Розділ 6. Розмаїття двомірних методик ЯМР

Вступ

Сьогодні, якщо проаналізувати літературу, що присвячена використанню двомірних методик ЯМР для структурних досліджень, можна знайти описи багатьох десятків експериментів, які дозволяють знайти структуру сполуки, базуючись на певних параметрах спектрів ЯМР. Ми вже знаємо, що таких параметрів не так вже й багато, це час релаксації, величини КССВ та значення хімічних зсувів магнітних ядер. Отже, який би метод ми не використовували, його дія зведеться до знаходження кореляцій одного з трьох названих спектроскопічних параметрів між різними атомами молекули. Таким чином, всі методи двомірного ЯМР можна поділити на три великих групи. Серед методів, що експлуатують явище релаксації, найбільш важливими є ті, що дозволяють виявити гомоядерні та гетероядерні ефекти Оверхаузера. Хоча сам ЯЕО і нееквівалентний явищу релаксації, але механізм його виникнення базується на внесках в сумарний час релаксації ядра диполярної взаємодії з сусідніми ядрами. Тому цей метод цілком виправдано можна віднести до релаксаційних. У двомірному варіанті найбільш відомою та розповсюдженою методикою є NOESY. Метод має численні різновиди, але з фізичної точки зору вони суттєво не відрізняються один від одного. Тому ми розглянемо лише базовий експеримент NOESY-2D та його різновид, що використовується для вивчення хімічного обімну EXSY. Будуть також дані основи експерименту ROESY-2D, що є двомірним аналогом відповідного одномірного експеримнту, що був описаний раніше.

Методи двомірної спектроскопії ЯМР, що використовують явище спін-спінового зв’язку між окремими спінами, ми вже вивчали у розділі, присвяченому методикам COSY. Оскільки, як це ми бачили, знаходження величин КССВ даним методом можна виконати лише для найпростіших систем, була розроблена ціла низка методик, що спеціально пристосована для цієї мети. Це так звані методики J-розділеної спектроскопії. Існують методи знаходження гомоядерних та гетероядерних КССВ, а також далеких КССВ. Доцільність таких експериментів визначається тим, що існують численні кореляції між КССВ та геометричними параметрами молекули, отже структуру молекули часто можна встановити, базуючись саме на значеннях КССВ. Хоча в попередніх розділах ми бачили, що в ряді випадків КССВ між протонами (взаємодія ¹Н-¹Н) можна знайти безпосередньо з одномірного спектра, але насправді це можливо лише у відносно простих випадках. Коли ж в спектрі маємо накладання спінових мультиплетів, то проаналізувати такий сигнал виявляється практично неможливим. Найбільш складно знайти в одномірних спектрах КССВ для пар ядер, в яких хоча б одне з них має малий природний вміст. Найчастіше це стосується пар ¹Н-¹³С та ¹³С-¹³С. Для знаходження КССВ ¹Н-¹Н та ¹Н-¹³С використовуються відповідні методики J-розділеної спектроскопії, а для знаходження КССВ ¹³С-¹³С використовується метод INADEQUATE. Саме ці методи і будуть обговорені у відповідних параграфах.

Останніми будуть обговорені методи, що базуються на кореляціях хімічних зсувів ядер різного типу. Такі експерименти називають експериментами з гетероядерної кореляції. За їхньої допомоги можна знайти величини хімічних зсувів ядер одного типу, якщо зроблене віднесення сигналів ядер другого типу. Найчастіше, базуючись на зробленому раніше віднесенні сигналів у протонному спектрі сполуки проводять віднесення сигналів вуглецевого або азотного спектрів. Але, незважаючи на те, що метою таких експериментів є знаходження хімічних зсувів, всі вони базуються на наявності між ядрами спін-спінової взаємодії. Наявність ССВ зумовлює виникнення кроспіків у відповідних спектрах. З цієї точки зору дані методики є гетероядерними різновидами COSY. Хоча експерименти з гетероядерної кореляції у книзі і будуть обговорені останніми, але це не означає, що вони мають невелике застосування. На наш погляд, ці експерименти є найбільш потужним методом структурних досліджень. Часто вони допомагають повністю довести будову вуглецевого кістяка молекули, тобто отримати ті самі результати, які інакше можна отримати за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Існують два різновиди гетероядерної кореляційної спектроскопії. Один з них реалізується методом HMQC, в якому кроспіки утворюються за рахунок КССВ через один хімічний зв’язок. Цей метод дозволяє віднести атоми вуглецю, що безпосередньо зв’язані з протонами. Другий різновид гетероядерних кореляцій – це метод НМВС, що дає змогу віднести четвертинні атоми вуглецю. Комбіноване використання обох методів дозволяє виконати повне віднесення сигналів у вуглецевому спектрі.