CC BY
41
Том 154, кн. 4
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Естественные науки
2012
УДК 541.12.038.2:536.75:536.728
КОНФОРМАЦИЯ 1,2-ДИЗАМЕЩЕННОГО п-трет-БУТИЛТИАКАЛИКС [4] АРЕНА, СОДЕРЖАЩЕГО ОБЪЕМНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ.
ДАННЫЕ Ш и 2Б (NOESY) СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР
Ф.Х. Каратаева, Р.Р. Вагизова, И.И. Стойков, И. С. Антипин, В.В. Клочков
Аннотация
Методами Ш и 2Б (МОБ8У) спектроскопии ЯМР 1Н и 13С с использованием расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-химические расчеты, метод РМ3) исследована структура 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,27-дигидрокси-26,28-бис-[М-(4'-нитрофенил)аминокарбонилметокси]тиакаликс[4]арена (1) в растворе СБС13. Установлено, что соединение 1 существует в конформации 1,2-альтернат\ где объемные заместители ОСН2С(О)КНРШО2 находятся в эндо-положении и имеют противоположную ориентацию относительно полости макроцикла.
Ключевые слова: 1,2-дизамещенный п-трет-бутилтиакаликс[4]арен, конформа-ция, 1,2-альтернат, Ш и 2Б (МОБ8У) спектроскопия ЯМР, химический сдвиг, кросс-пик, макроцикл, объемный заместитель, епёо-положение, полуэмпирические квантово-химические расчеты (метод РМ3),
Введение
Известно, что исходные каликс[4]арены конформационно подвижны в растворах [1, 2]. Введение в нижний обод каликс[4]ареновой структуры объемных заместителей препятствует подвижности макроцикла, приводя к закреплению одной из четырех возможных конформаций (конус, 1,3-альтернат, 1,2-альтер-нат и частичный конус) в зависимости от места замещения, размера и природы заместителей в «нижнем» и «верхнем» ободах [3, 4]. При этом встает задача детального изучения строения и подвижности самих заместителей, а также их ориентации относительно полости макроцикла, что является важным для использования этих веществ в качестве молекул-хозяев.
Ранее [5] нами была изучена структура моно- и 1,3-дизамещенного(ых) п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, содержащего объемны(е) заместител(и) ОСН2С(О)КНРЬКО2. Было установлено, что оба соединения в растворах существуют в конформации конус с экзо- и эндо-расположением заместителя(ей) соответственно относительно полости макроцикла.
Целью настоящей работы является изучение структуры 1,2-дизамещнного п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 1 (рис. 1) методами одно- и двумерной (КОБ8У) спектроскопии ЯМР с привлечением расчетного моделирования (полуэмпирические квантово-химические расчеты).
Рис. 1. 1,2-Дизамещенный п-трет-бутилтиакаликс[4]арен 1
1. Экспериментальная часть
Спектры ЯМР были записаны на многофункциональном импульсном спектрометре ЯМР с фурье-преобразованием Unity-300 фирмы Varían 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°-ные 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 13С использовались 30-45°-ные 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 n по временному интервалу t2 для получения второй частотной оси выбиралось из условия n¡ = (sw-1/2), 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, в качестве цифрового фильтра применялась
взвешивающая гауссова функция. Использовалась процедура дополнения ССИ нулями для получения двумерного спектра размерностью 2048x2048 точек. Алгоритмы, позволяющие выровнять базовую линию, не использовались из-за возможных ошибок при измерении интегральных интенсивностей пиков в двумерных спектрах ЯМР.
Межпротонные расстояния были определены с помощью серии экспериментов NOESY с различными временами смешивания (от 0.2 до 0.7 мс.). Затем для каждого наблюдаемого кросс-пика строилась зависимость его интегральной интенсивности от времени смешивания. Полученная зависимость аппроксимировалась прямой, для которой вычислялся тангенс угла наклона. Данный угол наклона, или скорость изменения ядерного эффекта Оверхаузера, напрямую связан с расстоянием между взаимодействующими ядрами. Расстояния между релаксирующими ядрами вычислялись из соотношения: r, = rk -(5k/^i;), где ry - расстояние между релаксирующими ядрами, rk - расстояние между калибровочной парой протонов, Sk - скорость изменения интенсивности калибровочного кросс-пика, Sy - скорость изменения интенсивности анализируемого кросс-пика.
Теоретический расчет энергий (теплот образования) соединения 1 проводился в рамках полуэмпирического подхода в программе Gaussian 03 с использованием метода РМ3.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,27-дигидрокси-26,28-бис-^-(4'-нитрофенил)-аминокарбонилметокси]тиакаликс[4]арен (1) синтезирован на кафедре органической химии Казанского университета под руководством профессора И.И. Стой-кова [7].
2. Обсуждение результатов
На рис. 2 представлен спектр ЯМР 1Н соединения 1, где протоны двух соседних ареновых колец макроцикла Н и Н2, Н3 и Н , попарно образующие спиновые системы типа АВ, показывают в спектре два квадруплета при S 7.6 и 7.4 м.д. соответственно с константой спин-спинового взаимодействия Vhh -2.6 Гц.
Одноименные фенильные протоны H7 и H8 в двух эквивалентных заместителях при соседних ареновых кольцах резонируют в виде двух дублетов при S 7.1 и 8.0 м.д. (система АХ) соответственно. Сигналы этих протонов несколько уширены по сравнению с хорошо разрешенными сигналами аналогичных протонов в спектре 1,3-дизамещенного аналога, показывающих спектр системы AA'XX [5]. Этот факт будет обсуждаться ниже при сравнении результатов расчета и эксперимента NOESY.
Магнитная неэквивалентность протонов Н5А и Н5В внутри каждой из мети-леновых групп заместителей связана, по-видимому, с несимметричным расположением этих протонов относительно соседней магнитно-анизотропной группы С=О при торможении процесса вращения вокруг связи С-С(О). Поэтому, в отличие от 1,3-дизамещенного аналога, где указанные протоны резонируют в виде синглета [5], в данном случае наблюдается АВ-квадруплет при S 4.72 м.д. с Jhh -14.5 Гц.
Сигналы протонов NK6 и ОН9 находятся при S 6.75 и 8.5 м.д. соответственно.
Рис. 2. Спектр ЯМР :Н соединения 1 в CDClз
ОЯ ОН ои но
R=-CH2-C(O)-NH-Ph-NO2 ^ ^
Рис. 3. Возможные конформации соединения 1
Вышеприведенные характеристики спектра ЯМР соединения 1, в принципе, могут соответствовать любой из четырех принципиально различающихся конформаций. Однако наличие в сильнопольной части спектра двух синглетов трет-бутильных групп при 5 1.12 и 0.86 м.д. указывает на высокую степень симметрии молекулы. Таковой обладают только три конформации: конус, 1,2-алътернат и 1,2-алътернат' (рис. 3).
В спектре ЯМР 13С в резонансной области фенилов, как и следовало ожидать, наблюдается 16 сигналов. Из них 6 сигналов принадлежат одноименным атомам углерода двух замещенных колец макроцикла. Атомам углерода двух незамещенных колец также соответствует 6 сигналов. В этой же резонансной области присутствуют и 4 сигнала атомов углерода фенильных колец двух эквивалентных заместителей.
э
Табл. 1
Теплоты образования для соединения 1, рассчитанные методом РМ3
Конформация АН°, кДж/моль
Конус -14129.0199
Частичный конус -14126.6836
1,2-альтернат -14130.8057
1,2-альтернат'' -14129.5894
1,3-альтернат -14133.7429
Табл. 2
Межпротонные расстояния r^, Ä, в соединении 1, полученные из эксперимента NOESY и полуэмпирическими расчетами (РМ3).
(NOESY) 1,2-альтернат'' 1,2-альтернат конус
OH9-H8 3.23 4.42 6.61 2.42
OH9-H2 3.73 4.82 3.27 4.86
OH9-H1 4.55 5.58 5.48 6.40
OH9-H3 4.25 4,60 4.56 4.55
OH9-H7 2.94 2.48 8.84 3.62
OH9-NH6 2.58 3.045 6.61 5.78
oh9-ch25b 3.38 3.23 4.76 3.35
H8-H2 3.31 5.87 8.04 7.81
H8-H1 3.21 7.96 10.15 9.52
H8-H3 3.87 4.52 9.32 11.15
H7-H8 2.45 2.45 2.45 2.45
H2-H1 3.29 4.30 4.29 4.29
h2-ch25b 3.18 4.62 4.57 4.61
H2-H3 3.45 1.86 5.45 2.45
H4-H3 3.54 4.30 4.30 4.30
H1-NH6 3.49 4.72 6.22 6.24
H7-H3 3.54 4.62 6.90 6.61
h7-nh6 2.32 2.34 2.39 2.33
h4-nh6 3.34 5.81 5.29 6.22
h4-ch25a 2.87 6.11 3.15 7.78
nh6-ch25a 3.68 2.66 2.59 2.53
nh6-ch25b 3.99 3.65 3.69 3.64
ch25a-ch25b 1.78 1.79 1.78 1.80
Однозначное отнесение сигналов в данной резонансной области оказалось возможным для следующих атомов углерода: С-ОН (5 155.06 м.д.), C-NO2 (5 150.64 м.д.). Сигналы остальных атомов углерода интерпретированы следующим образом: C(t-Bu) (5 34.45 м.д.), СЩ^-Би) (5 31.08 м.д.), C(t-Bu2) (5 34.31 м.д.), СЩ^-Би2) (5 31.61 м.д.), СН25 (5 67.70 м.д.) и С=О (5 165.15 м.д.). Вид спектра ЯМР 13С, так же как и спектра ЯМР :Н, указывает на высокую симметричность молекулы 1, но не позволяет выбрать предпочтительную кон-формацию из трех возможных.
Теоретический расчет теплот образования для различных конформаций соединения 1 проводился по программе Hyperchem Professional 7 с использованием метода РМЗ. В процессе расчета были найдены значения теплот образования (табл. 1) и межпротонные расстояния (табл. 2) в каждой из конформаций.
Рис. 4. Спектр ЯМР 1Н NOESY соединения 1 в CDa3
Оказалось, что наименьшей теплотой образования обладает конформация 1,3-альтернат (табл. 1), что не согласуется с данными спектров ЯМР и 13С о реализации симметричной структуры. Теплоты образования двух симметричных конформаций 1,2-альтернат имеют близкие значения (табл. 1). Поэтому следующим шагом в изучении структуры данного соединения стал двумерный эксперимент ЯМР 1Н NOESY.
Спектр ЯМР :Н NOESY соединения 1 в СБС13 (рис. 4), содержит 23 пары кросс-пиков. Протоны амидной группы NH6 показывают кросс-пики c каждым из метиленовых протонов СН25АВ и ароматическими протонами H7 заместителей, а также с протонами макроцикла H4, Н1, ОН9. Протоны СН25 заместителя показывают кросс-пик друг с другом. Протоны OH имеют семь пар кросс-пиков: с протонами макроцикла Н1, Н2, Н3 и заместителей И7, H8, NH6 и CH25. Протоны Н , Н , Н и Н макроцикла показывают кросс-пики друг с другом (Н с Н и Н3, Н4 с Н ), с фенильными протонами «хвостовой части» заместителя (Н2 с Н8, Н1 с Н8, Н3 с Н8), с протонами NH6 амидной группы (Н1 с NH6, Н4 с NH6) и метиленовыми протонами (Н2 с СН25А, Н4 с СН25В). Значения интегральных интенсивностей всех кросс-пиков отрицательные, что свидетельствует
4?
N
О' ЧЛ
Рис. 5. Конформация 1,2-альтернат'' соединения 1 с учетом геометрических параметров, рассчитанных методом РМ3
об отсутствии в соединении 1 в растворах эффектов химического обмена. Таким образом, все кросс-пики обязаны эффекту Оверхаузера. В качестве калибровочной пары протонов выбрали пару ароматических протонов заместителя Н7-Н8 [6]. На рис. 4 она обведена кружками.
Такому виду спектра ЯМР :Н NOESY, в котором одновременно наблюдаются кросс-пики протона МН6 с ароматическими протонами макроцикла Н4 и Н1 различно замещенных колец (то есть несущего и ненесущего амидсодержащий заместитель), а также кросс-пики у каждого из ароматических протонов макроцикла Н2 и Н4 с одним из протонов метиленовых групп заместителей (СН25А и СН25В соответственно), удовлетворяет только одна конформация - 1,2-альтернат', в которой заместители у двух соседних колец макроцикла имеют противоположную ориентацию относительно полости макроцикла (рис. 5).
Сравнительный анализ экспериментальных и рассчитанных значений межпротонных расстояний для возможных конформаций соединения 1 показал (табл. 2), что наилучшая сходимость результатов наблюдается также для кон-формации 1,2-альтернат' (рис. 3). Однако значения экспериментально определенных расстояний между ароматическими протонами макроцикла Н , Н , Н и протонами МН6, Н7 и Н8 заместителей оказались меньше рассчитанных для данной конформации. В большей степени это касается расстояний между важным с точки зрения формирования и идентификации конформации 1,2-альтернат' протоном Н8 и протонами Н1, Н2 и Н3 (табл. 2). Уменьшение указанных
расстояний, вероятнее всего, вызвано тем, что объемные заместители -OCH2C(O)NHC2H4NO2 - обращены внутрь полости макроцикла, то есть находятся в endo-положении и достаточно жестко закреплены в пространстве.
В этой стерической ситуации происходит сближение ароматических протонов Н4 незамещенных ареновых колец макроцикла c протонами NH6 и СН25А заместителей (табл. 2). Стерическими затруднениями в молекуле объясняется и торможение процесса вращения метиленовых протонов СН25А,В вокруг связи С-С(О), приводящего к их магнитной неэквивалентности в спектре ЯМР Н (рис. 2). И, наконец, возможно также сближение одного из протонов Н заместителя с ароматическими протонами макроцикла, вызывающее соответствующее уширение сигналов Н в спектре ЯМР Н (рис. 2). При этом сигналы уда-тт8
ленных протонов Н «хвостовой» части, испытывающих меньшие пространственные затруднения, более узкие.
3. Выводы
Методом одно- и двумерной спектроскопии ЯМР 1Н и 13С изучена структура 1,2-дизамещенного n-трет-бутилтиакаликс^арена, содержащего объемные заместители OC^^O^HPhNO^ Показано, что соединение в растворе дейтеро-хлороформа существует в конформации 1,2-альтернат\ где заместители находятся в endo-положении и имеют противоположную ориентацию относительно полости макроцикла.
Summary
F.Kh. Karataeva, R.R. Vagizova, I.I. Stoikov, I.S. Antipin, V.V. Klochkov. Conformation of 1,2-Disubstituted p-tert-Butylthiacalix[4]arene Containing Bulky Substituents. Data from 1D and 2D (NOESY) NMR Spectroscopy.
The spatial structure of 5,11,17,23-tetra-tert-butyl-25,27-dihydroxy-26,28-bis-[N-(4'-nit-rophenyl)aminocarbonylmethoxy]thiacalix[4]аrene 1 in CDCl3 solution was studied by 1D and 2D (NOESY) NMR spectroscopy and semi-empirical quantum-chemical calculations (PM3 method). It was ascertained that compound 1 exists in a 1,2-alternate conformation, where the bulky substituents OCH2C(O)NHPhNO2 are in endo-positions and have the opposite orientation with respect to the macrocycle cavity.
Key words: 1,2-disubstituted p-tert-butylthiacalix[4]arene, conformation, 1,2-alternate conformation, 1D and 2D (NOESY) NMR spectroscopy, chemical shift, cross-peak, macrocycle, bulky substituent, endo-position, semi-empirical quantum-chemical calculations (PM3 method).
Литература
1. Lang J., Dvorakova H., Bartosova L., Lhotak P., Stibor I., Hrabal R. Conformational flexibility of a novel tetraethylether of thiacalix[4]arene. A comparison with the "classical" methylene-bridged compounds // Tetrahedron Lett. - 1999. - V. 40, No 2. -P. 373-376.
2. Iki N., Morohashi N., Suzuki T., Ogawa S., Aono M., Kabuto S., Kumagai H., Takeya H., Miyanari S., Miyano S. Crystal structure and inclusion property of p-tert-butylthiaca-lix[6]arene // Tetrahedron Lett. - 2000. - V. 41, No 15. - P. 2587-2590.
3. Iki N., Narumi F., Suzuki T., Sugawara A., Miyano S. A new chiral stationary phase for gas chromatography by use of a chiral thiacalix[4]arene derivative // Chem. Lett. - 1998. -V. 27, No 10. - P. 1065-1066.
4. Lamartine R., Bavoux C., Vocanson S., Martin A., Senlis G., Perrin M. Synthesis, X-ray crystal structure and complexation properties towards metal ions of new thiacalix[4]are-nes // Tetrahedron Lett. - 2001. - V. 42, No 6. - P. 1021-1024.
5. Каратаева Ф.Х., Вагизова Р.Р., Стойкое И.И., Антипин И.С. Изучение методами одно- и двумерной спектроскопии ЯМР структуры р-трет-бутилзамещенных тиа-каликс[4]аренов, содержащих амидный фрагмент // Журн. общ. химии. - 2009. -Т. 79, Вып. 9. - С. 1495-1503.
6. Nomura E., Takagaki M., Nakaoka C., Uchida M., Taniguchi H. Effects on metal binding of circular NH.O=C intramolecular hydrogen bonding in hydrophilic pseudocavities of p-tert-butylcalix[4]arenes carrying amino acid moieties // J. Org. Chem. - 1999. - V. 64, No 9. - P. 3151-3156.
7. Шестакова Н.В., Ибрагимова Д.Ш., Стойкое И.И., Антипин И.С., Коновалов А.И. Региофункционализация тиакаликс[4]арена ^(4-нитрофенил)-а-бромацетамидом // Тез. IV конф. молодых ученых НОЦ КГУ «Материалы и технологии XXI века». -Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2004. - С. 87.
Поступила в редакцию 30.05.12
Каратаева Фарида Хайдаровна - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: [email protected]
Вагизова Резеда Радифовна - кандидат технических наук, начальник сектора ОАО КазХимНИИ, г. Казань.
E-mail: [email protected]
Стойков Иван Иванович - доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: [email protected]
Антипин Игорь Сергеевич - доктор химических наук, чл.-корр. РАН, заведующий кафедрой органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: [email protected]
Клочков Владимир Васильевич - доктор химических наук, профессор кафедры общей физики Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: [email protected]
