Введение
Ранее реакцией биогенных (участвующих в жизнедеятельности организма) 2-гидрокси-этиламинов с биологически активными арилхалькогенилуксусными кислотами синтезированы соли [(НОСН2СН2)3-n(R)NН]+. - [OOCСH2XAr], где R = Н, СН3; X = O, S, SO2; n = 0-2, которые могут быть отнесены к протонным алканоламмониевым ионным жидкостям (ПАИЖ). Полученные ПАИЖ обладают высокой фармакологической активностью, превосходящей активность исходных кислот и алканоламинов. Они проявляют адаптогенные, противоопухолевые, гемопоэзстимулирующие и иммуномодулирующие свойства, усиливают сопротивляемость животных к высотной гипоксии, гипер- и гипотермии, интоксикации, действию ультразвука и СВЧ-облучения [3].
Эссенциальные (жизненно необходимые) металлы (Ca, Mg, Co, Ni, Zn и др.) входят в состав ферментов, витаминов и обеспечивают потребности организма в необходимых микроэлементах. Замещение N+H-протона в ПАИЖ на эссенциальные металлы может привести к существенному изменению их биологических свойств и с этой целью синтезировали ряд металлированныхалканоламмониевые ионных жидкостей (МАИЖ) реакцией 2-гидроксиэтиламинов с солями металлов схеме:
m[(HOCH2CH2)3-n(R)N] + МХp → m[(НОСН2СН2)3-n(R)NМ]+. pX-
R = Н, СН3;
М = Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rh;
X = Cl, ООCСН3, OOCСH2XAr;
m = 1,2; n = 0-2; р = 2,3.
Действительно, среди MAИЖ на основе триэтаноламина (МХ2.ТЭА), предварительные фармакоогические исследования выявили соединения с выраженными иммуномодулирующими и антипролиферативными свойствами. МАИЖ - трис(2-гидроксиэтил)-амин-бис-(2-метил-феноксиацетат) цинка в полтора раза повышает активность фермента триптофанил-тРНК-синтетазы, которая обладает антиангиогенным и антиатерогенным действием [2, 4, 5].
Целью настоящей работы является изучение методом ЯМР-спектроскопии лигандного обмена и поведения МАИЖ в водных растворах, моделирующих реальные процессы в живых организмах.
Обсуждение результатов
С целью исследования строения полученных МАИЖ нами записаны и проанализированы спектры ЯМР на ядрах 1Н, 13С, 15N (растворитель D2O). Совместное использование указанных ЯМР-данных позволяет наиболее адекватно отражать особенности строения исследованных нами соединений. Действительно, если спектры ЯМР 13С и 15N несут ценную информацию об особенностях молекулярного строения углеродного скелета органических соединений и их комплексов, то сигналы от ядер водородов, которые находятся на периферии молекулы, делают спектральную ЯМР-информацию более полной. Ранее подобный анализ синтезированных МАИЖ не проводился, за исключением предварительного сообщения [1].
В процессе исследования мы сопоставили спектры ЯМРсоединений МХ2.ТЭА и МХ2.2ТЭА с спектрами триэтанолмамина (ТЭА) (рис. 1).
Рис. 1. Исследуемые соединения
Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 1Н для исследованных МАИЖ однозначно. Так, в спектре ЯМР 1Н (1) представлены два триплета одинаковой интенсивности, относящиеся к сигналам протонов групп ОСН2 и NСН2. Слабопольный триплет отнесен к протонам ОСН2-групп. На правильность такого вывода указывает значение прямой КССВ 1J(С,Н) = 142.6 Гц, измеренное по сателлитным сигналам 13С. Для сильнопольного мультиплета NСН2-групп значение КССВ 1J(С,Н) = 133.1 Гц. Для ацетатов Zn и Cd в спектрах ЯМР 1H присутствуют синглеты метильных групп. Наличие указанного сигнала позволяет легко установить соотношение М(ac)2 к ТЭА по интегральной интенсивности сигналов. Вследствие наличия в спектрах ЯМР 1Н сигнала остаточных протонов растворителя и склонности протонов ОН групп к обмену, зарегистрировать индивидуальный сигнал ОН групп в D2O не удается.
В спектрах ЯМР 13С характерными являются два сигнала атомов углерода групп ОСН2 и NСН2 в диапазоне 57 - 60 м.д. Незначительная разность ХС не позволяет проводить отнесение сигналов без дополнительных экспериментов. Для этой цели использовались как значения прямой КССВ 1J(С,Н), измеренной в спектрах ЯМР 13С записанных без развязки от протонов, так и анализ 2М спектров 1Н-13С HSQC в которых проявляются гетероядерные корреляции для непосредственно связанных ядер 1Н и 13С.
Значения ХС атомов азота в спектрах ЯМР 15N получены из 2М гетероядерных спектров 1Н-15NHMBC. Такой подход позволил работать с разбавленными растворами образцов и значительно сократить время получения данных. Импульсная последовательность оптимизировалась на значение дальней КССВ J(H,N) = 5 Гц. В этом случае в 2М спектре проявляются корреляции только от протонов ОСН2 группы (через три связи), что дополнительно позволяет контролировать отнесение сигналов в спектрах ЯМР 1Н. Вся совокупность полученных нами спектральных данных собрана в таблице 1. Эти данные распадаются на две группы. Для первой группы (МАИЖ (2-4)) набор всех спектральных параметров близок к данным ЯМР для ТЭА (1). Во вторую группу попадают соединения (5-10), для которых данные ЯМР сущестенно отличаются. Особенно наглядно это отражено в значениях Δ =δ13C (OCH2) - δ13C
(NCH2) (разница химических сдвигов сигналов 13С от углеродов, связанных с азотом и кислородом), которые оказываются различными для двух указанных выше групп. Помимо этого, различными (примерно на 10-12 Гц) оказываются также прямые константы 1J(С,Н) метиленовой группы, связанной с атомом азота (таблица 1).
Приняв во внимание наличие в составе MAИЖ специфических групп, способных к обмену, мы предположили, что наблюдаемые особенности спектров ЯМР обусловлены строением и внутримолекулярной динамикой МАИЖ, что отражено на схеме 1. Из приведенной схемы следует, что при смещении равновесия вправо (структура I) параметры спектров ЯМР должны приближаться к таковым ТЭА, что и наблюдается для сигналов соединений Cd (2, 3) и Mg (4). В случае реализации структуры III данные ЯМР будут существенно отличаться от спектральных характеристик свободного ТЭА (Fe (8)и Rh (9, 10)).
Данные ЯМР 1Н, 13С и 15NМАИЖ в растворе D2O
Соединение |
d, 1Нм.д. |
d, 13См.д. (1J(C,H), Гц) |
d, 15Nм.д. |
|||||||
NCH2 |
OCH2 |
CH3 |
NCH2 |
OCH2 |
D |
CH3 |
C=O |
|||
1 |
ТЭА |
2.62 |
3.55 |
- |
55.63 (133.1) |
58.85 (142.6) |
3.22 |
- |
- |
-351.9 |
2 |
Cd(ac)2ТЭА |
2.78 |
3.69 |
1.82 |
55.07 (135.7) |
57.21 (144.0) |
2.14 |
22.67 (127.5) |
181.60 |
-359.3 |
3 |
Cd(ac)2 2ТЭА |
2.70 |
3.61 |
1.79 |
55.17 (135.8) |
57.31 (144.1) |
2.14 |
22.65 (127.5) |
181.62 |
-358.0 |
4 |
Mg(Cl)22ТЭА |
2.68 |
3.58 |
- |
55.61 (134.7) |
58.49 (143.1) |
2.88 |
- |
- |
-349.9 |
5 |
Zn(ac)2ТЭА |
3.23 |
3.77 |
1.77 |
55.03 (143.0) |
55.34 (145.7) |
0.31 |
22.95 (127.6) |
181.57 |
-342.7 |
6 |
Zn(ac)2 2ТЭА |
3.20 |
3.73 |
1.73 |
55.82 (142.8) |
55.70 (145.9) |
-0.12 |
22.93 (127.6) |
181.58 |
-340.1 |
7 |
Zn(Cl)22ТЭА |
3.16 |
3.76 |
- |
55.46 (141.2) |
56.11 (144.7) |
0.65 |
- |
- |
-342.7 |
8 |
Fe(Cl)32ТЭА |
3.37 |
3.84 |
- |
55.49 (143.8) |
55.19 (144.5) |
-0.30 |
- |
- |
- |
9 |
Rh(Cl)3ТЭА |
3.38 |
3.83 |
- |
55.34 (144.5) |
55.04 (145.3) |
-0.30 |
- |
- |
-339.6 |
10 |
Rh(Cl)3 2ТЭА |
3.57 |
4.04 |
- |
55.40 (144.5) |
55.00 (145.0) |
-0.40 |
- |
- |
- |
С целью подтверждения предложенной схемы были проведены исследования спектров ЯМР 1Н соединений 2, 3 и 6 в условиях варьирования концентрации ТЭА. На рис. 2 показана зависимость химических сдвигов сигналов протонов OCH2 и NCH2 групп в спектре ЯМР 1Н Cd(ac)2 2ТЭА (3) от избытка ТЭА (Х отн. ед.) в образце. Из данных графиков следует, что при увеличении доли свободного лиганда Х от 0 до 10 резонансы OCH2 и NCH2 монотонно изменяются, приближаясь при Х = 10 к величинам, характерным для значений химических сдвигов в спектре ЯМР 1Н ТЭА. Полученные данные характерны для случая быстрого лигандного обмена, который реализуется при данных условиях записи спектров.
В качестве резюме данной работы может быть следующий вывод. Проведен анализ спектров ЯМР на ядрах 1Н, 13С,15N новых биологически активных металлированных ионных жидкостей в растворе D2O, воспроизводящем биомиметические условия. В этих условиях МАИЖ существуют в виде моно-, би- и трициклических структур, которые находятся в равновесии. Сдвиг равновесия зависит от природы металла и отражается на изменении всех параметров в спектрах ЯМР.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н и 13С записаны на импульсном спектрометре BrukerDPX250 при 298K в 5 мм ампулах с использованием методики, позволяющей детектировать резонансные сигналы от ядер, входящих в состав координационных соединений (см., например, [6]). В качестве растворителя применяласьD2O. Значения химических сдвигов в спектрах ЯМР 1Н и 13С пересчитаны относительно тетраметилсилана. Химические сдвиги от сигналов ядер азота измерялись относительно сигнала нитрометанга. Концентрации растворов при записи спектров ЯМР составляли: 1Н - 5%, 13С - 10%, 15N - 10%.
Выражаем признательность доценту Ушакову И.А. за помощь в проведении ЯМР-экспериментов.