Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 10
1.1. Квантово-химические расчеты ЯМР параметров 10
1.2. Литературный обзор по применению расчетов ХС
1.2.1. Расчеты ХС 1H/13C/15N 16
1.2.2. Расчеты ХС 31P 18
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть
2.1. Соединения 33
2.2. Методология эксперимента 33
2.3. Обработка экспериментальных данных 35
2.4. Квантово-химические расчеты 35
ГЛАВА 3. Сравнительный анализ качества методов расчета ХС 31P
3.1. Влияние метода расчета на этапе оптимизации геометрии 38
3.2. Влияние метода на этапе расчета ХС 44
3.3. Временные затраты и выбор оптимальной «комбинации» 46
3.4. Дополнительные вопросы
3.4.1. Проблема фазового состояния 49
3.4.2. Проблема выбора стандарта 51
3.4.3. Линейная коррекция 52
3.4.4. «Трудные случаи» 53
3.5. Апробация предложенного расчетного приближения на больших соединениях
ГЛАВА 4. Применение расчетов хс 31p для решения структурных задач
4.1. Определение таутомерной структуры 60
4.1.1 Таутомерия фосфиноксидов 60
4.1.2. Таутомерия спирофосфоранов 62
4.2. Определение изомерной структуры 64
4.2.1. Изомерная структура 10-этил- и 10-(+)неоментил-7,8,9 трифенил-4-оксо-1,10-дифосфатрицикло[5.2.1.02,6]-дека-8-ен-3,5- 64 дионов
4.2.2. Структура 14-членных циклических аминометилфосфинов и продуктов их распада 4.3 Конформационный анализ фосфанидогидридных комплексов 76 никеля
4.3.1. Определение конформационной структуры фосфанидогидридных комплексов никеля [NiH{P(Ar)(H)}(dtbpe)]
4.3.2. Установление механизма внутримолекулярной перегруппировки фосфанидогидридных комплексов никеля 80
[NiH{P(Ar)(H)}(dtbpe)]
Основные результаты и выводы 85
Публикации по теме диссертации 87
Список литературы
- Литературный обзор по применению расчетов ХС
- Обработка экспериментальных данных
- Дополнительные вопросы
- Таутомерия фосфиноксидов
Введение к работе
Актуальность темы. Сегодня ЯМР спектроскопия является одним из самых мощных методов исследования структуры вещества в жидкой фазе. Эффективные корреляционные 2D ЯМР методы позволяют выявить связи между ядрами и, таким образом, топологию фрагментов молекул, что в некоторых случаях дает возможность установить структуру всей молекулы практически напрямую. Однако, если цепь ЯМР связей (корреляций) прерывается, то состыковать фрагменты в единое целое нельзя, и необходим дополнительный инструмент, который бы позволил подтвердить структурную гипотезу. Это можно было бы сделать на основании сравнения экспериментальных и расчетных химических сдвигов (ХС) для возможных структур. Однако эмпирические аддитивные схемы оценки ХС имеют ряд недостатков. Поэтому возникла потребность научиться рассчитывать ЯМР параметры, основываясь на фундаментальных физических законах без привлечения эмпирических данных, т.е. используя методы квантовой химии.
Действительно, квантово-химические расчеты ХС 1H/13C/15N достаточно широко применяются в исследовательской практике. Расчеты в рамках метода GIAO показали себя надежным и эффективным инструментом в структурном анализе. Такие расчеты ХС широко используются не только для установления химической структуры, но также для выяснения более тонких структурных особенностей - изомерной, таутомерной и конформационной структуры новых соединений.
Велика потребность также и в методах, позволяющих рассчитывать ЯМР параметры более тяжелых ядер, как, например, фосфор. Фосфорсодержащие соединения широко представлены в биологии, медицине, промышленности. Поэтому, как при изучении процессов на молекулярном уровне, так и при разработке новых молекулярных систем существует необходимость в надежных методах установления структуры, особенно в жидкой фазе. В этом отношении высокая абсолютная чувствительность сигнала ЯМР 31Р (100% естественное содержание и относительно большое гиромагнитное отношение) и сильная зависимость ХС 31Р от структуры (диапазон ХС 1000 м.д.) делают спектроскопию 31Р ЯМР очень привлекательным методом. Однако на сегодняшний день проблема предсказания ХС для атомов фосфора стоит еще более остро. Имеющиеся эмпирические схемы крайне ненадежны. В то же время, примеры использования квантово-химических методов расчета ХС фосфора редки. Систематических работ, посвященных анализу возможностей и ограничений метода, мало. Более того, в абсолютном большинстве работ анализ проводился только на примере очень небольших модельных молекул ограниченного типа с использованием очень «тяжелых» уровней теории, которые неприменимы для относительно больших систем. При этом даже для небольших модельных систем наблюдались серьезные разногласия между рассчитанными и
экспериментальными значениями ХС фосфора, причины которых остались неясны. Поэтому вопрос практической применимости и надежности квантово-химических расчетов ХС 31P по-прежнему остается открытым. Таким образом, установление возможностей и ограничений квантово-химических методов расчета 31Р ХС на сегодняшний день является актуальной задачей.
Цель данной работы: разработка методики квантово-химических GIAO расчетов химических сдвигов 31Р в структурном анализе фосфорорганических соединений, и демонстрация эффективности метода на примере решения ряда структурно-динамических задач.
В рамках диссертационной работы определены следующие наиболее важные задачи:
Определение оптимального расчетного приближения, позволяющего с хорошей точностью рассчитывать химические сдвиги 31P;
Выявление ключевых факторов, влияющих на корректность расчета химических сдвигов 31P;
Апробация предложенного расчетного приближения для оценки химических сдвигов 31P относительно больших фосфорорганических соединений, представляющих практический интерес;
Демонстрация практической применимости таких расчетов на примере решения ряда структурных задач.
Научная новизна и практическая значимость.
На основании сравнения расчетных (используя различные уровни теории и широкий спектр базисных наборов) и экспериментальных данных для широкого ряда фосфорорганических модельных соединений, показано, что можно с хорошей точностью рассчитывать ХС 31P используя скромные компьютерные ресурсы. Даны конкретные рекомендации относительно оптимальных (с точки зрения «цена-качество») уровней теории и методических приемов для повышения качества таких расчетов. Показаны ограничения данного подхода и возможные причины возникновения этих ограничений.
Установлена изомерная, таутомерная, конформационная структура ряда новых фосфорорганических соединений в растворах (10-(+)неометил-7,8,9-трифенил-4-оксо-1,10-дифосфатрицикло[5.2.1.02,6]-дека-8-ен-3,5-диона, 14 членных циклических фосфинов (1,8-диаза-3,6,10,13-тетрафосфоциклотетрадекан) и продуктов их распада (1-аза-3,6-дифосфациклогептан), фосфанидогидридных комплексов никеля ([NiH{P(Ar)(H)}(dtbpe)], Ar = Dmp, Mes*)). Установлено, что внутримолекулярная перегруппировка комплексов (dtbpe)Ni(H){P(Ar)(H)}, которые в растворе реализуются в форме гидридного таутомера, происходит через Ni-PH2 форму. На примере этих соединений продемонстрировано, что
расчеты ХС 31P могут быть успешно использованы не только для определения химической структуры новых соединений, но и для установления таких тонких структурных особенностей как изомерная, таутомерная и конформационная структуры.
На защиту выносятся положения, сформулированные в выводах.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 147 (включая 37 страниц приложения) страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков, 9 таблиц; включает введение, четыре главы, основные результаты и выводы, список литературы из 172 наименований и дополнительное приложение.
Литературный обзор по применению расчетов ХС
Использование этих, относительно «легких» уровней теории позволяет получать значения ХС 1H/13C/15N, которые достаточно хорошо воспроизводят экспериментальные значения для широкого спектра молекулярных систем. Более того, качество расчетов таково, что они могут быть с успехом применимы не только для установления химической структуры, но и для решения более тонких структурных задач – определения изомерной [51-54, 56-58, 61-66], конформационной [43, 55, 59, 60] и таутомерной структуры [14].
Несмотря на огромный прогресс в расчетах ХС 1H/13C следует отметить, что вне зависимости от используемого уровня теории в результатах присутствуют систематические ошибки, особенно заметные для ядер, резонирующих в низких полях. Для уменьшения таких ошибок иногда используется MSTD метод, в котором в качестве дополнительных стандартов используются метанол и бензол [38, 74, 75]. Использование данного метода приводит к снижению RMSE для ХС 1H примерно в два раза [74, 75]. Для ХС 13С этот подход также позволяет уменьшить RMSE в 1,5 - 2 раза [38, 74]. Улучшить результаты расчетов позволяет также и использование метода линейной коррекции [11, 37, 58, 76-79]. Так, например, для ХС 1H/13С RMSE с использованием линейной коррекции снизился в два раза [79].
Что касается проблемы учета фазового состояния, в большинстве случаев, если нет специфических взаимодействий с растворителем или ассоциации/самоассоциации, то влияние таких эффектов на величину ХС 13С/15N незначительно [13, 80, 81]. Таким образом, сравнение расчетных значений ХС 13С/15N для вакуума, с экспериментальными, полученными в растворах оказывается вполне корректным.
Небольшие расхождения расчетных и экспериментальных ХС 13C были отмечены только в некоторых редких случаях для атомов углерода, расположенных рядом с элементами третьего периода [18, 36, 40, 42, 67, 78, 82, 83]. Скорее всего, неучет релятивистских эффектов в таких системах приводил к отклонению расчета от эксперимента. В реальности, для 13C в обычных органических соединениях эти отклонения невелики ( 10 м.д.) и не играют большой роли.
Резюмируя можно отметить, что на сегодняшний день расчеты ХС 1H/13C/15N зарекомендовали себя как надежный и эффективный инструмент в структурном анализе и широко используются химиками практиками. Более того, для неискушенных в теории химиков-пользователей имеются практические рекомендации относительно реализации таких расчетов (уровней теории, коэффициенты линейной коррекции и т.д.) с подробным описанием протоколов (например, на сайте “Chemical Shift Repository” [84]).
С учетом того, что фосфорсодержащие соединения широко представлены в различных практически важных областях, а также принимая во внимание высокую чувствительность (100% природное содержание магнитно-активного изотопа) и большой диапазон ХС, велика потребность в надежных методах оценки ХС 31Р в структурных исследованиях таких систем. К сожалению, эмпирические (аддитивные) схемы в этом случае работают плохо, гораздо хуже, чем например, для 13С и 1Н, и с этой точки зрения использование квантово-химических методов выглядит очень привлекательным. Однако, расчеты 31Р ХС на сегодняшний день в структурных исследованиях не получили широкого распространения. Возможно, это обусловлено тем, что для фосфора – элемента третьего периода, появление дополнительной электронной оболочки приводит к усложнению всей электронной структуры молекулы, что в свою очередь может приводить и к усложнению расчетов. Другими словами, возможно для адекватного описания такой системы необходимо использовать более «тяжелые» базисные наборы и/или высокие уровни теории. Кроме того, есть вероятность усиления дополнительных эффектов (влияние среды, колебательно-вращательных или релятивистских эффектов), которые не играли существенной роли в расчетах ХС 1H/13C/15N.
В принципе, попытки проведения квантово-химических расчетов по аналогии с расчетами 13С/15N, предпринимались давно, несмотря на то, что на тот момент вопрос применимости и корректности таких подходов оставался открытым [85-94] (соединения 1-121, Рисунок 1.1). В ряде работ констатировали удовлетворительное согласие расчетных ХС 31P с экспериментом (отклонение расчетных ХС от экспериментальных от 3,4 м.д. до 30,8 м.д.) [88, 91, 93], но даже для расчетов таких относительно маленьких молекул часто наблюдались серьезные несоответствия с экспериментальными значениями [86, 88, 91]. При этом следует отметить, что расчеты проводились с использованием относительно «тяжелых» уровней теории, как на этапе оптимизации геометрии, так и на этапе расчета ХС (HF/6-311++G(2d,2p)//HF/6-31+G(d) [85], B3PW91/6-311G(d,p)//B3PW91/6-31G(d,p) [87], MP2 (или HF, в зависимости от размера молекулы)/6-311+G(2d,p)//B3LYP/6-31G(d) [89], B3LYP/aug-cc-PVTZ-J [92], B3LYP/IGLO-III//B3LYP/6-311++G(2d,2p) [97], B3LYP/6-311++G(2d,2p)//HF/6-31+G(d) [94]), что делало мало перспективным применение таких расчетов для относительно больших молекул практического интереса. Но самое главное – вопрос о принципиальной применимости расчетов ХС 31P по-прежнему оставался открытым.
Обработка экспериментальных данных
Все образцы готовились в дейтерированных растворителях в стандартных 5 мм ампулах для ЯМР спектроскопии высокого разрешения. Объем образца составлял около 0,6 мл при высоте столба жидкости в ампуле 40 мм. Параметры оборудования Эксперименты проводились на импульсных спектрометрах ЯМР высокого разрешения Avance 600, Avance 500 и Avance 400 фирмы Bruker в лаборатории радиоспектроскопии ИОФХ им А.Е. Арбузова КазНЦ РАН. Величина индукции магнитного поля 14,1 Т, 11,8 Т и 9,4 Т соответственно. Резонансные частоты для 1H 600,130 МГц (Avance 600), 500,130 МГц (Avance 500), 400,130 МГц (Avance 400), для 13C 150,930 МГц (Avance 600), 125,758 МГц (Avance 500), 100,613 МГц (Avance 400), для 15N 60,834 МГц (Avance 600), 50,697 МГц (Avance 500), 40,560 МГц (Avance 400), для 31P 242,937 МГц (Avance 600), 202,456 МГц (Avance 500), 161,976 МГц (Avance 400). Спектрометры оснащены 5 мм двухканальными градиентными датчиками с импульсными градиентами магнитного поля в z-направлении 53,5 Г/см.
Спектры ЯМР при комнатной температуре (303 К) были получены в стандартных условиях при потоке воздуха, обдувающем образец 135 л/ч. Подбор релаксационных параметров
Для создания необходимых условий для релаксации спиновых систем образца в экспериментах выбиралась задержка между сканами (d1), которая бралась в 3-5 раз большей времени продольной релаксации (T1). Время релаксации T1 измерялась с помощью стандартной методики «инверсия-восстановление». Корреляционные ЯМР эксперименты Двумерные корреляционные эксперименты 1H-13C HSQC оптимизированы на 1JCH = 145 Гц, 1H-13C HMBC оптимизированы на 1JCH = 145 Гц и nJCH = 8 Гц, 1H-31P HSQC оптимизированы на 1JPH = 160 Гц, 1H-31P HMBC оптимизированы на 1JPH = 145 Гц и nJPH = 10 Гц, 1D 1H-31P HSQC оптимизирован на 1JPH = 110 Гц, 1H-15N HMBC оптимизированы на 1JNH = 96 Гц и nJNH = 5 Гц. Эксперименты по измерению ЯЭО Для 1D DPFGSE NOE (ROE) время релаксации составляло d1 = 15 с, время смешивания m = 0,4-0,6 с. Для селективных импульсов использовалась эрмитова форма импульса. Длительность и мощность селективных импульсов подбирались индивидуально для каждого сигнала и в эксперименте.
Измерение коэффициентов самодиффузии Для измерения коэффициентов самодиффузии использовались 2D DOSY эксперименты с импульсной последовательностью «стимулированное спин-эхо» с биполярными градиентными импульсами магнитного поля и временной задержкой, применяемой для компенсации влияния токов Фуко (STE-LED). Интервал между градиентными импульсами (т.е. время свободной диффузии) 50 мс, а длительность градиентного импульса – 1-3,5 мс. Величина градиентного импульса изменялась с равным шагом от 0 до 0,32 Т/м за 16 шагов. Для уменьшения влияния конвекции в образце, увеличивался поток воздуха, обдувающего образец, до 535 л/ч. Каждый DOSY эксперимент был повторен три раза, значение коэффициента самодиффузии усреднялось. Эксперименты ДЯМР
Для проведения экспериментов с вариацией температуры использовалась стандартная схема продувки образца газообразным азотом. Температура варьировалась в диапазоне от 303 К до 193 К, с точностью ±0,1 К. Калибровка температуры проводилась по температурной зависимости положения сигналов в 1H спектре метанола. ХС исследуемых соединений измерялись относительно сигналов следующих стандартов: Si(CH3)4 (H 0,00 м.д. и С 0,0 м.д.), H3PO4 (P 0,0 м.д.) и CH3CN (N 235,5 м.д.). Анализ полной формы линий Расчет теоретических спектров проводился с использованием программы из программного пакета Bruker TopSpin DNMR. Данный модуль основан на теории эволюции матрицы плотности и обмена, которая используется для описания спиновых систем и сочетает в себе элементы квантовой статистики и термодинамической статистики Больцмана [106].
Для расчета активационных параметров применялось уравнение Винн-Джонса [107, 108] (2.1): -G = RTln(kh/kBT) (2.1) где kB – постоянная Больцмана (3,3010-24 кал/моль), h – постоянная Планка (1,5910-34 калс), R – универсальная газовая постоянная (1,99 кал/К).
Расчеты выполнялись на вычислительном кластере HP ProLiant DL360p Gen8 с рабочей частотой 2,6 ГГц, 8 Гб RAM при помощи программного пакета Gaussian 03. Оптимизация геометрии проводилась с помощью алгоритма оптимизации Берни, критерием минимума энергии служит положительное значение силовых констант в матрице Гесса. Расчет ХС во всех случаях проводился с использованием метода GIAO.
Дополнительные вопросы
Как видно из приведенных зависимостей, в этом случае R2 зависит существенно как от уровня теории, от выбора базисного набора и даже от функционала. Все три набора данных (т.е. полученных с использованием трех различных базисных наборов для оптимизации геометрии) имеют схожую зависимость. Анализ этих данных позволил установить ключевые факторы, влияющие на коэффициент корреляции. Во-первых, добавление в базисный набор диффузных функций ухудшает значения коэффициента корреляции. Во-вторых, включение в набор дополнительных поляризационных функций для тяжелых атомов (2d) или протонов (p) приводит к увеличению R2. В-третьих, расчеты на уровне MP2 в некоторых случаях (6-31G(d,p) и 6-311G(d)) улучшают корреляцию, однако, использование более «тяжелых» чем 6-311G(d) базисных наборов становиться непрактичным даже для небольших модельных соединений (см. ниже). В-четвертых, применение 6-311G(2d,2p) или 6-311++G(3df,3pd) базисного набора увеличивает R2 до значений, получаемых на уровне MP2 с умеренно тяжелыми базисными наборами.
Из приведенных данных следует, что при расчете ХС PBE1PBE функционал выглядит более предпочтительным, чем B3LYP. Однако это могло быть связано с тем фактом, что B3LYP расчеты ХС были проведены на геометрии, оптимизированной в рамках PBE1PBE функционала, а не B3LYP, т.е. из-за использования не «родного» функционала (разных функционалов при оптимизации геометрии и при расчете ХС). Для проверки этой гипотезы был проведен корреляционный анализ для данных, полученных используя B3LYP функционал как для расчета ХС, так и для оптимизации геометрии (с базисным набором 6-31G(d)). В этом случае значение R2 (B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/6-31G(d)) равно 0,982, что очевидно ниже, чем коэффициент корреляции (R2 = 0,987) для «комбинации» PBE1PBE/6-31G(d)//PBE1PBE/6-31G(d) и даже для «комбинации» B3LYP/6-31G(d)//PBE1PBE/6-31G(d) (R2 = 0,985). Таким образом, действительно PBE1PBE функционал является более предпочтительным, особенно на этапе расчета ХС.
Также важно отметить, что расчеты на уровне DFT (PBE1PBE), в особенности с использованием «тяжелых» базисных наборов, приводят к высоким значениям R2, сравнимым со значениями, полученными на уровне MP2. Теория HF приводит к корреляциям аналогичным с DFT при использовании относительно простых базисных наборов. Однако при использовании трижды расщепленных базисных наборов качество расчетов ХС на уровне HF заметно ухудшается. Таким образом, расчеты ХС на уровне PBE1PBE/6-31G(d) обеспечивают вполне приличный результат. Включение в базисный набор дополнительных поляризационных функций должно улучшить корреляцию. Заметное улучшение наблюдается при использовании относительно «тяжелых» базисных наборов, таких как 6-311G(2d,2p) или 6-311++G(3df,3pd).
В то же время, надо подчеркнуть, что для большинства «комбинаций» коэффициент наклона прямой линейной аппроксимации не равен 1, и сама прямая не проходит через начало координат (Таблица 2.1), т.е. результаты расчета содержат систематическую ошибку. В принципе, такого типа проблемы можно легко исправить, используя процедуру линейной коррекции. Однако сначала следует рассмотреть проблему «фазового состояния» и вопрос корректного выбора стандарта, который может быть также связан с указанными выше ограничениями.
Для того чтобы сделать окончательный вывод об оптимальной «комбинации», которую можно будет использовать на практике для расчетов соединений средних и больших размеров, необходимо оценить временные затраты на эти расчеты. Для этого проанализируем затраты как на этапе оптимизации геометрии, так и расчета ХС для каких-нибудь молекул малых и среднего размера из нашего тестового набора (см. ниже), например, 211 и 228.
В целом, при переходе от HF или DFT уровней к расчетам на уровне МР2 затраты времени увеличиваются более чем в 5 и 30 раз, на этапе оптимизации геометрии и расчета ХС, соответственно (Рисунок 3.5, Приложение 6). В принципе, этап оптимизации геометрии наиболее время затратный (Приложение 6). Например, даже для такого небольшого соединения как 211 оптимизация геометрии на уровне МР2 требует 1,5 часов (с базисным набором 6-31G(d)), делая этот уровень теории практически не применимым для соединений среднего размера, при этом не улучшая корреляцию расчетных и экспериментальных ХС по сравнению с другими методами. Таким образом, уровень MP2 вряд ли можно рекомендовать для оптимизации геометрии. Относительные затраты времени на расчеты в зависимости от уровня теории (при фиксированном базисном наборе 6-31G(d)), используемого для оптимизации геометрии (а) и расчета ХС (б) для соединения 211 (на графиках единице соответствует 17 мин при оптимизации геометрии и 1 мин при расчете ХС).
Что касается уровня DFT, то расчеты с относительно простыми базисными наборами (6-31G(d) или 6-31+G(d)) должны обеспечить хорошие результаты. Дальнейшее усложнение базисного набора приводит только к незначительному улучшению, при этом временные затраты увеличиваются существенно (Рисунок 3.6а, Приложение 7). Уровень HF является наименее время затратным (Приложение 6) и обеспечивает достаточно хорошую геометрию, и, поэтому может быть рекомендован для оптимизации геометрии больших соединений, для которых расчеты на уровне DFT трудно использовать.
Таутомерия фосфиноксидов
Следующая задача, для решения которой были апробированы расчеты 31Р ХС – установление структуры 14-членных циклических изопропил- (250а) (Рисунок 4.11в), этил- (251а), циклогексил- (252а) аминометилфосфинов и продуктов их распада. Подобные системы интересны как лиганды для получения новых комплексов, которые могут быть использованы в катализе. Поэтому для рационального дизайна таких систем необходимы знания об их 3D структуре.
Химическая структура 14-членных макроциклов может быть установлена практически «напрямую», исходя из анализа гетероядерных корреляций, начиная с заместителей при атомах P и N (Рисунок 4.11в). Далее, например, для 250а характерные ЯЭО между CH (i-Pr) и NCHax2P, Me (i-Pr) и NCHax2P, и между Meout (i-Pr) и NCHeq2P позволяют однозначно установить in- и out-ориентацию метильных групп в изопропильном заместителе по отношению к макроциклу.
Один синглет в 31P спектре и только один набор сигналов для каждого из протонов в 1H спектре 250а – 252а говорит о высокой симметрии, а именно, о том, что все четыре фрагмента магнитно эквивалентны (Рисунок 4.11в). Такая высокая симметрия может быть объяснена быстрым обменом (в шкале времени ЯМР) между двумя вырожденными конформациями, который происходит за счет внутримолекулярного вращения вокруг P–CH2–N–CH2–P связей и инверсией НЭП атомов азота (Рисунок 4.11в). Интересно отметить, что магнитные окружения каждой из метильных групп изопропильных заместителей не меняются при переходе из одной конформации в другую. То есть, одна метильная группа (in) всегда направлена внутрь, в то время как другая (out) всегда наружу по отношению к полости макроцикла. Таким образом, конфигурация атомов фосфора обоих P–CH2–N–CH2–P фрагментов должно быть одинаковой, в противном случае метильные группы изопропильных заместителей должны бы быть динамически эквивалентными и резонировать как один дублет. С другой стороны P–CH2–CH2–P фрагмент резонирует в 1H спектре как AABBMM спиновая система с большой вицинальной КССВ (JAB 14 Гц, JAB 15 Гц), что предполагает транс ориентацию двух концевых фосфоров и противоположные направления их НЭП по отношению к плоскости макроцикла. Таким образом, спектры ЯМР 250а соответствуют SPSPSPSP/RPRPRPRP изомеру с тремя осями симметрии С2 (первая, проходящая через оба атома азота; вторая, через центр CH–CH2 связи P–CH2–CH2–P фрагмента; и третья, перпендикулярна плоскости макроцикла, Рисунок 4.11в). Схожие параметры ЯМР для 250а, 251а и 252а (Приложение 16-21, 29, 30) позволяют сделать вывод, что макроциклы 251а и 252а также реализуются в форме SPSPSPSP/RPRPRPRP изомеров.
Исходные 14-членные макроциклы (250а-252а) нестабильны в растворе. Поэтому со временем в спектре ЯМР появляются дополнительные наборы сигналов (например, для 250 Рисунок 4.12б и в). С течением времени интенсивность новых наборов сигналов увеличивается, в то время как сигналы, соответствующие 14-членному макроциклу, уменьшаются. Примерно за 14 дней система выходит на плато: 1H и 31P спектры соответствуют смеси трех компонент с соотношением интегральных интенсивностей, например для 250 равных 71 (б) : 23 (в) : 6 (а).
Сигналы двух новых компонент в 1H и 31P спектрах расположены в тех же областях и имеют схожую форму линии, как и исследованные ранее 1-аза-3,6-дифосфоциклогептаны [163-165]. Поэтому, можно предположить, что в данном случае 14-членные макроциклы в растворе распадаются на соответствующие половинки, приводя к двум 7-членным гетероциклам разной изомерной структуры (Рисунок 4.12а). Рисунок 4.12 – Cхематическое изображение макроцикла и структуры 7-членных изомеров (а), 1H (б) и 31P{1H} (в) ЯМР спектры соединений 250а, 250б, 250в (сигналы в спектре окрашены соответственно) в C6D6 при Т = 303 K спустя 14 дней, 2D DOSY спектр соединений 250а, 250б, 250в (Ds – коэффициенты самодиффузии) в C6D6 при Т = 298 K спустя 14 дней (г), и = экс – кор 31P соединений 250а, 250б, 250в для трех вариантов приписания (д). 1H-13C/1H-15N/1H-31P HMBC эксперименты позволили однозначно приписать сигналы в ЯМР спектрах для каждого компонента в растворе (Приложение 22 – 27). Более того, согласно 2D DOSY данным коэффициенты самодиффузии новых компонент (250б и 250в) примерно равны (1,7810- 9 м2с-1) и заметно выше (Рисунок 4.12г)., чем для исходного 14-членного макроцикла 250а (1,4210- 9 м2с-1) (Приложение 28). Таким образом, исходя из соотношения Эйнштейна-Стокса между коэффициентом самодиффузии и эффективным молекулярным объемом [166], можно сделать вывод, что молекулярный вес (или объем) новых продуктов примерно в два раза меньше, чем вес 14-членного макроцикла. Таким образом, на основании этих данных можно сделать вывод, что новые сигналы действительно соответствуют 7-членным гетероциклам. Похожие соотношения