| Результаты этапа: ● Вольтамперометрическое и DFT исследование влияния абсолютной конфигурации стереоцентров в гомологических рядах новых SS- и SR-диастереомерных биядерных комплексов Ni(II), содержащих в координационной сфере аминокислотные фрагменты, связанные по α-углеродным атомам линкерами различной протяженности, на их электронные свойства.
В ходе выполнения проекта синтезированы гомологические ряды SS- и SR- диастереомерных биядерных комплексов Ni(II), в которых моноядерные фрагменты связаны линкерами, содержащими различное количество метиленовых звеньев.
Это позволило провести по-своему уникальное исследование влияния абсолютной конфигурации стереоцентров двух моноядерных фрагментов, связанных линкером различной протяженности, на редокс-свойства комплексов, а также на относительную энергию и локализацию их граничных орбиталей.
Оказалось, что потенциалы редокс-переходов, наблюдаемые для биядерных комплексов, представленных на схеме 1, зависят от конфигурации α-аминокислотных центров (рис.1). Это легло в основу разработанного нами нового метода электрохимического распознавания (SR)- и (SS)- диастереомеров подробнее – см. ниже). Результаты ЯМР и DFT исследования полученных гомологических рядов показали, что в (SR)- LNi-Gly-(CH2)n-Gly-NiL (n=0,1,2) , в отличие от симметричных (SS)- комплексов, электронная плотность распределена неравномерно между двумя моноядерными фрагментами . Для примера, на рис.2 приведены данные ЯМР 1H и 13C для димера с n=2, из которых видно значительное экранирование ядер S-части молекулы; сигналы соответствующих ядер R части, наоборот, сдвинуты в слабое поле. Это согласуется и с результатами вольтамперометрического исследования, которые также свидетельствуют о том, что одна часть в SR-диастереомерной молекуле является более электроно-дефицитной, чем другая. Это может быть связано с наличием электронных взаимодействий «через пространство»; данные рентгено-структурного анализа подтверждают наличие близких контактов между двумя «половинками» биядерных комплексов. Разность химсдвигов в спектрах ЯМР 13C и 1H для пар одинаковых ядер, находящихся в (S) и (R) части димера (n = 2); б) Близкие контакты между моноядерными фрагментами в (SS) и (SR) димерах (n=0, по данным РСА).
Квантово-химические расчеты показали, что ВЗМО и НСМО в (SR)-биядерных комплексах локализованы на различных моноядерных фрагментах, причем наблюдается альтернирование мест локализации в гомологическом ряду. Это необычное явление приводит к тому, что, как окисление, так и восстановление в гомологическом ряду (SR)- комплексов протекает поочередно, то по S-, то по R-фрагменту, и зависит от n. Например, в тесно связанном димере (n=0) окисляется S часть, а восстанавливается R часть; для димера с n =1 – все наоборот, и.т.д. Это приводит к тому, что в гомологическом ряду (SR)-комплексов и окисление, и восстановление протекает легче, чем для их (SS)-аналогов, т.е. электрохимическая щель (разность потенциалов окисления и восстановления) для (SR)-диастереомеров меньше. Этот экспериментальный факт послужил основой предложенного нами метода определения абсолютной конфигурации α-углеродных атомов в диаминодикарбоновых кислотах, связывающих координационные сферы двух ионов Ni(II) в виде оснований Шиффа.
Согласно данным DFT расчетов , ОЗМО в анион-радикалах (SR)- диастреомерных комплексов равномерно распределена между двумя моноядерными фрагментами. В дианионах два дополнительных электрона располагаются на практически вырожденных орбиталях (ΔE < 0.014 эВ), т.е. оба Ni- центра находятся в восстановленной форме. В катион-радикалах ОЗМО локализована только на одной «половинке» комплекса, противоположной той, которая вносила основной вклад в локализацию ВЗМО нейтрального комплекса.
В симметричных (SS)-комплексах все орбитали равномерно делокализованы по обеим моноядерным фрагментам.
● новый электрохимический подход к определению абсолютной конфигурации хиральных аминокислотных центров в составе координационной сферы биядерных комплеков Ni(II).
Метод основан на измерении потенциалов окисления и восстановления диастореомерных комплексов: как было показано выше, (SR)-диастереомеры во всех случаях восстанавливаются и окисляются легче, чем (SS)-формы. Интересно отметить, что значения потенциалов оказались гораздо более чувствительны к конфигурации стереоцентров, чем, к примеру, данные UV-Vis спектроскопии. В Табл.1 приведены спектральные и электрохимические данные для (SS)- и (SR)-диастереомеров двух биядерных комплексов, с n=0 и 2. Видно, что удаление двух стереоцентров друг от друга на два метиленовых звена нивелирует спектральные различия между диастереомерами. В то же время, различия в потенциалах окисления и восстановления (следовательно, и в величинах электрохимических щелей ΔGec) (SS) и (SR) диастереомеров достаточно существенны не только для тесных димеров (более 200 мВ), но и для биядерных комплексов с длинным линкером (n=2). Интересно отметить, что описанные в литературе примеры различия редокс-потенциалов диастереомерных комплексов практически всегда были обусловлены искажением координационного полиэдра, сопровождающего перенос электрона. В случае исследованных нами комплексов, как показали квантово-химические расчеты, координационный полиэдр сохраняется в случае обоих диастереомеров.
Найденное интересное явление свидетельствует о том, что разработанные в ходе проекта новые электрохимические методы синтеза биядерных комплексов представляют интерес не только как новый подход к получению диастереомерно чистых диаминодикарбоновых кислот из Ni(II)- содержащих прекурсоров. Благодаря им удалось получить крайне интересные объекты для проведения систематического фундаментального исследования влияния абсолютной конфигурации стереоцентров на электронное строение и свойства соединений.
Таблица 1. Влияние абсолютной конфигурации стереоцентров на спектральные (max (lg(ε) ,CHCl3) ; ΔGsp ) и электрохимические (ΔGec ) характеристики биядерных комплексов LNi-Gly-(CH2)n-Gly-NiL (n=0, 2)
max (ε), nm ΔGsp, eV ΔGec, eV
SR SS SR SS SR SS
n=0 551 (2.45) 539 (2.51) 2.26 2.31 2.52 2.73
n=2 522 (2.55) 522 (2.35) 2.38 2.38 2.86 2.83
● Разработка нового электросинтетического метода стереоселективного гидроксиалкилирования альфа- аминокислот, входящих в координационную сферу иона металла в виде основания Шиффа.
В рамках выполнения проекта разработан метод окислительного электрохимического сочетания комплекса GlyNi с первичными спиртами (схема 2). Оказалось, что если проводить электролиз раствора GlyNi в метаноле в присутствии гидроксида калия в качестве фонового электролита, происходит присоединение гидроксиметильной группы к α-положению остатка глицина. Замена метанола на другие первичные спирты (этанол, н-пропанол, 3-метилбутанол) показала общность предложенного подхода:
Электролиз проводится в ячейке с неразделённым электродным пространством в гальваностатическом режиме, т.е. достаточно прост в экспериментальном исполнении. Суммарный выход диастереомерных продуктов для первых трёх членов гомологического ряда спиртов близок к количественному (Табл.2).
Строение образующихся сериновых и треониновых комплексов было установлено путём полного отнесения сигналов в спектрах ЯМР 1H и 13C , которое было выполнено на основе анализа двумерных корреляционных спектров COSY и HMQC. Абсолютная конфигурация аминокислотного фрагмента двух полученных диастереомерных комплексов была доказана путём сравнения их спектров NOESY. В спектре диастереомера, содержащего остаток (R)-серина, наблюдается корреляционный пик между сигналами одного протона метиленовой группы серинового фрагмента и сигналом ароматического орто-протона бензильной группы (рис. 4а). В спектре NOESY комплекса (S)-серина корреляции между протонами серинового фрагмента и бензильной группой выявлено не было. Эти наблюдения доказывают, что группа CH2OH в комплексе (R)-серина расположена с той же стороны относительно плоскости координации никеля, что и бензильная группа пролинового фрагмента, а в комплексе (S)-серина – с противоположной стороны, что в свою очередь говорит о правильности выводов относительно абсолютной конфигурации аминокислотного фрагмента.
В реакции с этанолом образуются комплексы, содержащие остаток треонина и имеющие два новых стереоцентра. Поэтому теоретически возможно образование четырёх диастереомерных продуктов. Однако, по данным ЯМР 1H, из реакционной смеси было выделено только два изомерных комплекса, которые, оказались (2R ,3S), и (2S, 3R)-диастереомерами.
Пространственное строение (2R ,3S)-треонинового комплекса доказано методом двумерной спектроскопии ЯМР с эффектом Оверхаузера (NOESY). В спектре присутствуют корреляционные пики между сигналами метильной группы и орто-протонами бензильной группы, а также между сигналами метильной группы и метиленового протона бензильного фрагмента (рис. 4б). Из этого следует, что гидроксиэтильный заместитель при α-аминокислотном атоме углерода находится по одну сторону плоскости координации никеля с бензильной группой, что является следствием R-конфигурации α-атома углерода треонина.
Соотношение диастереомеров гидроксиаминокислот, образующихся в данной реакции, зависит от условий ее проведения (см. Табл. 2).
Табл. 2. Влияние природы субстрата и условий проведения реакции на выход продуктов и стереоселективность гидроксиалкилирования
Спирт c(KOH), M Время выдерживания реакционной смеси после окончания электролиза, ч Соотношение диастереомеров
(2R, 3S) / (2S, 3R) Суммарный выход диастереомерных продуктов, %
CH3OH 0.1 0 - / 100* 97
CH3OH 0.5 0 48 / 52* 97
CH3OH 0.5 2 91 / 9* 97
СH3CH2OH 0.5 0 66 / 34 95
СH3CH2OH 0.5 2 98 / 2 95
n-PrOH 0.5 0 37 / 63 95
*поскольку возникает только один стереоцентр, приведено соотношение (R/S) изомеров
В сильноосновной среде устанавливается равновесие между депротонированными формами комплекса, из которых наиболее стабилен изомер с (R)-конфигурацией α-аминокислотного центра (см. схему 3а), а в слабоосновной среде – между гидроксилсодержащими формами с преобладанием (S)-изомера (схема 3б). На соотношение диастереомерных комплексов влияет также продолжительность выдерживания реакционной смеси после электролиза, поскольку требуется некоторое время, прежде чем описанные выше равновесия установятся.
Таким образом, в сильно основных средах, при выдерживании реакционной смеси в течение 2-х часов после окончания электролиза удается получать термодинамически более устойчивый (R)-продукт (для метанола) и (2R,3S) продукт (для остальных спиртов) с высокой стереоселективностью (de до 94%). В слабоосновных средах, стереоселективно образуется диастереомер с конфигурацией (2S,3R) (для высших спиртов) или продукт с (S)-конфигурацией (для метанола) (de = 100%).
Механизм проведённого электрохимического превращения можно представить следующим образом. Образование комплекса, содержащего остаток β-гидрокси-α-аминокислоты, происходит при взаимодействии комплекса GlyNi, депротонированного под действием OH–, с генерируемым in situ альдегидом. На примере метанола образование альдегида на аноде выглядит следующим образом
Согласно этой схеме, помимо альдегида образуются также C-центрированные гидроксиметильные радикалы. Они могут взаимодействовать с радикальной формой комплекса, которая может образоваться в результате отщепления H-атома алкоксильными радикалами или в результате анодного окисления депротонированного комплекса
|
