На рис. 4 показано, как меняется форма линии 17-го, 19-го и 20-го сигналов соединения 1 при варьировании температуры раствора с шагом 10 °С.
При низкой температуре чётко видно удвоение сигналов. Из опыта предыдущих исследований [21, 22], наблюдаемое удвоение сигналов можно объяснить наличием процесса заторможенного вращения динитрофенильного фрагмента вокруг связи С12-кислород. Другими словами, две отдельно наблюдаемые линии в спектре при температуре -80 °С соответствуют двум конформе- рам вращения, которые удалось зафиксировать в шкале ЯМР. Отсюда можно сделать вывод, что при комнатной температуре этот процесс вращения также происходит, но время его протекания настолько короткое в шкале ЯМР, что видна лишь одна усреднённая узкая линия в случае синглетного сигнала или две узкие линии в случае дуплетного сигнала.
Интерес представляет динамика других сигналов соединения 1 (рис. 5).
Относительно сигнала метильной группы 13 наблюдается также удвоение линий. Произошло наложение и уширение сигналов метиленовых протонов заместителя, что затрудняет получение полезной информации. Однако анализ поведения сигналов 4 и 7 дает интересные результаты. В отсутствие обменных процессов формы линий данных сигналов должны быть АВ-квадруплетами, но при комнатной температуре наблюдается уширение сигналов, свидетельствующее о наличии конформационного процесса. Далее, при снижении температуры, начинает проявлять себя и второй процесс. В теории подсчет количества получившихся сигналов от этих протонов при низкой температуре должен давать 32 линии. Однакона практике наблюдается меньшее количество из-за наложения и уширения линий. Это можно объяснить следующим образом. Если протоны СН2 - 4, 7, являясь АВ-квадруплетами, в чистом виде дают по 4 линии, то есть в сумме 8. Далее, действие первого конформационного процесса приводит к удвоению этих 8 сигналов, то есть получается 16. А действие второго конформационного процесса, приводит ещё раз к удвоению этих 16 линий. В итоге количество линий для данной системы протонов при наличии двух одновременных конформаци- онных процессов оказывается равным 32. Поскольку для данных молекул, кроме процесса вращения, второй процесс - это не что иное, как процесс взаимопревращения семичленного цикла твист-твист, можно прийти к выводу, что для системы протонов 4 и 7 в соединении 1 происходят одновременно оба ожидаемых вышеупомянутых конформационных процесса.
Рассмотрим динамику формы линии сигналов соединения 2 (рис. 6).
Рис. 4. Фрагменты :Н ЯМР-спектров соединения 1 (сигналы СН - 17, 19, 9, 20) при температурах -80 °С...+30 °С
Рис. 5. Фрагменты 1Н ЯМР-спектров соединения 1 (сигналы СН2 - 4, 7, СН3 - 13, СН2 - 8, 24, 21 ,23, 22) при температурах -80 °С...+30 °С
Рис. 6. Фрагменты :Н ЯМР-спектров соединения 2 (сигналы СН - 17, 19, 9, 20, 2, СН2 - 4, 7) при температурах -80 °С.. .+30 °С
В данном случае также заметно удвоение сигналов 17, 19, 20, уширение сигнала 9 и всего лишь однократное удвоение сигналов 2, 4 и 7. Причём это удвоение происходит при более высоких температурах, чем в соединении 1 - в районе -10 °С .-20 °С, то есть коалесценция сигналов происходит в районе 0 °С. А дальше, при охлаждении, удвоение сигналов становится плохо заметным из-за уширения линий.
Таким образом, для соединения 2 из анализа формы линии сигналов 4, 7 не удалось увидеть проявление второго конформационного процесса - твист-твист. Максимум, что здесь может наблюдаться, - это 16 линий, то есть однократное удвоение сигналов метиленовых протонов 4 и 7. Видимо, такая конфигурация молекулы с цепочечным заместителем затрудняет осуществление второго ожидаемого конформационного процесса.
Рис. 7. Анализ формы линии сигналов СН3-13 соединений 1 и 2 и константы скорости обмена (к) при различных температурах
Рис. 8. Зависимость константы скорости обмена от температуры для сигналов СН3-13 соединений 1 и 2
Кроме того, был выполнен анализ формы линии удваивавшихся при низких температурах сигналов. В компьютерной программе WinDNMR путём сравнения фрагментов экспериментального и симулированного спектров при различных температурах были получены константы скорости обмена наблюдаемого конформационного процесса для обоих соединений (рис. 7 - на примере сигнала метильной группы 13). Затем, проанализировав зависимость полученных констант от температуры с помощью уравнения Эйринга, были определены свободные энергии активации изучаемых конформационных процессов (рис. 8).
Таким образом, были получены энергетические барьеры А G'^, соответствующие процессам вращения динитрофенильных фрагментов исследуемых молекул: 42.1 (для соединения 1) и 51.0 кДж/моль (для соединения 2) (рис. 9).
Рис. 9. Схематическое представление внутримолекулярных конформационных процессов и энергии активации процесса вращения динитрофенильного фрагмента вокруг С-О- связи в соединениях 1 и 2
Значение АG'^ для соединения 2 (51.0 кДж/моль) хорошо согласуется со значениями ранее изученных ацетальных производных пиридоксина [21], причем в динамических спектрах последних не наблюдалось проявление второго процесса - твист-твист. Значение энергии соединения 1, равное 42.1 кДж/моль, хорошо согласуется со значениями для вращения подобного динитрофенильного ротора ранее изученных кетальных соединений [22]. В этом случае наблюдалось проявление и второго процесса.
Сравнение полученных результатов показывает, что динамика соседних конформационных процессов оказывает значительное влияние друг на друга. Установлено, что влияние «твист» процесса в соединении 1 приводит к снижению барьера вращения примерно на 10 кДж/моль.
Литература
1. Shtyrlin N.V., Lodochnikova O.A., Shtyrlin Y.G. Regioisomeric oximes and thiosemi- carbazones derived from 6-substituted pyridoxines // Mendeleev Commun. - 2012. - V. 22, No 3. - P. 169-170. - doi: 10.1016/j.mencom.2012.05.021.
2. Pugachev M.V., Shtyrlin N.V., Sysoeva L.P., Nikitina E.V., Abdullin T.I., Iksanova A.G., Ilaeva A.A., MusinR.Z., BerdnikovE.A., Shtyrlin Y.G. Synthesis and antibacterial activity of novel phosphonium salts on the basis of pyridoxine // Bioorg. Med. Chem. - 2013. - V. 21, No 14. - P. 4388-4395. - doi: 10.1016/j.bmc.2013.04.051.
3. Ziganshin A.U., Kalinina O.S., Strelnik A.D., Garipov M.R., Koshkin S.A., Ziganshina L.E., Shtyrlin Y.G. Antagonistic properties of new non-phosphorylated derivatives of nitrogen- containing heterocycles towards P2 receptors // Int. J. Pharmacol. - 2015. - V. 11, No 4. - P. 400-404. - doi: 10.3923/iup.2015.400.404.
4. Kayumov A.R., Nureeva A.A., Trizna E.Y., Gazizova G.R., Bogachev M.I., Shtyrlin N.V., Pugachev M.V., Sapozhnikov S.V., Shtyrlin Y.G. New derivatives of pyridoxine exhibit high antibacterial activity against biofilm-embedded staphylococcus cells // BioMed. Res. Int. - 2015. - V. 2015. - Art. 890968. - P. 1-10. - doi: 10.1155/2015/890968.
5. Strelnik A.D., Petukhov A.S., Zueva I.V., Zobov V.V., Petrov K.A., Nikolsky E.E., Bala- kin K.V., Bachurin S.O., Shtyrlin Y.G. Novel potent pyridoxine-based inhibitors of AChE and BChE, structural analogs of pyridostigmine, with improved in vivo safety profile // Bioorg. Med. Chem. Lett. - 2016. - V. 26, No 16. - P. 4092-4094. - doi: 10.1016/j.bmcl.2016.06.070.
6. Wilson R.G., Davis R.E. Clinical chemistry of vitamin B6// Adv. Clin. Chem. - 1983. - V. 23. - P. 1-68. - doi: 10.1016/s0065-2423(08)60397-2.
7. Kelly P.J., Shih V.E., Kistler J.P., Barron M., Lee H., Mandell R., Karen L. Low vitamin B6 but not homocyst(e)ine is associated with increased risk of stroke and transient ischemic attack in the era of folic acid grain fortification // Stroke. - 2003. - V. 34, No 6. - P. e51-e54. - doi: 10.1161/01.STR.0000071109.23410.AB.
8. Robinson K., Arheart K., Refsum H., Brattstrum L., Boers G., Ueland P., Rubba P., Palma-Reis R., Meleady R., Daly L., Witteman J., Graham I. Low circulating folate and vitamin B12 concentrations // Circulation. - 1998. - V. 97, No 5. - P. 437-443. - doi: 10.1161/01.cir.97.5.437.
9. Wilmink A.B., Welch A.A., Quick C.R., Burns P.J., Hubbard C.S., Bradbury A.W., Day N.E. Dietary folate and vitamin B12 are independent predictors of peripheral arterial occlusive disease // J. Vasc. Surg. - 2004. - V. 39, No 3. - P. 513-516. - doi: 10.1016/j.jvs.2003.09.046.
10. Петухов А.С. Синтез, пространственная структура и свойства семичленных ацеталей пиридоксина: Дис. ... канд. хим. наук. - Казань, 2004. - 178 с.
11. Petrov K.A., Malomouzh A.I., Kovyazina I. V., Krejci E., Nikitashina A.D., Prosku- rina S.E., Zobov V. V., Nikolsky E.E. Regulation of acetylcholinesterase activity by nitric oxide in rat neuromuscular junction via N-methyl-D-aspartate receptor activation // Eur.
J.Neurosci. - 2013. - V. 37, No 2. - P. 181-189. - doi: 10.1111/ejn.12029.
12. Nikitashina A.D., Petrov K.A., Zobov V.V., Reznik V.S., Nikol'skii E.E. Specific inhibitory effects of the alkylammonium derivative 6-methyluracil on acetylcholinesterase of smooth and striated muscles in rats // Dokl. Biol. Sci. - 2013. - V. 449, No 1. - P. 82-84. - doi: 10.1134/S0012496613020099.
13. Strel'nikA.D., GaripovM.R., PetukhovA.S., ShtyrlinN.V., LodochnikovaО.А., Litvi
nov I.A., Naumov A.K., Morozov O.A., Klimovitskii A.E., Shtyrlin Yu.G. Structural and spectral characterization of novel non-centrosymmetric 2,4-dintrobenzene derivative // Spectrochim. Acta, Part A - 2014.- V. 117.- P. 793-797.- doi:
10.1016/j.saa.2013.09.092.
14. Пат. № 2501801 РФ. Производные пиридоксина с нелинейными оптическими свойствами / Ю.Г. Штырлин, А.Д. Стрельник, А.С. Петухов, М.Р. Гарипов, Н.В. Штырлин,
О.А. Лодочникова, И.А. Литвинов, О.А. Морозов, А.В. Ловчев. - № 2012146034/04; заявл. 19.10.2012; опубл. 20.12.13, Бюл. № 35. - 11 c.
15. Hans J.Simulating NMR Spectra with WINDNMR-Pro. - URL:https://
www.chem.wisc.edu/areas/reich/plt/windnmr.htm.
16. Sidney W., Benson S. The Foundations of Chemical Kinetics. - N. Y.: McGraw-Hill, 1960. - xvii+703 p.
17. Khodov I.A., Efimov S.V., Klochkov V.V., Alper G.A., Batista de Carvalho L.A.E. Determination of preferred conformations of ibuprofen in chloroform by 2D NOE spectroscopy // Eur. J. Pharm. Sci. - 2014. - V. 65. - P. 65-73. - doi: 10.1016/j.ejps.2014.08.005.
18. Khodov I.A., Nikiforov M.Yu., Alper G.A., Blokhin D.S., Efimov S.V., Klochkov V.V., Georgi N. Spatial structure of felodipine dissolved in DMSO by 1D NOE and 2D NOESY NMR spectroscopy // J. Mol. Struct. - 2013. - V. 1035. - P. 358-362. - doi: 10.1016/j.molstruc.2012.11.040.
19. Blokhin D.S., Efimov S.V., Klochkov A.V., Yulmetov A.R., Filippov A.V., Antzutkin O.N., AganovA.V., Klochkov V.V. Spatial structure of the decapeptide Val-Ile-Lys-Lys-Ser-Thr-
Ala-Leu-Leu-Gly in water and in a complex with sodium dodecyl sulfate micelles // Appl. Magn. Reson. - 2011. - V. 41, Nos 2-4. - P. 267-282. - doi: 10.1007/s00723-011-0257-x.
20. AganovA.V., Klochkov V.V., Samitov Yu.Yu. New aspects of NMR application for investigations of chemical-exchange processes // Russ. Chem. Rev. - 1985. - V. 54, No 10. - P. 931-947.
21. Rakhmatullin I.Z., Galiullina L.F., Garipov M.R., Strel'nik A.D., Shtyrlin Y.G., Klochkov V.V. Dynamic NMR study of cyclic derivatives of pyridoxine // Magn. Reson. Chem. -
2013. - V. 52. - P. 769-778. - doi: 10.1002/mrc.4123.
22. Rakhmatullin I.Z., Galiullina L.F., Garipov M.R., Strel'nik A.D., Shtyrlin Y.G., Klochkov V.V. Dynamic NMR study of dinitrophenyl derivatives of seven-membered cyclic ketals of pyridoxine // Magn. Reson. Chem. - 2015. - V. 53. - P. 805-812. - doi: 10.1002/mrc.4251.
23. Rakhmatullin I.Z., Galiullina L.F., Garipov M.R., Strel'nik A.D., Shtyrlin Y.G., Klochkov V.V.'ИNMR characterization of two new pyridoxine derivatives // BioNanoScience - 2016. - V. 6, No 3. - P. 243-245. - doi: 10.1007/s12668-016-0214-0.
24. Rakhmatullin I.Z., Galiullina L.F., Balandina A.A., GaripovM.R., Strel'nikA.D., Galiul- linaA.S., Shtyrlin Y.G., Klochkov V.V. Stereodynamics of some pyridoxine derivatives // Magn. Reson. Chem. - 2017. - V. 55, No 4. - P. 304-311. - doi: 10.1002/mrc.4528.
25. Rakhmatullin I.Z., Galiullina L.F., Balandina A.A., Karataeva F.K., Shtyrlin Y.G., Klochkov V. V. Spatial structure and conformational mobility of seven-membered cyclic acetals and ketals containing pyridoxine moiety in solution by NMR methods // BioNanoScience. - 2018. - V. 8, No 4. - P. 963-970. - doi: 10.1007/s12668-018-0562-z.
Figure Captions
Fig. 1. The structural formulas of pyridoxine derivatives: a) compound 1; b) compound 2.
Fig. 2. *H NMR spectrum of compound 1 in acetone solution at a temperature of 300 K, * - signals from the solvent and impurities.
Fig. 3. *H NMR spectrum of compound 2 in an acetone solution at a temperature of 300 K, * - signals from the solvent and impurities.
Fig. 4. The fragments of *H NMR spectra of compound 1 (signals CH - 17, 19, 9, 20) at temperatures of -80 °C...+30 °C.
Fig. 5. The fragments of *H NMR spectra of compound 1 (signals CH2 - 4, 7, CH3-13, CH2 - 8, 24, 21, 23, 22) at temperatures of -80 °C.+30 °C.
Fig. 6. The fragments of *H NMR spectra of compound 2 (signals CH -17, 19, 9, 20, 2, CH2 - 4, 7) at temperatures of -80 °C.+30 °C.
Fig. 7. The lineshape analysis of the signals CH3-13 of compounds 1 and 2 and exchange rate constants (k) at various temperatures.
Fig. 8. The dependences of exchange rate constants on temperatures for signals CH3-13 of compounds 1 and 2.
Fig. 9. Schematic representation of the intramolecular conformational processes and the activation energy of the process of rotation of the dinitrophenyl fragment around the C-O bond in compounds 1 and 2.
References
1. Shtyrlin N.V., Lodochnikova O.A., Shtyrlin Y.G. Regioisomeric oximes and thiosemicarbazones derived from 6-substituted pyridoxines. Mendeleev Commun., 2012, vol. 22, no. 3, pp. 169-170. doi: 10.1016/j.mencom.2012.05.021.
2. Pugachev M.V., Shtyrlin N.V., Sysoeva L.P., Nikitina E.V., Abdullin T.I., Iksanova A.G., Ilaeva A.A., Musin R.Z., Berdnikov E.A., Shtyrlin Y.G. Synthesis and antibacterial activity of novel phosphonium salts on the basis of pyridoxine. Bioorg. Med. Chem., 2013, vol. 21, no. 14, pp. 4388-4395. doi: 10.1016/j.bmc.2013.04.051.
3. Ziganshin A.U., Kalinina O.S., Strelnik A.D., Garipov M.R., Koshkin S.A., Ziganshina L.E., Shtyrlin Y.G. Antagonistic properties of new non-phosphorylated derivatives of nitrogen- containing heterocycles towards P2 receptors. Int. J. Pharmacol., 2015, vol. 11, no. 4, pp. 400-404. doi: 10.3923/iup.2015.400.404.
4. Kayumov A.R., Nureeva A.A., Trizna E.Y., Gazizova G.R., Bogachev M.I., Shtyrlin N.V., Pugachev M.V., Sapozhnikov S.V., Shtyrlin Y.G. New derivatives of pyridoxine exhibit high antibacterial activity against biofilm-embedded staphylococcus cells. BioMed. Res. Int., 2015, vol. 2015, art. 890968, pp. 1-10. doi: 10.1155/2015/890968.
5. Strelnik A.D., Petukhov A.S., Zueva I.V., Zobov V.V., Petrov K.A., Nikolsky E.E., Balakin K.V., Bachurin S.O., Shtyrlin Y.G. Novel potent pyridoxine-based inhibitors of AChE and BChE, structural analogs of pyridostigmine, with improved in vivo safety profile. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2016, vol. 26, no. 16, pp. 4092-4094. doi: 10.1016/j.bmcl.2016.06.070.
6. Wilson R.G., Davis R.E. Clinical chemistry of vitamin B6. Adv. Clin. Chem., 1983, vol. 23, pp. 1-68. doi: 10.1016/s0065-2423(08)60397-2.
7. Kelly P.J., Shih V.E., Kistler J.P., Barron M., Lee H., Mandell R., Karen L. Low vitamin B6 but not homocyst(e)ine is associated with increased risk of stroke and transient ischemic attack in the era of folic acid grain fortification. Stroke, 2003, vol. 34, no. 6, pp. e51-e54. doi: 10.1161/01.STR.0000071109.23410.AB.
8. Robinson K., Arheart K., Refsum H., Brattstrum L., Boers G., Ueland P., Rubba P., Palma-Reis R., Meleady R., Daly L., Witteman J., Graham I. Low circulating folate and vitamin B12 concentrations. Circulation, 1998, vol. 97, no. 5, pp. 437-443. doi: 10.1161/01 .cir.97.5.437.
9. Wilmink A.B., Welch A.A., Quick C.R., Burns P.J., Hubbard C.S., Bradbury A.W., Day N.E. Dietary folate and vitamin B12 are independent predictors of peripheral arterial occlusive disease. J. Vasc. Surg., 2004, vol. 39, no. 3, pp. 513-516. doi: 10.1016/j.jvs.2003.09.046.
10. Petukhov A.S. Synthesis, spatial structure, and properties of seven-membered pyridoxine acetals. Cand. Chem. Sci. Diss. Kazan, 2004. 178 p. (In Russian)
11. Petrov K.A., Malomouzh A.I., Kovyazina I. V., Krejci E., Nikitashina A.D., Proskurina S.E., Zobov V.V., Nikolsky E.E. Regulation of acetylcholinesterase activity by nitric oxide in rat neuromuscular junction via N-methyl-D-aspartate receptor activation. Eur. J. Neurosci., 2013, vol. 37, no. 2, pp. 181-189. doi: 10.1111/ejn.12029.
12. Nikitashina A.D., Petrov K.A., Zobov V.V., Reznik V.S., Nikol'skii E.E. Specific inhibitory effects of the alkylammonium derivative 6-methyluracil on acetylcholinesterase of smooth and striated muscles in rats. Dokl. Biol. Sci., 2013, vol. 449, no. 1, pp. 82-84. doi: 10.1134/S0012496613020099.