Spectrele 1H-RMN

In cadrul referatului, prezentam spectrele d¹H si d¹³C-RMN ale compusilor sim-octahidroacridinici 1-14 si ale N-oxizilor corespunzatori 1a-13a si se discuta efectele gruparii "N-oxid"si ale 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d¹H si d¹³C. Pentru atribuirea semnalelor, in afara compararii intensitatilor relative ale semnalelor si compararii deplasarilor chimice intre compusii inruditi s-au mai folosit, in functie de situatie urmatoarele tehnici speciale: H,H-COSY, HMQC, HMBC, NOE-DIFF si decuplari de spin.

Pentru N-oxidul 12a inca nu s-au putut face atribuirile deplasarilor chimice d¹H, deoarece peste semnalele sale sunt suprapuse si semnalele a cel putin unui produs secundar, care deocamdata nu a putut fi indepartat si nici macar identificat.

Deplasarile chimice d¹H ale compusilor 1-14 si 1a-11a, 13a sunt prezentate in Tabelele 1-3 si deplasarile chimice d¹³C ale compusilor 1-14 si 1a-13a sunt prezentate in Tabelele 4-6. Prin compararea deplasarilor chimice ale octahidroacridinelor 1-11, 13 cu cele ale N-oxizilor corespunzatori 1a-11a, 13a (tabelele 1 si 4) s-a putut evalua efectul produs de gruparea "N-oxid" asupra d¹H si d¹³C din sim-octahidroacridine. Pe de alta parte, prin compararea deplasarilor chimice ale octahidroacridinei 1 cu cele ale derivatilor 9-substituiti 2-13 (Tabelele 2 si 5), respectiv ale N-oxidului 1a cu cele ale N-oxizilor 2a-13a (Tabelele 3 si 6) s-au determinat efectele diversilor 9-substituenti asupra deplasarilor chimice d¹H si d¹³C ale sim-octahidroacridinei si respectiv ale N-oxidului ei.

Spectrele de ¹H si ¹³C ale 9-hidroxioctahidroacridinei (13) arata ca aceasta, in solutie de CD₃OD, se gaseste in echilibru cu octahidroacridona (14). Datorita solubilitatii ei foarte mici, aplicarea tehnicilor bidimensionale nu a fost posibila.

Atribuirile semnalelor d¹³C ale acestor compusi se bazeaza pe considerentul ca semnalul de la 179,70 ppm trebuie sa apartina carbonului carbonilic C-9 din compusul 14, pe compararea intensitatilor relative ale semnalelor dintr-un spectru realizat in conditii cantitative si pe compararea deplasarilor chimice. Asadar, atribuirile deplasarilor chimice d¹H si d¹³C pentru compusii 13 si 14 pot fi considerate ca fiind cele mai probabile, dar nu si absolut sigure.

a)

1 1a: X = H

2 2a: X = CH₂-CH₃

3 3a: X = NH₂

4 4a: X = NH-CO-CH₃

5 5a: X = N(CO-CH₃)₂

6 6a: X = 3-Piridil

7 7a: X = 4-Piridil

8 8a: X = 2-Furil

9 9a: X = NO₂

10 10a: X = Br

11 11a: X = OCH₃

12 12a: X = O-CO-CH₃

13 13a: X = OH

b)

14

(25%) (75%)

Figura 1 a) Structurile sim-octahidroacridinelor si sim-octahidroacridin-N-oxizilor ale caror spectre sunt discutate in cadrul referatului.

b) Echilibrul tautomer 9-hidroxi-octahidroacridina, octahidroacridona.

Spectrele ¹H-RMN

Efectul N-oxidarii asupra deplasarilor chimice d H

Compararea spectrelor ¹H-RMN ale N-oxizilor 1a-11a, 13a cu cele ale aminelor corespunzatoare 1-11, 13 (Tabelul 1) arata ca introducerea gruparii "N-oxid", in aproape toate cazurile are o influenta neglijabila asupra deplasarilor chimice ale atomilor de hidrogen din partea saturata a moleculei, dupa cum urmeaza:

-protonii H-1,8 si H-3,6 sufera dezecranari foarte slabe, de ordinul de marime al erorii experimentale (+ 0.01 . + 0,03 ppm);

-protonii H-4,5 sufera de asemenea dezecranari slabe, dar ceva mai perceptibile (+0,03 . +0,18 ppm);

-protonii H-2,7 sufera ecranari slabe, cu +0,02 +0,04 ppm.

Numai in cazul 9-hidroxi-sim-octahidroacridinei (13) se constata ecranari slabe dar evidente ale tuturor protonilor ale caror valori (-0,10-0,21 ppm) se situeaza chiar in afara limitelor erorii experimentale.

Protonul H-9 din octahidroacridina sufera o ecranare cu -0,28 ppm.

Protonii apartinand 9-substituentilor din compusii 2-8,11 si 12 nu sunt influentati prin N-oxidare, ei avand practic aceeasi deplasare chimica in amine ca si in N-oxizii lor.

Tabelul 1 Comparatie a deplasarilor chimice d¹H ale octahidroacridinelor 1-13 cu cele ale N-oxizilor corespunzatori 1a-3a si ale octahidroacridonei 14. ^{a), b).}

a). Valori d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.

c). Nu s-au putut face atribuirile deplasarilor chimice d¹H, deoarece peste semnalele sale sunt suprapuse si semnalele a cel putin unui produs secundar.

d). Masurate in CD₃OD.

Efectul 9-substituentilor supra deplasarilor chimice d H

In sim-octahidroacridina 1, ca si in toti derivatii ei 9-substituiti 2-13, cei mai dezecranati sunt protonii H-4,5 cu deplasari chimice situate intre 2,79-2,91 ppm (a se vedea Tabelul 2). Urmeaza protonii H-1,8 cu deplasari chimice intre 2,23-2,75 ppm. Se observa ca in seria compusilor 1-13 studiati, domeniile deplasarilor chimice ale protonilor H-4,5 si H-1,8 nu interfereaza niciodata. Considerabil mai ecranati (cu cca 1 ppm) decat cei din pozitiile 4,5 si 1,8 sunt protonii din pozitiile 3,6 si 2,7 care au deplasari chimice foarte apropiate intre ele (1,81-1,88 ppm si respectiv 1,83-1,88 ppm), in unele cazuri chiar identice; cand insa nu sunt identice, atunci protonii H-3,6 sunt intotdeauna mai dezecranati (dar numai cu cel mult 0,16 ppm) decat protonii H-2,7.

Introducerea 9-substituentilor, indiferent de natura si efectul lor electromer (+E sau -E), in general nu influenteaza deplasarile chimice d¹H ale sim-octahidroacridinei cu mai mult de 0,1ppm . Efecte mai puternice sunt observate numai in cazul 9-aminoderivatului 3 (-0,28 ppm) si al 9-diacetilaminoderivatului 5 (-0,26 ppm) observate asupra protonilor celor mai apropiati, H-1,8.

Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice ale protonilor din N-oxizii 2a-13a (Tabelul 3) sunt practic identice cu cele observate la aminele 2-13 ( a se compara cu Tabelul 2). Se observa ca numai in compusii 9-piridil substituiti 6, 6a, 7 si 7a, protonii H-1,8 sunt considerabil mai ecranati (-0,38 . -0,46 ppm) decat protonii corespunzatori din sim-octahidroacridina 1 si N-oxidul 1a.

Tabelul 2. Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d¹H ale octahidroacridinilor 1-13 ^{a), b).}

a). Valorile d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.

c). Masurate in CD₃OD.

Tabelul 3. Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d¹H ale octahidroacridin-N-oxizilor 1a-3a ^{a), b).}

a). Valorile d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.

c). Spectrul de protoni este complet ATIPIC.

d). Masurate in CD₃OD.

Aceasa ecranare se datoreste impiedicarii sterice dintre gruparile metilenice C(1) si C (8) si protonii piridinici H(2') si H(4') din 6 si 6a respectiv H(3') si H (5') din 7 si 7a, care conduce torsiunea nucleului 9-piridilic in jurul legaturii C(9)-C(3') si respectiv C(9)-C(4') cu zonele de ecranare orientate spre protonii H-1,8. Diferenta de deplasare chimica dintre protonii geminali H-1,8 in 6 si 6a se datoreste evident aranjarii lor diastereotopice fata de nucleul 9-(3-piridilic): dupa cum se vede in Figura 1, unul din protonii geminali se misca in zona de ecranare a jumatatii definite de atomii C(3')-C(2')-N(1')-C(6'), in timp ce celelalt se misca in zona de ecranare definite de atomii C(3')-C(4')-C(5')-C(6'). In compusii 7 si 7a, totusi protonii geminali H(1) si H(8) sunt aranjati simetric fata de planul de oglindire N(1')-C(4') al nucleului 9-(4-piridilic) si in consecinta nu apare nici o diferenta de deplasare chimica.

Intrepretarea de mai sus este sprijinita si de recentele calcule ab initio effectuate pentru 4-(2,6-dimetilfenil)piridina (cu impiedicare sterica foarte asemanatoare cu cea din 6, 6a, 7 si 7a), care indica un unghi de torsiune de 90⁰ intre resturile fenil si piridil in structura cu energia cea mai scazuta si o bariera rotationala de 86-101 KJ*mol^-1. Aceasta valoare, care trebuie sa fie valida si pentru bariera de rotatie a resturilor piridinice din 6, 6a, 7 si 7a, corespunde unei rotatii puternic impiedicate, explicand astfel diferenta de deplasare chimica observata pentru (H-1,8)_A si (H-1,8)_B din 6 si 6a.

Fig 3. Suprafetele de energie potentiala ale compusilor 7 si 7a in methanol in raport cu unghiul de torsiune a ciclului piridinic

Fig 4. Suprafata de energie potentiala a compusului 6 in methanol in raport cu unghiul de torsiune a ciclului piridinic.

Pentru a stabili conformatia cea mai probabila a ciclului piridinic in derivatii 3 si 4 -piridinilsubstituiti si a N-oxizilor corespunzatori (compusii 6, 7, 7a) s-a efectuat calculul suprafetelor de energie potentiala in raport cu unghiul de torsiune al ciclului piridinic ( ) in vacuo si methanol. Rezultatele obtinute folosind hamiltonianul AM1 sunt prezentate in Fig. a si b si Fig. Se observa ca pentru cei trei derivati conformatia de minima energie este cea corespunzatoare pozitiei ortogonale a ciclului. Conformatia de echilibru nu este influentata de prezenta gruparii N-oxid. Barierele de energie corespunzatoare rotatiei ciclului piridinic sunt estimate la aproximativ 15 kcal/mol. In jurul valorii τ = 0 se remarca o intersectie a doua curbe de energie potentiala. Impiedicarea sterica fiind maxima pentru aceasta valoare a unghiului de torsiune, molecula se relaxeaza prin modificarea conformatiei ciclului adiacent, care adopta conformatia a.

Fig 5. Doua conformatii optimizate ale compusului 7 obtinute pentru valoarea τ = 0⁰  (pentru simplificarea figurii s-a prezentat numai ciclul saturat modificat) ; a: conformatia cu energie mai mica; b: conformatia ciclului corepunzatoare curbei de energie potentiala.

6 6a

7 7a

8 8a

Figura 1 Structurile compusilor 6a 7a 8a

Efectul N-oxidarii asupra deplasarilor chimice d¹³C

Datele din Tabelul 4 arata ca, asa cum era de asteptat, introducerea gruparii "N-oxid" in molecula sim-octahidroacridinelor produce efecte considerabile (si specifice, atat ca marime cat si ca semn) asupra atomilor de carbon aromatici C-4a,10a, C-8a,9a si C-9. Comparativ cu aminele 1-11, in toti aminoxizii corespunzatori:

-atomii C-4a,10a sufera ecranari cu -7,83 . -9,16 ppm

-atomii C-8a,9a sufera dezecranari cu +2,30 . +4,62 ppm

-atomii C-9 sufera ecranari cu -7,70 . -14,03 ppm.

Ecranarea carbonilor din pozitiile a si g ale nucleului piridinic se explica bine prin inversarea polaritatii acestora in urma N-oxidarii nucleului piridinic, asa cum reiese din structurile de rezonanta din Figura 2:

-in piridina propriu-zisa carbonii din pozitiile a si g prezinta deficit de electroni, pe cand in N-oxidul ei aceiasi atomi de carbon prezinta un exces de electroni care se datoreste efectului electromer donor de electroni (+E) al atomului de oxigen.

Valorile calculate ale distributiei de sarcina in compusii 7 si 7a, prezentate in Tabelul reflecta acelasi efect. Astfel, sarcinile CM1, pozitive pentru cele doua pozitii α (4a si 10a) in compusul 7, devin negative in aminoxidul corespunzator 7a. Densitatile de sarcina obtinute prin analiza de populatie Mulliken (M) prezinta valori foarte slab negative in 7 dar devin semnificativ negative in 7a. Dupa cum era de asteptat sarcina pe atomul de axot devine pozitiva in N-oxid.

Tabelul Valorile densitatii de sarcina CM1 si Mulliken (M) pentru grupa N-oxid si pozitiile α

-ecranarea mai slaba a atomilor de carbon a(8-9 ppm) comparativ cu atomii de carbon g(9-14 ppm, cu exceptia 9-aminoderivatului cu Dd de 7,70 ppm) se explica bine si ea prin aceea ca in pozitiile a se face "simtit" si efectul inductiv atragator de electroni (-I) al atomului de oxigen, care este opus efectului electromer, slabind efectul de ecranare al acestuia.

Tabelul 4. Comparatie a deplasarilor chimice d C ale octahidroacridinelor 1-13, cu cele ale N-oxizilor corespunzatori 1a-13a si ale octahidroacridonei 14^a).,b)..

a). Valorile d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.

O comportare deosebita fata de toti ceilalti N-oxizi o gasim in cazul aminoxizilor 12a si 13a in care se observa:

un efect diferit asupra carbonilor a si g, in sensul ca in timp ce carbonii a sufera ecranari mai puternice fata de limitele marcate anterior, de 9,89 ppm pentru 9-hidroxi-N-oxidul (13a) si chiar de -13,88 ppm pentru 9-acetoxi-N-oxidul (12a) carbonii g sufera dezecranari foarte puternice, de +18,66 ppm si respectiv    +13,22 ppm.

- o ecranare diferita a carbonilor C-8a,9a pentru cei doi N-oxizi, una puternica (-8,34 ppm) pentru 13a si una foarte slaba (-0,34 ppm) pentru 12a.

Figura 2

Structurile de rezonanta ale piridinei si piridin-N-oxidului.

Pentru cele doua cazuri aparte, exista explicatii particulare:

- in aminoxidul 13a gruparea "hidroxi" are un efect puternic +E. Apare deci o ecranare puternica pentru carbonii b.

Dintre atomii de carbon saturati sunt influientati puternic numai C4,5 care sunt cei mai apropiati (atat in spatiu cat si ca numar de legaturi despartitoare) de gruparea "N-oxid". In functie de natura 9-substituentului, C-4,5 sufera ecranari cuprinse intre -6,92 . .-7,54 ppm iar in 13a chiar de -10,26 ppm (Tabelul 4).

Ecranarile mai puternice observate in cazul compusilor 13a si 12a (doar pentru C-4,5 la ultimul) se explica bine prin efectele electronice discutate anterior.

La distanta de doua legaturi simple, ecranarea este deja mult atenuata, fiind de -1,14 . .-1,87 ppm pentru toti carbonii C-3,6. La carbonii C-2,7 distantati prin trei legaturi simple se observa in general o ecranare usor mai scazuta, de -0,81 . -1,27 ppm. Asupra atomilor de carbon C-1,8 cu exceptia catorva compusi (9a, 12a si 13a), efectul gruparii N-oxid este nesemnificativ, el nedepasind limitele erorii experimentale.

- in cazul aminoxidului 12a ecranarea puternica a carbonilor a si dezecranarea aproape la fel de puternica a carbonului g se explica bine prin manifestarea celor doua efecte electromere: +E donor de electroni ai oxigenului N-oxidic si -E atragator de electroni al oxigenului carbonilic. La limita celor doua efecte se situeaza carbonii b care sunt foarte slab ecranati (datorita primului efect mai puternic).

Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d C

Efectele 9-substituentilor asupra d ¹³C din sim-octahiroacridina si N-oxidul ei pot fi observate in Tabelele 5 si respective 6. Dupa cum era de asteptat, sunt influientati toti atomii de carbon ai nucleului piridinic. Interesant este faptul ca efectele 9-substituentilor asupra carbonilor C-4a,10a, C-8a,9a si C-9 se aseamana mai bine cu efectele substituentilor asupra carbonilor C-meta, C-orto si respectiv C-ipso la monosubstituirea benzenului decat cu efectele 4-substituentilor asupra atomilor de carbon corespunzatori din piridina. Se observa dezecranari puternice ale carbonilor C-9, slabe pentru carbonii C-4a,10a si ecranari diferite (slabe si puternice) ale carbonilor C-8a,9a.

Dintre atomii de carbon saturati, 9-substituentii influenteaza in mod considerabil numai carbonii C-1,8 care le sunt cei mai apropiati (atat in spatiu cat si ca numar de legaturi despartitoare): este interesant ca, indiferent de efectul lor electromer, substituentii NH₂, NO₂, -OCH₃ si -OCOCH₃ produc efecte similare -5,12 . .-5,54 (ecranari) si numai -Br produce un efect opus, de +1,40 ppm (dezecranare). Ceilalti atomi de carbon sufera modificari nesemnificative sau slabe ale deplasarilor chimice, cu -1,99 . .+0,89 ppm.

Comparand Tabelele 5 si 6 se poate vedea ca exista un paralelism aproape perfect (atat calitativ cat si cantitativ) intre efectele 9-substituentilor din aminoxizii 2a-13a si cele din aminele corespunzatoare, 2-13.

Tabelul 5. Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d C ale octahidroacridinelor 1-13^a).,b). .

a). Valorile d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.

Tabelul 6. Efectele 9-substituentilor asupra deplasarilor chimice d C ale octahidroacridin-N-oxizilor 1a-13a ^a).,b)..

a). Valorile d¹H masurate in CDCl₃ si exprimate in ppm fata de TMS intern, daca nu se specifica altfel;

b). Efectul N-oxidarii asupra d¹H reiese din valoarea diferentei d¹H_N-oxid -d¹H_amina, data in caractere rosii, dedesuptul deplasarilor chimice ale N-oxizilor.