Структурные исследования ряда непредельных азотсодержащих соединений с использованием теоретических химических сдвигов ЯМР

Павлов, Дмитрий Витальевич

Структурные исследования ряда непредельных азотсодержащих соединений с использованием теоретических химических сдвигов ЯМР тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Павлов, Дмитрий Витальевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Структурные исследования ряда непредельных азотсодержащих соединений с использованием теоретических химических сдвигов ЯМР»

Автореферат диссертации на тему "Структурные исследования ряда непредельных азотсодержащих соединений с использованием теоретических химических сдвигов ЯМР"

На правах рукописи

ПАВЛОВ ДМИТРИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЯДА НЕПРЕДЕЛЬНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ХИМИЧЕСКИХ СДВИГОВ ЯМР

Специальность 02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

12 МАЙ 201

Иркутск - 2014

005548407

Работа выполнена в лаборатории химии карбофункциональных соединений в

Федеральном государственном бюджетном учреждении науки ИРКУТСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИИ им. А.Е. ФАВОРСКОГО СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИрИХ СО РАН)

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор химических наук, профессор Афонин Андрей Валерьевич

доктор химических наук, профессор Каницкая Людмила Васильевна, ФГБОУ ВПО Байкальский государственный университет экономики и права, кафедра экономики и управления, профессор

доктор химических наук, профессор Кобычев Владимир Борисович, ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет, кафедра Физических методов анализа, профессор

ФГБУН Институт «Международный томографический центр» СО РАН, Новосибирск

Защита состоится «17» июня 2014 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 003.052.01 на базе Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Фаворского, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН и на сайте http://www.irkinstchem.ru.

Автореферат разослан «25» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.х.н.

Тимохина Людмила Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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=Ы- (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 1Я-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 1Я-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.

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 а,р-непредельных карбонильных систем с нуклеофилами» (№ государственной регистрации 01200406377) и «Новые методы, реакции и интермедиа™ 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 меяоду 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 'Н и прямых КССВ 13С-Н 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 1sN-'H. Установлено, что в Е- и Z-изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида образуются внутримолекулярные водородные связи N-H—N и N-H-O, соответственно, обеспечивающие преимущественную сын-ориентацию пиррольного цикла относительно азометиновой связи. Выявлены причины аномально больших слабопольных смещений сигналов в спектрах ЯМР 'Н и возрастания соответствующих прямых КССВ 13С-'Н для ряда 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов. Впервые доказано, что химические сдвиги в спектрах ЯМР 'Н и дальние КССВ i9F-'3C могут служить эффективным средством для оценки двугранных углов между ненасыщенными фрагментами в комплексах ,Me50-CF3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил)-В001РУ, от которых зависят оптические свойства этих красителей, обладающих практически ценными

свойствами. Впервые получены данные, указывающие, что не только стерически напряженный 7-изомер 1-стирилпиррола, но и £-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 XX 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Методы расчета констант экранирования и их преобразования в химические сдвиги (литературный обзор)

В литературном обзоре рассмотрены теоретические аспекты магнитного экранирования ядер и его проявление в спектрах ЯМР, а так же методы расчета констант экранирования. Обсуждены различные методы преобразования констант экранирования в химические сдвиги. Рассмотрены источники ошибок расчётов констант экранирования, а так же способы минимизации отклонений рассчитанных химических сдвигов от экспериментальных. Показаны примеры успешного применения метода С1АО для решения некоторых структурных задач для непредельных азотсодержащих соединений на основании которых может быть развита методология более широкого использования теоретических химических сдвигов ЯМР в структурных исследованиях.

2. Изучение стереоспецифичности химических сдвигов в оксимах, азинах, гидразонах и основаниях Шиффа методом ЯМР и расчётами С1АО

2.1.Стереоспецифичность химических сдвигов в оксимах, содержащих элементоорганический заместитель

Экспериментально было обнаружено, что химические сдвиги в спектрах ЯМР 13С ряда оксимов 1—4 с тройной связью стереоспецифичны, что позволяло использовать их в целях конфигурационного анализа. Однако, требовалось надёжное и однозначное отнесение всех сигналов. В то же время, в оксимах ацетиленовых альдегидов использование метода НМВС не позволяло решить эту задачу из-за наличия дальнего спин-спинового взаимодействия 13С-'Н. Расчёт химических сдвигов

он

1-4

Я,=Н,К2=(СНз)з8!(1); Я1=Н, Я2=(С2Н5)зСе (2); 4

С-2

С-3

а)

мл

-1-1-г

110 100 90 110 100

Рис. 1. Фрагмент экспериментального (внизу) и

теоретического (вверху) спектра ЯМР ,3С для

изомеров 3-Е (а) и Ъ-2 (б).

ад.

оя2

Е, 2

5-8

90 Я, = СН3, = Н (5); Я, = С2Н5, Я2 = Н (6); Я, = п-С3Н7, Я2 = Н (7); Я, = СН3, Я2 = СНСН2 (8).

методом GIAO показал близкое соответствие между теоретическими и экспериментальными величинами. Более того, расчёт позволил обнаружить скрытую инверсию сигналов С-2 и С-3 в £-изомере кетоксима 3 по сравнению с Z-изомером (Рис. 1). Таким образом, сочетание экспериментального и теоретического подходов делает применение химических сдвигов 13С к конфигурационному отнесению оксимов исключительно надёжным.

Теоретические химические сдвиги позволяют также объяснить природу спектральных эффектов химических сдвигов в спектрах ЯМР различных ядер. Химические сдвиги 13С изменяются закономерным образом при переходе от Е-к Z-изомеру в ряду селенофенилоксимов 5-8 и расчёт достаточно точно воспроизводит эти изменения. При этом абсолютная величина изменений

химических сдвигов 13С сравнительно невелика - не более 10 м.д.

Однако в спектре ЯМР 77Se обнаружено аномально большое различие химических сдвигов эндоциклического атома селена, достигающее 90 м.д. (рис.2). Расчёт воспроизводит эту разницу только в случае син-конформации гетероцикла (рис. 2), что показывает наличие стерического эффекта на химический сдвиг 77Se в стерически напряженной Z-форме и выявляет

преимущественную син-ориентацию гетероцикла в обсуждаемых оксимах.

Значительная переоценка 7оо 650 бЬо 550 500 м д констант экранирования ядра Рис.2. Экспериментальный (внизу) и 77Se (-50 м.д.), возникающая теоретические (вверху) спектры ЯМР 77Se при расчёте в рамках теории изомеров оксима 5. функционала плотности,

обусловлена релятивистскими эффектами. При использо-вании расчёта с учётом электронной корреляции на уровне второго порядка теории возмущений (МР2) ошибка расчёта величин 5 7Se резко снижается (раздел 1.2.)

Е,2-анти

2.2. Стереоспецифичность химических сдвигов в ряду азинов

Для ацетоназина 9 была обнаружена существенная разница химических сдвигов С метальных групп в цис- и транс-положениях относительно неподелённой пары электронов атома азота (~7 м.д., Схема 1). Такое же различие для химических сдвигов 13С двух метальных групп имеет место и для ацетоноксима 10. Поскольку стереоспецифичность химических сдвигов |3С

транс 513Сэксп = 17.1 м.д. «"С,«, = 19.6 м.д. ^э«сп(С,С) = 40.0 Гц 1Леср(С,С) = 41.4ГЦ

транс 5|3Сэксп = 15.0 м.д. 513Стеор=14.1м.д. 'Лксп(С,С) = 41.2 Гц 'Леор(С,С)=41.0 Гц

цис

*У(С,С) = 65.6 Гц 513Са = 138.3 м.д.

(147.7) 513С„ = 128.8 м.д.

(137.5) 513С.„ = 127.9 м.д.

(134.8) 513С„ = 128.7 м.д.

(136.3) цис

513С„ = 135.8 м.д.

(146.2) 513С0 = 128.4 м.д.

(135.2) 513С.М = 128.4 м.д.

(133.9) 513С„ = 130.0 м.д.

(135.3)

цис ^^

н3с^ ^сн,

513Сэксп = 24.5 м.д. 5,3Стеор = 29.0м.д. './эксп(С,С) = 50.2Гц II

'Леор(С,С) = 51.6Гц А.

Н3С сн3

цис НзС снз

5 Сзш = 21.8 м.д. 513СТеоР = 22.5м.д. ||

1^,«сП(С,С) = 49.8 Гц N. 1/те„Р(С,С) = 51.4Гц О 10°н

Схема 1.

транс './(С,С) = 55.7 Гц 813С„= 135.7 м.д.

(142.8) 513С0 = 129.4 м.д.

(139.8) 513С„= 128.1 м.д.

(135.0) 513С„= 129.7 м.д.

транс 513С„ = 132.8 м.д.

(139.2) 513С„ = 129.3 м.д.

(137.7) 513С„ = 128.2 м.д.

(133.7) 513С„ = 129.3 м.д. (135.0)

эффективно использовалась для конфигурационного отнесения алкилоксимов, то этот эффект может быть использован также для конфигурационного отнесения ряда алкилазинов. Надёжность такого метода резко возрастает при условии воспроизведения обнаруженной тенденции с помощью квантово-химических расчётов. Расчёт химических сдвигов 13С методом GIAO достаточно точно воспроизводит экспериментальную разность этих химических сдвигов для цис- и транс-СН^ групп (Схема 1). Следует отметить, что данные, основанные на стереоспецифичности химических сдвигов 13С, сопоставимы по надёжности с данными, основанными на измерении КССВ 13С-13С по методу Кривдина* (соответствующие значения КССВ указаны в Схеме 1).

Аналогичный эффект обнаруживается при сравнении химических сдвигов 13С цис- и транс- фенильных колец в бензофеноназине 11 и бензофеноноксиме 12 (Схема 2). Разность между экспериментальными значениями химических сдвигов 13С для фенильных колец в цис- и трансположениях характеристична, в особенности химического сдвига ипсо-углерода. Эту тенденцию хорошо воспроизводит расчёт GIAO, что делает применимым использование стереоспецифичности химических сдвигов 13С для конфигурационного анализа азинов с ароматическими заместителями. Конфигурационный анализ изомеров азина селенофен-2-карбальдегида 13 осложнён заселённостью многих конформеров, характеристики в спектрах ЯМР каждого из которых отличаются.

Поскольку конфигурационный анализ азина 13 отличался особой сложностью, расчёты констант экранирования производились на неэмпирическом уровне МР2. Такие расчеты, являясь значительно более времязатратными по

сравнению с расчетами с применением теории функционала плотности, обеспечивают значительно лучшее соответствие с экспериментальными данными, в особенности при наличии тяжелых ядер в рассчитываемой молекуле.

* Krivdin, L. В. Carbon-carbon coupling constants - a new guide in the stereochemistry of oximes / L. B. Krivdin, G. A. Kalabin, R. N. Nesterenko, B. A. Trofimov // Tetrahedron Lett. 1984. Vol. 25. № 42. P. 4817-4820.

CUH/cuh/CUH

Se-

анти/анти/анти 13

син/анти/син

Расчёт показал резкое несоответствие некоторых химических сдвигов 'Н и С, а также Бе для конформаций с ан/ян-ориентацией селенофенового цикла относительно азометиновой связи. Так, рассчитанные химические сдвиги атомов Н-3, С-3 и Бе отклоняются от экспериментальных на 0.8, 6 и 33 м.д., соответственно, при расчёте конформаций с аи/яи-ориентацией селенофенового цикла. Однако, при расчёте конформаций с снн-ориентацией селенофенового цикла теоретический химический сдвиг Н-3 совпадает с экспериментальным, а теоретические химические сдвиги С-3 и Бе отличаются от экспериментальных значений лишь на 1 и 3 м.д. Поэтому принимать во внимание следует только конформации с сни-ориентацией гетероцикла. Анализ экспериментальных и уменьшение, во втором случае, на 3 м.д. расчетных данных показали, что азин 13 существует в виде смеси трёх изомеров - ЕЕ, Е2 и 22, причём первые два изомера резко преобладают.

По данным N130 анализировались причины, вследствие которых селенофеновые циклы в азине селенофен-2-карбальдегида принимают стерически напряженную сын-ориентацию. Было показано, что сумма энергий я,я-взаимодействий при сын-ориентации селенофенового цикла значительно выше, чем при анти-ориентации. Следовательно, одной из причин трансрасположения селенофеновых циклов являются более выгодные условия для внутримолекулярного сопряжения.

2.3. Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР 'Н и 13С для конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе

Для оснований Шиффа 14-16 информативными для конфигурационного отнесения оказались не только химические сдвиги углеродов, но и протонов, значения которых приведены в Таблице 1. Экспериментальная и теоретическая разность химических сдвигов *Н двух метальных групп в этом случае может превышать 0.4 м.д., что обусловлено влиянием анизотропии ароматического фрагмента у азометиновой группы. Однако при отсутствии ароматического

Таблица 1 *

Нз'

¡{ОС

СНз трепе

14. К.= Н1;

15. Я=СН,Н1;

*В скобках сдвигов

Соединение Химические сдвиги. 5. м.д.

Н- транс Н-цис Д5 С-транс С-цис Д5

14 1.75 (1.66) 2.19 (2.11) -0.44 (-0.45) 20.49 (22.93) 28.49 (32.06) -8.0 (-9.1)

15 1.92 (1.65) 2.10 (1.98) -0.18 (-0.33) 18.70 (20.55) 29.38 (34.09) -10.7 (-13.5)

16 1.82 (1.72) 2.02 (1.94) -0.20 (-0.22) 18.03 (19.45) 28.98 (34.18) -11.0 (-14.7)

приведены значения рассчитанных значений химических

фрагмента разность уменьшается, поэтому химические сдвиги 'Н следует использовать для конфигурационного отнесения с осторожностью и более надёжными для этих целей являются значения химических сдвигов 13С, имеющих характеристическую разность Д5 для цис- и /яранс-СН3-групп в пределах 8-11 м.д.

2.4. Стереоспецифичность химических сдвигов 1Н, 13С и 1SN в изомерах бисдиметилгидразоиа метилглиоксаля: проблема конфигурационного отнесения на основе химических сдвигов и КССВ 13С-'Н

Противоречивые данные были получены при анализе параметров спектров ЯМР изомеров

бисдиметилгидразоиа метилглиоксаля 17. Ранее с использованием экспериментальных и теоретических величин прямых КССВ 13С-13С в работе Кривдина и соавторов* было показано, что это соединение на 75% представлено изомером ЕЕ и на 25% ZE. Нами было обнаружено, что химический сдвиг 'Н-6 азометиновой группы во втором изомере на 0.5 м.д. больше (Таблица 2), из чего, опираясь на установленные ранее стереохимические зависимости химических сдвигов протонов, следовал вывод о том, что основным у бисдиметилгидразоиа метилглиоксаля должен быть EZ изомер, а минорным - ЕЕ. С другой стороны, возрастание прямой КССВ 13С-6- Н-6 во втором изомере на 3.5 Гц служило аргументом в пользу того, что основным изомером должен быть ЕЕ, а минорным - EZ. Это находится в противоречии с данными вышеуказанной работы и нашими данными ЯМР 13С, демонстрирующими закономерное возрастание химического сдвига С-5 на 6.5 м.д. и уменьшение химического сдвига С-6 на 8.5 м.д., что, в свою очередь, свидетельствует о том, что основной формой является ЕЕ, а минорной - ZE. Этому же соответствует неизменность КССВ J(N-7.H-6) и 3J(N-8.H-6) в обоих изомерах (Таблица 2).

Для установления причин возникших противоречий был проведен кван-товохимический расчёт изомеров бисдиметилгидразоиа метилглиоксаля. Оказалось, что в ZE изомере равновесное расстояние между атомами N-2 и Н-6, равное 2.35А, значительно меньше суммы их Ван-дер-ваальсовых радиусов (2.75 А), а частота колебаний группы С-Н изменяется при переходе от ЕЕ к ZE

* Krivdin, L. В. Configurational Assignment and Conformational Study of Methylglyoxal Bisdimethylhydrazones Derived from the 2-Ethoxypropenal Precursor / L. B. Krivdin, L. I. Larina, K. A. Chernyshev, N. A. Keiko // Aust. J. Chem. 2006. Vol. 59. P. 211-217.

< 89

N(CHj)2

CHj92N "N(0*3)2

EE(75%) ZE (25%) 17

Таблица 2

Изомер Химические сдвиги. (<5. м.д.) КССВ

Н-6 С-5 С-6 ДС-6,Н-6) /(N-7,Н-6) /(N-8, Н-6)

ЕЕ 6.72 (6.97) 12.52 (14.83) 132.54 (138.83) 162.5 (161.2) <2 (-1.3) 4.9 (-4.2)

гЕ 7.21 (7.90) 19.04 (23.98) 123.97 (130.04) 166.1 (165.5) <2 (-0.5) 4.3 (-4.6)

изомеру, что указывает на образование внутримолекулярной водородной связи С-Н- -Ы. Образованию такой водородной связи способствует выгодная стереоориентация неподеленной пары электронов атома азота (Схема 3). Наличие внутримолекулярной водородной связи подтверждают также расчёты, выполненные в рамках теории Бэйдера «Атомы в Молекулах».

В таблице 3 указаны соответствующие топологические параметры водородной связи -связевая критическая точка, лапласиан связевой критической точки, кольцевая критическая точка и её лапласиан, а на рисунке 3 изображена диаграмма электронной плотности, отражающая образование внутримолекулярной водородной связи С-Н - Ы в \1-ZE изомере Схема3

Таким образом, именно внутримолекулярная водородная связь С-Н--К вызывает дополнительное возрастание химического сдвига мостикового атома водорода и соответствующей прямой КССВ 13С-'Н, что делает некорректным использование этих спектральных параметров для конфигурационного отнесения.

КТ водородной связи С-Н- • N Кольцевая КТ

Р У2р

1.74 7.53 1.74 7.75

*Величины р и У2р умножены на 102

Таблица 3 *

Рис.3. Диаграмма электронной плотности

3. Изучение внутримолекулярных взаимодействий в функционали-зированных производных пиррола методами ЯМР и квантовой химии

3.1. Изучение строения и внутримолекулярных взаимодействий в конфигурационных изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида

Анализ химических сдвигов 'Н и 13С изомеров оксима пиррол-2-карбаль-дегида 18 в сравнении с таковыми для оксима 1-винилпиррол-2-карбальдегида 19 показал, что эти соединения конформационно неоднородны. На это указывают значения наиболее чувствительных к изменению конформации параметров - химических сдвигов Н-3 и С-3, которые отражают наличие внутримолекулярного взаимодействия С-Н-0(М), реализующегося при антиориентации пиррольного цикла относительно азометиновой группы. Если в случае оксима 19 происходит при переходе от Е- к г-изомеру изменение указанных химических сдвигов на 0.9 и 3.8 м.д., соответственно, свидетельствующее об изменении конформации от сын- к анти-, то в оксиме 18 величины 5Н-3 и 5С-3 для Е- и 7-изомеров отличаются лишь на 0.1 и 1.5 м.д.,

18-я 18-2 Н 19-Е " 19-г

что указывает на преобладание в обоих изомерах сия-конформации. Более того, в Е- и ^-изомерах оксима 18 обнаруживается слабопольное смещение сигнала протона ЫН-группы, свидетельствующее об образовании внутримолекулярной водородной связи ]М-Н- • N в первом случае и Ы-Н- • О во втором.

В то же время, слабопольные смещения сигналов мостиковых протонов, вызванные внутримолекулярным водородным связыванием, в оксиме пиррол-2-карбальдегида 18 сравнительно невелики (1.2 м.д. для £-формы и 2.2. м.д. для г-формы), что указывает на сравнительно невысокую интенсивность взаимодействия. Поэтому был проведен анализ других факторов, которые помимо внутримолекулярной водородной связи способствуют реализации преимущественной сын-ориентации пиррольного цикла относительно азометиновой группы в обоих изомерах оксима 18. В рамках ЫВО анализа были получены энергии я,я-взаимодействий в случае син- и ан/ии-ориентаций пиррольного цикла. В соответствии с данными таблицы 4 суммарная энергия 7г,я-взаимодействий заметно выше при син-ориентации пиррольных циклов и в Е-, и в г-изомере. Следовательно, более благоприятное сопряжение ненасыщенных фрагментов - ещё один фактор, наряду с внутримолекулярными

водородными связями, обеспечивающий преобладание сын-формы для Е- и Ъ-изомеров оксима пиррол-2-карбальдегида 18.

Характеристики ЫВО позволяют также сравнивать силу внутримолекулярной водородной связи Ы-Н -'Ы в £-изомере и Ы-Н - О в Z-изомере оксима пиррол-2-карбальдегида 18. Энергия переноса электронной плотности от неподеленной пары электронов гетероатома на разрыхляющую орбиталь связи Ы-Н ЬР(0<,)—»а*(Ы-1,Н-1) в случае 2-изомера значительно выше аналогичной величины ЬР(Н,)—>ст*(Ы-1,Н-1) в случае £-изомера (2.2 и 0.5 ккап/моль соответственно). Это соответствует большей величине сдвига резонанса мостикового водорода за счёт образования внутримолекулярной водородной связи N-11-- О в 2-изомере по сравнению с внутримолекулярной водородной связью Ы-Н---И в Е-изомере оксима 18 и свидетельствует о более интенсивном водородном связывании в первом случае.

Таблица 4

Взаимодействие Соединение

18-£ 18-г

син-конформация анти-конформация син-конформация анти-конформация

л(С-2,С-3)—> я*(С-4,С-5) 34.37 37.77 34.59 36.36

л(С-4,С-5)—» я*(С-2,С-3) 38.13 38.33 42.19 40.85

7Г(С-Г,1ЧГ-2')-> л*(С-2,С-3) 12.14 11.72 9.86 10.77

л(С-2,С-3)-> я*(С-1',Ы-2') 28.41 24.61 33.32 29.71

я*(С-2,С-3) 65.85 62.92 66.23 59.52

и^и— я*(С-4,С-5) 67.51 64.44 72.12 67.08

ЬР(Ол)-+ я*(С-1',Ы-2') 18.60 19.36 17.66 21.53

Сумма 265.01 259.15 275.97 265.82

3.2. Изучение влияния внутримолекулярных водородных связей С-Н-!Ч и С-Н—Б на параметры спектров ЯМР *Н и 13С 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-внннлпирролов

Анализ спектров ЯМР *Н для ряда 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов 20-23 обнаружил их резкое отличие от спектра изученного ранее 2,3,5-триметил-1-винилпиррола 24. Так, разность химических сдвигов терминальных атомов водорода винильной группы, параметр Д5=5Нв-5На, возрастает от 0.15 м.д. в пирроле 24 до 1 м.д. в аминопирролах 20-23 (Рис. 4).

При этом разность соответствующих прямых КССВ 13С-'Н, параметр А/=1ДСр,Нв)-'/(С(5,НА), становится отрицательной. Подобных аномальных значений обсуждаемых параметров не было обнаружено ни в одном из спектров многочисленных 1-винилпирролов, синтезированных ранее.

н,с

20-23

20. Я = М(СН3)2,21. Я = Ы(С2Н5)2,22. Я

Для объяснения наблюдаемых

проведён

М(п-С3Н7)2,23. Я =

Но

спектральных аномалий был квантово-химический расчёт изучаемых аминопирролов 20-23. Расчёты предсказывают конформационное

равновесие между б-цис(Ы)- и з-цис(8)-конформациями с преобладанием первой из них (Схема 4).

Винильная группа незначительно выведена из плоскости пиррольного цикла в обеих конформациях (*|/=7° и 12° для б-цис(М)- и б-цис(8) форм, соответственно), а тиометильная группа занимает почти ортогональное по отношению к пиррольному циклу положение (ф=76 и 78°, соответственно). При этом неподеленная пара электронов аминного азота ориентирована по направлению к винильной группе и частично выведена из цепи сопряжения (угол между осью неподеленной пары

Рис.4. Фрагмент спектров ЯМР 'Н для пирролов 20 (а) и 24 (б).

5-Цис(И)

Н3С

/ \\

Нв'

Схема 4

НА

э-г/мсСБ)

ва №

еь СН)

электронов и л-системой фЬР=50°, Схема 5). В б-цис(Ы)-конформации атом водорода Нв и аминного азота сближены на расстояние меньшее суммы их Ван-дер-ваальсовых радиусов (равновесное расстояние Н составляет 2.44 А), а в случае э-цис(8)-конформации сближены атомы Нв и серы (равновесное расстояние Н Б составляет 2.63 А). Схема 5

Это создаёт стереохимические предпосылки для образования внутримолекулярных водородных связей С-Н- ■ N и С—Н- -8.

Для более надёжного обоснования существования внутримолекулярных водородных связей С-Н- -Ы и С-Н---Б в ряду сульфаниламинопирролов произведен расчёт топологических характеристик водородных связей в рамках теории Бэйдера "Атомы в Молекулах". Для внутримолекулярных водородных связей С-Н--И и С-Н-- 8 обнаружены связевые критические точки, а для обнаруженных хелатных циклов - кольцевые критические точки. Соответствующие топологические параметры обнаруженных водородных связей приведены в таблице 5.

Таблица 5*.

Конформер CKT водородной связи С-Н ■ N ккт CKT водородной связи С-Н-- -S ККТ

Р*г н v2PN-H V2P Ps-n V4h Р V2p

1.61 5.24 1.10 5.78 1.51 5.28 1.50 6.38

1.17 3.74 0.96 2.49

♦Величины р и V2/) умножены на 10'

Таким образом, аномальные смещения сигналов в спектрах ЯМР 'Н и сопутствующее возрастание прямых КССВ 13С-'Н для обсуждаемого ряда винилпирролов объясняется существованием внутримолекулярных водородных связей С-Н---И и С-Н-- 8.

3.3. Структурные исследования meso-СР3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-

диарил(дигетарил) BODIPY красителей методами ЯМР 'Н, 13С, ,9F и квантовой химии

Для комплексов BODIPY 25 и 26, обладающих практически ценными свойствами, важно было выявить спектральные критерии, позволяющие производить структурные исследования и оценку условий сопряжения между

F3C

25. R

J._.4

■jQ.

; 26. R

U_Jn

О-

ненасыщенными фрагментами, определяющими оптические характеристики флуорофоров. В спектре ЯМР 'Н комплексов 25 и 26 обнаружено резкое слабопольное смещение сигнала Н0 ароматического фрагмента и Н-3 гетероароматического фрагмента относительно Нм и Н-4, составляющее 0.5 и 1.1 м.д., соответственно, которое свидетельствует о наличии внутримолекулярного взаимодействия Н-Р. Этим смещениям сопутствует спин-спиновое взаимодействие 19Р-|3С через промежуточную связь С-Н. Величина КССВ 5У(Р, С-3) равна 8.1 Гц для ВСЮ1РУ 25 и 3.9 Гц для ВСЮ1РУ 26. Расщепление сигнала углерода С-3 в протоносвязанном спектре ЯМР |3С показано на рис. 5. Несмотря на то, что передаточным звеном этого взаимодействия является связь С-Н, спин-спиновое взаимодействие 19Р-'Н при этом не наблюдается (Рис. 6).

У(Т,С-3)

-II*

3ДН-3, Н-4)

Рис. 5. Характер расщеплений сигнала Рис. 6. Характер расщеплений сигнала Н-3 С-3 для В(Ю1РУ 25 для ВСЮ1РУ 25

Для истолкования этого необычного факта вновь были привлечены квантово-химические расчёты. Они показали статическую неэквивалентность двух атомов фтора группы ВР2, один из которых взаимодействует с атомом водорода Н-3 тиофенового цикла в случае его син-ориентации относительно остова ВСЮ1РУ (Схема 6). РзС

Расчёт показал, что для одного из атомов фтора КССВ |9Р-'Н положительна, для другого

отрицательна. При / | [ \\ усреднении в

«р^ф^Ль^э^ термодинамическо __А 4 \>,

ф го ансамбля эти ? \

V * усредняются и ^ Схема 6

1 щЯ^Ш^ обращаются в

нуль. В то же время, обе КССВ 19Р-13С

_ положительны, поэтому их усреднение до

Рис.7 Фрагмент канонической нулевого значения не происходит. На рис. 7

молекулярной орбитали в П(жазан фрагмент канонической комплексе ВОО!РУ 25.

о о

N N

VI чУ,

-V-

молекулярной орбитали, ответственной за перенос спиновой плотности от ядра фтора к ядру углерода через невалентное перекрывание электронных облаков неподеленной пары электронов атома фтора и соответствующей связи С-Н.

3.4. Исследование струюурных особенностей 1-стирилпиррола по данным ЯМР ,3С и квантово-химических расчётов

Квантово-химические расчёты были использованы для структурных исследований изомеров вновь синтезированного 1-стирилпиррола 27. Сравнение химических сдвигов 13С в 1-винилпирроле и 1-стирилпирроле показало, что сопряжение между ненасыщенными фрагментами в последнем случае ослаблено. Причиной этого может служить нарушение планарного строения изомеров 1-стирилпиррола. 27

При расчёте на уровне МР2 получены весьма

высокие величины двугранных углов между плоскостями ненасыщенных фрагментов в обоих изомерах (У1=20°, у2=30° для Е-формы, \|/,=43°, у2=38° для г-формы). При расчёте в рамках теории функционала плотности с использованием функционала электронной плотности ВЗЬУР получены значительно меньшие величины двугранных углов (\|/1=9°, у2=14° для Е-формы, \|/1=31°, 1|/2=33° для 2-формы). Выбор между полученными структурами сделан из расчёта химических сдвигов |3С, который показал, что теоретические химические сдвиги при расчёте с геометрией ВЗЬУР значительно лучше соответствуют эксперименту. Это следует из сравнения средних значений разности между теоретическими и экспериментальными величинами 513С. Они составляют 4.56 и 4.61 м.д. для Е- и 7-изомеров, соответственно, для геометрии, полученной из расчета на уровне МР2, при этом снижаясь до 2.81 и 2.91 м.д. для геометрии, полученной из расчёта на уровне ВЗЬУР. Тем не менее, расчёт предсказывает неплоское строение как Е-, так и г-изомера. Если во втором случае такое отклонение от плоскости легко объясняется стерическими взаимодействиями, то в первом случае этому способствует, по-видимому, электронный фактор - встречное р,п- и тсд-сопряжение, которое взаимно ослабляется и выталкивает ненасыщенные фрагменты молекулы из одной плоскости.

Выводы

1. Теоретические химические сдвиги, полученные из квантово-химических расчётов методом ИАО, в совокупности с экспериментальными химическими сдвигами, полученными из спектров ЯМР, являются надёжным инструментом конфигурационного анализа оксимов, азинов, гидразонов и оснований Шиффа, а также однозначного отнесения сигналов в сложных случаях.

2. Резкое увеличение химического сдвига 577Se в Z-изомерах оксима и азина селенофен-2-карбальдегида относительно £-изомеров вызвано, в значительной мере, стерической компрессией, возникающей при энергетически благоприятной сын-ориентации селенофенового цикла относительно азометиновой группы. Этот эффект может быть использован для конформационного анализа селеносодержащих соединений.

3. Химические сдвиги 'Н и прямые КССВ 13С-'Н в изомерах бисдиметилгидразона метилглиоксаля не позволяют произвести конфигурационное отнесение из-за наличия внутримолекулярной водородной связи С-Н—N в Z-изомере, оказывающей влияние на эти спектральные параметры. Поэтому для конфигурационного отнесения этих изомеров необходимо использовать химические сдвиги 13С, прямые КССВ 13С-' С и геминальные КССВ l5N-'H.

4. По данным ЯМР и квантово-химических расчётов в Е- и Z-изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида пиррольный цикл имеет преимущественную син-конформацию относительно азометиновой группы. Такая конформация стабилизирована энергетически благоприятным я,я-сопряжением между ненасыщенными фрагментами, а также внутримолекулярными взаимодействиями N-H—N в £-изомере и N-H—О в Z-изомере.

5. Аномальные слабопольные смещения сигнала р-цис протона винильной группы в спектрах ЯМР *Н 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов, сопровождающиеся значительным возрастанием соответствующей прямой КССВ, в сравнении с 2,3,5-триалкил-1-винилпирролами, объясняются образованием слабых внутримолекулярных водородных связей С-Н—N и С-Н—S. Образованию таких связей способствует благоприятная стерео-ориентация неподеленной пары электронов аминного атома азота, обусловленная стереохимическими факторами.

6. Химические сдвиги 'Н и дальние КССВ 19F-I3C являются информативными спектральными параметрами для оценки двугранных углов между ненасыщенными фрагментами в комплексах л<езо-СР3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил)-В001РУ, определяющих оптические свойства красителей этого класса.

7. По данным ЯМР и квантово-химических расчётов различного уровня Е- и Z-изомеры 1-стирилпиррола имеют неплоское строение. В случае Z-изомера это обусловлено стерическими факторами, а в случае £-изомера отклонение пиррольного и фенильного фрагментов от плоскости двойной связи вероятно вызвано взаимным влиянием р,я- и я,я- сопряжения.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Afonin, А. V. Comparative analysis of 13С shielding constants stereospecificity in the silicon and germanium derivatives of acetylenic aldehyde and ketone oximes

based on the l3C NMR spectroscopy and GIAO calculations / A. V. Afonin, D. V. Pavlov, A. V. Mareev, D. E. Simonenko, I. A. Ushakov // Magn. Reson. Chem.— 2009,— Vol. 47,— № 7.— P. 601-604.

2. Afonin, A. V. Pronounced stereospecificity of 'H, 13C, 15N and 77Se shielding constants in the selenophenyl oximes as shown by NMR spectroscopy and GIAO calculations. / A. V. Afonin, D. V. Pavlov, I. A. Ushakov, E. Y. Schmidt, A. I. Mikhaleva // Magn. Reson. Chem.— 2009,— Vol. 47,— № 10.— P. 879884.

3. Afonin, A. V. Study of conformations and hydrogen bonds in the configurational isomers of 2-carbaldehyde oxime by 'H, l3C and 15N NMR spectroscopy combined with MP2 and DFT calculations and NBO analysis / A. V. Afonin, I. A. Ushakov, D. V. Pavlov, A. V. Ivanov, A. I. Mikhaleva // Magn. Reson. Chem.— 2010,— Vol. 48,— P. 685-692.

4. Afonin, A. V. Study of stereospecificity of 'H, 13C, 15N and 77Se shielding constants in the configurational isomers of the selenophene-2-carbaldehyde azine by NMR spectroscopy and MP2-GIAO calculations. / A. V. Afonin, D. V. Pavlov, A. I. Albanov, E. P. Levanova, G. G. Levkovskaya // Magn. Reson. Chem.— 2011,— Vol.49.— № 11.— P. 740-749.

5. Afonin, A. V. Stereospecificity of'H, l3C and 15N shielding constants in the isomers of methylglyoxal bisdimethylhydrazone: problem with configurational assignment based on *H chemical shifts / A. V. Afonin, D. V. Pavlov, I. A. Ushakov, N. A. Keiko // Magn. Reson. Chem.— 2012,— Vol. 50,— P. 502510.

6. Афонин, А. В. Стереоспецифичность констант экранирования ядер 13С в ацетоназине как инструмент конфигурационного отнесения кетазинов / А. В. Афонин, Д. В. Павлов, И. А. Ушаков, Е. П. Леванова, Г. Г. Левковская // ЖОрХ,— 2012,— Т. 48.— С. 362-364.

7. Афонин, А. В. Химические сдвиги в спектре ЯМР |3С бензофеноназина как стандарт для конфигурационного отнесения азинов с ароматическими заместителями / А. В. Афонин, И. А. Ушаков, Д. В. Павлов, Е. П. Леванова, Г. Г. Левковская // Известия АН. Серия химическая.— 2012.— Т. 6.— С. 1108-1111.

8. Afonin, А. V. Structural studies of meso-CF3-3(5)-aryl(hetaryl)- and 3,5-diaryl(dihetaryl)-BODIPY dyes by 'H, 13C and 19F NMR spectroscopy and DFT calculations / A. V. Afonin, I. A. Ushakov, D. V. Pavlov, О. V. Petrova, L. N. Sobenina, A. I. Mikhaleva, B. A. Trofimov // Journal of Fluorine Chemistry.—2013,—Vol. 145.—P. 51-57.

9. Afonin, A. V. Structural peculiarities of configurational isomers of 1-styrylpyrroles according to *H, l3C, 15N NMR spectroscopy and DFT calculations: electronic and steric hindrance for planar structure / A. V. Afonin, I. A. Ushakov, D. V. Pavlov, E. Yu. Schmidt, M. Yu. Dvorko // Magn. Reson. Chem.— 2013.— Vol. 51,—P. 339-349.

10. Afonin, A. V. Experimental and theoretical study of the intramolecular C-H - • N and C-H - S hydrogen bonding effects in the_'H and_l3C NMR spectra of the 2-(alkylsulfanyl)-5-amino-l-vinylpyrroles: a particular state of amine nitrogen / A. V. Afonin, D. V. Pavlov, A. I. Albanov, O. A. Tarasova, N. A. Nedolya // Magn. Reson. Chem.— 2013,— Vol. 51,— P. 414-423.

11. Афонин, А. В. Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР 'Н и |3С для конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе/ А. В. Афонин, Д. В. Павлов, И. А. Ушаков, Е. П. Леванова, Г. Г. Левковская // ЖОрХ,— 2013,—Т. 49,— Вып. 8.— С. 1136-1140.

12. Афонин, А. В. Стереоспецифичность констант экранирования в оксимах, имеющих ненасыщенный заместитель. V Всероссийская конференция "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях : сборник тезисов / А.В. Афонин, Д.В. Павлов, И.А. Ушаков.— Казань, 2011,—С. 17-18.

13. Afonin, А. V. High-spin molecular switches based on a pendulum three-centered hydrogen bond. VI International Conference "High-Spin Molecules and Molecular Magnets : Abstracts / A. V. Afonin, A. V. Vashchenko, D. V. Pavlov.— Rostov on Don, 2012.— P. 81.

14. Афонин, А. В. Новый класс молекулярных переключателей на базе маятниковой трёхцентровой водородной связи. XX Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем : Сборник тезисов / А. В. Афонин, А. В. Ващенко, Д. В. Павлов.—Йошкар-Ола, 2013.— С. 59.

Подписано в печать: 21.04.2014 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 140 экз. Заказ № 12 Отпечатано в типографии "Лайба +" 664053, Иркутск, улица Розы Люксембург, 222 (3955) 66-22-44 (777)

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Павлов, Дмитрий Витальевич, Иркутск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИРКУТСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИИ им. А.Е. ФАВОРСКОГО СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201459648

ПАВЛОВ ДМИТРИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

Специальность 02.00.03 - органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д. х. н., профессор Афонин Андрей Валерьевич

Иркутск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЁТА КОНСТАНТ ЭКРАНИРОВАНИЯ И ИХ 12 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 12 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 22 константами экранирования и экспериментальными химическими сдвигами

1.3. Источники ошибок расчётов констант экранирования 26

1.3.1. У чёт электронной корреляции 2 8

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 С1АО для конфигурационного отнесения 46 олефинов и оксимов

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ 52 СДВИГОВ В ОКСИМАХ, АЗИНАХ, ГИДРАЗОНАХ И ОСНОВАНИЯХ ШИФФА МЕТОДАМИ ЯМР И С1АО

2.1. Стереоспецифичность химических сдвигов в оксимах, содержащих 52 элементоорганический заместитель

2.1.1. Сравнительный анализ стереоспецифичности химических сдвигов 52

С в производных оксимов кремний и германий содержащих

ацетиленовых альдегидов и кетонов на основе спектроскопии ЯМР С и расчетов 01А0

13 15

2.1.2. Изучение стереоспецифичности констант экранирования С, N и 56 778е в оксимах селенофен-2-карбальдегида

2.2. Стереоспецифичность констант экранирования в азинах 62

2.2.1. Стереоспецифичность констант экранирования ядер 13С в 63 ацетоназине как инструмент конфигурационного отнесения кетазинов

2.2.2. Химические сдвиги в спектре ЯМР 13С бензофеноназина как 68 стандарт для конфигурационного отнесения азинов с ароматическими заместителями

2.2.3. Изучение стереоспецифичности 'Н, 13С, и 778е констант 73 экранирования в конфигурационных изомерах азина селенофен -2-карбальдегида

2.3. Использование химических сдвигов в спектрах ЯМР 'Н и С для 86 конфигурационного отнесения оснований Шиффа в жидкой фазе

2.4. Стереоспецифичность химических сдвигов 'Н, 13С и 15Ы в изомерах 92 бисдиметилгидразон метилглиоксаля: проблема конфигурационного

1 13 1

отнесения на основе химических сдвигов Н и КССВ С- Н

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ 106

ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРРОЛА МЕТДАМИ ЯМР И КВАНТОВОЙ ХИМИИ

3.1. Изучение строения и внутримолекулярных взаимодействий в 106 конфигурационных изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида на основании данных спектроскопии ЯМР !Н, 13С и 15Ь1, расчёта констант экранирования методом МР2-01А0 и анализа орбиталей натуральных

связей

3.2. Изучение влияния внутримолекулярных водородных связей С-Н- ■ N 116 и С-Н- • - 8 на параметры спектров ЯМР'Н и С 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов с помощью расчётов МР2-01А0 и (ЗТА1М

анализа

3.3. Структурные исследования ш^о-СРз-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5- 133 диарил(дигетарил) ВОБ1РУ красителей методами ЯМР ]Н, 13С, 19Р и квантовой химии

3.4. Исследование структурных особенностей 1-стирилпиррола по 144 данным ЯМР 'Н, 13С, 15Ы и квантово-химических расчётов

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И МЕТОДИКА 151

РАСЧЁТОВ

4.1. Синтез соединений 151

4.2. Квантово-химические расчёты 151

4.3. Регистрация спектров ЯМР 152 ВЫВОДЫ 154 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15 6

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ТМС Тетраметилсилан

КССВ Константа спин-спинового взаимодействия

м.д. Миллионная доля

ИК Инфракрасные

кт Критическая точка

нэп Неподелённая электронная пара

ЯМР Ядерный магнитный резонанс

BODIPY Boron-dipyrromethene

B3LYP Becke-3 Lee-Yang-Parr

COSY Correlation spectroscopy

CP-KS Coupled perturbed Kohn-Sham

DFT Density functional theory

GIAO Gauge-including atomic orbitals

НМВС Heteronuclear multiple bond correlation

HSQC Heteronuclear single quantum correlation

LP Lone Pair

МР2 Moller-Plesset perturbation theory (second order)

NBO Natural bond orbitals

NOESY Nuclear Overhauser effect spectroscopy

QTAIM Quantum theory Atoms in Molecules

SOPPA Second order polarization propagator approximation

ВВЕДЕНИЕ

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=Ы-(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 1//-пирролов и 1-винил пирролов, 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 1//-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 увеличении 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 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 целыо 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 а,р-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).

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.

спектре ЯМР "Se 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 !Н и прямых

13 1

кссв ,jc-н 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 ^N-'H. Установлено, что в Е- и Z-изомерах оксима пиррол-2-карбальдегида образуются внутримолекулярные водородные связи N-H—N и N-H-0, соответственно, обеспечивающие преимущественную cz/н-ориентацию пиррольного цикла относительно азометиновой связи. Выявлены причины аномально больших слабопольных смещений сигналов в спектрах ЯМР 'Н и

1Я 1

возрастания соответствующих прямых КССВ С- Н для ряда 2-(алкилсульфанил)-5-амино-1-винилпирролов. Впервые доказано, что химические

сдвиги в спектрах ЯМР 'Н и дальние КССВ 19Р-13С могут служить эффективным средством для оценки двугранных углов между ненасыщенными фрагментами в комплексах л/езо-СР3-3(5)-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(дигетарил)-В(Ю1РУ, от которых зависят оптические свойства этих красителей, обладающих практически ценными свойствами. Впервые получены данные указывающие, что не только стерически напряженный 2-изомер 1-стирилпиррола, но и £-изомер этого соединения имеет неплоское строение в силу внутримолекулярных электронных взаимодействий.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 181 страницах текста, содержит 49 таблиц, 12 рисунков и состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы насчитывающего 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.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЁТА КОНСТАНТ ЭКРАНИРОВАНИЯ И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ХИМИЧЕСКИЕ СДВИГИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Теоретические аспекты магнитного экранирования ядер и его проявления в

спектрах ЯМР.

1.1.1. Взаимосвязь между химическим сдвигом и константой магнитного

экранирования ядра

Одним из основных параметров, извлекаемых из спектров ЯМР, является химический сдвиг, который служит мощным аналитическим инструментом в структурной химии органических соединений. Наиболее информативны химические сдвиги в спектрах ЯМР 'Н и 13С, значения которых, как правило, позволяют в полной мере идентифицировать структурную формулу исследуемого органического вещества. Кроме того, опираясь на значения химических сдвигов можно проводить структурные исследования органических веществ: выполнять конфигурационное отнесение, осуществлять конформационный анализ, выявлять различные внутри- и межмолекулярный взаимодействия, анализировать электронное строение. Если изучаемое соединение, в силу агрегатного состояния, не может быть исследовано с помощью рентгеноструктурного анализа, химические сдвиги в спектрах ЯМР становятся основной идентификационной базой. В этой связи, принципиальное значение имеет корректное отнесение наблюдаемых резонансных сигналов к индивидуальным ядрам молекулы. Для этих целей разработан набор двумерных методик спектроскопии ЯМР, таких как COSY, NOESY, TOCSY, INADEQUATE (гомоядерные методики), а также HSQC, HMQC, НМВС (гетероядерные методики), благодаря которым отнесение сигналов

1 13

в с�