Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice. konfigurace na dvojné vazbě a na šestičlenných kruzích konformace furanosového kruhu TOCSY

Transkript

1 Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice konfigurace na dvojné vazbě a na šestičlenných kruzích konformace furanosového kruhu TOCSY

2 Karplusova rovnice ve strukturní analýze J(H,H) = A + B cos f + C cos f praxe A, B, C... empirické konstanty J 180 > J 0 J(trans) > J (cis) teorie Konfigurace alkenů J(cis): 6-14 Hz (obvykle 10) J(trans): 14-0 Hz (obvykle 16) J(cis) J(trans)

3 Konformace alkánů 180 o 0 o 60 o střídavá zákrytová gauche J(trans) > J(cis) > J(gauche) > J(90 o ) 0

4 Konfigurace na šestičlenných kruzích J(aa) > J(ae) = J(ee) J(aa): Hz (obvykle 7-9) f = 180 o J(ae) = J(ee): - 5 Hz (obvykle - 5) f = 60 o

5 Konfigurace na pyranosovém kruhu Jaké je zastoupení anomerů D-glukopyranosy v roztoku D O? b- 1 a- 1 J = 7.9 Hz J =.7 Hz a- b-

6 Anisotropní efekt anomerních protonů 5.18 ppm.97 ppm.78 ppm a- b ppm

7 Konfigurace na pyranosovém kruhu 9.6 Hz.0 Hz dd ddd 1.8 Hz.0 Hz 1.8 Hz 4 J(,eq) = J(,ax) = J(ax,eq) = J(eq,4) = J(ax,4) = J(4,5ax) J(4,5eq) = J(5ax,5eq) J(5ax,6) J(5eq,6) = m Hz 1.7 Hz 9.6 Hz ddd 1 Hz 5 ddd

8 Případ konformační rovnováhy.6 Hz eq 5. Hz.6 Hz 7. Hz 1.9 Hz ax 5. Hz 5.9 Hz 1.9 Hz dd ddd ddd J(,eq) =.6 Hz J(,ax) = 5. Hz J(ax,eq) = 1.9 Hz J(eq,4) = 7. Hz J(ax,4) = 5.9 Hz

9 6a, 6b 5 Odečítání interakčních konstant 4 J(6a,6b)=10.8 Hz J(6a,5)= 7.6Hz J(6b,6a)=11.8 Hz J(6a,5)= 5.0Hz J(,)=1.1 Hz J(,)=1.0 Hz J(,4)=.9 Hz J(4,)=4.8 Hz J(4,5)=. Hz 4 J(5,4)=? J(5,6a)=? J(5,6b)=? 5 6a 6b odečet J není přesný J v interagujících multipletech nejsou totožné J složitějších multipletů nelze odečíst vůbec získání přesných hodnot J: simulací spinových systémů (např. Mnova, Perch)

10 Spinová simulace (Mnova) Naměřené spektrum 6a, 6b Simulované spektrum 6a 6b

11 Konformace furanosového kruhu cyklopentan - nelze rozlišit konformery zavedení substituentu nebo heteroatomu do cyklopentanového kruhu má za následek zvýšení energetické bariéry možnost identifikace konformerů furanosový kruh - většinou není planární - vyskytuje se ve dvou konformacích E, T obálková (E, envelope) zkřížená položidlička (T, twist ) E 1 E T

12 Pseudorotační itinerář přechody mezi konformery furanosového kruhu lze popsat v pseudorotačním itineráři prostřednictvím nezávislých parametrů: fázovým úhlem pseudorotace P (poloha v pseudorotačním itineráři) pucker amplitudou m (vychýlení atomů z roviny) Většina furanos: P = 0-6 o - N typ P = o - S typ m = 4-4 o

13 Konformace furanosového kruhu Distribuce fázového úhlu P v RNA a DNA nukleotidech ve vybraných krystalových strukturách z databáze nukleových kyselin (NDB). J. Chem. Inf. Comput. Sci. 004, 44, Určení přesné konformace furanózy není akademická záležitost, protože většina cílových enzymů vázajících nukleotidy má striktní požadavky na konformaci furanózy.

14 Výpočet konformace furanosového kruhu (zobecněná Karplusova rovnice) H R N O 4 N H 1 naměřené interakční konstanty J(H,H): H R O R = COOEt H O CH H C J(1,) =.6 J(,) = 0.5 J(,4) = 4.5 J(4,5a) =. J(4,5b) = 0 J(Ha,Hb) = P1 cos f + P cos f + P + i (P4 + P5 cos ( i f + P6 i )) předpoklad: furanosa se vyskytuje v 1 konformaci zobecněná Karplusova rovnice (Haasnoot, Leeuw, Altona): respektuje počet, elektronegativity a orientace substituentů byl parametrizován použitím geometrických dat (X-ray) a experimentálních hodnot J(H,H) velkého souboru sloučenin

15 Výpočet konformace furanosového kruhu (schematický postup při výpočtu) J(Ha,Hb) = P1 cos f + P cos f + P + i (P4 + P5 cos ( i f + P6 i )) (Haasnoot, Leeuw, Altona) Karplusova rovnice Experimentální data J exp fitování P, Φ m J vyp P = 57.5 o m = 6.5 o Empirické rovnice f 1 = m cos (P - 144) f = m cos P f 4 = m cos (P + 144) E

16 Výpočet konformace furanosového kruhu (výsledky) P = 57.5 o m = 6.5 o severní typ pravděpodobná konformace:e N COOEt EtOOC N O O O CH CH Dvořáková, Hana, Moravcová, Jitka, nepublikované výsledky.

17 Výpočet konformace furanosového kruhu (parametry) J(Ha,Hb) = P1 cos f + P cos f + P + i (P4 + P5 cos ( i f + P6 i )) f i = i a - P7 i,jb i a, i,jb rozdíly Hugginsových elektronegativit mezi a nebo b substituentem a vodíkem: 1. (O), 0.4 (C), 0.85 (N), (P) i parametr, který vyjadřuje orientaci substituentu: i = +1, je-li úhel H a -C-S ia = +10 o i = -1, je-li úhel H a -C-S ia = -10 o Hodnoty parametrů P1 až P7 závisí na počtu a substituentů Počet P1 P P P4 P5 P6 P7 substituentů

18 Výpočet konformace furanosového kruhu (parametry) Výpočet vlivu elektronegativity i na segmentech C 1 -C, C -C, C -C 4 : i = i a - P7 i,jb 1. (O), 0.4 (C), 0.85 (N) H 1 a a H a H C b 4 a C 4 C a b 1 4 a =1 H a O a =1 H C4 a H O =1 4 O C C b H C C C 1 4 C =-1 =1 =-1 =1 =-1 =1 a a O a O a =-1 O 1 a O O C C 1 a N N H N C 1 N a H H 5 1 C C H C b C a 4 b C b N O C C a 1 5 N bc b b 4 b H b b 5 1 = * 0.4 = 1.4 = * ( ) = 0.61 = * 0.4 = = * 0.4 = = * ( ) = = * ( ) = 0.61 = * 0.4 = = * ( ) = = * ( ) = 0.61 = * 0.85 = 0.9 = * ( ) = = * 0.4 = 1.4

19 Výpočet konformace furanosového kruhu (ověření výsledků) Jak víme, že se furanosa vyskytuje v jedné konformaci? při výpočtu P a m fit konverguje, vede k minimu výpočet vede ke konformacím N nebo S typu, které se vyskytují nejčastěji: P = 0-6 o - N typ, P = o - S typ pokud výpočet nekonverguje nebo P nemá uvedené hodnoty, zvažujeme: - jedná se skutečné o 1 konformer (X-ray, simulace)? - jedná se o konformační rovnováhu? N- konformer S- konformer Výpočet konformační rovnováhy je obtížnější!!!!! pozorované interakční konstanty jsou průměrné hodnoty J obs = X N J N + (1-X N )J S, X N... molární zlomek N- konformeru vicinální interakční konstanta je tedy funkcí příslušných konformačních parametrů J(Ha,Hb) = f( P N, N, P S, S, X N )

20 TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY) využití koherentního přenosu magnetizace zprostředkovaného interakční konstantou z z y x 90 B SL (x) y B SL B o B SL 100 až 800 MHz až 5 khz využití spin-locku (práce při nižších polích) B SL << B 0 chemických posunech minimalizace rozdílu v A B C D X J nezávisí na externím poli magnetizace (koherence) volně přechází mezi spiny v rámci spinového systému (množina NMR aktivních jader, ve které jsou členové provázání J-interakcemi)

21 TOCSY vs. COSY CH CH ar. -CH=CH CH CH TOCSY přenos

22 Využití TOCSY k přiřazení 1 H signálů pyranos Heq Me 5 H 6 R 4 H O H OEt Heq COSY přenos TOCSY přenos 5ax ax eq 4 5eq Hax Hax 6 diagonalní krospík

23 Využití TOCSY k přiřazení 1 H signálů maltosy

24 Využití TOCSY k přiřazení 1 H signálů maltosy 5, ,