Кссв спектрометра
Звідси КССВ = (6,432-6,392)*400 = 15,8 Гц. Отже, даний сигнал відповідає одному з протонів 7-членного циклу Н2 чи Н3 (або одному з олефінових протонів у молекулі 1Б). Якщо вибирати з цих двох протонів, то сигнал слід віднести до Н3, тому що сигнал протона Н2 повинен розташовуватись у більш слабкому полі через зв’язок з гетероциклічним атомом кисню. Його партнера по віцинальній КССВ видно при 7,55 м.ч. (компоненти дублету 7,5303 та 7,5700 м.ч.). Оскільки для даних сигналів не видно розщеплення за рахунок ССВ через 4 зв’язки, то синглет при 7,28 м.ч. слід віднести до протона Н5. Крім названих сигналів, у спектрі спостерігається типова картина спінової системи АВХ протонів бензольного кільця, які можна надійно віднести на підставі наявності далекої ССВ між протонами Н6 та Н8. Отже, віднесення протонних сигналів для сполуки 1А буде таким:
1А
Зі спектру вдається знайти декілька КССВ: 3JH2-H3 = 15,6 Гц, 3JH8-H9 = 8,8 Гц та 4JH6-H8 = 2 Гц. Аналогічно можна зробити віднесення сигналів у протонному спектрі, виходячи з припущення, що сполука, яка досліджується, має будову 1Б. Це віднесення показано нижче:
1Б
Оскільки типові значення віцинальних КССВ для транс-олефінових протонів лежать в межах 14-20 Гц, а для 7-членних циклів вони не повинні перевищувати 15 Гц, можна сказати, що молекула 1Б краще узгоджується з протонним спектром, ніж молекула 1А, але робити остаточні висновки щодо будови сполуки, базуючись лише на величині віцинальної КССВ в даному випадку некоректно, адже на її величину можуть вплинути наявні в молекулі замісники, і вона може дещо відрізнятися від типових величин, наведених у довідниках. Тому дослідження будови сполуки 1 слід продовжити. Найбільш доцільно виміряти спектр на ядрах 13С. Тут у випадку варіанту 1А слід чекати появи у слабкому полі, близько 150 м.ч., сигналів атомів С2 та С9а, а у випадку 1Б в цій області спектру повинні поглинати атоми С2 та С7а. Істотною відмінністю обох варіантів є те, що у першому випадку один з названих атомів вуглецю, а саме С2, зв’язаний безпосередньо з протоном, а в молекулі 1Б обидва вуглецеві атоми з сигналами у слабкому полі не мають безпосереднього зв’язку з протонами. Отже, якщо вдасться віднести сигнали всіх зв’язаних безпосередньо з протонами атомів вуглецю, то задачу ми вирішимо. Нижче, на Рис. 2 наведено вуглецевий спектр синтезованої сполуки.
З вуглецевого спектру видно, що кількість сигналів, а отже і нееквівалентних атомів вуглецю, відповідає кожній з альтернативних варіантів будови. Сигнал в найбільш слабкому полі, при 167,5 м.ч., відповідає атому вуглецю карбоксильної групи. Цей висновок можна зробити, базуючись на кореляційних таблицях, що наведені в першій частині посібника. Сигнали при 154,2 та 154,0 м.ч. у випадку варіанту 1А повинні відповідати атомам С2 та С9а, що зв’язані з атомом кисню. У випадку варіанту 1Б цим сигналам мають відповідати атоми С2 та С7а. Безпосередньо зі спектру, що знятий за умов розв’язки ССВ з протонами (декаплінгу), неможливо встановити, чи зв’язаний якийсь з названих атомів вуглецю безпосередньо з протоном. Відповідь на це питання можна отримати декількома методами. По-перше, можна виміряти спектр на ядрах 13С без декаплінгу. У цьому випадку сигнал атому вуглецю С2, якщо реалізується структура 1А, повинен розщепитися у дублет. Крім того, для остаточного вибору між 1А та 1Б можна виміряти спектр DEPT-135. У цьому спектрі не зв’язані з протонами атоми вуглецю не проявляються. Зупинимося на останньому методі, оскільки він є більш наочним і потребує менше часу. На Рис.3 наведено спектр DEPT синтезованої сполуки. Видно, що в спектрі не проявився жоден з сигналів поблизу 154 м.ч., а це означає, що синтезованій сполуці відповідає структурна формула 1Б.
170
165
160
155
150
145
140
135
130
125
120
115
110
Рис. 2. Спектр 13С сполуки 1, знятий в умовах розв’язки ССВ з протонами (розчинник – ДМСО-D6).
140
135
130
125
120
115
110
145
150
155
160
165
Рис. 3. Спектр DEPT сполуки 1 (розчинник – ДМСО-D6). Показано лише фрагмент спектру, що містить сигнали ароматичних атомів вуглецю.
Для вирішення задачі, як бачимо, навіть не знадобилося повне віднесення вуглецевих сигналів. Але слід зауважити, що таке просте рішення можливе лише у випадку сполук з відносно нескладною будовою. Дуже часто потрібне повне віднесення сигналів, для чого до аналізу слід долучати двовимірні спектри. На прикладі розв’язку задачі 2 проілюструємо, як провести повне віднесення сигналів за допомогою двовимірних кореляційних спектрів.
Задача 2. За допомогою спектроскопії ЯМР визначити будову сполуки, що існує у вигляді одного з ізомерів, 2А або 2Б:
2А
2Б
Спочатку проаналізуємо спектри на ядрах 1Н та 13С та співставимо їх з можливими структурними формулами сполуки.
У протонному спектрі (Рис. 4) в найбільш слабкому полі, при 12,65 м.ч., маємо сигнал, що може відповідати лише протону NH. В області поглинання ароматичних протонів міститься синглет інтенсивністю 1Н при 8,17 м.ч., що відповідає протону піразольного циклу, оскільки лише цей сигнал, виходячи з правил ССВ 1 порядку, є синглетом, та два дублети інтенсивністю 2Н кожний, що відповідають ароматичним протонам пара-толільного залишку. В області поглинання олефінових протонів, як це і можна було очікувати, маємо три сигнали інтенсивністю 1Н кожний, що відповідають протонам при подвійному С=С зв’язку алільного залишку. Віднести їх можна, базуючись на величинах хімічних зсувів та КССВ. Два сильнопольні дублети, виходячи зі значень їх хімічних зсувів, є, очевидно, сигналами протонів метиленової групи (=СН2). При 5,12 м.ч. поглинає сигнал, КССВ якого становить (5,133-5,109)*400 = 9,6 Гц, а при 5,29 м.ч. – сигнал, КССВ якого становить (5,308-5,266) *400 = 16,8 Гц. Отже, згідно рівняння Карплуса, останній з сигналів має трансоїдну орієнтацію відносно метинового (СН=) протона. Метиленова група алільного залишку (-СН2-) поглинає при 3.85 м.ч. Аналізуючи мультилетність сигналів, можна знайти КССВ для неї та для метинового протону. По закінченні аналізу можна зробити висновок, що протонний спектр цілком узгоджується зі структурою кожного з можливих ізомерів 2А та 2Б.
Вуглецевий спектр (Рис. 5) містить 13 сигналів, що узгоджується з обома структурними формулами сполуки. Деякі з сигналів можна віднести. Так, у найбільш сильному полі, при 21,2 м.ч. маємо сигнал метильної групи (це узгоджується з даними Табл. 2.7-2.15 першої частині посібника). При 33,4 м.ч. спостерігається сигнал метиленової групи алільного залишку. Найбільш інтенсивні сигнали в ароматичній області відповідають парам еквівалентних атомів вуглецю п-толільного замісника. Інші сигнали, хоча вони і не суперечать структурним формулам сполуки, надійно віднести не вдається. Таким чином, на даному етапі аналізу результати можна зобразити у вигляді схеми, що зображена нижче:
На схемі викривленими стрілками показані також кореляції, що містяться у спектрі COSY сполуки, який зображений на Рис. 6. Цей двовимірний спектр повністю узгоджується з обома варіантами будови сполуки і дозволяє підтвердити зроблені віднесення протонних сигналів. Таким чином, розглянуті вище спектри не дозволяють здійснити вибір між ізомерами. Тому для вирішення проблеми слід долучити додаткові експериментальні дані. Спробуємо з’ясувати, які саме експерименти слід провести для надійного вирішення задачі.
Як і у попередньому прикладі, для цього з’ясуємо, які відмінності будови ізомерів можуть бути виявлені за допомогою ЯМР-спектроскопії. Найбільш суттєвою відмінністю, в даному випадку, є взаємне розташування протона піразольного циклу та карбонільної групи піримідин-4-онового фрагменту та зв’язаність вузлових атомів гетероциклічної системи з гетероатомами. В формулі 2А піразольний протон знаходиться на відстані трьох хімічних зв’язків від карбонільного атому вуглецю, що може зумовити наявність ССВ між даними магнітними ядрами. Таким чином, вирішення задачі може базуватися на виявленні 1Н-13С взаємодій у спектрах сполуки 2. Слід, однак, зауважити, що у випадку, коли гетероядерна кореляція знайдена, її можна застосовувати для аналізу будови сполуки. Коли ж очікуваної кореляції немає, надійних висновків про будову робити не можна, оскільки відсутність кореляції, окрім структурних факторів, може бути зумовлена недосконалістю експерименту, зокрема недостатньою кількістю сканів при вимірюванні двовимірного спектру. Другою суттєвою відмінністю молекул 2А та 2Б є зв’язаність вузлових атомів вуглецю. Якщо в молекулі 2А один з вузлових атомів зв’язаний з двома атомами азоту, а інший – з двома атомами вуглецю, то в молекулі 2Б обидва вузлові атоми мають зв’язок з одним гетероциклічним атомом азоту. Отже у випадку, коли молекула має будову 2А, один з вузлових атомів вуглецю повинен поглинати в набагато більш сильному полі, ніж у випадку, коли реалізується формула 2Б. Названі відмінності і можуть стати основою визначення будови молекули.
Таким чином, у даному випадку застосування гетероядерної кореляційної спектроскопії є цілком перспективним. Навіть за відсутності кореляції між карбонільним атомом вуглецю та протоном піразольного кільця, будову молекули можна буде знайти, базуючись на хімічних зсувах вузлових атомів вуглецю, що містяться в молекулі, які будуть знайдені за допомогою кореляційних спектрів.
Для всіх задач, вирішення яких потребує залучення гетероядерної кореляційної спектроскопії, використовується однаковий підхід. Перш за все, для того, щоб висновки були ґрунтовними, конче необхідно провести віднесення всіх піків у вуглецевому спектрі. Для вирішення цієї задачі найчастіше достатньо виміряти два двовимірних спектри – спектр HMQC (або HSQC), що дозволяє ідентифікувати зв’язані з протонами атоми вуглецю, та спектр НМВС, що містить кореляції 1Н-13С через 2-3 хімічних зв’язки. Аналіз цих двох спектрів у більшості випадків дозволяє здійснити надійні віднесення сигналів. Після того, як всі сигнали віднесені, можна приступати до визначення будови молекули. Для цього аналізують можливі кореляції між сигналами протонів та атомів вуглецю для альтернативних структур. У нашому випадку в структурі 2Б протон піразольного циклу та ядро атома вуглецю карбонільної групи розділені чотирма хімічними зв’язками і кореляція між ними в спектрі НМВС малоймовірна. Тому для сигналу піразольного протону в молекулі 2А можна передбачити три кореляції в спектрі НМВС, а для структури 2Б – лише дві.
На Рис. 7-11 наведено спектри HMQC та НМВС для сполуки 2. Підготовчим етапом в аналізі обох типів спектрів є складання таблиці гетероядерних кореляцій. В такій таблиці (Табл. 1) перший стовпчик відповідає хімічним зсувам сигналів у спектрі 1Н сполуки. Сигнали найзручніше розташувати в стовпчику таблиці в порядку збільшення або зменшення хімічного зсуву. Другий стовпчик таблиці містить кореляції в спектрі HMQC, що відповідають сигналам протонів сполуки. Для їх знаходження на Рис. 7-8 проводять перпендикуляри від кроспіку на шкали протонного та вуглецевого спектрів і знаходять, який вуглецевий сигнал корелює з тим чи іншим протонним сигналом. Кожному протонному сигналу повинен відповідати сигнал атома вуглецю, за винятком тих випадків, коли протон зв’язаний з гетероатомом. У нас таким є протонний сигнал при 12,65 м.ч. Якщо ж один вуглецевий сигнал корелює одночасно з двома сигналами протонів, то це свідчить про те, що маємо справу з метиленовою групою, протони якої є анізохронними (мають різний хімічний зсув). У нашому випадку така ситуація спостерігається для сигналів протонів групи >C=СН2. Для ділянок спектра, що містять велику кількість кореляцій, слід використовувати фрагменти у збільшеному масштабі. Саме такий фрагмент зображено на Рис. 8. Деякі кореляції є настільки слабкими, що можуть не проявитися в спектрі HMQC. Особливо часто це буває для сигналів, що розщеплені внаслідок ССВ з декількома різними константами. У нашому прикладі ця ситуація виникла для сигналу протона при подвійному С=С зв’язку з хімічним зсувом 5,96 м.ч. Але у багатьох випадках такі сигнали можна віднести, базуючись на спектрі НМВС, де для сигналів часто спостерігаються залишкові кореляції через один зв’язок у вигляді дублетів з відповідною КССВ, причому вони можуть бути більш сильними, ніж кореляції в спектрі HMQC. Ми можемо побачити таку кореляцію для сигналу при 5,96 м.ч. на Рис.10. Це дозволяє заповнити відповідну клітинку в другому стовпчику таблиці.
У третій стовпчик таблиці слід звести кореляції в спектрі НМВС. Їх знаходять цілком аналогічно до кореляцій HMQC. Через кожний з протонних сигналів проводять горизонталь і визначають хімічні зсуви 13С кореляцій, що попадають на цю горизонталь. При цьому слід бути виключно уважним, оскільки інтенсивності кореляцій можуть відрізнятися в десятки разів, але всі вони повинні попасти до таблиці кореляцій. У випадку, коли протонні або вуглецеві сигнали розташовані занадто щільно, слід використовувати збільшені фрагменти спектру, що наведені на Рис. 10-11. Якщо в спектрі містяться кореляції, що точно не відповідають протонним сигналам, їх слід ігнорувати, оскільки вони відповідають або домішкам, або залишковим кореляціям через один зв’язок, що можуть супроводжувати інтенсивні протонні сигнали. Таким чином, поступово ми всі наявні у двовимірних спектрах кореляції переносимо у таблицю, яка наведена нижче. Для спрощення процедури побудови таблиці кореляцій доцільно перед очима мати одночасно протонний та вуглецевий спектри, а також відповідний двовимірний спектр, або його фрагмент. У такому разі одразу можна визначити хімічні зсуви піків, між якими існує та чи інша кореляція.
Табл. 1. Гетероядерні кореляції 13С-1Н, знайдені для сполуки 2.
м.ч. |
HMQC |
HMBC |
12,65 |
- |
160,8; 105,2 |
8,17 |
136,5 |
151,8; 105,2 |
7,88 |
121,9 |
137,0; 130,2; 121,9 |
7,29 |
130,2 |
136,6; 130,2; 121,9 |
5,93 |
133,7 |
33,4 |
5,29 |
119,3 |
133,7; 33,4 |
5,12 |
119,3 |
33,4 |
3,85 |
33,4 |
160,8; 133,7; 119,3 |
2,32 |
21,2 |
137,0; 130,2; 121,9 |
Подальший аналіз здійснюється вже на базі отриманої таблиці гетероядерних кореляцій.
Проаналізуємо двовимірні гетероядерні кореляційні спектри сполуки 2. Першим етапом аналізу кореляційних спектрів є віднесення сигналів 13С. Найпростіше віднести сигнали атомів вуглецю, що зв’язані з протонами, тому спектр HMQC завжди аналізують першим. Якщо віднесені сигнали у протонному спектрі, то одразу ж можна віднести і сигнали 13С-ЯМР вуглецевих атомів, що безпосередньо з ними зв’язані. Таким чином, хімічні зсуви, що зведені у другому стовпчику Табл.1 відповідають вуглецевим атомам, з якими зв’язані протони, сигнали яких зведені у першому стовпчику цієї таблиці. Саме так у сполуці 2 віднесені сигнали атомів вуглецю алільного фрагменту та сигнали ряду атомів вуглецю ароматичних кілець. (Віднесеня відповідних протонних сигналів нами було зроблено раніше, з використанням значень їх хімічних зсувів, КССВ, а аткож базуючись на мультиплетності сигналів та на кореляціях в спектрі COSY). Для більшої наочності хімічний зсув сигналу кожного віднесеного атому вуглецю слід записувати на структурній формулі сполуки біля відповідного атому.
Після віднесення сигналів атомів вуглецю, що зв’язані з протонами, переходять до віднесення сигналів незаміщених протонами вуглецевих атомів. Тут доводиться робити висновки, базуючись на далеких кореляціях в спектрі НМВС між сигналами атомів, віддалених одне від одного на 2-3 хімічних зв’язки. Ситуація ускладнюється тим, що розрізнити кореляції через 2 і через 3 зв’язки можна далеко не завжди, оскільки відповідні КССВ можуть мати однакову величину. Більше того, деякі кореляції в спектрі можуть не проявитися через занадто малу, або занадто велику величину КССВ. Так, в ароматичних сполуках можуть бути видимими кореляції через 3 зв’язки і невидимими кореляції через 2 зв’язки. Отже, завжди слід зважати на те, що нам доводиться мати справу з неповним набором кореляцій.
Починати віднесення сигналів незаміщених протонами вуглецевих атомів слід з найбільш достовірних кореляцій. Це дозволить зменшити кількість невіднесених сигналів. Якщо виявиться, що для одного чи двох атомів кореляції не знайдені, то їх сигнали можна віднести, базуючись на зв’язку хімічних зсувів з будовою молекул. В нашому випадку можна почати з сигналів фенільного замісника. Сигнал метильної групи, що поглинає при 2,32 м.ч., має кореляції з двома сигналами атомів вуглецю з хімічними зсувами 121,9 та 130,2 м.ч. (ці атоми зв’язані з протонами) (тому для них маємо кореляції в спектрі HMQC) і з одним сигналом при 137,0 м.ч. (відповідний атом вуглецю не зв’язаний з протоном). Єдиним незв’язаним з протонами атомом вуглецю фенільного кільця, до якого від протонів метильної групи не більше трьох хімічних зв’язків – це атом С4, саме з ним сполучена метильна група. Таким чином, сигнал при 137,0 м.ч. слід віднести саме до цього атома. Як і раніше, кожну кореляцію та знайдений хімічний зсув атома вуглецю слід відображати на структурній формулі молекули. Для кореляцій НМВС найбільш доцільно використовувати вигнуті стрілки, що спрямовані від протона до атома вуглецю, з яким маємо кореляцію. Якщо так поступати, то наприкінці роботи отримаємо повну схему гетероядерних кореляцій, що зображена нижче.
Сигнали протонів фенільного замісника мають кореляції з сигналами сусідніх атомів вуглецю, та з сигналами атомів, що знаходяться до них в м-положенні. Найбільш цікавою тут є кореляція з сигналом при 136,6 м.ч. Єдиний атом, якому може відповідати даний сигнал, є атом С1, що сполучений з атомом азоту піразольного циклу. Таким чином, базуючись на наявних гетероядерних кореляціях, нам вдалося віднести всі вуглецеві атоми у фенільному фрагменті молекули.
Ще одним ізольованим угрупуванням в молекулі 2 є алільний замісник. Хімічні зсуви сигналів 13С-ЯМР самого замісника відносяться, виходячи з спектру HMQC. А НМВС кореляція сигналу протонів метиленової групи –СН2– даного замісника при 3,85 м.ч. з сигналом при 160,8 м.ч. дозволяє віднести останній до атома С2 піримідинового циклу, що віддалений від метиленової групи на 3 хімічних зв’язки. Таким чином, поки що невіднесеними залишились три сигнали, при 105,2, 151,8 та 158,1 м.ч. З першими двома з названих сигналів в НМВС у спектрі корелює сигнал протона піразольного циклу. Це є цілком можливим для обох варіантів будови сполуки 2, оскільки обидва вузлових атоми вуглецю віддалені від атому водню піразольного кільця не більше ніж на 3 хімічних зв’язки. Найбільш важливим є наявність у спектрі сигналу з хімічним зсувом 105,2 м.ч. Цей сигнал повинен відповідати одному з вузлових атомів вуглецю, оскільки сигнал карбонільного атому вуглецю розташовується в спектрі у набагато більш слабкому полі. Порівняння альтернативних структур показує, що у формулі 2Б обидва вузлових атоми сполучені принаймні з одним атомом азоту, а, отже, не можуть мати хімічного зсуву 105,2 м.ч. В структурі 2А для одного з вузлових атомів такий хімічний зсув цілком можливий. Тоді інший вузловий атом матиме хімічний зсув 151,8 м.ч. Саме з цими сигналами корелює сигнал атома водню піразольного кільця. Єдиний сигнал, для якого не знайдені НМВС кореляції, це сигнал при 151,8 м.ч. Його, методом виключення, слід віднести до атома вуглецю карбонільної групи. Відсутність для нього кореляції з сигналом протону піразольного циклу може бути зумовлена малою величиною відповідної КССВ.
2Б
Таким чином, віднесення сигналів у вуглецевому спектрі дозволило відповісти на запитання задачі – молекула має структуру 2А.
Слід особливо підкреслити, що при аналізі будови молекули всі наявні кореляції повинні бути пояснені, виходячи з будови молекули. Наявність навіть однієї кореляції, що не має пояснення, може свідчити про помилковість гіпотези про будову. Тому на кінцевому етапі аналізу слід дуже уважно прослідкувати на схемі гетероядерних кореляцій всі кореляції, що були отримані в ході аналізу будови молекули. Іноді буває, що схема кореляцій дуже перевантажена стрілками, що утруднює її аналіз. У такому випадку слід виключити з неї кореляції, що не визначають віднесення сигналів, наприклад, кореляції між протонами та зв’язаними з ними атомами вуглецю, оскільки віднесення таких сигналів витікає зі спектру HMQC. Саме таку схему і показано вище.
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
Рис. 4. Спектр на ядрах 1Н сполуки 2.
70
60
50
40
30
20
80
90
100
110
120
130
140
150
160
Рис. 5. Спектр на ядрах 13С сполуки 2.
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
Рис. 6. Спектр COSY сполуки 2.
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
2.0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Рис. 7. Оглядовий спектр HMQC сполуки 2.
134
132
130
128
126
124
122
120
118
136
138
8.0
5.5
5.0
6.0
6.5
7.0
7.5
8.5
Рис. 8. Фрагмент спектру HMQC сполуки 2.
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
7
8
9
10
11
12
13
6
5
4
3
2
Рис. 9. Оглядовий спектр НМВС сполуки 2.
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
4
3
2
5
6
7
8
9
Рис. 10. Фрагмент спектру НМВС сполуки 2.
134
135
136
137
138
133
132
131
130
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
2.0
Рис. 11. Фрагмент спектру НМВС сполуки 2.
Розділ 2. Задачі для самостійного розв’язування