耦合常数在结构解析中的应用

时间:2021-04-04 08:30:43   作者:
耦合常数在结构解析中的应用是什么?虽然结构确证的方法多种多样,但是在今天的有机合成成人眼中,NMR仍然是最重要和不可缺少的工具,小至有机合成的结构表征,大至复杂天然产物的结构鉴别,可以说NMR是有机合成工作者的眼睛。但是,不同技术人员的NMR解谱水平不一,许多人仍停留在通过Chemdraw或Mestrenova的NMR预测功能对化合物结构进行研究的水平上,结果可能是错误的。

2017年,加拿大魁北克大学StevenR.LaPlante教授在Bioorg.Med.Chem.Lett.上发表了一篇题为"NMRstrategiestosupportmedicinalchemistryworkflowsforprimarystructuredetermination"的文章,详细介绍了有机化合物结构解析中各种NMR技术的应用策略,包括区分区域异构体和几何异构体,区分N-烷基和O-烷基类似物,鉴别旋转和阻转异构体。

笔者以药物研发领域两个错误的结构表征为例,以开篇部分为例:

首先是Bosutinib案例。在2012年,C&EN警告Bosutinib的错误的异构体(下图1a)已经在市场上销售,但它并不具有活性。科学家们买的这种化合物实际上可能并不是真正的分子。那时Bosutinib正在进行治疗CML的III期临床试验,同时还作为酪氨酸激酶抑制剂用于医学和基础研究。根据Bosutinib提供商提供的数据,在使用SciFinder搜索Bosutinib时,出售错误异构体的公司多达80%,从而产生了300多个结果,可以说,这一结果可能导致世界范围内的研究工作失效。就拿牛津大学来说,研究人员购买的假Bosutinib的日期显示,至少从2006年起,这种错误的异构体就已经被商业使用了,并且直到6年后才被发现。最后发现,合成过程中使用了错误的苯胺原料,3,5-二氯-4-甲氧基苯胺(1c)取代了正确的2,4-二氯-5-甲氧基苯胺(1d)。EN指出,这两种化合物的质谱与元素分析完全相同,而且两种化合物氢谱的芳环信号虽然有差异,但若不对这两种化合物进行对比分析,就很难发现问题。

另一个例子是TIC10化合物,它可以诱导肿瘤细胞凋亡。两家不同的公司在1973年和2013年对该化合物申请了专利。Scripps研究所的人员在研究这一化合物时发现,他们制备的这一化合物实际上是不具有活性的,而来自国家癌症研究所(NCI)库的TIC10则显示了预期的阳性结果。经认真分析,两家公司先后申请专利的化合物2a无活性,活性化合物2b为其异构体。

下面我们就按照原作者的思路来学习一下在什么情况下NMR的实验鉴定结构。

 
区域异构(Regioisomerism)


仅用LC-MS和/或1H-NMR很难区分区域异构产物,而用HMQC(HSQC)和HMBC可以清楚地表征。3a化合物中,酯部分位于2原子的中间。从HMBC光谱中可以看到,H2/C1与原子2具有唯一的低场相关性。没有发现H2/C3交叉峰。它和化合物3a的结构相同。在HMBC光谱中,化合物3b的酯部分与C2相邻,并出现了2个原子低场交叉峰(H2/C1和H2/C3)。

HMBC实验和所有的实验方法一样,都有缺陷。交叉键的耦合常数变化很大,因此很难区分3JH,C和2JH,C。耦合常数由两面角决定,且当两面角接近于90°时,C的耦合常数与其它因素无关。所以,全面分析时必须考虑到没有峰值。

此外,作者认为,2D-NMR实验中的ROESY实验对阐明分子的结构非常有用,因为它能提供5埃以内分子内空间距离的氢原子信息。区域性异构体4a和4b只是它们在氮杂苯并咪唑基部分上的连接点不同而已。由1H和ROESYNMR数据观察,H2/H1和H2/H6相关可识别,4a与化合物相符。另外一种能鉴别H4/H1和H4/H6交叉峰,其结构与化合物4b相同。


几何级数异构(GeometricIsomerism)


含双键化合物中常发现几何异构体(E/Z)。可以用耦合常数来识别,顺式耦合常数一般为3-13Hz,反式为12-20Hz。双键上的氢原子与其它原子耦合时,产生共振多重峰,此时需要共振去耦,蓝色图是选择性去耦后的氢谱。顺式异构体的1HNMR光谱表明,5a化合物中H2与H1质子、H3发生耦合,形成多重峰。而H3则被覆盖在H5之上。因为这个障碍,3JH3,H2不能被确定,但是,通过选择性地分离H1(右),质子H2被简化成了一个双峰,从这个峰可以导出与H3的耦合(3JH3,H2=9.8Hz),从而与顺式异构一致。对5b化合物,H3和H4是偶联的。经分离后,从中可得到与H2、3JH3、H=15.2Hz较大的耦合,与反式异构体一致。


转/阻转异构(Rotamers/Atropisomers)


旋转式异构体是由于空间、电子效应、氢键等因素限制了单键的旋转或阻碍了环转式翻转。当旋转/翻转的障碍大于20kcal/mol时,就会产生手性,从而形成阻转型异构体。如果小于20kcal/mol,就会产生旋转的异构体(共聚体)。不能用LC法分离旋转异构体。针对这一问题,作者提出了变温(VT)和ROESY这两种常见的解决方案。本文通过三元酰胺型NMR变温变温实验和ROESY实验,分析了这种旋转异构体的NMR信号特征。


N-烷基化和O-烷基化(N-vs-Alkylation)


烷化反应通常产生不可预知的O和N烷基类似物。利用13C化学位移可以区分由环境性配体形成的N-和O-烷基化产物。下面是N-烷基类似物中13C位移下降到46.8ppm的图像,而在O-类似物中则是68.9ppm的信号。


立体化异构(Stereoisomerism)


决定手性分子绝对构型的最简单方法是X射线衍射。而ROESY法也是一种测定手性化合物立体化学的有效方法。在脯氨酸环平面上,9个氢原子相互间有一个强的ROESY峰,而在脯氨酸平面下则有一个弱的氢原子。2'/3交叉峰的尺寸小于2'/3。结果1/2'和2/4'的尖峰被观测到,而2'和2'/4的尖峰没有被观测到。其中5'是重叠的,无法作距离比较,但2'和2'分离得很好。
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