Двумерная спектроскопия ЯМР NOESY в изучении пространственной структуры мономерных и димерных производных каликс[4]аренов в растворах Гадиев Тимур Артурович

Содержание к диссертации

Введение

1 Преимущества двумерной ЯМР фурье-спектроскопии 10

1.1 Одномерная спектроскопия ЯМР 10

1.2 Основы двумерной спектроскопии ЯМР 13

1.3 Двумерная гомоядерная корреляционная спектроскопия (COSY) 17

1.4 Обменная двумерная спектроскопия (NOESY) 18

1.5 Уравнения Соломона 22

1.6 Релаксация спиновой системы 24

1.7 Нестационарный ЯЭО 28

2 Объекты и методы исследования 36

2.1 Каликсарены и их пространственное строение 36

2.2 Химические названия и нумерация исследованных соединений 38

2.2.1 Моно- и дизамещенные тиакаликс[4]арены 39

2.2.2 Дизамещенный каликс[4]арен, соединенный по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в положениях 1 иЗ 40

2.2.3 Тетразамещенные тиакаликс[4]арены 40

2.2.4 Бискаликс[4]арены 43

2.2.5 Димерная структура на основе тетратолилмочевины каликс[4]арена тетрапентилового эфира 45

2.3 Методы исследования 46

3 Подходы к исследованию структуры молекул методом двумерной спектроскопии NOESY 49

3.1 Методы измерения констант скорости кросс-релаксации . 49

3.1.1 Метод полного матричного анализа 50

3.1.2 Приближение начальной скорости 54

3.2 Системы с малым временем корреляции 59

3.2.1 Сокращение времени эксперимента 61

3.2.2 Нормирование интенсивностей кросс-пиков на диагональные 64

3.3 Количественное измерение межпротонных расстояний . 67

3.3.1 Усовершенствованная методика исследования 68

3.3.2 Апробация усовершенствованной методики на примере исследования пространственной структуры моно- и дизамещенных каликс[4]аренов 71

4 Пространственная структура мономерных и димерных про изводных каликс[4]аренов в растворах 79

4.1 Пространственная структура дизамещенных и тетразаме-

щенных калике [4] аренов 79

4.1.1 Геометрия молекулы дизамещенного калике[4]арена, соединенного по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в 1 и 3 положениях 79

4.1.2 Геометрия тетразамещенных тиакаликс[4] аренов 82

4.2 Пространственная структура бискаликс[4]аренов и димерных

производных калике[4]аренов, образованных за счет нева

лентных взаимодействий 90

4.2.1 Изучение геометрии молекул бискаликс[4]аренов 90

4.2.2 Димер тетратолилмочевины каликс[4]арена тетрапен-тилового эфира 98

Выводы 103

Литература

• Двумерная гомоядерная корреляционная спектроскопия (COSY)
• Дизамещенный каликс[4]арен, соединенный по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в положениях 1 иЗ
• Метод полного матричного анализа
• Геометрия молекулы дизамещенного калике[4]арена, соединенного по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в 1 и 3 положениях

Введение к работе

Актуальность темы. Современные возможности спектроскопии ЯМР позволяют исследовать не только внутренние свойства вещества, включая геометрию и пространственное строение, но и свойства, проявляющиеся при взаимодействии молекул друг с другом, например, такие, как способность макроциклических систем к комплексообразованию по типу «гость-хозяин» и т. д.

Среди прочих методик ЯМР, позволяющих решать подобные задачи, наиболее подходящей является двумерная спектроскопия ЯМР NOESY. Следует отметить, что двумерная спектроскопия NOESY недостаточно адаптирована к исследованию пространственной структуры молекул, подпадающих под условие быстрого движения (loqt_c «С 1; т_с — время корреляции, uq — резонансная частота ядер). Поэтому весьма ответственным является выбор наиболее удобного подхода для получения количественной информации о межпротонных расстояниях в молекулах, ошибка измерения в которых была бы минимальна.

В настоящее время нет также единой концепции влияния среды на пространственную структуру органических соединений. Поэтому вопрос об изменении структуры соединений, определяемой методом двумерной спектроскопии ЯМР NOESY, при смене среды также весьма интересен.

В качестве объектов исследования были выбраны производные каликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов различного строения, находящиеся в разных конформационных состояниях, а также димерная супрамолеку-лярная система — димер тетратолилмочевины калике[4]арена тетрапенти-лового эфира с включенной в качестве «гостя» молекулой бензола -( в растворе бензола. Эти соединения представляют интерес как универсаль-

ные строительные блоки для синтеза разнообразных, в том числе новых супрамолекулярных соединений и наноструктур.

Перечисленные выше обстоятельства в совокупности позволили сформулировать цели и задачи данного исследования.

Целью настоящей работы являлось изучение пространственного строения вновь синтезированных производных калике[4]аренов и тиака-ликс[4]аренов методами одно- и двумерной спектроскопии ЯМР ^!Н в растворах; отработка и реализация подхода ЯМР NOESY для количественного определения межпротонных расстояний в конформационно жестких циклах, выявление эффектов среды на эти геометрические параметры, а также изучение влияния химического строения и типа заместителей калике [4]аренового обода на пространственную структуру соединений.

Научная новизна:

1. Для адаптации традиционного метода NOESY ЯМР спектроскопии к анализу молекул с малым временем корреляции т_с (условие предельного сужения линий) и использованию сокращенных релаксационных задержек модифицирован подход, основанный на вычислении усредненной относительной интегральной интенсивности (S. Macura J. Magn. Reson. 1986., v. 70., p. 493-499), позволяющий существенно сократить необходимое время эксперимента для получения информации о молекулярной структуре органических соединений. Определены основные факторы, влияющие на точность измерений.

2. Методами одно- и двумерной спектроскопии ЯМР *H (COSY, NOESY) изучен ряд вновь синтезированных производных ка-ликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов различного строения. Получены спектральные характеристики и определены конформации молекул.

3. Методами спектроскопии ЯМР NOESY измерены межпротонные расстояния и определена пространственная структура в конформацион-но жестких системах в различных растворителях.

Научная и практическая ценность.

3. Предложенная методика позволяет эффективно исследовать структуру органических соединений с малым временем корреляции. С помощью предложенного метода был изучен ряд производных ка-ликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов. Соединения подобного типа используются в качестве исходных материалов для синтеза новых су-прамолекулярных систем. Установленные конформации, спектральные параметры ЯМР и измеренные межпротонные расстояния в изученных соединениях могут быть использованы в качестве справочного материала.

4. На основании сходимости результатов теоретического моделирования структур и экспериментального определения межпротонных расстояний показывана эффективность применения усовершенствованной методики измерения межпротонных расстояний в различных молекулах, характеризующихся как большим, так и малым временем корреляции.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается согласием с аналогичными исследованиями, проводимыми другими методами, в частности, с данными численного моделирования на основе квантово-механических расчетов и рентгеноструктурного анализа.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: IX, X, XI, XII Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2002, 2003, 2004, 2005), молодежная научная школа «Новые аспекты применения магнитного резонанса» (Казань, 2000), Всерос-

сийская конференция «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях» (Казань, 2000, 2005), I Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2000), VI Международный семинар по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2002), Молодежная научная школа «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений» (Казань, 2002), XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Казань, 2003).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. В первой главе изложены общие положения теории одномерной и двумерной спектроскопии ЯМР. Рассмотрена двухспиновая система, механизмы релаксации и проявления ядерного эффекта Оверхаузера, приведены общие положения теории двумерной спектроскопии NOESY для жестких систем и систем с химическим обменом. Вторая глава посвящена описанию объектов исследования, технике проведения экспериментов и условиям записи спектров ЯМР. Третья глава содержит описание методов определения межпротонных расстояний в растворах для конформационно жестких молекул на основе двумерной спектроскопии ЯМР NOESY. Описаны различные экспериментальные методики измерения межпротонных расстояний, дан сравнительный анализ их возможностей, сформулированы оптимальные условия измерений. Изложен подход, позволяющий уменьшить необходимое для подобных исследований экспериментальное время измерения внутримолекулярных расстояний и определения конформации исследуемых соединений. Возможности предложенного метода демонстрируются на примере соединений моно- и дизамещенных каликс[4]аренов. В четвертой главе описаны спектры ЯМР ²Н, COSY и NOESY производных каликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов. На основании анализа параметров спектров ЯМР определены конформации и структурные особенности систем. Представлены результаты измерения межпротонных расстояний в

сравнении с данными компьютерного моделирования молекулярных структур.

Диссертационная работа выполнена на кафедре общей физики и в научно-исследовательской лаборатории «Изучения Строения Органических Соединений» химического факультета Казанского государственного университета в соответствии с планами грантов — Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №99-03-32234а, 03-03-33112а, 06-03-32101а), а также ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008)» — «ЯМР исследование структуры малых молекул, введенных в лиотропную среду, механизмов диффузии малых амфифильных молекул (лекарств) в средах, содержащих водную и лиотропную фазу (биологические мембраны)».

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю — доктору химических наук, профессору Клочкову Владимиру Васильевичу, а также научному консультанту — доктору химических наук Каратаевой Фариде Хайдаровне за постановку задачи, помощь в проведении работы и неоценимую поддержку, оказанную автору. Также нельзя не выразить признательности доктору химических наук, профессору Аганову Альберту Вартановичу за ценные замечания. Неоценимую помощь автору оказал также доктор физико-математических наук, профессор Скирда Владимир Дмитриевич, чей вклад в улучшение данной работы трудно переоценить. Отдельно хочется поблагодарить кандидата химических наук, доцента Стойкова Ивана Ивановича и кандидата химических наук Ибрагимову Дину Шамилевну за предоставленные для изучения объекты и ценные консультации. Также хочется выразить признательность своим коллегам, помогавшим автору на протяжени всего времени выполнения работы, — Хайрутдинову Булату Имамутдиповичу и Юльметову Айдару Рафаилевичу.

Двумерная гомоядерная корреляционная спектроскопия (COSY)

Простейший двумерный эксперимент, впервые предложенный Джи-нером в 1971 г. [15], основан на двухимпульсной последовательности вида

Данный эксперимент получил название COSY, что расшифровывается как Correlation SpectroscopY. В этом базовом эксперименте перенос когерентности между одноквантовыми переходами вызывается одиночным неселективным радиочастотным импульсом с углом поворота (3. Необходимым условием переноса когерентности в слабо связанных системах является не обращающееся в нуль взаимодействие между двумя спина 18 ми. Таким образом, появление кросс-пиков в корреляционных двумерных спектрах доказывает наличие разрешенных констант скалярных и диполь-дипольных взаимодействий и позволяет идентифицировать («коррелировать») химические сдвиги связанных спинов. Данный метод широко применяется при анализе спектров ЯМР сложных систем, поскольку позволяет соотнести друг с другом группы линий взаимодействующих ядер.

С помощью двумерной спектроскопии можно также успешно изучать динамические процессы, такие как химический обмен, спиновая диффузия, кросс-релаксация или ядерный эффект Оверхаузера. Этот эффект и дал название данной разновидности двумерного эксперимента — NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) [19], т. е. спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера. Импульсная последовательность для данного эксперимента, имеет следующий вид (рис. 1.3):

В основе метода лежит прямое магнитное взаимодействие ядер, обычно не оказывающее никакого влияния на внешний вид спектра в жидкой фазе. Ядерный эффект Оверхаузера (ЯЭО) позволяет оценивать величину диполь-дипольного взаимодействия ядер, которая, в свою очередь, зависит от межъядерных расстояний и движения атомов в молекуле. ЯЭО представляет собой изменение интенсивности одного сигнала ЯМР при насыще нии другого. Он обусловлен стремлением системы возвратиться в состояние теплового равновесия. Мы принудительно изменяем разность заселен-ностей одной части системы, а другие ее части пытаются скомпенсировать дисбаланс. Происходит это, как правило, благодаря кросс-релаксационным процессам в спиновой системе. Величину ЯЭО определяют обычно следующим образом: где / — интенсивность наблюдаемого перехода при насыщении другого, /о — интенсивность этого же перехода в состоянии теплового равновесия. Из формулы (1.4.1) видно, что ЯЭО будет положительным, если новая интенсивность больше исходной и отрицательной в противном случае. r)i{s) обозначает ЯЭО на ядре і при насыщении ядра s.

Рассмотрим два ядра і и s со спином , гиромагнитные отношения которых равны соответственно 7г и 7s- Такие обозначения обусловлены тем, что первоначально ядерный эффект Оверхаузера наблюдался для системы ядерного и электронного спина. Как обычно, состояния с различной ориентацией спинов обозначаются как аа, а(3, Ра и /?/?, и образуют систему уровней, изображенную на (рис. 1.4).

При отсутствии спин-спинового взаимодействия оба перехода ядра г и ядра s имеют одинаковую энергию. Состояния аР и Ра, если пренебречь разницей ларморовских частот, обусловленной химическим сдвигом, также принадлежат одному значению энергии. Пусть общее число ядер в образце равно 4N. Количество ядер на каждом уровне в состоянии теплового равновесия соответствует распределению Больцмана. Разности заселенностей между соседними уровнями обозначим как 5. Переходы будут происходить между уровнями, соответствующими изменению суммарного спина на единицу. Это пары уровней аа — а[5, аа — Ра, а(5 — (5(3 и 0а — (5(5. Переходы между уровнями а(5 — (5аяаа — (5(3 сопровождаются изменением суммарного спина на 0 и на 2 соответственно и поэтому не наблюдаются в нормальных условиях, будучи запрещенными правилами отбора. Однако при нарушении условий теплового равновесия данные переходы могут вносить вклад в релаксацию системы, способствуя восстановлению равновесного состояния.

Дизамещенный каликс[4]арен, соединенный по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в положениях 1 иЗ

Помимо этого, производные каликсаренов обладают еще целым рядом очень интересных свойств, что делает их весьма привлекательными объектами для исследований. Так, например, активно развивается направление по применению самоорганизующихся макромолекулярных структур на основе функционализированных каликс[4]аренов для создания трубчатых наноразмерных конструкций (панотрубок) [60-62]. Задачи целенаправленного синтеза подобных структур требуют использования исходных молекулярных шаблонов определенной структуры [63]. В связи с этим возникает необходимость в определении пространственной структуры и межатомных расстояний исходных молекулярных шаблонов в растворах [64].

В данной работе объектами исследования являлись квадроцикличе-ские производные калике[4]аренов. Данная группа макроциклов образует 4 устойчивые конформации: «конус», «частичный конус», «1,2-альтернат» и «1,3-альтернат» (рис. 2.2).

Конформационный состав раствора калике [4] арена зависит от целого ряда факторов: температуры, дипольного момента молекул растворителя, типа примесей и т.п. Соответственно, изучая конформационный состав производных каликс[4] аренов в растворах, можно получать информацию о соответствующих типах внутри- и межмолекулярных взаимодействий.

Соединения тиакаликсарена, синтезированного несколько позже [65], но свойствам схожи с каликсаренами [66], но имеют ряд отличий, обусловленных строением межсегментных мостиков [67]. Отличие тиакаликсарена от каликсарена состоит в том, что в узлах межсегментных соединений вместо метилена расположены атомы серы. Вследствие этого, молекулы тиакаликсарена несколько превосходят каликсарены по габаритам, отличаясь увеличенным объемом внутримолекулярной полости, образуемой каликса-реновым скелетом, что позволяет расширить круг объектов, с которыми эти соединения могут образовывать макромолекулярные комплексы. Кроме того, тиакаликсарены обладают большей конформационной гибкостью и более широким диапазоном доступых реакций. Этими факторами обусловлен наблюдающийся в последнее время повышенный интерес к данному классу соединений [68].

В настоящей работе нами были исследованы производные ка-ликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов различного строения. Часть соединений была синтезирована в лаборатории член-корр. РАН И. С. Антипина под непосредственным руководством к.х.н. И. И. Стойкова. Остальные соединения были любезно предоставлены другими исследователями. Ниже будут приведены особенности строения исследованных соединений.

Производные р-трет-бутил-тиакаликс[4]арена, содержащие амидные фрагменты в качестве заместителей нижнего обода. Нами были исследованы моно- (1а) и 1,3-дизамещенные (lb) производные р-трет-бутил-тиакаликс[4]арена, имеющие в качестве заместителей нижнего обода группы -0 - С(0) - NH — СбЩ - NO2 в различном положении. Особенности синтеза изложены в работах [69-72].

Монозамещенный р-трет-бутил-тиакаликс[4]арен (1а) содержит в качестве заместителя нижнего обода группу — 0 — С (О) — NH — СоЩ — NO2 (см. рис. 2.3) в положении 3, и гидроксильные группы —ОН в положениях 1, 2 и 4.

Соединение (II), структура которорого схематически изображена на рис. 2.6, представляет собой квадроцикл на основе каликс[4]арена с замещением нижнего обода орто-ксиленовым мостиком, соединяющим сегменты калике[4]аренового обода в 1-ом и 3-ем положении.

Следующими объектами наших исследований стали биска-ликс[4]арены [73, 74], состоящие из двух ободов калике[4]арена, соединенных между собой мостиками различного вида [75-78]:

Бискаликс[4]арен, соединенный двумя пара-ксиленовыми мостиками по нижнему ободу в положении 1 и 3 (Va). Структура каликсарепового скелета, а также трехмерная модель молекулярной структуры данного соединения представлены на рис. 2.8.

Бискаликс[4]арен, соединенный двумя орто-ксиленовыми мостиками по нижнему ободу в положениях 1 и 3 (Vb) по своему строению аналогичен предыдущему, за исключением соединяющих мостиков, в качестве которых здесь выступают орто-ксиленовые группы. Структурная модель данного соединения представлена на рис. 2.9. Бискаликс[4]арен, соединенный двумя диэтиленгликолевы-ми мостиками по нижнему ободу в положении 1 и 3 (Vc). Структура соединения (Vc) представлена на рис. 2.10.

Экспериментальные исследования объектов в растворах проводилось методами спектроскопии ЯМР с использованием новейших методик. В качестве растворителей использовались органические растворители, широко используемые в спектроскопии ЯМР: хлороформ (CDCI3), бензол (CQDQ), хлористый метилен (CD2CI2), ацетон ((CD3)2CO), ацетонитрил (CD3CN). Чистота растворителей контролировалась по спектрам ЯМР ХН и 13С. Все образцы готовились в стандартных 5 мм ампулах. Рабочие концентрации веществ составляли от 0,5% до 1% по массе.

Все спектры записаны на многофункциональном импульсном спектрометре ЯМР с фурье-преобразованием «Unity-ЗОО» фирмы «Varian Associates Inc.» (США), с рабочей частотой 299,94 МГц на ядрах ХН и 75,42 МГц на ядрах 13С. При записи одномерных спектров обычно использовались 10-15 импульсы и задержки между скапами 1-Ю с. Ширина спектрального окна составляла до 15 м.д., число накоплений варьировалось от 16 до 256, в зависимости от растворимости объекта. При записи спектров ЯМР 13С использовались 30-45 импульсы и широкополосная развязка от протонов. Длительность релаксационной задержки между сканами составляла 0,1-2 с, ширина спектрального окна — 200 м.д. Число накоплений варьировалось от 256 до 4096. Применялась цифровая экспоненциальная фильтрация с индивидуально подобранными для данного спектра параметрами. Отсчет химических сдвигов в спектрах ЯМР Н и 13С проводился от сигнала реперного соединения тетраметилсилана (ТМС) и гексаметилдисилоксана (ГМДС). Точность определения химических сдвигов составляла 0,01 м.д., значений констант спин-спинового взаимодействия 0,01 Гц.

Метод полного матричного анализа

Таким образом, метод полного матричного анализа позволяет, находя собственные значения и собственные вектора нормированной матрицы интегральных интенсивностей пиков двумерного спектра NOESY, вычислить значения элементов релаксационной матрицы R и найти константы скорости кросс-релаксации. Надо отметить, что метод не привязан к физическому смыслу уравнения (1.7.5) и применим как к случаю чистой кросс-релаксации, так и к системам с химическим обменом.

Для нахождения значений всех элементов релаксационной матрицы формально достаточно произвести запись двух двумерных спектров NOESY с различным временем смешивания тт. Оптимальным вариантом является выбор одного значения тт равным нулю, а второго значения таким образом, чтобы интегральная интенсивность наибольшего числа кросс-пиков была вблизи своего максимума. При этом, как показано соответствующими экспериментами [85,86], ошибки измерения констант скорости кросс-релаксации будут минимальны.

На практике для достижения необходимой точности зачастую требуется большее количество измерений при различных значениях тт. Это связано с различными значениями оптимальной величины времени смешивания для разных кросс-пиков, а также с наличием шума, что при однократном измерении дает большую ошибку для значений констант скорости. Это приводит к необходимости использовать большее число значений параметра тт и прибегать к различного рода усреднениям и процессам аппроксимации. Формально соотношение (1.7.5) можно линеаризовать, прологарифмировав выражение: ln(A(rm)) = -Rrm + ln(A0). (3.1.8)

Таким образом, зависимость элементов преобразованной матрицы от времени смешивания становится линейной и легко поддается аппроксимации. Однако при этом зачастую нарушается характер распределения ошибок, который теряет гауссов вид и становится болеее сложным, что, в свою очередь, требует применения более сложных методов аппроксимации, чем метод наименьших квадратов. В частности, как показано в работе [87], можно использовать итерационные методы аппроксимации, основанные на принципе метода наименьших квадратов, адаптированного к матричным уравнениям.

Помимо очевидных достоинств, метод полного матричного анализа релаксационной матрицы обладает и определенными недостатками, связанными с особенностью вычисления значений матричных элементов. К ограничениям данного метода можно также отнести тот факт, что для корректного проведения вычислений требуется нахождение значений интегральных интенсивностей всех пиков двумерного спектра, что часто бывает затруднительно из-за частичного перекрывания спектральных линий, а также из-за недостаточной интенсивности и малого значения отношения сигнал/шум для некоторых пиков. Для решения этой проблемы были предложены итеративные методы определения молекулярной структуры на основе матричного анализа [88-90], которые позволяют определять структуру и константы скорости релаксации для исследуемого соединения, комбинируя данные компьютерного моделирования структурных параметров с экспериментальными данными.

Стоит отметить, что на погрешность вычисления констант скорости релаксации и погрешности определения межпротонных расстояний влияют не только погрешности измерения интегральной интенсивности кросс-пика между линиями, соответствующими взаимодействующим протонам, но и погрешности измерения интенсивности остальных пиков двумерного спектра. Как показано в [87,90], зачастую это приводит к невозможности определить константы взаимодействия и расстояния между протонами, которым соответствуют хорошо разрешенные кросс-пики вполне достаточной интенсивности и высоким отношением сигнал/шум. В этом случае преимущество остается у других методов, описанных ниже. В рамках данного метода эти недостатки стараются уменьшить путем усреднения значений параметров релаксации, полученных при различных временах тт.

При большом количестве достаточно интенсивных кросс-пиков применение итерационных методов полного матричного анализа дает хорошие результаты и позволяет определять межпротонные расстояния в молекулах исследуемого соединения, давая, таким образом, информацию о геометрической структуре молекул. В этом случае за счет многочисленных кросс-пиков удается уменьшить влияние на результаты погрешностей в измерении интенсивностей части остальных (в частности — диагональных) пиков двумерного спектра. Упомянутые методы позволяют получать удовлетворительные результаты даже в случае сильного перекрывания линий двумерного спектра ЯМР, когда невозможно измерить значения интенсивностей большинства диагональных и части кросс-пиков. Данными обстоятельствами обусловлен тот факт, что эти методы определения структуры соединений получили широкое распространение для анализа структуры белков и других макромолекулярных соединений. В случае малых молекул с небольшим числом линий спектра эти методы уже не дают таких хороших результатов в силу указанных выше причин.

Геометрия молекулы дизамещенного калике[4]арена, соединенного по нижнему ободу орто-ксиленовым мостиком в 1 и 3 положениях

Усовершенствованная методика измерений межпротонных расстояний была апробирована на более сложных производных каликс[4]аренов. Первым соединением из этой серии стал квадроцикл на основе калике ] арена с замещением нижнего обода орто-ксиленовым мостиком, соединяющим сегменты калике [4] аренового обода в 1-ом и 3-ем положениях (см. рис. 2.6) (II).

В спектре ЯМР !Н Протоны нижней бензольной группы заместителя резонируют в виде сложных мультиплетов с химическими сдвигами (Н1) = 8,10 м.д. и 5(Е2) = 7,42 м.д. Протоны ОН3-групп показывают синглет с (ОН3) = 7,16 м.д. Ароматическим протонам калик-саренового скелета соответствуют два синглета с химическими сдвигами 5(R4) = 6,95 м.д., (Н5) = 6,68 м.д. Метиленовые протоны Н7 и Н8 резонируют в виде АВ-квадруплета: (Н7) = 4,22 м.д. и 5(Н8) = 3,15 м.д., константа спин-спинового взаимодействия 2JHH равна —13,0 Гц. Протоны трет-бутильной группы показывают в спектре синглеты с хим. сдвигами (t-Bu1) = 1,28 м.д. и 5{t-Bu2) = 0,90 м.д.

На основе анализа данных двумерного спектра NOESY (рис. 4.1) сделан вывод о том, что данное соединение находится в конформации «конус». На это указывает наличие релаксационных кросс-пиков ЯЭО между линиями ароматических протонов соседних сегментов верхнего обода Н и Н и, в то же время, отсутствие видимых кросс-пиков между протонами трет-бутильных групп t-Bu1, t-Bu2 и протонами нижнего обода. В спектре видны лишь кросс-релаксационные пики между протонами трет-бутильной (t-Bu1, t-Bu2) и ароматической (Н4, Н5) групп. Наличие пиков кросс-релаксации между линиями протонов ОН3-группы и ароматических протонов орто-ксиленового мостика Н1 также свидетельствует в пользу конформации типа «конус».

Значения кросс-пиков ЯЭО в двумерном спектре NOESY строго отрицательные, следовательно, в данном случае также наблюдается ситуация предельного сужения линий. Результаты измерения продольной релаксации Ті тоже показывают достаточно высокие значения — порядка 1 с. Поэтому для записи серии двумерных спектров NOESY использовали сокращенную релаксационную задержку, вычисленную из соотношения (3.2.7).

Обработка и анализ экспериментальных данных проводились по отработанной схеме. Как и ожидалось, полученные зависимости усредненных относительных интенсивностей кросс-пиков от времени смешивания имеют четко выраженный линейный характер, в отличие от исходных абсолютных значений интегральных интенсивностей. Аппроксимируя полученные зависимости линейной функцией и вычисляя тангенсы угла наклона tg а, получаем значения приведенных констант скорости кросс-релаксации о\ т.к. из (3.3.1) и (3.3.2) однозначно следует, что tga = о\у

При вычислении абсолютных значений межпротонных расстояний в качестве калибровочного использовалось расстояние между метиленовыми протонами Н7, Н8 межсегментного мостика каликсаренового скелета (II). Выбор был обусловлен тем, что данное расстояние является наименьшим среди исследуемых пар взаимодействующих протонов. Соответственно, величина интегральной интенсивности кросс-пиков ЯЭО данной пары протонов будет наибольшей среди всех кросс-пиков спектра NOESY для данного соединения, а значит, и значение отношения сигнал/шум также будет наибольшим.

Полученные экспериментальные результаты измерения межпротонных расстояний в совокупности с результатами компьютерного моделирования (табл. 4.1) показывают хорошее соответствие. Значение расстояния между ароматическими протонами орто-ксиленовой группы (Н , Н ) близ

ко к ожидаемому, что также подтверждает согласованность полученных результатов. Следует отметить, что, благодаря хорошему разделению линий в спектре ЯМР , удалось получить значения расстояния между ароматическими протонами соседних сегментов верхнего обода (Н4, Н5). Обычно это не удается из-за сильного перекрывания линий данных групп ядер.

На основе анализа спектров ЯМР H, 2D ЯМР (COSY и NOESY модификации) произведено полное отнесение спектральных линий и сделан вывод о конформациии этих соединений.

На рис. 4.3 приведен спектр NOESY соединения (III), записанный при времени смешивания тт = 0,5 с, и одномерная проекция спектра ЯМР 1Н. Из анализа спектра следует, что протоны Н4а трет-бутильной группы резонируют в виде синглета с химическим сдвигом (Н а) = 0,81 м.д. Метиленовые протоны СНз0 имеют 5 = 4,46 м.д., а (СН ) = 5,07 м.д. Протоны ароматических фрагментов резонируют в слабопольной области спектра с химическими сдвигами (Н7) = 6,96 м.д., 5(Я ) — 7,11 м.д. и 3JHH = 7,85 Гц, а 6(Н3) = 7,12 м.д. Высокая симметрия одномерного спектра ЯМР Н свидетельствует о том, что соединение (III) находится либо в конформации «конус», либо в конформации «1,3-альтернат». В двумерном спектре ЯМР NOESY (рис. 4.3) имеются кросс-пики между протонами Н5, Н4а и СН 0, Н4а, что позволяет однозначно выбрать конформацию «1,3-альтернат».

Похожие диссертации на Двумерная спектроскопия ЯМР NOESY в изучении пространственной структуры мономерных и димерных производных каликс[4]аренов в растворах

Пространственное строение амилоидогенных A пептидов и их комплексов с модельными мембранами в растоворах методами спектроскопии ЯМРУсачев, Константин Сергеевич

Пространственное строение биологически активных пептидов в растворах и в комплексе с модельной мембраной по данным двумерных методов спектроскопии ЯМРЕфимов, Сергей Владимирович

Пространственное строение олигопептидов в растворе и в комплексе с моделью поверхности биологической мембраны по данным методов спектроскопии ЯМРБлохин Дмитрий Сергеевич

Двумерная ЯМР NOESY спектроскопия в конформационно жестких и подвижных гетероциклах среднего размера Хайрутдинов Булат Имамутдинович

Исследование локальной атомной структуры соединения ZnBr2 и его водных растворов при аномальных условиях методом рентгеновской спектроскопии поглощенияКаменский Иван Юрьевич

Локальные искажения атомной структуры кристаллических твердых растворов германий-кремний по данным EXAFS-спектроскопии Деев Андрей Николаевич

ЯМР спектроскопия доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах Залесский Андрей Владимирович

Структура и магнитнорезонансные параметры молекулярных систем на основе методов молекулярной механики, квантовой химии и спектроскопии ЯМРЮльметов Айдар Рафаилевич

Молекулярная динамика белков и полипептидов. Исследование методом релаксационной и обменной ЯМР-спектроскопииКрушельницкий Алексей Германович

Свойства водородных связей в аморфных материалах и на границе раздела фаз по данным ЯМР спектроскопииШендерович, Илья Григорьевич