Спектроскопия ЯМР 1Н и 13С в исследовании замещенных сульфоланов и урацилзамещенных фуранозидов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

на правах рукописи

гГ5 ОД " 3 пп

БАЙКОВА ИРИНА ПЕТРОВНА

СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР 'Н И 13С В ИССЛЕДОВАНИИ ЗАМЕЩЕННЫХ СУЛЬФОЛАНОВ И УРАЦИЛЗАМЕЩЕННЫХ ФУРАНОЗИДОВ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Уфа - 2000 г.

Работа выполнена в Институте органической химии Уфимского научною центра Российской Академии наук

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Спнрихвн Л.В.

доктор химических наук, профессор Абдрахманов И.Б.

доктор химических наук, профессор Однноков В.Н. кандидат химических наук, старший научный сотрудник Хнзбуллин Ф.Ф.

Институт органического синтеза Уральского отделения Российской академии наук

Защита состоится 7 апреля 2000 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета К 002.14.01 в Институте органической химии УНЦ РАН по адресу: 450054, Башкортостан, г.Уфа, проспект Октября, 71, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке УНЦ РАН.'

Автореферат разослан 6 марта 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор химических наук

Нгучный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Г О С\<{ - 4 С)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Гетеропроизводные циклопентана являются фрагментами многих природных соединений (фураноз, простаноидов, нуклеозидов, нуклеотидов), имеющих важное значение в биологической и медицинской химии. Они проявляют различный уровень активности в зависимости от стереоизомерии молекулы. Для исследований этих объектов широко применяется спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Химические сдвиги (ХС) и константы спин-спинового взаимодействия (КССВ) спектров ЯМР существенно зависят от конформационного состояния пятичленного гетероцикла и взаимного расположения его заместителей. Только совместное применение нескольких различных методов ЯМР спектроскопии ('Н, ПС, 2М, корреляционные Н-Н и С-Н, разностный ЯЭО) позволяет добиться корректного решения задачи определения стереохимии исследуемых соединений. Таким образом, разработка новых подходов к исследованию стереоизомерии пятичленных гетероциклов, базирующаяся на комплексном использовании различных методов ЯМР, поиск новых корреляционных зависимостей между спектральными параметрами и конфигурационным и конформационным состоянием молекулы замещенного гетероциклопентана и приложение их к исследованиям различных природных соединений является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института органической химии УНЦ РАН по теме: "Строение, стереохимия и кон-формационный анализ органических, металлоорганических молекул и полимеров методами ЯМР, ЭПР, ИК и УФ - спектроскопии" (№ гос. регистрации 01.86.0.110535, 01.9.30005039,01.3.70 008866)..

Целью работы является исследование стереохимии моно- и полизамещенных пятичленных гетероциклических соединений, вьивление связи между параметрами спектров ЯМР и пространственным строением молекулы, установление структуры некоторых практически важных биологически активных соединений.

Научная новизна и практическая ценность работы. В результаге систематического исследования спектров ЯМР 'Н и 13С установлена структура моно- и триза-мещенных сульфоланов; найден ряд критериев, позволяющих установить конфигурацию (взаимное расположение заместителей) и определить кокфэрмационное состояние замещенных насыщенных пятичленных гетероциклов; выявлены новые возможности использования прямых углерод-протонных констант спин-спинового взаимодействия; разработаны подходы к установлению структуры и конформационного состояния пиримидиновых нуклеозидов на основании спектральных данных.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи. Результаты работы докладывались на XVII Всесоюзной конференции "Синтез и реакционная способность серы" (Тбилиси, 1989 г.), Всесоюзном совещании "Кислородсодержащие гетероциклы" (Краснодар, 1990 г.), II Всероссийском семинаре "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях" (Казань, 1995 г.), II Совещании "Лесохимия и органический синтез" (Сыктывкар, 1996 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора на тему: "Применение спектроскопии ЯМР в исследовании стереохимии циклических соединений", обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов. Работа изложена на 106 страницах, содержит 25 рисунков и 13 таблиц. Список цитируемой литературы включает 160 наименований.

Основное содержание диссертации.

1. Спектры ЯМР 'Н н |3С и конформационное состояние некоторых 3-монозамещениых сульфоланов.

Для установления характера зависимости спектральных параметров (ХС и КССВ) от конформационного состояния производных сульфолана были сняты и исследованы спектры ЯМР 'Н ряда 3-монозамещенных пятичленных гетероциклов:

Отнесение сигналов кольцевых протонов проведено на основании учета влияния заместителя на химические сдвиги (ХС) а-(НЗ), рЦ1,с -(Н2Н4) Ртраис-(Н2'Н4'), уцис-(Н5') и Утранс-(Н5) протонов и использования данных 2М спектров. На рисунке 1 в качестве примера приведены 2М спектры 3-хлорсульфолана. Двумерные Н-Н корреляционные спектры позволили определить взаимодействующие через две, три и четыре сг-связи протоны и провести отнесение сигналов одномерного спектра к соответствующим протонам молекулы соединения. Затем, применив методику двойного резонанса, были найдены пробные величины КССВ и ХС и, используя программу расчетов спектров PANIC, вычислены точные значения этих величин (± 0,02Гц). Результаты итерационного анализа спектров кольцевых протонов исследованных в данной работе 3-монозамещенных сульфоланов и 3-ацетокси-1,1-дифенилсилациклопентана приведены в табл.1 и 2.

1-7

8

Сравнение ХС соответствующих протонов замещенного и незамещенного сульфоланов позволило определить а-, р- и 7-инкременты заместителей [Д6 =ХСн(замещенный сульфолан)-ХСц(сульфолан)]. Во всех случаях, как видно из табл.1, Рш,с- и Утранс- протоны более экранированы, чем соответствующие Ртр^с- и УцИС-протоны. О пространственной ориентации заместителя в иятичленных гетероциклах следует судить в первую очередь по значениям двух транс-вицинальных констант: 312з и Действительно, в соединениях 4 и 6 КССВ и 3134 имеют величину 9.05-11.25 Гц, что свидетельствует о псевдоэкваториальном расположении в них заместителя.

Для изучения конформационного состояния замещенных пятичленных гетеро-циклов используется модель псевдовращения, которая позволяет определить конфор-мацию и геометрию циклических молекул.

Химические сдвиги (5, м.д.) и инкременты химических сдвигов (Д5, м.д.) кольцевых протонов некоторых монозамещенных

сульфоланов (1-7) и 3-ацетокси-1,1-Дифенилсилациклопентана (8)

№ соед а Н2 Н2 нз Н4 Н4 Н5 Н5

8 Д8 8 Д5 5 Д8 8 Д8 8 Д8 8 Д8 8 Д8

1 н 2.95 2.95 2.19 2.19 2.19 2.95 2.95

2 С1 3.35 0.40 3.55 0.60 4.71 2.62 2.54 0.35 2.72 0.53 3.18 0.23 3.45 0.50

3 Вг 3.36 0.41 3.71 0.76 4.91 2.72 2.59 0.40 2.85 0.66 3.19 0.24 3.36 0.41

4 I 3.30 0.35 3.60 0.65 4.70 2.51 2.61 0.42 2.85 0.66 3.12 0.17 3.18 0.23

5 ОСНз 3.20 0.25 3.47 0.52 5.61 3.42 2.49 0.30 2.56 0.37 3.20 0.25 3.27 0.32

0-С-С=СН2

6 5С(СНз)з 2.85 0.10 3.52 0.57 3.67 1.48 2.05 -0.14 2.59 0.40 3.09 0.14 3.21 0.26

7 ОН 3.01 0.06 3.33 0.38 4.67 2.48 2.23 0.04 2.36 0.17 3.18 0.23 3.22 0.27

8 О и 1.33 1.59 5.31 1.97 2.07 1.05 1.32

О-С-СНз

Таблица 2

КССВ (Гц) кольцевых протонов монозамещенных сульфоланов 1-7 и З-ацетокси-1,1-дифенилсилациклопентана 8 (СКО=0.144-0.292)

нЦ/ л-"н2

к соел. Ъ, ^24 4? 4г •>25 4Т

1 -14.18 4.75 -1.40 0.01 0.63 -0.02 6.81

2 -14.07 4.97 ' -1.44 -0.02 0.45 -0.02 6.78

3 -14.21 6.42 -0.91 -0.28 -0.30 -0.35 6.76

4 -13.60 9.10 -0.45 0.60 0.00 0.00 7.23

5 -14.35 2.50 1.99 0.09 -0.58 -0.02 6.28

6 -13.13 10.06 0.00 -0.38 0.15 -1.05 7.97

7 -13.60 3.42 -1.70 -0.05 -0.23 -0.76 5.85

8 -15.02 6.86 -1.32 0.08 0.00 0.00 5.98

>4 соел. 4Т 41 % Зт •'34' 41

1 0.41 -0.49 0.01 -0.56 5.60 4.80 -0.56

2 0.14 -0.51 -0.01 -0.31 5.59 4.84 -0.50

3 -0.71 -0.55 0.00 0.00 6.97 5.41 -0.54

4 -0.65 -1.15 -0.57 0.00 9.05 5.30 0.00

5 0.09 -0.50 -0.05 -0.64 4.71 4.62 -0.49

6 -0.16 -1.60 -0.61 0.04 11.25 5.86 0.05

7 -0.05 -0.70 -0.86 -0.01 4.65 ' 4.19 -0.32

8 0.09 -1.40 0.00 0.00 7.09 4.25 -0.01

и СОСЯ. 41з, •44' 3. ■45 V 31 •М'5 31„

1 0.61 -14.22 5.58 7.46 7.38 8.78 -13.20

2 0.46 -14.24 5.49 7.44 7.28 9.03 -13.26

3 -0.51 -14.08 6.95 6.91 7.44 7.05 -13.33

4 -0.30 -13.70 8.98 8.11 7.23 4.80 -13.18

5 -0.64 -14.31 3.57 7.57 8.07 10.53 -13.15

6 -0.51 -13.36 10.89 8.06 7.64 2.96 -13.20

7 -0.68 -13.63 4.63 . 7.38 7.40 10.03 -12.91

8 0.36 -13.05 7.87 8.02 7.93 6.67 -15.13

В полном цикле псевдпг.ращгния (puj 2) Зм.и'г.ымошенних сульфолаш.в в семи из 20 возможных конформеров заместители находятся в псевдоэкваториальи-.х положениях, которым соответствуют фазовые углы 360°, 396°, 432°, 468°, 504°, 540°, 576°. Согласно de Leeuw и Altona их называют 5-конформерами. Семь конформеров с псевдоаксиальными заместителями, которым соответствуют фазовые углы 0о,36°,72°, 108°, 144°, 180,216° называют N-конформерами. Шесть остальных конформеров с фазовыми углами 252°, 288°, 324°, 612°, 648° и 684° относятся к бисекциональным. Значения t/uc-вицинальных констант J34' (4.2-5.8 Гц) и i2i (5.8-8.0 Гц) в исследованных пятичленных гетероциклах свидетельствуют, о малой вероятности конформации с бисекциональным расположением заместителя в данных соединениях.

Значения mpawc-вицинальных констант (J23 и J34 = 9-11 Гц) свидетельствуют о том, что для сульфоланов 4 и 6 и циклопентана 8 наблюдается сдвиг конформацион-ного равновесия в сторону преобладания 5-конформеров. Соединение 8 исследовано для сравнения, поскольку из литературы известно о сдвиге конформационного равновесия для него в сторону преобладания конформеров с псевдоэкваториальными заместителями. Сульфоланы 2, 3, 5, 7 с псевдоаксиальным расположением заместителя являются iV-конформерами.

Рис.2. Схема псевдовращений молекулы 3 - замещенного сульфолана

Спектроскопия ЯМР |3С позволяет получить информацию о величине прямой углерод-протонной КССВ, которая в циклических соединениях зависит от экваториального или аксиального расположения протона при углероде с заместителем. Для этих констант справедливо соотношение Чзс-не > 'Jnc.ua- Как известно, конформационное состояние изменяется в зависимости от температуры: при повышении температуры для соединений с преобладанием конформеров с псевдоаксиальным ЗЯ-заместителем величина константы должна уменьшаться. Значения констант, как видно из табл.3, для соединений 2, 3,7 уменьшаются, т.е. при комнатной температуре преобладают конформеры с псевдоаксиальными заместителями. Для соединений 4 и 6 при повышении температуры значение константы увеличивается, т.е. при комнатной температуре сдвиг равновесия смещен в сторону конформеров с псевдоэкваториальными заместителями, что согласуется с выводами, сделанными из анализа спектров ЯМР'Н.

Таким образом, на основе сравнения спектральных параметров соответствующих атомов сульфолана определены а-, (3- и у-инкременты ряда заместителей на ХС протонов, углеродных атомов и прямых углерод-протонных КССВ.

Таблица 3

Химические сдвиги (м.д.) |3С и прямые углерод-протонные КССВ (Гц) сульфолана и его монофункциональных производных при различных температурах

№ Т-ра, С2 СЗ С4 С5

соед °к м.д. Гц м.д. ^с-н м.д. 1т ■'с-н м.д. ^с-н

Гц Гц Гц

1 51.00 141.0, 22.60 134.0 22.60 134.0 51.00 141.00

2 298 59.77 143.1,146.4 52.70 159.6 33.10 139.1 50.00 140.00

333 158.9

3 298 60.08 143.5,146.5 40.20 164.0 33.86 135.5 50.80 143.00

333 163.2

4 298 61.46 143.10 9.40 160.0 36.00 142.0 51.80 145.00

333 161.1

6 298 59.10 144.5,146.0 36.80 145.5 31.60 137.7 52.00 142.10

333 146.6

7 298 61.00 143.0,144.0 69.90 155.0 33.20 135.0 51.80 141.00

333 153.7

2. Конформациопное состояние 2,3,4-тризамещенных сульфоланов.

В разделе 1 показано, что величины 3- и у-инкрементов имеют разное значение для цис- и транс- Р- и у-протонов. Используя эти данные, была изучена стереохимия ряда 2,3,4-тризамещенных сульфоланов 9-19. Были проанализированы протонные и углеродные спектры этих соединений и найдены точные значения величин ХС и КССВ. Параметры спектров ЯМР 'Н и 13С приведены в табл.4 и 5.

/X сн3 о о

транс, транс-(9,12,15) 112=113= ОАс(9),С1(12),ОН(15)

/Дч "сн3 О о

Чис.1<ис-{1\,14,11) 1*2=1*3= ОАс(11),С1(14),ОН(17)

о о

цис, транс-( 10,13,16,18,19)

1*2=1*3= ОАс(Ю), С1(13),ОН(16); 1*2=ОАс; Ю=С1(18); Я2=ОН; 1*3=С1(19)

Так для изомеров с транс-расположением заместителей при СЗ и С4 разница ХС (Д8) сигналов геминальных протонов при С5 составляет 0.20-0.60 м.д. На один из протонов данной метиленовой группы р-цис и у-транс-заместители оказывают силь-нопольное смещение, на второй (р-транс и у-^ыс-заместители) - слабопольное. Для 3,4-1/ис-изомеров эта разница близка к нулю, так как в этом случае на один протон оказывает экранирующее влияние Р-заместитель и дезэкранирующее влияние - у-заместитель, на второй протон - дезэкранирующее влияние Р-заместитель и экранирующее влияние у-заместитель.

ХС сигнала протона при С2 для заместителя при СЗ в транс-положении на 0.30.4 м.д. больше, чем для заместителя в г/г/с-положении. Следует также отметить, что сигналы протонов метальной группы при С2 также подвержены сильнополыюму сдвигу, если метальная группа находится в 1/ис-положении к заместителю.

Для соединений 9-19 были определены наиболее предпочтительные конформа-ции в зависимости от величины фазового угла псевдовращения - Д.

Химические сдвиги и КССВ кольцевых протонов 2,3,4-тризамещенных сульфоланов в спектрах ЯМР 'Н

№ соед. Ю Я2 яз Изомер Хим. сдвиги, м.д. КССВ, Гц

Н2 НЗ Н4 Н5 Н5' СН, Н2-СН) Н2-НЗ НЗ-Н4 Н4-Н5 Н4-Н5' Н5-Н5'

9 СН3 ОАс ОАс транс,транс- 3.21 5.20 5.32 3.69 3.20 1.44 6.9 1.28 2.5 6.02 10.55 -14.05

10 СН, ОАс ОАс цис.транс- 3.6 5.53 5.33 3.49 3.27 1.33 6.05 6.84 2.51 5.52 7.53 -14.21

И СН3 ОАс ОАс цис, цис- 3.64 5.05 5.59 3.63 3.65 1.31 7.0 10.14 4.32 4.02 5.28 -14.12

12' СН) С1 С1 транс.транс- 3.27 3.98 4.44 3.93 3.36 1.51 6.92 11.01 9.50 8.45 9.52 -14.21

13 СН) С1 С1 цис, транс- 3.95 4.77 4.71 3.79 3.47 1.45 7.00 4.72 2.83 5.54 7.25 -14.44

14 СН5 С1 • С1 цис, цис- 3.98 4.43 4.97 3.84 3.90 1.42 6.87 8.16 4.42 7.51 5.79 -14.38

15 СН) он ОН транс.транс- 3.03 4.09 4.26 3.51 3.19 1.39 6.84 1.20 3.38 6.21 1.28 -14.11

16 СН) он ОН цис.транс- 3.30 4.23 4.34 3.29 3.17 1.36 6.90 8.012 3.81 7.41 8.71 -14.28

17 СНз он ОН цис.цис- 3.39 4.01 4.58 3.49 3.51 1.38 6.72 10.22 3.31 3.83 7.21 -14.21

18 СН) ОАс С1 цис.транс- 3.94 4.72 4.72 3.82 3.47 1.42 6.82 5.53 4.50 5.11 6.06 -14.51

19 СН) он С1 цис.транс- 3.91 4.72 4.72 3.65 3.35 1.4 6.81 5.55 4.54 5.02 6.50 -14.22

Химические сдвиги и КССВ в спектрах ЯМР 13С 2,3,4-тризамещенных сульфоланов

№ соед. Я2 ЯЗ Изомер Химический сдвиг, м.д. '•1пс-н. Гц

С2 СЗ С4 С5 СНз С2 СЗ С4 С5

9 СИ, ОАс ОАс транс.транс- 60.57 77.05 70.54 54.78 10.94 143.5 158.8 158.2 142.8

145.8

10 СНз ОАс ОАс цис.траис- 57.16 73.47 69.89 54.45 6.83 141.8 161.1 161.6 144.2

142.9

И СН] ОАс ОАс цис.цис- 56.56 74.04 67.72 56.94 9.64 142.8 151.3 162.7 144.2

12 сн, С1 С1 транс, транс- 64.41 64.77 55.72 58.60 9.57 147.5 160.1 159.9 151.9

145.8

13 СНз С1 С1 цис, транс- 56.58 63.58 55.8 56.65 8.84 142.7 165 1 168.0 149.2

141.4

14 СН3 С1 С1 цис.цис- 56.36 64.0 55.3 57.21 9.02 146.2 152.3 155.1 144.6

15 СН, ОН ОН транс.транс- 64.5 80.71 73.17 58.64 11.7 139.7 149.9 151.4 144.1

146.6

16 СНз ОН ОН цис,транс- 60.25 77.24 72.73 58.64 8.06 141.3 157.0 157.1 144.2

17 СНз ОН ОН цис.цис- 60.38 77.76 70.87 61.03 11.62 144.5 145.6 157.2 144.2

18 СНз ОАс С1 цис.транс- 58.0 61.59 73.31 54.38 8.68 140.2 165.9 164.3 143.5

19 СН, ОН С1 цис.транс- 57.34 64.86 72.64 56.95 8.67 139.9 161.2 159.9 143.5

Для всех вицинальных протон-протонных взаимодействий определены величины КССВ в зависимости от угла псевдовращения. Для расчетов было использовано эмпирически обобщенное уравнение Карплуса (С. A. G. Haasnoot, F.A.A.M. de Leeuw and С. Altona). По полученным данным были построены графики зависимостей вицинальных КССВ от величины фазового угла псевдовращения для соединений с цис,цис,- цис,транс-, транс,транс-расположением заместителей. Сопоставляя экспериментально найденные величины КССВ с расчетными, были установлены наиболее предпочтительные конформации 2,3,4-тризамещенных сульфоланов с различной конфигурацией заместителей.

Положение протона при замещенном углеродном атоме определяет значение прямой углерод-протонной КССВ. Из литературы известно, что для цис-3,4-дизамещенных сульфоланов с одинаковыми заместителями КССВ является средней величиной, т.к. всегда один из протонов псевдоаксиальный, другой псевдоэкваториальный и между этими состояниями происходит быстрый переход из-за псевдовращения цикла. Величины этих значений для протонов при заместителях известны: для R=OH 'Ji3c-h=1 52.3Гц, R=OAc 'J13c.h=157.4ru, R=C1 'j13c-h=158.0ru. Таким образом, если наблюдаемая величина 'Ji3c.ii для данного заместителя больше, чем средняя, то сдвиг информационного равновесия происходит в сторону с псевдоаксиальными заместителями, если меньше, то в сторону с псевдоэкваториальными заместителями. Эти величины были использованы для оценки псевдоаксиального или псевдоэкваториального расположения соответствующих заместителей при определении сдвига конформационного равновесия тризамещенных сульфоланов.

Для соединений с 1/ые,/л/?аноориентацией заместителей для всей триады заместителей (ОАс, С1, ОН) экспериментальные величины вицинальных КССВ в спектрах ЯМР 'Н хорошо согласуются для угла псевдовращения 36°. При этом значении угла реализуется твыс/л-конформация, в которой метальная группа располагается псевдо-экваториалыю, а заместители при СЗ и С4 - псевдоаксиально. Те же выводы можно сделать и из анализа величин прямых углерод-протонных констант. Все это хорошо согласуется с известным фактом, что электроотрицательные заместители в молекулах сульфолана приводят к аномерному эффекту и следовательно имеют предпочтительно

псевдоаксиальную ориентацию и наоборот, метильная группа находится преимущественно в псевдоэкваториальном расположении.

Для соединений с ^мс.чшг-ориентацией заместителей предпочтительными являются конформации с углами псевдовращения 36°, 72° и 252°, 288°. Величины КССВ для взаимодействующих протонов Н2-НЗ, Н4-Н5 и Н4-Н5' соответствуют рассчитанным значениям, а величины КССВ НЗ-Н4 соответствуют среднему значению между этими состояниями, т.е. можно считать, что наблюдается переход между ними и в каждый момент времени количество молекул, находящихся в этих конформациях, оказывается примерно поровну. Эти состояния также объяснимы, т.к. всегда один из электроотрицательных заместителей у СЗ и С4 оказывается псевдоэкваториальным и свободно переходит в псевдоаксиальное положение, при этом второй, наоборот, переводится в псевдоэкваториальное, к тому же метильная группа стремится к псевдоэкваториальному положению, в итоге эти состояния становятся равновероятными. Прямые углерод-протонные константы подтверждают эти состояния. Из величин КССВ видно, что заместители в 3 и 4 положениях стремятся к псевдоаксиальному расположению, а метильная группа - к псевдоэкваториальному, но эти величины несколько отличаются от величин для чисто псевдоаксиального и псевдоэкваторнапыю-го расположения протонов.

На рис. 3 и 4 представлены различные конформационные состояния молекул транс,/мронс-диастереомеров для различных заместителей в положении 3 и 4. Для ди-ацетоксипроизводного 9 экспериментальные значения вицинальных КССВ свидетельствуют о том, что предпочтительными являются конформеры с углом псевдовращения 144-180-216°. Величины прямых углерод-протонных констант говорят в пользу реализации конформаций с предпочтительным нсевдоаксиальным расположением заместителей. Для дихлорпроизводного 12 вицинальные КССВ между протонами цикла имеют большие значения и, исходя из графических данных, предпочтительно реализуется конформация с углом псевдовращения 684°, где действительно протоны при заместителях занимают псевдоакси&чьное расположение. В спектрах ЯМР 13С величины прямых углерод-протонных констант для СЗ-Н и С4-Н (160.1 и 159.9 Гц) говорят о том, что заместители в большей степени псевдоэкваториальны, тогда как для

и Д? Ь ,

/V V У !

тг ^

Рис 3. Схема псе вдов ращений молекул транс, транс-2-метил-3.4-тризамещенных сульфоланов

ОАс ОН а

О 72 144 216 288 360 432 504 576 648 720 А Рис.4. Зависимости изменения вицикальных КССВ 1 ^ от величины фазового угла псевдоеращения д , полученные по модифицированному уравнению Карплуса для молекул транс. транс-2-метил-3,4-три замещенных сульфоланов.

псевдоаксиальных заместителей при СЗ и С4 эти величины соответствуют 165-168 Гц.

Для диоксипроизводного 16 четко выражено преобладание конформационного состояния с псевдоэкваториальной метальной группой поскольку '^эс-н = 139.7 Гц, тогда как протонные КССВ показывают, что реализуется конформер с углом псевдовращения 396°, где для текст-кон формации реализуется состояние с псевдоэкваториальными заместителями и вициналъными протонами с диэдральными углами между ними, близкими к 90°. Такое конформационное состояние молекулы стабилизируется наличием водородной связи между гидроксильной группой и кислородом сульфоно-вой группы. В данном случае под влиянием метальной группы в большей степени реализуется водородная связь для С4 ОН группы.

3. ЯМР подходы при установлении структуры и коиформаиин урацмлзамещениых фуранозидов

Из вышесказанного следует, что параметры спектров ЯМР зависят от взаимного расположения заместителей и конформационного состояния замещенного пяти-членного гетероциклического соединения. На примере урацилзамещенных фураиозидов арабино- и ксило-рядов найдены критерии отнесения к а-, (З-ряду, N¡,N3- замещению агликона, конформационной подвижности фуранозного кольца - заселенности конформеров 5- и Л'-типов и поворотной изомерии вокруг гликозидной связи для анти- или сын-состояния конформеров.

3.1. Структура и конформационное состояние а,р-0-арабинофураиозилурацилов

Исследованы спектры ЯМР 'Н и 13С а,[]-0-арабинофуранозилурацилов следующего строения:

О

20,23 21,24 22,25

Я = Вг (20,21,22), Н(23,24,25)

Идентификация Л7,ЛУ-присоединения основания к сахарному фрагменту легко сделать по ХС в спектре ЯМР |3С. В дигликозилированных нуклеозидах 22,25 ХС аномерных углеродных атомов соответствуют 91-92 м.д. для ^/-присоединения, 86-87 м.д. для ЛУ-присоединения. Такие же величины наблюдаются и в моно-продуктах. Кроме того, для Л'З-присоединения ХС кетоуглеродных атомов в урацилыюм фрагменте становятся мало отличающимися. Чтобы установить структуру аномерного центра, необходимо сначала определить сдвиг конформационного равновесия, в данном случае достаточно отнести к конформерам Л*- или 5-типа. Как было показано выше, это можно сделать с помощью измерения прямой углерод-протонной КССВ. Измеренные величины ^пс-н составили в М/./УЗ-дигликозилиропанном продукте для а-аномерного углеродного атома 170 Гц; для Р-аномерного углеродного атома - 165 Гц, для моно-производных соединений в случае а-аномерного атома - 169 Гц, для р-аномерного углерода - 163 Гц. Проведенные температурные эксперименты показали правильность определения сдвига конформационного состояния. Действительно, с увеличением температуры образца до 55°С величина прямой углерод-протонной КССВ для а-фрагмента уменьшилась на 1.0-1.2 Гц, а для ^-конфигурации фрагмента увеличилась на такую же величину.

Таким образом, для фрагментов с а-конфигурацией аномерного центра наблюдается преобладание Л-конформеров с псевдоаксиальным расположением заместителей в сахарной части молекулы. Для р-конфигурации преобладают £-конформеры с псевдоэкваториальным урацильным заместителем.

Рассматривая спектры ЯМР 'Н а-производных нуклеозидов 20,23 и спектры фрагмента а-,Л7-присоединенных дигликозилированных нуклеозидов 22,25 (рис.5) находим, что величины вицинальных КССВ малы (1.2-3.5 Гц), что действительно соответствует взаимодействию между псевдоэкваториальными протонами. Для N3-присоединения урацильного фрагмента в моно-производных 21,24 и дигликозилированных продуктах 22,25 урацильный заместитель располагается псевдоэкваториально, протоны при С1" и С2" будут гу;/с-расположен ы и величины КССВ действительно имеют значения, соответствующие такой конфигурации (4.5-6.5Гц). КССВ остальных

протонов этого сахарного фрагмента сохраняют свои величины, характерные для псевдоэкваториального положения и, таким образом, устанавливается [}-конфигурация аномерного центра.

ЭЗГц

Температурные исследования Л'/.Л'З-дигликочилированных нуклеозидов 22, 25 позволили обнаружить конформационное равновесие между син- и анти-конформерами, существующее при комнатной температуре. Присоединение сахарных фрагментов по двум гликозидным связям при атомах N1 и N3 позволяет предположить существование четырех конформационно устойчивых состояний с различными торсионными углами по связям Л^-СГ и ЫЗ-С1", которые можно назвать как ан-ти,анти-, син,син-, анти.син- и син.анти-. С понижением температуры до-60°С, когда происходило замедление конформационной интерконверсии, в протонном спектре наблюдались две группы сигналов, принадлежащие двум конформационным состояниям.

На рис.6 приведены спектры ЯМР 'Н соединения 22 при 25°С и -60°С. В энергетически более выгодном антм-конформере протон НГ в сахарном фрагменте ос-конфигурации при атоме N1 нуклеозида имеет псевдоэкваториальное положение и более пространственно нагружен, чем аналогичный протон в сгш-конформере. В спек

5.0 . S.S . 6.0 . 6.5 . 7.0 7.5 «0

ppm

Рис. 5.2M ЯМР Н1 спектр соединения 25, выполненный по методике COSY.

Рис. 6. Фрагмент спектра ЯМР 1Н соединения 22 при температурах 25 С и0 -60 С°

P-N3

в—tw—®

Ч)

Н4

Э

@ i-NI "

Н1|

¡.О 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 РРМ

тре, снятом при -60°С большую интенсивность имеет сигнал протона НГ в более сильном поле - ХС, соответственно, 6.09 и 6.27 м.д. В случае Р-конфигурацни сахарного фрагмента при атоме N3 нуклсозида, т.е. при псевдоаксиальном и экваториальном расположении заместителей С1", С2" наблюдается обратный эффект. Большую интегральную интенсивность имеет протон в более слабом поле, ХС соответственно 6.78 и 6.87 м.д.

Исходя из сказанного, можно предположить, что при а-, Р-конфигурации А7,ЛУ-дигликозилированного нуклеозида предпочтительна анти-син конформация.

3.2 Структура и конформацнонное состояние 1-Р-О-ксилофуранознлурацилов в растворе

26-30 31 32

Я = Н(26), Ме(27), Р(28). Вг(29), 1(30)

Методы ЯМР спектроскопии были использованы для исследования ряда модифицированных по основанию 1 -Р-Э-ксилофуранозилурацилов 26-30, а также для полуколичественного определения заселенности син- и анти-ротомеров по гликозидной связи для модельных соединений - 2,2'-ангидро-Р-0-ликсофуранозилтимин (31) и 1-р-0-ксилофуранозил-6-октилфурано[2,2-с1]пиримидин-2-он(32).

С помощью 2М спектроскопии (СОБУНН и CHCOR.Il) сделано отнесение сигналов водородных и углеродных атомов сахарного фрагмента. Параметры спектров

ЯМР 'Н для протонов ксилофуранозильного фрагмента были уточнены расчетными методами с помощью итерационной программы PANIC. Протоны метиленовой, четырех метановых и трех гидроксильных групп образуют девятиспиновую систему, которая сначала рассматривается как шестиспиновая без атомов водорода метиленовой группы и протона Н5' гидроксильной группы. Затем рассматривается вторая упрощенная семиспиновая система без HI' протона и гидроксильной группы при С21. Далее рассчитывается вся девятиспиновая система. Кроме того, были измерены величины прямых углерод-протонных КССВ в спектрах ЯМР |3С для всех соединений. Величина этой константы для СГ углеродного атома с протоном НГ составляла 170.2170.8 Гц, что говорит в пользу большой заселенности iV-конформеров, т.е. сдвигу конформационного равновесия в сторону состояния с псевдоаксиальным урацильным заместителем. Величины вицинальных КССВ в спектрах ЯМР "Н имеют малые значения для НГ-Н2' и Н2'-Н3' (J|t = 1.12-1.30 Гц, J2y = 0.7-1.2 Гц) и средние значения для Н3'-Н4' взаимодействия (J34 = 3.5-3.8 Гц), что говорит о псевдоэкваториалыюм расположении протонов НГ, Н2' и НЗ' и псевдоаксиальном расположении Н4', т.е. наблюдается Р-конфигурация аномерного центра. Таким образом, при комнатной температуре в растворе DMSO-ds преобладают конформеры iV-типа. Установленный сдвиг конформационного состояния соединений 26-30 позволяет провести исследования относительной ориентации основания и сахарного фрагмента вокруг гликозидной связи, т.е. провести конформационный анализ сип, онлш-расположения циклов. Для этого был использован метод разностной спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО).

Для оптимизации экспгримгьыв по разностному ЯЭО ЯМР 'Н были проведены расчеты геометрических параметров исследуемых нуклеозидов методом молекулярной механики. Минимизация потенциальной энергии выполнена для двух начальных состояний с торсионными углами по гликозидной связи (х 04'-Cl'-Nl-C2): х = 45° (син конформер) и х = -145° (анти конформер).

Для примера в таблице приведены рассчитанные межпротонные расстояния (А) и торсионные углы (град.) для 1-Р-0-ксилофуранозил-5-метилурацила.

Конформер гп Hi-Hi (А) Торсионный угол (град.)

Син Н6-Н1'; 2.31 06'-Cl'-Nl-C2;51.4

Н6-Н2'; 3.32 Об'-C1'-N1-C6; 148.3

НГ-Н4';9.88 СГ-С2'-СЗ'-С4';-Зб.4

НГ-Н2';2.85 Об'-СГ-С2'-СЗ';8.7 C6-N1 -С 1 '-ОН Г;-31.3 НГ-СГ-С2'-Н2';102.5

Анти Н6-Н2';2.82 06'-Cl'-Nl-C2;-142.6

Н6-НГ;3.68 06'-Cl'-Nl-C6;43.1

Н6-Н5';2.23 СГ-С2'-СЗ'-С4';7.2

Н1'-Н4';3.80 Об'-С 1 '-С2'-С3 ';-3 8.5

Н1'-Н2';2.81 C6-Nl-Cr-Hl';l54.8 НГ-СГ-С2'-Н2';104.1

Как показывают результаты расчетов, наиболее информативными для оценки сдвига син-анти равновесия в исследуемых нуклеозидах являются протоны Ы6, НГ, Н2' и Н5'. В cm конформере наиболее близко расположенными протонами из обоих циклов являются протоны Н6 и НГ (гщ+нг = 2.31а). Расстояние между протонами Н6 и Н2' равно 3.32А. При минимуме потенциальной энергии анти конформера нпибо ге близко расположенными протонами из обоих циклов были Н6, Н2' (гНб.н2' = ¿82 А) и Н6, Н5' (гнб,н5,= 2,23 А). Второй протон Н5" несколько удален от Нб (гНб.н5- - 3,45 А В качестве соединений, наиболее близко по своим геометрическим параметрам соответствующих син и анти ротамерам, были использованы модельные соединения 31 и 32. Как показали расчеты методом силового поля для этих соединений, а также литературные рентгеноструктурные данные для соединения 31, торсионные углы гликозид-ной связи в соединениях 31 и 32 соответственно равны 40° и 152°. По данным рентге-ноструктурного анализа соединения 31 расстояние между протонами Н6 и НГ равно 2.5А и практически совпадало с расчетной величиной. В соединении 31 при облучении протона Н6 максимальный эффект Оверхаузера наблюдался на протоне НГ (ri (НГ)=4.8%) и отсутствовал на протоне Н2' и Н5'. В случае соединения 32 наиболее сближенными для конформационного состояния с минимумом потенциальной энергии были протоны Н6, Н2' и Н6, Н5', расчетные расстояния между ними соответствовали (с точностью до десятых долей А) данным рентгеноструктурного анализа для

я/иш-конформера молекулы 1-(5-0-ксилофуранозил-5-метилурацила. При облучении Н6 эффект ЯЭО на Н2' и Н5' равен соответственно 2.95%, 2.8% и отсутствует на протоне НГ. Ниже представлены результаты протон-протонного ЯЭО для 1-Р-О-ксилофуранозилурацилов.

Соединение Насыщенный Протон ЯЭО, %

26 Н6 НГ(1.1), Н2'(2.8), Н5'(1.3)

27 Н6 Hl'(l.Ol), Н2'(4.7), Н5'(0.3)

28 Н6 НГ(0.8), Н2'(3.1), Н5'(1.0)

29 Н6 НГ(0.8), Н2'(2.5), Н5'(1-5)

30 Н6 Н1'(1.6), Н2'(3.3), Н5'(0.5)

Как видно из таблицы для исследованных l-p-D-ксилофуранозилурацилов наблюдается сдвиг конформационного равновесия в сторону анти конформации. Сравнением величин ЯЭО модельных соединений и величин ЯЭО для исследованных соединений были оценены заселенности ротамеров. Соединения 26, 28-30 имеют (70±10)% заселенности анти ротамеров. Несколько большую заселенность анти ротамеров проявляет соединение 27, а именно (80±10)%, что объясняется, вероятно, повышением энергетического барьера вращения вокруг гликозидной связи вследствие присутствия объемной метальной группы в нуклеиновом основании.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ спектров ЯМР 'Н и 13С ряда моно- и тризамещеиных суль-фоланов, сделаны отнесения сигналов протонных и углеродных ядер, определены протон-протонные и прямые углерод-протонные константы спин-спинового взаимодействия. Найдены а-,(5- и у-инкременты химических сдвигов протонных и углеродных атомов и прямых углерод-протонных КССВ для различных заместителей. Показано, что Р- и у-инкременты в спектрах ЯМР 'Н имеют различные значения для цис- и транс-протонов.

2. Определены наиболее предпочтительные конформации и диапазон фазовых углов в цикле псевдовращений конформеров 3-моно- и 2,3,4-тризамещенных сульфо-ланов на основании найденных значений вицинальных протон-протонных КССВ и величин прямых углерод-протонных констант.

3. Установлена структура и конформационное состояние урацилзамещенных арабинофуранозидов. Предложены критерии отнесения к N1- или ЛУ-присоединению агликона и их принадлежности к а- или Р-аномерам. Найдено, что при комнатной температуре для фрагментов с а- конфигурацией аномерного центра наблюдается преобладание конформеров Л'-типа, тогда как для фрагментов с Р-конфигурацией аномерного центра преобладающими являются конформеры 5-типа.

4. Предложены критерии определения поворотной изомерии вокруг гликозид-ной связи на примере замещенных ксилофуранозидов и найден способ опенки соотношения син.анетм-конформеров.

5. Обнаружено конформационное равновесие между син- и анти-конформерами, различающимися торсионными углами по связям N1-CV и /VJ-СГ для N1- и Л'.3-дигликозилированных урацилзамещенных арабинофуранозидов и установлено, что в обычных условиях для а.р-апомера предпочтительна анти,син-кокформация.

Основное содержанке диссертации опубликовано в работах:

1. Пан?.-:енко A.A., Байкова И.П., Фатыхов A.A., Спирихин Л.В.. Спектры ЯМР 'Н VIM и 2М) и конфо^мацтмные 'пстгш'ия iif-'T'pMX 3-монозамещенных насыщенных пятичленных i en;j о>ш'"с.-г..//Изв. АН СССР, Сер.хим.-1991.-№9.-С.2035-2040.

2. Толстиков Г.А., Мифтахов М.С., Вельдер Я.Л., Данилова H.A., Байкова И.П., Бад-ретдинова З.Б.. Простаноиды. XXXYIII Тандемный подход к формированию новых серосодержащих простагландиноподобных структур.//ЖорХ.-1991 .-Т.27.-№3.-С.559-565.

3. Панасенко A.A., Фатыхов A.A., Байкова И.П., Спирихин Л.В.. Спектры ЯМР 1Н и 13С, конформационное состояние и стереоизомерия 3,4-дизамёщенных сульфола-нов.//Тезисы докл. XY1I Всесоюзной конференциии "Синтез и реакционная способность серьГ.-г.Тбилиси.-1989.-С.271.

4. Толстиков Г.А., Шульц Э.Э., Спирихин Л.В., Байкова И.П.. Взаимодействие 2-фурил-1,3-бутадиенов с гетеродиенофилами./ЛГезисы докл. Всесоюзного совещания "Кислородсодержащие гетероциклы".-Краснодар.-1990.-С.87.

5. Фатыхов A.A., Спирихин Л.В., Байкова И.П., Мустафин А.Г.. Син,антн-конформационный анализ l-ß-D-ксилофуранозилурацилов методом ЯМР 'Н (разностный ЯЭО).//Тезисы докладов II Всероссийского семинара "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях ".-г.Казань.-1995.-С.86-89.

6. Спирихин Л.В., Байкова И.П. Конформационное состояние замещенных сульфола-HOB.//II Совещание "Лесохимия и органический синтез".//Тезисы докладов.-г.Сыктывкар.-1996.-С.14.

Соискатель

И. П. Байкова.