Изучение структуры природных терпеноидов и их синтетических производных

“Научное и художественное творчество обычно противопоставляется друг другу как сухая деятельность, с одной стороны, и свободный полет творческой фантазии - с другой. Это противопоставление является, однако, глубоко неправильным, так как в процессе научного творчества фантазия играет не меньшую роль, чем в искусстве. Научная деятельность связана, конечно, и с работой механического или собирательного характера - вычислением, накоплением фактов и т.д. Однако эта работа имеет лишь вспомогательное значение, подобно стилистической работе в литературе или отделке деталей в картине - живописи. Она приобретает смысл и значение лишь в связи с той или иной идеей, которая всегда является продуктом творческой фантазии...”

Яков Ильич Френкель, 1933 г.

Методология исследования пространственной организации молекул

     1. Общие замечания
     2. Задачи прямая и обратная
     3. Как получить геометрию молекулы для решения обратной задачи?
     4. Использование ЯМР
     5. Техника решения обратной задачи при установлении структуры терпеноидов
     6. Установление конфигурации дигидрокариофилленэпоксида

Пространственное строение терпеновых соединений

Чем меньше цикл - тем больше нерешённых проблем

Исследование пространственного строения органических молекул приобрело исключительную важность в связи с изучением биологически значимых молекулярных и надмолекулярных структур - как природных, так и синтетических - ввиду того, что во многих случаях именно пространственная организация элементов молекулярного образования играет решающую роль в проявлении тех или иных биологических свойств. Существует множество групп биологически активных молекул. При том, что набор физических и физико-химических методов исследования является общим для всех этих групп, каждая группа в силу специфики свойств и поведения её молекулярных объектов требует применения специальных приёмов и специально адаптированных методов исследования. Классификация этих групп и связанных с этим специфических приёмов выходит за рамки настоящей работы. Изучение структуры терпеноидов - неотъемлемая задача в ходе любого исследования в области химии терпеновых соединений, будь то чисто фитохимическая работа или же работа по изучению химических свойств природных молекул. Несмотря на огромный прогресс в инструментальных методах, установление строения сложных терпеноидов остается и по сей день занятием сродни искусству, с той лишь оговоркой, что творчеством здесь занимаются практически все, и многие при этом так или иначе совершенствуют известные приемы и создают собственные схемы. Нет никакой возможности процитировать и обсудить все, что делается в этой области. Мы ограничимся здесь лишь упоминанием проблем и обсуждением их в самых общих чертах, остановимся на способах их решения и покажем, какой путь выбрали мы для решения структурных задач, что учитывали, что принимали во внимание и чем пренебрегали.

Методология исследования пространственной организации молекул

Общие замечания

Несмотря на существенные различия в методах установления пространственного строения, применяемых к различным группам веществ, сложилась определенная схема решения микрозадач, которая состоит в последовательном определении: 1) химического строения (имеется в виду строение органического вещества по Бутлерову, т.е. последовательность соединения атомов), 2) пространственного строения (т.е. установление конфигурации каждого фрагмента молекулы, допускающего различное пространственное расположение элементов), 3) анализ конформаций молекулы. Такая последовательность действий сложилась как результат исторического развития структурных методов в химии с одной стороны, и как необходимость учёта все более тонких особенностей строения органической молекулы для объяснения тех или иных особенностей её поведения - с другой. Кроме того, такая последовательность отражает иерархию значимости факторов в ряду химическое строение - конфигурация - конформация, влияющих на поведение молекулы, с точки зрения классической органической химии. Вместе с тем, в области некоторых приложений органической химии, в частности, в области биоорганической химии, ряд относительной важности элементов организации молекулярной структуры меняется на противоположный: зачастую на биологические свойства молекулы существенно большее влияние оказывает как раз форма молекулы, а не ее химическое строение и даже не химический состав. Примеров такого рода множество, и в первую очередь - в области взаимодействий типа фермент-субстрат, субстрат-рецептор, антиген-антитело. К примеру, эффективность блокирования Na-каналов мембран нервных клеток членистоногих при действии на них пиретроидных инсектицидов главным образом определяется размером и формой молекулы пиретроида и в некоторых случаях не зависит от природы атомов, составляющих эту молекулу.

Таким образом, определённая иерархия значимости уровней организации органических молекул и исторические факторы привели к ставшей традиционной схеме исследования органических веществ, заключающейся в последовательном установлении химического строения, конфигурации и конформации. По-видимому, нет достаточных оснований для пересмотра такой устоявшейся схемы, однако надо помнить, что при формальном следовании её логике, достижение поставленной цели может быть искусственно усложнено. В ряде случаев хороший результат может быть достигнут, как мы покажем ниже на примере установления пространственного строения дигидрокариофилленэпоксида, при изменении последовательности в анализе строения, в частности, конформационный анализ может предшествовать определению конфигурации. Но для этого требуется анализ с применением теоретических методов - расчетов геометрических параметров молекул и моделирование их физико-химических характеристик.


Задачи прямая и обратная

Расчетными методами могут быть решены, во всяком случае - в принципе, обе задачи - прямая и обратная: другими словами, по некоторым спектральным характеристикам можно рассчитать геометрию молекулы, и наоборот, по заданной геометрии молекулы можно рассчитать некоторые спектральные параметры. Однако решение прямой задачи, то есть расчет геометрии по спектральным данным, задача чрезвычайно сложная даже для простых систем, что легко можно иллюстрировать на примере неоднозначностей, возникающих при решении простейшей задачи - расчёта геометрии фрагмента R1R2CH- HCR3R4 - по величине вицинальной константы спин-спинового взаимодействия, допустив, что в данном случае величина константы зависит от единственного параметра. Характер зависимости Карплуса (уравнение 1.1.4-1, A=+7, B=-1, C=+5) имеет следствием то обстоятельство, что значение константы ССВ 3JHH=4 Гц может соответствовать либо величине двугранного угла f = 60° , либо 115° . При анализе ациклических соединений это редко является помехой, поскольку первое значение предполагает заторможенную (стабильную), а второе - заслоненную (нестабильную) конформации. Для определённых циклических систем, в которых существуют жёсткие ограничения на величины торсионных углов, как, например, для молекул сахаров, обсуждаемая неоднозначность также исчезает {1}. Но для сложных терпеноидов, содержащих в своей структуре полизамещенные циклы, и в особенности - для среднециклических производных, стабильные конформации молекулы далеко не всегда в точности соответствуют заторможенным конформациям по всем подвижным фрагментам, и внутрициклические торсионные углы для стабильных конформаций могут принимать практически любые значения в интервале f=0-180°, в зависимости от структуры молекулы. Здесь и проявляется реально неоднозначность при решении прямой задачи: величина КССВ 3JHH=7.3±0.5 Гц даёт два значения торсионного угла: f=40±5° и f=135±4° - причём таких значения, которые являются типичными для соединений, содержащих замещенные среднециклические фрагменты.

Но это был простейший случай. В реальной жизни все гораздо сложнее из-за того, что величина константы 3JH-H зависит не только от величины двугранного угла f , но и от других переменных, а именно: от длин связей и валентных углов по маршруту передачи спин-спинового взаимодействия и от электроотрицательности присоединеннных атомов (или групп):

3JH-H = f (f, lC1-H1, lC1-C2, lC2-H2, Q1, Q2, Dc1 . . . Dc4) (1.1.2-1)

Такое уравнение, очевидно, имеет бесконечное множество решений, а на языке химии это означает отсутствие решения, так как поставленную задачу - нахождение геометрии фрагмента молекулы по величине константы ССВ - таким способом решить не удаётся.

Решение обратной задачи - дело принципиально простое, так как зависимость многих спектральных характеристик от взаимного расположения атомов и групп в молекуле хорошо изучена, и использование процедуры решения обратной задачи при установлении пространственного строения очевидно: необходимо среди многих структур, генерируемых для данной молекулы, найти такую, для которой расчётные спектральные характеристики согласуются с экспериментальными. При этом согласие расчётных параметров для одной произвольно выбранной структуры с экспериментальными вовсе не является достаточным, чтобы утверждать, что исследуемая молекула имеет именно такую структуру. Для доказательства необходимо показать, что эта структура является единственной, для которой достижимо такое согласие.

Вопрос в том, как получить исходную геометрию для дальнейших вычислений физико-химических характеристик.

Как получить геометрию молекулы для решения обратной задачи?

 Самым удобным методом исследования пространственного строения природных соединений является метод рентгеноструктурного анализа, который позволяет получать исчерпывающие данные о конфигурации и конформации молекул. Но данный метод применим далеко не всегда из-за того, что многие вещества либо не являются кристаллическими, либо не дают пригодных для рентгеноструктурного исследования монокристаллов. Поэтому доля органических молекул, изучаемых с применением РСА, очень невелика. К тому же этим методом можно изучать пространственную организацию молекулярных структур лишь в кристаллическом состоянии, хотя зачастую гораздо более интересным является форма молекул в жидкой фазе, и в растворенном состоянии в том числе. Информацию о структуре молекулы, близкой по полноте и точности к той, что получается в результате рентгеноструктурного исследования, может быть получена расчётными методами при использовании подходящих методов расчёта.

В общем случае, хорошие результаты дают расчёты методом молекулярной механики {2} и различные варианты полуэмпирических квантово-химических расчетов {3}. Оставим в стороне обсуждение вопроса об использовании неэмпирических квантово-химических расчётов, остающихся недоступными для изучения сложных молекул.

Недостатком большинства доступных расчётных процедур является игнорирование эффектов межмолекулярных взаимодействий, основным из которых является взаимодействие с молекулами растворителя. Хотя частично эти эффекты могут быть все-таки учтены {4}, но эта процедура каждый раз превращается в самостоятельное и довольно трудоёмкое исследование, и учёт влияния растворителя на изменение геометрии за счёт эффектов сольватации является задачей исключительной сложности и к настоящему времени нашла адекватное решение лишь для простейших случаев {5}, хотя в последние годы достигнут заметный прогресс в этом направлении {6}.

Если исследуемое соединение представляет собой конформационно однородное вещество, то здесь нет существенных сложностей, и единственное, что следует помнить, так это то, что расчётная геометрия может несколько отличаться от реальной, в том числе и из-за влияния растворителя. В случае же конформационно неоднородных субстратов, ряды относительной стабильности конформационных изомеров могут претерпеть изменения при переходе от газовой фазы к раствору. Тогда роль расчётов сводится к поиску массива наиболее стабильных форм и определение их геометрии, присутствие которых следует учитывать в дальнейшем анализе.

Сложность структуры подавляющего большинства природных терпеноидов и их производных приводит к тому, что конформационный анализ практически всех без исключения соединений превращается в так называемую сложную конформационную задачу и требует комплексного использования результатов физико-химических измерений {7}. Вместе с тем, особенностью исследуемых молекул является исключительно высокая реакционная способность, граничащая порой с нестабильностью, что существенным образом сужает круг физических и физико-химических методов исследования, оставляя лишь различные варианты спектроскопии ядерного магнитного резонанса в качестве едва ли не единственного метода при исследовании структуры. В то же время как раз спектроскопия ядерного магнитного резонанса позволяет легко решать многие задачи установления структуры сложных молекул, в том числе и их пространственного строения {8}.


Использование ЯМР

Для решения задачи необходимо выявить набор параметров, которые вполне определенным и точно установленным образом зависят от взаимного расположения в пространстве атомов и групп атомов. Такими параметрами, относительно просто извлекаемыми из спектров ЯМР, являются величины констант спин-спинового взаимодействия (2JHH, 3JHH, 4JHH, 3JCH, 3JCC) {9}, индуцированные добавками лантаноидов парамагнитные сдвиги, величины ядерного эффекта Оверхаузера. Можно ли с достаточной точностью рассчитать эти параметры по геометрии молекулы, полученной расчётными методами?

Вопрос о применимости найденных расчетными методами геометрических параметров для вычисления значений констант спин-спинового взаимодействия возникает не на пустом месте. Известно, что молекулярно-механические расчёты, например, хорошо воспроизводя геометрию остова молекулы (“тяжёлых”, т.е. неводородных атомов), иногда не дают достаточно точного расположения атомов водорода, что было показано при сравнении данных молекулярно-механических расчётов с данными газовой электронографии {10}. Для “корректировки” результатов молекулярно-механических расчётов в части воспроизведения координат атомов водорода был предложен подход, состоящий для метиленовой группы - в фиксации С2v симметрии и величины угла QHCH=107.6° , для метинового протона - в фиксации равных углов с соседними “тяжёлыми” атомами. Сам по себе этот прием является спорным, к тому же его применяли только для ациклических молекул. Тем не менее, расчётные методы, и молекулярно-механические расчёты прежде всего, являются единственным способом моделирования геометрических параметров молекулы - хотя и в известной мере приближённым.

Вообще говоря, задача вычисления точных значений констант спин-спинового взаимодействия по геометрическим параметрам молекулы даже в самом простом случае - для вицинальных констант типа 3JH-H - задача далеко не из легких. Для того чтобы понять это, надо лишь сопоставить изящную в своей простоте обобщенную, общеизвестную и общепризнанную зависимость Карплуса для вицинального протон-протонного взаимодействия

3JH-H=A + B ґ cosf + C ґ cos2f (1.1.4-1)

с дающей достаточно хорошие результаты формулой точного расчёта констант вицинального взаимодействия с учётом электроотрицательности заместителей (D c i) и их ориентации {10}:

3JH-H= P1ґ cos2f + P2ґ cosf + P3+ S D c iґ {P4+ P5ґ cos2(x iґ f + P6ґ | D c i | )} (1.1.4-2)

При том, что последняя формула требует введения эмпирических параметров P1-P6, зависимых от количества неводородных заместителей во фрагменте H-CR2-CR2-H, она применима только для ациклических молекул и ненапряжённых циклов и не учитывает отклонения величин длин связей и валентных углов от нормальных значений. А эти отклонения могут драматическим образом изменить вид зависимости при анализе сложных циклических, и в особенности - напряженных, фрагментов, когда взаимное расположение атомов в молекуле существенно отклоняется от “нормального”, оказывая сильное влияние на величины КССВ {11}. Вместе с тем, даже обобщённая зависимость Карплуса в сочетании с методом молекулярной механики даёт прекрасные результаты при исследовании ненапряжённых систем {12}, а также циклических пептидов {13} и терпеноидных макроциклов {14}.


Техника решения обратной задачи при установлении структуры терпеноидов

Несмотря на все сложности и неоднозначности, возникающие в ходе решения обратной задачи при установлении пространственного строения сложных природных объектов, расчётные методы можно с успехом применять для решения разнообразных задач. Имея в виду все приведенные выше соображения, мы придерживались в своей работе следующей схемы изучения строения природных терпеновых соединений и производных, получающихся при их химической модификации:

  1. Установление химического строения молекулы путём исследования химических свойств, спектральных данных (ИК, УФ, масс-спектры, различные варианты спектроскопии ЯМР - NOE, JMOD, LRJMD, INADEQUATE, 2D-INADEQUATE, 2D-CHCORR, 2D-NOESY) и химической корреляции с известными родственными соединениями.
  2. Предварительный анализ для выявления всех возможных пространственных изомеров, включая конформационные, и оценку их стабильности и возможности взаимопревращений.
  3. Проведение пофрагментного анализа (конфигурационного и конформационного) с целью максимального сужения круга рассчитываемых в дальнейшем структур.
  4. Оптимизация геометрии выбранных структур с использованием расчётов методом молекулярной механики (MM2, MMP2, MMX) или полуэмпирических квантово-химических расчётов (PM3, MNDO) - в зависимости от структуры исследуемой молекулы.
  5. Расчёт параметров спектров ЯМР по уточнённой геометрии молекулы.
  6. Сопоставление расчётных и экспериментальных параметров.

Отдельные этапы работы иногда опускались - в зависимости от типа решаемой задачи и сложности изучаемой структуры. Расчеты параметров спектров ЯМР проводились с использованием известных зависимостей:

геминальное взаимодействие протонов вычислялось как функция валентного угла Н-С-Н {15} с поправкой на влияние соседней p -связи {16};

для расчёта вицинального взаимодействия протонов использовали зависимость Карплуса (уравнение 1.1.4-1) с учетом отклонения валентных углов от тетраэдрических [A = 7 - 0.1 ґ (DQ1+ DQ2), B = - 1- 0.05 ґ (DQ1+ DQ2), C=5- 0.12 ґ (DQ1+ DQ2)], принимая во внимание отклонение длины связи С-С от нормальных значений {3J'H-H = 3JH-H ґ [1 - 3 ґ (l- l0)]}, а также вводя поправку на электроотрицательность заместителя [3J''H-H = 3J'H-H ґ (1 - 0.07Dc)] {17};

константы вицинального взаимодействия с участием олефиновых протонов и аллильного взаимодействия протонов рассчитывали по формулам {18}:

3JH-H = (1.1.5-1)

4JH-H = (1.1.5-2)

взаимодействие протонов через 4s-связи в насыщенных углеродных фрагментах вычисляли по формуле {19}:

4JH-H=A ґ cos2f1ґ cos2f2 + C (1.1.5-3)

вицинальное взаимодействие 13С-Н рассчитывали как {20} :

3JC-H=3.6 ґ cos2f - cosf + 4.3          (1.1.5-4)

вицинальное взаимодействие 13С-13С вычислялось по формуле {21}:

3JC-C=2.2 ґ cos2f- 0.2 ґ cosf+1.7 (1.1.5-5)

индуцированные добавками лантаноидов химические сдвиги протонов вычисляли в приближении псевдоконтактного сдвига как функцию расстояния до атома лантаноида и угла между линией, соединяющей атом водорода с атомом лантаноида, и магнитной осью комплекса {22}:

DdH = A ґ (1 - 3 ґ cos2Q )/r3 (1.1.5-6)

величины гомоядерного эффекта Оверхаузера учитывали лишь качественно {23}.


Установление конфигурации дигидрокариофилленэпоксида

Продемонстрируем использование этого подхода на примере установления конфигурации атома С-8 и конформации молекулы 8,13-дигидрокариофиллен-эпоксида (2) {24} [1,2] . Это соединение, получающееся при каталитическом гидрировании природного сесквитерпеноида кариофиллен-4b,5a-эпоксида (1) [3], является очень удобным объектом для такого рода исследования, поскольку имеет одинаковую конформацию в растворе и кристаллическом состоянии (ИК-спектры этого эпоксида в области 1600-400 см-1 практически идентичны для раствора в CCl4 и для таблеток в KBr [4]), что позволяет легко проверить прямым рентгеноструктурным исследованием выводы о пространственном строении и, следовательно, о применимости предложенного подхода. Простейшим способом установления конфигурации атома С-8 является, по-видимому, анализ спектров ЯМР, записанных с добавками парамагнитных сдвигающих реагентов. Надежная интерпретация полученных таким способом данных возможна только при условии, что точно известна конформация девятичленного цикла, и эта конформация не меняется при добавлении реагента сдвига. Второе условие легко соблюсти, применяя малые добавки сильно сдвигающих реагентов, например, солей иттербия. Для определения же конформации девятичленного цикла требуется специальное исследование.

В молекуле эпоксида 2 можно выделить три фрагмента - С1-С2-С3-С4, С5-С6-С7 и С7-С8-С9, внутримолекулярное движение которых определяет конформационную подвижность данной молекулы {25}. Пофрагментный анализ с использованием спектров ЯМР 1Н позволяет однозначно зафиксировать конформации первых двух фрагментов, но не дает возможности достоверно определить конформацию последнего из них. Сигналы атомов aH7, bH7 и H8 не удается проанализировать, т.к. они перекрываются с другими мультиплетами, к тому же атомы aH7 и H8 образуют сильно связанную спиновую систему, что делает невозможным анализ спектральных линий для атомов a,bH6 и H9 в приближении первого порядка. С использованием результатов двумерной спектроскопии ЯМР (13C-1H-корреляция, 1JC-H=140Гц), были рассчитаны величины констант ССВ 3J(H5-a,bH6) и 3J(H8-H9). Расчёты методом молекулярной механики показывают, что при фиксированной конформации фрагментов С1-С2-С3-С4 и С5-С6-С7 существуют две стабильные формы девятичленного цикла, что при наличии неопределённости конфигурации атома С-8 приводит к необходимости расчёта для четырех структур (2-А-2-Г) [5]:

2-А

2-Б

2-В

2-Г

Полученные геометрические параметры этих четырёх форм использованы для вычисления величин констант спин-спинового взаимодействия [6] и индуцированных добавками лантаноида (Yb(fod)3) величин химических сдвигов. Сопоставление расчётных и экспериментальных параметров (показанных ниже в таблице) для фрагмента С5-С6-С7 фиксирует конформацию девятичленного цикла (пока без уточнения конфигурации атома С-8) и показывает, что в исследуемой молекуле конформация циклононанового фрагмента должна быть такой, как в структурах 2-В и 2-Г.

Расчётные и экспериментальные параметры спектров ЯМР
для 8,13-дигидрокариофиллен-эпоксида (2)

    рассчетные
данные
рассчетные
данные
рассчетные
данные
рассчетные
данные
  2* 2-А 2-Б 2-В 2-Г
3J(H5-aH6) 11.0 10.9 10.5 11.0 11.8
3J(H5-bH6) 4.0 6.1 6.4 2.1 4.0
3J(bH6-aH7) 6.0 12.6 11.9 7.7 5.8
3J(bH6-bH7) 2.0 4.1 4.8 2.0 2.5
3H(H8-H9) 4.0 9.4 2.3 9.9 5.6
DdH8 0.28     0.17 0.28
DdH13 0.12     0.23 0.10

* Экспериментальные данные


 

Отметим, что расчётные константы 3J(H8-H9) для обоих структур значительно отличаются от экспериментальной величины (по-видимому, из-за сильной деформации тетраэдрического окружения атома С-8). Дальнейший анализ величин индуцированных добавкой лантаноида химических сдвигов (Dd) позволяет провести уточнение и сделать однозначный выбор в пользу R-конфигурации атома С-8, как в структуре 2-Г. Проведённый рентгеноструктурный анализ подтвердил, что дигидрокариофилленэпоксид является 8R-производным, а конформация молекулы в кристалле такая же, как для формы 2-Г {26}.

Пространственное строение терпеновых соединений

Отдавая себе отчёт в том, что перечисления всегда утомительны, приведём, тем не менее, список молекул, пространственное строение которых было исследовано с использованием разобранного выше подхода. В списке этом находятся структуры как природных молекул, так и синтетических, полученных на основе природных веществ в ходе исследований, описанных в следующих главах данной работы. Среди исследованных природных молекул доминируют сесквитерпеноиды (С15-терпеноиды) - и это не случайно. Именно сесквитерпеновые соединения, как компоненты растительных экстрактов, изучены менее всего среди других групп выделяемых вместе с ними родственных соединений, поскольку находятся в природных источниках в значительно меньших количествах, хотя вряд ли имеют себе равных по разнообразию структурных типов их молекул [7].

 

 "Среди признаков нет более верного и ясного, чем принесенные плоды. Ибо плоды и практические изобретения суть как бы поручители и свидетели истинности философии."

Фрэнсис Бэкон

Установлено, что стабильной конформацией молекулы 3-карена является не ванноподобная конформация, как полагали ранее {27}, а плоская форма, в которой все 6 атомов углерода шестичленного цикла лежат в одной плоскости (внутрициклические торсионные углы - не более 6.5° ) [8-12].
 
Установлено химическое строение и конфигурация двух изомерных эпоксилактонов урсанового (3) и изоурсанового (4) типов - продуктов окисления ацетилурсоловой кислоты [13].
 
Исследована конформационная подвижность цикла "А" производных 9b Н-ланостанового ряда и проведена детальная интерпретация спектров ЯМР 1Н и 13С абиеслактона и его 3-кетопроизводного 5 - природных тритерпеноидов, компонентов экстракта коры пихты сибирской Abies sibirica {28}. Показано, что неприменимость аддитивных схем при анализе спектров ЯМР 13С этого ряда соединений связана с конформационной неоднородностью 3-кетопроизводных, причем изменение конформации цикла "А" приводит к существенным деформациям циклов "B" и "C" [14].
 
Установлено строение и абсолютная конфигурация микробиотола (6) - сесквитерпенового спирта, выделенного из экстракта хвои микробиоты Microbiota decussata {29}  [15].
 
Установлены химическое строение, относительная конфигурация и конформация в растворе нового эпоксикетона гермакранового типа 7, выделенного из эфирного масла багульника болотного Ledum palustre [16].
 
Установлена конформация молекулы b-панасенсена - компонента эфирного масла жень-шеня Panax ginseng - и родственных кислородсодержащих соединений - b-панасенсен-5a-ола (8) и b-панасенсен-5-она [17].
 
Установлено строение нового сесквитерпенового спирта (4S,5S, 10S)-селина-6-ен-4-ола (9), выделенного из живицы пихты белой Abies alba [18].
 
Определена конформация в растворе молекулы d-кадинола (10) - природного сесквитерпенового спирта, содержащегося в живице кедра сибирского Pinus sibirica: цикл "A" - полукресло, цикл “Б” - кресло с экваториальным расположением гидроксильной и изопропильной групп [19].
 
Исследовано пространственное строение и проведен конформационный анализ 2b-ацетиламино и 2b-гидрокси замещенных производных a-муролена и их моно- и диэпоксидов. Показано, что все исследованные соединения этого ряда являются конформационно однородными субстанциями (при комнатной температуре в малополярных растворителях типа CCl4, CHCl3), а конформация бициклической системы определяется наличием эпоксидных циклов [20].
2b-Замещенные производные 11: цикл "A" - полукресло с псевдоаксиальным заместителем при С-2, цикл "B" - полукресло с экваториальной изопропильной группой; 2b-замещенные 3b,4b-эпоксипроизводные 12: цикл "A" - полукресло с псевдоэкваториальным заместителем при С-2, цикл "B" - полукресло с аксиальной изопропильной группой; 2b-замещенные 3b,4b;8b,9b-диэпоксипроизводные 13: цикл "A" - полукресло с псевдоаксиальным заместителем при С-2, цикл "B" - полукресло с экваториальной изопропильной группой. Обнаружен сильный "направляющий" эффект ацетиламиногруппы в реакции эпоксидирования соседней двойной углерод-углеродной связи, проявляющийся в том, что моно-эпоксидирование ацетиламинопроизводного 11 происходит только по месту 3,4-двойной связи, в то время как соответствующее гидроксипроизводное дает смесь изомерных 3,4- и 8,9-моноэпоксидов [21,22].
 
Исследовано химическое строение и определена конфигурация продуктов восстановления литием в жидком аммиаке четырех стереоизомерных 4,5-эпоксидов кариофилленового типа и показано, что восстановление сопровождается биомиметической циклизацией с образованием соединений со скелетом 4,8-циклокариофиллана 14 [23] (углеродный скелет природного антибиотика пунктатина А {30}) или 5,8-циклокариофиллана 15[24] (скелет природного сесквитерпенового спирта корайола, выделенного из живицы кедра корейского Pinus koraiensis {31}). Обнаружено, что стереохимия восстановления и циклизации контролируется конфигурацией исходного эпоксида, и из всех четырех эпоксидов образуются трициклические продукты, принадлежащие к различным конфигурационным рядам.
 
Установлено строение изокариолан-8-ола (17) - продукта циклизации кариофиллена (16), циклизации нового типа, протекающей на поверхности твердого кислотного катализатора - окиси алюминия, импрегнированной серной кислотой [25].
 

Установлена стереохимия нуклеофильного замещения атома хлора в нитрозохлоридах терпенового ряда и показано, что замещение протекает с сохранением конфигурации по типу отщепления-присоединения. Уточнена конфигурация производных ряда a-замещенных оксимов, на примере производных 3-карена 18,a-пинена 19 и лимонена 20 показана ошибочность применявшегося ранее подхода к установлению пространственного строения терпеновых a-аминооксимов. Обнаружено, что стабильной конформацией 2-аминозамещенных производных пинокамфона является не кресловидная форма {32}, а Y-образная конформация, в которой атомы С1, С2, С3, С4 и С5 располагаются приблизительно в одной плоскости [26,27].

 
Установлено пространственное строение терпеновых нитроацетатов - продуктов окисления a,b-непредельных оксимов ряда лимонена 21, a-муролена 22 и 3-карена 23 [28].
 
Установлена структура секо-производного муроланового ряда 24, образующегося при расщеплении ацетата d-кадинола по месту двойной углерод-углеродной связи [29].
 

Установлено, что молекула кариофиллен-a -оксида (1) при комнатной температуре существует в растворе (CDCl3, C6D6) в виде двух конформационных изомеров (ba:aa » 1:1), претерпевающих быстрое взаимопревращение (D H = 7 ккал/моль) [30].
 

Установлено, что гумулен-6,7-эпоксид (25) является соединением конформационно однородным - конформация CT представляет собой единственную конформацию, обнаруживаемую экспериментальными методами в растворе. Эти данные согласуются с экспериментальными данными по трансаннулярным превращениям этого сесквитерпеноида [30].

 

Чем меньше цикл - тем больше нерешённых проблем

"Никогда не выпадет свыше на долю человека такая удача, чтобы не было к ней подмешано чего-то неприятного, так что и в самой полной радости есть какая-то, пусть даже очень незначительная, неудовлетворенность, и мёд каким-то образом смешивается с желчью: нет розы без шипов."

Апулей, "Флориды"

Серьёзные проблемы возникают тогда, когда в рассмотрение вовлекается фрагмент молекулы с сильно искажённой геометрией. К такого рода фрагментам в молекулах терпеновых соединений - как природных, так и синтетических - относится в первую очередь a-эпоксидный цикл. a-Окиси терпенов, имея большое значение с точки зрения синтетического использования {33}, а также как модельные соединения (изоконформационные по отношению к соответствующим ненасыщенным углеводородам) при изучении процессов перегруппировок терпеноидов {34}, во многом остаются загадочными. Во-первых, сами расчёты геометрии и теплот образования эпоксисоединений имеют определённые трудности. Достаточно сказать, что если молекулярная механика как рутинный расчетный метод насчитывает уже два десятка лет {35}, то только недавно {36} появились первые наборы параметров, более или менее удовлетворительно описывающие a-эпоксидный цикл и его ближайшее окружение. Во-вторых, большинство из приведённых выше эмпирических зависимостей констант ССВ от геометрических параметров молекулы дают хорошие результаты лишь тогда, когда геометрия анализируемого фрагмента не сильно отличается от “нормальной” {37}. Поэтому для расчёта констант ССВ около эпоксидного цикла требуются специальные уравнения, которые работают, однако, только в пределах ограниченного круга объектов {38}.

Приведем три примера, когда наличие a -эпоксидного цикла так или иначе осложняет интерпретацию результатов и затрудняет анализ.

 

6,7-Эпоксигумулен (25). Конформация фрагмента молекулы, содержащий a -эпоксидный цикл, решается легко на этапе предварительного анализа с использованием данных гомоядерного эффекта Оверхаузера, качественного рассмотрения величин констант ССВ и анализа протонных химических сдвигов. Проблема состоит в том, что предсказываемые расчётными методами конформации (ТС - по данным молекулярной механики, СС - по данным квантово-химических расчётов) не соответствуют конформации, обнаруживаемой экспериментально (конформация СТ).

11,12-Эпоксиды урсанового (3) и изоурсанового (4) рядов. Эти соединения формально принадлежат к группе замещенных эпоксициклогексанов, которые хорошо изучены как раз на примере сложных полициклических соединений (терпеноидов и стероидов). Но для соединений 3 и 4 расчётные величины констант ССВ не согласуются с экспериментальными. Рентгеноструктурный анализ обоих эпоксидов показал, что как сам эпоксидный фрагмент, так и тетраэдрическое окружение соседнего атома углерода (атом С-9) существенно деформированы, что и является, по-видимому, причиной аномальных величин констант ССВ.

Стереоизомерные 3,4-эпоксикараны 26 и 27. Расчеты показывают, что стабильными конформациями для обоих эпоксикаранов 26 и 27, в отличие от исходного ненасыщенного углеводорода - карена {39}, являются более или менее деформированные ванноподобные формы, показанные ниже в таблице. Несмотря на то что для обоих изомеров расчёты предсказывают предпочтительность одной из форм, но сравнение расчётных и экспериментальных значений констант спин-спинового взаимодействия 3JН-Н не позволяет сделать однозначный выбор. Экспериментальные значения не совпадают с расчётными ни для случая доминирования одной из форм, ни для разных вариантов их быстрого взаимопревращения при сопоставимой заселённости:

Структуры и относительные теплоты образования (DDH°¦, ккал/моль) конформационных изомеров эпоксикаранов 26 и 27 по данным молекулярной механики

image113.gif (1718 bytes)
0.0 9.4
1.4 0.0

По-видимому, в данном случае требуется разработка специальных методов расчёта констант ССВ, учитывающих одновременное присутствие двух разных трехчленных циклов {40}.

Проблемы, связанные с эпоксидным циклом, не исчерпываются лишь усложнением анализа их спектров ЯМР. Процессы образования и раскрытия эпоксидного цикла, хотя и изучены всесторонне на простых объектах, дают зачастую непредсказуемые результаты на природных молекулах, и особенно - в случаях высокой пространственной нагруженности около реакционного центра или же в присутствии других функциональных групп, способных внутримолекулярно взаимодействовать либо с реагентом, приводя к появлению дополнительных взаимодействий в переходном состоянии и тем самым стабилизируя или наоборот, дестабилизируя его, либо вступать во взаимодействие с первичным продуктом реакции, инициируя вторичные превращения - порой достаточно неожиданные. Поэтому изучение реакций, связанных с образованием и раскрытием эпоксидных циклов в молекулах сложных природных соединений - это каждый раз новое, порой весьма сложное самостоятельное исследование, вписывающее очередную страницу в Летопись, посвящённую a -эпоксидному циклу. Попытки систематизировать и уточнить данные в одном из разделов этой Летописи - описании процессов окисления тритерпеноидов ряда a-амирина - как раз и изложены в следующем разделе данной работы.