Генерація двомірних спектрів. Різновиди COSY.

Як ми бачили з попереднього розділу, сукупність сучасних одномірних методик ЯМР дозволяє вирішити багато питань структурної хімії. Але з підвищенням складності спектру надійність таких висновків падає. Це обумовлено тим, що у складних спектрах часто неможливо спостерігати окремо кожний з сигналів. Тому визначення спектральних параметрів, а, отже, і можливість аналізу спектрів зменшується. Досить часто має місце ситуація, коли саме потрібна ділянка спектра виявляється настільки складною, що її аналіз стає неможливим. З цієї причини вже від самого початку застосування ЯМР проводилася розробка методик, що дозволили б спрощувати спектри. Ці роботи врешті решт привели до винайдення двомірної спектроскопії ЯМР. З роками ці методики набули широкої популярності і з’явилися їх численні різновиди. У дослідницькій роботі застосування двомірних методик починається з найпростішої з них, що називається скорочено COSY (COrelation SpectroscopY). Вчитуючись у назву методики не зовсім зрозуміло, причому тут якісь кореляції, адже до цього часу ми поняття „кореляція” не використовували. Але, якщо згадати, що українською мовою кореляція означає „відповідність”, то суть методики стає дещо більш зрозумілою. Двомірні методики здебільшого виявляють відповідність спектральних параметрів одного атома спектральним параметрам іншого. Зокрема COSY дозволяє знайти відповідність між КССВ різних атомів, тобто виявити сигнали, між якими існує спіновий зв”язок. Інші двомірні методики шукають відповідність між хімічними зсувами зв’язаних ядер. Тому більшість двомірних методик також є кореляційними. З цієї причини сигнали (кроспіки) в двомірних спектрах часто називають кореляціями.

Для роз’яснення основних засад двомірної спектроскопії ми скористаємося саме методикою COSY. Ці експерименти є не тільки найпоширенішими, на їхньому прикладі можна описати роботу і з усіма іншими двомірними методиками ЯМР. Хоча методи, що описані в даному розділі, стосуються знаходження кореляцій між однаковими спінами (гомоядерні кореляції), однак значну частину обговорення можна застосувати для всіх двомірних методик.

Уперше принципи одержання двомірного спектру ЯМР були описані в лекції, прочитаній Дж. Джинером на міжнародних Амперівських читаннях у 1971 р. Однак пройшло кілька років, перш ніж ця ідея отримала подальший розвиток. Стримуючим фактором виявилася недостатня потужність комп’ютерів, що існували на той час, оскільки побудова двомірних спектрів потребує швидкої обробки великих масивів інформації. Ця проблема була вирішена лише через 10 років і після цього, створення ряду двомірних методик для визначення структури органічних сполук зробило в 1980-і роки революцію в структурних дослідженнях. Зараз поряд з ними використовуються також 3D і 4D методики. Методики з використанням спектрів розмірності більше двох мають поширення в біології при вивченні макромолекул. В органічній хімії вони використовуються досить рідко, тому в даній книзі такі методики ми розглядати не будемо.

Базовою двомірною методикою, що призначена для виявлення спіново-зв”язаних ядер є COSY. Вона дозволяє одержати повну карту наявних у молекулі спін-спінових взаємодій. Оскільки часто вимірювання спектра COSY дозволяє провести повне віднесення сигналів у спектрі, то ця методика найбільш часто застосовується в органічній хімії. Більш складні і трудомісткі методики використовуються тільки тоді, коли після застосування COSY залишаються невирішеними деякі структурні питання. У наступних підрозділах будуть наведені модифікації базового експерименту COSY. Вони дозволяють розширити можливості методу і тому також застосовуються досить широко. В останньому підрозділі описано трохи відмінну методику, TOCSY (Total Correlation SpectroscopY). Вона являє собою альтернативу COSY і дозволяє визначити всю систему спіново-зв’язаних протонів, що дає змогу розбити молекулу на фрагменти, усередині яких існує спіновий зв'язок. Це особливо корисно при аналізі спектрів складних органічних молекул. У даному розділі ми будемо використовувати ілюстративний підхід для опису двомірних експериментів. Це пов'язане з тим, що в багатоімпульсних експериментах без залучення відповідного математичного апарату далеко не завжди вдається описати поводження ядерної намагніченості, а залучення такого апарату потребує неабияких математичних здібностей. З такими обмеженнями ми вже зіштовхувалися в попередньому розділі при спробах опису методики DEPT, коли поведінку гетероядерної багатоквантової когерентності можна описати за допомогою векторної моделі тільки для окремого випадку групи СН. У підрозділі 5.4 представлений графічний формалізм, що відомий як шлях перенесення когерентності. За його допомоги можна собі уявити поводження намагніченості під час імпульсного експерименту. Такий підхід може дещо прояснити ситуацію при розгляді двомірних послідовностей і для тих експериментів, у яких для виділення потрібних сигналів застосовуються імпульсні градієнти. Однак перед цим ми розглянемо процес формування двомірного спектру. Розуміння цього процесу дозволить читачеві більш осмислено підійти до результатів, що можна отримати за допомогою двомірної спектроскопії. Адже в даному випадку не відбувається простого вимірювання якихось фізичних параметрів зразка, а спектр вдається отримати лише за допомогою складних математичних обробок експериментальних даних. Застосування численних математичних процедур зумовлює виникнення в кінцевому спектрі ряду паразитних сигналів (артефактів), які треба вміти відрізнити від корисних піків.