Диссертация (Пространственное строение и внутримолекулярная динамика модифицированных аналогов стероидных гормонов на основе данных спектроскопии ЯМР), страница 14

б) –Сигнал протона 7β для стероидов (1б) и (1а), на которых показана константа 3J7β-8α. Шкалаδ(1Н) соответствует спектру стероида (1б).При этом протон 7β из псевдоаксиальной ориентации в основном конформере (А), вкотором r7β-15β(A) = 3.36 Å, переходит в псевдоэкваториальное положение в минорномконформере (В). Это приводит к значительному уменьшению расстояния r7β-15β(В), которое вминорной конформации (В) по данным метода РМ3 составляет всего 2.37 Å. Посколькунаблюдаемое расстояние <r7β-15β(ЯЭО)> = 2.9 Å, то используя приведенные выше граничныезначения этого расстояния в конформерах (А) и (В) можно сделать оценку населенностиминорного конформера РВ с помощью нелинейной зависимости <r7β-15β> = ƒ(РВ), котораяпоказана на рисунке 2-8.62Рис. 2-8.

Использование зависимости наблюдаемого в условиях быстрого конформационного обмена межпротонного расстояния<r7β-15β> = ƒ(РВ) для оценки населенности минорного конформера стероида (1б). Доверительный интервал, определяемый экспериментальной погрешностью ±5% измерения<r7β-15β>, показан пунктиром. Таким образом, населенность минорного конформера РВ составляет около 19%. Этавеличина определена с довольно большой погрешностью (∆РВ), которую из-за нелинейногохарактера зависимости <r7β-15β> = ƒ(РВ) можно записать следующим образом: ΔРВ = (+12,-8)%.Следовательно, доверительный интервал составляет от 11 до 31% и определяется какпогрешностью экспериментального измерения расстояния r7β-15β калибровочным методом, таки точностью расчетных значений этих расстояний в конформерах (А) и (В).

Использованная вданном случае экспериментальная погрешность ±5% является завышенной, посколькуразличие полярных углов измеряемого и эталонного расстояний составляет всего около 20°.Существование конформационного равновесия в стероиде (1б) может быть доказанодругими независимыми способами.Например, полуэмпирические расчеты методом РМ3показывают, что конформер (В) на 1.5 ккал/моль энергетически менее выгоден по сравнениюс доминирующей конформером (А). Такое различие в энергиях согласно Больцмановскомураспределению дает при комнатной температуре около 7% для величины РВ.Другая возможность доказательства существования в растворе стероида (1б) минорногоконформера (В) связана с корректным объяснением уменьшения на 1.7 Гц вицинальнойконстанты 3J7β-8α(10.3 Гц) в этом стероиде по сравнению с ее значением 12.0 Гц длястероидов (1а) и (1в).

При этом все другие вицинальные константы для стероида (1б) впределах погрешности измерений остаются практически неизменными и соответствуютзначениям, приведенным на схеме связывания (Рис. 2-3Б). Прежде чем перейти к такомудоказательству необходимо сопоставить между собой значения экспериментальных ивычисленных вицинальных констант и торсионных углов, чтобы получить представление обуровне их соответствия между собой. Полученные результаты для 17-ти экспериментальныхи расчетных вицинальных констант и соответствующих им торсионных углов в виде Δ3Jij =3Jрасч - 3Jэксп и Δθij= θЯМР - θРМ3 приведены в приложении П2 (Табл. П2-3) и в видекорреляционных зависимостей показаны на рисунке 2-9.63Рис.

2-9. Корреляционные зависимости между расчетными (РМ3) и экспериментальными(ЯМР) абсолютными (а, в) и относительными (б) торсионными углами θ (град) и вицинальными константами 3J (Гц) для стероидов (1). N – соответствует порядковому номерупар вицинальных протонов в табл. П2-3) ● – значения для протонов кольца D; ○ – значениядля всех других протонов.Из приведенных корреляционных зависимостей видно, что наибольшие расхождения какдля констант 3J, так и для углов θ наблюдаются для пар вицинальных протонов 15α-16α, 15α16β, 15β-16α и 15β-16β пятичленного кольца D (на рисунке 2-9 в графиках (a) и (б) эти данныевыделены с помощью ●). Причины более сильных расхождений в кольце D очевидны: вкарплусовскойзависимостипоявляетсядополнительныйфактор,связанныйснапряженностью пятичленного кольца и, соответственно, с изменением валентных углов Н‒С‒С по сравнению с циклогексановым кольцом.

К сожалению, использованная модификациякарплусовской зависимости [91] не позволяет учесть этот фактор, что и приводит кзначительному расхождению экспериментальных и расчетных данных: до 2.76 Гц для 3J15β-16βи до 17.6° для θ15β-16β (Рис. 2-9б). В результате общая корреляция по всему набору данных (n =17) невысока: среднее квадратичное отклонение (параметр sd) для вицинальных константсоставляет 1.14 Гц, а для торсионных углов – 6.7°. При этом коэффициенты корреляции r дляконстант 3J и углов θ равны, соответственно, 0.959 и 0.998.

Поскольку вычисления 3J и θмежду протонами кольца D по указанным выше причинам являются некорректными, то послеих выведения из базы данных наблюдается (Рис. 2-9в) значительное улучшение соответствиямежду расчетными и экспериментальными результатами как для вицинальных констант (r =0.986; sd = 0.76 Гц), так и для торсионных углов (r = 0.999; sd = 4.6°).64Сравнение значений 3J7β-8α и θ7β-8α для стероидов (1а), (1в) и для стероида (1б) позволяетсделать предположение о том, что различие их экспериментальных значений 3J7β-8α, равное 1.7Гц, может быть обусловлено влиянием электроотрицательности α-метильного заместителя вположении 7.

Сопоставление расчетных значений 3J7β-8α для стероидов (1а, в) ‒ 11.35 Гц и длястероида (1б) – 10.55 Гц, показывает, что эффект метильной группы может дать уменьшение3J7β-8α только на 0.8 Гц. Следовательно, дополнительное уменьшение скалярной константы 3J7β-8αв стероиде (1б) на ~0.9 Гц должно быть связано с уменьшением торсионного угла θ7β-8α до138.5° при образовании минорного конформера (В). Поскольку расчетное значение 3J7β-8α(В) =7.35 Гц, то вклад конформера (В), населенность которого составляет ~7%, в уменьшениенаблюдаемой скалярной константы <3J7β-8α> не должен превышать ~0.3 Гц (∆J • 0.07 = 3.2 Гц •0.07 = 0.224 Гц).

Эта величина, по крайней мере, в три раза меньше, чем наблюдаемоеуменьшение на 0.9 Гц константы <3J7β-8α>. Поэтому, если предположить, что действительноезначение константы в конформере (А) стероида (1б) 3J7β-8α(1б,А) = 11.2 Гц, то населенностьминорного конформера (В) при комнатной температуре должна составлять 23.4%. Конечно,такая оценка конформационного состава стероида (1б) не претендует на высокую точность, ноона вполне соответствует населенности конформера (В), полученной на основании ЯЭО.Температурная зависимость константы <3J7β-8α>позволила получить следующие оценкитермодинамических параметров: ∆Н = (0.40 ± 0.02) ккал.моль-1, ∆S = (-0.97±0.08) кал.моль.1град.-1, ∆E(293°) = (0.68 ± 0.03) ккал.моль.-1 (см.

график зависимости lnK = f(103/T) на рис. П2-1в приложении П2).Таким образом, представленные данные по измерению скалярных (3J) и прямых (ЯЭО)диполь-дипольных взаимодействий для стероида (1б) свидетельствуют о его существовании врастворе в виде быстрого в шкале времени ЯМР конформационного равновесия, связанного спсевдовращением вокруг связи О6‒С7, в результате которого ориентация 7α-метильнойгруппы меняется между псевдоэкваториальным и псевдоаксиальным положением. Оценкиконформационного состава этой молекулы двумя независимыми способами (на основеизмерений ЯЭО и 3JH-H) дают сопоставимые результаты, которые незначительно отличаются отданных, полученных на основе полуэмпирических расчетов, в сторону увеличения доликонформера (В) с псевдоаксиальной ориентацией 7α-метильной группы.Согласно расчетным данным по оптимизации геометрии стероидных молекул (2),имеющих 17β-ацетоксигруппу, их пространственное строение имеет лишь незначительныеотличия от соответствующих стероидов (1) с карбонильной группой в положении 17.

Этиотличия связаны с небольшим изменением геометрии пятичленного кольца D, а конформацияколец В и С при переходе от стероидов (1) к стероидам (2) остается практически неизменной.65Для сравнения на рисунке 2-10 показано пространственное строение кольца D в стероидах (1а)и (2а) и приведены значения торсионных углов в этановом фрагменте С15Н2-С16Н2.Рис.

2-10. Пространственное строение кольца D в стероидах (1a) и (2a). Показаныньюменовские проекции по связи С15-С16 и торсионные углы 15β-С15-С16-16β, 15α-С15-С16-16β.Можно ожидать, что структурное различие при атоме С17 и соответствующиеконформационные изменения будут сопровождаться не только различиями химическихсдвигов протонов и углеродных атомов кольца D, но и отразится на величинах скалярныхвзаимодействий 3JH-H, характеризующих его геометрию. Следует также отметить, что вспектральном отношении стероиды (2) по сравнению с (1) обладают дополнительным важнымпреимуществом, связанным с появлением в спектре ЯМР 1Н характерного сигнала протона17α (δ17α(2а) = 4.63 м.д.), скалярное и пространственное взаимодействие с которым другихмагнитных ядер дает дополнительную информацию о строении стероидов (2)6.По сравнению со стероидами (1) при идентификации сигналов в спектрах ЯМР 1Нстероидов (2) было обнаружено характерное изменение на противоположное относительногоположения сигналов протонов при атоме С16: δ16α > δ16β.

Для пространственной (α- или β-)идентификации сигналов этих протонов использовалось наличие как скалярного (3J16α-17α = 9.0Гц), так и пространственного (ЯЭО) взаимодействий между протонами 16α и 17α. В то жевремя для протона 16β характерно только скалярное взаимодействие с протоном 17α cконстантой 3J16β-17α = 7.9 Гц. На рисунке 2-11а приведена мультиплетная структура сигналапротона 16α в спектре ЯМР1Н стероида (2a), которая наглядно свидетельствуют осущественном изменении набора его скалярных взаимодействий по сравнению со стероидом(1a) и, следовательно, об изменении конформации кольца D.

В то же время мультиплетная                                                            6Определение межпротонных расстояний на примере стероида (2а) подробно обсуждалось в главе 1 в связи свлиянием анизотропии общего диффузионного движения на точность их оценок с помощью ЯЭО (См. рис. 15, 1-6 для стероида (V) и таблицу П2-4 в приложении П2).66структура сигнала протона 8α (рис. 2-2б) в спектрах ЯМР 1Н стероидов (2) практическисовпадает со структурой этого сигнала для стероидов (1) и, следовательно, указывает наблизкое пространственное строение колец В и С сравниваемых стероидов.Рис. 2-11.