Исследование методами динамического и двумерного ЯМР пространственного строения соединений, подверженных химическому обмену

Шамсутдинов, Марат Надирович

Исследование методами динамического и двумерного ЯМР пространственного строения соединений, подверженных химическому обмену тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Шамсутдинов, Марат Надирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование методами динамического и двумерного ЯМР пространственного строения соединений, подверженных химическому обмену»

Автореферат диссертации на тему "Исследование методами динамического и двумерного ЯМР пространственного строения соединений, подверженных химическому обмену"

На правах рукописи

005008662

ШАМСУТДИНОВ МАРАТ НАДИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО И ДВУМЕРНОГО ЯМР ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ХИМИЧЕСКОМУ ОБМЕНУ

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 2 ЯНВ 2012

Казань-2011

005008662

Работа выполнена на кафедре общей физики и в лаборатории ЯМР Института физики Казанского (Приволжского) федерального университета

Научный руководитель:

доктор химических наук,

профессор Клочков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Волков Виталий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Овчинников Игорь Васильевич

Ведущая организация:

Московский государственный университет

Защита состоится « »

___2012 года в 14.30 часов

на заседании диссертационного совета Д 002.191.01 при Учреждении

Российской академии наук Казанский физико-технический институт

им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН: 420029, г. Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7.

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим отправить по адресу: 420029, г. Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7, КФТИ КазНЦ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН

Автореферат разослан «¡¿£>> ¿1 ¿^¿2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

М.М. Шакирзянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Установление пространственного строения молекул является одной из важнейших задач химической физики. Зная структуру молекулы или хотя бы определенного ее фрагмента, можно предсказать физико-химические свойства вещества. Кислородсодержащие гетероциклические соединения входят в состав большого числа сложных молекул, активно используемых в медицине и промышленности. Также многие пептиды обладают фармакологическими свойствами, а некоторые короткие пептидные последовательности, синтезируемые клеткой, являются частью иммунной системы живого организма. Очевидно, что знание пространственного строения этих соединений в растворе позволит подойти к фундаментальному пониманию механизмов воздействия их на протекающие процессы на молекулярном уровне. Зачастую процессы быстрого химического обмена (конформационный позиционный обмен, внутри- или межмолекулярный водородный обмен) «маскируют» спектральные ЯМР параметры изучаемых соединений и не позволяют однозначно описать их пространственное строение в растворах.

Традиционно исследования пространственного строения соединений основаны как на данных одномерной ЯМР спектроскопии, включая динамический ЯМР, так и на использовании двумерной ЯМР NOESY спектроскопии (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY - спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера и обмена). Последняя позволяет определять пути переноса намагниченности, рассчитывать константы скорости медленного химического обмена, а также расстояния между магнитными ядрами, отстоящими друг от друга до 5 Л. При этом следует отметить, что по сравнению с динамическим ЯМР двумерная спектроскопия NOESY недостаточно адаптировала к исследованию структуры относительно малых молекул, подпадающих под условие быстрого движения (ю0 тс « 1, где тс -время корреляции молекулярного движения, <й0 - угловая скорость прецессии магнитных ядер). Слабая интенсивность кросс-пиков, длительное время зкспери-

мента, сильный дрейф спектральных параметров - являются основными факторами, затрудняющие такого рода исследования.

Одним из направлений в работе группы ЯМР кафедры общей физики Казанского федерального университета является развитие методов получения количественной информации о межпротонных расстояниях для низкомолекулярных органических соединений, основанных на данных ЯМР спектроскопии, дополнительная апробация и тестирование которых являлись необходимым условием выполнения данной работы.

Целью диссертационной работы являлось расширение области применения двумерного (2D) ЯМР NOESY подхода для решения структурно-динамических задач в новых соединениях с позиционным (химическим) обменом. В частности, необходимым являлось решение следующих задач:

1. Получение количественной информации о межпротонных расстояний в молекулах пептидов в растворах при наличии в системе межмолекулярного водородного обмена.

2. Изучение пространственного строения и динамики гетероциклических соединений (S- и О- содержащих) и пептидов, подверженных химическому обмену, методами одномерной динамической ЯМР 'Н и "С и двумерной обменной ЯМР спектроскопии в растворах.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались различные методы ЯМР спектроскопии высокого разрешения, в частности, такие ее модификации, как одномерная ЯМР спектроскопия, динамическая ЯМР спектроскопия на ядрах *Н и 13С, двумерные ЯМР импульсные последовательности [COSY (Correlation SpestroscopY) и NOESY модификации]. Часть этих методов применялась в сочетании с методиками подавлением сигнала протонов растворителя. Эксперименты проводились с использованием ЯМР спектрометров «Unity-ЗОО» фирмы «Varían Associates Inc.» (рабочая частота 299.94 МГц на ядрах !Н и 75.42 МГц на ядрах "С) и «AVANCE-500» фирмы «Bruker» (рабочая частота 500 МГц на ядрах 'Н и 125 МГц на ядрах 13С).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Экспериментальное исследование процессов химического обмена в растворе для целого ряда ранее не изученных производных 2,4-диоксоциклогептена.

2. Установление конформаций компонентов и термодинамических параметров химического обмена для соединений исследованного ряда по данным ЯМР спектроскопии.

3. Развитие методики расчета межпротонных расстояний с использованием ЫОЕБУ спектроскопии и определение на ее основе значений относительных межпротонных расстояний для ряда пептидов.

4. Развитие метода определения межпротонных расстояний в относительно малых молекулах с использованием ЫОЕБУ спектроскопии и подавления интенсивного сигнала протонов воды. Межпротонные расстояния для тет-рапептида пАс-8ег-РЬе-Уа1-С1у-ОМе, полученные с применением этого метода.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

Впервые установлены спектральные характеристики и структуры компонентов конформационного обмена в растворе для ряда ранее не изученных производных 2,4-диоксоциююгептана.

При помощи двумерной ЯМР NOESY спектроскопии впервые оценены межпротонные расстояния для некоторых пептидов в дейтерированном растворителе (020), и на основании этих экспериментов установлено их пространственное строение в растворах.

С помощью методов двумерной ЯМР ЫОЕБУ спектроскопии в сочетании с методикой подавления интенсивного сигнала ЯМР от протонов воды в растворителе Б20/Н20 (1/9) впервые определены межпротонные расстояния между Ы-Н протонами и протонами, относящимися к различным аминокислотным остаткам, в тетрапептиде пАс-8ег-РЬе-Уа!-С1у-ОМе

Методом двумерной ЯМР ЫОЕБУ спектроскопии впервые получены экспериментальные данные об относительных межпротонных расстояниях в 8,8-дихлор-3,5-диоксо-4-тиабицикло[5.1.0]октан 4-оксиде; подтверждена корректность использования обобщенной зависимости Карплуса-Конроя (зависимость

константы спин-спинового взаимодействия от двугранного угла) для этилено-подобных фрагментов в этом типе молекул.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается: согласием с аналогичными исследованиями, проводимыми с помощью других физических методов (рентгеноструктурный анализ) и подходов в ЯМР спектроскопии (например, с данными анализа величин остаточного диполь-дипольного взаимодействия, в тех случаях, где это было возможно); использованием современного ЯМР оборудования и программного обеспечения.

Практическая значимость работы:

1. Спектральные характеристики, конформации компонентов обмена и активационные параметры, характеризующие конформационный обмен, производных 2,4-диоксоциклогептана могут быть использованы при исследовании более сложных соединений, содержащих схожие структурные фрагменты.

2. Межпротонные расстояния для 3 пептидов и молекулы 8,8-дихлор-3,5-диоксо-4-тиабицикло[5.1.0]октан 4-оксида могут быть использованы при проверке на реализуемость теоретически рассчитанных структур.

3. Анализ систематической ошибки в значениях межпротонных расстояний, получаемых с использованием методов двумерной ЯМР ЫОЕБУ спектроскопии в сочетании с методикой подавления сигнала от протонов растворителя в спектрах ЯМР, может быть использован при интерпретации результатов исследований подобных соединений.

Личный вклад автора:

1. Участие в постановке целей и задач исследования.

2. Проведение ЯМР экспериментов по изучению пространственного строения и параметров химического обмена ряда семичленных гетероциклов и небольших пептидов.

3. Обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных результатов.

4. Написание статей.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на IV-M Всероссийском семинаре «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях» (г. Казань, 2005); на ХП и XIII-й Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (г. Йошкар-Ола, 2005, 2006) и на IV-ой Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды (Ростов-на-Дону, 2007) и на международной конференции «EUROMAR 2008. Magnetic Resonance for the Future» (St.Peterburg, Russia, 2008).

Диссертационная работа выполнена в лаборатории ЯМР Института физики и в НИЛ «Изучение строения органических соединений» Химического института им.Бутлерова КФУ. Работа на отдельных этапах выполнялась в рамках грантов РФФИ (06-03-32101а, 09-03-00077а), совместной программы CRDF и Министерства образования России «Фундаментальные исследования и высшее образование» (REC-007) (2006 - 2007 г.г.) и программы Федерального агентства по образованию РФ (НИР КГУ N 1.3.03, ЕЗН).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 5 статей в рецензируемых журналах и 9 работ в сборниках трудов и тезисов вышеперечисленных Международных и Российских научных конференций.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, благодарностей, списка литературы и авторского списка литературы. Работа изложена на 125 страницах, содержит 55 рисунков и 15 таблиц. Список цитированной литературы содержит 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, приведены методы и объекты исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлены общие вопросы ЯМР спектроскопии. Изложены положения теории одномерного ЯМР в системах с химическим обме-

ном (динамический -ЯМР). Описаны основные особенности двумерной Я MP спектроскопии, а также более подробно рассмотрено применение импульсной последовательности NOESY для определения пространственной структуры различных конформаций и расчета отдельных межпротонных расстояний в органических молекулах. Также в первой главе сделано краткое введение в существующие на сегодняшний день методики подавления интенсивного сигнала воды в одномерных и двумерных ЯМР спектрах.

Во второй главе дано теоретическое описание основных типов конформаций и конформационных переходов в циклах среднего размера, а также приводятся результаты исследования 4,8 замещенных 3,5-диоксо-бицикло[5.1.0]-октанов и семичленных ацеталей пиридоксина.

Для семичленных циклов возможно существование нескольких канонических конформационных структур: 2 конформера с плоскостью симметрии (Cs) -«кресло» (К) и «ванна»; 2 конформера с осью симметрии (С2) - «твист-кресло» (ТК) и «твист-ванна» (ТВ). Введение одного или нескольких гетероатомов, равно как и введение заместителей в семичленный цикл, принципиальную картину конформационного состава семичленных циклов не меняет.

Взяв в качестве объекта исследования соединения ряда (I) (Рис.1) с 4,4-пентаметиленовым фрагментом, мы ожидали реализацию в растворе двух «твист» форм как для (1а), так и для (16) [1].

Результаты анализа спектров ЯМР 'Н и 13С, 2D COSY позволили подтвердить это предположение. Общий вид спектров для обоих соединений, а также то обстоятельство, что удалось выделить в спектре при Т= 173 К четыре АВ-системы, соответствующие 2 парам метиленовых протонов при атомах С2 и С6 (Рис.2), является подтверждением реализации двух «твист» форм в растворе. Для более симметричных форм «кресло» или «ванна» спектр был бы проще - две АВ-системы, вместо четырех.

Рис. I. Соединение (I): (la) X=S, (16) Х=0

Рис. 2. Соотнесение сигналов в низкотемпературном спектре ЯМР *Н соединения (1а) в области метиленовых протонов. Разной высотой линий выделены сигналы двух

различных форм.

С использованием программы \VINDNMR-Pro проведено сравнение теоретически рассчитанных и экспериментальных форм линий при различных температурах. В результате получены зависимости константы скорости химического обмена от температуры для (1а) и (16) и определены энергетические параметры «кресло»-«кресло» инверсии спиранового фрагмента, представленные в таблице 1. Здесь и далее энергия активации ДС рассчитывалась в точке согласно одному из уравнений Эйринга и Винн-Джонса (4-й столбец) и путем обработки линейной зависимости (5-й столбец).

Таблица 1 Активационные параметры переходов для соединений ряда (I)

Соединение АН*, кДж/моль дя* Дж/(Кмоль) Д С1, хДж/моль (Т=188 К) кДж/моль(Т=188 К)

1а 37.9±4.3 -0.8±7,5 38.1 38.1±5.7

16 50.0±5.3 49.9±6.6 40.5 40.6±6.5

Отдельного комментария заслуживает высокое значение величины ДБ* для соединения (16). Мы считаем, что оно связано с неточностью в определении ДН*, обусловленной различного рода неучтенными вкладами, такими как тем-

пературные зависимости спектральных параметров и величин диэлектрической проницаемости используемых растворителей.

Теоретические расчеты энергий возможных конформационных образований при помощи программы МОРАС 8.0.3 в рамках полуэмпирического подхода с использованием метода РМ 3 подтверждают возможность реализации 2 энергетически близких взаимопревращающихся «твист»-форм (Рис. 3).

Рис. 3. Рассчитанные для соединений ряда (I) конформации (сверху - боковая проекция, снизу - проекция с другой стороны)

Для соединения (II) теоретически возможны несколько различающихся конформации, что предопределено эндо- или экзо-положениями дихлорцикло-пропанового фрагмента, аксиальным или экваториальным расположением кислорода сульфоксидной группы, интерконверсией диоксана. Однако большой атомный радиус хлора обуславливает энергетическую невыгодность эндо-положения дихлорциклопропана. Соответственно, логично было ожидать различия лишь в ориентации S=0-cb*3h и исследовать, какая конформация реализуется для семичленного цикла в обоих случаях. Для двух различных изомеров с аксиальным (IIa) и экваториальным (116) расположением атома кислорода группы S=0 относительно плоскости цикла (Рис. 4) нами были проведены динамические исследования в диапазоне температур 17<Н-293К.

В процессе исследования продемонстрирована конформационная однородность соединения (На) в температурном диапазоне от 179 до 293К (растворитель - смесь СВ2С12+С52 в объемном отношении 1:2). Учитывая результаты исследований родственных соединений [2, 3], мы считаем, что в данном случае реализуется именно кресловидная конформация с аксиальным расположением Б-О. Подтверждением этого является также то, что только такое расположение этой связи приводит к сильному влиянию электрического поля и магнитной анизотропии на неэквивалентность экваториальных и аксиальных протонов при атомах С2 и С6. Последнее видно (таблица 2) из того, что для этих протонов имеет место обращение химических сдвигов, т.е. экваториально расположенные протоны резонируют в более сильных полях, чем соответствующие им аксиальные.

116

Рис. 4. Соединение (II), которое реализуется в виде двух изомеров

Соединение (Пб) оказалось конформационно неоднородным. Учитывая, что для семичленных гетероциклов с планарным фрагментом есть возможность реализации лишь двух конформаций- «кресло» и «твист», мы предположили, что наблюдается «кресло» - «твист» равновесие. Косвенным свидетельством этого является:

- сходство спектра одного из партнеров обмена со спектром для конформационно жесткого изомера (за исключением отсутствия обращения хими-

ческих сдвигов, чего и следовало ожидать для экваториального расположения атома кислорода в Б=0), «кресловидность» которого уже продемонстрирована;

- малые величины вицинальных констант для метиленовых протонов второго набора, что может быть обусловлено усреднением за счет быстрого обмена атомов, который возможен для «твист»-«твист» перехода.

В результате симуляции спектров при помощи программы МеэГКе-С были извлечены значения геминальных и вицинальных констант спин-спинового взаимодействия (КССВ) для протонов гетероциклического фрагмента. Результаты представлены в таблице 2. Для получения дополнительной информации нами были записаны спектры и извлечены КССВ для схожей по структуре молекулы 4-фенил-3,5-диоксабицикло[5.1.0]-8-дихлорокгана, для которой подтверждена реализация конформации «кресло» с экваториальным расположением фенильной группы по данным рентгеноструктурного и ЯМР анализа [1].

Близость величин геминальных и вицинальных констант (см. таблицу 2) для сульфитов соответствующим величинам констант молекулы с фенильным фрагментом подтверждает реализацию «кресло-а» и «кресло-е» конформаций для (На) и (Иб).

Соотнесение сигналов производилось, исходя из предположения о том, что вицинальная константа между метановым и метиленовым атомами водорода больше для аксиального протона. Однако это утверждение, являющееся следствием обобщения ситуации для этиленоподобных фрагментов сложных молекул (зависимость Карплуса-Конроя), было проверено путем определения соответствующих расстояний между протонами для жесткого изомера при комнатной температуре. В качестве калибровочного принималось расстояние между метиленовыми протонами и относительно него были измерены два других расстояния (таблица 3). Полученные результаты подтвердили корректность нашего изначального предположения о структуре - значения вицинальных констант между метановым и метиленовыми протонами больше для случая аксиального расположения атома водорода при С1 и С6.

Так же определены активационные параметры «кресло-е» — «твист» интерконверсии гетероциклического фрагмента, представленные в таблице 4.

Таблица 2 КССВ для исследованных соединений.

Таблица 3 Относительные расстояния для жесткого изомера

расстояние, г/гс погрешность, Дг/гс

г(Нв-Нс) 1 -

г(НА-Нн) 1.21 0.06

г(НА-Нс) 1.40 0.14

Таблица 4 Активационные параметры переходов для соединений ряда (Н)

Соединение дн*, кДж/моль ДБ", Дж/(Кмоль) ДО*, кДж/моль (Т=188 К) АС/- ДН^-Г-ДБ* , кДж/моль(Т=188 К)

II 42.4±4.6 1.6±8.3 41.6 42..Ш.1

Для соединения (III) возможны различные расположения как для трехчленного, так и семичленного фрагментов молекулы. Изначально были синтезированы и разделены 2 изомера - с экзо- и эндо- положениями трехчленного цикла (Рис.5).

Ша Шб

Рис. 5. Структурные формулы экзо-(слева) и эндо-(справа) изомеров соединения (III)

Для первого изомера ожидалась конформационная однородность, что и было подтверждено в результате анализа 'Н ЯМР спектров соединения (Ша) в температурном диапазоне 153+293 К.

Для второго изомера с эндо-положением трехчленного фрагмента ожидалось равновесие «твист» - «кресло» [4]. Результаты экспериментов ЯМР !Н и |3С подтвердили это предположение. Также нами определены параметры активации для обмена (таблица 5). Большая величина AS* для (III),по нашему мнению, обусловлена причинами, озвученными ранее для соединения (16).

Таблица 5 Активационные параметры переходов для соединений ряда (III)

Соединение ДН*. кДж/моль Дж/(К-моль) AG', кДж/моль (Т=188 К) кДж/моль(Т= 188 К)

III 26.9±4.7 -56.5±20.8 38.0 37.8±8.6

При изучении динамики и структуры соединений ряда (IV) (Рис.5) нами ставилась задача определения межпротонных расстояний для различных кон-формаций.

(IVa) (IV6)

Рис. 6. Структурные формулы соединений ряда (IV)

На основе анализа одномерных !Н и NOESY ЯМР спектров установлено, что монозамещенные ацилированные ацетали в растворах существуют в кон-формациях «кресло» и спектральная картина при динамическом ЯМР в этом случае обусловлена только процессами диастереотопомеризации структур в рамках одной конформации семичленного цикла - «кресло(е)». Спектральные параметры соединений (IVa) и (IVб) представлены в таблице 6.

Таблица 6 Химические сдвиги ЯМР 'Н(6, м.д.) и константы спин-спинового взаимодей-

ствия (J, Гц) соединений ряда (IV)

IVa 5, м.д. н1-5 н3 н" Н" н12 Н" Н14

293 К 4.88, 4.60 (15.14 Гц) 1.1 5.12 (5.25 Гц) 1.40 (5.35 Гц) -4.57 2.40 2.37 -

4.83, 4.56 (15.75 Гц) 1.0

183 К 4.86,4.62 (15.40 Гц) 4.83,4.45 (15.86 Гц) 5.09 (5.10Гц) 5.11 (5.10Гц) 1.34(~4.86Гц) 1.33(~4.77Гц) 5.51 2.28 2.35 -

4.67, -4.55 (15.86 Гц) -4.55, 4.46 (14.38 Гц)

IV6 293 К 5.02,4.74 (15.17 Гц) 4.83,4.56 (15.68 Гц) 5.12(5.30 Гц) 1.39(5.32 Гц) -5.11 2.08 2.36 2.34

183 К 4.95,4.72 {15.29 Гц) 4.95,4.66 (16.00 Гц) 5.10(5.27 Гц) 1.35(~4.22 Гц) 1.34(-4.42 Гц) -5.03 2.05 2.37 2.36 2.30

4.87,4.47 (15.74 Гп) 4.69,4.57 (15.68 Гц)

Анализ спектров NOESY при температуре 183 К (рис. 7) выявил всего 2 кросс-пика, обусловленных ЯЭО:

S между одиночным протоном при атоме С3 и ближайшей метиловой группой;

S между этой же СНз-группой и ме-гиленовыми протонами семичлен-ного гетероцикла.

Две перечисленные выше пары расстояний интереса не представляют -они не характеризуют пространственное строение молекул в целом, поэтому задачу получения межпротонных расстояний можно считать не решенной. Однако следует отметить, что отсутствие других кросс-пиков может быть использовано для проверки реализуемости теоретически рассчитанных структур. Если какое-либо из расстояний окажется менее 5 А, то можно утверждать, что найденная модель недостаточно корректно описывает реальную ситуацию.

В третьей главе описаны спектры ЯМР !Н, 13С, COSY и NOESY трех пептидов (Рис. 8). Для тетрапептида проведено сравнение расстояний, вычисленных с использованием стандартной методики и методики, основанной на совмещении количественной NOESY спектроскопии для малых молекул с по-

давлением интенсивного сигнала воды в двумерном спектре.

о о

он

li Н II

H2N-СН—С-N-СНз-С-ОН I

сн2

СН,

к/ I

Н О н и О н (II,

I I I I I I I /

H2N— С—С-N— С—С-N- С—С

1 I I \

н н « 0

дипептид DL-пропилглицилглицин трипептид Gly-GIy-Tyr

Ser Val

нох р, phe „,сч/н, «у

тетрапептид aAc-Ser-Phe-Val-GIy-OMe Рис. 8. Структурные формулы исследованных пептидов

Изначально в качестве образцов использовались соединения, растворенные в D20. Для всех пептидов были записаны спектры ЯМР 'н и COSY при комнатной температуре, что позволило однозначно соотнести сигналы в спектре для использования в дальнейшем при количественных расчетах.

На основании анализа спектров NOESY, записанных при различных временах смешивания, были рассчитаны межпротонные расстояния для дипептида пропилглицилглицин, трипептида Gly-GIy-Tyr, тетрапептид nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe. Результаты этих расчетов представлены в таблице 7.

Таблица 7 Межпротонные расстояния для исследованных пептидов

дипептид ОЬ-пропилглицилглицин

г/г0 Дг/го -

г^Г-Н1') 1.00 - -

г(Ни-Нй) 1.38 0.08 -

г(Н"-Ну) 1.19 0.07 -

г(Н'-Нг) 1.06 0.05 -

ГСМ1'-!!") 1.10 0.07 -

г(Нг-Н6) 1.07 0.05 -

трипептид С1у-С1у-Туг

г, А Дг, А *лиотр> А

г(Ну-Н6) 2.49 - 2.49

хОГ-Н") 3.02 0.10 2.99

г^-Н") 2.61 0.11 2.50

г(Н7-Н'1) 2.73 0.13 2.43

г(Н"-Н|!) 2.85 0.14 3.06

г(На-Н|1) 2.59 0.13 2.52

г(Н|)-Н')) 1.84 0.10 1.76

тетрапептид пЛс-8ег-РЬе-Уа1-01у-0Ме

г, А Дг, А -

52-СН - е2-СН 2.49 - -

5г-СН - а2-СН 2.27 0.12 -

5'-сн-р2-сн2 1.88 0.08 -

р3-СН - у3-СНз 2.01 0.11 -

а'-СН-Р'-СНг 1.91 0.10 -

а"-СН2-р3-СН 2.36 0.09 -

а4-СН2-у3-СН3 2.27 0.09 -

Следует отметить несколько важных моментов: 1. Выбрать калибровочную пару протонов для дипептида было затруднительно, так как нет изначально пространственно жестких фрагментов. В итоге в качестве калибровочного мы брали расстояние между протоном при

атоме С" и протонами при Ср (оно обозначено как г0). Все остальные расстояния определены относительно г0.

2. Для трипептида в таблице, кроме рассчитанных нами расстояний, в крайнем правом столбце указаны те же расстояния, рассчитанные с использованием методики анализа констант остаточного диполь-диполь взаимодействия в лиотропных средах [6].

3. Использованная методика позволяет получить лишь расстояния, не превышающие 3-^4 А, поэтому, для всех 3 соединений не представляется возможным судить об относительном положении различных аминокислотных остатков.

Следующим этапом исследования была запись спектров ЯМР с применением импульсных последовательностей для подавления сигнала воды п спектре. Это позволило использовать в качестве растворителя смесь 10% D20 / 90% Н20.

Нами были опробованы разные методики подавления сигнала воды в спектре (метод предварительного насыщения, метод подавления селективным составным 90° импульсом [7], WATERGATE со стандартным 180°-импульсом 3-9-19-19-9-3[8]). Сравнение полученных в результате спектров показало, что различия в интенсивности сигналов при использовании различных методик минимальны, следовательно, можно применять любую из них. В дальнейшем нами за основу брался метод предварительного насыщения, как наиболее простой и дающий удобные в интерпретации результаты.

Используя импульсную последовательность NOESY в сочетании с методикой подавления сигнала протонов воды, мы определили расстояния между протонами. При этом использовалась методика нормирования кросс-пиков на диагональные. Измеренные таким способом межпротонные расстояния приведены в таблице 8. Для сравнения там указаны расстояния, измеренные без подавления сигналов воды в спектре.

Таблица 8 Межпротонные расстояния, найденные из анализа спектров Ю КОБЗУ, писанных с подавлением интенсивных сигналов воды.

г, А Аг, А г, А, без подавл.

5 -СН - Е^-СН 2.49 - -

5 -СН - а^-СН 2.64 0.09 2.27

52-СН-р2-СН2 2.29 0.07 1.88

Р'-СН-у'-СНз 2.59 0.10 2.01

2.34 0.12 1.91

3.50 0.12 -

а'-СН-ш"1^"1 2.55 0.08 -

р'-СН-а'-СНз 2.66 0.06 -

а'-СН-У-СНз -.-и,,— ,. ---—— ■___ 2.57 0.08 -

РСН2 ~ ЫН1^1*^' 3.41 0.11 -

у -СНз — 3.06 0.08 -

р-'-сн-ш"*-™ — Т - ■ ■ И 1 3.12 0.13 -

а -СН — ЫНИ*"1'*1 2.45 0.09 -

Использование методик подавления сигнала протонов растворителя в сочетании с двумерной ЫОЕБУ спектроскопией позволило не только определить расстояния между протонами внутри отдельных аминокислотных остатков, но и судить об относительном расположении аминокислотных остатков.

Однако сравнение результатов исследований с использованием методики подавления сигнала протонов воды и без использования этой методики показывает наличие определенного систематического расхождения в расстояниях. При подавлении сигнала протонов воды полученные расстояния примерно на 0,40 А больше расстояний, найденных без использования подавления. Возможной причиной таких различий является присутствие протонного обмена молекул пептида с протонами растворителя со скоростью выше 1 с'1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании экспериментальных исследований (спектроскопия ЯМР 'Н и 13С, двумерная ЯМР спектроскопия, COSY и NOESY модификации) пространственного строения соединений с позиционным (химическим) обменом получены следующие основные результаты:

1. Установлены спектральные характеристики, конформации компонентов химического обмена в растворе и термодинамические параметры конформаци-онного обмена для ряда ранее не изученных производных 2,4-диоксоцшелогептана.

2. При помощи двумерной ЯМР NOESY спектроскопии оценены межпротонные расстояния для некоторых олигопептидов в дейтерированном растворителе (D20), и на основании этих экспериментов установлено их пространственное строение в растворах.

3. С помощью методов двумерной ЯМР NOESY спектроскопии в сочетании с методикой подавления интенсивного сигнала ЯМР от протонов воды впервые определены межпротонные расстояния между N-H протонами и протонами, относящимися к различным аминокислотным остаткам, в тетрапептиде nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe. Показано наличие систематической ошибки в расчетных значениях межпротонных расстояний, получаемых с использованием этой методики.

4. Методом двумерной ЯМР NOESY спектроскопии получены экспериментальные данные об относительных межпротонных расстояниях в 8,8-дихлор-3,5-диоксо-4-тиабицикло[5.1.0]октан 4-оксиде; подтверждена корректность использования обобщенной зависимости Карплуса-Конроя для этиленоподобных фрагментов в этом типе молекул.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

I. Стереохимия семичленных гетероциклов. Пространственная структура 4-К-3,5-диоксабицикло[5.1.0]октанов / В.Ю. Федоренко, Р.Н. Барышников, Б.И. Хайрутдинов и др. // Ж. Орг. Химии. - 2005. - Т.41, Вып. 2. - С.301-305.

2. Overberger C.G. Temperature dependence of the conformational equilibria of cyclic sulfites / C.G. Overberger, T. Kurtz, S. Yaroslavsky // J. Organ Chem. - 1965.

- V.30, № 12. - P.4363-4364.

3. Исследование анизотропной поляризуемости сульфитной группы/ Б.А. Арбузов, А.Н. Верещагин, И.В. Анонимова и др. // Изв. АН СССР, сер. хим. - 1973. -№ 1-С.105-107.

4. Клочков В.В. Динамический ЯМР карбо- и гетероциклов среднего размера: Дис. д-ра хим. наук: 02.00.03 / Каз. гос. ун-т. - Казань, 1991. - 406 с.

5. Петухов А.С. Синтез, пространственная структура и свойства семичлен-ных ацеталей пиридоксина: Дис. канд. хим. наук: 02.00.03 / Каз.гос.ун-т. - Казань, 2004.- 177 с.

6. Пространственное строение некоторых трипептидов в лиотропных средах, растворах и твердой фазе по данным ЯМР спектроскопии/ А.В. Клочков, М.Н. Шамсутдинов, Б.К. Валеев и др. // XIII Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем": Сборник статей. - И-Ола, Казань, Уфа, Москва, РФ. -2006. -Ч.1.-С.406-410.

7. Вах A. A Spatially Selective Composite 90° Radiofrequency Pulse / A.A. Bax //J. Magn. Reson. - 1985. - V.65. - P.142-145.

8. Piotto M. Gradient-tailored Excitation for Single-quantum NMR Spectroscopy of Aqueous Solutions / M. Piotto, V. Saudek, V. Sklenar // J. Biomol. NMR. - 1992.

— V.2. -P.661-666.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Стереохимия семичленных гетероциклов. XLVI. Синтез, динамическая спектроскопия ЯМР 13С 4,4-пентаметилен гетеробицикло [5.1.0]октанов. Расчеты родственных формалей и ацетонидов методом теории функционала плотности./ В.В. Гаврилов, М.Н. Шамсутдинов, Г.А. Чмутова и др. // Ж. Орг. Химии. -2007,- Т. 43, Вып.12. - С. 1841-1847.

2. Conformational stability of diastereomeric 8,8-dichloro-3,5-dioxa-4-thia-4-oxobicyclo[5.1.0]octanes: X-ray crystallography, dynamic 'H and 13C NMR spec-

troscopy study / V.V. Gavrilov, M.N. Shamsutdinov, O.N. Kataeva et al. // Journal of Molecular Structure - 2008. - V. 888. - P. 173-179.

3. Пространственное строение тетрапептида nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe по данным двумерной 'Н-'Н NOESY ЯМР спектроскопии/ М.Н. Шамсутдинов, А.Р. Юльметов, А.В. Клочков и др. // Ученые Записки Казанского Государственного Университета. - 2008. - Т. 150, Серия Естеств. науки, книга 1. - С.76-86.

4. Изучение структуры тетразамещенных стереоизомеров р-третбутилтиакаликс[4]арена, содержащих морфолиновый фрагмент, методом 1D и 2D (NOESY) спектроскопии ЯМР/ Ф.Х. Каратаева, М.В. Резепова, М.Н. Шамсутдинов и др. // Ученые Записки Казанского Государственного Университета. - 2008. - Т. 150, Серия Естественные науки, книга 3. - С.40-53.

5. A spatial structure of tripeptides glycylglycyl-L-histidine and glycylglycyl-L-tyrosine based on residual dipolar couplings and quantum-chemical computations / V.V. Klochkov, A.V. Klochkov, M.N. Schamsutdinov et al. // Mendeleev Communications. - 2011 - Vol.21, № 2. - P. 72-74.

6. Динамическая и двумерная спектроскопия ЯМР !Н и 13С 4,4-пентаметиленгетеробицикло[5.1.0]октанов / М.Н.Шамсутдинов, В.В. Гаврилов, P.M. Вафина и др. // Новости ЯМР в письмах. Изд-во: Полиграфический комплекс физического факультета. Казань, КГУ. - 2007. - № 1 -4. - С. 1843-1852.

7. Lyotropic liquid cristalline systems and NMR dipolar couplings for the spatial structure determination of oligopeptides / V.V. Klochkov, A.R. Julmetov, M.N. Schamsutdinov, A.V. Klochkov // Book of abstracts of International Symposium "EUROMAR 2008. Magnetic Resonance for the Future", St.Peterburg, Russia, 2008. - St.Peterburg, 2008. - P.76.

8. Двумерная NOESY ЯМР спектроскопия и лиотропные жидкокристаллические среды в исследованиях структуры относительно небольших органических соединений / В.В. Клочков, Т.А. Гадиев, М.Н. Шамсутдинов и др. // XII Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем": Сборник статей. - Й-Ола, Казань, Уфа, Москва. - 2005. - 4.1. - С.360-369.

9. Пространственное строение некоторых трипептидов в лиотропных средах, растворах и твердой фазе по данным ЯМР спектроскопии / A.B. Клочков, М.Н. Шамсутдинов, Б.К. Валеев и др. // XIII Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем": Сборник статей. - Й-Ола, Казань, Уфа, Москва, РФ. - 2006. - 4.1. - С.406-410.

10.1М и 2М ЯМР спектроскопия для исследования пространственной структуры ряда гетероциклов / М.Н. Шамсутдинов, В.В. Гаврилов, P.M. Вафина и др. // XIII Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем": Сборник статей. - Й-Ола, Казань, Уфа, Москва, РФ. - 2006. - С.403-406.

11. Пространственная структура семичленных ацеталей витамина В-6/ A.C. Петухов, Б.И. Хайрутдинов, М.Н. Шамсутдинов и др. // Тезисы докл. IV Всероссийской конференции "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях". Изд-во: Полиграф, комплекс физического факультета. Казань, КГУ. - Апрель, 4-7. 2005. - С.43.

12.Пространственное строение некоторых трипептидов в лиотропных средах, растворах и твердой фазе по данным ЯМР спектроскопии / A.B. Клочков, М.Н. Шамсутдинов, Б.К. Валеев и др. // Тезисы докладов ХШ-ой Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем". Й-Ола, Уфа, Казань, Москва, РФ. - 25 июня - 1 июля. 2006 г. - С. 114.

13. IM и 2М ЯМР спектроскопия для исследования пространственной структуры ряда гетероциклов/ М.Н. Шамсутдинов, В.В. Гаврилов, P.M. Вафина, В.В. Клочков // Тезисы докладов ХШ-ой Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем". Й-Ола, Уфа, Казань, Москва, РФ. - 25 июня - 1 июля. 2006 г. - С.280.

14.Остаточные константы диполь-дипольного взаимодействия в определении пространственного строения некоторых олигопептидов / A.B. Клочков, М.Н. Шамсутдинов, Б.К. Валеев и др. /Лезисы докладов IV-ой Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды. Ростов-на-Дону. -18-22 сентября. 2007 г. - С.85.

Подписано в печать 16.12.11 Бумага офсетная. Печать ризографическая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 120 экз. Заказ 112/12

Отпечатало с готового оригинала-макета в типографии Издательства Казанского университета

420008, г. Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел. 233-73-59,292-65-60

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шамсутдинов, Марат Надирович, Казань

61 12-1/394

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский (Приволжский) федеральный университет Институт физики

На правах рукописи ШАМСУТДИНОВ МАРАТ НАДИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО И ДВУМЕРНОГО ЯМР ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТРОЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ, ПОДВЕРЖЕННЫХ

ХИМИЧЕСКОМУ ОБМЕНУ

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных

состояний вещества

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Клочков В.В.

Казань-2011

Оглавление

Введение..................................................................................................................................4

Глава 1. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в структурных задачах...............10

1.1 Введение.........................................................................................10

1.2 Физические основы ЯМР спектроскопии................................................11

1.3 Динамическая ЯМР спектроскопия........................................................16

1.3 Общие принципы двумерной спектроскопии ЯМР....................................22

1.3.1 Двумерная спектроскопия ЯМР.........................................................................22

1.3.2 NOESY эксперимент...........................................................................................27

1.3.3 Определение межпротонных расстояний при помощи NOESY спектроскопии...............................................................................................................31

1.4 Подавление сигналов воды в одномерных и двумерных спектрах ЯМР..........34

Глава 2. Исследования гетероциклов среднего размера методами динамической и двумерной ЯМР спектроскопии.........................................................................................39

2.1 Введение.........................................................................................39

2.2 Описание экспериментальной части......................................................41

2.3 Основные типы конформаций и конформационных переходов в циклах среднего размера................................................................................................43

2.4 Исследование 4,8 замещенных 3,5-диоксо-бицикло[5.1.0]-октанов................48

2.4.1 ЯМР спектры и конформации циклической системы (I)...........................48

2.4.2 ЯМР спектры и конформации циклической системы (II)..........................57

2.4.3 ЯМР !Н спектры и конформации циклической системы (III).........................65

2.5 ЯМР !Н спектры и структура некоторых ацеталей пиридоксина....................71

Глава 3 Двумерная ЯМР спектроскопия (NOESY и COSY модификации) в исследованиях структуры пептидов...................................................................................77

3.1 Введение..........................................................................................77

3.2 Описание экспериментальной части......................................................81

3.3 Исследование структуры олигопептидов с использованием методики без подавления сигналов воды........................................................................82

3.3.1 Дипептид DL-пропилглицилглицин..................................................................82

3.3.2 Трипептид Gly-Gly-Tyr.......................................................................................89

3.4 Сравнительный анализ методов вычислений расстояний с использованием

методик с подавлением и без подавления сигналов воды.................................99

3.4.1 Анализ спектров ЯМР ]Н, записанных без подавления сигнала воды.........100

3.4.2 Анализ спектров ЯМР !Н, записанных с подавлением сигнала воды..........104

Основные результаты и выводы.......................................................................................111

Благодарности.....................................................................................................................112

Список литературы............................................................................................................113

Список авторских публикаций.........................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Установление пространственного строения молекул является одной из важнейших задач химической физики. Зная структуру молекулы или хотя бы определенного ее фрагмента, можно предсказать физико-химические свойства вещества. Кислородсодержащие гетероциклические соединения входят в состав большого числа сложных молекул, активно используемых в медицине и промышленности. Также многие ~ пептиды обладают фармакологическими свойствами, а некоторые короткие пептидные последовательности, синтезируемые клеткой, являются частью иммунной системы живого организма. Очевидно, что знание пространственного строения этих соединений в растворе позволит подойти к фундаментальному пониманию механизмов воздействия их на протекающие процессы на молекулярном уровне. Зачастую процессы быстрого химического обмена (конформационный позиционный обмен, внутри- или межмолекулярный водородный обмен) «маскируют» спектральные ЯМР параметры изучаемых соединений и не позволяют однозначно описать их пространственное строение в растворах.

Традиционно исследования пространственного строения соединений -основаны как на данных одномерной ЯМР спектроскопии, включая динамический ЯМР, так и на использовании двумерной ЯМР NOESY спектроскопии (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY - спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера и обмена). Последняя позволяет определять пути переноса намагниченности, рассчитывать константы скорости медленного химического обмена, а также расстояния между магнитными ядрами, отстоящими друг от друга до 5 Á. При этом следует отметить, что по сравнению с динамическим ЯМР двумерная спектроскопия NOESY недостаточно адаптирована к исследованию структуры относительно малых

молекул, подпадающих под условие быстрого движения (со0 тс « 1, где тс -время корреляции молекулярного движения, СО0 - угловая скорость прецессии -

магнитных ядер). Слабая интенсивность кросс-пиков, длительное время эксперимента, сильный дрейф спектральных параметров - являются основными факторами, затрудняющие такого рода исследования.

Цель работы: расширение области применения двумерного (2М) ЯМР 1чЮЕ8У подхода для решения структурно-динамических задач в новых соединениях с позиционным (химическим) обменом.

В частности, необходимым являлось решение следующих задач:

2. Изучение пространственного строения и динамики гетероциклических соединений (Б- и О- содержащих) и пептидов,

подверженных химическому обмену, методами одномерной динамической

ЯМР 'Н и Си двумерной обменной ЯМР спектроскопии в растворах.

В качестве объектов исследования выбраны ранее не изученные производные 2,4-диоксоциклогептана, используемые в качестве моделей при исследовании сложных биологических молекул; дипептид пропилглицилглицин С1у-01у; трипептид 01у-01у-Туг, который используется в качестве лиганда в комплексах с Си (II) и применяется в качестве модели активных центров ферментов; тетрапептид пАс-8ег-РЬе-Уа1-01у-0Ме -актуальная модель исследования межмолекулярных взаимодействий пептидов с растворителями.

При решении поставленных задач использовались различные методы ЯМР спектроскопии высокого разрешения, в частности, такие ее модификации,

как одномерная ЯМР спектроскопия, динамическая ЯМР спектроскопия на

1 13

ядрах Ни С, двумерные ЯМР импульсные последовательности [COSY (Correlation SpestroscopY) и NOES Y модификации]. Часть этих методов применялась в сочетании с методиками подавлением сигнала протонов растворителя. Эксперименты проводились с использованием ЯМР спектрометров «Unity-ЗОО» фирмы «Varían Associates Inc.» (рабочая частота 299.94 МГц на ядрах !Н и 75.42 МГц на ядрах 13С) и «AVANCE-500» фирмы

1 13

«Bruker» (рабочая частота 500 МГц на ядрах Н и 125 МГц на ядрах С).

Научная новизна работы определяется следующим:

Впервые установлены спектральные характеристики и структуры компонентов конформационного обмена в растворе для ряда ранее не изученных производных 2,4-диоксоциклогептана.

При помощи двумерной ЯМР NOESY спектроскопии впервые оценены межпротонные расстояния для некоторых пептидов в дейтерированном растворителе (D20), и на основании этих экспериментов установлено их пространственное строение в растворах.

С помощью методов двумерной ЯМР NOESY спектроскопии в сочетании с методикой подавления интенсивного сигнала ЯМР от протонов воды в растворителе D20/H20 (1/9) впервые определены межпротонные расстояния -между N-H протонами и протонами, относящимися к различным аминокислотным остаткам, в тетрапептиде nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe

Методом двумерной ЯМР NOESY спектроскопии впервые получены экспериментальные данные об относительных межпротонных расстояниях в 8,8-дихлор-3,5-диоксо-4-тиабицикло[5.1.0]октан 4-оксиде; подтверждена корректность использования обобщенной зависимости Карплуса-Конроя (зависимость константы спин-спинового взаимодействия от двугранного угла) для этиленоподобных фрагментов в этом типе молекул.

Научная и практическая ценность.

1. Спектральные характеристики, конформации компонентов обмена и активационные параметры, характеризующие конформационный обмен, ..

производных 2,4-диоксоциклогептана могут быть использованы при исследовании более сложных соединений, содержащих схожие структурные фрагменты.

3. Анализ систематической ошибки в значениях межпротонных расстояний, получаемых с использованием методов двумерной ЯМР Ж)Е8У . спектроскопии в сочетании с методикой подавления сигнала от протонов растворителя в спектрах ЯМР, может быть использован при интерпретации результатов исследований подобных соединений.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается:

а) согласием с аналогичными исследованиями, проводимыми с помощью других физических методов (рентгеноструктурный анализ) и подходов в ЯМР спектроскопии (например, с данными анализа величин остаточного диполь-дипольного взаимодействия, в тех случаях, где это было возможно); б) использованием современного ЯМР оборудования и программного обеспечения.

Автор защищает:

3. Развитие методики расчета межпротонных расстояний с использованием ЖЭЕБУ спектроскопии и определение на ее основе значений относительных межпротонных расстояний для ряда пептидов.

4. Развитие метода определения межпротонных расстояний в относительно малых молекулах с использованием ТчЮЕБУ спектроскопии и

подавления интенсивного сигнала протонов воды. Межпротонные расстояния для тетрапептида nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe, полученные с применением этого метода.

Личный вклад автора:

1. Участие в постановке целей и задач исследования.

3. Обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных результатов.

4. Написание статей.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV-м Всероссийском семинаре "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях" (г. Казань, 2005); на XII и XIII-й Всероссийских конференциях "Структура и динамика молекулярных систем" (г. Йошкар-Ола, 2005, 2006) и на IV-ой Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды(Ростов-на-Дону, 2007) и на международной конференции "EUROMAR 2008. Magnetic Resonance for the Future" (St.Peterburg, Russia, 2008).

Диссертационная работа выполнена в лаборатории ЯМР Института физики и в научно-исследовательской лаборатории «Изучение строения органических соединений» Химического института им.Бутлерова Казанского федерального университета. Работа на отдельных этапах выполнялась в рамках грантов РФФИ (06-03-32101 а, 09-03-00077а), совместной программы CRDF и Министерства образования России «Фундаментальные исследования и высшее образование» (REC-007) (2006 - 2007 г.г.) и программы Федерального агентства по образованию РФ (НИР КГУ N 1.3.03, ЕЗН).

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 5 статей в журналах и 9 работ в сборниках трудов и тезисов Международных и Российских научных конференций.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, благодарностей, списка литературы и авторского списка литературы. Работа изложена на 125 страницах, содержит 55 рисунков и 15 таблиц. Список цитированной литературы содержит 96 наименований.

В первой главе представлены общие вопросы ЯМР спектроскопии. Изложены положения теории одномерного ЯМР в системах с химическим обменом (динамический ЯМР - ДЯМР, Dynamic Nuclear Magnetic Resonance, DNMR) и двумерной обменной ЯМР спектроскопии для определения пространственной структуры различных конформаций органических молекул. Рассмотрены методики подавления интенсивного сигнала воды в ЯМР спектрах

1 IT

биологических молекул. Во второй главе описаны спектры ЯМР 1Н, 1JC, COSY и NOESY 4,8 замещенных 3,5-диоксо-бицикло[5.1.0]-октанов и семичленных ацеталей пиридоксина. На основании анализа параметров ЯМР установлен конформационный состав, найдены термодинамические параметры конформационного равновесия, рассчитаны межпротонные расстояния для большинства исследованных соединений. В третьей главе описаны спектры ЯМР *Н, 13С, COSY и NOESY трех пептидов. На основании анализа спектров NOESY, записанных при различных временах смешивания, рассчитаны межпротонные расстояния для дипептида пропилглицилглицин, трипептида Gly-Gly-Tyr, тетрапептид nAc-Ser-Phe-Val-Gly-OMe. Для тетрапептида проведено сравнение расстояний, вычисленных с использованием стандартной методики и методики, основанной на совмещении количественной NOESY спектроскопии для малых молекул с подавлением интенсивного сигнала воды в двумерном спектре.

Изученные в работе соединения синтезированы в научных группах, руководимых доктором химических наук E.H. Климовицким (Химический институт им. A.M. Бутлерова Казанского федерального университета).

ГЛАВА 1. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В СТРУКТУРНЫХ ЗАДАЧАХ

1.1 Введение

С момента открытия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в 1945 году произошло необычайно быстрое развитие этого метода. С разработкой и внедрением импульсных методов ЯМР с преобразованием Фурье (1970-е годы) появилось множество модификаций ЯМР спектроскопии, которые позволяют получать более обширную структурно-динамическую информацию, чем при -использовании любого другого отдельно взятого аналитического метода в любом фазовом состоянии. Сегодня спектроскопия ЯМР высокого разрешения -один из наиболее интенсивно развивающихся физических методов исследования химического состава, пространственного строения и внутримолекулярной подвижности органических и биоорганических соединений, а также комплексов на их основе в различных растворителях и твердой фазе в таких областях исследований как химическая физика, органическая и биоорганическая химия, медицина и фармакология. ЯМР спектроскопия может быть использована при качественном и количественном анализе продуктов пищевой промышленности, изомерных продуктов производства органических соединений, полимерных веществ, а также продуктов переработки природных веществ (например, нефть). Подробную информацию о принципах ЯМР спектроскопии и ее приложениях можно найти в работах [1-10].

В данной главе представлено описание основ одно- и двумерной ЯМР спектроскопии. Также описан подход к определению конформаций органических молекул с использованием динамической ЯМР спектроскопии и представлен небольшой обзор методик подавления интенсивного сигнала протонов растворителя в одно- и двумерных спектрах ЯМР при исследовании веществ, растворенных в воде.

1.2 Физические основы ЯМР спектроскопии

Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешённых линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом (магнитном) окружении. Интенсивности (площади) сигналов пропорциональны числу магнитных ядер в каждой из таких групп, что позволяет проводить количественный анализ сложных смесей.

В то время как динамику изолированных спинов можно изучать в рамках представлений о движении макроскопических векторов намагниченности, для описания связанных (взаимодействующих) спинов необходимо квантовомеханическое рассмотрение, в котором система определяется функцией состояния или, в более общем случае, оператором плотности. С�