Applications of NMR to study structures of natural compounds

RNDr. Lenka Grycová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Posun v evoluci nemocí nejen v Evropě, ale také na jiných místech světa nutí vědce více se vracet k přírodě, možná proto, že v některých případech může být takovýto přístup efektivnější. Analýza nových látek a vzájemných interakcí je jedním ze základních kroků vedoucích ke konečné sloučenině, zásadní pro včasnou identifikaci či léčbu onemocnění. Analýzy zahrnují identifikaci nově izolovaných látek, chemických vlastností, struktur s modelovými sloučeninami i chování látky v prostředí makromolekul. NMR lze použít k identifikaci přírodních látek zahrnující jak základní určení struktury izolované látky, tak složitější studium různých vlastností. Srovnatelné nebo doplňující informace může poskytnout například rentgenová analýza nebo hmotnostní spektrometrie. Chemický posun, který je velmi citlivý na rozložení elektronové hustoty, je důležitým nástrojem pro určení široké škály chemických a fyzikálních vlastností. Lze studovat rovnováhu protonačních dějů, tautomerii látek, konformační procesy nebo například stanovovat pK hodnoty. Charakterizace mezimolekulárních interakcí je jedním z velmi důležitých kroků při studiu farmakologie a biochemie nových léků. 2D experimenty lze pak uplatnit například při určení konstituce alkaloidních a flavonoidních látek. Nukleofilní adice studovaná na kvartérních protoberberinových alkaloidech poskytla produkty s kovalentní vazbou mezi studovaným alkaloidem a modelovou heterocyklickou strukturou s jedním, dvěma nebo třemi dusíkovými atomy. NMR spektroskopie byla použita k identifikaci vznikajících produktů. pKa hodnoty kryptolepinových alkaloidů, potenciálně aktivních látek pro léčbu malárie, představují důležitou charakteristiku těchto struktur. Stanovení pKa hodnot je možné několika spektroskopickými metodami. NMR titrace indoloquinolinů poskytla závislost chemického posunu na pH prostředí. Z těchto závislostí byly získány hodnoty pKa několika derivátů. Pomocí NMR spektroskopie byla stanovena struktura několika derivátů odvozených od flavonoidů isolovaných z okrasného stromu pavlownie senekalské. Některé struktury jsou nové, některé byly již dříve popsány, nicméně poprvé z tohoto studovaného stromu.

Abstract:

The evolution of diseases in Europe, and in other parts of the world constrains scientists to cooperate more efficiently with nature. Analysis of new structures and interactions constitutes one of the general steps on the long path to the discovery of new pharmacological compounds that are important for identification and treatment of diseases. Such analysis includes the identification of the newly obtained compound, determination of its chemical properties, and the characterization of its interactions with small molecules as well as with macromolecules. NMR spectroscopy can be used to identify the constitution and configuration of natural products, and to characterize their various physical and chemical properties. Complementary information can be obtained from X-ray diffraction and mass spectrometry. The NMR chemical shift is very sensitive to the electron distribution around the nucleus of an atom, is an important indicator of changes in the structural arrangement of molecules, for example, in protonation-deprotonation equilibrium, tautomeric processes, conformation studies, and the determination of pK values. Characterization of intermolecular interactions is highly important in pharmacological and biochemical studies of medicinal drugs. Nucleophilic addition to a quaternary protoberberine alkaloid gives a product with a new covalent bond between the alkaloid and a heterocyclic structure, containing one, two, or three nitrogen atoms. The products have been characterized by NMR spectroscopy, mass spectrometry, and, in some cases, X-ray diffraction. The pKa values of cryptolepine derivatives, which are potentially useful in the treatment of malaria, are very important. NMR titration of indoloquinolines showed the dependence of the NMR chemical shifts on the pH. Analysis of these dependences gave the pKa values. The structures of several flavonoids isolated from the fruit of the Paulownia tree were determined by NMR spectroscopy. Some of these were new and some had been isolated previously but from sources other than the fruit of Paulownia tomentosa.

Keywords

NMR spektroskopie, rostlinné zdroje, flavonoidy, kvartérní protoberberinové alkaloidy, nukleofilní adice, rentgenová difrakční analýza, kryptolepiny, cytotoxicita, vazba na DNA NMR spectroscopy, plant source, flavonoids, quaternary protoberberine alkaloids, nucleophilic addition, X-ray diffraction, cryptolepines, cytotoxicity, DNA binding

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 6. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2010
• Supervisor: prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.
• Reader: RNDr. Miloš Buděšínský, DrSc., doc. Mgr. Jitka Vostálová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry