Інтерпретація COSY-спектрів

Перш ніж перейти до більш докладного опису фізичних процесів, які відбуваються при перенесенні поляризації, проілюструємо застосування методики COSY на ряді конкретних прикладів. Унікальність інформації, що можна отримати цим методом повинна заохотити читача до поглибленого вивчення двомірної спектроскопії. На рис. 5.12 зображений COSY-спектр азидо-цукру 5.1. Він є вихідною сполукою для синтезу олігомірних карбопептидів. Метою є віднесення всіх сигналів у спектрі 5.1.

Рис. 5.12. COSY спектр на 400 МГц азидо-цукру 5.1 в MeOD. Зверху показаний звичайний ID спектр.

У даному простому випадку цього можна досягти шляхом аналізу тонкої структури мультиплетів кожного із сигналів. Однак такий шлях неможливий у випадках, коли ряд сигналів перекривається. У двомірному спектрі такі обмеження знімаються, оскільки кроспіки сигналів, що перекриваються, можуть розрізнятися доволі сильно. Аналіз структури сполуки за допомогою COSY виявляється також і більш швидким. Це пов'язане з тим, що вивчення мультиплетності кожного піка в одномірному спектрі вимагає значних витрат часу, пов’язаних з тим, що для цього кожний мультиплет слід розписати окремо в такому масштабі, щоб мультиплетна структура була чітко видимою. Віднесення сигналів тієї ж структури за допомогою COSY-спектра часто можна здійснити на підставі положень кроспіків швидко, не звертаючи уваги на тонку структуру сигналів. Звісно, якщо окремі структурні особливості молекули можна визначити на підставі величин КССВ, то їх можна проаналізувати, але вже після того, як віднесення сигналів буде проведено.

Першим кроком аналізу є співвіднесення діагональних піків до піків в одномірному спектрі. Для спрощення цього процесу більшість програм обробки двомірних спектрів дозволяє на вертикальній та горизонтальній осях розмістити одномірний спектр, масштаб якого співпадає з двомірним спектром. В цьому випадку діагональний пік буде розташований точно під відповідним йому піком горизонтального одномірного спектру. Це дозволяє позиціювати всі подальші віднесення. Зв'язані спіни встановлюються шляхом покрокового руху від діагонального піка до кроспіка і знову до діагонального піка. Хід цього процесу можна позначати олівцем прямо на двомірному спектрі. При цьому утворяться трикутники, дві вершини яких співпадають з діагональними піками, а третя – з кроспіком між ними. Кроспік показує, які діагональні піки мають спіновий зв'язок.

Найчастіше віднесення сигналів починають з того піка, який можна віднести, базуючись на величині його хімічного зсуву. Так, віднесення для 5.1. починається з характеристичного дублету протона Н2. Кореляція з його віцинальним партнером простежується через будь який із симетричних кроспіків. У такий спосіб можна ідентифікувати Н3. Повторюючи цю процедуру далі, для Н4, Н5, Н6 можна послідовно віднести всі сигнали в спектрі. Якщо для якогось сигналу видно одночасно декілька кроспіків, це означає, що він має ССВ з декількома протонами. Таку ситуацію ми бачимо для сигналу протона Н5. Таким методом аналізують всі спектри COSY.

Можливості методу і простота експерименту ілюструються іншим, більш складним прикладом – спектром карбопептидного димеру 5.2 (Рис. 5.13).

Рис. 5.13. COSY спектр 500 МГц карбопептидного димеру 5.2 в CDCI₃. Зверху показаний ID спектр сполуки. Вище діагоналі показані кореляції протонів у кільці А, а нижче діагоналі - кореляції між протонами кільця В (у наведеній ділянці спектра відсутні кореляції амідного протона кільця В). Кореляції в обох фрагментах відносяться, починаючи із протона Н2 кожного цукру. Кільця позначені, починаючи від термінального N-карбопептиду, нумерація вуглеводних кілець відповідає правилам IUPAC).

У цьому випадку в молекулі є дві ізольовані спінові системи, що відповідають циклам залишків сахаридів. Диференціація сигналів і їхнє віднесення здійснюється на основі добре помітних дублетів протонів Н-2 кожного з сахаридів. Дві циклічні системи позначені на двомірному спектрі, представленому на Рис. 5.13 лініями, розташованими вище та нижче від діагоналі. На рисунку не показана кореляція амідного протона NH із протоном Н6 циклу Б, однак її наявність дозволяє легко розрізнити цикли А і Б. Кореляція з сигналом амідного протона, що розташований далеко від інших сигналів, може служити також зручною вихідною точкою для віднесення сигналів у циклі Б.

Незважаючи на свою простоту, експеримент COSY має ряд обмежень. Так, отриманий набір кореляцій може виявитися неповним. На рис. 5.12 практично загублені кореляції Н4 і Н5 внаслідок збігу сигналів. Коли сигнали, що взаємодіють, перекриваються таким чином, буває неможливим установити партнера по спін-спіновій взаємодії. При віднесенні таких сигналів слід проявляти обережність і в сумнівних випадках застосовувати спеціальні прийоми. Якщо в результаті аналізу COSY-спектра складної сполуки виявляється, що для якогось фрагмента молекули не вдається надійно визначити кореляції, то для нього використовують інші методики – ЯЕО або гетероядерну кореляційну спектроскопію. Об'єднання всієї отриманої інформації дозволяє одержати повну картину структури молекули. Більшість протон-протонних взаємодій передається через 2-3 хімічні зв'язки. Тому за допомогою COSY звичайно можна зафіксувати гемінальні і віцинальні взаємодії. Однак COSY не дозволяє розрізнити гемінальні й віцинальні КССВ. Так, на рис. 5.12 віцинальний кроспік для Н5-Н6 не відрізняється від гемінального кроспіка Н6-Н6’. При аналізі структури молекул, для яких можливе існування діастереотопних протонів завжди варто враховувати дане обмеження спектрів COSY. Для того, щоб розрізнити гемінальні та віцинальні взаємодії розроблена спеціальна модифікація базового експерименту COSY - COSY-b. Сьогодні вона є загальнодоступною. Далекі КССВ у молекулі можуть зростати через такі структурні особливості молекули як ненасиченість або добре відома w-взаємодія. У цьому випадку в спектрі COSY можуть проявитися несподівані кореляції для протонів з такими аномальними КССВ. Тому не слід автоматично відносити всі наявні в спектрі кореляції тільки до гемінальних і віцинальних взаємодій. Стереохімічні особливості молекули можуть також привести до того, що віцинальні КССВ будуть близькими до нуля. У цьому випадку відповідний кроспік може в спектрі і не спостерігатися. Тому відсутність кроспіка в спектрі не завжди свідчить про відсутність відповідного протону в молекулі.

Експеримент COSY не обмежується протонною спектроскопією. Він придатний для встановлення гомоядерних кореляцій між будь-якими спінами з високим природним вмістом. Найбільш часто він застосовується в спектроскопії на ядрах ¹⁹F, ³¹P, ¹¹B. На рис. 5.14 вміщено спектр COSY ³¹P-³¹P, що був отриманий для сполуки Р₇Ме₅ 5.3. Процедура віднесення сигналів тут є повністю аналогічною до тієї, котра була описана для протонів. У цьому випадку наявність біциклу між атомами фосфору Р-Р вдається довести на підставі наявності КССВ через два зв'язки між атомами Р2 і Р7.

Рис. 5.14.³¹P-³¹P COSY спектр P₇Me₅ кластера 5.3. Одномірний ³¹P спектр сполуки показаний внизу.