Výzkum malých organických molekul

Studium konformačních, dynamických a komplexačních vlastností kalix[4]arenů, thiakalix[4]arenů a kalix[4]resorcinarenů

Kalix[n]areny mají unikátní komplexační schopnosti a díky zajímavé molekulární architektuře se uplatnily při syntéze celé řady ligandů pro komplexaci kationtů, aniontů i neutrálních látek. Vzhledem ke své makrocyklické struktuře představuje kalix[4]aren relativně rigidní molekulu, která za normálních podmínek zaujímá tzv. konickou (cone) konformaci, připomínající pohár nebo kalich. Vhodnou substitucí mohou kalix[4]areny zaujmout další konformace – částečně konickou, 1,2- a 1,3-střídavou. Jednou z nejcennějších vlastností kalix[4]arenu je možnost syntézy různých konformerů s přesně definovanou prostorovou strukturou, což má zvláštní význam při návrhu látek s vhodnými komplexačními vlastnostmi. Kalix[n]areny jsou proto využívány k syntéze složitějších receptorů, senzorů, supramolekulárních struktur, modelů enzymů, kapalných krystalů a pod. Nedávno se podařilo syntetizovat sirnou obdobu kalix[4]arenu, kde jsou methylenové můstky základního skeletu nahrazeny atomy síry.

4 základní konformace kalix[4]arenů

Studované projekty:

• Konformační a dynamické vlastnosti a kinetika tetraalkylovaných a částečně alkylovaných thiakalix[4]arenů
• Konformační a dynamické vlastnosti kalix[4]resorcinarenů
• Strukturní studie komplexů kalix[4]arenu s anionty

Použitím různých NMR technik (¹H, ¹³C, COSY, ¹H-¹³C HMQC (HSQC), ¹H-¹³C HMBC) je možné provést kompletní přiřazení protonových a uhlíkových signálů celého kalix[4](resorcin)arenového skeletu. Pomocí NOE (Nukleární Overhauserův efekt) určujeme konformace připravených látek, resp. struktury komplexů. Základními metodami k určení dynamického chování je Analýza tvaru čáry (Line Shape Analysis), výměnná spektroskopie (EXSY) a měření podélné a příčné ¹³C relaxace.

Studium prostorové struktury derivátů calix[n]arenů pomocí metody měření reziduálních dipolárních interakcí

Metoda měření reziduálních dipolárních interakcí (RDC) využívá anizotropní interakci, jejíž velikost je pro danou dvojici interagujících spinů (např. C-H vazbu) úměrná orientaci této skupiny v magnetickém poli. Tuto metodu využíváme pro potvrzení struktury známé z jiné analytické metody (X-RAY) či k  určení prostorové struktury látky, u které není možné vypěstovat vhodný monokrystal pro rentgenovou krystalografii.
Aby bylo možné reziduální dipolární interakční konstanty odečíst, tak je nutné molekuly analyzované látky částečně zorientovat, zavést je do vhodného orientujícího media. V naší laboratoři jsme otestovali několik typů orientujících medií a v praxi se nejlépe osvědčily roztoky polyglutamátových a polyacetylenových lyotropních kapalných krystalů.

Srovnání prostorových struktur derivátu calix[4]arenu získaných z různých instrumentálních metod.

Holub, Jan; Eigner, Václav; Vrzal, Lukáš; Dvořáková, Hana; Lhoták, Pavel, Calix[4]arenes with intramolecularly bridged meta positions prepared via Pd-catalysed double C-H activation., Chemical Communications, Volume49, Issue27, Pages2798-2800.

Konformační analýza derivátů purinů pomocí kombinace NMR spektroskopie a ab-initio výpočetních metod.

Puriny a jejich deriváty jsou často studovanými látkami vzhledem k jejich možnému farmakologickému využití. Pro aplikaci těchto látek je však podmínkou detailně znát jejich prostorovou strukturu, kterou v naší laboratoři studujeme kombinací klasických metod NMR spektroskopie (¹H, ¹³C-APT, ¹H-³¹C HMQC, ¹H-¹³C HMBC a ¹H-¹⁵N HMBC), doplněných o výsledky ab-initio výpočtů.
Prvním krokem při výpočtu je lokalizace všech potenciálních konformerů studované látky pomocí konformačního skenu. Populované konformery jsou optimalizovány na DFT úrovni a od těchto struktur je následně možné vypočítat NMR parametry (chemické posuny v ¹H, ¹³C i ¹⁵N NMR spektrech.) Pro korelace s experimentálními hodnotami je nejvhodnější využít ¹³C a ¹⁵N NMR data vzhledem k dostatečně vysoké disperzi chemických posunů.

Optimalizované struktury N9-(p-nitrofenyl)adeninu a N7-(p-nitrofenyl)adeninu. Pro každý regioisomer byl nalezen pouze jeden populovaný konformer.

Váňa, Lubomír; Vrzal, Lukáš; Dvořáková, Hana; Himl, Michal; Linhart, Igor; Direct arylation of adenine by fluoro- and chloronitrobenzenes. Effect of microwaves. Synthetic Communications;doi:10.1080/00397911.2013.831902