受空间位阻限制的酰胺旋转产生多重构象

1、受空间位阻限制的酰胺旋转产生多重构象By Tabum <译>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键的性质取决于由氮的离域孤电子对驱动的共振结构。在N，N-二苄基-邻甲苯甲酰胺（o-DBET）中，尤其是在低温下，该分子采用具有不同NMR谱学特征的构象异构体子群的形式存在。这种构象适应是o-DBET所独有的，而相应的邻位和间位分子没有这种行为。变温（VT）NMR、二维交换光谱（EXSY）和定性分子模拟研究被用来证明多个竞争性相互作用如限制酰胺旋转和空间位阻效应如何引发溶液中多种分子的适应性。关键词：动态NMR；化学交换；受限制的酰胺旋转；空间位阻1.前言酰胺中C-N键的旋转能垒与其部分双键性质有关，这种双键性质由氮原子上的孤电子对和羰基键之间的共振相互作用产生。动态核磁共振光谱学（DNM

4、R）通常被用于研究酰胺键的部分双键特征。科学界不断地使用NMR研究N，N-二甲基甲酰胺，也说明了这一领域的火热。作者团队证明在N，N-二乙基邻甲苯甲酰胺（o-DEET）中，邻位的甲基和两个N-乙基之间的空间作用调节了酰胺键的受限旋转动力学。特别地，由甲基引起的空间位阻通过改变由DNMR测量的旋转能垒的焓和熵而引入额外的第三个更高的能垒。酰胺旋转受限的能垒主要由C-N键的键级决定，因此键的任一侧取代基的电子效应都会影响旋转能垒。第三个高能构象可以通过将甲基移到DEET的间位或对位上来消除，也可以通过减少从乙基到甲基的氮杂环链的大小来消除。本文研究了N，N-二苄基邻甲苯甲酰胺（o-DBET）的动力

5、学，研究这一系列分子（DBET的邻，间和对位形式）是为了探究分子如何适应受限的酰胺旋转、空间位阻、侧链大小的增加以及相对并置两个苄基和分子中的苯环。在一定温度范围内（1-55）进行的变温NMR实验确实为m-DBET和p-DBET分子提供了DNMR特征谱。但在o-DBET中，构象状态分为两组不同的状态。DNMR结果显示，由于两个苄基中存在的芳香族部分的邻位甲基以及两个相邻芳香族部分的相对并置所引起的几何约束的共同作用，产生了两种独立的分子构象。尤其是在低温下，两种构象状态的存在可使用二维交换谱（EXSY）来证明。本文利用变温核磁共振实验估算热力学参数，通过分子力学计算进一步阐明与m-DBET和p

6、-DBET相比，o-DBET构象能谱更为复杂。2.材料和方法2.1合成所有化合物均购自Sigma Aldrich或MERCK，并且未经进一步纯化即直接使用。Ortho-DBET：N，N-二苄基-O-甲基苯甲酰胺：向邻甲苯甲酸（2.08g，15.3mmol）的二氯甲烷（28mL）溶液中加入催化量的DMF（2滴）搅拌。将现蒸馏的亚硫酰氯（2.3mL，31.0mmol）加入烧瓶中，并将所得溶液温和回流2小时。将反应混合物减压浓缩，用温水浴（55）除去过量的亚硫酰氯。将粗酰氯再溶于二氯甲烷（28mL）中，并在2-3分钟内滴加二苄胺（5.88mL，30.6mmol），滴加2-3分钟（注：放热，产生气态H

7、Cl）。将溶液在室温下搅拌过夜。用水（30mL），然后用5HCl（30mL）、10NaOH（30mL），最后用盐水（30mL）洗涤有机层，并用无水Na2SO4干燥。将溶液过滤并减压浓缩，得到颗粒状的微黄色固体，然后溶解在少量的热己烷中。使溶液冷却，收集结晶并干燥，得到1.98g（总计41）纯的N，N-二苄基-邻甲苯甲酰胺。按照上述方法合成每种DEET类似物，根据实验需要通过结晶（热己烷）或柱色谱（10乙酸乙酯的己烷溶液和230-400目硅胶）进行纯化。取每种样品约10mg溶于CDCl3（总体积为600L）用于NMR实验。通过首先使用液氮冷冻-融化技术以排出溶解的空气/氧气，然后使用小丁烷喷枪将

8、每个NMR管玻璃密封密封。2.2 NMR谱学测试所有的NMR实验在400MHz（1H共振频率）VNMRS光谱仪（Varian-Agilent）中进行，并使用单核磁共振探针进行实验。探头温度用MeOH校准。探头温度从1变化到55（以3为梯度）。一维变温实验是在16个复杂点上物质的瞬态上进行的，每个温度下给予90°的脉冲。样品在每个温度下平衡20分钟，在瞬态之间给予一个30s的弛豫延迟。利用WinDNMR来估测交换速率（kexs-1）。采用三点交换模型拟合o-DBET的变温数据，采用双点交换模型拟合m-DBET和p-DBET分子。在所有拟合中采用6Hz的恒定线宽度。在三点模型中假设第三个

9、旋转到前两个旋转之间的交换缓慢。由于交换谱中上场部分自旋之间的化学位移重叠，有必要对o-DBET采用三点模型。通过Eyring分析估算活化能（K中交换速率与温度的倒数）。二维交换光谱（EXSY）是在三个不同的温度（1，25和55）下使用标准核欧佛豪瑟效应光谱（NOESY）脉冲序列按前述方法进行测量的。分子力学计算使用Avogadro作为两个二面角的函数：a（C-C-C-O / Aromatic-CO）和b（O-C-N-C）。在5下，二面角a从-180°转变到+180°。计算只能用于定性或至多半定量。对于计算出的每个a的值，在5时二面角b被改变了-180°到+180

10、°，产生了一个33×33的矩阵。3.结果图1显示了在1到51的温度范围内邻（o）、间（m）和对（p）- DBET分子的变温核磁共振实验结果。在低温（1）时，m-DBET两个位点亚甲基质子化学交换的化学位移分别为5.45 ppm和5.15 ppm，在高温（51）时达到中间交换区（图1，m）。p-DBET也表现出类似的化学交换行为，低温（1）时处于5.65ppm和5.38ppm，更高温度（51）时有一个聚结的单峰，两个不同的位点具有相似的化学交换行为（图1，p）。在高温（51）下，o-DBET分子出现宽共振（5.32ppm），表明存在中间交换和尖锐共振（4.77ppm），这与之

11、前在o-DEET中观察到的第三种高能构象类似。降低温度后，出现一个复杂的峰形（图1，o）。当探头温度达到大约10以下时，除了低场共振（5.78ppm）的分裂之外，高场峰显示出复杂的线形（以4.81ppm为中心）。图1.变温DNMR谱。（o）N,N-二苄基邻甲苯甲酰胺（o-DBET，黑色），（m）N,N-二苄基-m-甲苯甲酰胺（m-DBET）中亚甲基质子的NMR谱线形状的温度依赖性和 N,N-二乙基-间甲苯甲酰胺（m-DEET，红色）和（p）N,N-二苄基-对甲苯甲酰胺（p-DBET，蓝色）。每个分子从1记录到51，梯度为2。二维交换谱（见图2）显示了1下混合时间为300 ms时o-DBET的两

12、组不同的交换峰。实验中采用两组自旋系统（AX）2自旋系统（AX = 400.2Hz和JAX = 12Hz）和（AB）2自旋系统（AB = 56.2Hz和JAB = 16Hz）。这些NMR参数是通过在没有化学交换的情况下模拟1D NMR谱来确定的（图S1）。预计长时间的混合（300ms）会导致EXSY实验中零量子相干性的影响显著降低，测量温度范围内溶剂粘度的影响（氯仿粘度在0下为0.699mPa·s，在 60下为0.389mPa·s）也是微不足道的。升高温度改变了亚旋转体系的动力学（图1）。图3显示o-DBET（红线）的变温NMR实验以及使用三点交换模型（黑线）拟合的结果。在

13、温度低于11时，三点模型不能再现其线形（图3）。相比之下，m-DBET和p-DBET谱图的温度依赖性遵循双位点化学交换过程的特征。图4显示了o-DBET（黑色符号，三点模型），m-DBET（红色符号，双位点模型）和p-DBET的Eyring分析图（In（kex/ T）vs. 1000 / T）DBET（蓝色符号，双位点模型）。使用线性拟合（95置信度预测区间绘制为图4的虚线）来确定交换过程的活化焓（H）和活化熵（s）：o-DBET（H= 49.8±1.4kJ / mol和s= 3.8±0.1J / mol·K，R2为0.97），m-DBET（H= 85.8

14、7;1.5kJ / mol，s=4.8±0.9J / mol·K，R2为0.98）和p-DBET（H= 73.5±0.8kJ / mol，s= 4.5±0.5J / mol·K，R2为0.98）。图2. N，N-二苄基对甲苯甲酰胺（o-DBET）在1下的二维交换谱（EXSY）。EXSY谱的亚甲基区域有两种不同双自旋系统的交换，用虚线方框标记。图3. N，N-二苄基邻甲苯甲酰胺（o-DBET）的线形分析。o-DBET的变温一维核磁共振谱（红线）适合于三点交换模型（黑线）。探针温度和交换速率相应的拟合值在每个面板中标记。三点自旋交换模型不能在低于1

15、1的温度下重现其线形。小峰是实验中的不明杂质产生的。图4.对线形分析得出的反应速率与温度（交换速率/温度）数据进行交换速率的自然对数与温度倒数之间的Eyring分析。黑色，红色和蓝色符号分别表示来自o-DBET，m-DBET和p-DBET的数据。实线表示线性最佳拟合曲线，虚线为相应的95置信度。对于所有三种DBET分子，定性的分子力学计算结果如图S2所示，这些结果与两个独立的二面角a和b成函数关系。使用初始结构的高斯和二面角优化的结构被任意分配为零（a，b = 0;图S2的左下角）。o-DBET分子出现a和b接近270°的高能构象（图S2的红色部分，o），相应的低能量构象为120&#

16、176;±90°。而o-DBET中的b在高能构象中在-120°和270°之间。尽管三个分子之间的相对构象现象是相似的，但在o-DBET中，低能构象和高能构象之间的能量势垒的半定量计算结果要高得多（a120°（270°）和b270°）。作为o-DBET二面角函数的构象能场中存在几个高能量脊，这是由于环上的邻甲基分子结构和相对庞大的苯环之间的复杂相互作用而产生。4.讨论和结论在手性有机化合物的NMR谱中观察到的化学位移的数量、形状和多样性的变化可以由有限的单键旋转产生。受限旋转减轻了引起阻转异构（不具有手性中心的不可重叠的镜像）

17、产生非对映异构性（不可重叠的，非镜像立体异构体）的分子对称性。常规的一维NMR谱不能检测到两种对映异构体或阻转异构体（对映异构体或由旋转受限引起的不可重叠的镜像）的存在。然而，由于键转动受限导致严重的对称性改变可能产生具有不同化学位移的非对映质子，这些化学位移可通过1D NMR谱检测到。信号的数量越来越多、峰形的复杂性和多样性的提高都是存在非对映质子的迹象。变温（VT）核磁共振研究是捕捉这一现象的理想之选，因为单键旋转的程度随温度变化而成比例变化：低温下亚甲基（CH2）基团的非对映性会在较高温度下旋转增加而损失。对于间位和对位的DBET分子，受限制的的酰胺旋转与期望的双位点交换机制吻合，随着温

18、度的升高而发生系统性地聚结（图1）。相反，对于高温下的o-DBET，核磁共振光谱类似于表观三点交换，但降低样品温度（<10）表明在每组中存在两组不同的群体（图1）。这些子结构的聚集体并不相互作用，如EXSY谱中的交叉峰图所示（图2）。两个独立交换的自旋种类的最终能带形状可以拟合到（AX）2和（AB）2自旋系统中（图S1）。 对于m-DBET和p-DBET，交换自旋之间的化学位移间隔（）大约为120Hz，而o-DBET对于弱耦合自旋对表现出的为400Hz，对应的强耦合自旋为56Hz（图1和S1）。重要的是要注意自旋系统的谱峰积分与每个分子中质子的总数吻合，而且所有分子中甲基（单重态）共振的相对化学位移（2