОН 15.7 Гц, синглет СН3 1.95 м.д. Реализация единственного транс-ротамера подтверждается также и данными спектров ЯМР 13С и 31Р. Так, спектр ЯМР 13С содержит сигналы групп С=О (5с 171. 4 м.д.), СН3 (12 м.д.), ОСН3 (дублет при 52.8 м.д., /рос 3.5. Гц) и 8СН3 (23.8 м.д., /р8о 7.0 Гц) одной амидной формы, а спектр ЯМР 31Р - единственный сигнал в резонансной области амидной формы при 5Р 28.2 м.д. Величина 5Р согласуется с таковой для продукта со смешанным окружением у атома форс-фора, сопутствующего внутримолекулярным перегруппировкам в К-фосфори-ламидах [1].
Возможной причиной отсутствия цис-формы в общей схеме обмена соединения 2 является смешанное окружение у атома фосфора, где объемная группа
8СН3 оказывает стерическое препятствие процессу вращения вокруг связи С-К, но с учетом подвижности протона инициирует другие процессы. Действительно, в спектрах всех трех ядер имеются дополнительные сигналы. Прежде всего это касается сильно уширенного сигнала, имеющего необычно большую величину химического сдвига (5Н 5.85 м.д. в СБ3СК и 6.2 м.д. в СБ2С12) при 298 К, который в растворе СБ3СК (283-228 К) испытывает слабопольный «сдвиг от температуры» (0.86 м.д.), а во втором растворителе с понижением температуры, еще более уширяясь, пропадает. Обычно сигналы прототропных форм Б и В при 298 К в К-фосфориламидах имеют 5Н ~ 2.0 м.д. [1, 2, 5-7, 10]. С понижением температуры они, сужаясь, сдвигаются в слабые поля, поэтому однозначное отнесение этого сигнала к одной из форм вызывает затруднения. Но с учетом уширения обсуждаемого сигнала и сигналов амидной формы в обоих растворителях и во всем температурном диапазоне со значительной величиной их слабопольного сдвига можно сделать предположение об участии протона в образовании достаточно сильных внутри и межмолекулярных водородных связей типа С=О...Н-К и Р=О...Н-К или обеих одновременно. Тогда уширенный дополнительный сигнал в спектре ЯМР 1Н, возможно, является усредненным, характеризуя совокупность процессов. Во всяком случае в спектре ЯМР 31Р, кроме сигнала основной формы, имеются дополнительные сигналы при 5Р 46.6, 36.6, 22.8 и 1.3 м.д., которые наблюдались нами ранее при изучении внутримолекулярных перегруппировок в К-(тио)фосфорил(тио)аце-тамидах [1].
Суммируя вышеизложенное, можно сделать следующее заключение: причиной реализации цис-, транс-равновесия (50 : 50) в К-диметокси(тио)фосфо-рил(тио)ацетамиде (1) является отсутствие стерических препятствий со стороны заместителей (ОСН3)2 у атома фосфора и, наоборот, увеличение объема заместителя у фосфора за счет атома серы в К-метокси,тиометоксифосфорилаце-тамиде (2) усугубляет эти препятствия для осуществления процесса вращения вокруг связи С-К, но (с учетом подвижности протона №Н) не препятствует участию его в других внутри- и межмолекулярных процессах.
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 Уайап Ц№ТУ-300. 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 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 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)]. Определения геометрических параметров молекулы путем последовательного задания внутренних координат атомов проводилось с помощью пакета прикладных программ системы молекулярного моделирования HYPERCHEM 4.
Выводы
Совокупным анализом данных спектров ЯМР и теоретического моделирования изучена структура и внутримолекулярная динамика К-диметокси(тио)-фосфорил(тио)ацетамида (1) и К-метокси,тиометоксифосфорилацетамида (2) в растворах CCl4, CD2Cl2 и CD3CN. Показано, что соединение 1 существует в равновесии двух цис-, транс--амидных (50 : 50) и двух прототропных форм, а соединение 2 - только в транс-форме.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 09-03-00-077).
Summary
F.Kh. Karataeva, V. V. Klochkov. Experimental (NMR spectroscopy) and Semiempirical Calculations of the Structure and Intramolecular Processes in Some N-dimetoxy(thio)phos-phoryl(thio)acetamides.
NMR study and semiempirical quantum-chemical calculations of the structure and intramolecular processes in some N-dimetoxy(thio)phosphoryl(thio)acetamides in solutions of CCl4, CD2Cl2, and CD3CN are presented. N-dimetoxy(thio)phosphoryl(thio)acetamide is shown to exist in equilibrium of two amide cis- and trans- (50 : 50) and two prototropic forms. Only single trans-form is realized for N-metoxy,thiometoxyphosphorylacetamide.
Key words: N-dimetoxy(thio)phosphoryl(thio)acetamide, NMR spectroscopy, chemical shift, amide proton, bulky substituent, bond, semiempirical quantum-chemical calculations (PM3 method), cis-rotameres, trans-rotameres, prototropy, intra- and intermolecular processes, singlet, dublet.
Литература
1. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность N-^осфорил) или (тиофосфорил)амидов. VII. Структура и динамика ^(диизопропокситиофосфори-лацетамида и тиоацетамида // Журн. общ. химии. - 2000. - Т. 70, Вып. 3. - С. 433438.
2. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил-(тио)амидов. IX. Исследование строения N-диизопропоксифосфорилтиометиламида в растворах методом спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р // Журн. общ. химии. - 2000. -Т. 70, Вып. 7. - С. 1133-1138.
3. Каратаева Ф.Х. Полуэмпирические расчеты структуры и внутримолекулярной динамики ^диизопропокси(тио)фосфорил(тио)ацетамидов // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2007. - Т. 149, кн. 4. - С. 66-76.
4. Саммитов Ю.Ю. Применение спектроскопии ЯМР для изучения пространственной структуры гидрированных гетероциклов // Химия гетероцикл. соед. - 1978. - № 12. -С. 1587-1610.
5. Karatayeva F.Kh., Aganov A. V., Klochkov V. V. Dynamic NMR :H, 13C, 31P spectroscopy of the crown containing N-(thio)phosphoryl(thio)ureas // Appl. Magn. Reson. - 1998. -V. 14, No 4. - Р. 545-558.
6. Каратаева Ф.Х., Забиров Н.Г., Клочков В.В. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил(тио)амидов. III. Исследование методом спектроскопии ЯМР 1 Н, 13 С И 31 Р структуры ^диизопропокси(тио)фосфорил(тио)бензамидов // Журн. общ. химии. - 1997. - Т. 67, Вып. 7. - С. 1080-1084.
7. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфо-рил(тио)амидов. XIV. Электронное и пространственное строение N-диизопропок-си(тио)фосфорил(тио)бензамидов // Журн. общ. химии. - 2006. - Т. 76, Вып. 1. -С. 95-101.
8. Наумов В.А., Вилков Л.В. Молекулярные структуры фосфорорганических соединений. - М.: Наука, 1986. - 319 с.
9. Потапов В.М. Стереохимия. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
10. Каратаева Ф.Х., Клочков В.В. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфорил(тио)амидов. V. Исследование динамических свойств краунсо-держащих ^(тио)фосфорил(тио)карбониламидов методом ЯМР 1Н, 13С и 31Р // Журн. общ. химии. - 1999. - Т. 69, Вып. 7. - С. 1175-1182.
11. Каратаева Ф.Х. Структура и внутримолекулярная подвижность ^(тио)фосфо-рил(тио)амидов. VI. Интерпретация методом спектроскопии ЯМР 1Н, 13С и 31Р фос-форилотропной перегруппировки в ^№-бис(диизопропокситиофосфо-риламидо-карбонил)-1,10-диаза-18-краун-6-эфире в растворе ДМСО // Журн. общ. химии. -1999. - Т. 69, Вып 7. - С. 1183-1187.
Поступила в редакцию 12.08.09
Каратаева Фарида Хайдаровна - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Клочков Владимир Васильевич - доктор химических наук, профессор кафедры общей физики Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
