Вивчення хімічного обміну: EXSY

Хоча механізми хімічного обміну і ЯЕО є цілком різними, в обох випадках відбувається перенесення поздовжньої намагніченості. Тому обидва процеси можна реєструвати за допомогою однакових одномірних і двомірних методик. Внаслідок цього імпульсні послідовності NOESY і EXSY (EХchange SpectroscopY) насправді однакові, а послідовність одномірного нестаціонарного ЯЕО можна використовувати для визначення констант швидкості. Більше того, переднасичення, яке застосовується в одномірних експериментах стаціонарного ЯЕО, можна з тим самим успіхом використовувати для вивчення процесів повільного конформаційного обміну, зокрема в протонних спектрах. Це зумовлене тим, що процес перенесення насичення, який пов'язаний з обміном, є більш швидким процесом, ніж релаксація спінів. EXSY відрізняється від NOESY тільки тим, що в ній період змішування вибирається згідно зі швидкістю обміну, а не зі швидкістю релаксації. Перш ніж перейти до опису обмінних експериментів, зупинимося на основних особливостях процесу обміну.

Як і у випадку ЯЕО-експериментів, експерименти по хімічному обміну можна проводити на якісному або кількісному рівнях. У першому випадку з'ясовуються виключно шляхи обмінного процесу, а в другому – крім того, знаходяться константи швидкості обміну. У системах з багатопозиційним обміном за допомогою експерименту 2D EXSY можна знайти константи для всіх шляхів обміну. Однак, для цього необхідно, щоб досліджувані обмінні процеси були повільними в шкалі часу ЯМР, оскільки для того, щоб спостерігати обмін між сигналами, їх необхідно бачити роздільно. З іншого боку, процеси обміну не повинні бути занадто повільними, інакше релаксаційні процеси, що протікають під час періоду змішування, видалять всю інформацію про обмінний процес. Тому експерименти по перенесенню намагніченості можна проводити тільки в обмеженому діапазоні швидкостей обміну. Існує правило, відповідно до якого швидкість обміну повинна бути більшою за швидкість релаксації (k_ex > 1/T₁). На практиці це означає, що експерименти є чутливими до процесів обміну, якщо їхня швидкість становить 10² < k_ex < 10^-2 с^-1. Для різних ядер діапазон припустимих швидкостей обміну також буде різним, що визначається їхніми швидкостями релаксації. Чим повільніше релаксують ядра, тим більш повільні процеси обміну можна вивчати. Процеси швидкого обміну, коли сигнали коалесціюють, методом EXSY вивчати неможна. У цьому випадку слід застосовувати методи аналізу форми лінії, що базуються на комп'ютерному моделюванні форми сигналу. Для ілюстрації двомірного методу EXSY, на Рис. 6.13 наведено спектр на ядрах ¹¹В суміші BCl₃ і BBr₃. Присутні у спектрі обмінні кроспіки свідчать про наявність міжлігандного обміну і показують, що в обміні бере участь тільки один атом галогену. Якщо провести кількісний аналіз цих даних, можна знайти, що константи швидкості кожного з обмінних процесів мають перший порядок.

Рис. 6.13. 128 MГц бор-11 2D EXSY спектр суміші 1:1 BC1₃ і BBr₃ при 400 K. Спектр був записаний з періодом змішування 50 мс.

Для успішного застосування EXSY потрібен правильний вибір періоду змішування t_m. Це пов'язане із залежністю періоду змішування від константи швидкості обмінного процесу. Оскільки ці константи найчастіше точно невідомі і, залежно від способу визначення, їхні величини можуть розрізнятися досить сильно, зазвичай використовують компромісні значення. Якщо швидкість процесу обміну невідома, верхня її межа може бути знайдена (принаймні, для випадку симетричного двопозиційного обміну) виходячи з того, що при температурі коалесценції константа швидкості k_c = pdn/Ö2, де dn відповідає різниці хімічних зсувів (у Гц) протонів, що обмінюються, в області повільного обміну.

Таким чином, потрібно, щоб виконувалось співвідношення: k_ex < k_c. При роботі на якісному рівні метою є отримання кроспіків максимальної інтенсивності, тому для періоду змішування рекомендується використовувати величину t_m = 1/k_ex. За таких компромісних умов у випадках, коли ймовірними є декілька шляхів обміну, може відбуватися багатокрокове перенесення намагніченості. У цьому випадку можуть з'явитися непрямі обмінні піки, які можна поплутати з піками прямого обміну, що протікає повільно. Наприклад, це може спостерігатися в реакціях лігандного обміну галогенідів олова, свинцю та бору.

Величина t_m при кількісних роботах залежить від методу визначення k_ex. Тому для її вибору існують два основних підходи. Найбільш просто вимірювати спектри EXSY для декількох значень t_m і знаходити швидкість наростання обмінних кроспіків на початковій лінійній ділянці залежності їхньої інтенсивності від t_m (даний підхід є цілком аналогічним до того, що обговорювався вище при аналізі спектрів NOESY). Великим недоліком такого підходу є необхідність вимірювання декількох двомірних спектрів, що приводить до великих витрат приладового часу. Другий підхід полягає у визначенні констант швидкості з одиничного EXSY спектра. У цьому випадку вибір підходящого t_m стає конче необхідним. Якщо t_m обрано занадто малим, то величина кроспіків також буде невеликою. Якщо ж, навпаки, t_m буде занадто великим, то інтенсивність кроспіків не буде корелювати з кінетичними параметрами.

Одно- і двомірні методики вивчення обміну знаходять широке застосування для неорганічних і органометалічних систем, для яких звичайно спостерігається висока рухливість лігандів.