受空間位阻限制的酰胺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多重構象

1、受空間位阻限制的酰胺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多重構象By Tabum <譯>Restricted amide rotation with steric hindrance induced multipleconformationsV.V. Krishnan a,b, Salvador Vazquez a, Kalyani Maitra a, Santanu Maitra a,a Department of Chemistry, California State University, Fresno, CA 93740, United Statesb Department of Pathology

2、and Laboratory Medicine, School of Medicine, University of California, Davis, CA 95616, United Statesa r t i c l e i n f oArticle history:Received 5 August 2017In final form 4 October 2017Available online 9 October 2017Keywords:Dynamic NMRChemical exchangeRestricted amide rotationSteric hindrance摘要C

3、-N鍵的性質(zhì)取決于由氮的離域孤電子對驅(qū)動的共振結構。在N，N-二芐基-鄰甲苯甲酰胺（o-DBET）中，尤其是在低溫下，該分子采用具有不同NMR譜學特征的構象異構體子群的形式存在。這種構象適應是o-DBET所獨有的，而相應的鄰位和間位分子沒有這種行為。變溫（VT）NMR、二維交換光譜（EXSY）和定性分子模擬研究被用來證明多個競爭性相互作用如限制酰胺旋轉(zhuǎn)和空間位阻效應如何引發(fā)溶液中多種分子的適應性。關鍵詞：動態(tài)NMR；化學交換；受限制的酰胺旋轉(zhuǎn)；空間位阻1.前言酰胺中C-N鍵的旋轉(zhuǎn)能壘與其部分雙鍵性質(zhì)有關，這種雙鍵性質(zhì)由氮原子上的孤電子對和羰基鍵之間的共振相互作用產(chǎn)生。動態(tài)核磁共振光譜學（DNM

4、R）通常被用于研究酰胺鍵的部分雙鍵特征?？茖W界不斷地使用NMR研究N，N-二甲基甲酰胺，也說明了這一領域的火熱。作者團隊證明在N，N-二乙基鄰甲苯甲酰胺（o-DEET）中，鄰位的甲基和兩個N-乙基之間的空間作用調(diào)節(jié)了酰胺鍵的受限旋轉(zhuǎn)動力學。特別地，由甲基引起的空間位阻通過改變由DNMR測量的旋轉(zhuǎn)能壘的焓和熵而引入額外的第三個更高的能壘。酰胺旋轉(zhuǎn)受限的能壘主要由C-N鍵的鍵級決定，因此鍵的任一側(cè)取代基的電子效應都會影響旋轉(zhuǎn)能壘。第三個高能構象可以通過將甲基移到DEET的間位或?qū)ξ簧蟻硐?，也可以通過減少從乙基到甲基的氮雜環(huán)鏈的大小來消除。本文研究了N，N-二芐基鄰甲苯甲酰胺（o-DBET）的動力

5、學，研究這一系列分子（DBET的鄰，間和對位形式）是為了探究分子如何適應受限的酰胺旋轉(zhuǎn)、空間位阻、側(cè)鏈大小的增加以及相對并置兩個芐基和分子中的苯環(huán)。在一定溫度范圍內(nèi)（1-55）進行的變溫NMR實驗確實為m-DBET和p-DBET分子提供了DNMR特征譜。但在o-DBET中，構象狀態(tài)分為兩組不同的狀態(tài)。DNMR結果顯示，由于兩個芐基中存在的芳香族部分的鄰位甲基以及兩個相鄰芳香族部分的相對并置所引起的幾何約束的共同作用，產(chǎn)生了兩種獨立的分子構象。尤其是在低溫下，兩種構象狀態(tài)的存在可使用二維交換譜（EXSY）來證明。本文利用變溫核磁共振實驗估算熱力學參數(shù)，通過分子力學計算進一步闡明與m-DBET和p

6、-DBET相比，o-DBET構象能譜更為復雜。2.材料和方法2.1合成所有化合物均購自Sigma Aldrich或MERCK，并且未經(jīng)進一步純化即直接使用。Ortho-DBET：N，N-二芐基-O-甲基苯甲酰胺：向鄰甲苯甲酸（2.08g，15.3mmol）的二氯甲烷（28mL）溶液中加入催化量的DMF（2滴）攪拌。將現(xiàn)蒸餾的亞硫酰氯（2.3mL，31.0mmol）加入燒瓶中，并將所得溶液溫和回流2小時。將反應混合物減壓濃縮，用溫水浴（55）除去過量的亞硫酰氯。將粗酰氯再溶于二氯甲烷（28mL）中，并在2-3分鐘內(nèi)滴加二芐胺（5.88mL，30.6mmol），滴加2-3分鐘（注：放熱，產(chǎn)生氣態(tài)H

7、Cl）。將溶液在室溫下攪拌過夜。用水（30mL），然后用5HCl（30mL）、10NaOH（30mL），最后用鹽水（30mL）洗滌有機層，并用無水Na2SO4干燥。將溶液過濾并減壓濃縮，得到顆粒狀的微黃色固體，然后溶解在少量的熱己烷中。使溶液冷卻，收集結晶并干燥，得到1.98g（總計41）純的N，N-二芐基-鄰甲苯甲酰胺。按照上述方法合成每種DEET類似物，根據(jù)實驗需要通過結晶（熱己烷）或柱色譜（10乙酸乙酯的己烷溶液和230-400目硅膠）進行純化。取每種樣品約10mg溶于CDCl3（總體積為600L）用于NMR實驗。通過首先使用液氮冷凍-融化技術以排出溶解的空氣/氧氣，然后使用小丁烷噴槍將

8、每個NMR管玻璃密封密封。2.2 NMR譜學測試所有的NMR實驗在400MHz（1H共振頻率）VNMRS光譜儀（Varian-Agilent）中進行，并使用單核磁共振探針進行實驗。探頭溫度用MeOH校準。探頭溫度從1變化到55（以3為梯度）。一維變溫實驗是在16個復雜點上物質(zhì)的瞬態(tài)上進行的，每個溫度下給予90°的脈沖。樣品在每個溫度下平衡20分鐘，在瞬態(tài)之間給予一個30s的弛豫延遲。利用WinDNMR來估測交換速率（kexs-1）。采用三點交換模型擬合o-DBET的變溫數(shù)據(jù)，采用雙點交換模型擬合m-DBET和p-DBET分子。在所有擬合中采用6Hz的恒定線寬度。在三點模型中假設第三個

9、旋轉(zhuǎn)到前兩個旋轉(zhuǎn)之間的交換緩慢。由于交換譜中上場部分自旋之間的化學位移重疊，有必要對o-DBET采用三點模型。通過Eyring分析估算活化能（K中交換速率與溫度的倒數(shù)）。二維交換光譜（EXSY）是在三個不同的溫度（1，25和55）下使用標準核歐佛豪瑟效應光譜（NOESY）脈沖序列按前述方法進行測量的。分子力學計算使用Avogadro作為兩個二面角的函數(shù)：a（C-C-C-O / Aromatic-CO）和b（O-C-N-C）。在5下，二面角a從-180°轉(zhuǎn)變到+180°。計算只能用于定性或至多半定量。對于計算出的每個a的值，在5時二面角b被改變了-180°到+180

10、°，產(chǎn)生了一個33×33的矩陣。3.結果圖1顯示了在1到51的溫度范圍內(nèi)鄰（o）、間（m）和對（p）- DBET分子的變溫核磁共振實驗結果。在低溫（1）時，m-DBET兩個位點亞甲基質(zhì)子化學交換的化學位移分別為5.45 ppm和5.15 ppm，在高溫（51）時達到中間交換區(qū)（圖1，m）。p-DBET也表現(xiàn)出類似的化學交換行為，低溫（1）時處于5.65ppm和5.38ppm，更高溫度（51）時有一個聚結的單峰，兩個不同的位點具有相似的化學交換行為（圖1，p）。在高溫（51）下，o-DBET分子出現(xiàn)寬共振（5.32ppm），表明存在中間交換和尖銳共振（4.77ppm），這與之

11、前在o-DEET中觀察到的第三種高能構象類似。降低溫度后，出現(xiàn)一個復雜的峰形（圖1，o）。當探頭溫度達到大約10以下時，除了低場共振（5.78ppm）的分裂之外，高場峰顯示出復雜的線形（以4.81ppm為中心）。圖1.變溫DNMR譜。（o）N,N-二芐基鄰甲苯甲酰胺（o-DBET，黑色），（m）N,N-二芐基-m-甲苯甲酰胺（m-DBET）中亞甲基質(zhì)子的NMR譜線形狀的溫度依賴性和 N,N-二乙基-間甲苯甲酰胺（m-DEET，紅色）和（p）N,N-二芐基-對甲苯甲酰胺（p-DBET，藍色）。每個分子從1記錄到51，梯度為2。二維交換譜（見圖2）顯示了1下混合時間為300 ms時o-DBET的兩

12、組不同的交換峰。實驗中采用兩組自旋系統(tǒng)（AX）2自旋系統(tǒng)（AX = 400.2Hz和JAX = 12Hz）和（AB）2自旋系統(tǒng)（AB = 56.2Hz和JAB = 16Hz）。這些NMR參數(shù)是通過在沒有化學交換的情況下模擬1D NMR譜來確定的（圖S1）。預計長時間的混合（300ms）會導致EXSY實驗中零量子相干性的影響顯著降低，測量溫度范圍內(nèi)溶劑粘度的影響（氯仿粘度在0下為0.699mPa·s，在 60下為0.389mPa·s）也是微不足道的。升高溫度改變了亞旋轉(zhuǎn)體系的動力學（圖1）。圖3顯示o-DBET（紅線）的變溫NMR實驗以及使用三點交換模型（黑線）擬合的結果。在

13、溫度低于11時，三點模型不能再現(xiàn)其線形（圖3）。相比之下，m-DBET和p-DBET譜圖的溫度依賴性遵循雙位點化學交換過程的特征。圖4顯示了o-DBET（黑色符號，三點模型），m-DBET（紅色符號，雙位點模型）和p-DBET的Eyring分析圖（In（kex/ T）vs. 1000 / T）DBET（藍色符號，雙位點模型）。使用線性擬合（95置信度預測區(qū)間繪制為圖4的虛線）來確定交換過程的活化焓（H）和活化熵（s）：o-DBET（H= 49.8±1.4kJ / mol和s= 3.8±0.1J / mol·K，R2為0.97），m-DBET（H= 85.8

14、7;1.5kJ / mol，s=4.8±0.9J / mol·K，R2為0.98）和p-DBET（H= 73.5±0.8kJ / mol，s= 4.5±0.5J / mol·K，R2為0.98）。圖2. N，N-二芐基對甲苯甲酰胺（o-DBET）在1下的二維交換譜（EXSY）。EXSY譜的亞甲基區(qū)域有兩種不同雙自旋系統(tǒng)的交換，用虛線方框標記。圖3. N，N-二芐基鄰甲苯甲酰胺（o-DBET）的線形分析。o-DBET的變溫一維核磁共振譜（紅線）適合于三點交換模型（黑線）。探針溫度和交換速率相應的擬合值在每個面板中標記。三點自旋交換模型不能在低于1

15、1的溫度下重現(xiàn)其線形。小峰是實驗中的不明雜質(zhì)產(chǎn)生的。圖4.對線形分析得出的反應速率與溫度（交換速率/溫度）數(shù)據(jù)進行交換速率的自然對數(shù)與溫度倒數(shù)之間的Eyring分析。黑色，紅色和藍色符號分別表示來自o-DBET，m-DBET和p-DBET的數(shù)據(jù)。實線表示線性最佳擬合曲線，虛線為相應的95置信度。對于所有三種DBET分子，定性的分子力學計算結果如圖S2所示，這些結果與兩個獨立的二面角a和b成函數(shù)關系。使用初始結構的高斯和二面角優(yōu)化的結構被任意分配為零（a，b = 0;圖S2的左下角）。o-DBET分子出現(xiàn)a和b接近270°的高能構象（圖S2的紅色部分，o），相應的低能量構象為120&#

16、176;±90°。而o-DBET中的b在高能構象中在-120°和270°之間。盡管三個分子之間的相對構象現(xiàn)象是相似的，但在o-DBET中，低能構象和高能構象之間的能量勢壘的半定量計算結果要高得多（a120°（270°）和b270°）。作為o-DBET二面角函數(shù)的構象能場中存在幾個高能量脊，這是由于環(huán)上的鄰甲基分子結構和相對龐大的苯環(huán)之間的復雜相互作用而產(chǎn)生。4.討論和結論在手性有機化合物的NMR譜中觀察到的化學位移的數(shù)量、形狀和多樣性的變化可以由有限的單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。受限旋轉(zhuǎn)減輕了引起阻轉(zhuǎn)異構（不具有手性中心的不可重疊的鏡像）

17、產(chǎn)生非對映異構性（不可重疊的，非鏡像立體異構體）的分子對稱性。常規(guī)的一維NMR譜不能檢測到兩種對映異構體或阻轉(zhuǎn)異構體（對映異構體或由旋轉(zhuǎn)受限引起的不可重疊的鏡像）的存在。然而，由于鍵轉(zhuǎn)動受限導致嚴重的對稱性改變可能產(chǎn)生具有不同化學位移的非對映質(zhì)子，這些化學位移可通過1D NMR譜檢測到。信號的數(shù)量越來越多、峰形的復雜性和多樣性的提高都是存在非對映質(zhì)子的跡象。變溫（VT）核磁共振研究是捕捉這一現(xiàn)象的理想之選，因為單鍵旋轉(zhuǎn)的程度隨溫度變化而成比例變化：低溫下亞甲基（CH2）基團的非對映性會在較高溫度下旋轉(zhuǎn)增加而損失。對于間位和對位的DBET分子，受限制的的酰胺旋轉(zhuǎn)與期望的雙位點交換機制吻合，隨著溫

18、度的升高而發(fā)生系統(tǒng)性地聚結（圖1）。相反，對于高溫下的o-DBET，核磁共振光譜類似于表觀三點交換，但降低樣品溫度（<10）表明在每組中存在兩組不同的群體（圖1）。這些子結構的聚集體并不相互作用，如EXSY譜中的交叉峰圖所示（圖2）。兩個獨立交換的自旋種類的最終能帶形狀可以擬合到（AX）2和（AB）2自旋系統(tǒng)中（圖S1）。 對于m-DBET和p-DBET，交換自旋之間的化學位移間隔（）大約為120Hz，而o-DBET對于弱耦合自旋對表現(xiàn)出的為400Hz，對應的強耦合自旋為56Hz（圖1和S1）。重要的是要注意自旋系統(tǒng)的譜峰積分與每個分子中質(zhì)子的總數(shù)吻合，而且所有分子中甲基（單重態(tài)）共振的相對化學位移（2