Знаходження спектральних параметрів.

Як отримати зі спектра на ядрах ¹Н спектральні параметри сполуки розглянемо на ще одному конкретному прикладі. Для того, щоб знайти величини хімічних зсувів, КССВ та інтенсивності сигналів, спектр повинен бути записаний цілком певним чином. Перш за все, треба мати оглядовий спектр, що містить всі сигнали зразка у потрібному спектральному діапазоні. Програма, за допомогою якої записується спектр, дозволяє шляхом нескладних маніпуляцій отримати числові значення інтегральних інтенсивностей та величини хімічних зсувів сигналів. Єдиною умовою для цього є присвоєння сигналу стандарту значення 0 м.ч. та визначення будь-якого піка, що відповідає відомій кількості протонів. Відносно цього сигналу будуть проінтегровані всі інші сигнали. Таким чином, один з сигналів у спектрі матиме інтегральну інтенсивність, що дорівнює цілому числу. Всі інші інтегральні інтенсивності виявляться нецілими – вони можуть на 5-10% бути меншими чи більшими від кількості протонів, що їм відповідає. Для зменшення таких відхилень слід експериментально визначити той протон, який краще за все обрати як репер інтенсивності. Відмінності інтегралів можуть бути пов’язані з недосконалістю нульової лінії спектра. Нижче на рисунку наведено оглядовий спектр і інтегральну криву, що йому відповідає. Хімічні зсуви сигналів, що містяться на оглядовому спектрі отримуються автоматично, якщо сигналу ТМС присвоєно нульове значення хімічного зсуву (цей сигнал у спектрі не показаний). Але масштаб оглядового спектру такий, що величини КССВ з нього визначити неможна. Якщо вивести частоти поглинання для всіх піків спектра, то вони будуть розташовані настільки щільно, що розрізнити цифри буде майже неможливо. Тому КССВ визначають, як правило, з додаткових, “розтягнутих” ділянок спектру. Доцільність такого підходу полягає також у тому, що на таких ділянках можна одразу використовувати шкалу в Гц, а не в м.ч. і присвоїти одному з компонентів кожного з мультиплетів нульове значення. Саме такі фрагменти спектру показано над оглядовим спектром. Різниці між положеннями мультиплетів і є КССВ. Так, наприклад, відстані між компонентами триплету при 4.42 м.ч. дорівнюють 9,4 Гц. Це означає, що саме така КССВ характерна для даного протону. Спектр містить і більш складні мультиплети, що відповідають гемінальним протонам метиленових груп. Для цих сигналів можна знайти дві КССВ – гемінальну (через два зв’язки) і віцинальну (через три зв’язки). Так, для піка, що поглинає при 3,85 м.ч. і має вигляд дублета дублетів, можна знайти дві КССВ – віцинальну, що дорівнює 4,9 Гц та гемінальну, що дорівнює 11,2 Гц. Серед мультиплетів, що присутні в спектрі, є і такі, для яких тонка структура або занадто складна (сигнал при 5,33 м.ч.), або невидима (сигнали в області 1,5-2,5 м.ч. Для таких сигналів КССВ не визначаються, для них приводяться лише величини хімічних зсувів і зазначається, що це – мультиплети. Поява в спектрі сигналів з нерозділеною структурою найчастіше відбувається тоді, коли в молекулі є фрагменти з конформаційними переходами, що відбуваються досить повільно. В даному разі нерозділені сигнали відповідають протонам циклогексенового кільця, для якого можливе одночасне існування двох конформацій.

Прискіпливий розгляд спектру дозволяє виявити в ньому також і сторонні сигнали. Так, сигнал при 3,55 м.ч. відповідає домішці води, а мультиплет при 2,51 м.ч. містить крім сигналу метиленових протонів, також і сигнал розчинника – диметилсульфоксиду. Це видно з дещо завищеної інтенсивності даного сигналу.

Рис. 3.7. Спектр, записаний для знаходження величин КССВ

Оскільки вилучення зі спектру спектроскопічних параметрів дуже важливо для практичного використання спектроскопії ЯМР, розглянемо ще один приклад і більш докладно покажемо, як зі спектра дістати всі спектральні параметри та правильно записати їх у такому вигляді, як це прийнято при оформленні публікацій у хімічних спеціалізованих журналах. Для цього розглянемо протонний спектр ще однієї гетероциклічної сполуки 3.1, яка має формулу

Рис. 3.8. Спектр ¹Н гетероциклічної сполуки 3.1.

Спектр записаний у такому вигляді, щоб спектроскопічні параметри було максимально зручно знаходити. Для цього кожний сигнал, що має мультиплетну структуру, записують окремо, а положення піків визначають як у мільйонних частках, так і в Герцах. Це дає змогу знаходити величини КССВ безпосередньо зі спектру. Якщо величини КССВ потрібно знайти зі спектра, де положення піків наведено в м.ч., то необхідно, щоб точність визначення хімічних зсувів компонентів мультиплетів була 0,001 м.ч. У такому разі якщо різницю між положеннями компонентів мультиплету помножити на частоту приладу, отримаємо величину КССВ у Гц з точністю до 0,1 Гц. Положення синглетів та триплетів визначають як хімічний зсув середньої лінії сигналу. Положення дублетів та квартетів – як середнє значення між центральними компонентами.

Як і раніше, передусім проводять віднесення сигналів у спектрі. Сигнал у найбільш слабкому полі відноситься до протону NH. З огляду на структуру молекули, це очевидно, оскільки ніякий інший протон не може мати сигналу у такому слабкому полі. Сигнали при 8,80 та 8,74 м.ч. відповідають поглинанню протонів Н2’ та Н3’. Мотиви для даного віднесення такі: по-перше, ці сигнали повинні мати близькі хімічні зсуви, оскільки данні протони мають схоже хімічне оточення; по-друге, для даних протонів повинні спостерігатися аномально маленькі віцинальні КССВ, оскільки обидва вони є a- піридиновими протонами. Синглет при 8,43 м.ч. відповідає поглинанню протона Н5’. Хоча для цього протона і може спостерігатися КССВ через 4 хімічних зв’язки, але видна вона далеко не завжди. Наступні сигнали в ароматичній частині спектру треба аналізувати одночасно. Так, згідно з формулою, сполука містить ароматичне кільце зі спіновою системою АMRX, що відповідають протонам Н4-Н7. Два з цих сигнали повинні бути дублетами, а два – триплетами. В спектрі ми бачимо дублет при 7,38 м.ч. та триплети при 7,42 та 7,58 м.ч. Найбільш логічно віднести їх відповідно до сигналів протонів Н4, Н6 та Н5. Про те, що поруч з дублетом протона Н7 знаходиться триплет протона Н6 свідчить те, що ці сигнали майже не спотворені ефектами другого порядку – компоненти мультиплетів не мають значних аномалій інтенсивності. Таким чином, ще не віднесені сигнали утворюють трипротонний синглет при 7,96 м.ч. Хоча насправді цей сигнал є мультиплетом, але його тонка структура повністю відсутня через перекривання сигналів.

У більш сильному полі ми спостерігаємо три дублети дублетів, що відповідають спіновій системі АВХ, що утворюється протонами Н2 та Н3a,b. Очевидно, що в більш слабкому полі, при 5,34 м.ч. міститься сигнал протона Н2, який має хімічний зв’язок з атомом кисню. Для аналізу мультиплетної структури даних сигналів корисно, як це наведено на Рис. 3.8, будувати „дерева мультиплетів”, що показують, як саме відбувається розщеплення сигналів. При побудові таких „дерев” вважають, що розщеплення сигналу відбувається спочатку на одому партнерові по ССВ, а потім – на іншому. Таким чином, досить просто показати приналежність тих чи інших КССВ та порівнювати їхні значення у зв’язаних мультиплетах. Правила позначення КССВ зрозумілі з наведених для них позначень. Кількість зв’язків, через які передається спінова взаємодія, позначається як верхній індекс перед символом “J”, а протони, між якими відбувається взаємодія, позначаються як нижній індекс після символу “J”. Для знаходження числового значення КССВ від частоти поглинання більш слабопольного компоненту мультиплету в Гц віднімають частоту компонента, що знаходиться у більш сильному полі. Як видно, з наведених на Рис. 3.8 значень КССВ, вони можуть дещо відрізнятися для зв’язаних мультиплетів. Відмінності можуть сягати 0,1-0,2 Гц. Це пов’язано з дискретністю оцифровки сигналів. Якщо спектр виміряний зі стандартним цифровим розділенням, то точність визначення КССВ не перевищує 0,2 Гц. Тому, якщо потрібне більш точне визначення величин КССВ, то спектр вимірюється зі збільшенням кількості точок оцифровки сигналу. Для цього при записі спектру достатньо збільшити час збору даних (АТ) при незмінній ширині спектру (SW).

Після проведення віднесень сигналів та знаходження значень хімічних зсувів та КССВ, всі знайдені спектроскопічні параметри описують відповідним чином. В описі спектру для кожного з сигналів вказується його хімічний зсув, кількість протонів, що утворює сигнал, знайдені величини КССВ та віднесення сигналу до конкретного протону. Опис є своєрідним паспортом синтезованої речовини, що розміщується в експериментальній частині наукової роботи поруч з аналітичними даними та фізико-хімічними характеристиками речовини. Пояснимо це на прикладі розглянутого на Рис. 3.8 спектру.

Сполука 3.1, спектр ¹Н, розчинник – ДМСО-D₆, хімічні зсуви в м.ч. відносно ТМС, КССВ – в Гц: 10,68, с., 1Н, NH; 8,80, с., 1Н, Н3’; 8,74, с., 1Н, H2’; 8,43, с., H5’; 7,96, с., 3Н, Н7, H7’, H8’; 7,56, т., 1Н, ³J=7,5, Н5; 7,42, т., 1Н, ³J=7,6, Н6; 7,38, д., 1Н, ³J=7,5, Н7; 5,34, 1Н, дд., ³J=5,2, 7,2, Н2; 3,49, дд., 1Н, ²J=17,0, ³J=5,0, Н3b; 3,37, дд., 1Н, ²J=17,0, ³J=7,5, Н3a.

В таких описах мультиплетність подається у скороченому вигляді: с.-синглет, д.-дублет, т.-триплет, дд.-дублет дублетів, кв.-квартет, м.-мультиплет. Кількість протонів, що утворюють сигнал позначається для одного протона – 1Н, для двох протонів – 2Н і т.д.

Як витікає з попереднього обговорення, запис спектру у тому вигляді, як це потрібно для знаходження спектроскопічних параметрів, потребує набагато більше часу, ніж стандартний оглядовий спектр, що надає хіміку оператор спектрометра ЯМР. Тому кожний хімік, що використовує спектроскопію ЯМР для структурних досліджень має сам вміти обробляти спектри за допомогою програм для ПК. Основи використання таких програм будуть надані наприкінці даного розділу. Для проведення такої роботи достатньо мати файл спектру, що записаний на спектрометрі для Вашої речовини.