Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

:покрывая молекулярные модели целлюлозой, обладающей ад­

:тезионными свойствами, с последующим погружением их в воду

.и измерением объема вытесненной воды [Leo, Hansch, Jow, 1976]. Однако при использовании этого способа легко допустить

просчеты [некоторые из них указаны Pearlman (1980)]. Компь­

ютерный расчет ван-дер-ваальсовых объемов на основе геомет­

рических данных связан с определенными трудностями (напри­ мер, окклюзия частей атомов, изображаемых ~ виде сфер),

даже, если при этом применяют рекомендуемыи метод сумми­

рования долей1 • Pearlman ( 1980) предлагал использовать в кор­

.реляционном анализе величины площадей поверхности молекул,

которые линейно связаны с их объемами, но рассчитываются

.значительно легче.

В методе «коэффициентов подобия», созданном Amoore ( 1964), для корреляции запаха вещества со структурой его мо­ лекулы использован другой подход к определению объема мо­

.лекулы, которым незаслуженно пренебрегают. Вкратце метод

заключается в том, что Amoore фотографировал молекулярные

модели с .трех точек, расположенных под прямым углом друг к

другу. На этих фотографиях он вычерчивал радиусы с интерва­

.лом 10°, а затем суммировал 108 измерений. Это позволяло

получить достаточно хорошую корреляцию, несмотря на низкую

,очность биологического теста, использованного Amoore (оцен­ ка интенсивности запахов людьми). Простота метода Amoore

позволяет рекомендовать его для решения некоторых фармако­

логических задач, однако он нуждается в системе более объек­

-тивных биологических тестов.

Группа румынских исследователей под руководством Ваlа­ Ьап разработала три метода, предназначенных для установле­

ния соответствия между лекарственным веществом и его рецеп­

.тором на основе объемных соотношений. Эти методы получили

название МСР, .·мтР и РМК (расположены в порядке увеличе­

ния сложности).

Для использования метода МСР (минимальные стерические

различия) необходимо выбрать вещество, обладающее наиболее

высокой биологической активностью данного типа. Затем сле­ дует нарисовать его структурную формулу в виде схемы связей,

пропуская связи с атомами водорода." Аналогичн:'1м образо~

.все исследуемые вещества со сходнои химическои структурои

изображают на прозрачном материале и накладывают на изоб­ ражение моле~улы :исходного соединения. Затем несовпадающие

.атомы отмечают звездочкой, не обращая при этом внимания на

.объемность структуры молекул (например, не делают различий

между бензолом и циклогексаном). Каждому атому, отмечен-

1 В этом случае .под .долями подразумевают сегменты сферы, напоминаю­ щие приблизительно одну из четвертей апельсина. Pearlmaп рассчитал боль­ шое количество таких сегментов для каждого атома, уменьшая объем в слу­

чаях взаимодействия соседних атомов (ван-дер-ваальсовы силы отталкивания

частично перекрываются внутри молекулы).

ному звездочкой, приписывают «штраф» (или «число несовпа­ дения»), равный 1 для С, N или О, но больший для тяжелых атомов, т. е. 1,5 для S и Cl и 2 для 1. Хотя различиями в дли­

нах связей и величинах углов между ними пренебрегают, следу­ ет быть осторожным и не совмещать атомы, соединенные связью,

проявляются ван-дер-ваальсовы взаимодействия (0,3-0,4 нм).

По мнению Balaban, сродство лекарственного вещества к

рецептору является линейно уменьшающейся функцией суммы неперекрывающихся объемов потенциальных лекарственных ве­ ществ и полости рецептора. Предполагают, что наиболее актив­ ное лекарственное вещество отражает общую формулу полости рецептора. Однако, если заместитель в самом активном лекар­

ственном веществе не всегда перекрывается заместителями в

других соединениях, его следует удалить, так как (по расчетам

Bal аЬап) на изменение конформации рецептора, обеспечиваю­

щее его подстраивание под молекулу лекарственного вещества,

требуется 0,85 ккал. Поэтому удаление этого заместителя долж­ но привести к образованию более активного лекарственного вещества. Этот и два других метода более подробно изложены

в книге ВаlаЬап и сотр. ( 1980). Метод МСР больше всего под­

ходит для больших молекул, в которых необходимо заменить только один небольшой фрагмент. Декапептид, известный как

лютеинизирующий рилизинг-гормон, становится в 2,48 раза бо­

лее активным после замены концевого остатка глицинамида

метиламином. Метиламин не получает «штрафа» по методу

МСР, тогда как глицинамид получает три «штрафа», и это их

отлмчие открывает новые возможности для совершенствования

метод МСР дает не такие хорошие результаты, как метод мо­

мальные топологические различия), наиболее подходящего для

циклических и других молекул, имеющих жесткую структуру,

также следует выбрать наиболее активное лекарственное веще­

ство и нарисовать его структурную формулу в виде схемы свя­

зей, пропуская связи с атомами водорода. Однако в этом методе

используют также углы между связями и другие пространст­

венные характеристики. Затем совмещают формулы потенциаль­

ных лекарственных веществ и отмечают уровни расположения

атомов над и под средней плоскостью. Это делают для того,

чтобы определить сложную «rипермолекулу», предназначенную

для взаимодействия с трехмерной полостью рецептора. При сов­

мещении формул полярную группу помещают над полярной, а атом, образующий водородные связи, над подобным ему ато­

мом. Счет ведется следующим образом: 1 присваивается атому,

касающемуся стенки полости рецептора; О - атомам, попадаю-. щим внутрь этой полости, и -1 - тем, которые находятся вне­ полости. Это распределение проводится эксперимента_льно или. с помощью компьютерной программы, опубликованнои в книге­

ВаlаЬап. Сумма величин + 1 хорошо коррелирует с биологиче­

ской активностью. Этот метод был применен к серии веществ,,,

25 стероидов, содержащих кислород в положениях 3 и 17, но

коэффициент корреляции уменьшился до 0,741 при исследова­

нии 25 других стероидов, еще хуже корреляция для нестероид­

ных эстрогенов. Преимуществом этого метода является то, что

он позволяет обнаружить заместители или участки молекул,

лежащие вне предполагаемой полости рецептора и которые можно удалить. Кроме того, он может дать информацию о не­ занятых областях рецептора и, следовательно, указать новые

потенциальные лекарственные вещества, которые могли бы занять эти области. МТР не подходит для гибких (алифатиче­ ских) молекул, в этих случаях лучше использовать МСР. _ Третий метод ВаlаЬап - РМК (расчеты по методу Монте­

Карло), создан для расчета ван-дер-ваальсовых объемов моле­

кулы в нм3 • Этот расчет начинают с составления программы для._

получения большого набора случайны~ величин, которые ис­

пользуются в совокупности с формулои молекулы лекарствен­

ного вещества для расчета огромного числа их радиусов, а по

радиусам - объемов. Хотя этот метод достаточно сложен, с его помощью были получены результаты, подтверждающие возмож­ ность использования величин молекулярной рефракции в каче­ стве меры ван-дер-ваальсовых объемов (см. ниже).

16.2.2. Подходы, учитывающие специфические участки

молекул

При изучении равновесия в процессах гидролиза сложных

эфиров, а также стерических препятствий, создаваемых сосед­ ними группами в этих соединениях, Taft ( 1953) вве.ч теперь уже

хорошо известные стерические параметры (Es). И хотя он не

предвидел возможности использования их в биологии, Хэнш в

1965 г. предложил включить эти параметры в уравнения м1ю­

жественного регрессионного анализа в качестве меры стериче­

ских препятствий, оказываемых заместителем при адсорбции

наиболее активной группы лекарственного вещества на рецеп­ торе. Величины этих параметров можно найти в работах Taft

пы; возможны и более высокие значения для других замести-.

телей.

Некоторые константы Тафта можно использовать в одном

регрессионном уравнении, как это сделали Хэнш и сотр., изучав­ nше предупреждающее действие замещенных бензойных кислот

на взаимодействие антигена яичного белка с его антителом,

-при котором каждая молекула бензойной кислоты включается

в антиген в качестве гаптена [Kutter, Hansch, 1969]. Они полу­

чили следующее уравнение множественного регрессионного

анализа:

log К = О,86ЗЕ05 +0,081E 5 m + О,446Е5Р - О,695. П=22 s=0,177 f=0,974

В этом уравнении имеется член, характеризующий каждое

из трех положений замещения, причем очевидно, что наиболь­

ший вклад вносят заместители в орто- и пара-положениях. До­

'IIОЛнительное введение log Р или константы Гаммета приводит

.лишь к небольшому улучшению потому, что коэффициент кор­

реляции (r) и так очень высок.

Максимальная рефракция, несмотря на название, определя­

•ется отдельными заместителями, хотя их величины можно ис­

пользовать в совокупности для характеристики всей молекулы

в целом. Наиболее удачным методом расчета величин молеку­ лярной рефракции (MR) является применение уравнения Ло­ ренц-Лоренца, позволяющее получить величину MR в см3/моль:

венного регрессионного анализа в качестве стерического пара­

метра как альтернативу Е5-константам (он предупреждал, что

MR имеет также электронную компоненту, однако стерическая

компонента является преобладающей) [Haпsch et al., 1973].

При использовании «стеримолекулярноrо» метода, предло­

женного Verloop, структурные формулы каждой группы в мо­

лекуле лекарственного вещества (ыключая водород) обозначают

одиночными линиями, и эту информацию вводят в компьютер пос.1едовательно, описывая атом за атомом. Дополнительно

вводят также информацию о длинах и углах связей и ван-дер­

ваальсовых радиусах атомов. Это позволяет рассчитать ван­

дер-ваа.1ьсову огибающую вокруг рассматриваемой группы.

Затем программа по команде выдает численное значение (LJ

д.1я д.1пны этой группы, начиная с точки присоединения, и из­

меряет под прямыми углами к длинным осям величины мини­

мальной ширины (В1} и максимальной ширины (В4). Голланд­

ские азторы также опубликовали таблицы величин (L} и (В)

для всех обычных групп и многих их последовательностей. На­

пример, для группы -CH 2CN стеримолекулярные величины

составляют 3,99 (L), 1,52, 1,90 и 4,12 (В1-4) [Verloop, Hoogen-

straaten, Tipker, 1976].

В этом методе не используется информация о конформации

изучаемых соединений, за исключением того, что авторы всегда

рассматривают форму молекулы с самой низкой энергией (наи­

более вытянутую), считая, что дальнейшие превращения моле­

кулы происходят на рецепторе. Возвратившись к анализу пре­

дупреждающего действия бензойных кислот на соединение ан­

тигена с антителом, выполненному Kutter, Hansch (см. выше). Verloop и сотр. ( 1976) заменили использованное ими уравнение

другим:

log К= - 1,46В1° + 0,50В4° + 0,84. n=36 s=0,302 r=0,955

Следует отметить, что величина (L) при таком анализе зна­

чения не имеет, поэтому Verloop и сотр. могли включить в кор­ реляцию большой ряд соединений, которые Kutter и Hansch

вынуждены были отбросить как «выпадающие».

При изучении серии ларвицидов голландские ученые полу­ чили прекрасную корреляцию, сочетая величины коэффициен­

тов распределения и а-констант Гаммета с двумя «стеримоле­

кулярными» параметрами: (L) 2 и (В4). В последующих работах метод Verloop был усовершенствован для повышения его прог­

нозирующей способности; была выпущена новая таблица зна­

чений параметров, используемых в этом методе для разных

заместителей, а также выведено арифметическое соотношение

между величинами (В1) и (Es) [Verloop, 1981, 1983].

При использовании метода Verloop желательно синтезиро­

вать ряд аналогов, в котором максимальная (или минимальная),

ширина молекул разных соединений располагается в разных точках длинной оси молекулы.

В методе анализа молекулярной конфигурации Hopfinger

предложен новый подход для нахождения стерического члена

уравнения регрессионного анализа. Его основным дескриптором является объем стерического перекрывания (Vo), представляю­ щий собой долю молекулярного объема, общую для потенциаль­ ного лекарственного вещества и его конформера, обладающего

наибольшей биологической активностью [Hopfinger, 1980]. Ве­

личины Vo получают путем сложных расчетов, в которых пре­

имущественно применяют методы молекулярной механики (с использованием как вращательных, так и трансляционных

компонент), а не методы молекулярных орбиталей.

Для молекул с гибкой структурой, с помощью программы

CHEMLAB (доступной благодаря CIS, см. разд. 17.4) можно изменять торзионный угол (углы) с интервалом в 30°, до полу­

чения одной или нескольких конформаций с минимальными

энергиями. Затем строится график зависимости величин энергий

(выраженных в ккал/мол) от величины угла, для того чтобы

найти минимумы потенциальной энергии. Модели таких rрафи-

366

ков для веществ с наиболее высокой биологической активностьfО;•

могут служить стандартами для классификации других соеди­ нений (по разнице в энергии). Если какой-либ~ член ряда имеет

более одного стабильного конформера, каждыи из них рассмат- · ривается отдельно. Данные для каждого члена ряда объеди-·

няют (в виде матриц) с величинами длин ван-дер-ваальсовых

связей и углов связей и рассчитывают величины объемов стери­

ческого перекрывания. Хотя этот метод позволяет получить.

сведения о молекуле в целом, в нем используются данные о кон­

фигурациях отдельных участков.

Примером использования метода Hopfinger может служить. обработка серии 2,4-диамино-5-бензилпиримидинов ( 16.1), са­

мым активным из которых является антибактериальный препа­

рат триметоприм (9.32) (разд. 9.3.3). По результатам теста

(ингибирования ДГФР печени быка) 1 быJ10 составлено следую­

В молекулах соединений этой серии, обладающих высокой активностью против ДГФР Е. coli, угол между бензольным кольцом и метиленовым мостиком составляет 30°, а последний расположен под углом 90° к пиримидиновому циклу (что уста­

новлено с помощью конформационного анализа, описанного вы­

ше). Следовательно, бензольное кольцо в этих молекулах рас­

положено примерно перпендикулярно пиримидиновому циклу

и почти покрывает его. Для членов этого ряда, наиболее актив­ ных по отношению к ферменту млекопитающих, более выгодной: конформации не найдено.

В приведенном выше уравнении константа отражает липо­ фильность (вычислена из величин Iog Р, см. разд. 3.3, т. 1),. а индексы 3 и 4 указывают на то, что в данном случае исполь­

зована сумма л-констант заместителей в положениях 3 и 4.

Попытки ввести в это уравнение а-контакты Гаммета не при­

вели к улучшению результатов. Данные, полученные Hopfinger,

1 Это тест на токсичность для больных, так как триметоприм малоэффек­

тивен по отношению к ДГФР млекопитающих (см-..т-абл: 4:2, том 1).

367

()казались почти точной копией результатов Blaney и сотр.,

.которые вывели следующие уравнения ( 1979):

Таким образом, последние два уравнения отчетливо показа­

.ли уровень, на котором находится современный регрессионный

.анализ в приложении к биологии: отличная корреляция была получена как с учетом всей доступной информации о стериче­ ских параметрах, так и без нее.

Hopfinger исследовал также ряд производных 2,4-диамино- 6,6-диметил-фенил-1,3,5-триазина, включающий в том числе из-

1Вестный противомалярийный препарат циклогуанил (3.35)-

-гриазин, содержащий атом хлора в положении 4 бензольного

~Кольца. В приведенном ниже уравнении С обозначает дозу ве­ щества, вызывающую 50% ингибирование ДГФР опухоли мо­

лочной железы. При этом были рассмотрены 35 соединений, отличающихся по ингибирующей активности в 10 ООО раз. При применении S0 была получена лучшая корреляция, чем при ис­

пользовании V0 ; параметр S0 есть не что иное, как V0 213 с той

же размерностью, что и площадь поверхности, но, как преду­

преждали авторы, резко от нее отличающийся и поэтому трудно

.представляемый наглядно [Hopfinger, 1980]. Тем не менее было

получено уравнение с хорошими корреляционными парамет­

рами:

Это уравнение ,следует ·оравнить с уравнением, полученным сруппой американских ученых для более широкой серии соеди­ ,Еений, включающей и все те, которые изучал Hopfinger:

:х:иназолинов, методами анализа молекулярной формы [Batters•

ной формы, основанный на использовании полей молекулярной

потенциальной энергии [Hopfinger, 1983]. В этом случае рас­

-считывают сумму энергий ван-дер-ваальсова отталкивания и uритяжения зарядов с фиксированным положением. К:ак и

прежде, никакого внимания не уделяют рецептору, за исключе­

нwем предположения о том, что наиболее активное вещество

.является зеркальным отражением структуры рецептора. Де-

скрипторы были определены вычитанием полей попарных на­

ложений молекул лекарственных веществ друг на друга. При­

менение этого метода для обработки данных об активности обсуждавшейся выше серии 2,4-диамино-5-бензилпиримидинов

привело к тем же выводам, при условии одновременного вклю­

чения в уравнение константы лз,4-

16.2.3. Заключение

В этой важной области в настоящее время ведется значи­

тельно больше работ, чем было упомянуто здесь, но многое еще предстоит сделать. Поскольку очищенные рецепторы становятся доступными в достаточных количествах, могут быть достигнуты

большие успехи в экспериментальных исследованиях, особенно

в рентгеноструктурном анализе, подобно тому, как это было

сделано с рецепторами АХ (разд. 12.6) и лекарственных ве­

ществ, ингибирующих ДГФР (разд. 9.3).

О стратегии и тактике исследований в области К:ССА (кор­

реляционный анализ) см. Topliss (1983), Hahn (1975) и Mar-

tin ( 1978, 1979); о физико-химических свойствах лекарственных

веществ и методах их определения см. Hansch, Leo ( 1979),

Yalkowsky, Sinkula, Valvoni (1980), Lyman, Rechl, RosenЫatt (1982).

Глава 17

НЕКОТОРЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ДАННЫЕ

17.О. Расчет степени ионизации по данным рКа и рН

Табл. 17.1, в которой приведены значения степени ионизации

[в %), вычисленной из величины РКа и рН, появилась еще в

17.1. Фрагментарные гидрофобные константы и коэффициенты

распределения

Эта глава дополняет разд. 3.3 и посвяще:иа обсуждению во­

просов использования коэффициентов распределения.

Коэффициенты распределения твердых и жидких веществ

удобно измерять в плотно закрытых центрифужных стаканах объемом 250 мл, куда помещают навеску изучаемого вещества и оба растворителя в соотношении, установленном ранее для

других подобных соединений или определенном в предваритель­ ных опытах. Стакан закрывают и интенсивно встряхивают

100 раз в течение 5 мин (хотя равновесие вполне может уста­

новиться уже в первые 2 мин). Смесь центрифугируют, дают

отстояться и проверяют, не образовались ли хотя бы следы

эмульсии (если она образуется, опыт проводят заново). После

этого в обеих фазах определяют количество растворенного ве­ щества [Leo, Hansch, Elkins, 1971].

Для определения коэффициента распределения газа его про­

пускают через смесь двух растворителей, затем берут пробу иэ

органического слоя и анализируют ее с помощью газожидкост­

ной хроматографии [Leo et al., 1975; Hansch et al., 1975].

Таблица, в которой приведены значения 5800 коэффициентов

рассчитанные из значений коэффициентов распределения :в сис-

370

Та блиц а 17.1. Степень ионизации, вычнс.11енная по давным рКа в рН

значений для более простых фрагментов. Константы f, заменяю­ щие п-константы, в большинстве случае превышают их на 0,2 единицы. Они выбраны из 100 значений, рассчитанных по ре­

зультатам 1ООО измерений log Р.

Из данных табл. 17.2 видно, что введение углеводородного

радикала в молекулу повышает ее липофильность. Наличие

двойной или тройной связи повышает гидрофильность, но вклад

последней существенно выше (-0,55 и -1,42 соответственно).

Для алифатических соединений величина вклада фенильной

1 Углеводородным заместителям в бензольном кольце даны значения для алифатя­

•есквх фраrмt>втов.

т а б л и ц а 17.3. Коэффициенты распределении лекарственных веществ меж­

ду собой и октанолом1

1 Коэффициенты распределения наркотических веществ и общих анестетиков приве­

дены в табл. 15.1, в среднем для них log Р-2,0 [Leo, Hansch, Elkins, 1971].

2 Это значение откорректировано с учетом иоивзацвв, но поскольку данное соеди­ нение нвлнется достаточно сильной кислотой (рК8=2,8), значение эффективного log Р

будет иметь отрицательную величину.

группы лежит между величинами вкладов этильной и пропиль­

ной групп, тогда как вклады нафтильной и метильнои групп примерно одинаковы. Наличие неподеленной пары электронов

обычно придает соединению гидрофильный характер, что отчет­

ливо видно из данных для азот- и кислородсодержащих групп.

17.2.Электронные эффекты (значения о-констант Гаммета

иТафта)

Зная, как тот или иной заместитель влияет на любые иони­

зирующиеся группы, можно легко отнести каждый из них к

электронодонорным или электроноакцепторным. Количествен­ ную меру этих эффектов ввел Гаммет (примерно в 1940 г.), использовав уравнение, основанное на принципе линейности свободных энергий:

log K- logK 0 = ра,

где Ко - константа ионизации бензойнuй кислоты, используемой

в качестве стандарта, а К - константа ионизации замещенной

бензойной кислоты; а - константа заместителя - мера его

электронного влияния; р - реакционная константа - мера чув­

ствительности исследуемой реакции к эффекту заместителей,

Jiичие от пара-аминобензойной кислоты большое количество цвиттер-ионной формы), можно определить а-константы ионных­

заместителей. Некоторые из них приведены в конце табл. 17.4. В этом случае в уравнение Гаммета следует включить допол­

нительный член, учитывающий электростатическое взаимодей­

ствие. Обычно его обозначают буквой r, поскольку он представ-"!

Jlяет собой расстояние между взаимодействующими зарядами,­

Эффект заместителя= ра•З,1/ч.

Этот эффект может быть особенно важен в случае алифа-·

тических соединений, так как в их молекулах расстояние между:,

чину ар особенно заметно в соединениях, содержащих нитро-;

Выше уже говорилось о том, что ам-константы в небольшой'

мере отражают вклад эффекта сопряжения заместителя. Taft, Lewis ( 1959) первыми попыталить выделить два компонента

О'м-константы, сравнив их со значениями а-констант, получен­

ными Тафтом для алифатических карбоновых кислот (см. ни­

же) и, следовательно, свободными от вклада эффекта сопря­

жения. Позже Swain, Lupton ( 1968), впервые показавшие, что эффекты поля (т. е. почти те же, что и индукционные) одной

и той же группы, находящейся в мета- и пара-положении, за­

метно отличаются, разделили а-константу на две составляющих:

F-полевую и R-резонансную [см. также Reynolds, Торsоп, 1984]. Hansch и сотр. (1973), обнаружив в работе Swain, Lupton

( 1968) систематическую арифметическую ошибку, исправили ее и опубликовали сводку примерно 200 таких констант. Порядок

расположения заместителей в соответствии с изменением э ф -

ф е кт а с о пряже ни я от отрицательного к положительному:

ряд заместителей для ароматических соединений в соответствии

же сложный, составной параметр, как и сrп-константы, но в них

376

добавляются еще два вклада: 1) взаимное пространственное

влияние заместителей, находящихся в орто-положении и 2) воз.­ можность образования между ними водородных связей. Реше­

ние этой сложной проблемы предложили Fujita и Nishioka

(1975), предположив, что croравна сумме сrп-константы полевой

константы Swain, Lupton (поскольку заместители мак~имально

сближены друг с другом) и стерической Еs-константы Тафта (разд. 16.0). Если между орто-заместителями образуется водо­ родная связь, как, например, в орто-нитрофеноле, необходимо ввести дополнительные параметры. Таблицу сr0-кщ1стант 35 за­

местителей, расположенных в орто-положении к амина-, гидро­

ксиили пиридиногруппам, см. [Perrin, Dempsey, Serjeant ( 1981), приложение 5].

Б. а-Константы Тафта для алифатических заместителей. По­ сле того как Гаммет успешно решил проблему количественной

оценки электронного влияния заместителя в ароматических со­

единениях, !аФт попытался оценить индукционный эффект

заместителеи в алифатическом ряду. Из нескольких альтернатив­

ных вариантов предложенных им констант [Taft, 1956], наибо­

лее полезной при расчетах рКа и в множественном регрессион­

ном анализе оказалась константа cr*. Изначально Тафт рассчи­

тал их величины, сравнивая константы скоростей кислотного и

щелочного гидролиза а-замещенных метилацетатов. Более при­

ближенно, но значительно проще их можно вычислять по урав­

нению:

а= ( -ЛрКа - 0,06)/0,63,

где Л РКа получена вычитанием из величины рКа уксусной кис,лоты величины рКа замещенной уксусной кислоты, содержа­

щеи заместитель, значение cr* которого нужно определить. При

в~1числении коэффициентов для метильной группы было принято

а'·= а.

По мере удаления заместителя от реакционного центра его эффект заметно снижается: до 40% при сдвиге на одну группу

СН2, до 16 и 6% - на две и три соответственно. Введение груп­

пы СН=СН снижает эффект заместителя точно так же как и

вв~дение метиленовой группы. Значения сr*-констант зам'естите-•

леи_ обычно больше, чем сrм, вследствие большего расстояНИЯi

между заместителем и реакцl'онным центром в последнем слу­

'Iае. В табл. 17.4 значения cr; приведены в третьей графе. Более

полные табли_цы этих конс7ант можно найти в книгах Perrin

Dempsey, SerJeant (1981) /и Hansch, Leo (1979). При работ~

с гетероц~клическими зам1тителями следует помнить, что двое­

связанныи атом азота в цикле. (как в пиридине)- сильный

э.1ектроноакцептор, а связанный простыми связями (как в пир­

роле)- донор электронов.

* См. табл. 17.4.

В. Константа р в уравнении Гаммета. Первоначально Гам~~

мет использовал величину р как коэффициент пересчета кон-i

стант заместите~ей, определенных в реакциях с разрывом ко-~

валентных связен, ~ а-константы, рассчитанные из величин PI<ir~

замещенных бензоиных кислот (для ионизации бензойной кис-~

лоты принято р= 1). Затем р-константы были использованы длstj

пересчета величин, полученных вычитанием из значения РК:а~

фенола (9,99) величин рК:а его производных (р=2,23). И на-;

оборот, с ее помощью можно рассчитать величину РК:а: напрн,.;i

мер для 3-нитрофенола в рК:а=9,99- 2,23ХО,74=8,34, а экс-.:i

перимент дает величину 8,36 (значение 0,74 взято из табл.17.4).;

Для анилина р=2,81. Таблицу величин р-констант, рассчитан-;

ных по д~нным для фенола и анилина, см. Hansch, Leo (1979).

Друrои пример использования констант р - расчет а-кон­

стант для других ароматических циклов по даным для бензой­

ных кислот. Впервые это было сделано для нафталина и хино­

17.3. Ядерный магнитный резонанс

А. Введение. Атомы с нечетными величинами атомных масс

или атомных номеров обладают магнитными моментами, обус­

ловливающими их прецессию при наложении сильного магнит­

ного поля. Частота колебаний, прямо пропорциональная напря­

женности магнитного поля, является характеристикой данного

типа ядра и попадает в диапазон радиочастот электромагнит­

ного спек:ра. Из элементов, наиболее распространенных в ор­

дуемого соединения помещают в сильное магнитное поле с час­

тотой электромагнитного излучения 2,35 Т (Т - тэсла, 2,35 Т

эквивал:нтны 100 МГц или 23 5()0 циклов в секунду) или более.

Под деиствием электромагнитного поля происходит переход

ядер ат.?мов водорода на более высокий энергетический уровень,

которыи можно измерить по поглощению образцом энергии

радиочастотного поля, проявляющегося в снижении радиочас­

тотного напряжения на катушке (в случае простейшего датчи­

ка). Это напряжение сравнивается <;напряжением на эталонной

катушке без образца. Разностное I{апряжение подается в при­

емник, затем усиливается, детектируется и регистрируется.

Напряженность магнитного поля nри каждом ядре водорода

обычно меньше, чем приложенного внешнего магнитного поля

вследствие экранирующих диамагнитных эффектов электронных

облаков, окружающих ядра. В перзых моделях ЯМР-спектро·

метров изменили напряженность магнитного поля, а частоту

поддерживали постоянной:, т. е. применяли так называемый

стационарный метод Я:МР. В настоящее время используют им-

378

ЯМР играет важную роль в исследовании потенциально тауто­

мерных соединений. В случаях, когда таутомерное равновесие устанавливается медленно (как это часто происходит, если подвижный протон соединен с атомом углерода в одной из та­

утомерных форм), сигналы различных таутомерных форм ре­

гистрируются независимо и появляется возможность провестЦJ

кинетическое исследование. Если же подвижный протон связащ

с атомами азота или кислорода, равновесие устанавливается;

Образование водородных связей изменяет окружение атома~;

водорода и, следовательно, может оказывать существенное влия~

ние на величину химических сдвигов. Так, например, б протона,

ОН-группы в концентрированных растворах спиртов в хлоро­

форме обычно равна 5,3, но при достаточном разбавлении (или" нагревании) сигнал смещается в область слабого поля и б ста­

новится равной 0,5 м. д. вследствие разрыва межмолекулярных

связей. Однако химические сдвиги протонов веществ, имеющих

внутримолекулярные водородные связи, не изменяются при раз­

бавлении, что позволяет различить меж- и внутримолекулярные водородные связи. При съемке спектров при различных темпе­ ратурах это различие становится еще более явным даже для

таких сложных молекул, как полипептиды [Kessler, 1982]. Кроме эффектов экранирования, о которых говорилось вы­

ше, магнитное поле прибора может вызывать электронные токи,

приводящие к сильному экранированию в случае протонов аце­

тилена (б=2,3), в то время как ароматические протоны сильно

деэкранированы (б = 7-8).

Из-за спин-спинового взаимодействия между протонами с

разными химическими сдвигами сигналы в спектре ПМР часто представляют собой дублеты, триплеты или квартеты. Это рас­ щепление выражается в виде частоты, обозначаемой буквой J,

и называется константой спин-спинового взаимодействия. Вза-; имодействие протонов через сигма-связи обычно бывает силь­ ным, но быстро ослабляется с расстоянием, в то время как взаимодействие через л-электронные системы в молекулах аро­ матических соединений слабо и медленно уменьшается с уве­

личением расстояния.

Для съемки спектров ПМР чаще всего используют или апро­ тонные растворители (например, четыреххлористый углерод).

или такие, в которых сигналы протонов лежат в слабом поле

(например, трифторуксусная кислота), или же полностью дей­ терированные растворители (например, дейтерированные диме­ тилсульфоксид, ацетон, хлороформ). Для биологически важных

соединений наиболее подходящий растворитель вода, однако,

сигнал ее протонов может перекрываться с сигналами исследуе­

мых веществ. Этот сигнал можно устранить с помощью им­

пульсного метода. В качестве растворителя применяют оксид дейтерия. Он сам не дает сигналов в спектре, но приводит к

исчезновению сигналов протонов, связанных с атомами азота,

кислорода или серы, способных быстро обмениваться на дей-

( 1969), обзор по ПМР-спектроскопии азотсодержащих гетеро­

циклов - Batterham ( 1973).

в. Другие виды ядерного магнитного резонанса. Метод ЯМР

на ядрах 13 С по частоте использования занимает второе место

после метода ПМР и позволяет получить информацию, служа­

щую дополнением к данным протонных спектров. Естественное

содержание изотопа 13 С составляет 1,1%, поэтому для съемки

спектра необходимо использовать ампулы большого объема.

Получаемые слабые сигналы усиливаются посредством быстро­

го усреднения во времени, предшествующего преобразованию

Фурье. Применение соответствующих радиочастот поз~оляе;

получить спектры с полным подавлением С-Н-в~аимодеиствии

(С-С-взаимодействие не представляет сложнои проблемы).

в спектрах ЯМР 13С по сравнению со спектрами ПМР реже

проявляются локальные эффекты, кольцевые токи и анизотро­ пия также выражена значительно слабее, поэтому сигналы в

спектрах 1зс хорошо разрешены и легче интерпретируются.

Обычно в спектрах ЯМР 13С используется область О-u

220 м. д., причем в качестве внутреннего стандарта, химическии

сдвиг которого равен О, используется тетраметилсилан (ТМС). Сигналы атомов углерода метильных групп обычно лежат в об­

ласти 10-30 м. д.; при 50 м. д. появляются сигналы атомов

углерода СН- и NСН2-групп, затем сигналы ароматических и

гетероароматических атомов углерода (около 125 м. д.) и, на­

конец, сигналы атомов углерода карбоксильных групп и амидов (около 170 м. д.). При работе с биологически важными веще­ ствами идеальным растворителем является вода, так как при

этом можно использовать буферные растворы. Однако можно

применять и углеродсодержащие растворители, если их сигнал

не лежит в исследуемой области спектра.

Вопросам интерпретации спектров ЯМР 13 С посвящена кни-

га Wehrli, Wirthlin (1976).

Естественное содержание 15N составляет 0,37%, однако при­

менение преобразования Фурье позволяет широко использовать

ЯМР 1sN. Стандартом при этом служит ион аммони~, а спектр

пределяются неравномерно, большинство из них располагается

в области сильного поля.

Наличие неподеленной пары электронов определяет многие

свойства атома азота, отсутствующие у углерода. Протониро­

вание изменяет резонансные вклады по величине и направле-