Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 4
2. Обзор литературы. Спектроскопия ЯМР на изотопе 2Н 6
2.1 Введение 6
2.2 Химические сдвиги 7
2.3 Спин-спиновое взаимодействие 9
2.4 Релаксация на ядрах дейтерия 11
2.5. Изотопные эффекты в химических реакциях 15
2.6. Распределение дейтерия в природных соединениях 18
3. Методики измерения и анализа спектров ЯМР 2Н 31
3.1. Аппаратурные требования и эталонирование 31
3.2. Измерение интегральных интенсивностей линий в спектрах ЯМР 2Н 34
3.3. Ядерный эффект Оверхаузера^-і'Н} 39
3.4. Релаксация па ядрах 2Н и условия сужения линий в спектрах ЯМР 2Н 42
3.5. Измерение констант J('H-2H) 46
3.6. Измерение абсолютного содержания дейтерия и его селективного распределения в этанолах 54
3.7. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР2Н 57
4. Распределение дейтерия в органических соединениях синтетического происхождения 63
4.1. Селективность внутримолекулярного распределения дейтерия по структурно неэквивалентным положениям молекул 63
4.2. Термодинамические изотопные эффекты в молекулах, в которых совершаются внутримолекулярные перегруппировки (циклопентадиен, индеп) или наблюдается заторможенное вращение (амиды карбоиовых кислот) 69
4.2.1. Сигматропный сдвиг в циклопентадиене и индене 69
4.2.2, Заторможенное вращение в А/.ЛГ-диметилформамиде
4.3 Чциметилацетамиде и Аґ-метилацетамиде 73
5. Распределения дейтерия в терпенах и терпеноидах 78
5.1. «H/D-Изотопиые портреты» циклических монотерпенов и дискриминация их биосинтетических путей 78
5.1.1. Механизм биосинтеза и формирование «H/D-изотопного портрета» терпенов 78
5.1.2, Особенности внутримолекулярного распределения дейтерия в природных терпенах и терпеноидах 82
5.2. «H/D-изотопные портреты» в химических реакциях терпеноидов 96
5.2.1. Механизм и стереохимия ацилирования Д -карена 96
5.2.2. Пиролиз а-пинена 103
5.2.3. Реакция окисления а-пинена 109
5.2.4. Бромирование камфоры 113
Выводы 117
- Химические сдвиги
- Измерение интегральных интенсивностей линий в спектрах ЯМР 2Н
- Термодинамические изотопные эффекты в молекулах, в которых совершаются внутримолекулярные перегруппировки (циклопентадиен, индеп) или наблюдается заторможенное вращение (амиды карбоиовых кислот)
- «H/D-изотопные портреты» в химических реакциях терпеноидов
Введение к работе
Спектроскопия ЯМР Н получила развитие только в последнее двадцатилетие. Малый магнитный момент и низкое природное содержание дейтерия (0.015%) обусловливают очень низкую интенсивность сигнала этого ядра, которая на шесть порядков меньше, чем для 1Н и на два порядка меньше, чем для 13С. Дополнительные трудности при регистрации спектров возникают вследствие наличия у дейтерия, имеющего спин равный 1, электрического квадрупольного момента. По этим причинам до недавнего времени спектроскопия ЯМР Н применялась для решения относительного узкого круга задач с использованием изотопически обогащенных соединений. Быстрое совершенствование аппаратуры ЯМР в последнюю четверть века, приведшее к многократному повышению чувствительности спектрометров высокого разрешения, открыло пути наблюдения спектров ЯМР Н на природном содержании дейтерия, что существенно расширило потенциальные возможности этого метода.
В восьмидесятых годах прошлого века было показано, что распределение дейтерия в природных объектах не равномерно и подвержено значительным колебаниям, обусловленным влиянием различных геофизических, химических и биологических факторов. Различное содержание дейтерия в водяном паре над поверхностью Земли на полюсах (около 90 м.д.) и на экваторе (около 155 м.д.) вызвано существенным различием температур кипения и замерзания изотопомеров воды. По той же причине изотопомерныи состав льдов отражает долговременные колебания климата. Вода играет важную роль в образовании биомассы и, следовательно, в формировании ее изотопного состава. Было также обнаружено на ограниченном круге соединений природного происхождения, что распределение дейтерия по структурно неэквивалентным положениям в их молекулах также неравномерно, заметно отличается от статистического и зависит от природного источника. Последнее наиболее интересное и важное обстоятельство, несомненно, является следствием кинетических H/D-изотопных эффектов в биохимических реакциях. Спектроскопия ЯМР Н открывает возможность не только определить абсолютную концентрацию дейтерия в органических соединениях, но и дает полную информацию о распределении изотопа по структурно неэквивалентным положениям в молекулах, т. е. позволяет получить «H/D-изотопный портрет» соединения. В этом отношении она существенно превосходит изотопную масс-спектрометрию, которая при решении последней задачи требует использования трудоемких и сложных реакций последовательной селективной фрагментации молекул. Первые ЯМР-исследования на природном содержании Н показали, что «H/D-изотопный портреты» соединений могут дать ценные сведения о механизмах химических реакций и о путях биосинтеза органических молекул. В настоящее время этот метод уже применяется для определения подлинности многих важных продуктов (этанолы, душистые вещества, масла и т.п.).
Дальнейшее развитие спектроскопии ЯМР Н и расширение областей ее применения настоятельно требуют совершенствования экспериментальных методик измерения и обработки спектров. План настоящей работы предусматривает:
- разработку высокоточных методик количественного анализа спектров ЯМР Н на природном содержании изотопа,
- определение абсолютного содержания и селективного распределения дейтерия по структурно неэквивалентным положениям в молекулах органических соединений синтетического и природного происхождения,
- выявление связи «H/D-изотопных портретов» молекул с кинетическими и термодинамическими эффектами в химических реакциях,
- использование «H/D-изотопных портретов» для выяснения путей биосинтеза природных соединений, определения источников их происхождения и исследования механизмов химических реакций.
Химические сдвиги
Химические сдвиги протонов и дейтронов совпадают с точностью до изотопных эффектов [6, 7], которые в практике рутинных измерений обычно не учитываются. Изотопные эффекты связаны с зависимостью колебательно-вращательных состояний молекул от массы изотопов [8]. В ряду элементов наиболее сильные относительные изменения массы наблюдаются для изотопов водорода. Относительные изменения экранирования при переходе от протонных спектров к дейтронным (первичный изотопный эффект) были изучены Нероновым [9,10]. Изучение первичного изотопного эффекта требует точного определения соотношения гиромагнитных отношений у изотопов. Так, для резонансных частот ядер Н и 2Н имеем: где CTj - константа экранирования изотопа І. На основании результатов измерения первичных изотопных эффектов Неронов и сотр. нашли, что (у н/у2н) составляет 6.514399178 с относительной точностью ±2 10 %. Вторичные индуцированные дейтерием эффекты на экранирование изучались неоднократно экспериментальными и теоретическими методами [8]. Изотопный химический сдвиг для ядра X принято выражать как где n - число связей между атомами X и Н. Представление о величине изотопных эффектов для некоторых ядер дают приведенные в таблице 2.2 данные. Изотопный эффект зависит от числа связей, разделяющих наблюдаемое ядро и атом дейтерия. Наиболее сильные изменения экранирования соответствуют величинам ]ДХ, которые, как это следует из таблицы 2.2, относительно легко обнаруживаются в спектрах. Найдены закономерности, связывающие изотопный эффект с молекулярными, электронными и структурными факторами [8, 11, 15, 18 - 21]. Обнаруживается зависимость изотопного эффекта от распределения заряда в молекуле, наличия и ориентации неподеленных электронных пар и характера замещающих групп в молекулах [8]. Наблюдаемые H/D-изотопные эффекты в спектрах 2Н и Н, как и следовало ожидать из общих предположений, с точностью до экспериментальных ошибок совпадают [22, 23]. Такое соответствие, например, наблюдалось и для дейтероизотопомеров циклопентана [11], для которого Д Н( Н) = 17.9 ppb, Д Н( Н)цие = 7.0 ppb, Эффекты изотопического H/D-замещения на химические сдвиги протонов могут быть использованы для построения поверхностей экранирования, и в частности, для оценки температурных градиентов для химических сдвигов. В свою очередь учет температурных градиентов имеет важное значение для корректного анализа динамических явлений (обменных процессов, обратимых химических реакций и т.д.) [24].
Следует отметить, что при сопоставлении химических сдвигов Н и 2Н необходимо учитывать влияние растворителя на экранирование, которое зависит от объемной магнитной восприимчивости среды, магнитной анизотропии молекул, диполярных, дисперсных взаимодействий, а также специфических донорно-акцепторных взаимодействий [25]. Согласно Халеви [26] дейтерий является более электроположительным заместителем, чем протон, поэтому следует ожидать, что экранирование ядер Н будет более чувствительным к водородным связям, чем экранирование ядер Н. Имеются различные экспериментальные свидетельства такого эффекта [4]. В частности, были отмечены различия сольватационных эффектов на экранирование 2Н и Н для воды и хлороформа [1]. II.3. Константы спин-спинового взаимодействия Изотопное H/D-замещеіше явилось эффективным методом для анализа спектров вырожденных систем [4]. Замена протона на дейтерий в симметричных группах приводит к снятию вырождения, что впервые было продемонстрировано в работе [27] на примере монодейтеробензола спектр ЯМР Н которого соответствует спиновой системе АВВ СС Х. Такой подход дает возможность измерения констант Д Н- Н) при пренебрежении изотопными эффектами, поскольку значения констант для протонов и дейтерия связаны соотношением Взаимодействия 2Н-2Н обычно не обнаруживаются в дейтронних спектрах на природном содержании изотопа вследствие крайне низкой вероятности появления соответствующего изотопомера. Однако они появляются в спектрах обогащенных дейтерием молекул. Впервые это было установлено для пиридина-сІ5 [4]. Следует учитывать, что величины КССВ 2Н-2Н в (у н/у2н)2 раз меньше соответствующих протон-протонных констант. Наблюдаемые J(2H-2H) не превышают значений 0.2 Гц, соответствующие им расщепления сигналов, как правило, не разрешаются, а дают вклад в эффективную ширину линий. В таблице 2.3 приведены некоторые типичные константы 2J( H-2H) и J( С- Н), которые характерно проявляются в спектрах ЯМР !Н и С дейтерированпых растворителей. Так, в случае протонного резонанса мультиплетные сигналы дают остаточные протоны частично дейтерированных молекул. Большинство данных было получено при использовании пердеитерированных соединений. Влияние изотопного замещения на спектры проявляется как комбинация первичных и вторичных изотопных эффектов. Наиболее целостным подходом для выделения этих эффектов является изучение серии изотопомеров одной молекулы [30]. Наблюдаемые индуцированные дейтерием изотопные эффекты на КССВ находят убедительную теоретическую интерпретацию [8, 30,34]. Следует в заключение отметить, что спектры ЯМР на ядрах Н, имеющих квадрупольный момент, не использовались для точного измерения КССВ даже при возможности достижения достаточно высоких отношений сигнал/шум при обогащении молекул.
Основными причинами этого являются квадрупольные уширения линий и большая вероятность перекрывания мультиплетных сигналов из-за относительно узкого (в частотной шкале) диапазона химических сдвигов. Вместе с тем, определенные преимущества сулит переход к измерению спектров на природном содержании изотопа, которые могут быть рассмотрены как суперпозиции спектров отдельных изотопомеров. Кроме того, в этом случае отпадает необходимость селективного дейтерирования молекул с высокой степенью чистоты. II.4. Релаксация па ядрах дейтерии Для дейтерия, как и для других ядер со спином I 1/2, преобладающий механизм релаксации обусловлен квадруполышми взаимодействиями [35, 36]. Диполь-дипольный механизм для дейтерия проявляется в меньшей мере, при этом 2Н- Н взаимодействия в (у ц/у п раз меньше Н Н взаимодействий. На рис. 2.1 показаны зависимости времени квадрупольной спин-решеточной релаксации Ті ядер дейтерия от времени корреляции молекулярной реориентации тс в логарифмической шкале [37] при двух значениях константы квадрупольного взаимодействия % (170 и 190 кГц), где Q - ядерный электрический квадрупольный момент, qzz - единичный электрический градиент поля. Для константы % = 170 КГц приведены зависимости для трех резонансных частот (200, 400 и 500 МГц для ядер Н), Зависимости имеют характерный минимум, который с ростом частоты смещается в сторону более быстрых реориентациоппых движений. При обычных условиях в минимуме Т) составляет единицы миллисекунд. Сравнительно недавно [50 - 53] было показано, что метод ЯМР Н на природном содержании обладает важными преимуществами для изучения изотопных эффектов по сравнению с другими методами. Различие в массах изотопов приводит к фракционированию, неравномерному их распределению между находящимися в равновесии состояниями молекулярных систем (термодинамический, или равновесный, изотопный эффект), а также к изменению скоростей химических реакций (кинетический изотопный эффект). Изотопный эффект имеет колебательно-вращательную природу [54] и преимущественно определяется зависимостью энергий нулевых колебательных мод от массы. Он проявляется наиболее сильно, когда изотопное замещение происходит в разрывающейся или образующейся связи (первичный эффект), и в существенно меньшей степени, если замещение произведено вне этой связи (вторичный эффект). С ростом атомного номера относительное различие масс, а значит и изотопный эффект уменьшается. Так, при H/D-замещении, замещение масс составляет 100%, а при 12С/3С-замещении - 8%. В первом случае первичный изотопный эффект (кн/ko) обычно составляет 6-12, а во втором (к с/кпе) - около 1.4. Этот факт и определяет особую роль H/D-замещения в исследовании механизмов реакций и строения переходных соединений. Формализм определения изотопных эффектов был разработан Меландером [54] и применительно к ЯМР рассмотрен в работах [50, 51]. В простом случае отсутствия вторичных изотопных эффектов схема переноса атома водорода может быть представлена уравнениями (11) и (12):
Измерение интегральных интенсивностей линий в спектрах ЯМР 2Н
Различия в интенсивностях сигналов в спектрах ЯМР на природном содержании Н, обусловленные неоднородностью распределения дейтерия, во многих случаях малы и иногда составляют доли процента. Их определение требует высокой точности интегрирования резонансных сигналов. Проблемы спектрального интегрирования подвергались тщательному обсуждению в литературе. В частности, рассматривались причины систематических ошибок, связанных с цифровым разрешением [133 - 135], динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразования [135], отношением сигнал/шум (S/N) [134, 135], искажениями базовой линии [136] и искажениями фазы сигналов [137]. Стандартные процедуры численного интегрирования при отсутствии заметного перекрывания линий в спектре обеспечивают точность на уровне около 1 -2%, что вполне достаточно для решения большинства рутинных задач при условии достижения необходимого отношения сигнал/шум. Для ядер дейтерия, имеющих низкую характеристическую ЯМР-чувствительность, проблемы точного интегрирования связана с дополнительными трудностями. Использование пиковых интенсивностей сигналов, которое было предложено и используется для решения некоторых специальных задач с помощью ЯМР 2Н [138] может приводить к значительным систематическим ошибкам из-за того, что времена релаксации заметно различаются для ядер Н, находящихся в разных положениях в молекуле, а поэтому их резонансные сигналы имеют разные ширины [139]. Для прецизионного интегрирования сигналов ЯМР в связи с этим часто применяют стандартную в спектроскопии процедуру деконволюции спектра. Полный спектральный контур аппроксимируется при этом суперпозицией лорентцевых линий, и наилучшего согласия между экспериментальным и теоретическим спектром добиваются в итерационной процедуре за счет варьирования их положений, ширин и интенсивностей. Этот подход весьма эффективен в том случае, если все линии имеют синглетную форму, достаточно хорошо разрешены, и число линий строго установлено [140]. Стандартные программы для деконволюции спектров входят в пакеты математического обеспечения спектрометров ЯМР ведущих приборостроительных фирм (см. например [141]). При большом отношении сигнал/шум в спектре точность измерений по интегральным интенсивностям при статистической обработке результатов представительного числа экспериментов может быть согласно [142] менее 1% для малых молекул. Дальнейшее повышение точности сопряжено с необходимостью учитывать отклонения формы реальных линий спектра поглощения от лорентцевой (во временной шкале это соответствует неэкспоненциалыюсти ССИ).
В отсутствие обменных процессов основной причиной отклонения формы линии в спектрах ЯМР жидкостей от идеальной лорентцевой является неоднородность магнитного поля в объеме образца. Наиболее сильно это проявляется для сигналов с малой естественной шириной, определяемой релаксационными процессами. Достижение высокого разрешения с помощью шиммирующих катушек может вызвать затруднение для ядер с низкой характеристической чувствительностью, в том числе и для ядер 2Н. С помощью шиммировапия также трудно корректировать искажения вносимые катушкой датчика и образцом в тех местах, где происходит резкое изменение магнитной восприимчивости (например, на границах стекло-раствор), которое приводит к уширению линии в ее основании. Неоднородное уширение линий может быть также вызвано нестабильностью резонансных условий во времени (дрейф поля, низкая чувствительность или помехи в канале стабилизации). Спектр линии в этом случае является суперпозицией сигналов, полученных от каждого элементарного объема образца при каждом прохождении, так что информация о пространственной и временной неоднородности поля в спектре усредняется. Поэтому восстановить истинное распределение поля в объеме невозможно. Заметную роль могут играть и фазовые искажения. Оригинальный способ устранения рассмотренных дефектов был предложен в работе [139], где наблюдаемый сигнал ССИ представляется как произведение лорентцевой функции с нелорентцевой. Необходимые параметры взвешивающей нелорентцевой функции находятся из ССИ стандартного образца, при этом полагается, что экспериментальные условия для различных образцов полностью сохраняются. Однако, последнее требование является очень жестким и в реальных прецизионных опытах невыполнимо. В настоящей работе для обработки спектров ЯМР была использованная разработанная в нашей лаборатории (автор к.ф-м.н. В. А. Рознятовский) более удобная итерационная процедура расчета полной формы линии резонансного поглощения с прямым учетом фазовых искажений и остаточной неоднородности поляризующего магнитного поля. В основе программы INTSPECT2, как и в программах деконволюции, лежит нелинейный регрессионный анализ [143]. Все спектральные линии аппроксимируются линиями лорентцевой формы. Расчет теоретического спектра осуществляется путем свертки лоренцовой функции с нормированной функцией, полученной из зависимости напряженности магнитного поля вдоль оси Z. Фазовый сдвиг осуществляется добавлением к сигналу поглощения сигнала дисперсии. Моделирование остаточной неоднородности поля осуществляется ортогональными градиентами Z1-Z8, направленными вдоль оси образца.
Вклад градиентов XZ, YZ и высших в общую неоднородность поля не отличается от вклада продольных градиентов Z1-Z8, поскольку неоднородность, вызванная градиентами X и Y, достаточно хорошо усредняется вращением образца. Набор градиентов до восьмой степени включительно дает возможность смоделировать изменения напряженности поля в рабочем объеме образца. Варьирование в итерационной процедуре таких параметров как положение, высота и ширина на полувысоте каждой линии, а также уровня базовой линии, фазы нулевого и первого порядков и градиентов Z1-Z8 позволяет добиться максимального соответствия теоретического и экспериментального спектров даже в условиях перекрывания сигналов. Для тестирования работы программы нами было проведено интегрирование сигналов образца содержащего хлороформ (7.3 м.д.), хлористый метилен (5.3 м.д.), 1,2-дихлорэтан (3.7 м.д.), тетраметилмочевипа (2.7 м.д.), ацетон (2.1 м.д.) и циклогексан (1.4 м.д.), дающих в протонном спектре синглеты. Обработке подвергались три типа спектров ЯМР Н этой смеси растворителей, полученных при следующих условиях: а) при оптимальных шиммировании магнитного поля и настройке фазы, Ь) как и в случае (а), но при последующей расстройке градиентов Z3 и Z4, с) как и для (а), но при существенном искажении фазы нулевого и первого порядков. Интегральные интенсивности линий в этих спектрах, полученные с помощью программы INTSPECT2 и нормированные на сигнал циклогексана, представлены в таблице 3.1. Как свидетельствуют приведенные данные по измерению интегралов линий I программа дает хорошую сходимость при различных экспериментальных условиях. Рис. 3.2 иллюстрирует результат интегрирования этих спектров на примере сигнала хлороформа (1). На каждом из рисунков вверху показан экспериментальный спектр, а также спектр, моделированный программой INTSPECT2. Внизу показана разность экспериментального и теоретического спектров. Экспериментальная проверка реально достижимой точности интегрирования в спектрах ЯМ? 2Н на природном содержании была проведена на примере чистого 2-хлорбутана (Aldrich). Наличие хирального атома углерода в молекуле этого соединения обуславливает химическую неэквивалентность двух атомов водорода метиленовой группы. Можно с определенной уверенностью полагать, что атомы водорода в пределах одной метиленовой группы в небольших молекулах синтетического происхождения, должны иметь одинаковое содержание дейтерия (отсутствие изотопного эффекта).
Термодинамические изотопные эффекты в молекулах, в которых совершаются внутримолекулярные перегруппировки (циклопентадиен, индеп) или наблюдается заторможенное вращение (амиды карбоиовых кислот)
Термодинамические (равновесные) H/D-изотопные эффекты в системах с внутримолекулярными обменными процессами исследовались различными методами на разных изотопно обогащенных соединениях [И, 37, 55, 159]. Такие эффекты являются мерой отличия локальных силовых полей тех положений, которые может занимать изотоп. При этом тяжелый изотоп, во всех известных случаях, преимущественно находится в наиболее пространственно затрудненном положении. На качественном уровне это объясняется тем, что равновесные длины связей С- Н всегда несколько меньше (примерно на 5 10" А), чем длины связи С-Н [160. 161]. В связи с этим группы, содержащие дейтерий, имеют меньший объем, чем группы, содержащие протий. Мы полагали, что интересными объектами для обнаружения индуцированного дейтерием термодинамического изотопного эффекта являются соединения, в молекулах которых совершаются вырожденные обменные процессы. Изотопное замещение должно снимать вырождение и смещать равновесие в сторону энергетически наиболее выгодного состояния. К таковым соединениям относятся измеренные нами циклопентадиен [162, 163], ииден и амиды карбоновых кислот [ 164]. Термодинамические H/D-изотопные эффекты для таких молекул измерены нами впервые. Известно, что в циклопеитадиене протекает вырожденная прототропная перегруппировка с энергией активации 25 ккал/моль [165, 166]. Наличие атомов дейтерия в молекуле приводит к невырожденному равновесию (схема 4.3). Этот процесс характеризуется достаточно высокими скоростями обмена при температурах, необходимых для получения циклопентадиена из димера по ретрореакции Дильса-Альдера ( 140С). При обычных температурах спектр ЯМР 2Н циклопентадиена отвечает стереохимически жестком состояниям молекул, 1-D-, 2-D- и 5-D- изотопомеры дают узкие сигналы при 6.15, 6.21 и 2.81 м.д., соответственно. Измерение спектров циклопентадиена проводились для свежеприготовленного образца при температуре -10С, при которой процесс димеризации по Дильсу-Альдеру существенно заторможен. Образец содержал около 5% C Fe для стабилизации резонансных условий по сигналу l9F. Время накопления спектра 2Н (см. рис. 4.4) было ограничено четырьмя часами во избежание появления сигналов образующегося димера. Релаксация ядер дейтерия в этом соединении относительно быстрая, так что за время эксперимента получено достаточно высокое отношение сигнал/шум (S/N = 180). В таблице 4.4 приведены времена релаксации Т[( Н) и нормированные на среднее значения интегральные интенсивности (I) сигналов трех изотопомеров циклопентадиеиа. Интегральные интенсивности линий свидетельствуют о значимых, превышающих ошибку определения, различиях населенностей этих изотопомеров.
Интервал изменений в содержании дейтерия составляет около 3%. При этом наиболее населенным является 2-0-изотопомер. В таблице 4.4 также приведены данные расчета колебательно-вращательных энергий для трех изотопомеров циклопентадиеиа, выполненных как в гармоническом, так и в ангармоническом приближениях с использованием метода функционала плотности с неэмпирически построенными градиент-корректированными функционалами РВЕ в расширенном расщепленном базисе TZ2p автором программы ПРИРОДА к.х.н. Д. Н. Лайковым. Наблюдается достаточно хорошее согласие эксперимента с квантово-химическим расчетом. Гармоническое приближение предсказывает увеличение стабильности в ряду изотопомеров 5-D, 1-D, 2-D. При этом оценка изотопного эффекта на равновесие, исходя из результатов расчета, дает сопоставимое с экспериментальным значение (4% для 1-D- и 2-D- изотопомеров). Ангармонический расчет в соответствии со спектральными данными для непредельного фрагмента молекулы предсказывает наибольшую стабильность для 2-D-изотопомсра. Представлялось интересным выяснить, сохраняется ли наблюдаемая специфичность распределения дейтерия в циклопентадиенилыюм фрагменте в индене. Для индена, в отличие от циклопентадиеиа, сигматропный сдвиг осуществляется через неароматическую систему (изоинден) [165] (см. схему 4.4), поэтому величина активационного барьера в нем примерно на 9 ккал/моль выше, чем в циклоп ентадиене. Накопление дейтронного спектра индена (см. рис. 4.5) осуществлялось в 10 мм ампуле с капилляром (CeFe) в течение 24 часов при 303 К. Резонансные линии непредельных атомов имеют разную ширину (0,9 и 1.2 Гц) вследствие различия скоростей релаксации, вызванного анизотропией молекулярного вращения. Атом при С1 лежит вблизи одной из предпочтительных осей вращения (биссектральной), проходящей через середину общей для обоих циклов связи С-С. В таблице 4,5 приведены измеренные нами нормированные на среднее значения интегральные интенсивности (I) сигналов трех изотопомеров циклопентадиенилыюго фрагмента индена, а также результаты расчета их колебательно-вращательных энергий, выполненного к.х.н. Д. В. Беседшшм в гармоническом приближениис помощью программы ПРИРОДА-04. Квантово-химический расчет предсказывает различие энергий всех изомеров, хотя и в меньшей степени, чем это имеет место для изотопомеров циклопентадиена. Результаты эксперимента также свидетельствуют о наличии изотопного эффекта (4±2%). Наиболее энергетически выгодным оказывается З-О-изотопомер.
Различие в содержаниях двух других изотопомсров практически не проявляется. Внутреннее вращение вокруг связи C-N в амидах карбонових кислот заторможено, поскольку эта связь имеет частично двойной характер. В наибольшей мере двоесвязиость между атомами формилыюго углерода и азота в этих соединениях проявляется в плоской копформации молекулы. Такое строение молекул для жидкого Я.іУ-диметилформамида (ДМФА) подтверждено как экспериментально методом рентгеновской дифракции [167], так и с помощью квантовохимических расчетов [168]. Расчеты с помощью метода функционала плотности для ДМФА (проведенные О. Язевым) подтверждают, что наиболее стабильная конформация молекулы соответствует структуре (см. рис. 4.6), в которой атомы С(1), С(2), С(3), N(1), 0(1), Н(1), Н(4) и Н(7) лежат в одной плоскости. Барьеры вращения вокруг связей N-C(Me) малы и в условиях, близких к стандартным для водородов метильных групп в спектрах ЯМР для них наблюдается усредненная картина. Процесс вырожденного обмена в амидах карбоновых кислот изучался неоднократно с помощью ЯМР [169]. Для чистой жидкости ДМФА активационный барьер AG 298 21.8 ккал/моль [ПО]. Это означает, что при комнатной температуре обменный динамический процесс в шкале времени ЯМР является очень медленным, и его вклад в форму линии пренебрежимо мал ( 10"3 Гц), т.е. ширины линий определяются практически нацело релаксационными факторами. В то же время равновесие между цис- и транс- формами изотопомеров ДМФА, содержащими дейтерий в одной из метальных групп (см. схему 4.5) должно устанавливаться достаточно быстро и легко достигаться в условиях эксперимента ( 103 с). Таким образом, константу равновесия этого процесса можно определить при обычных температурах методом ЯМР 2Н. Спектр ЯМР Н чистого ДМФА представлен на рис. 4.7. Отнесение сигналов метальных групп при азоте было проведено с помощью ЯМР Н при использовании разностной спектроскопии ЯЭО в протонном спектре при облучении сигнала формилыюго протона. Разность резонансных частот в поляризующем поле 7 Т на ядрах 2Н для изотопомеров достаточно велика, и сигналы двух метильпых групп при 303 К представляют собой хорошо разрешенные узкие синглеты, ширина которых определяется временами релаксации. Значения времен продольной релаксации Ті для ядер дейтерия в ДМФА приведены в таблице 4.6. Величины Ті для метильных групп в цис- и трапс-положениях по отношению к кислороду существенно различаются, что связано с анизотропией вращения молекулы, [171]. (Предпочтительная ось вращения молекулы проходит вблизи от карбонильной группы и метильной группы, находящейся в транс-положении относительно первой.) Релаксационные процессы в ДМФА являются причиной заметного различия ширин линий и, следовательно, их пиковых интенсивностей. В связи с этим использование полного анализа спектрального контура для оценки интегралов I является необходимым.
«H/D-изотопные портреты» в химических реакциях терпеноидов
Присоединение электрофилов по двойной связи терпенов - важнейший метод получения функциональных производных в этом ряду. Хорошо известно, что многие из таких реакций сопровождаются внутримолекулярными перегруппировками миграцией протонов и изомеризацией скелета. Ацилирование Д -карена 1 по реакции Фриделя-Крафтса, как показано в работе [191], с высоким выходом приводит к 2-ацетил-Д -карену. Последний является промежуточным продуктом в синтезе нескольких других практически ценных терпеиоидов, в частности, его восстановлением NaBtLj получают 2-гидроксиэтил-Д4-карен 10 [192] (см. схему 5.4). С целью сохранения единства изложения и для удобства восприятия нумерация атомов здесь и ниже принята такой же, как и в предыдущем разделе. образующийся карбениевый ион стабилизируется за счет отщепления одного из протонов из положения 4. Электрофильное присоединение по двойной связи Д3-карена происходит стереоселективно с образованием замещенного по С2 Д4-карена, в котором заместитель находится в анту-ориентации по отношению к циклопропановому кольцу [193]. На основании этого стереохимического результата было сделано предположение о том, что А -карен существует в виде динамического равновесия двух конформационных форм, кресла А и ванны В, сильно смещенного в сторону второй (см. схему 5.5). [193 -195]. При этом полагалось, что в случае формы А электрофильное присоединение возможно как при син-, так и при ш/т«-ориентации электрофила по отношению к циклопропановому кольцу. В отличие от этого, для формы В син-присоединение не реализуется из-за пространственного экранирования метильной группой СЮ. Однако, сравнительно недавно на основании данных по вицинальным КССВ Н- Н и результатов расчетов методом молекулярной механики сделано заключение о том, что шестичленное кольцо молекулы Д -карена должно иметь почти плоское строение [196]. Таким образом, причина стереоселективности рассматриваемого электрофильного присоединения требовала дальнейших уточнений. Необходимо также было однозначно решить вопрос о том, какой из двух атомов водорода при углероде С4 претерпевает элиминирование, т.е однозначно определить стереохимию этого процесса. Нам удалось решить эти вопросы с использованием экспериментальных и теоретических методов. Мы количественно измерили распределение дейтерия в молекуле 2-гидроксиэтил-Д4-карена 10, который был синтезирован по схеме 5.4. Геометрическое строение эндо-2-гидроксиэтил-Д -карена было нами однозначно определено с помощью разностной спектроскопии ЯЭО.
Регистрация спектра ЯМР Н 2-гидроксиэтил-Д4-карена (см. рис. 5.11) проводилась для насыщенного раствора в ССІ4. Результаты интегрирования сигналов в спектре 2-гидроксиэтил-Д -карена 10 Как следует из этих данных, распределение дейтерия по различным положениям в продукте реакции практически не изменилось (с учетом ошибки измерения) по сравнению с исходным соединением, и основные черты «H/D-изотопного портрета» монотерпенов в нем сохранились. В том числе, это относится и к положениям Н5 и Н6, сигналы которых не разрешаются, но суммарные содержания дейтерия в этих положениях в молекулах 1 и 10 практически не отличаются. Для Д -карена наблюдается существенное различие в содержании дейтерия для геминальных положений в двух метиленовых группах при С1 и С4, Такое же различие свойственно и ряду других терпеноидов, например, лимонену (см. таблицу 5.3). В 1 оно выражено наиболее сильно (около 12%) для метиленовой группы при С4. Это дает возможность определить стереохимию процесса элиминирования на второй стадии реакции. Содержание дейтерия при С4 в 10 практически совпадает с соответствующим значением для Н4Х в молекуле А3-карена. Этот факт однозначно свидетельствует о том, что отщепление атома водорода происходит только из положения С4-Н4П, а связь С4-Н4Х такой процесс не затрагивает. Теоретический анализ, который мы провели совместно с к.х.н. И.П. Глориозовым методом функционала плотности (неэмпирический градиент-корректированныи функционал РВЕ, расширенный и расщепленный базис TZ2p) с использованием программы ПРИРОДА-04 [197] привел к результатам, которые не только полностью согласуются с выводом, сделанным выше на основании изотопного анализа, но также дают полную картину механизма протекающих процессов. По данным расчета геометрии молекулы Д -карена (см. рис. 5.13) шестичленный цикл в ней является практически плоским: двугранный угол С6-С1-С2-СЗ равен 0.1. Этот результат находится в согласии с выводом, сделанным ранее в работе [196]. Однако и при такой геометрии цикла метильная группа СЮ нависает над его плоскостью (угол С1-С6-С5-С7 равен 112.6), и межатомные расстояния Н10-С2 и Н10-Н4х оказываются очень короткими (2.69 и 2.66 А, соответственно), что несомненно будет сильно препятствовать подходу ацетильной группы в экзо-положение. Ясно, что эта геометрическая особенность молекулы и определяет стереохимию электрофильного присоединения объемной ацетильной группы. В полном согласии с этим расчеты показали, что при присоединении ацетильной группы по двойной связи в эндо-положение карена 1, возникающий катионный интермедиат эндо-2-ацетил-Д -карена 10-1 (см. рис. 5.14) на 6.0 ккал/моль более энергетически выгоден, чем его эоо-изомер (экзо-2-ацетил-Д -карен) 10-2. Весьма характерны некоторые особенности геометрии катиона э//до-2-ацетил-Л3-карена 10-1. Атом углерода С1, несущий заместитель, выходит из плоскости цикла, отдаляясь от метилыюй группы при СЮ (двугранный угол С2-С1-С6-С4 равен -16,3). При этом связи С2-С(0), С4-Н4П и атом кислорода практически лежат в одной плоскости (угол С(0)-С2-С4-Н4П = 10.Г, угол 0-С(0)-С2-С4 = 5.2), а расстояние между атомом кислорода и атомом водорода Н4П, (г(0-Н4п)=1,86 А) меньше суммы их вандерваальсовских радиусов. Атом водорода Н4П занимает аксиальное положение (угол С1-СЗ-С4-Н4П = 94.9), а Н4Х - экваториальное (угол С1-СЗ-С4-Н4Х=154.5). Заряды на Н4П и Н4Х различны (0.085 и 0.076 а.е., соответственно).
Заметно различаются и длины связей С-Н, для экваториального протона г(С4-Н4х) имеет обычное значение (1.097 А), тогда как для аксиального протона межатомное расстояние заметно увеличено (r(C4-H4n) = 1.168 А). Как следует из приведенных данных, такое состояние катиона в значительной мере стабилизируется внутримолекулярным О-Н-взаимодействием. Поскольку связь С4-Н4П оказывается практически колинеарпой вакантной р-орбитали на атоме С2, на котором в основном локализуется катионный заряд (0.132 а.е.), элиминирование может протекать только для Н4П. Моделирование механизма Ег-элимшшрования мы провели, используя в качестве нуклеофила анион СГ. В исходной конфигурации анион СГ располагался на расстоянии 4 А от обоих атомов водорода метиленовой группы при С4. В ходе сближения в процессе полной оптимизации, осуществляемом при ограничении на смещение внутренних геометрических параметров молекулярной системы ( 0.1 а.е,), последовательно происходят: увеличение длины связи г(С4-Н4п), отрыв протона Н4П и затем образование НС1 (рис. 5.15, г(С1-Н = 1.33 А). Несколько иная картина наблюдалась при увеличении амплитуды вариации внутренних геометрических параметров (0.5 а.е.). В этом случае, в отличие от сближения по оптимальной траектории, на первых шагах оптимизации геометрии комплекса проявлялось движение Н4П по направлению к атому кислорода до состояния, соответствующего гидрокси-интермедиату 10-3 (см. рис. 5.16) с межатомным расстоянием r(O-H) = 0.9 А. При последующем сближении происходит отщепление этого протона с образованием НС1. Таким образом, результаты расчета однозначно подтверждают вывод о том, что отщепление атома водорода при С4 протекает стереоселективно из а///яи-положения по отношению к трехчленному циклу карена. Весьма примечательно, что оно осуществляется при явно выраженном нуклеофильном содействии карбонильной группы. Заметное влияние этой группы подтверждают и следующие данные. Расчет показал, что переход протона Н4П в катионе 10-1 к атому кислорода (аналог кето-енольной трансформации) приводит к образованию более энергетически выгодного (на 7.9 ккал/моль) гидрокси-катиона 10-5 (см. рис. 5.16). Активационные барьеры переходов между этими формами составляют 0.19 и 8.10 ккал/моль (см. рис. 5.17). В переходном состоянии 10-6 межатомные расстояния г(О-Н) и г(С4-Н) отличаются незначительно (1.312 и 1.493 А).
