Статья: ЯМР-спектральные и структурные характеристики новых производных пиридоксина

ЯМР-спектральные и структурные характеристики новых производных пиридоксина

А.С. Тарасов, И.З. Рахматуллин, Ю.Г. Штырлин, В.В. Клочков

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Аннотация

Два новых производных пиридоксина были исследованы с применением спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения: одномерные методики спектроскопии ЯМР 'Н, двумерные методики ЯМР ¹Н-¹Н COSY, динамический 'Н ЯМР. Выполнен анализ формы линии полученных спектров и рассчитаны значения констант скорости обмена предполагаемых конформационных процессов по компьютерной программе WinDNMR. Определены термодинамические параметры, характеризующие переходы между наблюдаемыми конформерами, и типы конформационных процессов.

Ключевые слова: пиридоксин, динамический ЯМР, конформация, медицина, химический обмен

NMR-Spectral and Structural Characteristics of New Pyridoxine Derivatives

A.S. Tarasov , I.Z. Rakhmatullin , Yu.G. Shtyrlin , V.V. Klochkov Kazan Federal University, Kazan, 420008 Russia

Abstract ядерный магнитный резонанс пиридоксин

The relevance of the study is determined by the fact that in the last decade pyridoxine derivatives have been widely used for the synthesis of molecules with important biological and physical properties. However, synthesis of the compounds with desirable biochemical or physical properties often requires information about their spatial structure and conformational mobility. NMR spectroscopy is a powerful tool for conformational analysis of biologically important samples, such as pyridoxine derivatives, in solution.

Two new pyridoxine derivatives were studied using high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy: one-dimensional *H NMR spectroscopy, two-dimensional 'H-'H COSY NMR techniques, dynamic *H NMR. The lineshape analysis of obtained spectra was carried out and the values of rate constants of the exchange of assumed conformational processes were calculated in the WinDNMR computer program. The thermodynamic parameters characterizing the transitions between the observed conformers and the types of conformational processes are determined.

Based on the results of the study, the following conclusions were made. The studied compounds are involved into two types of conformational exchange processes: restricted rotations of the dinitro- phenyl fragment around the C₁₂-O bond and twist-twist interconversions of the seven-membered ring (for compound 1). Comparison of the obtained results shows that the dynamics of neighboring conformational processes have a significant effect on each other. It was established that the influence of the “twist” process in compound 1 leads to a decrease in the rotation barrier by 10 kJ/mol. This observation can be explained by the increased steric hindrance of the substituents raising the energy of the ground state, and thus lowering the activation energy barrier.

Keywords: pyridoxine, dynamic NMR, conformation, medicine, chemical exchange

Введение

В настоящее время активно ведутся исследования, посвященные созданию новых лекарственных соединений, в частности, на основе производных пиридоксина (витамина В6) и оценке их биологических свойств [1-5]. Неотъемлемой частью этих работ является установление механизмов взаимодействия лекарственных препаратов с их биологическими мишенями, поэтому прежде всего необходима информация о пространственной структуре исследуемых соединений и их конформационном составе, поскольку пространственное строение вещества определяет наличие у него биологической активности.

В качестве объектов исследования выбраны два вновь синтезированных производных пиридоксина (рис. 1). Эти соединения являются ключевыми кофер- ментами, вовлеченными в метаболизм с более чем сотней ферментов, и участвующие в процессе биосинтеза аминокислот, метаболизме углеводов, жирных кислот и липидов. Среди большого числа синтезированных производных пиридок- сина обнаружены вещества, проявляющие кардиопротекторную, ноотропную, антидепрессантную и другие виды активности [6-12]. Кроме того, производные пиридоксина, помимо основной эффективной биологической составляющей, активно тестируются при поиске преобразователей лазерного излучения [13]. Необходимо отметить, что они являются одними из немногих органических соединений, имеющими приложение в такой области. Однако при этом у исследователей также возникают вопросы по поводу объяснения таких необычных свойств у производных пиридоксина, для ответа на которые без исследования пространственной структуры изучаемых соединений не обойтись.

0₃М

Рис. 1. Структурные формулы производных пиридоксина: а) соединение 1; б) соединение 2

Целью настоящей работы является установление пространственного строения, внутримолекулярной подвижности и основных энергетических характеристик различных конформаций производных пиридоксина в конденсированной фазе (в растворе ацетона) с помощью методов спектроскопии ЯМР.

1. Экспериментальная часть

Исследуемые соединения 1 и 2 были синтезированы по методике, описанной в патенте [14], в лаборатории отдела медицинской химии НОЦ фармацевтики КФУ. Проведена пробоподготовка образцов в пятимиллиметровых ампулах, заключавшаяся в растворении исходных порошкообразных веществ в дей- терированном растворителе (ацетон-<ф). Рабочие концентрации веществ составляли 0.5 мас. %, объем раствора - 0.6 мл. Все ЯМР-эксперименты проводились на спектрометре AVANCE III-700 фирмы Bruker. Расшифровка спектров проводилась в стандартной компьютерной программе TOPSPIN. Данные 'Н ЯМР были собраны с 32k комплексных точек данных. Спектры 'Н ЯМР регистрировали с использованием 90°-ных импульсов, задержки между импульсами составляли 2 с, ширины спектра 10 м.д. и число накоплений - 100. Точность определения химических сдвигов составляла не менее 0.01 м.д. Регистрация динамических 'Н ЯМР спектров проводилась с вариацией температуры в диапазоне: -80 °С...+30 °С с шагом 10 °С. Контролирование температуры проводилось с помощью температурного датчика BVT-2000 фирмы Bruker в сочетании с блоком охлаждения BCU-05 для подачи охлажденного газа. Образец охлаждали потоком низкотемпературного газообразного азота из сосуда Дьюара с жидким азотом объемом 25 л. Эксперименты проводили без вращения образца. Анализ формы линии проводили с помощью программы WinDNMR [15]. Энергетический барьер AG^ конформационного процесса был рассчитан с помощью уравнения Эйринга [16]:

AG*=AH *- TAS*,(1)

ln(k / T) = -AH * / RT + AS * / R + \n(k_B/ h),(2)

где AH и AS - активационная энтальпия и энтропия, соответственно, T - температура в градусах Кельвина, R - универсальная газовая постоянная, k_B- константа Больцмана, h- константа Планка. Значения AG^ были рассчитаны для температуры 203 К. Погрешность определения свободной энергии активации ДG^ составляла менее 1кДж/моль.

2. Результаты и их обсуждение

На рис. 2 и 3 представлены спектры ЯМР 'Н (700 МГц) соединений 1 и 2, соответственно. В табл. 1 и 2 приведены значения химических сдвигов ЯМР 'Н и константы спин-спинового взаимодействия исследуемых соединений 1 и 2.

Рис. 2. 'Н ЯМР-спектр соединения 1 в растворе ацетона при температуре 300 К, * - сигналы растворителя и примесей

Рис. 3. 'Н ЯМР-спектр соединения 2 в растворе ацетона при температуре 300 К, * - сигналы растворителя и примесей

Табл. 1

Химические сдвиги ЯМР 'Н и константы спин-спинового взаимодействия (I) соединения 1 в растворе ацетона при температуре 300 К

Табл. 2

Химические сдвиги ЯМР 'Н и константы спин-спинового взаимодействия (I) соединения 2 в растворе ацетона при температуре 300 К

Наблюдаемые линии в спектрах 'Н ЯМР соединений 1 и 2 были соотнесены с помощью двумерной методики ЯМР COSY, по которой могут быть идентифицированы корреляции между близлежащими протонами через 1-2 химические связи [17-19].

Как видно из рис. 2, что протоны динитрофенильного фрагмента изучаемой нами молекулы 17, 19, 20 вместе с единственным протоном пиридинового основания 9 резонируют в слабых полях (в левой части спектра), а протоны метиль- ной группы 13 и метиленовых групп циклогексанового заместителя - в сильных полях (справа). Причем сигналы 8 и 24, а также 21 и 23 оказались эквивалентными, что приводит к совпадению их химических сдвигов. Сигналы СН₂ групп 4 и 7 при комнатной температуре имеют химические сдвиги в районе 5 м.д. Необходимо также отметить, что наблюдается достаточно сильное уширение формы линии сигнала протонов СН₂-7 уже при комнатной температуре. Это можно объяснить их более близким по сравнению с протонами СН₂-4 пространственным расположением к предполагаемому вращению динитрофенильного фрагмента молекулы. Почти над каждым сигналом приведены их расширенные области, чтобы показать их расщепление, связанное со спин- спиновым взаимодействием.

У сигналов от одиночных протонов динитрофенильного фрагмента наблюдаются расщепления (дублет и дублет дублетов), связанные с их спин -спиновым взаимодействием друг с другом. Например, сигнал 19-го протона представлен на спектре в форме дублета дублетов, сформированного за счет спин-спинового взаимодействия с 20-м и 17-м протонами, с большей (9.5 Гц) и меньшей (2.5 Гц) константами соответственно.

Проведено исследование соединения 2 (рис. 3). Если произвести сравнение протонных спектров обоих соединений при комнатной температуре, то можно заметить несколько отличий. Первое отличие связано с наличием сигнала протона СН-2 в области сигналов 4 и 7 в соединении 2. Он резонирует в форме триплета, поскольку рядом находится группа СН₂-8. Следующее отличие состоит в небольшом сдвиге влево метиленовых протонов заместителя в соединении 1, который можно объяснить наличием дополнительных экранирующих кольцевых токов в циклической конфигурации заместителя по сравнению с цепочечным заместителем в соединении 2.

Форма сигнала СН₂-7 для соединения 2 аналогично уширена по причине, о которой говорилось выше, а форма СН₂-4 - АВ-квадруплет. Известно [20], что АВ-квадруплет - это нормальная форма для такого типа протонов в семичленном цикле, если нет никаких внутримолекулярных обменных или конформаци- онных процессов. В то же время для соединения 1 вместо АВ-квадруплета наблюдается немного уширенная синглетная линия. Отсюда можно сделать вывод, что для соединения 1 наблюдается конформационный процесс, который затрагивает семичленный цикл, состоящий во взаимопревращениях семичленного цикла твист-твист [21-25].