Використання впливу середовища

На положення окремих сигналів у спектрах можуть суттєво впливати такі фактори, як асоціація з розчинником та температура. Тому порівнювати спектри різних сполук можна лише в тому випадку, коли вони виміряні за однакових умов. Часто зміну умов вимірювання спектрів можна використати для того, щоб виявити в спектрі ті мультиплети, які за стандартних умов експерименту збігаються. Зміна умов експерименту є найпростішим методом впливу на спектри ЯМР, отже її слід використовувати в першу чергу, коли виміряний спектр виявляється недостатньо інформативним. Слід зауважити, що, як правило, зміну розчинника використовують при аналізі протонних спектрів, оскільки саме в них найчастіше спостерігається співпадання мультиплетів.

2.7.1. Вплив розчинника на спектри ¹Н-ЯМР

Якщо зміну розчинника передбачається використати для зміни положень окремих сигналів у спектрі, то слід виходити з того, що новий розчинник повинен якомога більше відрізнятися від того, що був використаний раніше. Наприклад, якщо перший спектр був виміряний у CDCl₃, то можна другий спектр виміряти у ДМСО-D₆ і навпаки. Заміна розчинника на той, що за своєю полярністю відрізняється мало, як правило, не приводить до значних змін у спектрі. Так, недоцільно заміняти ДМСО-D₆ на ацетон-D₆, або CDCl₃ на CD₂Cl₂. Існує також більш універсальний підхід, що базується на додаванні до виміряного раніше розчину в CDCl₃ або в ДМСО-D₆ приблизно рівного об’єму дейтеробензолу. Унікальність дейтеробензолу полягає в тому, що він асоціюється з багатьма функціональними групами і викликає зсуви сигналів протонів, що можуть сягати 1 м.ч. Нижче, на Рис. 8 наведено приклад спектрів похідної глюкози 2, що виміряні в різних розчинниках:

Рис. 8. Зміну розчинника можна використовувати для збільшення різниці хімічних зсувів окремих сигналів. Показано протонний спектр похідної глюкози в (a) CDC1₃ і (б) C₆D₆. В (б) спостерігається поява сигналу при 3.2 м.ч. який в (а) був прихований під іншими сигналами.

Видно, що аналіз спектру у дейтеробензолі можна провести значно надійніше. Як правило, в дейтерованому бензолі сигнали зсуваються у сильне поле. Це добре видно з наведеного рисунка.

У випадках, коли хімічна сполука є основою, для модифікації її спектру можна використати додавання 1-2 краплин трифтороцтової кислоти. За таких умов ми вимірюємо спектр не основи, а солі, внаслідок чого сигнали протонів, біля яких зосереджується частковий позитивний заряд, зсуваються у слабке поле. Метод придатний для вимірювання спектрів амінів та азотовмісних гетероциклічних сполук. Інколи при додаванні кислоти вдається розчинити в ДМСО-D₆ сполуки, що самі собою практично нерозчинні.

2.7.2. Вплив температури на спектри ¹Н-ЯМР

При зміні температури спектри більшості сполук змінюються мало. Звичайно температурні зсуви сягають 0,1 – 0,3 м.ч. Це пов’язано з тим, що більшість типів молекулярних рухів, що відбуваються у розчині, є швидкими рухами. З точки зору методу ЯМР це означає, що за час життя спіну у збудженому стані ядро встигає побувати у всіх можливих для нього конформаційних чи таутомерних станах. Тому для нього ми бачимо усереднений сигнал. Але у випадках, коли молекулярні рухи є більш повільними і їх швидкість є близькою до часу релаксації, повного усереднення не відбувається. У таких випадках деякі з сигналів, або навіть всі сигнали у спектрі мають аномальну ширину. Це уширення сигналів називається динамічним уширенням, а молекули, для яких воно спостерігається, називаються динамічними молекулами. Теоретично при відповідному зниженні температури можна уповільнити будь-який рух, однак, на практиці можливість зниження температури при вимірюванні спектрів ЯМР обмежена температурою плавлення розчинників та розчинністю зразка. Тому далеко не для всіх молекул вдається спостерігати динамічні уширення сигналів. Швидкість молекулярних рухів, що приводить до динамічних уширень, називається проміжною у шкалі часу ЯМР. При подальшому зниженні температури для молекул можуть спостерігатися декілька стійких станів. Тому сигнали можуть за таких умов розщеплюватися на відповідну кількість компонентів. Коли це відбувається, то говорять, що рух є повільним у шкалі часу ЯМР. Сенс вимірювань спектрів при різних температурах у більшості випадків і полягає у виявленні утрудненого обертання в молекулах чи наявності загальмованих конформаційних станів. Часто за допомогою динамічних спектрів ЯМР розраховують також термодинамічні константи молекулярних рухів, але для цього потрібно використання відповідних комп’ютерних програм.

Однією з найпростіших динамічних систем є молекула диметилацетаміду. Наведемо приклад впливу температури на спектри ЯМР. В молекулі диметилацетаміду, завдяки спряженню карбонільного атому кисню з атомом азоту і делокалізації неподіленої пари електронів атома азоту на p^* орбіталь зв’язку С=О, зв’язок C-N є частково подвійним, що утруднює обертання навколо нього. Внаслідок цього вигляд сигналів метильних груп при різних температурах сильно змінюється. Це показано на Рис. 9.

Гц

Рис. 9. Вигляд сигналів диметиламіногрупи диметилацетамідупри температурах від 30 ^оС до 100 ^оС з кроком 10 ^оС. Зверху вниз відбувається збільшення температури.

Тут за кімнатної температури спостерігаються два вузьких сигнали. При підвищенні температури спочатку відбувається динамічні уширення сигналів, а потім утворюється вузький сигнал, що відповідає усередненому значенню хімічних зсувів кожного з ротамерів.

2.7.3. Вплив добавок D₂O

Важка вода часто використовується для виявлення в спектрі ЯМР сигналів „рухливих” протонів, тобто тих, що можуть заміщуватися на дейтерій. До цієї категорії відносяться сигнали груп NH, NH₂, OH, SO₃H, СООН. При додаванні краплини D₂O такі сигнали зі спектра „зникають” внаслідок процесу дейтерообміну (протони, що зумовлювали „зниклі” сигнали, після дейтерообміну входять до складу НОD, яка дає широкий сигнал в районі 3-4 м.ч.). Повне „зникнення” сигналу може відбуватися майже миттєво, або потребувати кількох хвилин, чи навіть годин, в залежності від швидкості обміну. Нагрівання зразка збільшує швидкість дейтерообміну. Сигнали інших протонів при додаванні D₂O свого положення у спектрі та інтенсивності не змінюють. Нижче для ілюстрації наведено спектр сполуки 3 в ДМСО-D₆ та той же спектр через 5 хвилин після додавання краплини D₂O.

Добре видно зникнення двох сигналів – сигналу гідроксильної групи та протону NH.

Рис. 10. Вплив важкої води на спектр ¹Н сполуки 3.

2.8. Кореляції будови молекул з хімічними зсувами сигналів в спектрах на ядрах ¹Н

Практично від самого початку застосування спектроскопії ЯМР для з’ясування будови хімічних сполук почалися роботи з систематизації хімічних зсувів, знайдених для магнітних ядер окремих структурних фрагментів. Як результат таких робіт з’явилися численні кореляційні діаграми, що дозволяли передбачити приблизні хімічні зсуви магнітних ядер сполук, знаючи їхні структурні формули. Приклад однієї з таких діаграм для протонів наведено нижче на рис. 11.

Але, як видно з такої діаграми, робити віднесення сигналів за її допомогою досить важко, оскільки сигнали протонів різних типів можуть поглинати в одній і тій самій ділянці спектру. Тому, на нашу думку, надійніше користуватись таблицями, в яких наведено типові сполуки різних класів з відповідними значеннями хімічних зсувів сигналів магнітних ядер. Ряд таких таблиць, що охоплюють найважливіші структурні фрагменти органічних сполук, наведений нижче. В них розміщені структурні формули фрагментів органічних молекул та притаманні їм величини хімічних зсувів. Оскільки хімічні зсуви визначаються здебільшого найближчим хімічним оточенням, то знайдені за допомогою даних таблиць величини хімічних зсувів дозволяють досить добре віднести сигнали у більшості хімічних сполук. Якщо проводити інтерпретацію спектрів доводиться часто, то згодом необхідність використання кореляційних таблиць відпадає, оскільки основні закономірності, що характеризують залежність зміни хімічних зсувів від будови хімічних сполук Ви засвоїте напам’ять.

Рис. 11. Діаграма хімічних зсувів сигналів ЯМР на ядрах ¹Н.

Таблиця 1. Залежність хімічних зсувів сигналів метильних груп від будови молекул.

CH3-SR 2,09	CH3-SOR 2,50	CH3SO2R 2,80	CH3NR2 2,30	CH3F 4,26
CH3C6H5 2,32	(CH3)3N 1,61	(CH3)4C 0,94	CH3CN 1,90	CH3COOH 2,10
СH3-NO2 4,31	CH3OCH3 3,24	CH3Cl 3,05	CH3Br 2,69	CH3J 2,19

Таблиця 2. Залежність хімічних зсувів сигналів метиленових груп від будови молекул

CH2-CH2 0,86
Ph-CH2-Ph 3,92

Таблиця 3. Залежність хімічних зсувів сигналів метинових груп від будови молекул

Таблиця 4. Положення в спектрі сигналів олефінових протонів

Таблиця 5. Положення в спектрі сигналів ароматичних протонів

Крім фрагментів, що присутні у наведених вище таблицях, в спектрі близько 10 м.ч. можуть міститися сигнали альдегідних протонів, що здебільшого є синглетами, а в діапазоні від 8 до 17 м.ч., в залежності від сили водневих зв’язків, розташовуються сигнали груп ОН та NH, що зв’язані з ароматичними або ненасиченими фрагментами. Сигнали гідроксильних груп аліфатичних спиртів, як правило, знаходяться в діапазоні 4,5 -6 м.ч.

Наведені закономірності дозволяють передбачити локалізацію сигналів у спектрі досліджуваної молекули з точністю +0,5 м.ч., а іноді і значно точніше. Цього цілком достатньо, щоб, з урахуванням мультиплетності сигналів, провести їх коректне віднесення. Але не слід вважати, що співпадання хімічних зсувів досліджуваної сполуки з табличними даними є достатнім аргументом для встановлення її будови. Насправді, це лише перше свідчення на її користь. Ситуація дещо ускладнюється, якщо в молекулі присутні кілька схожих, але неоднакових фрагментів, що є ідентичними спіновими системами. В таких випадках для надійного віднесення доводиться додатково вивчати двовимірні спектриCOSY або NOESY. У більш складних випадках допомогти можуть експерименти з гетероядерної кореляції. Але такі ситуації виникають нечасто.

2.9. Кореляції будови молекул з виглядом сигналів у спектрах ПМР

Крім того, що сигнали в спектрах ЯМР, в залежності від хімічного оточення, можуть мати різні хімічні зсуви, які можна більш-менш точно знайти з наведених вище кореляційних таблиць, форма сигналів також може суттєво розізнятися. Це пов’язано перш за все з різноманітною спін-спіновою взаємодією кожного з магнітних ядер. При інтерпретації спектрів слід враховувати обидва фактори – хімічний зсув та форму сигналів. Хоча всі молекули чимось відрізняються одна від одної, але їхні можна подумки розбити на простіші фрагменти, кожний з яких містить ізольовану спінову систему. Оскільки, як правило, ССВ не поширюється більше, ніж на 3 хімічних зв’язки, таких повністю відмінних від інших ізольованих спінових систем виявляється не так вже й багато. Якщо заздалегідь уявити собі, який вигляд повинні мати сигнали того чи іншого структурного фрагменту молекули, то в спектрі їх можна виявити досить просто, іноді з одного погляду. У таблиці 6 наведено структурні фрагменти молекул, що зустрічаються найчастіше, і відповідні їм фрагменти протонних спектрів. Спектри більшості хімічних сполук є результатом накладання спектрів декількох таких окремих ізольованих спінових систем. Для зручності у Табл. 6 структурні фрагменти розташовані в порядку збільшення в них кількості вуглецевих атомів, причому спочатку наведено сигнали аліфатичних протонів, а потім - ароматичних.

Таблиця 6. Вигляд протонних спектрів різних спінових систем

	Спінова система АВ	3.20 3.30 3.60 3.40 3.50 3.70 3.80	Розщеплення сигналу метиленових протонів виникає у просторово утруднених несиметричних сполуках. Діапазон зсувів 3-6 м.ч. 2J = 15-20 Гц
	Спінова система А3Х2	2.2 2.4 3.0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.6 2.8	Квартет, в залежності від Х, може бути розташований в діапазоні від 2,5 до 4 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система А2Х2	2.70 2.80 2.90 3.00	Фрагмент може входити як до складу циклічних сполук, так і аліфатичних замісників. В залежності від електронегативності Х та Y хімічні зсуви в діапазоні від 2,5 до 4 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система А3Х	5.0 1.5 2.0 3.0 2.5 3.5 4.0 4.5	В залежності від Х та Y, хімічний зсув квартета може змінюватись у діапазоні 3-5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система АВХ	3.5 4.0 5.0 4.5 5.5	Фрагмент найчастіше зустрічається у циклічних системах. Сигнал СН, як правило, поглинає в більш слабкому полі ніж сигнал СН2
	Спінова система А3М2Х2	1.0 1.5 2.0 2.5 3.0	Слабопольний триплет може мати хімічний зсув до 4 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система А6Х	1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0	Сигнал метинового протону, в залежності від Х, може знаходитись у діапазоні 3-5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система А2М2Х2	3.5 2.0 2.5 3.0 4.0	Фрагмент міститься в гетероциклічних сполуках та аліфатичних замісниках. Слабопольні сигнали в діапазоні 2,5-4,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система А3М2R2Х2	2.5 1.0 1.5 2.0 3.0	Електронегативність Х впливає на хімічний зсув слабопольного мультиплету. Він поглинає від 2,8 до 4 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система АXX’YY’ZZ’WW’	1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0	Слабопольний сигнал відповідає фрагменту СНХ. Його хімічний зсув може бути 4-5,5 м.ч.
		4.0 1.5 2.0 2.5 3.5 3.0	Електронегативність Х впливає лише на взаємне розташування слабопольних сигналів.
		1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5	При зміні Х змінюється здебільшого положення слабопольного сигналу в діапазоні від 3 до 4 м.ч.
		3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6	При варіюванні Х сигнали майже не змінюються
	Спінова система AA’MRX	4.8 5.0 5.2 5.4 5.5 5.8 6.0	В спектрі легко розрізняються сигнали протонів, що мають цис- та транс- партнера по ССВ (3J = 7 та 15 Гц відповідно)
	Спінова система AA’MM’X	7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8	Якщо Х – NHR, OR, дублет в сильному полі, якщо COR, COOR – у слабкому полі, 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система AA’BB’	7.15 7.20 7.25 7.30 7.35 7.40 7.45	В залежності від Х та Y, положення дублетів можуть знаходитись в діапазоні 6-8,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система AMPX	6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0	Відносне розташування мультиплетів залежить від замісників Х та Y. Діапазон зсувів 6,5-8,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система AMPX	6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2	Часто дублети знаходяться у більш слабкому полі, ніж триплети. Діапазон знаходження сигналів 6-8,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система AA’MM’X	7.0 7.2 7.4 7.6 7.8	3JHF близька до 8 Гц, а 4JHF близька до 5 Гц.
	Спінова система AMX	7.4 7.5 7.6 7.7 7.9 7.8	В залежності від замісників, відносне розташування сигналів може змінюватись в діапазоні 6-8,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц, 4J= 2 Гц
	Спінова система AMX	7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6	Сигнали можуть знаходитися в діапазоні 6-8,5 м.ч., 3J= 7,5-8,5 Гц
	Спінова система AMX	7.0 7.5 8.0 8.5	a-протон поглинає близько 8,6 м.ч. КССВ b-b = 3-4 Гц. КССВ a-b = 1-2 Гц. При аліфатичному Х обидва сигнали b-протонів поглинають при 6-6,7 м.ч.
	Спінова система AX	7.6 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5	На відміну від похідних бензолу, КССВ менші - 3-5 Гц
	Спінова система AMX	7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 8.0 7.9 8.1	На відміну від похідних бензолу, КССВ менші - 4 Гц для a-Н і 6 Гц для інших сигналів
	Спінова система АМХ	7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6	Для піридинових похідних 3Ja-b = 4 Гц, 3Jb-g = 8 Гц, тому сигнал b-H є дублетом дублетів

Розглянемо, як використовувати наведену вище таблицю на прикладі однієї, не занадто складної сполуки, формула якої наведена нижче.