Спектры ядерного магнитного резонанса (CMR) углерода-13 демонстрируют заметную чувствительность к таким важным характеристикам химической структуры, как гибридизация углерода, электроотрицательность гетероатомов, разветвление и стерическое скучивание. Потенциально, CMR является чрезвычайно богатым источником структурных данных в органической химии, способным конкурировать или даже превосходить протонный магнитный резонанс. В исследовании, предложенном здесь, мы намереваемся развить этот потенциал в области химии стероидов. Факторы, которые определяют CMR-спектры стероидов, только скромно хорошо поняты. Мы начали и предлагаем здесь продолжить систематическое изучение семейств близкородственных стероидов (кето- и гидроксиандростанов и холестанов) с убеждением, что только с помощью такого систематического исследования можно определить основные факторы, регулирующие спектры CMR стероидов. быть выявленным. Мы намерены дать количественную оценку этим факторам как правилам прогнозирования, которые связывают спектры со структурами, и разработать компьютерные методы использования этих правил для извлечения структурной информации из спектров CMR неизвестных стероидов. Мы также предлагаем разработать несколько химических методов (процедур дериватизации) для увеличения информативности таких спектров.
За последние двадцать лет явление ядерного магнитного резонанса »2 (ЯМР) превратилось из лабораторного любопытства в один из самых мощных аналитических инструментов в химии. Сам эксперимент состоит из наблюдения в приложенном магнитном поле резонансных частот (в радиочастотном диапазоне) магнитных ядер в жидком химическом образце. Анализ спектров ЯМР дает химические сдвиги и константы связи, которые отражают, соответственно, химическую среду и связи или пространственные отношения между атомами, ядра которых являются магнитными. Поскольку протоны являются магнитными, особенно сильно взаимодействуют с электромагнитными полями, и поскольку они присутствуют практически во всех органических соединениях, протонный ЯМР (ПМР) нашел широкое применение в органической химии. Литература по спектроскопии ПМР огромна, и часто обнаруживается, что спектры ПМР дают химическую информацию, которую было бы трудно, если не невозможно, получить любым другим методом. Определение структуры и конформации 394, анализ смесей, 435, исследование скоростных процессов6 и выяснение механизмов реакции 7 – все это существенно помогло с помощью методов ПМР. Другими ядрами, часто наблюдаемыми с помощью ЯМР, являются F-19, P-31 и C-13. Первые два не являются обычными неорганическими соединениями и поэтому используются для более специализированных исследований.
Углерод, по определению, встречается во всех органических молекулах, но только около 1 изотопа C-13. Это, вместе с тем фактом, что ядра С-13 почти на два порядка менее чувствительны, чем протоны к эксперименту с NMP, препятствует широкому использованию ЯМР С-13 (CMR) в качестве аналитического инструмента для химиков-органиков. Тем не менее, недавние инструментальные достижения 8, такие как методы импульсного преобразования Фурье и 9 -11 шумовая модуляция протонной развязки, позволили получить спектры CMR естественного изобилия даже больших молекул (например, стероидов) или низкой концентрации (около 0,05). M) образцы в течение достаточно короткого времени (0,5 – 10 часов). Исследования, проведенные на сегодняшний день 12, показывают, что химические сдвиги C-13 (которые составляют первичные данные, обычно собираемые в эксперименте CMR), охватывают широкий диапазон (около 200 промилле) относительно сдвигов Hl (около 10 – – PPm1, и являются Высокая чувствительность к гибридизации, электроотрицательности заместителей, разветвленности и стерическому скучиванию. Таким образом, CMR-спектроскопия является потенциально богатым и очень полезным источником структурных данных. По мере дальнейшего развития инструментального проектирования CMR-спектроскопия станет все более доступным и информативным инструментом. в органической химии.
ЦЕЛИ И ЗНАЧЕНИЕ
Предлагаемые здесь исследования направлены на понимание факторов, определяющих химические сдвиги C-13 в стероидах, и на разработку компьютерных методов, с помощью которых химик может получить структурную информацию из спектров неизвестных стероидов. Этот класс соединений был выбран по двум причинам. Во-первых, стероидный скелет является более или менее жестким, обеспечивая относительно контролируемую структуру, в которой можно изучать влияние стерических помех и других геометрических факторов на сдвиги C-13. Во-вторых, большая часть химии стероидов и натуральных продуктов включает в себя идентификацию или проверку стероидных структур, и поэтому мы ожидаем, что наши результаты будут иметь значительную практическую полезность. На текущем уровне понимания химических сдвигов C-13 в настоящее время невозможно с большой уверенностью предсказать спектр CMR данного стероида, хотя, ссылаясь на простые модельные системы, часто можно рационализировать знаки и общие величины спектральные изменения, которые происходят при изменении природы и положения заместителей. В настоящее время сложной задачей является просто назначить спектр известного стероида, то есть определить, какие наблюдаемые пики принадлежат каким углеродам.
Первое окончательное исследование CMR стероидов было представлено только четыре года назад Roberts et al. 13 – В этом отчете представлены назначенные спектры почти тридцати различных стероидов с заданием назначения, выполненным «I… с использованием специфической одночастотной и нерезонансной развязки протонов, воздействия гидроксиацетилирования на химические сдвиги, дейтерирование и влияние заместителей в аналогичные соединения… » С тех пор несколько других авторов 14 сообщили об исследовании CMR стероидов, но только недавно началось систематическое исследование 15,16 семейств тесно связанных стероидов. Мы сообщили о 16 назначенных спектрах четырнадцати кетозамещенных андростанов и холестанов, где кетогруппа занимает все возможные позиции вокруг скелета. В настоящее время мы собираем данные по аналогичной серии гидроксизамещенных стероидов, и также ведется работа над серией стероидов, содержащих одну эндоциклическую двойную связь.
Начальная стадия или предлагаемое нами исследование состоит в завершении гидроксильного ряда и получении спектров CMR нескольких бифункциональных (например, дигидрокси и кетогидрокси) стероидов. Имея такой сборник систематизированных данных, мы сможем изучить влияние на С-13 изменений этих трех типов функциональных возможностей, как по отдельности, так и в комбинации, которые на сегодняшний день являются наиболее распространенными типами, встречающимися в природных стероидах. Из этих данных мы ожидаем, что сможем извлечь правила, которые позволят точно предсказать спектры CNR стероидов, содержащих эти группы. Zffrcher ‘* – 20 вывел чрезвычайно полезный свод правил, связывающих скелетные замены в стероидах с изменениями PMR-сдвигов протонов в угловых метильных группах.
Правила C-13, которые мы ищем, будут относиться не только к угловым метильным группам, но и ко всем углеродам в скелете, и, таким образом, предоставят намного больше информации, чем правила Циркера. Эти правила CNK также станут основой для предлагаемой нами работы по компьютерной интерпретации данных CNR (см. Ниже). – В качестве второй части нашей работы мы предлагаем изучение процедур обратимой дериватизации, которые помогут в назначении спектров известных стероидов и в анализе спектров неизвестных стероидов. Робертс и его коллеги 13 обнаружили, что ацетилирование гидроксильной группы в стероиде вызывает характерные изменения, главным образом из-за стерических эффектов, в сдвигах атомов углерода, близких к этой группе. Они использовали этот эффект при назначении таких смен. Мы предлагаем изучить влияние других производных гидроксильной группы, в частности, 2,4,6-триметилбензола (сами бензоаты, по нашему мнению, не показали никаких преимуществ по сравнению с ацетатами), трифторацетата и триметилсилилового эфира.
Эти производные обладают другими стерическими и электронными свойствами, чем ацетаты, и, таким образом, должны давать различные закономерности изменения спектра, обеспечивая удобное средство для увеличения информационного наполнения обычных спектров CMR. Мы также предлагаем наблюдать изменения C-13-сдвига, которые происходят при циклической кетализации карбонильных групп, и мы ожидаем, что такие изменения будут полезны при определении локального окружения кетогрупп на стероидах. Было обнаружено 21,22, что присутствие парамагнитного комплексообразующего агента (например, реагента «сдвиг лантаноидов») вызывает большие изменения в химических сдвигах С-13 спиртов и кетонов. Эти изменения могут быть связаны с геометрией комплекса, которая отражает геометрию спирта или самого кетона. Мы намерены изучить использование таких сдвиговых реагентов для содействия интерпретации стероидных спектров ХР.
Особый интерес будет представлять собой различие между JA- и p-гидроксистероидами. Ожидается, что сильно различающиеся стерические среды аксиальных и экваториальных гидроксильных групп будут оказывать выраженное влияние на геометрию комплекса, и, таким образом, должны получиться очень разные схемы смещения лантаноидов. Если это так, эффект должен обеспечить удобное средство для различения стереохимии стеролов. -8- Третий аспект предлагаемого исследования включает разработку компьютеризированных методов для автоматического извлечения структурной информации из спектров CMR. Это представляет собой логический рост нашего проекта «Эвристический ДЕНДРАЛ», 23-28, восьмилетних совместных усилий наших лабораторий и департаментов генетики и компьютерных наук. Целью проекта является разработка приложений эвристического программирования («искусственного интеллекта») для решения задач химического вывода, при этом основная часть усилий направлена на компьютерную интерпретацию масс-спектроскопических (МС) данных.
В раннем исследовании DENDRAL 24,25 были обработаны только насыщенные, ациклические, монофункциональные соединения, но недавно мы сообщили об успешной идентификации структур эстрогенных стероидов 25 (и их смесей 27) с помощью компьютерной интерпретации данных МС. , Поскольку сложность составных классов возросла, мы почувствовали растущую потребность в источниках структурных данных, кроме MS. Данные CMR показывают чувствительность к стереохимии и размещению заместителей, которая дополняет, а не дублирует информацию, полученную из MS, и, таким образом, CMR является идеальным кандидатом. Мы продемонстрировали 28 возможность использования данных CMR в автоматизированном структурном анализе. Используя подробный и точный набор правил прогнозирования 29 для насыщенных ациклических аминов, мы создали компьютерную программу, которая может «обосновывать» структуру такого амина, исходя из его эмпирической формулы и спектра CMR. Аналогичные усилия предлагаются для стероидов (по крайней мере, тех, которые содержат эндоциклические двойные связи, карбонильные группы и гидроксильные заместители), в которых структурная информация будет выведена из данных CMR с использованием точных правил прогнозирования. Затем эту информацию можно интегрировать с результатами, полученными при дериватизации или специальных методах CMR, 9 и (при необходимости) из анализа MS, чтобы получить возможные структуры. Такая система не только имела бы значительную полезность, но и стала бы важным достижением в «современном состоянии» как в спектроскопии CMR, так и в химической обработке информации.
A. Спектры CMR стероидов
Мы планируем завершить серию стеринов путем синтеза [электронная почта защищена] , [электронная почта защищена] , 74-, 9+, lbc-, 14ti- 16x- и 176-андростанолы или холестанолы, чьи CMR-спектры (импульсные спектры с преобразованием Фурье, полученные с частотой 25 МГц с использованием шумоподавленной протонной развязки) будут записаны и назначены. Мы разработали вероятные пути синтеза для их приготовления, используя общепринятые процедуры и исходя из соединений, доступных в наших лабораториях. Чтобы проверить степень зависимостей аддитивности и различных взаимодействий заместителей, мы аналогичным образом синтезируем и регистрируем спектры двух или трех дюжин дигидрокси и кето-гидрокси андростанов и холестанов. Выбор кандидатов будет зависеть от результатов анализа монофункциональных стероидов. Используя статистические процедуры, аналогичные методам Даллинга и Гранта, 30, и Линдемана и Адамса, 31, мы попытаемся сопоставить s / структурные переменные с химическими сдвигами, целью которых является получение точного набора параметров заместителей для стероидов. При оценке эффектов стерического скучивания и скелетного искажения мы планируем использовать компьютеризированную классически-механическую модель молекулярной структуры, такую как модели типа Вестхаймера, недавно рассмотренные Шлейером.
<Р> <сильный> В. Дериватизации
Мы предлагаем проанализировать изменения в С-13 сдвигах, которые происходят, когда гидроксильная группа в некоторых из вышеуказанных андростанолов и холестанолов дериватизирована в 2,4,6-триметилбензол, трифторацетат и триметилсилиловый эфир. Мы предлагаем аналогичным образом исследовать эффекты кетализации (с этиленгликолем) нескольких андростенонов и холестанонов. Мы предлагаем проанализировать влияние реагентов сдвига лантаноидов (в различных концентрациях) на спектры CMR нескольких гидрокси- и кетостероидов, с особым акцентом на пары стеринов, которые отличаются только ориентацией гидроксильной группы. Эти исследования будут направлены на разработку набора неразрушающих химических методов для увеличения информации, доступной из спектров CMR.
<Р> <сильный> С. Компьютеризированная интерпретация данных CMR
Предлагаемое нами исследование в этой области состоит из трех этапов, каждый из которых будет использовать методы эвристического программирования, разработанные в нашем проекте DENDRAL. Во-первых, мы намереваемся разработать программу, которая поможет в назначении спектров, полученных в; …
Полимеры представляют собой большие молекулы и имеют одну и ту же структурную единицу, повторяющуюся снова и снова, и эти повторяющиеся единицы известны как мономеры. Эти
Пероксидазы – это оксидоредуктазы, созданные рядом растений и микроорганизмов. Уменьшение количества пероксидаз в непосредственной близости от субстрата, дающего электроны, делает пероксидазы ценными в многочисленных бизнес-приложениях.
Размер первичных частиц ND, полученных методом детонации, хорошо подходит для биомедицинских исследований, продукты детонации должны быть тщательно очищены. В зависимости от материалов и матриц, присутствующих