Методичка_Громов

Двойной резонанс. Спектрометры ЯМР располагают возможностью проводить эксперименты по двойному резонансу. При этом происходит облучение спиновой системы сразу двумя резонансными частотами: одна из них используется для регистрации сигнала, а другая – для возмущения спиновой системы. Различают следующие случаи двойного резонанса: (а) межъядерный эффект Оверхаузера, при котором одна из линий спектра (нерегистрируемая в данных условиях) насыщается; (б) локальный двойной резонанс, при котором происходит возмущение энергетических уровней и появляются новые переходы; (в) селективная развязка, при которой возбуждаются все все переходы, связанные с данным ядром, что приводит к исчезновению констант взаимодействия с этим ядром; (г) полная развязка. В последнем случае устраняются все спин-спиновые расщепления, связанные с группой ядер. Полная развязка позволяет существенно упростить спектры ЯМР. Особенное значение имеет гетероядерная развязка 13C – 1H; при этом в спектрах ЯМР 13C устраняются все расщепления 13C–1H, и число синглетных сигналов соответствует числу химически неэквивалентных ядер 13C в исследуемом соединении.

Примеры использования спектроскопии ЯМР для исследования супрамолекулярных систем

Спектроскопия ЯМР является наиболее информативным (хотя и косвенным, как любые другие спектральные методы) методом определения пространственного строения органических соединений в растворе. Практически незаменим этот метод и для установления строения супрамолекулярных систем, поскольку чаще всего они построены с участием органических молекул. Необходимо отметить, что спектроскопию ЯМР можно применять только для анализа истинных растворов, т.е. как правило для не слишком сложных систем (с молекулярными весами до 2000-3000), к которых отсутствуют параллельно идущие процессы агрегации с образованием дисперсий или выпадением осадков. В этой связи наиболее подходящими являются растворы с концентрациями компонентов 10-4–10-2 моль/л.

Для органических молекул – предшественников супрамолекулярных систем, имеющих в своем составе ненасыщенные группы или ароматические фрагменты, важную структурную информацию можно извлечь благодаря магнитным анизотропным эффектам. На рисунке 9 показан пример самосборки супрамолекулярного ансамбля донорноакцепторного типа на основе бис(18-краун-6)стильбена и диаммонийного производного аналога виологена. Благодаря гомодитопному взаимодействию двух терминальных аммонийных групп акцепторной молекулы с двумя краун-эфирными фрагментами донорной

231

молекулы в растворе образуются необычайно прочные комплексы с переносом заряда. В комплексах стехиометрии 1:1 плоские хромофорные фрагменты располагаются один над другим на близком расстоянии, что приводит к взаимному экранированию их протонов, и, следовательно, к смещению сигналов большинства ароматических протонов и протонов C=C

связей в сильные поля (ΔδH до -0.33 м.д.). Полный анализ направлений и величин ΔδH для сигналов обоих компонентов в комплексах 1:1 позволяет сделать вывод, что хромофорные фрагменты находятся в скрещенной, Х-образной конформации, а не точно проектируются друг на друга (син-конформация).

Рисунок 9 – Спектры ЯМР 1H (ароматическая область) диаммонийного производного аналога виологена (a), бис(18-краун-6)стильбена (b) и их смесей 2 : 1 (c), 1 : 1 (d) и 1 : 6 (e) в MeCN-d3.

При увеличении содержания в смеси донорного компонента образуются также тримолекулярные комплексы, имеющие сэндвичевую структуру с акцепторной молекулой, зажатой между двумя донорными. При таком расположении молекул ароматические и этиленовые протоны аналога виологена попадают в области экранирования сразу двух стильбеновых молекул, что ведет к еще бóльшему смещению сигналов этих протонов в сильные поля (ΔδH до -0.83 м.д.). Более чем двукратное увеличение ΔδH для

232

тримолекулярного комплекса по сравнению с бимолекулярным указывает на бóльшую сближенность хромофорных фрагментов в комплексе 2:1, очевидно, благодаря снижению стерических напряжений, свойственных комплексам 1:1.

Образование комплексов включения на основе кукурбит[n]урилов также сопровождается сильными смещениями сигналов протонов молекулы-«гостя» блягодаря анизотропии карбонильных групп порталов молекулы-кавитанда. На рисунке 10 этот эффект проиллюстрирован на примере образования псевдоротаксанового комплекса между дибетаиновым аналогом виологена и CB[7].

комплекс

Рисунок 10 – Фрагменты спектров ЯМР 1H дибетаина аналога виологена (а), CB[7] (б) и их смеси 1:1 (в) в D2O–MeCN-d3 (10:1).

При смешивании компонентов в эквимольном соотношении в спектре ЯМР 1H появляются два набора сигналов протонов от обоих компонентов. Это является следствием

233

медленного в шкале времени ЯМР обмена компонентов между свободным состоянием и комплексом стехиометрии 1:1. Большинство новых сигналов демонстрировали сдвиг в сильное поле по сравнению с сигналами протонов исходных соединений, причем наибольший сильнопольный сдвиг (ΔδH = -0.98 м.д.) среди сигналов в ароматической области показали этиленовые протоны аналога виологена. Это означает, что стенки CB[7] экранируют в наибольшей степени именно эти протоны, и, таким образом, в комплексах кавитанд располагается преимущественно над центральной областью молекулы дибетаина. По мере удаления от центра молекулы-«гостя» протоны ее сопряженного фрагмента последовательно становятся менее экранированными, а сигналы периферийных CH2SO3

групп N-заместителей показывают уже слабопольный сдвиг (ΔδH = 0.16 м.д.) по сравнению со свободным соединением, испытывая дезэкранирующее воздействие карбонильных групп порталов молекулы-«хозяина». Такой порядок изменения величины и направления ΔδH подтверждает псевдоротаксановое строение супрамолекулярного комплекса, при котором молекула «гостя» продета сквозь полость макроцикла, и ее концевые фрагменты находятся вне полости CB[7].

Большую структурную информацию удается извлечь из двумерных (2D) ЯМР экспериментов, основанных на различного рода методиках двойного резонанса. Наиболее распространены следующие методики:

-COSY (Correlation SpectroscopY) – корреляционная 1H–1H спектроскопия, позволяющая оценить магнитные взаимодействия между протонами через электроны разделяющих их химических связей.

-HSQC (Heteronuclear Singe Quantum Correlation) – корреляционная 1H–13C спектроскопия,

позволяющая оценить магнитные взаимодействия между углеродными атомами и непосредственно связанными с ними протонами, т.е. для связей C–H.

-HMBC (Heteronuclear Multiple-Bond Correlation) – корреляционная 1H–13C спектроскопия,

позволяющая оценить дальние взаимодействия между углеродными атомами протонами (как правило, через 2 или 3 связи); взаимодействия через одну связь в ходе 2D эксперимента подавляются.

-NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) – спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера между ядрами 1H, сближенными в пространстве на расстояние до 3.5 Å, но не обязательно соединенными цепочкой ковалентных связей.

-ROESY (Rotating Overhauser Effect SpectroscopY) – вариация спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера.

234

Ниже проиллюстрированы некоторые 2D эксперименты. На рисунке 11 приведен спектр COSY α-ЦД. Молекула данного макроциклического кавитанда состоит из шести α- глюкопиранозных остатков, соединенных друг с другом через положения 1 и 4 пиранозного цикла. Все пиранозные звенья в молекуле идентичны друг другу (т.е. химически эквивалентны), поэтому в 1D спектре ЯМР 1H наблюдаются четкие 6 сигналов от пяти CHгрупп и одной группы CH2. В 2D COSY спектре можно выделить диагональную линию, проходящую из нижнего левого угла в правый верхний угол, контурные линии (сигналы) на которой соответствуют одномерному спектру (две его проекции отложены слева и вверху 2D спектра). Симметричные сигналы, находящиеся вне диагональной линии, называются кросспиками и отвечают наличию взаимодействия между магнитными ядрами. Относительная интенсивность кросс-пиков зависит от количества химических связей, разделяющих взаимодействующие ядра. Как правило, взаимодействия более чем через 4 связи настолько слабые, что сливаются с шумом. Сигналы конкретных взаимодействующих ядер определяются проведением перпендикуляров через данный кросс-пик к обоим сторонам 2Dквадранта.

Таким образом, зная точное отнесение хотя бы одного сигнала в 1D спектре ЯМР 1H (в

случае α-ЦД это наиболее слабопольный сигнал C(1)H), на основании анализа кросс-пиков и их интенсивности можно последовательно отнести все остальные сигналы, т.е. установить структуру органического соединения.

235

Рисунок 11 – Спектр COSY α-ЦД в D2O.

На рисунке 12 показан гетероядерный спектр HSQC для α-ЦД. Аналогично гомоядерному спектру COSY, в данном случае появляются кросс-пики между взаимодействующими ядрами 13C и 1H, разделенными одной химической связью. Зная точное соотнесение сигналов в протонном спектре на основании предыдущего эксперимента, можно также отнести все сигналы в спектре ЯМР 13C. Аналогичная картина будет в спектре HMBC, но для дальних взаимодействий 1H–13C (более чем через одну химическую связь). Это позволяет точно отнести сигналы четвертичных атомов углерода, и, таким образом, полностью установить последовательность связей в молекуле.

236

Рисунок 12 – Спектр HSQC α-ЦД в D2O.

В особо сложных случаях, когда данных корреляционной спектроскопии оказывается недостаточно для однозначного отнесения сигналов, полезным может стать 2D NOESY (или ROESY) эксперимент. Это особенно важно для анализа супермолекул, построенных на нековалентных взаимодействиях. На рисунке 13 приведен фрагмент спектра ROESY смеси нафтилпиридина и β-ЦД, показывающий взаимодействия между «внутренними» протонами H(3*) и H(5*) молекулы-«хозяина» и протонами молекулы-«гостя». На основании очень слабых кросс-пиков между указанными протонами β-ЦД и практически всеми протонами нафтилпиридина был сделан вывод о существовании в растворе обоих возможных типов комплексов включения, отличающихся расположением несимметричного «гостя» в несимметричной полости «хозяина». Малая интенсивность соответствующих кросс-пиков указывает также на неполное соответствие размеров полости β-ЦД и стерического объема

237

нафтилпиридина, т.е. молекула-«гость» слишком свободно располагается внутри полости кавитанда, что снижает устойчивость такой супрамолекулярной системы.

Рисунок 13 – Фрагмент спектра ROESY смеси нафтилпиридина (C = 1.6·10-3 моль/л) и β-ЦД

(Cβ-ЦД = 6·10-3 моль/л) в D2O–MeCN-d3 (4:1).

Еще одна 2D методика – DOSY (Diffusion-Ordered SpectroscopY) – основана на измерении коэффициентов диффузии компонентов супрамолекулярной системы. Как правило, меньший по величине компонент («гость») обладает бóльшей подвижностью в растворе, а объемистый «хозяин», напротив, медленнее диффундирует сквозь среду. На

238

рисунке 14 представлена кривая зависимости значений коэффициентов диффузии холевой кислоты и β-ЦД от соотношения их концентраций. Хорошо видно, что при увеличении содержания в смеси β-ЦД значения коэффициентов диффузии обоих компонентов сближаются, т.е. система начинает перемещаться в растворе как единое целое, что означает образование комплекса включения.

β-ЦД

Рисунок 14 – Зависимость значений коэффициентов диффузии холевой кислоты и β-ЦД от соотношения их концентраций в D2O.

Фактически представленная выше зависимость представляет собой ЯМР-титрование. Математическая обработка полученных кривых титрования позволяет оценить стехиометрию комплексообразования и рассчитать константы устойчивости образующихся комплексов. Метод ЯМР-титрования позволяет определять константы устойчивости, значения которых лежат в интервале 10–105 л/моль. Для измерения более высоких констант устойчивости супрамолекулярноых комплексов можно использовать конкурентное ЯМРтитрование, если предварительно удается измерить соответствующую константу устойчивости комплекса лиганда-конкурента.

239

Рисунок 15 – Слева: изменения в спектрах ЯМР 1H при титровании α-ЦД (CЦД = 1·10-3 моль·л-1) п-иодфенолятом натрия в D2O. Сигнал H-5 смещается в слабое поле, сигнал H-3 – в

сильное поле. Спектр (a) – свободный α-ЦД, спектры (b)-(f) – последовательное увеличение концентрации п-иодфенолята натрия в смеси. Справа: зависимость δH некоторых протонов α- ЦД от концентрации п-иодфенолята натрия.

Для иллюстрации метода ЯМР-титрования на рисунке 15 показаны изменения,

происходящие в 1D спектрах ЯМР в ходе титрования в системе п-иодфенолят натрия/α-ЦД. Хорошо видно, что, при постепенном увеличении содержания п-иодфенолята натрия в смеси, наиболее чувствительные к присутствию «гостя» сигналы «внутренних» протонов H-3 и H-5 циклодекстрина последовательно меняют свое положение в спектре. Это означает размещение аниона п-иодфенолята внутри полости макроциклического кавитанда, т.е. образование супрамолекулярного комплекса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Сергеев Н.М., Сергеева Н.Д. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса в органической химии: Учеб. Пособие. – М.: МГУ, 1989. – 44 с.

240