Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние спектроскопии ЯМР 13С природных полициклических изопреноидов 9
1.1. Методы расчета химических сдвигов х С.
1.1.1. Алканы 11
1.1.2. Циклоалканы. ІЗ
1.1.3. Стероиды и тритерпеноиды 15
1.2. Эффекты заместителей на химические сдвиги тях С в спектрах стероидов. 19
1.2.1. Эффекты гидроксильной группы 20
1.2.2. Эффекты карбонильной группы 25
1.2.3. Эффекты двойной связи 26
1.2.4. Эффекты гликозилирования в стероидах и тритерпеноидах 27
1.3. Спектроскопия ЯМР 13С тетра- и пентациклических тритерпеноидов 30
1.3.1. Спектроскопия ЯМР С скелетной части тетрациклических тритерпеноидов даммаранового ряда. 30
1.3.2. Спектроскопия ЯМР 13С боковых цепей при С17 стеринов и тетрациклических тритерпеноидов даммаранового ряда 35
1.3.3. Спектроскопия ЯМР 13С пентациклических тритерпеноидов ряда лупана и тетрациклических тритерпеноидов ряца 9,19-циклоланостана 45
2. Обсуждение полученных результатов.
2.1. Эффекты заместителей на химические сдвиги хоС тетра- и пентациклических тритерпеноидов 55
2.1.1. Эффекты гидроксильных групп 55
2.1.2. Эффекты ацетатных групп 68
2.1.3. Эффекты карбонильных групп 71
2.1.4. Эффекты гликозилирования на химические сдвиги хоС тритерпеноидов даммаранового ряда 75
2.1.5. Эффекты ортоэфирной группировки на химические сдвиги 13С тритерпеноидов даммаранового ряда 79
2.1.6. Эффекты боковой цепи при Сг" на химические сдвиги 13С скелетной части тритерпеноидов даммаранового ряда 83
2.1.7. Эффекты заместителей на химические сдвиги х С пентациклических тритерпеноидов лупанового ряда 90
2.2. Применение спектроскопии ЯМР ^С для конформа-ционного анализа природных соединений 92
2.2.1. Исследование возможностей применения спектроскопии ЯМР - для конформационного анализа полициклических соединений родственных природным изопреноидам 94
2.2.2. Конформационный анализ тритерпеноидов даммаранового ряда с замкнутой боковой цепью при С17 101
2.2.3. Конформанионный анализ тритерпеноидов даммаранового ряда с открытой боковой цепью при Сг 108
2.2.4. Применение спектроскопии ЯМР ХН и хоС для определения конфигурации асимметрического центра (г в 24-гидроксилсодержащих тритерпеноидах даммаранового ряда с открытой боковой цепью 111
2.3. Установление структуры трансформированных тетра- и пентациклических тритерпеноидов методом спектроскопии ЯМР 118
2.4. Применение спектроскопии ЯМР -1 для качественного и количественного анализа содержания различных тритерпеноидов даммаранового ряда в неомыляемой части суммарного эфирного экстракта из листьев дальневосточных видов берез 125
2.5. Установление структуры гликозида нового пентациклического тритерпенового спирта ряца 9,19-циклоланостана методом спектроскопии ЯМР % и 13С 132
2.6. Полуэмпирический расчет значений химических сдвигов хоС пятичленных карбоциклов высших изопреноидов 138
3. Экспериментальная часть 146
Выводы 148
- Эффекты заместителей на химические сдвиги тях С в спектрах стероидов.
- Спектроскопия ЯМР С скелетной части тетрациклических тритерпеноидов даммаранового ряда.
- Применение спектроскопии ЯМР ^С для конформа-ционного анализа природных соединений
- Установление структуры трансформированных тетра- и пентациклических тритерпеноидов методом спектроскопии ЯМР
Введение к работе
В течение последних 25 лет объектом тщательных исследований советских и японских хшликов являются тетрациклические тритерпе-ноиды даммаранового ряда. Столь пристальное внимание к ним связано с принадлежностью к этому классу изопреноидов генинов гликозидов женьшеня, обуславливающих специфическую биологическую активность экстрактов корня этого уникального растения.
Интерес к этому классу изопреноидов еще более усилился, когда сотрудниками Тихоокеанского института биоорганической химии ДВНЦ АН СССР было обнаружено, что листья некоторых дальневосточных кустарниковых видов берез могут являться дешевым источником тетрациклических тритерпеноидных спиртов даммаранового ряда, близких по структуре к генинам гликозидов женьшеня. Гликозилирование этих спиртов открывает путь к получению близких аналогов гликозидов женьшеня.
В связи с широкими исследованиями, развернутыми в Тихоокеанском институте биоорганической химии по выделению даммарано-вых спиртов из листьев берез и гликозилированию их различными способами, необходшлы были методы быстрого и надежного установ - 6 ления структуры выделенных природных полиолов и продуктов их гликозилирования, а также оценки качественного и количественного содержания даммарановых спиртов в экстрактах листьев. Одним . из таких методов явилась спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 (ЯМР •t3C), возможности которой в решении структурных проблем несравненно шире, чем спектроскопии ЯМР на ядрах водорода (ЯМР
Спектроскопия ЯМР XUC позволяет быстро и надежно устанавливать полную структуру природных олигозидов, не прибегая к классическим деструктивным методам. Это в полной мере относится как к структуре генина, так и к структуре углеводной компоненты, включая конфигурацию гликозидных связей.
Для структурных исследований тетрациклических тритерпенои дов даммаранового ряда метод ЯМР 13С впервые был использован японскими химиками в 1977 году и с тех пор масштабы применения этого метода непрерывно растут. К сожалению, ограниченный набор генинов гликозидов, которым располагали японские исследователи, явился причиной неточного отнесения сигналов ряда атомов угле-то рода в спектрах хоС объектов исследования.
Для успешного применения спектроскопии ЯМР ІЗС в исследованиях структур указанных тритерпеноидов однозначное отнесение сигналов в их спектрах АОС играет решающую роль. Существенную помощь в отнесении сигналов оказывает знание эффектов различных заместителей, часто встречающихся в различных положениях скелета природных тритерпеноидов, на химические сдвиги (ХС) 13С. Знание этих эффектов является залогом надежного определения строения новых соединений, правильного понимания их физико-химических свойств, а также установления механизмов реакций с участием этих соединений.
Весьма интересным аспектом применения спектроскопии ЯМР XvJC является конформационный анализ тетрациклических тритерпеноидов.
Высокая чувствительность величин ХС определенных атомов хоС по отношению к конформациям тетрациклического скелета и боковой цепи при С17 позволяет проводить конформационный анализ тритерпенових спиртов в растворе, даже не прибегая, в ряде случаев, к низкотемпературным ЯМР-исследованиям. Результаты конформапион-ного анализа с помощью ЯМР 13С вносят значительный вклад в установление правильной структуры тетрациклических тритерпеноидов, а также в правильную интерпретацию их спектров хоС.
В настоящее время эффекты различных заместителей на ХС 13С тритерпеноидов изучены далеко не полностью и не для всех положений скелета, а исследования, посвященные влиянию различных кон-формаций и быстрых конформационных переходов боковых цепей при С17 тетрациклических тритерпеноидов на ХС 13С, практически отсутствуют. Решение этих задач и явилось, по существу, предметом настоящей работы. Кроме того, часть работы посвящена разработке полуэмпирической схемы расчета ХС хоС пятичленных колец тетра- и пентадиклических тритерпеноидов с учетом конформации циклопентанового кольца, поскольку известные методы расчета ХС 13С применит лишь к креслообразной конформации шестичленних циклов.
В связи с этим, в первой части литературного обзора рассмотрены известные полуэмпирические методы расчета величин ХС ациклических и карбоциклических соединений, во второй части - эффекты различных функциональных групп на ХС С в спектрах, а в третьей - современное состояние спектроскопии ЯМР хоС тетра- и пентациклических тритерпеноидов.
В настоящей работе методом спектроскопии ЯМР 13С изучено 145 тетра- и пентацикличеоких тритерпеноидов, их производных и модельных соединений. Автор работы выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории органического синтеза природных соединений Тихоокеанского института биоорганической химии ДВНЦ АН СССР и ее руководителю д.х.н. Н.И.Уваровой за предоставленную ему возможность изучить столь богатый набор природных и синтетических тритерпенових спиртов и их производных.
Эффекты заместителей на химические сдвиги тях С в спектрах стероидов.
В настоящее время наиболее точные предсказания значений ХС С можно сделать, лишь зная эффекты конкретных заместителей в сходном структурном фрагменте и располагая спектром 13С модельного соединения, имеющего минимальные различия с исследуемым соединением. Накопление данных по точным эффектам заместителей в конкретных структурных фрагментах позволит , вероятно, в будущем обнаружить новые более общие закономерности в спектрах ЯМР ТО хоС природных соединений. По этому пути, например, пошли X. Эггерт и К. Джерасси с сотр. [27-3(5]. Для определения эффектов гидроксильных групп на ХС 13С в спектрах стероидов К.Джерасси с сотр. было синтезировано 31 мо-ногидроксипроизводное ряда холестана и андростана. Значения эффектов ОН-группы, полученные из спектров ЯМР 13С этих стероидных спиртов, в зависимости от ее положения в скелете и ориентации, приведены в таблице 3 [28]. Для расчета о(-эффекта гидро-ксильной группы в спектрах 13С стероидов предложена формула : Ао((м.д.)=45,0 + 3,5р-3,5п , где Ао( -эффект ОН-группы; р - число скошенных пентановых взаимодействий; п -число 4 гош атомов С, имеющих протон, способный взаимодействовать с ОН-грушюй. Неудобством этого метода является необходимость иметь в качестве базового спектр модельного углеводорода с незамещенным стероидным скелетом для определения значений ХС ІЗС в зависимости . от места и конфигурации ОН-заместителя. Закономерности, найденные для /б-эффекта ОН-группы в спект-pax хоС стероидов, совпадают с общеизвестными закономерностями, найденными для более простых соединений [їв]. Джерасси с сотр. [28] показано, что величина /3-эффекта ОН-грушш колеблется от 2,3 до 13,5 м.д. ; в-эффект экваториальной ОН-группы обычно больше, чем аксиальной ; & -эффект зависит от числа ядер водорода, присоединенных к этому атому С, и увеличивается при переходе от четвертичного атома С к метиловому и метиленовому.
По их мнению разность в-эффектов аксиальной и экваториальной 0Н-групп зависит от числа 4 -гош взаимодействий аксиальной ОН-группы с атомами С, находящимися в -положении относительно ОН- группы с атомами С, находящимися в положении относительно ОН-грушш.1 Предполагается, что эти 4 гош-взаимодействия вызывают удлинение СА С»связи. К.Шжерассй с сотр. найдено, что 6-эффект ОН-грушш в шестичленних циклах количественно описывается зависимостью от числа Л гош взаимодействий ОН-группы, за исключением тех случаев, когда она включена в скошенное пентановое взаимодействие : где о,- число 4 -гош взаимодействий ОН-грушш с -атомами С, связанными с рассматриваемым я-атомом. Увеличенные в-эффекты Ig-ОН-группы на ХС С2 (11,0 м.д,) и По4-Ш-группн на ХС С (11,7 м.д.) объясняются скошенным пентановнм взаимодействием ОН-группы при Сг и Н 1 в первом случае и П-оЙШ-группы и Н во, втором. Как видно из таблицы 3, авторы разделяют эффекты 0Н-групп на два типа : -гош-эффекты (г), в случае когда ОН-груп -па и рассматриваемый атом С имеют гош- расположение друг относительно друга, и транс-эффекты (т). Эффекты последнего типа обычно малы (1,3 4- -3,0 м.д.). Слабопольный или нулевой эффект Тт) наблюдается для четвертичного или метильного -углеродного атома. Величина жг) -эффекта ОН-группы зависит от степени замещения -атома. Среднее значение этого эффекта для метиленового -атома С равно -6,5 м.д., для метилового -7,8 м.д., а для четвертичного - Зі,0 м.д.. Однако, в тех случаях, когда ОН-группа расположена при четвертичном атоме углерода, антипери-планарный -эффект ее может быть положительным и достигать значения 6,2 м.д. [Зі], в то время, как для вторичной ОН-грушш подобный эффект является преимущественно экранирующим [28]. Из 80 значений о-эффектов пяти типов (Si-o5) f наблюдавших- путем геометрических искажений молекулы, чем для более жестких молекул. Остальные типы о-взаимодейетвий (0,-) вызывают гораздо меньшие эффекты на ХС 3С (1,7 -ІД м.д.), чем о± , причем, 70 значений этих эффектов только восемь превышали 1,0 м,д.;, Для о(-аксиальной ОН-грушш 8р -0,5 м.д., а во всех остальных случаях ste у дезэкранируадие. В случае иальной ОН-группы значения о2-эффекта находятся в интервале 0,2 0,7 м.д., если же ОН-группа экваториальная, 8г-1,0 м.д.. Эффекты типа 3и Ьл обычно очень малы, в то время, как эффект типа Ss обычно дает сдвиг в сильное поле на 0,8 м»д.. Результаты расчетов геометрии молекул стероидов по методу силового поля [32] подтверждают предположения Х.Эггерт и К.Джерасси о том, что величины всех типов эффектов заместителей могут зависеть от степени геометрических искажений молекулы, а также подтверждают предсказанное ими удлинение связи CL- С в случае аксиальной ОН-грушш, по сравнению с экваториальной. Недавно Рей с сотр. [зз] путем множественного регрессивного анализа литературных данных по эффектам ОН-групп в спектрах. 13С нашел, что учет взаимодействий ОН-группы с атомами С, отстоящими от нее на четыре С-С связи, а также введение нового параметра, учитывающего число атомов водорода в транс-положении к ОН-груп-пе, позволяет рассчитывать о(-эффект экваториальной ОН-грушш со средним стандартным отклонением от экспериментальных значений 0f;95 м.д. по формуле : А8 =AS0+ йа + 81 +Vd + Ее, где Аоо- постоянный член; Д, В ,D и Е -коэффициенты, навденные статистически; а- число скошенных пентановых взаимодействий с участием рассматриваемой ОН-грушш; о- число я гош атомов углерода, имеющих при себе протоны, способные взаимодействовать с 0Н-группой; d- число протонов в транс-расположении относительно ОН-грушш; е- число углеродных атомов в о-положении относительно ОН-грушш. Ао0- 42,2 м.д.; Д = 2,04 м.д.; В = -3,83 м.д.; D = 2,65 м.д.; Е = 1,62 м.д.. Для третичных спиртов Реем с сотр. [33] предложена форму ла расчета о(-эффекта ОН-грушш, которая обеспечивает стандарт ное отклонение расчетных значений ХС от экспериментальных 1,34 М.Д.1 : 0 Однако, обе формулы, предложенные в [S3] не обеспечивают улучшения сходимости расчетных и экспериментальных значений ХС АОС в случае аксиальных ОН-групп. К.Джерасси и сотр. [29] изучены эффекты гидроксильных групп в спектрах ЯМР xoG ряда дигидроксистероидов. Найдено, что все закономерности, обнаруженные для моногидроксистероидов, сохраняются и для дигидроксистероидов.
Кроме того, соблюдается аддитивность эффектов ОН-групп на ХС 13С, за исключением тех случаев, когда эти группы являются вицинальными. В последнем случае аддитивность эффектов ОН-групп сохраняется, если ввести дополни- тельный параметр, отражающий 4-гош взаимодействие с соседней ОН-группой. Величина этого параметра зависит от взаимного расположения вицинальных ОН-групп» Если ОН-грушш расположены экваториально-экваториально, то его значение найдено равным -4,0 і 0,3 м.д.; если аксиально-экваториально, то его значение -5,8 -1,0 м.д.; В случае транс-диаксиального расположения ОН-групп -3,4 м.д.. Для случая 1,3-син-диаксиального расположения ОН-групп Необходимо вводить поправочный параметр для обоих карбинильных атомов С равный 8,0 і 0,8 м.д. 1.2.2. ЭФФЕКТЫ ШБОНШЕБНОЙ ГРУППЫ. В 1973 г, Х.Эггерт и К.Джерасси с сотр. исследовали ряд кетостероидов методом спектроскопии ЯМР 3С [27] и обнаружили, что сигналы карбонильных атомов С в спектрах 13С стероидов, имеющих кетогруппу- в положениях 2 - II, имеют одинаковые значения XG ХС (212 і 1,0 м.д. ). Если же карбонильная группа находится рядом с четвертичным атомом С, как, например, в І-, 12- и 17-кетосте-роидах, то наблюдается сдвиг резонанса карбонильного атома С в спектре АОС в слабое поле на 3,0 - 4,0 м;дЛ Влияние кетогрушш на ХС 3С б-углеродных атомов зависит от степени замещения последних. Наблюдаемые 6-эффекты обычно на 2,0 - 3,0 м.д. меньше, когда кетогруппа находится в пятичлен-ном кольце, чем в любом из шестичленних. Для четвертичных атомов С, находящихся в & -положении к кетогруппе, найдены значительно уменьшенные /3-эффекты ( 7 м.д.), чем для метиленовых углеродных атомов. Наблюдавшиеся К.Джерасси с сотр. [2 эффекты кетогрушш в спектрах 13С стероидов сильно изменялись по величине и знаку С от 6,3 м.д. до -9,5 м.д. ). Наибольший сдвиг в сильное поле сигнала углеродного атома в спектрах 13С наблюдается, когда он заслонен кетогруппой. 1.2.3. ЭФФЕКТЫ ДВОЙНОЙ СВЯЗИ. Одна из работ К.Джерасси и Х.Эггерт по спектроскопии ЯМР 13С стероидов посвящена правилам предсказания значений ХС в спектрах мононенасыщенных стероидов [зб].
Спектроскопия ЯМР С скелетной части тетрациклических тритерпеноидов даммаранового ряда.
Тетравдклические тритерпеноиды даммаранового ряда являются одним из интереснейших классов природных изопреноидов. К этому классу изопреноидов относятся агликоны гликозидов женьшеня, обуславливающие биологическую активность экстрактов корней этого уникального растения. При большом разнообразии гликозидов, выделенных из экстрактов различных частей женьшеня, число видов аг-ликона этих сапонинов невелико. К сожалению,в рамках настоящего обзора невозможно описать спектры ЯМР С всего множества гликозидов женьшеня, поэтому основное внимание будет уделено спектрам агликона и эффектам заместителей на ХС 3С тетрапиклического скелета агликона. Впервые генины гликозидов женьшеня были изучены методом спектроскопии ЯМР 13с лишь в 1977 году [37], поэтому результаты этих исследований не включены еще в обзоры по спектроскопии ТО ЯМРхоС природных соединений. Исследования этого класса изопрено- идов методом ЯМР ІЗС за рубежом ведутся только японскими учеными. Основными типами генинов гликозидов женьшеня являются прото-панаксадиол (I) и протопанаксатриол (2) [37]. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР ІЗС (І) и (2) выполнялось методом сопоставления спектров исследуемых соединений со спектрами их селективно деитерированных аналогов, а также со спектром трихлорацетилизощонатного производного по С20 одного из соединений. Идентификация сигналов 13С четвертичных атомов С в спектре (3) ( BCDCU) проведена по зависимостям их значений ХС от концентрации лантанидного сдвигающего реагента Еы {fed-} в рас-творе. Ниже на структурных формулах агликона и их фрагментах приведены эффекты ОН-грушш на ХС 13С агликона, которые вычислены нами по данным [з?] относительно соответствующих соединений с незамещенным метиленовим звеном, и эффекты карбонильной Конформации боковой цепи соединений типа (4) и (5), изобра-женные на рисунке 2 в виде проекций Ньюмена вдоль связи Сх -С , как в 20(B)- так и в 20(Ю-ряду стабилизированы внутримолекулярной водородной связью между I26-0H- и 20-ОН-группами [37-39] . В связи с этим, появление 126-гидроксилъной группы в скелете дам-маранового тритерпеноида должно вызывать изменение конформации боковой цепи в том случае, когда конформации 12-окси- и соответствующего 12-дезоксисоединения различаются.
Очевидно,этим различием и объясняются такие дальние эффекты 12 -ОН-грушш на ХС - атомов С16, С20, С21, С22 и С30 в спектрах (4) и (5) изображенные на их стпуктурных формулах, В работах О.Танака с сотр.[40-44]и других японских исследователей [45,46] методом ЯМР 13С исследовано большое число сапонинов женьшеня, генинами которых являются (I) и (2). Все они различаются только углеводными компонентами, которые располагаются при С3, С6 и С20 и связаны с агликоном /6-0-гликозидной связью.Углеводные цепи в изученных гликозидах содержат от одной до трех углеводных единиц, причем,ближайшая к агликону углеводная единица , как правило, -D -глюкоза. В ряду даммарановых сапонинов женьшеня наиболее часто встречаются соединения с 20-0-гликозид-ной связью, далее с гликозидной связью по З/з-ОН-грунпе, реже по 6о(-ОН-группе и совсем редко по І2б-0Н-грушіе. В составе гликозніт? дов по С6 в качестве углеводного компонента обнаружена только в-ІЬглюкоза, в гликозидах по С встречается преимущественно глюкоза и реже ксилоза, а углеводный компонент при С может содержать глюкозу, рамнрзу и ксилозу. Наибольшим разнообразием отличается углеводный компонент гликозидов по С2 . В его составе может встречаться глюкоза, арабиноза; (в пиранозной и фуранозной формах) и ксилоза. Кроме того, в различных гликозидах тритерпе- новых спиртов даммаранового ряда обнаружен различный порядок гликозпдных связей между углеводными единицами. Однако, поскольку непосредственно с агликоном всегда связан остаток глюкозы, то эффекты углеводного компонента гликозидов на ХС С агликона в спектрах гликозидов даммарановых тритерпеноидов для любого его положения в скелете агликона практически не зависят от длины углеводной цепи и порядка связи сахарных звеньев. Типичные эффекты гликозилирования даммарановых спиртов по различным положениям в скелете на величины ХС - атомов агликона относительно соответствующего спирта приведены ниже на фрагментах структурных формул для растворов обсуждаемых соединений в дейтеропиридине.
На основании отсутствия сигналов метиленових и метиловых углеродных атомов в области 36,1 - 48,1 м.д. в спектре хоС производного (16), полученного из (15), авторами [49J делается вывод о принадлежности (15) к 20(Б)-ряду. Химические и биологические свойства стеринов и тетрацикли-ческих тритерпеновдов в значительной мере зависят от строения боковой цепи (БЦ) при С . Спектроскопия ЯМР С является сейчас одним из наиболее универсальных методов определения структуры БЦ, конфигурации асимметрических центров и двойных связей в изо-преноидах. К настоящему времени в литературе накопилось много данных по корреляции структур БЦ высших изопренондов со значени-ями ХС хоС. Однако, в большинстве случаев решение вопросов определения конфигуращи асимметрических центров БЦ часто осложнено ее конформаодонной подвижностью. Наиболее часто в природных соединениях встречаются БЦ типа (17), состоящие из восьми углеродных атомов : Отнесение сигналов 13С атомов БЦ типа (17) осуществлено давно [4,10,27] , хотя и без однозначности отнесения сигналов С2 и С . Доказательство того, что сигнал "про-3"-метильной груп-пы Сл лежит в более слабом поле, чем "про-ІГ-метильной группы С26, было приведено недавно в 1979г. [бо] на основании спектра 13С селективно (по "про-"-СНз-грутіе) дейтерированного холестерина. Значительная часть сведений по ЯМР 13С БЦ изопренондов опубликована в обзоре [її]. Некоторые из этих сведений приводятся ниже на фрагментах структурных формул высших изопренондов соответствующих их боковым цепям. Наиболее характеристичным является в-эффект 22-ОН-грушш на ХС С и (44,5 м.д. для $-ряда и 6,8 м.д. для R-ряда), а также атома С23 (9,8 м.д. для S-ряда и 3,6 м.д-. для R-ряда. В [51] сообщается об изучении методом ЯМР 13С двух изомеров 20(22)-дегидрохолестерина с БЦ типа (22) и (23) и четырех эпиме-ров 20,22-эпоксихолестерина с БЦ типа (24)-(27), являющихся ин-термедиатами метаболизма холестерина в организме человека. Предполагается, что холестерин превращается в прегненолон через 20 R, 22Р-дигидроксихолестерин, который образуется путем эпоксидиро-ния 20(22)-енового соединения с БЦ типа (23). В работе Блунта с сотр.[бб] конфигурацию центра С24 в да-кристерине удалось определить путем сравнения спектров - (в CDCU) соединения с БЦ типа (45) и соединения с заведомо извест- од ной (R)-конфигурацией С (макистерона) ,имеющего аналогичную БЦ. Совпадение значений ХС 3С БЦ (45) с соответствующими значениями заведомого образца однозначно доказывало (R)-конфигурацию С24 в БЦ(45).
Применение спектроскопии ЯМР ^С для конформа-ционного анализа природных соединений
Низкотемпературная спектроскопия ЯМР Н является одним из общепризнанных методов определения констант конформационного равновесия исследуемых соединений. Однако сложность интерпрета- т ции спектров ЯГ ЛР Н больших молекул не позволяет считать этот метод идеальным для конформационного анализа природных соединений. Применение лантанидных сдвигающих реагентов с целью упрощения спектров Н не может быть корректным при конформационном анализе, так как процессы комплексообразования должны существенно влиять на величину константы конформационного равновесия. Простая форма спектров ЯМР ІЗС в условиях широкополосной развязки от взаимодействия с протонами, высокая чувствительность ХС ядер С по отношению к изменениям электронного окружения, бурный рост экспериментальных возможностей спектроскопии ЯМР 3С в последнее десятилетие, а также обнаружение корреляций величин ХС С с геометрическими параметрами молекул сделали реальным применение этого метода для конформационного анализа природных соединений. Однако классический метод "вымораживания конформеров", за- ключающийся в измерении отношения интегральных интенсивностей линий, принадлежащих различным конформерам, при температуре образца, обеспечивающей медленные ( во временной шкале ЯМР ) кон-формационные переходы, ограничен низкой чувствительностью метода то ЯМР хоС и растворимостью исследуемых соединений при температуре 173К и ниже. При промежуточных скоростях конформадионных переходов ( в интервале температур 193 - 243К ) линии спектра уширены и часто перекрываются между собой. Исследование информационного равновесия в этом интервале температур требует длительных экспериментов с привлечением анализа полной формы линий спектра. В связи с этим особый интерес представляют эксперименты хоС при температурах близких к комнатным, когда в спектрах ЯМР С наблюдаются усредненные сигналы. Зная зависимость величины ХС от геометрических характеристик молекулы, можно рассчитать значения ХС атомов каждого конформера, пользуясь одной из существующих аддитивных схем расчета [і2-І4,2І,22,2б] и определить константу конформационного равновесия по значениям экспериментальных ХС путем интерполяции между расчетными значениями ХС для каждого конформера. Точность определения константы конформационного равновесия в этом случае ограничена, несомненно, точностью расчета значений ХС, но и такой грубой оценки часто бывает достаточно для определения предпочтительной конформации молекулы в растворе.
Однако, в тех случаях, когда имеются спектры модельных соединений, в которых конформации стабилизированы каким-либо образом (например, ВМВС или стерическими взаимодействиями) и соответствуют, преимущественно, одной из возможных конформации изучаемого соединения, точность определения константы конформационного равновесия существенно возрастает. Примеры конкретного использования спектроскопии ЯМР С для конформационного анализа циклогексана и его простейших производных приведены в обзоре Сергеева и Субботина poj, в то время как анализ полищклических соединений остается пока малоизученной областью. Для конформационно подвишшх полиіщклических соединений с цис-сочленением колец задача отнесения сигналов в спектре ЯМР С часто связана с конформационным анализом изучаемых соединений с целью определения предпочтительной конформации. Подобная задача встала перед наїли при изучении методом спектроскопи. ЯМР 13С щс-син-цис-9-метил-4,5-тетраметиленпергидроинданонов (187)-(189) - структурных аналогов стероидов [94]. соединений. Сопоставлением расчетных и экспериментальных значений ХС 13С (Таблица 12) можно ограничить круг возможных конфор-маций (187)-(189) теми, в которых її является экваториальным к кольцу С (конформация KI), так как только при этом условии расчетные значения ХС большинства атомов углерода и особенно С5 близки к экспериментальным, причем предпочтение следует отдать методу расчета ХС С [2б]. При выборе между теоретически возможными конформациями соединений (187)-(189) сигналу С отведена особая роль по нескольким причинам. Во-первых, он находится далеко от пятичленного цикла, для которого применяемые методы расчета ХС 3С [22,2б] имеют ограничения.
Во-вторых, другие однозначно отнесенные сигналы С8,С9 и С либо малочувствительны к изменениям конформации в расчетных спектрах, либо находятся в пятичленном цикле. В-третьих,в альтернативных конформациях с (Г аксиальным її к кольцу С ( конформація К2 ) расчетные значения ХС С лежат в области 37,0 м.д., где в экспериментальных спект-. pax отсутствуют сигналы третичных атомов С. Кроме того, в области 19,0 - 23,0 м.д. в спектрах I3C (187)-(189) находится по три сигнала метиленовых атомов С, что совпадает с расчетным количеством сигналов вторичных атомов С в этой области для конформации KI. В расчетных спектрах альтернативных конформации типа К2 в этой области находятся лишь по два сигнала метиленовых атомов С. Это различие также подтверждает вывод об экваториальном к кольцу С положении її5 в соединениях (187)-(189) ( конформация KI ). Изучение молекулярных моделей Дрейдинга для исследуемых соединений обнаруживает сильные дестабилизирующие стерические взаимодействия в конформациях типа К2 , еще раз указывая на правильный выбор типа конформации для этих соединений. Таким образом, для конформационного равновесия в соединениях (187)-(189) характерно, очевидно, существенное преобладание конформации типа КІ. Этот тип конформащй допускает существование двух конформа-пдонных форм соединений (187)-(189) : с кольцом В в виде "полу-кресла" либо "ванны". Кольцо А, как видно из модели Дрейдинга, Т О О О имеет форму конверта, в котором атомы С,С ,С и С лежат в одной плоскости, а С выходит из нее в 0-область. Кольцо С несомненно имеет форму "кресла", так как в исследованных соединениях отсутствуют стерические взаишдеиствия, которые шгли бы вызвать его переход в менее выгодную конформацию "ванна". Использованный метод расчета ХС 3С [26], дающий лучшее совпадение с экспериментальными значениями, применим лишь для конформащй "кресло" циклогексановых колец. Поэтому расчет производился только для конформащй типа KI и К2. По результатам расчета нельзя сделать однозначный выбор между конформащей "кресло" или "ванна" кольца В, так как устранение одного . -взаимодействия її5 - ЇГ для С5 в конформащй "ванна" кольца В может компенсироваться заслонением Н5 - н6 [22], в результате чего ХС С в конформащй, с кольцом В в виде "ванны", может быть близок к расчетному для конформащй KI. Однако, рассмотрение мэлекулярных моделей соединений (187)-(189) позволяет исключить конформащй с кольцом В в виде "ванны" из-за сильного взаишдеиствия Н - Н # В то же время заслонение вдоль связи С -С в (187), где кольцо А практически плоское, должно приводить кольцо В в конформацию "полукресло". Таким образом, несмотря на изложенные выше ограничения, спектроскопия ЯМР I3Q позволяет, в принципе, осуществить объективный конформащонный анализ соединений типа (187)-(189), что в свою очередь, подтверждает правильность отнесения сигналов в спектрах I3C (187)-(189). Иногда для определения предпочтительной конформации ряда конформационно подвижных молекул необходимо иметь спектр 13С лишь одного модельного соединения. Так по эффектам метильной группы на ХС С нами были определены предпочтительные конформации модельных соединений - структурных аналогов стероидов : син-цис- -окталиндикарбоновых-1,2 кислот (190)-(192) и их ангидридов (193)-(195)
Установление структуры трансформированных тетра- и пентациклических тритерпеноидов методом спектроскопии ЯМР
Реакции гликозилирования тритерпенових спиртов, изучение которых проводится в лаборатории органического синтеза природных соединений ШБОХ с целью получения аналогов гликозидов женьшеня, очень часто сопровождаются различными нежелательными побочными процессами. В результате, наряду с целевыми гликозида-ми образуются, как трансформированные тритерпеновые спирты, так и их гликозиды. Чтобы понять суть этих побочных процессов и управлять ими, с целью нахождения оптимальных условий для получения целевых гликозидов, необходимо, прежде всего, быстро и надежно устанавливать строение побочных продуктов гликозилирования. В данном разделе рассмотрено использование для этой цели спектроскопии ЯМР 13с. Из обсуждаемых соединений лишь кетоны (211)-(214), полученные путем деградации боковой цепи тритерпенов (101),(180) и (199), не являются побочными Установление структуры на основании результатов исследований методом спектроскопии ЯМР 13С взаимосвязано с отнесением сигналов в спектрах 13С. Структуры (211)-(213) устанавливались то на основании эффектов заместителей на ХС С тетравдклического тритерпенового скелета при сравнении спектров 3С (211)-(213) между собой, а также_со спектрами (90),(120) к (131). При сравнении значений ХС С в спектрах соединений (211) и (213) обнаруживается заметное влияние ВМВС меяду 12/3-ОН-грушгой и карбониль- ной группой при С . ВМВС вызьшает дезэкранирование (на 4,5 м.д.) карбонильного атома углерода в (211) по сравнению с (213) подобно тому, как это отмечалось выше для ХС С Л в спектрах 12-кетосоединений (139) и (141) с ВМВС между І7о4-ОН-грушіой и карбонильной группой при С . Установление стуктур (214)-(218) и отнесение сигналов в их то спектрах С проводилось путем сопоставления их спектров со спектрами соединений (90),(91),(160),(163) и (151), а также с данными 13С тритерпеноидов олеананового ряда [б2-70], что позволило определить положение двойной связи А в (214)-(218)..Характер и конфигурация заместителей в (214)-(218) определялись по их эффектам на ХС С тритерпенового скелета, обсуждавшимся выше в разделах 2.І.І., 2.1.4. и 2.1.5.. Соединение (219) получено как побочное при гликозилировании (97), а соединения (220)-(223) при гликозилировании бетулина (Г82). Сопоставление спектров ЯМР С (219) и (152) показывает, что эти соединения различаются лишь структурой колец А. Аналогичное заішочение следует из сопоставления спектров (220) и (184). Сравнение же спектров I3C (219)-(221) показывает, что все эти соединения имеют общий фрагмент структуры.
Ниже приводится доказательство структуры кольца А в (219)-(221) на примере (221). В спектр е % ( 250 МГц ) (221) наблюдаются два дублетных сигнала метильных групп при 0,92 и 0,98 м.д. с одинаковыми КССВ ( J= 6,7 Гц) и правильный.септет единичной интенсивности при 2,65 м.д. с тем же значением КССВ. Эксперименты ИНДОР обнаруживают спин-спиновую связь между протонами указанных CHg-групп и протоном .резонирующим при 2,65 м.д.. Это позволяет заключить, что в структуре (221) присутствует изолированная изопропильная группировка, образовавшаяся в результате сужения кольца А. В спектре 3С (221) наблюдаются два сигнала четвертичных атомов углерода при 136,2 и 140,0 м.д., свидетельствующие о наличии в (221) тетразамещенной двойной связи. Тетразамещенная двойная связь в кольце А (221) может находиться лишь в положении 3(5). . Наличие Д -двойной связи в (221) подтверждается сдвигом сигнала четвертичного атома С в его спектре 3С в слабое поле (49,9 м.д.) по сравнению с его положением в спектре (182) (37,7 м.д.), поскольку этот атом находится в аллильном положении к двойной связи [ЗО ], и дезэкранированием С25 (19,2 м.д.) в (221) по сравнению с (182) (16,2 м.д.), обусловленным гомоаллильным положением его в (221) [зо] или 4-анти-эффектом двойной связи [2б]. Отнесение сигналов атомов колец А в спектрах (219)-(221) осуществлено сопоставлением значений ХС 13С кольца Е 20,29-ди- гидролуп-І8-ена (75) [75], со значениями ХС соответствующих атомов соединений (219)-(221). Сопоставление спектров 13С (221) с одной стороны и (222). (223) - с другой указывает на одинаковую структуру колец В,С,Д) и Е в этих соединениях, а дальнейшее сопоставление спектров (222) и (223) со спектром (183) показывает, что структура колец V и Е в (221)-(223) отличается от строения этих циклов в (183). Появление в спектре % (222) двух новых сигналов третичных метильных групп в области 0,80 - 0,97 м.д. (С2 -СН3), отсутствующих в спектре (183), и сигнала четвертичного атома углерода при 36,3 м.д. (С20) в спектре 3С (222), также отсутствующего в спектре 13С (183), наряду с изложенными выше фактами, позволяют совершенно однозначно приписать соединению (222) структуру ацетата аллобетулина, а (221) -о(-апоаллобетулина, что подтверждено совпадением физических характеристик (221) и (222) с таковыми для заведомых образцов ацетата аллобетулина и «(-апоаллобетулина. Отнесение сигналов атомов колец!) и Е в спектрах 13С (221)-(223) выполнялось при помощи экспериментов с внерезонансной развязкой от взаимодействия с протонами и путем сопоставления рассчитанных по методу [26] значений ХС 13С с их экспериментальными величинами. В ряде экспериментов по гликозилированию природных тритерпенових спиртов даммаранового ряда в качестве побочных продуктов были получены гликозиды (224)-(228) и спирты (174) и (179) ( см. стр. 84).
Основные различия в спектрах 13С соединения (179) и бетула-фолиентриола (172) наблюдаются только для значений ХС атомов С -С23, принадлежащих БЦ, и менее значительные различия - для сигналов С12 и атомов углерода кольца D . Исчезновение сигнала третичного карбинильного атома и появление двух новых сигналов атомов С двойной связи (122,2 м.д. - дублет и 140,2 м.д. - синглет) в спектре С (179), по сравнению со спектром (172) указывает на 20,22-двойную связь в (179). Это подтверждается наличием в спек- тре її (179) сигналов CHg-групп 11 двойной связи (1,61 м.д. -ЗН и 1,66 м.д. - 6Н), двух сигналов винильных протонов при 5,39 (триплет, IH, J- 7,0 Гц, Н22) и 5,06 м.д. (триплет, IH, J = 7,4 Гц, Н24) и мультиплета при 2,66 м.д. (2Е), соответствующего протонам С0 -метиленового звена. 13 Отнесение сигналов в спектрах С соединений (224) и (225) с учетом эффектов заглестителей на величины ХС 13с » обсуждавшихся выше ( см. разделы 2.1.1., 2.1.2. и 2.1.4.), не вызывает затруднений. Из сопоставления спектров 13С 12д-моногликозидов (207) и (226)-(228) следует, что эти соединения также различаются только структурой БЦ. Отсутствие сигналов четвертичных атомов углерода, связанных с кислородным атомом, в спектрах I3C (226)-(228) в области 73,0 - 74,5 м.д., а танке сигнала метиленового атома С22 в области 34,0 - 35,0 м.д. и наличие в их спектрах сигналов олефиновых атомов углерода в области 114,9 - 115,7 (дублеты) и 141,6 - 142,6 м.д. (синглеты) указывают на 20,22-положение двойной связи в (226)-(228). Сигналы при 213,9 и 213,4 м.д. в спектрах (226) и (227) принадлежат карбонильным углеродным атомам, также находящимся в БЦ. О наличии в БЦ (226) и (227) изолированных изопропильных групп свидетельствуют сигналы двух СНд групп при 1,05 и 1,08 м.д. ( J- 6,9 Гц) в спектре % (226) и 1,12 и 1,13 м.д. ( J= 7,0 Гц) в спектре (227), а также септеты при 2,68 и 2,71 м.д, в спектрах (226) и (227) соответственно ( J= 6,9 и 7,0 Гц). Следовательно, карбонильная.группа как в (226), так и в (227) занимает положение С , а различие в значе- 20 ниях ХС CHg-rpynn при Си изопропильного радикала в спектрах Н и соответствующих сигналов С в спектрах хоС - 19,7 м.д. в спектре (226) и 13,5 м.д. в спектре (227)-указывагат на различие конфигураций двойной связи в этих соединениях. Большее значение 9Т ТЯ ХС сигнала С в спектре С (226), чем аналогичного сигнала в спектре (227), объясняется наличием в (226) -взаимодействия [2б] Н -Н и отсутствием последнего в (227). На этом основании соединению (226) приписана структура "Z -изомера по 20,22-двой-ной связи, а соединению (227) - "Е"-изомера. Аналогичные рассуждения приводят к заключению о 20,22-двой-ной связи в соединении (228) и о ее "Е"-конфигурации. Наличие в спектре С (228) сигнала четвертичного атома при 70,9 м.д. и сигналов атомов углерода двух СН3-групп при 28,9 и 29,0 м.д. ос двоинои связи во всех указанных соединениях I указывает на тгрисутствие; в этом соединении ОН-группы при С . Близость значений ХС атома С в спектрах 13С соединений (177), (224),(225),(227) и (228) указывает на "-кон урацию 20,22- Таким образом, спектроскопия ЯМР АОС в совокупности с ЯМР Н может служить достаточно надежным инструментом в установ-, лении строения трансформированных природных тетра- и пентацик-лических тритерпеноидов
