2014, Vol. 31文章信息
- 姜丹, 徐佳, 缪振春
- JIANG Dan, XU Jia, MIAO Zhen-chun
- 氮杂双环型化合物结构的NMR研究
- Stereochemical Characterization of Azabicyclo-Type Compounds by NMR Spectroscopy
- 波谱学杂志, 2014, 31(2): 253-261
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2014, 31(2): 253-261
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文章历史
收稿日期: 2013-07-03
收修改稿日期: 2013-08-12
2. 北京协和医院，北京100730
2. Peking Union Medical College Hospital, Beijing 100730, China
2-苯基-2-环戊基-2-羟基乙酸-3-甲基-3-氮杂双环(3, 3, 1)壬-9α-酯（化合物1，见图 1）是由化学合成得到的氮杂双环型的新型抗胆碱能化合物，其NMR研究未见详细报道.实验显示，化合物1的NMR特点之一，1H和13C NMR信号数目与结构预测的不一致，在质子宽带去偶13C谱中，环戊烷基通常有3个信号，但实际出现5个信号；氮杂双环基通常有6个信号，但实际出现9个信号.化合物1的NMR特点之二，在HMQC谱中许多不同3C-1H偶合交叉峰互相重叠，其立体化学和谱峰归属采用一般方法研究比较困难.本文采用选择性远程DEPT技术[1-4]与多频率位移选择激发1D NOESY技术[5-9]相结合的方法，并结合分子模拟数据确证了该化合物的立体结构.研究结果表明该方法可使重叠、复杂的谱峰得以有效分离，信号归属明确，有助于此类化合物的立体结构和溶液构象的测定.
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| 图 1 2-苯基-2-环戊基-2-羟基乙酸-3-甲基-3-氮杂双环(3, 3, 1)壬-9α-酯（化合物1）的化学结构 Fig. 1 The structure of 2-pheny-2-cycloamyl-2-hydroxyacetic-N-methly-3-azabiclo[3.3.1] nonane-9α-carboxylate (compound 1) |
本文所有NMR实验是在JEOL 400型谱仪上完成.该仪器配有产生选择脉冲的Laminal波形发生器和5 mm z-轴梯度脉冲多核探头.所有脉冲序列都是通过仪器Delta脉冲编制软件操作得到.
1.2 实验条件样品溶于CDCl3，以TMS为内标，1H NMR和13C NMR的工作频率分别为400 MHz和100.577 MHz.实验温度为25 ℃，样品用量约为25 mg，使用Ф5 mm多核探头.1H NMR的谱宽9.18 kHz，数据点32 768，90°脉冲宽度11 μs，弛豫延迟1.2 s.13C NMR的谱宽为31.4 kHz，90°脉冲宽度8.8 μs，数据点16 384，弛豫延迟1.2 s，载频置于谱的中央，采用WALTZ质子宽带去偶法测定.1H-1H COSY谱实验，采用PFG-COSY脉冲序列测定，累加次数2，弛豫延迟1.0 s.HMQC谱实验，累加次数4，弛豫延迟1.2 s.HMBC谱实验，累加次数12，弛豫延迟1.2 s，13C-1H远程偶合常数设定5 Hz.1D NOESY谱采用多频率位移选择激发方法测定，180°高斯软脉冲宽度为60 ms，混合时间为800 ms.
2 结果与讨论根据选择性远程DEPT和多频率位移选择激发1D NOESY实验，推断该化合物1为9α差向异构体，在溶液中具有稳定构象，氮杂双环为椅式-椅式构象，哌啶环中氮甲基位于e键，如图 2(a)所示，信号归属见表 1.根据NOESY实验结果，单取代苯基只与氮杂双环同向的桥头氢(H-13e)之间存在NOE效应，而环戊烷基也只与氮杂双环另外一个同向桥头氢(H-10e)之间存在NOE效应，说明分子中这些基团的相对位置是稳定的.C-2羟基质子信号表现为钝峰，出现在δ 3.85 (H-8)，实验表明，样品浓度从3 mg/mL变为60 mg/mL时，该信号向低场位移只有δ 0.01，基本与浓度无关，进一步说明在氘代氯仿溶液中C-2上羟基与相邻上羰基形成分子内氢键.由于与手性碳原子连接的基团旋转受阻，邻近原子团受到单取代苯基的远程磁各向异性的屏蔽效应，失去原有的对称性，致使NMR信号数目比预测的多，谱图变得复杂.
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| 图 2 化合物1的2种立体结构 Fig. 2 The two three-dimensional structures of compounds 1 |
| Carbon No. | 13C NMR | Proton No. | 1H NMR | ||
| δC | Type | δH | J/Hz | ||
| 1 | 175.2 | C | 1 | - | |
| 2 | 79.11 | C | 2 | - | |
| 3 | 46.83 | CH | 3 | 3.00 m | |
| 4 | 26.42 | CH2 | 4 | 1.59 m; 1.37 m | |
| 5 | 26.79 | CH2 | 5 | 1.59 m; 1.37 m | |
| 6 | 26.57 | CH2 | 6 | 1.67 m; 1.45 m | |
| 7 | 26.03 | CH2 | 7 | 1.59 m; 1.37 m | |
| 8 | 8 | 3.85 bs | |||
| 9 | 77.31 | CH | 9 | 4.78 t | J(9, 10)=J(9, 13)=3.5 |
| 10 | 33.01 | CH | 10e | 1.96 bs | |
| 11 | 60.76 | CH2 | 11a | 2.31 bd | J(11a, 11e)=-11.4 |
| 11e | 2.83 bd | J(11e, 11a)=-11.4 | |||
| 12 | 60.80 | CH2 | 12a | 2.23 bd | J(12a, 12e)=-11.4 |
| 12e | 2.92 bd | J(12e, 12a)=-11.4 | |||
| 13 | 32.54 | CH | 13e | 1.76 bs | |
| 14 | 24.95 | CH2 | 14a | 1.60 m | |
| 14e | 1.48 m | ||||
| 15 | 20.72 | CH2 | 15a | 2.48 m | |
| 15e | 1.43 m | ||||
| 16 | 25.29 | CH2 | 16 | 1.91 m | |
| 17 | 141.8 | C | 17 | - | |
| 18 | 126.1 | CH | 18 | 7.26 m | J(18, 19)=7.2 |
| 19 | 127.9 | CH | 19 | 7.33 m | J(19, 18)=7.2 |
| 20 | 127.3 | CH | 20 | 7.20 m | J(20, 19)=J(20, 21)=77.2 |
| 21 | 127.9 | CH | 21 | 7.33 m | J(21, 20)=77.2 |
| 22 | 126.1 | CH | 22 | 7.26 m | J(22, 21)=7.2 |
| 23 | 45.77 | CH3 | 23a | 2.12 s | |
多频率位移选择激发1D NOESY方法的主要特点是，强偶合体系的选择性粒子转移(Selective populatio transfer，SPT)影响可得到有效抑制，并且信号强度无畸变.本方法的脉冲序列与2D NOESY相似，在第一个90°硬脉冲之后，采用双梯度脉冲自旋回波(double pulsed-field gradient spin echo)选择激发.180°高斯软脉冲为60 ms，混合时间为800 ms.信号归属是利用NOE信号强度与核间距关系，且NOE信号强度与被激发信号比较，采用峰积分值表达.本文采用此方法，一次实验选择激发自旋多重峰中的每个谱线, SPT效应得到有效抑制.该实验方法是在配备有Laminal波形发生器仪器上，通过脉冲编制程序开发多个频率发射通道得以实现.
邻位偶合常数是确定六元环构象和构型的重要依据.但是化合物1在碳原子C-9上只有一个平伏氢H-9，缺少邻位aa型偶合常数，因此采用传统方法难以确定.结果表明，采用1D NOESY谱测定这类化合物的构象和构型非常有效.图 3(a)显示，对H-9(δ 4.78)信号选择激发，氮杂六环出现H-11a、H-12a、H-13e和H-10e 4个NOE信号，相对强度分别为3.3%、3.4%、1.7%和1.6%，其中H-11a和H-12a强度比较大，大约是H-13e和H-10e的2倍，说明H-9与H-11a和H-12a质子间存在环已烷体系中“1，3，5”直立型的空间关系，因此H-9位于a键，氮杂六环为椅式构象.另外，氮杂双环2个桥头氢信号(H-13e，H-10e)表现为宽单峰，化学位移分别出现在δ 1.76和d 1.96，如图 3(b)显示，对其中一个桥头氢(δ 1.76)信号选择激发，出现H-12a、H-12e、H-14a、H-14e等信号，说明δ 1.76是H-13e，并且它与单取代苯环处于同向.图 3(c)显示，对H-12e(δ 2.92)信号选择激发，出现H-15a、H-12a、H-23、H-13e和H-15e 5个NOE信号，表明H-12e与H-15a和H-15e空间接近.另外，H-15a出现在δ 2.48，而H-14a则出现在δ 1.60，说明H-14a更靠近单取代苯环的屏蔽区中，根据NOE信号强度与核间距关系，化合物1的立体结构应如图 2(a)所示.图 3(d)显示，对氮甲基H-23(δ 2.12)信号选择激发，H-11a、H-12a、H-11e和H-12e出现4个NOE信号，且这些NOE信号强度基本没有明显差别，说明氮甲基(H-23)与这些相邻氢原子之间的空间距离基本相同，因此氮甲基是处在e键.图 3(e)显示，对环戊烷基端氢H-3(δ3.00)信号进行选择激发，位于d 1.96 (H-10e)的桥头氢产生强度约为0.2%的NOE信号，说明环戊烷基与d 1.96桥头氢(H-10e)空间接近，二者在同一方向.与H-10e比较，H-13e向高磁场位移大约δ 0.20，其原因是H-13e处于苯环面上，受到屏蔽作用.研究发现，H-11a和H-12a也存在类似现象，但是它们的化学位移差只为δ 0.08，表明苯环的屏蔽作用随距离增加而减弱.
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| 图 3 化合物1的NMR谱：(a)~(e)为1D NOESY谱，被选择激发信号分别是H-9a、H-13e、H-12e、H-23和H-3; (f) 1H谱 Fig. 3 NMR spectra of compound 1: (a)~(e) 1D NOESY spectra with multiple-frequency selective excitation of the H-9a、H-13e、H-12e、H-23 and H-3, respectively; (f) regular 1H spectrum |
我们采用分子模拟软件（CHEMOFFICE8.0，CHEMDRAW）构建化合物1的结构，由CHEM3D将其转化为三维进行初步能量优化，结果氮杂双环的构象与图 2(a)所述一致.采用Sybyl6.91（Tripos公司）系统搜寻方法寻找化合物1的最优构象，所得优势构象采用DISCOVERY模块中的动力学模拟，对最优构象在水溶液中的构象进行20 ns的动力学模拟，得到化合物1在水溶液中的稳定构象.基于获得的构象计算化合物1分子中氮杂双环相应氢原子核间距离，结果如表 2所示.
| Protons | Distance/nm | Protons | Distance/nm | Protons | Distance/nm |
| H-9~H-10e | 0.2530 | H-13e~H-12e | 0.2551 | H-12e~H-15a | 0.3035 |
| H-9~H-13e | 0.2508 | H-13e~H-14a | 0.2415 | H-23~H-11a | 0.2515 |
| H-9~H-11a | 0.2539 | H-13e~H-14e | 0.2512 | H-23~H-11e | 0.2407 |
| H-9~H-12a | 0.2542 | H-12e~H-13e | 0.2551 | H-23~H-12a | 0.2516 |
| H-13e~H-12a | 0.2365 | H-12e~H-23 | 0.2408 | H-23~H-12e | 0.2408 |
结构片段内的13C信号归属一般是利用HMQC谱解决，但如图 4显示，氮杂双环和环戊烷基的许多相关信号完全被遮盖，辨认非常困难，难以得到明确结果.实验表明，应用1D NOESY实验可以使重叠、复杂的氢信号按一定规律分离，得到容易辨认的亚谱.在此基础上，采用选择性远程DEPT方法可以解决复杂13C谱峰的信号归属问题.
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| 图 4 化合物1的HMQC谱 Fig. 4 HMQC spectra of compound 1 |
选择性远程DEPT的脉冲序列如图 5所示，13C观测道是采用通常的硬脉冲，而去偶道则全部采用质子软脉冲，其余实验细节见文献报道[1].在本文实验中，90°质子软脉冲为14 ms，Δ=1/2nJ，nJ为远程13C-1H偶合常数.在本文实验中nJ设定为5 Hz.与二维远程13C-1H谱比较，本方法具有下列特点：一是数字分辨率比二维谱高；二是可以从复杂重峰的13C谱中分离得有关信号；三是不受信号累加次数限制，适合于浓度比较低的样品测定.质子软脉冲频率一般是作用在容易辨别的结构片段末端碳的质子上，或者作用在其归属已知的特定质子信号上.选择性远程DEPT谱图的信号归属主要利用远程13C-1H偶合常数（nJ）与化学键数目之间的关系.在饱和体系，可观测的信号是来自3个化学键以内的远程13C-1H偶合，而且与被激发质子连接的碳不出现信号，谱图解析比较容易.灵敏度主要由nJ的大小决定，芳香系统中，3J值一般比2J值大，因此相隔3个化学键的远程13C-1H偶合一般比较容易观测.
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| 图 5 选择性远程DEPT的脉冲序列 Fig. 5 Pulse sequences for selective long-range DEPT |
化合物1的13C谱比较复杂，只有C-15等个别信号从HMQC谱可得到归属，其余信号归属本文采用选择性远程DEPT方法进行研究.化合物1结构显示，环戊烷基的端基质子(H-3)与单取代苯环(C-17)和羰基(C-1)都是相距3个化学键.为了证明分子中结构片段之间的连接，首先对环戊烷基的端基质子H-3 (δ 3.0)信号进行选择极化转移实验.实验结果如图 6(a)所示，共产生7个碳信号，其中3个为结构片段的碳信号：δ 175.2 (羰基碳C-1)，δ141.8(单取代苯环C-17)和δ 79.11(季碳C-2)，该实验结果与图 2(a)结构完全相符.此外，在高磁场方向还出现4个化学位移十分接近的环戊烷基内的碳信号，分别为δ 26.79、26.57、26.42和26.03，其中δ 26.79和26.57强度较大，根据3J值比2J值大的规律，且C-4和C-5靠近苯环存在去屏蔽效应，因此它们归属应当分别为C-5、C-6、C-4、C-7.另外，对氮杂双环端基质子H-9 (δ 4.87)信号进行选择极化转移，如图 6(b)所示，根据远程13C-1H偶合常数与化学键数目关系，通过氧原子的选择极化转移实验则只能出现1个结构片段外的碳信号，所以δ 175.2（羰基）是C-1.再分别对H-10e、H-15a进行极化转移, 如图 6(c)和图 6(d)所示，归属应当分别为C-9、C-11、C-13、C-15和C-13、C-14、C-16.对H-11e和H-12e进行极化转移，如图 6(e)和图 6(f)所示，二者的信号强度有明显差别，其主要原因是：一是为了减少偏共振效应，在不同实验中激发频率不一定在被激发的信号中心位置；二是远程13C-1H偶合常数不一定相同.在δ 60.80出现的信号应当是C-12，在δ 60.76出现的信号应当是C-11，二者只相差δ 0.04.另外，C-10 (δ 33.01)与C-13 (δ 32.54)的化学位移差为δ 0.47，而C-14 (δ 24.95)与C-16 (δ 25.29)则差为δ 0.34，表明邻近单取代苯环对C-12、C-13和C-14也表现屏蔽作用，并且其影响也随距离增加而减弱.据此，化合物1基本化学骨架与远程13C-1H偶合实验结果相一致.
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| 图 6 化合物1的13C NMR谱：(a)~(e)和(f)和是分别对H-3、H-9a、H-10e、H-15a、H-11e和H-12e进行极化转移而得到的远程13C-1H偶合DEPT谱；(g)常规13C谱 Fig. 6 13C NMR spectra of compound 1:(a)~(e) and (f) Long-range DEPT spectrum acquired by polarization transfer from proton H-3、H-9a、H-10e、H-15a、H-11e和H-12e respectively; (g) regular 13C spectrum |
结果表明，氮杂双环型化合物1在氘代氯仿溶液中C-2上羟基与相邻上羰基形成分子内氢键，具有稳定的构象.由于受分子内远程屏蔽效应(long rang shielding effect)的影响，氮杂双环和环戊烷基失去原有的对称性，致使NMR信号数目比通常预测的增多.选择性远程DEPT方法用于确定有机化合物的基本骨架是比较简便和有效的，与HMBC方法比较，它具有分辨率高，不受信号累积次数限制，可以观测和鉴别一些重叠的谱峰.它与多频率位移选择激发1D NOESY方法及分子模拟技术相结合，可以为这类化合物的化学结构测定和立体化学研究提供重要依据和有效的手段.
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