Расшифровка спектров ЯМР с применением COSY-спектроскопии

Для облегчения расшифровки любого спектра надо иметь элементный состав молекул исследуемого вещества, его молекулярную массу и молекулярную формулу(например, полученные масс-спектром высокого разрешения), одномерные спектры ЯМР ¹³С и ПМР. Спектр ЯМР ¹³С укажет количество атомов углерода, даст информацию, образуют они цепочку или цикл, с какими соседними гетероатомами они связаны и т.д. Одномерный спектр ПМР дает информацию о количестве неэквивалентных групп протонов, об их химическом сдвиге d, позволит определить константы спин-спинового взаимодействия J, по их величине оценить, если удастся, через сколько связей ядра спиновых систем связаны между собой. А уже затем используется COSY-спектр для установления или для уточнения спиновых систем ядер и для окончательной расшифровки структуры вещества.

В особенно сложных случаях надо применять и другие методы, например, двойной резонанс или более десятка других методов, предоставляемых импульсной спектроскопией.

Рассмотрим два примера.

3.5.1.Строение 3,6-бис(9¢,9¢-ди-н-гексилфлуоренил-2¢)-дибензотиофен-S,S-

диоксида:

COSY cпектр соединения (I) представлен на рис.4, на котором двухмерный COSY cпектр показан на пространстве прямоугольника, к нему по соответствующим координатам приложены одномерные спектры вещества, что существенно облегчает расшифровку. Необходимо отметить, что одномерные

3 2 1 5 7 6,4 8,9, СНCl₃

10

Рис.4. Спектр ПМР (2Н-(δδ)-COSY-cспектр) 3,6-бис(9¢,9¢-ди-н-гексил-флуоренил-2¢)-дибензотиофен-S,S-диоксида.

спектры имеют существенно большее разрешение, чем спектр COSY. Последний имеет диагональное расположение сигналов, соответствующее расположению тех же сигналов в одномерных спектрах. Кроме того, COSY спектр содержит сгналы, располрженные не на диагонали, которые и называют кросс-сигналами. Они и позволяют определить ядра, входящие в одну спиновую систему.

Пик № 3 с наибольшим химическим сдвигом принадлежит протону в положении, которое ближе всего к дезактивирующей акцепторной группе SО₂. Визуально он определяется как синглет, ибо не имеет соседних атомов водорода, однако для него наблюдается слабый кросс-сигнал с ядром № 2 (в м-положении), причем, константа J для этого взаимодействия сравнима с естественной шириной сигнала ПМР. Это еще свидетельствует о том, что протоны 1 и 2 принадлежат к тому же ядру, что и протоны 3. Протоны 1 и 2 взаимодействуют между собой, образуя два дублета, что видно и по кросс-сигналам, лежащим близко от диагонали. Протоны 6 и 7 (два дублета, ибо у них по одному соседнему водороду) имеют дублеты, которые не обращены друг к другу и не имеют между собой кросс-сигналов. По кросс-сигналам видно, что протон № 6 взаимодействует с 5-м, а 7-й – с одним из протонов в группе 8,9,10. Эти протоны имеют наименьший химический сдвиг, свидетельствующий о том, что от них дальше всего находится электроноакцепторный центр.

3.5.2. Строение вещества (II):

Вещество (II) имеет одномерный спектр ПМР (n_о = 500 МГц), представленный на рис. 5. Это природный гликозид, выделенный из бобов. При

Рис.5. Протонный спектр соединения (II) (500 МГц, D₂O).

кислотном гидролизе образует глюкозу и пиперидиновое основание. Спектр ЯМР ¹³C дает основание предполагать, что соединение имеет строение (II).

3.5.2.1. Предварительные замечания.

Во-первых, остаточная вода Н₂О в D₂O имеет d = 4,75 м.д., т.е. на спектре ее полос нет.

Во-вторых, учитываем анизотропию экранирования:

Вследствие анизотропии экранирования экваториальные протоны попадают в зону дезэкранирования, поэтому они находятся в более слабом поле, т.е. их значения химических сдвигов d на 0,1 – 0,7 м.д. больше, чем для аксиальных протонов. Константа спин-спинового взаимодействия геминальных протонов группы СН₂ J_ае = 15 – 18 Гц, для взаимодействия с соседними протонами J_аН(сос) = 8 – 10 Гц, J_еН(сос) = 2 – 3 Гц.

3.5.2.2. Расшифровка строения кольца глюкозы.

COSY спектр соединения представлен на рис.6.

Поскольку все углероды кольца глюкозы связаны с гетероатомом кислородом, то их химический сдвиг (за некоторым исключением) должен быть больше, чем для протонов пиперидинового кольца, где они более экранированы, т.е. меньше дезэкранированы за счет индуктивного эффекта гетероатомов. Исключение составляют атомы Н₆, Н₃ и Н₄ пиперидинового

кольца, поскольку у них соседями есть атомы кислорода, как и в кольце глюкозы. Поэтому дублет при 4,33 м.д. принадлежит протону Н₁^’(у него только один сосед Н₂^’, у него два соседних атома кислорода и вследствие этого наибольший химический сдвиг d за счет индуктивного эффекта двух атомов кислорода). Как видно из рис. 7, кросс-сигналы напротив протона Н₁¢ по

горизонтали и по вертикали, а также сигналы взаимодействующих протонов Н₁¢ и Н₂¢ на диагонали образуют квадрат 1, указывающий на их взаимодействие (спиновая система типа АХ, d для Н₂¢ равно 3,14 м.д.). Протоны Н₂¢ дают двойной дублет (от Н₁¢ и от Н₃¢), причем, сигналы от Н₂¢ и Н₃¢ и кросс-сигналы

напротив них образуют квадрат 2, что подтверждает наличие их спин-спинового взаимодействия. Протоны Н₃¢ должны взаимодействовать с протонами Н₄¢, и это подтверждается квадратом 3, образованным их сигналами на диагонали и кросс-сигналами.

Квадрат 3 двойной, поскольку сигналы протонов Н₃¢ и Н₅¢ почти накладываются друг на друга, по крайней мере на COSY cпектре они образуют одно пятно, т.е. COSY cпектр этим подтверждает, что соседние протоны Н₄¢ и

Рис. 6. COSY cпектр для соединения (II), одинарный протонный спектр

которого показан на рис. 5.

Н₅¢ (двойной квадрат 3) между собой взаимодействуют.

Протон Н₅¢ взаимодействует с двумя протонами Н₆¢, но оказывается, что последние не эквивалентны, ибо на диагонали для них наблюдается два пятна, и они оба имеют кросс-сигналы с протонами Н₅¢, т.е. образуют квадраты 4 и 5, что подтверждает наличие спин-спинового взаимодействия протонов Н₅¢ с обеими отдельно стоящими в спектре протонами Н₆¢. Квадрат 6, образованный сигналами разных Н₆¢ на диагонали и их кросс-сигналами, указывает, что эти два Н₆¢ протона имеют спин-спиновое взаимодействие также и между собой, т.е. каждый протон Н₆¢ должен давать 4 полосы в мультиплете (две от соседнего Н₆¢ и две от Н₅¢), что и наблюдается на одномерном спектре.

3.5.2.3. Расшифровка строения кольца пиперидина.

Остановимся подробнее на спиновых системах протонов в кольце пиперидина, показанных на рис.8.

Самый дальний сигнал в самом сильном поле (верхний правый угол) с d = = 1,3 м.д. (двойной квадруплет) принадлежит протону Н_2а в аксиальном положении, поскольку d_а < d_е­ (см. диаграмму анизотропии в разделе 3.5.2.1). Следовательно, сигнал при d = 1,88 м.д. (тоже двойной квадруплет) принадлежит протону Н_2е. Разница между химическими сдвигами этих сгналов равна Dd = 1,88 – 1,3 = 0,58, что соответствует разнице химических сдвигов протонов в экваториальном и аксиальном положениях. Двойной квадрупольный сигнал Н_2а N = (1+1)(3+1) = 8, т.е. он расщепляется на протоне Н_2е и на 3-х соседних протонах в положениях 1 и 3. В свою очередь сигнал Н_2е расщепляется на двойной квадруплет на протоне Н_2а и на 3-х соседних протонах в положениях 1 и 3. Сигналы Н_2а, Н_2е и их кросс-сигналы образуют квадрат 1, свидетельствующий об их спин-спиновом взаимодействии. Квадрат 2 указывает на спин-спиновое взаимодействие Н_2а и Н_1а, квадрат 3 – для Н_2а с Н_1е, а квадраты 4 и 5 – для Н_2е с Н_1а и с Н_1е соответственно.

Квадраты 6 и 7 свидетельствуют о наличии спин-спинового взаимодействия протонов 3 с 2а и 2е (для Н₃ δ = 3,47 м.д.). Квадрат 8 охватывает сигналы и кросс-сигналы для протонов Н₃ и Н₄, для которых и должно иметь место спин-спиновое взаимодействие. Квадрат же 9 соответствует взаимодействию протонов Н₄ и Н₅.

С протонами Н₆ та же проблема, что и с протонами Н₆¢, их два и они не эквивалентны. Кросс-сигналы (cм. рис.6) свидетельствуют о том, что они взаимодействуют между собой и каждый из них взаимодействует с Н₅.

Таким образом, мы убедились, что представленные здесь спектры ПМР соответствуют структуре (II).

Спектр COSY позволяет обнаруживать слабые взаимодействия через 4 и больше простых связей, которые на одномерных спектрах не обнаруживаются, поскольку J для них меньше естественной ширины сигнала и лежат в интервале от 0,1 до 0,5 Гц.

Для этого необходимо оптимизировать спектр СOSY таким образом, чтобы уменьшить интенсивность сильных взаимодействий (через 3 связи Н-С-С-Н и две связи Н-С-Н) и усилить интенсивность слабых взаимодействий через 4 и 5 связей. Для такой оптимизации физики описывают ряд способов. Один из них был применен для получения COSY-спектра на рис.9 (слабопольная часть спектра на рис.5). Здесь применено время задержки D импульсов (Δ время увеличения интервалов t₁ и t₂) по схеме:

π/2 Δ t₁ α Δ t₂,

где Δ было выбрано равным 0,25 с. При этом используется (или может использоваться) импульс α, меньший чем π/2.

При рассмотрении рис.9 видно, что число кросс-сигналов увеличилось, но, самое главное, появился кросс-сигнал, связывающий сигналы протонов Н₄ с протонами Н₁¢, что четко указывает на место связывания колец между собой.

Рис.9. Спектр COSY для соединения (II), оптимизированный

для обнаружения дальних взаимодействий.

ЛЕКЦИЯ № 4 (испр)

ЯДЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ОВЕРХАУЗЕРА (ЯЭО).

Дата добавления: 2014-01-05