8. Ямр и конформационный анализ

В конформационном анализе многое зависит от изменения относитель­ных количеств различных конформеров молекулы. Если измерения проводятся при различных температурах, то можно установить не только, какая конформация является более устойчивой, но и насколько она устойчивее, определив ΔF, ΔH, и ΔS. Можно получить такую информацию из данных ЯМР тремя путями: а) из площадей пиков, б) из химических сдви­гов и в) из констант спин-спинового взаимодействия.

а) Как уже было показано, многие низкотемпературные спектры ЯМР изображают молекулы в индивидуальных конформациях. Это особенно характерно для производных циклогексана вследствие высокого барьера для взаимного превращения. Если данный протон находится в раз­личном окружении, он даст сигналы, соответствующие каждому окружению. Относительные площади пиков этих сигналов показывают относительные ко­личества конформеров.

Чтобы ответить на вопрос, какой сигнал соответствует той или иной конформации, изучают модельные соединения, существующие в определенной предпочтительной конформации. Это наиболее частое направление исследо­вания. Например, при изучении 4-замещенных трет-бутилциклогексанов было найдено, что экваториальный протон поглощает в более слабом поле, чем аксиальный, т. е. экваториальный протон менее экранирован, чем акси­альный: это правило распространяется на большинство соеди­нений.

б) В обычном ЯМР-спектре химический сдвиг определенного протона представляет собой среднее значение различных химических сдвигов для этого прото­на в различных конформациях. Например, для аксиального и экваториаль­ного протонов

τ = N_eτ_e + N_aτ_a δ = N_eδ_e + N_aδ_a

где N – мольная доля конформера.

Следовательно, наблюдаемое значение находится между значениями для двух конформеров и ближе к значению для преобладающего конформера.

Конечно, необходимо знать химические сдвиги для индивидуальных конформеров. Это можно сделать двумя путями: измерив спектр при низкой температуре или измерив спектр 4-замещенных трет-бутилциклогексана при условии, что трет-бутильная группа занимает экваториальное положе­ние и незначительно влияет на химический сдвиг.

Задача 7. а) Хотя спектр ЯМР для бромциклогексана сложен, сигнал одного протона ясно виден (δ 5,84; δ 4,16) в более слабом поле, чем остальные. Какой это протон и поче­му его сигнал так расположен? б) Сигнал, упомянутый в вопросе (а), представляет собой синглет при комнатной температуре, но при –75 °С расщепляется на два пика с нерав­ными площадями (но суммарная интенсивность соответствует одному протону): δ 3,97 и δ 4,64 с отношением 4,6 : 1. Как вы объясните расщепление пика? Какая конформация преобладает и (при –75 "С) какой процент молекул находится в этой конформации?

Задача 8. При комнатной температуре в ЯМР-спектре транс-4-трет-бутил-1-бромцик­логексана имеется пик в слабом поле (1Н) при δ 3,83; для цис-изомера соответст­вующий пик расположен при δ 4,63. Считая, что трет-бутильная группа не соз­дает прямого магнитного эффекта, чем вы объясните различие в положении химических сдвигов в двух спектрах? Подтверждают ли эти данные результаты конформационного анализа в предыдущей задаче?

Задача 9. а) При –81 °С среднее (равновесное) поглощение в слабом поле для бром­циклогексана (экстраполированное из данных при более высоких температурах) на­ходится при δ 4,10. Используя значения δ_е и δ_а, из данных низкотемпе­ратурного спектра в задаче 7 рассчитайте процентное содержание каждого конфор­мера при –81 °С. Сравните полученные результаты с данными, рассчитанными из пло­щадей пиков в задаче 7 б) При комнатной температуре в ЯМР-спектре бромцикло­гексана в слабом поле имеется пик при δ 4,16. Используя те же значения δ_е и δ_а, как в вопросе (а), рассчитайте процентное содержание каждого конформера при комнатной температуре. в) Сделайте такой же расчет, используя значения из данных задачи 8. Сравните этот ответ с ответом в вопросе (б).

Задача 10. При комнатной температуре спектр ЯМР цис-4-метил-1-бромциклогексана дает пик в слабом поле (1Н) при δ 4,49. Используя значения δ_е и δ_а из данных задачи 8, рассчитайте процентное содержание каждой конформации.

в) Величина константы спин-спинового взаимодействия между прото­нами двух соседних атомов углерода зависит от величины диэдрального угла между этими протонами. Исследование многих производных показывает, что для взаимодействия между анти-протонами (a,a) J в два или три раза боль­ше, чем между протонами, находящимися в скошенной конформации (а,е или е,е).

Теоретические расчеты, проведенные Мартином Карплусом в Колумбий­ском университете, показывают, что значение J должно зависеть от косинуса диэдраль­ного угла. Константа J должна быть равна нулю для угла 90° (1,571 рад), достигать среднего значения при изменении угла от 90° (1,571 рад) до 0° и увеличиваться до большой величины при переходе от 90° (1,571 рад) к 180° (3,141 рад).]

Для установления структуры замещенных циклических соединений и особенно интерпретации спектров ЯМР диастереоизомеров достаточно найти сдвиг конформационного равновесия циклана.

На рис. 21 приведен спектр смеси диастереомеров 1,4,4-триметил-3,5-динитропиперидина (1, 2) из которого видно, что у стереоизомера 1 нитрогруппы при С³ и С⁵ находятся в транс-состоянии и сдвига конформационного равновесия не наблюдается, поскольку оба состояния эквивалентны (всегда одна NO₂-группа находится в аксиальном положении, а другая – в экваториальном). В ЯМР-спектре этого диастереомера мы наблюдаем эквивалентные метильные группы при С⁴ (δ 1,25), дублетный сигнал эквивалентных протонов при С² и С⁶ с расщеплением на протонах при С³ и С⁵ (δ 2,95) соответственно. Сами же протоны при С³ и С⁵ дают триплетный сигнал (δ 4,98) с одинаковыми константами спин-спинового взаимодействия с расщеплением на метиленовых протонах при С² и С⁶.

1

2

Рис. 21. Спектр ЯМР 1H смеси диастереомерных 1,4,4-триметил-3,5-динитропиперидинов 1 и 2.

В другом диастереомере 2 с цис-расположением нитрогрупп при С³ и С⁵ наблюдаем сдвиг конформационного равновесия с преобладанием конформера «кресло» с экваториально расположенными NO₂-группами. В этом спектре ПМР наблюдается неэквивалентность метильных групп при С⁴ соответствующие синглеты δ 1,22 и 1,37; метиленовые протоны при С² и С⁶ диастереотопны. Аксиальные протоны имеют химический сдвиг δ 2,81, а экваториальные δ 3,02; между ними появляется геминальная константа спин-спинового взаимодействия (ССВ); расщепление каждого из этих протонов на протонах при С³ и С⁵ наблюдается, соответственно, в виде цис- и транс-констант. Сигнал протонов при С³ и С⁵ δ 4,49 дают дублет дублетов с константой ССВ аксиально-аксиального взаимодействия и аксиально-экваториального взаимодействия.