Ускладнення, що виникають при інтерпретації спектрів COSY

Матеріал, що вміщений в попередніх параграфах, свідчить про те, що методика COSY є потужним методом для інтерпретації протонних спектрів. За її допомоги можна вирішувати безліч складних питань структурної органічної хімії. Більшість спектрів COSY вимірюються для встановлення спінового зв’язку між віцинальними та гемінальними протонами. Вирішення цього питання дозволяє надійно віднести сигнали, що у спектрі мають однаковий вигляд, до різних спінових систем. Найчастіше спектри COSY вимірюються в автоматичному режимі, коли параметри вимірювання спектру встановлюються спектрометром самостійно, виходячи з обраних величин спектрального діапазону. Хоча такий підхід суттєво спрощує роботу оператора, але аналіз спектрів COSY, отриманих у такий спосіб, може натикатися на певні ускладнення. Вони пов’язані з тим, що кросспіки, видимі в спектрі, виникають не тільки за рахунок гемінальних та віцинальних КССВ, а і за рахунок взаємодії через 4 хімічних зв’язки. Особливо часто така взаємодія має місце в ароматичних сполуках. Далека ССВ видна безпосередньо зі спектрів як подальше розщеплення спінових мультиплетів, що утворені за рахунок віцинальних КССВ. Саме для таких сполук спектри COSY вимірюються найбільш часто з метою ідентифікації мультиплетів, які для різних спінових систем можуть мати практично ідентичний вигляд. Типову ситуацію, що виникає при аналізі рутинних спектрів COSY ароматичних сполук ми покажемо на прикладі досить простої речовини, що має будову:

5.8.

Як видно з наведеної формули, сполука містить дві ідентичні спінові системи. Хоча сигнали в спінових системах і розрізняються, але з протонного спектру визначити приналежність мультиплетів до конкретної спінової системи не вдається. Нижче наведено фрагмент спектру COSY, що містить сигнали ароматичних протонів. Вздовж осей наведено відповідний одномірний протонний спектр сполуки. При вимірюванні спектру ми, згідно з поданими вище рекомендаціями, звузили спектральну ширину таким чином, щоб в спектрі спостерігалися лише сигнали ароматичних протонів. У цьому випадку розділення виявляється достатньо великим в обох вимірах спектру.

Рис. 5.60. Спектр COSY сполуки 5.8, виміряний за умов звуження SW до меж поглинання ароматичних протонів.

В слабкому полі спектру містяться два дублети, між якими немає кроспіку. Отже вони належать до різних спінових систем. Виходячи з формули, ці дублети можна віднести до протонів Н5 та Н3’, Але, на даному етапі аналізу ще неможливо визначити, де саме поглинає кожний з протонів. Аналіз почнемо з слабопольного дублета, якому відповідає діагональний пік, що на схемі позначено цифрою 1. Цей пік зв’язаний з двома кроспіками, 15 та 2, що мають майже однакову інтенсивність. Один з кроспіків зумовлений віцинальною взаємодією, а інший – взаємодією через 4 хімічних зв’язки. Нашою першочерговою задачею є відслідковування віцинальної взаємодії. Для з’ясування того, який сигнал має віцинальну КССВ з сигналом 1, треба проаналізувати обидва можливих варіанти. Якщо вважати, що віцинальною КССВ зумовлений кросспік 15, то виявиться, що йому повинен відповідати діагональний пік 5, а наступним його партнером по ССВ буде сигнал 7, що має вигляд дублету (оскільки між цими діагональними піками існує кросспік 6). Між тим, з формули сполуки витікає, що наступним сигналом в спіновій системі повинен бути триплет, а вже він повинен бути зв’язаним з дублетом. Таким чином, гіпотеза про те, що сигнал 15 є віцинальним партнером сигналу 1 не підтверджується. Отже, сигнал 1 має віцинальний зв”язок з сигналом 3 повз кроспік 2. Сигнал 3 має спіновий зв”язок з діагональним піком 5, що має вигляд триплету. Отже, саме сигнал 5 є наступним партнером по віцинальній ССВ. Сигнал 5 зв’язаний з сигналом 7 повз кроспік 6. Таким чином, до проаналізованої спінової системи входять сигнали з діагональними піками 1-3-5-7. В сполуці цим пікам можуть відповідати протони Н5-Н6-Н7-Н8. Цілком аналогічно можна проаналізувати і другу спінову систему сполуки. Їй відповідають піки 8-10-3-14. Їм відповідають сигнали 3’-4’-5’6’. Зв’язок між діагональними піками повз відповідні їм кроспіки на схемі показаний прямими лініями. Оскільки кроспіки є симетричними відносно діагоналі, то для аналізу можна використовувати будь-який з них. Доцільно схеми взаємодій в різних спінових системах викреслювати так, щоб лінії на схемах якомога менше перетиналися. В залежності від взаємного розташування сигналів, лінії, що відповідають кореляціям можуть утворювати собою спіраль, як це показано на наведеній вище схемі.

Таким чином, ми бачимо, що проаналізувати навіть простий спектр COSY буває не так вже й просто, коли в ньому містяться кореляції через 4 хімічних зв’язки. Найпростішим підходом, що дозволяє видалити зі спектра далекі кореляції є застосування більш жорсткої функції аподидації. При цьому близькі протифазні компоненти мультиплетів взаємно знищуються що зменшує інтенсивність відповідного кроспіка. Нижче, на Рис. 5.61 наведено COSY спектри,

а б

Рис. 5.61. Вплив параметрів згладжувальної функції – синусоїдального дзвону на вигляд спектру COSY сполуки 5.8. Умови вимірювання спектру ті самі, що і на Рис. 58.

що є цілком ідентичними до попереднього, за винятком параметру згладжувальної функції – синусоїдадального дзвону. На Рис 60а, ця функція спадає вдвічі повільніше, ніж на Рис. 60, а на Рис 61б, вдвічі швидше. Видно, що у першому випадку у двомірному спектрі залишилися лише кроспіки, що обумовлені далекими КССВ, а у другому – ті, що відповідають віцинальним КССВ. Таким чином, ми бачимо, що на відміну від одномірних спектрів, де згладжувальні функції впливають лише на розділення сигналів в спектрі, у двомірній спектроскопії вони можуть кардинально змінити весь спектр. Тому при аналізі спектрів COSY треба завжди зважати на цю особливість і робити висновки дуже обережно.

При збільшенні ширини спектрального діапазону при незмінній кількості інкрементів розділення спектру знижується і кроспіки, що обумовлені малими КССВ зі спектру зникають. Але при цьому збільшується відносна інтенсивність діагональних піків, що може також перешкодити однозначній інтерпретації спектру.