Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы расчёта констант экранирования и их преобразования в химические сдвиги (литературный обзор)
1.1. Теоретические аспекты магнитного экранирования ядер и его 12
проявления в спектрах ЯМР
1.1.1. Взаимосвязь между химическим сдвигом и константой магнитного экранирования ядра
1.1.2. Теоретическое рассмотрение магнитного экранирования 14
1.1.3. Современные методы расчёта констант экранирования 16
1.1.4. Метод GIAO 18
1.2. Преобразование рассчитанных констант экранирования в химические 20
сдвиги.
1.2.1. Выбор эталонного соединения 20
1.2.2. Построение линейной зависимости между рассчитанными константами экранирования и экспериментальными химическими сдвигами
1.3. Источники ошибок расчётов констант экранирования 26
1.3.1. Учёт электронной корреляции 28
1.3.2. Эффект растворителя и межмолекулярных взаимодействий 29
1.3.3. Конформационная подвижность 30
1.3.4. Вращательно-колебательные эффекты на константы экранирования. 31
1.3.5. Эффект тяжелого атома 31
1.4. Способы минимизации ошибок 32
1.4.1. Моделирование сольватации 32
1.4.2. Конформационное усреднение для молекул, обладающих большим 34 количеством степеней свободы вращательного движения.
1.4.3. Расчёт химических сдвигов при наличии эффекта тяжелого атома 35
1.4.4. Расчётные методы с эмпирической параметризацией 35
1.5. Сравнение методов предсказания химических сдвигов 37
1.5.1. Методы предсказания химических сдвигов, основанные на 37
инкрементах.
1.5.2. Сравнение расчётов, основанных на теории волновой функции и 38 теории функционала плотности
1.5.3. Сравнение методов учёт эффекта растворителя 41
1.5.4. Сравнение базисных наборов 44
1.6. Использование метода GIAO для конфигурационного отнесения 46
олефинов и оксимов
ГЛАВА 2. Изучение стереоспецифичности химических сдвигов в оксимах, азинах, гидразонах и основаниях шиффа методами ЯМР и GIAO
2.1. Стереоспецифичность химических сдвигов в оксимах, содержащих 52
элементоорганический заместитель
2.1.1. Сравнительный анализ стереоспецифичности химических сдвигов 13C в производных оксимов кремний и германий содержащих ацетиленовых альдегидов и кетонов на основе спектроскопии ЯМР 13C и расчетов GIAO
2.1.2. Изучение стереоспецифичности констант экранирования 13C, 15N и 56 77Se в оксимах селенофен-2-карбальдегида
2.2. Стереоспецифичность констант экранирования в азинах 62
2.2.1. Стереоспецифичность констант экранирования ядер С в ацетоназине как инструмент конфигурационного отнесения кетазинов
2.2.2. Химические сдвиги в спектре ЯМР С б ензофеноназина как стандарт для конфигурационного отнесения азинов с ароматическими заместителями
2.2.3. Изучение стереоспецифичности Н, С, N и Se констант экранирования в конфигурационных изомерах азина селенофен -2-карбальдегида
2.3. Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР Н и С для конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе
2.4. Стереоспецифичность химических сдвигов 1H, C и N в изомерах 92
бисдиметилгидразон метилглиоксаля: проблема конфигурационного отнесения на основе химических сдвигов 1H и КССВ C–1H
ГЛАВА 3. Изучение внутримолекулярных взаимодействий в функционализированных производных пиррола мет дами ямр и квантовой химии
3.1. Изучение строения и внутримолекулярных взаимодействий в конфигурационных изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида на основании данных спектроскопии ЯМР Н, С и N, расчёта констант экранирования методом MP2-GIAO и анализа орбиталей натуральных связей
3.3. Структурные исследования /72Є0-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил) BOD IP Y красителей методами ЯМР Н, С, F и квантовой химии
5 3.4. Исследование структурных особенностей 1-стирилпиррола по данным ЯМР 1Н, 13С, 15N и квантово-химических расчётов
ГЛАВА 4. Экспериментальная часть и методика расчётов
4.1. Синтез соединений 151
4.2. Квантово-химические расчёты 151
4.3. Регистрация спектров ЯМР 152
Выводы 154
Список литературы 156
Список используемых сокращений
- Теоретическое рассмотрение магнитного экранирования
- Сравнительный анализ стереоспецифичности химических сдвигов 13C в производных оксимов кремний и германий содержащих ацетиленовых альдегидов и кетонов на основе спектроскопии ЯМР 13C и расчетов GIAO
- Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР Н и С для конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе
- Структурные исследования /72Є0-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил) BOD IP Y красителей методами ЯМР Н, С, F и квантовой химии
Введение к работе
Актуальность темы. Непредельные гетероатомные соединения –
чрезвычайно обширный класс органических веществ, многие из которых
обладают практически ценными свойствами. Они широко используются в
медицине и фармакологии, находят разнообразное применение в самых
различных технологических процессах. В этот класс соединений входят, в том
числе, вещества, содержащие группу -С=N- (оксимы, азины, гидразоны,
основания Шиффа). Особенность таких соединений состоит в том, что они
могут при определенных условиях трансформироваться в гетероциклы. Так,
одним из наиболее известных методов синтеза пирролов из оксимов и
ацетилена, является реакция Трофимова. По этой реакции получен обширный
ряд функционализированных 1Н-пирролов и 1-винилпирролов, продолжающий
непрерывно расширяться*. Химические ансамбли, в состав которых включен
пиррольный цикл, обладают практически ценными свойствами, служат
перспективными прекурсорами новых электропроводящих и
электрохимических материалов, обладают разносторонней биологической активностью. Для понимания химических свойств непредельных гетероатомных молекул и прогнозирования их реакционной способности крайне важно знать особенности их электронного и пространственного строения. Поэтому изучение пространственного строения ациклических гетероатомных соединений, а также получаемых из оксимов новых производных 1Н-пирролов и 1-винилпирролов с использованием спектральных методов, остается актуальной задачей. Кроме того, необходимо иметь инструменты точного определения структуры вновь синтезированных молекул. Особое внимание должно быть уделено установлению типов изомеров полученного вещества, поскольку химические свойства различных изомеров могут значительно отличаться.
Одним из основных методов структурных исследований органических молекул является спектроскопия ЯМР. Экспериментальные значения параметров спектров ЯМР, таких как химические сдвиги и константы КССВ, как правило, достаточны для однозначного описания органического соединения. Вместе с тем, по мере развития методов расчёта спектральных параметров в рамках квантово-химического подхода на основании приближенного решения уравнения Шредингера и увеличения точности воспроизведения экспериментальных данных, всё большее значение в структурных исследованиях приобретают теоретические спектральные параметры, в том числе химические сдвиги. Теоретические химические сдвиги могут быть использованы для решения целого ряда спектральных и структурных задач. Во-первых, они могут быть использованы для отнесения сигналов в спектрах ЯМР. Несмотря на широкую распространённость разнообразных двумерных методик, *Трофимов Б.А., Михалева А.И., Шмидт Е.Ю., Собенина Л.Н. Химия пиррола. Новые страницы. Новосибирск: Наука, 2012. 382 с.
позволяющих в большинстве случаев приписывать наблюдаемые экспериментально спектральные пики к резонансу индивидуальных ядер, в ряде случаев они не могут обеспечить однозначное отнесение всех сигналов. Это затрудняет решение одной из основных задач ЯМР спектроскопии -распознавание структуры вновь синтезированных веществ. Кроме того, применение двумерных методик оказывается невозможным при изучении короткоживущих интермедиатов, идентификация структуры которых имеет принципиально важное значение для выявления пути реакции. В этом случае теоретические расчёты единственный способ установления структурной формулы промежуточного продукта. Во-вторых, на основании значений теоретических сдвигов возможна идентификация регио- и стерео-изомеров, а также распознавание диастереомеров, сопровождающееся отнесением их относительной конфигурации. Теоретические химические сдвиги позволяют изучать различные внутри- и межмолекулярные взаимодействия, такие как стэкинг, водородные связи, стерическая компрессия и другие невалентные взаимодействия, сопряжение ненасыщенных фрагментов. Всё это в целом даёт более полную картину самоорганизации молекулы под действием внутренних и внешних факторов.
Развитию указанного выше аспекта - методологии применения теоретических химических сдвигов в структурных исследованиях непредельных гетероатомных соединений и посвящена данная работа. При этом, с целью облегчения адаптации полученных данных к повседневной практике научных исследований, использовались наиболее доступные для химиков-органиков квантово-химические расчёты при эксплуатации пакета программ GAUSSIAN, а сам расчёт теоретических химических сдвигов производился в рамках наиболее распространённого метода расчёта GIAO (Gauge-Including Atomic Orbital, калибровочно-инвариантные атомные орбитали) с использованием наиболее проверенных методов учёта электронной корреляции и базисных наборов. В связи с этим, работа ориентирована на практическое применение результатов для структурного анализа синтезированных органических веществ.
Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН по темам: «Развитие направленного синтеза новых практически важных функционализированных азот-, кислород- и серосодержащих гетероциклов на основе хемо- и региоселективных реакций гетероатомных ,-непредельных карбонильных систем с нуклеофилами» (№ государственной регистрации 01200406377) и «Новые методы, реакции и интермедиаты для тонкого органического синтеза на базе ацетилена и его производных» (№ государственной регистрации 01200406373). Часть исследований проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-03-00423-а).
Цель работы. Квантово-химическое исследование строения ряда непредельных гетероатомных соединений. Определение конфигурации изомеров, установление преобладающих конформаций, выявление внутримолекулярных взаимодействий, изучение сопряжения между ненасыщенными фрагментами и неподеленными парами электронов гетероатомов. Развитие методологии использования теоретических химических сдвигов, рассчитанных методом GIAO, для проведения структурных исследований непредельных гетероатомных соединений. Анализ факторов, обуславливающих изменение химических сдвигов в спектрах ЯМР изученного ряда соединений и предпочтительность определённых конформаций, основанный на расчёте химических сдвигов методом GIAO с использованием параметров, полученных в рамках QTAIM (Quantum Theory Atoms in Molecules, Квантовая Теория «Атомы в Молекулах») и NBO (Natural Bond Orbital Analysis, Анализ Натуральных Орбиталей Связей) подходов.
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведено систематизированное сравнение теоретических химических сдвигов, полученных из расчёта GIAO на различном уровне, и химических сдвигов, измеренных в спектрах ЯМР, для ряда непредельных гетероатомных соединений: оксимов, азинов, гидразонов, оснований Шиффа, производных пиррола и комплексов BODIPY. Впервые показано, что теоретические значения химических сдвигов в совокупности с экспериментальными данными могут служить надёжным инструментом для конфигурационного отнесения оксимов, азинов, гидразонов и оснований Шиффа даже при наличии только одного изомера. Выявлены причины аномально большого слабопольного смещения сигнала в спектре ЯМР 77Se для Z-изомеров оксима и азина селенофен-2-карбальдегида, произведена идентификация изомеров этих соединений и установлены преобладающие конформации. На примере бисдиметилгидразона метилглиоксаля впервые показано, что значения химических сдвигов в спектрах ЯМР 1Н и прямых КССВ 13С-1Н могут привести к ошибочному отнесению конфигурации изомеров. Надёжные структурные данные могут быть получены только из значений химических сдвигов в спектрах ЯМР 13С, прямых КССВ 13С-13С и геминальных КССВ 15N-1Н. Установлено, что в E- и Z-изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида образуются внутримолекулярные водородные связи N-HN и N-HО, соответственно, обеспечивающие преимущественную син-ориентацию пиррольного цикла относительно азометиновой связи. Выявлены причины аномально больших слабопольных смещений сигналов в спектрах ЯМР 1Н и возрастания соответствующих прямых КССВ 13С-1Н для ряда 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов. Впервые доказано, что химические сдвиги в спектрах ЯМР 1Н и дальние КССВ 19F-13С могут служить эффективным средством для оценки двугранных углов между ненасыщенными фрагментами в комплексах мезо-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил)-BODIPY, от которых зависят оптические свойства этих красителей, обладающих практически ценными
свойствами. Впервые получены данные, указывающие, что не только стерически напряженный Z-изомер 1-стирилпиррола, но и Е-изомер этого соединения имеет неплоское строение в силу внутримолекулярных электронных взаимодействий.
Личное участие соискателя в получении результатов. Автором выполнена вся расчетная часть работы и синтезированы некоторые из исследованных объектов. Автор принимал непосредственное участие в планировании научного исследования, расшифровке спектров ЯМР и обсуждении спектральных данных, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и написании статей.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в центральных российских и международных журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 3 докладов. Основные результаты диссертационной работы были представлены на V Всероссийской конференции «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях» (Казань, 2011), VI Международной конференции «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магниты» (Ростов-на-Дону, 2012) и ХХ Всероссийской конференции «Структура и Динамика Молекулярных Систем» (Йошкар-Ола, 2013).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 181 страницах текста, содержит 49 таблиц, 12 рисунков и состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы из 211 наименований. Глава 1 посвящена обзору методов расчета констант экранирования и их преобразования в химические сдвиги. В главах 2 и 3 содержатся основные результаты исследования. В главе 4 описана техника эксперимента и методика расчетов.
Теоретическое рассмотрение магнитного экранирования
Развитию указанного выше аспекта - методологии применения теоретических химических сдвигов в структурных исследованиях непредельных гетероатомных соединений и посвящена данная работа. При этом, с целью облегчения адаптации полученных данных к повседневной практике научных исследований, использовались наиболее доступные для химиков-органиков квантово-химические расчёты при эксплуатации пакета программ GAUSSIAN, а сам расчёт теоретических химических сдвигов производился в рамках наиболее распространённого метода расчёта GIAO (Gauge-Including Atomic Orbital, калибровочно-инвариантные атомные орбитали) с использованием наиболее проверенных методов учёта электронной корреляции и базисных наборов. В связи с этим, работа ориентирована на практическое применение результатов для структурного анализа синтезированных органических веществ.
Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН по темам: «Развитие направленного синтеза новых практически важных функционализированных азот-, кислород- и серосодержащих гетероциклов на основе хемо- и региоселективных реакций гетероатомных ,-непредельных карбонильных систем с нуклеофилами» (№ государственной регистрации 01200406377) и «Новые методы, реакции и интермедиаты для тонкого органического синтеза на базе ацетилена и его производных» (№ государственной регистрации 01200406373). Часть исследований проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-03-00423-а).
Цель работы. Квантово-химическое исследование строения ряда непредельных гетероатомных соединений. Определение конфигурации изомеров, установление преобладающих конформаций, выявление внутримолекулярных взаимодействий, изучение сопряжения между ненасыщенными фрагментами и неподеленными парами электронов гетероатомов. Развитие методологии использования теоретических химических сдвигов, рассчитанных методом GIAO, для проведения структурных исследований непредельных гетероатомных соединений. Анализ факторов, обуславливающих изменение химических сдвигов в спектрах ЯМР изученного ряда соединений и предпочтительность определённых конформаций, основанный на расчёте химических сдвигов методом GIAO с использованием параметров, полученных в рамках QTAIM (Quantum Theory Atoms in Molecules, Квантовая Теория «Атомы в Молекулах») и NBO (Natural Bond Orbital Analysis, Анализ Натуральных Орбиталей Связей) подходов.
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведено систематизированное сравнение теоретических химических сдвигов, полученных из расчёта GIAO на различном уровне, и химических сдвигов, измеренных в спектрах ЯМР, для ряда непредельных гетероатомных соединений: оксимов, азинов, гидразонов, оснований Шиффа, производных пиррола и комплексов BODIPY. Впервые показано, что теоретические значения химических сдвигов в совокупности с экспериментальными данными могут служить надёжным инструментом для конфигурационного отнесения оксимов, азинов, гидразонов и оснований Шиффа даже при наличии только одного изомера. Выявлены причины аномально большого слабопольного смещения сигнала в спектре ЯМР 77Se для Z-изомеров окисима и азина селенофен-2-карбальдегида, произведена идентификация изомеров этих соединений и установлены преобладающие конформации. На примере бисдиметилгидразона метилглиоксаля впервые показано, что значения химических сдвигов в спектрах ЯМР 1Н и прямых КССВ 13С-1Н могут привести к ошибочному отнесению конфигурации изомеров. Надёжные структурные данные могут быть получены только из значений химических сдвигов в спектрах ЯМР 13С, прямых КССВ 13С-13С и геминальных КССВ 15N-1Н. Установлено, что в E- и Z-изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида образуются внутримолекулярные водородные связи N-HN и N-HО, соответственно, обеспечивающие преимущественную син-ориентацию пиррольного цикла относительно азометиновой связи. Выявлены причины аномально больших слабопольных смещений сигналов в спектрах ЯМР 1Н и возрастания соответствующих прямых КССВ 13С-1Н для ряда 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов. Впервые доказано, что химические сдвиги в спектрах ЯМР 1Н и дальние КССВ 19F-13С могут служить эффективным средством для оценки двугранных углов между ненасыщенными фрагментами в комплексах мезо-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил)-BODIPY, от которых зависят оптические свойства этих красителей, обладающих практически ценными свойствами. Впервые получены данные указывающие, что не только стерически напряженный Z-изомер 1-стирилпиррола, но и Е-изомер этого соединения имеет неплоское строение в силу внутримолекулярных электронных взаимодействий.
Личное участие соискателя в получении результатов. Автором выполнена вся расчетная часть работы и синтезированы некоторые из исследованных объектов. Автор принимал непосредственное участие в планировании научного исследования, расшифровке спектров ЯМР и обсуждении спектральных данных, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и написании статей.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в центральных российских и международных журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 3 докладов. Основные результаты диссертационной работы были представлены на V Всероссийской конференции «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях» (Казань, 2011), VI Международной конференции «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магниты» (Ростов-на-Дону, 2012) и ХХ Всероссийской конференции «Структура и Динамика Молекулярных Систем» (Йошкар-Ола, 2013).
Сравнительный анализ стереоспецифичности химических сдвигов 13C в производных оксимов кремний и германий содержащих ацетиленовых альдегидов и кетонов на основе спектроскопии ЯМР 13C и расчетов GIAO
Как следует из данных таблицы 14, химические сдвиги атомов 13С-1, 13С-2 и 13С-3 меняются закономерным образом при переходе от E- к Z-изомерам изученных оксимов. Химические сдвиги атомов 13С-1 и 13С-2 уменьшаются на 4 и 3–5 м.д., соответственно, а химический сдвиг 13С-3 увеличивается на 7–9 м.д. (табл. 14). Таким образом, химические сдвиги 13C в оксимах 1–4 демонстрируют явно выраженную стереоспецифичность. В то же время, стереоспецифичность химических сдвигов 13C-2 и 13С-3 в кетоксимах 3 и 4 ещё более очевидна. При переходе от E- к Z-изомеру кетоксимов 3 и 4, сигнал 13С-2 смещается в область более низких частот на 5.3–5.4 м.д., а резонанс 13С-3 смещается в сторону более высоких частот на 10.6–11.3 м.д. Из–за таких резких изменений химических сдвигов атомов С-2 и С-3 порядок расположения этих сигналов в шкале ЯМР 13С в Е- и Z-изомерах соединений 3 и 4 оказывается инвертированным. Однако, это не относится к альдоксимам 1 и 2, где ядро углерода 13C-2 обнаруживает дезэкранирование на 3.2–3.4 м.д., в то время как ядро углерода 13C-3 оказывается экранированным на 6.7–6.9 м.д. в E-изомере по отношению к Z-изомеру. Атом 13С-1 в E-изомерах альдоксимов 1 и 2, также как и E-изомерах кетоксимов 3 и 4, резонирует при более высокой частоте на 3.9–4.1 м.д. относительно Z-изомеров (табл. 14). Фрагмент спектра ЯМР 13С, наглядно отображающий инверсию сигналов С-2 и С-3 в Z-изомере кетокисма 3 относительно Z-изомера, а также E- и Z-изомеров альдоксима 1, изображен на рисунке 2.1.
В соответствии с данными расчета, атом водорода альдоксимного фрагмента E-изомеров соединений 1 и 2 дезэкранирован на 0.8–0.9 м.д. сильнее, чем тот же атом в Z-изомерах, хотя атом углерода метильной группы E-изомеров соединений 3 и 4 оказывается более экранированным на величину 5 м.д. по сравнению с Z-изомером (табл. 14). Эти результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными закономерностями (см. выше).
Изменения в теоретических химических сдвигах атомов углерода C-1, C-2 и C-3 следуют экспериментальным тенденциям. Величины расчетных химических сдвигов атома углерода С-1 и С-2 меньше на 5–6.5 и 4–6.5 м.д., соответственно, а химический сдвиг углерода C-3 больше на 6–11.5 м.д. в Е-форме соединений 1–4 по сравнению с Z-формой. Расчеты GIAO также предсказывают более значительные изменения величин 13C-2 и 13C-3 в Е- и Z-изомерах кетоксимов 3 и 4 по сравнению с альдоксимами 1 и 2 (8.5–8.7 и 5.0–5.1 м.д.; 11.4–12.0 и 8.5–8.7 м.д., табл. 14). Разница между рассчитанными химическими сдвигами кремния в Е- и Z-изомерах соединений 1 и 3 составила 0.5–0.9 м.д., что находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными. При этом теоретические значения 13C-2 и 13C-3 для оксимов 1 и 3 надёжно отображают обсуждавшуюся выше инверсию сигналов в спектре ЯМР 13С (см. рис. 2.1.).
Таким образом, теоретические химические сдвиги 1Н, 13С и 29Si в оксимах 1–4 отражают закономерности в изменении химических сдвигов, наблюдаемые экспериментально и могут быть использованы для конфигурационного отнесения оксимов подобного строения. C-3
Экспериментальные значения химических сдвигов в спектрах ЯМР 13C, 15N и 77Se оксимов селенофен-2-карбальдегида 5–8 указаны в таблице 15. Рассчитанные величины этих параметров представлены в таблице 16. 1 /Ri
Химические сдвиги 13С селенофенового цикла оксимов 5–8 изменяются закономерным образом при переходе от E- к Z-изомеру. Ядра углеродов 13C-1, 13C-2 и 13C-4 обнаруживают дезэкранирование на 4–5, 11 и 2.5–3.0 м.д., соответственно, в то время как для ядер углеродов 13C-3 и 13C-5 проявляется экранирование на 2.5–3.0 м.д. в E-форме соединений 5–8 по сравнению с Z-формой (табл. 15). Это приводит к инверсии расположения сигналов 13C-2 и 13C-5, а также сигналов 13С-3 и 13С-4 в шкале ЯМР 13С для E-изомеров оксимов 1–4 по сравнению с Z-изомерами.
Наиболее неожиданным является резкое различие в экранировании ядер 77Se в различных изомерах исследованных оксимов. Химический сдвиг 77Se в E-изомерах оксимов 5–7 больше на 90–91 м.д. по сравнению с Z-изомером (табл. 15). Различие величин 77Se для смеси E- и Z-изомеров можно наглядно увидеть в экспериментальном спектре ЯМР 77Se оксима 1-(2-селенофенил)-1-пропанона 6, изображенном на рисунке 2.2. В то же время, значения 77Se для каждого из E- и Z-изомеров оксимов 1–3 отличаются между собой незначительно (593–595 м.д. для Е-изомеров и 683–686.5 м.д. для Z-изомеров).
Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР Н и С для конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе
Вторичными минимумами для 19-EE, 19-ZZ и 19-EZ изомеров являются син/анти/анти- и анти/анти/син-формы, соответственно, которые на 2.5 ккал/моль (19-EE изомер), 3.7 ккал/моль (19-EZ изомер) и 2.1 ккал/моль (19-ZZ изомер) выше по энергии. Таким образом, все изомеры азина 19 существуют преимущественно в виде син/анти/син-конформации.
Следует отметить, что данные квантово-химических расчетов приведенные выше, соответствуют экспериментальным данным. Так, рентгеноструктурное исследование тиофеновых аналогов соединения 19-EE показало их структурное сходство, то есть син-ориентацию тиофенового кольца по отношению к связи C=N– [139, 140].
Расчеты предсказывают большой энергетический зазор между структурами 19-EE, 19-ZZ и 19-EZ с син- и анти-ориентациями C=N– группы, причем последняя ориентация энергетически менее выгодна на 3.5 ккал/моль. Следовательно, син/син/син-, син/син/анти- и анти/син/син-конформации 19 при комнатной температуре заселены незначительно и могут быть исключены из рассмотрения. Чтобы упростить рассмотрение изменений химических сдвигов в различных пространственных формах 19-EE, 19-ZZ и 19-EZ изомеров, были вычислены химические сдвиги только для син/анти/син- (CAC), анти/анти/син-(ААС) и син /анти/анти- (CAA) конформеров (ААС и CAA формы эквивалентны для 19-EE и 19-ZZ изомеров). Результаты расчетов приведены в таблице 20.
Рассчитанные химические сдвиги 1H в энергетически более выгодной СAС конформации изомеров 19-EE, 19-ZZ и 19-EZ находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными данными. Максимальное отклонение теоретических значений 1H от эксперимента составляет от 0.3 до 0.4 м.д. для атома водорода H-1. С другой стороны, наблюдается очень существенное отклонение расчетного значения 1H-3 от экспериментально для менее предпочтитльных СAA и ААС конформаций 19-EE и 19-EZ изомеров (0.8-1.0 м.д., соответственно; табл. 20). Кроме того, становится очень большим различие между расчетными и экспериментальными значениями H -3 в САА конформации изомера 19-ZZ (1.7 м.д.). Этот эффект может быть объяснен следующим образом. Анти-ориентация селенофенового цикла в 19-EE, 19-ZZ и 19-EZ изомерах создает оптимальные условия для формирования внутримолекулярной водородной связи C-HN (схема 2.6.), что приводит к дезэкранированию атома водорода Н-3 [108]. Таким образом, разница между значения 1H-3 в СAС и ААС, СAA конформациях является следствием C-HN водородного связывания и влияет на константу экранирования H-3 в последней из указанных конформации.
Схема 2.6. Формирования внутримолекулярной водородной связи C-HN в изомерах азина селенофен-2-карбальдегида при анти ориентации селенофенового цикла. Следует отметить, что величина эффекта величиной 1-1.5 м.д., предсказанная расчётом в рамках метода GIAO для водородной связи этого типа находится в хорошем согласии с экспериментальными данными [108]. Кроме того, средняя абсолютная ошибка (САО) расчетных химических сдвигов H от измеренных значений показывает лучшее соответствие с преобладающей конформацией СAС сравнительно с менее заселенными конформациями СAA и ААС. Вычисленные значения химических сдвигов C-2 систематически завышаются, вплоть до 15 м.д., в СAС, ААС и СAA конформациях всех изомеров (табл. 20). Это отклонение значительно выше, чем САО для химических сдвигов C, достигаемая обычно в квантово-химических расчетах такого уровня (3.3 м.д.
Тем не менее, несмотря на эти расхождения, изменения в расчетных химических сдвигах С атомов углерода селенофенового цикла при изменении конфигурации от Е к Z для соединения 19 в предпочтительной СAС конформации хорошо согласуются с экспериментальными тенденциями. Таким образом, в 19-ЕЕ и 19-EZ (для іі-фрагмента) изомерах, как теоретические, так и экспериментальные значения С-1, С-2 и С-4 больше, тогда как значения С-3 и C-5 меньше, чем для 19-zz и 19-EZ (для /-фрагмента) изомеров с единственным исключением ( С-3 в 17-EZ; табл. 19 и 20). Величина САО для химических сдвигов С снова оказывается самой низкой при син-ориентации селенофенового цикла. Для Z-фрагмента в 19-EZ изомере наблюдается существенное увеличение САО для атомов углерода при шши-положении селенофенового цикла по отношению к син-положению (4.0-4.7 против 6.1-6.5 м.д., табл. 20). Несмотря на то, что ошибка в расчете константы экранирования С, приведенная выше, значительна, она намного ниже при учете электронной корреляции на уровне MP2 по сравнению с аналогичными расчетами в рамках DF T. Т ак, расчеты C в преобладающих конформациях оксимов, имеющих селенофеновый заместитель, при использовании функционала плотности B3LYP показали отклонение вычисленных химических сдвигов C-2 и C-5 от измеренных на 14-17 и 13-14 м.д., соответственно [66], а при расчете на уровне MP2 изомеров 19 такое отклонение уменьшается до 10-11 и 1-4 м.д. соответственно (табл. 20). В результате САО для атомов углерода селенофенового цикла в расчетах MP2 снижается с 6-7 до 4 м.д. по сравнению с аналогичными расчетами на уровне B3LYP. еоретическое значение N для 19-EE изомера больше на 25 м.д., чем для изомера 19-ZZ, как это и наблюдается в эксперименте. Хотя абсолютное отклонение теоретических химических сдвигов N от экспериментальных сравнительно невелико (5-7 м.д., табл. 20), последовательность рассчитанных значений N в изомере 19-EZ неверна. В соответствии с экспериментальными данными, атом азота N-7 в Е-фрагменте на 6 м.д. более экранирован по 7 сравнению с ядром N-7 /-фрагмента (табл. 19). Расчеты же предсказывают 7 противоположный результат, указывающий, что ядро N-7 /-фрагмента подвергается большему экранированию на 5 м.д. по отношению к атому 5N-7 в h-фрагменте (табл. 20). Аналогичное несоответствие было обнаружено ранее при рассмотрении расчетных и экспериментальных значений 5N в конфигурационных изомерах оксима 1-винил-2-карбальдегида [108]. Неудовлетворительная воспроизводимость последовательности химических сдвигов атомов азота, полученная в результате квантово-химических расчетов, делает затруднительным использование теоретических значений 5N для отнесения сигналов в спектрах ЯМР N смеси конфигурационных изомеров.
Структурные исследования /72Є0-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил) BOD IP Y красителей методами ЯМР Н, С, F и квантовой химии
В связи с отклонением плоскости тиенильного цикла от плоскости остова BODIPY, атомы фтора группы BF2 оказываются не эквивалентны. Обозначим более близкий к атому водорода Н-3 атом фтора в анти-конформации как F-4a, а более удаленный - как F-4p (схема 3.6.). Равновесное расстояние F-4aН-3 в анти-конформации равно 2.15 , что значительно меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов атомов фтора и водорода (2.55 [154]). Таким образом, квантово-химический расчёт обнаруживает предпосылки взаимодействия атома водорода Н-3 с атомами фтора группы BF2 через пространство.
Теоретические химические сдвиги для атомов водорода Н-4 и Н-5 тиенильного цикла в син- и анти-конформациях различаются на 0.13 и 0.25 м.д., соответственно (табл. 44). В то же время, расчёт предсказывает резкое возрастание химического сдвига Н-3 на 1.3 м.д. в анти- конформации молекулы 33 по сравнению с син-конформацией. Такая величина изменения химического сдвига находится в соответствии с наблюдаемым эффектом слабопольного смещения сигнала водорода Н-3” в BODIPY 33 и 34. Спин-спиновое взаимодействие между ядрами фтора группы BF2 и углерода С-3 проявляется только в анти-конформации. Имеются две различные КССВ для неэквивалентных ядер фтора, J(F-4a,C-3) и J(F-4p,C-3). Среднее значение этих КССВ [J(F-4,C-3 )= J(F-4a,C-3)/2+ J(F-4p,C-3)/2=10 Гц, табл. 45] находится в разумном соответствии с экспериментально измеренной величиной (8.1 Гц, табл. 43). Расчёт показывает, что КССВ F- 1H с участием ядер фтора группы BF2 имеют разный знак. Для более близкого атома фтора КССВ J(F-4a,Н-3 ) положительна (4.1 Г ц), тогда как для более удаленного атома фтора КССВ J(F-4p,Н-3) отрицательна (-1.9 Гц). При усреднении эти КССВ частично компенсируют друг друга, так что среднее значение КССВ J(F-4,Н-3) равно лишь 1.1 Гц. Учитывая погрешности, 1 возникающие при расчётах КССВ F- H в рамках теории функционала плотности [181], такой результат объясняет причину, по которой КССВ J(F-4,Н-3 ) экспериментально не обнаруживаются.
Таким образом, расчёты возможных конформеров молекулы 33 показывают наличие спектральных эффектов, связанных с пространственной близостью атомов фтора группы BF2 и атома водорода Н-3 , выражающихся в резком дезэкранировании протона Н-3 и проявлении дальней КССВ J(F-4,C-3) с высоким значением. Характер взаимодействия между атомами F-4 и Н-3 в BODIPY 33 может быть выявлен при расчётах его топологических параметров в рамках QTAIM [28] и из анализа NBO с последующим сопоставлением полученных данных с характеристиками внутримолекулярной водородной связи N-H O при образовании семичленного хелатного цикла в 1,1-ди(пиррол-2-ил)-2-формилэтене 38 (схема 3.9.)[182].
Расчёты в рамках формализма QTAIM позволили обнаружить образование семичленного хелатного цикла, образовываемого вследствие невалентного взаимодействия F-4H-3 . Топологические параметры этого взаимодействия и образованного им хелатного цикла (электронная плотность в КТ и лапласиан электронной плотности в К V ) представлены в табл. 46. Кроме того, анализ орбиталей натуральных связей показал существование взаимодействия между НЭП атома фтора и разрыхляющей орбиталью связи C-3 -H-3 , обеспечивающей перенос электронной плотности между указанными фрагментами. Энергия стабилизации, связанная с этим взаимодействием, также содержится в табл. 46. Кроме того, на рис. 3.5. изображен фрагмент канонической молекулярной орбитали, ответственной за перенос спиновой плотности от ядра фтора к ядру углерода С-3 через невалентное взаимодействие FH-C в комплексе BODIPY 33.
Фрагмент канонической молекулярной орбитали комплекса BODIPY 33 показывающий перекрывание электронных облаков НЭП атома фтора и связи С-З -Н-З Сравним топологические параметры взаимодействия F-4-H-31 в анти-конформации BODIPY 33 с аналогичными параметрами для водородной связи N-H- О в соединении 38 (см. схему 3.9.), которые указаны в табл. 46. Сравнение показывает, что параметры р(О-Н) и V р(О-Н) в молекуле 38 имеют значительно более высокие значения, чем p(F-4-H-3) и V p(F-4-H-3) в молекуле 31. Поскольку эти величины отражают энергию связывания [183], становится очевидным, что невалентное взаимодействие F-4-H-31 значительно слабее традиционной внутримолекулярной водородной связи. К этому же выводу можно прийти, сравнивая энергию взаимодействия НЭП атома кислорода и разрыхляющей орбитали связи С-Н для водородного связывания N-H-0 в соединении 38 [LP(0) G (N-H)] с подобным взаимодействием НЭП атома фтора [LP(F-4)—а С-З-Н-З1)] в BODIPY 33. Как видно из данных табл. 46, взаимодействие LP(O)— G (N-H) на порядок сильнее, чем взаимодействие LP(F-4) а (С-3!-Н-3!) (27.1 и 1.3 ккал/моль, соответственно).
