Стабилизация нестандартных конформеров протонной губки с помощью внутримолекулярной водородной связи
Скачать 366 Kb.
|
Рис. 7. Химсдвиги пери-NMe2-групп в орто-спиртах протонной губки и в модельных соединениях (H, CDCl3). В моно-орто-замещенных производных, например 19 (рис. 7), только 1-NMe2-группа подвергается уплощению; напротив, 8-NMe2-группа из-за давления со стороны 1-NMe2 группы, сильно пирамидализуется. Как результат, сигнал 1-NMe2 сдвинут в слабое поле, а сигнал 8-NMe2 – в сильное. То же справедливо для одноатомных спиртов с симметричными орто-заместителями независимо от того, находятся они в in/in форме, как 6a, или в in/out, как 6d,e. Существенный сильнопольный сдвиг NMe2-групп в -гидроксибензгидрильном производном 6e может быть приписан экранированию метильных водородов фенильными заместителями, что подтверждается данными РСА. Магнитная эквивалентность метилов 1-NMe2-группы может быть объяснена быстрыми в шкале времени ЯМР «качаниями» водородно-связанного цикла, что приводит к их усреднению. Более сложная картина наблюдается в спектрах одноатомных спиртов с асимметричными орто-заместителями 6b,c,f. В спектре соединения 6f все четыре N-метильные группы демонстрируют магнитную неэквивалентность в CDCl3 при +8 оС (рис. 8). Очевидно, такая картина наблюдается из-за асимметрии орто-заместителей и динамики одной из NMe2-групп. Мы полагаем, что самый сильнопольный и острый сигнал при 2.2 м.д. принадлежит Mea группе, экранированной -фенильным кольцом. Тогда второй острый сигнал (δ 2.8 м.д.) может быть приписан Meb группе. Оба эти метила ротационно неактивны, так как 1-NMe2-группа зафиксирована ВВС. Асимметрия 2-заместителя в 6f влияет и на метилы 8-NMe2-группы, хотя и не так явственно. По сходным причинам сигнал при δ 2.35 м.д. следует отнести к Мес группе из-за его большей близости к –фенильной группе. Сигналы Мес,d групп проявляют сильную температурную зависимость; при понижении температуры они сужаются, но уже при ~+15 оС коалесцируют (рис. 8). Предположительно процессы, приводящие к усреднению Мес и Med групп в 6f, связаны с вращением группы 8-NMe2 вокруг связи C8-N. Используя известное приближенное соотношение для температуры коалесценции, мы оценили барьер вращения G = 13.8 ккал.моль–1. 
Рис. 8. Температурная зависимость сигналов N-метильных групп в спектрах ЯМР 1Н соединения 6f (250 МГц, CDCl3). В отличие от спирта 6f, в ЯМР 1Н спектрах асимметричных вторичных одноатомных спиртов 6b и 6c оба метила 1-NMe2-группы дают шестипротонный синглет. Можно допустить, что отсутствие хелатации и уплощенность 1-NMe2-группы в этих соединениях способствует ее быстрому вращению в шкале времени ЯМР, что делает эти метилы магнитно-эквивалентными. Напротив, два метила 8-NMe2-группы в 6b и 6с магнитно-неэквивалентны и температурно-зависимы (рис. 9). Их сигналы коалесцируют при 33 и 35оС с G = 15.7 и 15.8 ккал.моль–1, соответственно. Более высокий барьер вращения для 8-NMe2-группы в 6b,с по сравнению с 6f может быть связан с 1) меньшим расстоянием N…N в 6b,c и 2) свободным вращением 1-NMe2-группы в 6b,с, что сокращает пространственные возможности для вращения 8-NMe2-группы, которая в большей степени пирамидальна. Примечательно, что в DMSO-d6 вращение группы 8-NMe2 заметно облегчается и при комнатной температуре оба ее метила в соединениях 6b,c,f усредняются (табл. 2 и 3). Поведение NMe2-групп в ЯМР 1Н спектрах 2,7-диолов 7a-e в общем аналогично. Как и предполагалось, все четыре метила в соединениях 7a,d,e при температуре от комнатной до –40 оС магнитно-эквивалентны и дают двенадцатипротонный синглет при 2.95, 2.91 и 2.43 м.д., соответственно. Несколько сложнее обстоит дело для диолов 7b и 7c, обнаруживающих в спектрах ЯМР 1Н и 13С неравноценность N-метильных групп. Мы полагаем, что такое поведение связано с асимметрической природой орто-заместителей в 7b,с и их тенденцией к образованию межмолекулярных ассоциатов. Замена CDCl2 на DMSO-d6 приводит к тому, что диполярный растворитель разрушает ассоциаты, координируясь с гидроксилами орто-заместителей. Это, возможно, дает больше свободы NMe2-группам и все N-метилы в диолах 7b и 7c проявляются в DMSO в виде двенадцатипротонного синглета.  Рис. 9. Температурная зависимость сигналов N-метильных групп в спектрах ЯМР 1Н соединений 6b,c (250 МГц, CDCl3). 2.1.4. Квантово-химические расчетыc Для соединения 6b были рассчитаны полные энергии а также некоторые геометрические параметры для поворотных изомеров этого соединения, отличающихся диэдральным углом С3–С2–С–О (обозначен как ); полученные результаты представлены на рис. 10. Как и ожидалось, конформер 6b(H) наиболее устойчив, его полную энергию удобно принять за точку отсчета (Eотн = 0.0 ккал.моль–1). При вращении вокруг связи С2–С атомы N1 и O начинают сближаться, энергия конформеров возрастает и достигает максимума (8.2 ккал.моль–1) для структуры 6b2'(OH). Очевидно, эта дестабилизация вызвана отталкиванием атомов азота и кислорода и отсутствием ВВС между ними. Переход к Н-связанным конформерам 6b1(OH) и 6b2(OH) при вращении вокруг связи C–OH сопровождается инверсией атома азота для 1-NMe2-группы и значительным уменьшением энергии. Можно предположить, что разница энергий в 7.2 ккал.моль–1 между формами 6b2(OH) и 6b2'(OH) в общем отражает прочность ВВС в первой. Однако, поскольку рассчитанная разница энергий конформеров 6b2(OH) и 6b(H) не выше 1 ккал.моль–1 (последняя форма чуть выгоднее), этого не хватает для эффективной стабилизации хелатированной формы 6b. Примечательно, что вычисленные геометрические параметры ВВС для формы 6b2(OH) (N…H 1.728, O–H 0.982 Å, N…H–O 152o) хорошо согласуются с определенными экспериментально для 6e, 6f, 7d и 7e.  Рис. 10. Рассчитанная геометрия (длины связей и расстояния в Å, углы в градусах) и относительные энергии (в ккал.моль–1) для поворотных конформеров спирта 6b. В отличие от первичных и вторичных моно-орто-спиртов их третичные аналоги не могут существовать в форме, подобной 6b(H), поэтому они гораздо более предрасположены к N…H-O хелатации. Переход от in/in к in/out конформеру должен сопровождаться сильным увеличением расстояния N…N. Данные РСА для in/out протонных губок 5, 6e, 6f, 7e и 7d это подтверждают и обнаруживают удивительную близость их величин N…N (2.92–2.95 Å). На примере соединения 6f нами показано, что есть хорошее совпадение между экспериментальной и расчитанной структурами для хелатированных спиртов. Специфика азотной инверсии в исследованных нами третичных 2,7-диолах заключается в том, что в то время как out-NMe2 группа остается связанной ВВС и как-то стабилизированной, in-NMe2 группа испытывает стерическое давление со стороны второго орто-заместителя. В твердом состоянии это напряжение компенсируется межмолекулярными водородными связями (в дополнение к ВВС) и образованием прочной кристаллической решетки. В растворе роль ассоциации уменьшается и в попытке избежать стерического напряжения молекуле приходится выбирать между двумя эквивалентными in-out конформациями, каждая из которых невыгодна. 2. 2. Синтез и свойства 1,8,1’,8’-тетракис(диметиламино)-2,2’-динафтилкарбинолов 2.2.1. Синтез Используя разработанные подходы, нам показалось интересным синтезировать вторичные и третичные орто-спирты с двумя остатками протонной губки 20 и 21. 2,2’-Динафтилкарбинолы 20 и 21 – первые представители двойных «протонных губок», сочлененных через орто-положения.  2.2.2. Структурные особенности Спектр ЯМР 1Н соединения 20 в CDCl3 напоминает спектры вторичных одноатомных спиртов 6b и 6c. Важное различие состоит в том, что в спектре 20 при δ 5.35 м.д, присутствует уширенный и исчезающий при дейтерировании синглет группы ОН, тогда как в спектрах 6b и 6c его нет. В растворе DMSO-d6 протон OH- группы дает дублет при δ 5.65. Столь высокопольное положение сигнала OH указывает на отсутствие O-H…N хелатирования. В спектре ЯМР 1Н интересно проявляются группы NMe2. В CDCl3 при +25 оС присутствует три сигнала: двенадцатипротонный при δ 3.04 м.д. и два более высокопольных шестипротонных при δ 2.67 и 2.90 м.д. По аналогии с моноспиртами 6b,c двенадцатипротонный синглет может быть отнесен к более уплощенным (данные РСА) и, как следствие, легко вращающимся группам 1- и 1’-NMe2 (Mea,b,c,d). В отличие от них, группы 8- и 8’-NMe2 (Mee,f,g,h) намного пирамидальнее и их вращение при комнатной температуре затруднено. Каждая пара метилов в них пространственно и магнитно неэквивалентна, образуя типы Mee,g и Mef,h, которые и дают шестипротонные пики с δ 2.67 и 2.90 м.д. При нагревании эти сигналы уширяются и коалесцируют около 45 oC. Для спирта 20 были проведены рентгеноструктурные исследования при двух температурах, 293 и 100К (рис 11). В обоих случаях получена структура с разупорядоченными 1-NMe2- и 8-NMe2-группами. Вполне возможно это связано с тем, что в твердом состоянии эта молекула находится в двух формах: хелатированной 20a и нехелатированной 20b. Степень out-инверсии атома азота N(1) (∑N(1) = 355.1о) в 20a, а также параметры хелатного цикла указывают на то, что ВВС в этом соединении слабее, чем в 6e и 6f. Интересно, что в 20b, как и в 20a, один из фрагментов протонной губки также находится в in-out форме, но out-инверсии атома азота N(1) весьма мала (∑N(1) = 359.1о).
Рис. 11. Молекулярная структура диола 20 при 293K (a) и при 100 К (b).
и 2.74 м.д. и один двенадцатипротонный при δ 2.55 м.д. Мы полагаем, что последний пик принадлежит сильно пирамидализованным метилам 8- и 8’-NMe2 групп (Меe,f,g,h), тогда как первый к группам Mea, Mec, принадлежащим менее пирамидализованным 1- и 1’-NMe2, но экранированным близко расположенным α-фенильным кольцом. Очевидно, что удаленные от фенила и не испытывающие экранирующего эффекта группы Meb,d должны давать сигнал в более слабом поле (δ 2.74 м.д.). Следует заметить, что экранирование со стороны фенила испытывают также кольцевые протоны С3-Н и С3-Н’. Данные спектров ЯМР 1Н и ЯМР 13С указывают на действительную возможность взаимного перехода между вырожденными структурами 21a и 21b (Схема 5). Все пары симметричных протонов и NMe2 групп двух нафталиновых фрагментов эквивалентны, а в спектре ЯМР 13С имеется 14 пиков С атомов ароматических колец, а не 24 как можно было бы ожидать для несимметричной, замороженной за счет хелатирования структуры. РСА показал, что молекула 21 фактически предорганизована для такого перехода и единственное, что требуется, это разрыв не очень прочной ВВС и поворот группы ОН вокруг связи Сα-О. Схема 5  2.3. Синтез и свойства простых эфиров на основе «протонной губки» Очевидно, что синтез орто-спиртов дает дополнительные возможности для функционализации протонных губок в направлении получения новых систем с интересными свойствами. В частности, было заманчиво получить диэфир 23 в качестве аналога высоко основного соединения 22 с метоксигруппами, выключенными из сопряжения с кольцом. С этой целью диол 7a обрабатывали избытком CH3I в присутствии гидрида натрия, в результате чего с выходом 80 % получили соединение 23 в виде светло-желтых кристаллов. Альтернативным способом диэфир 23 был синтезирован взаимодействием дилитийпроизводного 9 с двумя эквивалентами хлорметилового эфира, но выход в этом случае был ниже (43%). Подобным образом с выходом 61% был получен и моноэфир 24. Найденная для соединения 23 величина pKa методом конкурентного протонирования в ДМСО, оказалось равной 9.3. Это почти на два порядка выше, чем у самой протонной губки 1, но примерно настолько же меньше основности 2,7-диметоксипроизводного 22 (pKa 11.5). Этот результат подтверждает сделанный ранее вывод о том, что высокая основность 22 обусловлена, главным образом +М-эффектом метоксигрупп.  Развитием этой работы стал осуществленный нами синтез соединения 26, в котором два остатка «протонной губки» сшиты по орто-положениям эфирным мостиком –CH2OCH2-. В качестве исходного соединения использовался моноспирт 6a, который сначала переводили в гидробромид 2-бромметилпроизводного 25, а затем проводили их перекрестное сшивание в присутствии t-BuOK в THF. Структура соединений 23-26 подтверждена спектрами ЯМР 1Н. Для эфира 26 был измерен масс-спектр, показавший наличие пика молекулярного иона с m/z 470 (I = 64 %).  |
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Рекомендации по ведению нестандартных уроков Подготовка и проведение нестандартных уроков Возможности нетрадиционной формы урока | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью настоящей работы является поиск новых нестандартных путей по решению этой проблемы. В связи с тем, что эта цель разделяется... |
| Реферат Отчет 118 с., 7 ч., 30 рис., 12 табл., 43 источника, 1 прил Центральной проблемой водородной энергетики являются большие затраты на хранение и транспортировку водорода. Наиболее безопасными... | | Урок математики: сущность Урок как основная форма обучения. Структура и типы уроков. Подготовка учителя к уроку. Особенности интегрированного урока математики.... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Тема урока: Химические свойства этанола: взаимодействие с активными металлами (натрий); реакции внутримолекулярной дегидратации и... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Оборудование: для учителя: карточки со словарными словами, запись фонограммы «Губки бантиком», разные звездочки для каждого ребенка,... |
 | Программы вид работы (краткая инструкция) форма и метод контроля... Общие сведения об электрической связи: история развития связи; Понятие информация и звук; Системы передачи информации: передача информации... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Оборудование: штатив с пробирками (на каждый стол), пробиркодержатели, поддоны, пипетки, губки или тряпки на каждый стол, стеклянные... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Дать историческую справку о том, что наука «алгебра» возникла в связи с решением разнообразных задач с помощью уравнений | | Литература Приложение Основными направлениями экономических реформ в России стали приватизация (переход государственного имущества в частные руки), либерализация... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В познавательной сфере: выявить особенности Луны, с помощью учителя установить причинно – следственные связи о том, почему люди не... | | Реферат по обществознанию На тему: Стабилизация демографической ситуации на Земле С людьми непрестанно совершаются разнообразные события, складывающиеся в определённые процессы, которые изучает специальная наука... |
| 9 класс б обж Первая помощь при массовых поражениях (сообщение) англ... «современные тенденции в обслуживании читателей. Непрерывное образование библиотекарей» | | Доклад «О конкуренции между услугами связи для целей передачи голосовой... На основе анализа рынка услуг телефонной связи для целей передачи голосовой информации, в результате которого установлено, что функционально... |
| Доклад «О конкуренции между услугами связи для целей передачи голосовой... На основе анализа рынка услуг телефонной связи для целей передачи голосовой информации, в результате которого установлено, что функционально... | | Особенности подключения стандартных и нестандартных периферийных... |
