Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Метод ЯМР в исследованиях жестких и конформационноподвижных молекулярных систем 9
1.1. Динамическая ЯМР спектроскопия 9
1.2. Описание NOESY эксперимента 18
1.2.1. Общие принципы двумерной спектроскопии ЯМР и применение ее к изучению процессов химического обмена 18
1.2.2. Релаксация в двухспиновой системе и уравнения Соломона 21
1.2.3. Механизмы релаксации 26
1.2.4. Кросс-релаксация в системе с большим числом спинов в двумерном NOESY спектре 30
1.2.5. Кросс-релаксация в двухспиновой АВ системе 33
1.2.6. Двухспиновая система с кросс-релаксацией и медленным химическим обменом 36
1.3. Основные типы конформаций и конформационных переходов в циклах среднего размера 38
1.4. Экспериментальная техника и обработка результатов 43
Глава 2. Двумерная NOESY ЯМР спектроскопия в конформационно жестких молекулах 48
2.1. ЯМР *Н и 2М NOESY спектры «гексахлор-додекаена» 48
2.2. Стандартная импульсная NOESY последовательность без подавления спин-спинового взаимодействия 53
2.3. Нормирование интефальных интенсивностеи кросс-пиков на диагональные пики в 2М NOESY спектрах 58
2.4. 2М ЯМР NOESY спектроскопия с короткими временами задержки 64
2.5. Анализ полной релаксационной матрицы 66
2.6. Сравнительный анализ различных подходов для определения межпротонных расстояний 72
Глава 3. Динамический ЯМР и двумерная ЯМР спектроскопия (NOESY и COSY модификация) в гетероциклах среднего размера 74
3.1. Семи- и восьмичленные S- содержащие гетероциклы 74
3.2. ЯМР 'Н и 13С спектры производных семичленных гетероциклов 76
3.3. Анализ конформационной структуры производных семичленных гетероциклов 83
3.4. 2М ЯМР NOESY спектроскопия «бензциклогептена» 89
3.5. ЯМР !Н и 13С спектры производных S-окисей восьмичленных дитиаацеталей 92
3.6. Анализ конформационной структуры кислородосодержащих восьмичленных дитиаацеталей 98
Глава 4. Системы с химическим (конформационным) обменом 105
4.1. Разделение вкладов в интенсивности кросс-пиков процессов химического обмена и ЯЭО 105
4.2. Разделение химического обмена и ЯЭО в системе спинов не связанных спин-спиновым взаимодействием 109
4.3. Разделение химического обмена и ЯЭО в системе спинов связанных слабым спин-спиновым взаимодействием 115
4.3.1. 2М NOESY спектроскопия 5,5-диметил-1,3-Диоксана 115
4.3.2. Исследование обменных и NOESY эффектов в «трисульфиде» 119
Выводы 126
Литература 128
Авторская литература 139
- Описание NOESY эксперимента
- Кросс-релаксация в системе с большим числом спинов в двумерном NOESY спектре
- 2М ЯМР NOESY спектроскопия с короткими временами задержки
- Разделение химического обмена и ЯЭО в системе спинов не связанных спин-спиновым взаимодействием
Введение к работе
Спектроскопия Ядерного Магнитного Резонанса (ЯМР) с каждым годом расширяет свои возможности по изучению структуры и свойств различных соединений. Современные возможности спектроскопии ЯМР позволяют исследовать не только пространственное строение вещества, но и внутри- и межмолекулярные перегруппировки (позиционный или химический обмен). В ряду этих процессов неослабевающий интерес вызывает стереодинамика органических молекул, в частности изучение конформаций и конформационных превращений циклических молекул в растворах. Это обусловлено как научно-практической значимостью этих исследований, так и тем, что стереодинамические превращения выступают как элементарная стадия в других молекулярных превращениях (например, в таутомерных).
Среди прочих методик ЯМР, позволяющих решать подобные задачи, наиболее подходящими являются динамический ЯМР и двумерная спектроскопия ЯМР NOESY. При этом нужно отметить, что по сравнению с динамическим ЯМР двумерная спектроскопия NOESY недостаточно адаптирована к исследованию структуры относительно малых молекул, попадающих под условие быстрого движения (ю0тс «1; тс - время корреляции, Юо - резонансная частота ядер). Поэтому, важным было выбрать наиболее удобный подход для получения количественной информации о межпротонных расстояниях для гетероциклических молекул, ошибка измерения в котором была бы минимальна.
В настоящее время нет единой концепции влияния среды на геометрические параметры, характеризующие конформаций гетероциклических соединений. Поэтому вопрос об изменении пространственной структуры гетероциклов, определяемой методом двумерной NOESY спектроскопии ЯМР, при смене среды также весьма интересен.
Исследования медленных (в шкале ЯМР) химических обменных процессов в органических соединениях методом двумерной спектроскопии
ЯМР иногда бывают затруднены из-за наличия ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО) между магнитными ядрами, участвующих в обменном процессе. Это происходит в тех случаях, когда величины интегральных интенсивностей кросс-пиков в двумерных спектрах ЯМР (NOESY) одновременно определяют обменные эффекты и ЯЭО. Проблема важна, поскольку в этом случае пренебрежение тем или иным вкладом в суммарную интегральную интенсивность кросс-пиков двумерных спектров ЯМР NOESY приведет к принципиально неверной интерпретации результатов эксперимента. Впервые эта проблема была поднята в работе Р. Эрнста (Wagner G. at al. JACS, 1985, 107, p. 6440), в которой авторы пишут о невозможности разделения этих вкладов обычными методами. Как показывает анализ более поздних работ на эту тему (см., к примеру, Bento E.S. at al., Magn. Reson. Chem. 2000. V. 38. p. 331), данная задача так и не была решена.
Перечисленные выше обстоятельства в совокупности позволили сформулировать цели и задачи данного исследования.
Целью настоящей работы являлось изучение пространственной структуры и стереодинамических свойств шести-, семи-, восьмичленных гетероциклов (S- и О- содержащих) методами динамической ЯМР Ни Си двумерной ЯМР 'Н спектроскопии в растворах; отработка и реализация ЯМР NOESY подхода для количественного определения межпротонных расстояний в конформационно жестких циклах и зависимость этих параметров от среды, а также решение задачи разделения вкладов химического обмена и ЯЭО в кросс-пики в двумерном NOESY ЯМР спектре.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны вновь синтезированные гетероциклические молекулы среднего размера, содержащие шесть, семь или восемь внутрициклических атомов, а также молекулярная система: димер тетратолилмочевины калике [4] арена тетрапентилового эфира с включенной в качестве «гостя» молекулой бензола-ёб в растворе бензола - d соединения, могут представлять потенциальный интерес для синтеза разнообразных, в том числе оптически активных соединений. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что методом спектроскопии ЯМР 'Н и 13С и ее двумерных модификаций COSY и NOESY с вариацией температуры исследован ряд вновь синтезированных шести-, семи- и восьмичленных серу- и кислородсодержащих гетероциклов; получены спектральные характеристики и установлены структуры компонентов конформационного обмена; определены термодинамические параметры конформационных равновесий. Методом спектроскопии ЯМР NOESY проведены измерения межпротонных расстояний в конформационно жестких системах в зависимости от растворителя; определены основные факторы, влияющие на точность измерений. Получено выражение, связывающее скорость кросс-релаксации, константу скорости обмена и интегральные интенсивности кросс- и диагональных пиков в двумерной ЯМР спектроскопии NOESY, для системы двух спинов; предложен подход, позволяющий разделить вклады в интегральные интенсивности кросс-пиков в спектре NOESY обусловленные химическим обменом и кросс-релаксацией по диполь-дипольному механизму. Основные результаты докладывались и обсуждались на V, VI, VIII, IX Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 1998, 1999, 2001, 2002); XX Всероссийской конференции по химии и технологии органических соединений серы (Казань, 1999); Молодежной научной школе «Магнитный резонанс в низкоразмерных и неупорядочных системах» (Казань, 1999); Молодежной научной школе «Новые аспекты применения магнитного резонанса» (Казань, 2000); III Всероссийской конференции «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях» (Казань, 2000); I Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2000); Международной конференции по новым технологиям и приложениям физико-химических методов для изучения окружающей среды, включающей секции молодых ученых Научно-образовательных центров России (Ростов-на-Дону, 2001); VI Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2002); Молодежной научной школе «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений» (Казань, 2002); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003). Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. В первой главе изложены общие положения теории динамической спектроскопии ЯМР. Описаны возможные конформационные структуры в ряду шести-, семи- и восьмичленных гетероциклических систем. Рассмотрена двухспиновая система и механизмы релаксации и образования ядерного эффекта Оверхаузера, приведены общие положения теории двумерной спектроскопии NOESY для жестких систем и систем с химическим обменом. Описана техника проведения экспериментов, условия записи спектров, рассмотрены методы обработки экспериментальных данных и оценка погрешностей измерений. Вторая глава посвящена методам определения межпротонных расстояний в растворе для конформационно жестких молекул на основе двумерной спектроскопии ЯМР NOESY. Приведены экспериментальные результаты, полученные различными методами, дается сравнительный анализ их возможностей, формулируются оптимальные условия измерений. В третьей главе описаны спектры ЯМР XYL, l3C, COSY и NOESY производных 1,3-дитио-5,6-бензциклогептенов и 1,3-дитио-3,5-дигидро-1Н-циклоокта[с1е]нафталинов и на основании анализа параметров ЯМР установлен конформационный состав, найдены термодинамические параметры конформационного равновесия. В четвертой главе представлен вывод соотношения, связывающего константы скоростей кросс-релаксации и химического обмена с интенсивностями кросс- и диагональных пиков в NOESY спектрах. Изложен подход, позволяющий разделить вклады, образованные за счет химического обмена и ЯЭО, в кросс-пики в NOESY спектре. Возможности предложенного метода демонстрируются на примере трех молекулярных систем. Диссертационная работа выполнена на кафедре общей физики и в научно-исследовательской лаборатории «Изучения Строения Органических Соединений» химического факультета Казанского государственного университета в соответствии с планами грантов - Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 99-03-32234 а, № 03-03-33112а MAC 01-03-06072) и поддержана международной программой CRDF (2001 г, 2002г, 2003г). Изученные в работе соединения синтезированы в научных группах, руководимых доктором химических наук Е.Н. Климовицким (Химический институт им. A.M. Бутлерова Казанского государственного университета). Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору химических наук, профессору Клочкову Владимиру Васильевичу и научному консультанту кандидату физико-математических наук Шайхутдинову Рустему Ахнафовичу за постановку задачи, руководство и постоянную поддержу, оказываемую при проведении работы. Отдельно хочется поблагодарить доктора химических наук, профессора Аганова Альберта Вартановича за внимание, проявленное к работе. Большое спасибо доктору химических наук, профессору Климовицкому Евгению Наумовичу за конструктивную критику при обсуждении результатов и за предоставленные для изучения объекты. Спасибо всем сотрудникам группы ядерного магнитного резонанса лаборатории ИСОС и химикам, вместе с которыми автор учился, работал, делился своими проблемами и переживаниями. Огромная благодарность кандидату физико-математических наук, доценту Селиванову Станиславу Ивановичу за помощь при прохождении стажировки в лаборатории ЯМР химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Дженером в 1971 г впервые была предложена идея применения двумерного (2М) преобразования Фурье в спектроскопии ЯМР. Бурное развитие этого метода началось после опубликования в 1976 г. работы Эрнста с сотрудниками [20], в которой было проведено теоретическое описание двумерных ЯМР экспериментов с преобразованием Фурье. В этой работе также был показан ряд дополнительных возможностей 2М спектроскопии, недоступных для традиционной одномерной спектроскопии. В работах [21, 22] была показана возможность применения техники двумерной спектроскопии применительно к химически обменивающимся молекулярным системам. К настоящему времени создано и применяется в физике, химии, биологии и медицине огромное число весьма эффективных 2М - методик [23]. Идея использования 2М-спектроскопии для изучения таких процессов как химический обмен, кросс-релаксация, спиновая диффузия и кросс-поляризация была предложена также группой Эрнста [19]. Анализ этого эксперимента при двухпозиционном обмене в системе невзаимодействующих ядерных спинов приведён в работе [20]. Предложенный алгоритм эксперимента и соответствующая импульсная последовательность (рис. 1.2-1) получили название NOESY (Nuclear Overhauser Exchange Spectroscopy- спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера и обмена). Теория, лежащая в основе изучения с помощью NOESY эффектов кросс-релаксации и неравновесного ЯЭО, рассмотрена в работе Эрнста [24]. В ней так же показана возможность использования констант скоростей кросс-релаксации для измерения расстояний между ядрами. Описанию различных типов 2М - экспериментов и рассмотрению общих аспектов двумерной спектроскопии посвящено несколько обзорных статей [25, 22, 26, 27, 28, 29] и монографий [30, 31]. Вопросы теории и методики применения 2М - спектроскопии к изучению процессов химического обмена наиболее полно изложены в работах [30, 32]. Хотя методика двумерной обменной спектроскопии (2МОС) несколько проигрывают в чувствительности [33] по сравнению с методом селективной инверсии, она имеет несколько существенных преимуществ. Во-первых, в данном случае отсутствует необходимость достижения селективности импульсов. При селективной инверсии для обеспечения необходимой селективности приходится использовать импульсы с малой мощностью и, следовательно, с большой длительностью. При этом возникает необходимость учёта процессов обмена за время импульса, и разделение возбуждения и восстановления становится сложным. В случае 2МОС неравновесное состояние создаётся почти мгновенным мощным неселективным импульсом - начальные условия процесса переноса намагниченности поэтому определены точно. Во-вторых, при изучении обмена между N 2 позициями 1М метод требует проведения по меньшей мере N-1 экспериментов, а в 2МОС эксперименте можно сразу проследить за всеми состояниями. При многопозиционном обмене это преимущество даёт большой выигрыш в общем времени эксперимента. Для совершенствования экспериментов 2МОС было предложено много модификаций стандартной импульсной последовательности NOESY [34, 35]. В работе [34] NOESY эксперимент модифицирован, что позволило на основе методики, предложенной Редфилдом [36] подавлять интенсивные пики растворителя. Для наблюдения слабочувствительных ядер было предложено [37, 38] комбинировать NOESY последовательность с методом переноса поляризации INEPT [39, 40]. Другая существенная проблема при изучении процессов обмена состоит в разделении обменных процессов и эффектов кросс-релаксации. Поскольку для малых молекул кросс пики, вызванные этими процессами, имеют противоположную фазу [23], важным была разработка методов получения фазочувствительных спектров [30, 41]. Для больших молекул, для которых выполняется условие медленного движения, предложены усовершенствования стандартных методик, работы [42, 43, 44]. Более подробное описание двумерных методик с использованием квантово-механического формализма можно найти в работах [45, 46, 47, 48]. Таким образом, следует отметить, что 2М обменная спектроскопия имеет большие возможности для исследования многопозиционного медленного обмена между многими состояниями. Хотя общие принципы к настоящему времени разработаны достаточно хорошо, весьма сложной является проблема количественной интерпретации результатов. Вопрос выбора оптимальных условий эксперимента является определяющим для получения адекватных результатов. Прежде чем рассмотреть основы двумерной спектроскопии, в приложении к изучению пространственной геометрии малых молекул и процессов химического обмена, необходимо изложить идею перехода от одномерной (1М) спектроскопии к двумерной. Практически любой 2М эксперимент можно разбить на четыре временных интервала (рис. 1.2-1): первый - подготовительный, система спинов приходит (или приводится) в начальное состояние, обычно состояние теплового равновесия. Второй - период эволюции длительностью t}, в течение которого выведенная из равновесия спиновая система эволюционирует. Третий - период смешивания (в некоторых экспериментах может отсутствовать), в течение которого в изучаемой спиновой системе происходит перенос когерентности или поляризации. Четвёртый — период регистрации. В течение времени t2 регистрируется интенсивность сигнала ЯМР S как функция от . Такая процедура повторяется многократно с различной величиной // при неизменных остальных параметрах. Результирующий сигнал во временной области SftiJ становится зависимым от двух переменных t\ и t2. Двумерное Фурье преобразование переводит сигнал Sftj.tz) в спектр частотной области S(G I,(02). Характер информации, которую можно извлечь из этого спектра S(a i,a 2), целиком зависит от типа использованной импульсной последовательности. В результате действия на молекулярную систему импульсной последовательности изображенной на рис. 1.2-1 и последующего двумерного Фурье преобразования получается двумерный спектр. На диагонали этого двумерного спектра располагаются сигналы, называемые диагональными сигналами, соответствующие обычному одномерному спектру. Симметричные сигналы, лежащие вне диагонали, которые указывают на взаимодействие диагональных сигналов, называются кросс-пиками. Для данной импульсной последовательности кросс-пики могут образовываться или за счет ядерного эффекта Оверхаузера, или за счет химического обмена. Для понимания физических принципов, на основе которых интерпретируется ядерный эффект Оверхаузера, рассмотрим релаксацию в изолированной двух спиновой системе [4950]. Рассмотрим два ядра / и S со спином !/4, с одинаковыми гиромагнитными отношениями у, разными, но близкими химическими сдвигами, которые находятся в одной молекуле. Такая система будет иметь четыре уровня энергии, соответствующие состояниям ядер аа, а/3, /За и /3/3 (рис. 1.2-2). Т.к. химические сдвиги очень малы в сравнении с ларморовой частотой (миллионные доли), то переходы различных ядер будут иметь приблизительно равную энергию, а состояния а/3 и /За будут почти Как уже неоднократно упоминалось выше, NOESY методика позволяет изучать процессы кросс-релаксации. Описание кросс-релаксации в системе с большим числом спинов опубликована в работе Эрнста [23]. В ней рассматривается кросс-релаксация в двумерном NOESY эксперименте для мультиспиновой системы в случае отсутствия спин-спинового взаимодействия. Но отметим, что для осуществления кросс-релаксации должно присутствовать дипольное взаимодействие. Система состоит из эквивалентных ядер, находящихся в g состояниях. Каждое состояние содержит пк ядер, k=l,...g, с резонансными частотами а . Все эти ядра могут принадлежать некоторой молекуле или быть частью раствора. Обычный одномерный спектр будет содержать g резонансных линий с интенсивностями, пропорциональными щ. Кросс релаксация продольной компоненты намагниченности Mzk будет описываться следующим уравнением: Вектор m включает отклонение Mzk от положения термодинамического равновесия для всех g группы спинов Мо полная равновесная намагниченность N ядер. R представляет релаксационную матрицу с константами скорости i?w, которые включают вклады кросс-релаксации и вклады от процессов внешней релаксации (/?#). Можно представить динамическую систему схематично, как показано на рис. 1.2-8. Скорости кросс-релаксации обозначены как R и скорости утечки релаксации как /? . Скорости кросс-релаксации ведут к перераспределению намагниченности в пределах системы, в то время как утечка релаксации приводит к потере намагниченности в среду. Кросс-релаксация в двумерном эксперименте происходит в период смешивания, который следует за подготовительным периодом. Восстановление намагниченности к равновесному состоянию в течение времени смешивания в NOESY импульсной последовательности (см. рис. 1.2-1) будет описываться уравнением: В работе Эрнста показано [23], что интегральные интенсивности пиков в двумерном кросс-релаксационном спектре пропорциональны смешивающим коэффициентам: Для достаточно коротких периодов смешивания матричная экспонента может быть разложена в ряд: и для случая, когда тт -» О (приближение начальной скорости) получим: Интенсивности кросс-пиков в пределе коротких времен смешивания представляют линейную зависимость от элементов кросс-релаксационной матрицы. Для более длинных периодов смешивания можно учесть квадратичные члены разложения, тогда получим: Квадратичные члены соответствуют переносу намагниченности в два этапа: сначала от М/ к Mj, а затем от М/ к Мк. Большие времена смешивания уже не дают очевидной картины индивидуальных путей переноса поляризации, а скорее отображают суммарный процесс поляризации от М/ к Мк по всем возможным путям. В этом разделе рассмотрим гомоядерную систему из двух спинов с близкими резонансными частотами соА&сов&со0 и примем, что внешняя скорость релаксации обоих спинов одинаковая. В общем случае продольная кросс-релаксация между спинами А и В описывается двумя связанными дифференциальными уравнениями [23]: Элементы кросс-релаксационной матрицы могут быть выражены через вероятности переходов W, вызываемых АА-, ВВ- и АВ-взаимодействиями, и через скорости внешней релаксации Rf { и Rf%, которые включают в себя также возможные взаимодействия с другими спинами: Вероятности переходов вызванные за счет диполь-дипольных взаимодействий между спинами А и В будут определятся выражениями (1.38), (1.39) и (1.40). Для рассматриваемого случая можно записать: И смешивающие коэффициенты будут выражаться: Очевидно, что і?/, приводит к одинаковому затуханию всех четырех кросс-пиков с увеличением времени смешивания тт. С другой стороны, для W0AB W2AB Re ведет к переносу намагниченности с сохранением полной намагниченности и к увеличению сигнала. Для критического случая, константа скорости кросс-релаксации RC=2\W2AB -WQB\ становится равной нулю и кросс-пики исчезают вне зависимости от времени смешивания тт. Для коротких времен корреляции тс тыг, наблюдаются отрицательные кросс-пики. С другой стороны, для длинных времен корреляции Tc Tcrjt кросс-пики становятся положительными. Эти два критических случая принято рассматривать отдельно. Короткие времена корреляции, предельное сужение линий. Короткие времена корреляции гс«1/(2ш0), наблюдаются в растворах с низкой вязкостью и для малых молекул в относительно низких магнитных полях. Для этого случая значения всех спектральных плотностей идентичны, и ситуация известна как «предельное сужение линий». Получаем: Важно отметить, что АВ диполь-дипольноеное взаимодействие содействует решеточной константе скорости релаксации. Этот процесс утечки предотвращает достижение интенсивных кросс-пиков даже в случае отсутствия внешней релаксации, Ri=0. В случае предельного сужения линий, кросс-пики имеют отрицательную интенсивность и максимально возможная интенсивность кросс-пика аАВ(тт) составляет 19% от интенсивности диагонального пика аАВ(тт = 0) при незначительной внешней релаксации, Ri=0. Длинные времена корреляции, предел спиновой диффузии. Длинные времена корреляции, Tc»l/wA,l/o)B типичны для вязких растворов и для макромолекул с медленной подвижностью. Спектральная плотность мощности на разных частотах вносит различный вклад, но в итоге можно показать случае для констант скоростей получим: Важно отметить, диполь-дипольное АВ взаимодействие больше не вносит вклад в спин решеточный релаксационный процесс. В отсутствии внешней релаксации, Выше мы показали, что нормирование кросс-пика на диагональный значительно улучшает точность определения констант скоростей кросс-релаксации из NOESY спектров. Так же показали возможность сокращения времени записи двумерного спектра при условии равенства продольных времен релаксации. Ожидается, что если записывать NOESY спектр с задержкой di между сериями я/2 импульсов равной времени Ті, то ошибка в определении констант кросс-релаксаций не превысит 15%. Для получения количественных результатов были записаны NOESY спектры в.ацетонитрилe-d3, для проводилось по процедуре описанной выше. Из линейной аппроксимации отношения кросс-пиков к диагональным находилась константа скорости кросс-релаксации (см. табл. 2.4-1), которая в дальнейшем использовалась для получения межпротонных расстояний. Результаты приведены в табл. 2.4-2. Как можно видеть, полученные результаты несколько меньше, чем приведенные в табл. 2.3-2. Различие объясняется тем, что в данном случае время одного цикла импульсной последовательности было установлено очень коротким, (di+Tm)=l,5c (против рекомендуемого 18с). Таким образом, было существенно укорочено время для подготовительного периода, в течение которого происходит релаксация системы в состояние равновесия. Таким образом, получен 12 кратный выигрыш по времени, но проиграно в точности определения межпротонных расстояний. На сегодняшний день предложено множество алгоритмов для расчета полной релаксационной матрицы, но наиболее полный анализ приведен в работе [57]. Обмен намагниченностью в спиновой системе из п состояний наблюдается экспериментально (в 2М обменном спектре) как матрица интегральных интенсивностей А(хт), которая зависит от времени смешивания Тщ и структуры обменивающейся системы. Эта зависимость описывается динамической матрицей L. Матрица А(тт), которая образуется из интегральных интенсивностей пиков в 2М спектре, связана с динамической матрицей выражением: где А(0) - диагональная матрица интегральных интенсивностей при тт=0. Для упрощения примем, что все спиновые состояния имеют некоторую равновесную заселенность и, что система в начале эксперимента находиться в термодинамическом равновесии. Примем, что обе матрицы А(хт) и L симметричны и, что матрицу А(0) можно положить эквивалентной которых выполнялось условие (di+Tm)=l,5c. Это условие необходимо для установления одинаковой начальной равновесной намагниченности ядер при переходе от одного двумерного эксперимента к другому при изменении тт в условиях, когда система не успевает полностью отрелаксировать [58]. Полученные зависимости отношений кросс-пиков к диагональным от времени смешивания приведены на рис. 2.4-1. Обработка экспериментальных данных проводилось по процедуре описанной выше. Из линейной аппроксимации отношения кросс-пиков к диагональным находилась константа скорости кросс-релаксации (см. табл. 2.4-1), которая в дальнейшем использовалась для получения межпротонных расстояний. Результаты приведены в табл. 2.4-2. Как можно видеть, полученные результаты несколько меньше, чем приведенные в табл. 2.3-2. Различие объясняется тем, что в данном случае время одного цикла импульсной последовательности было установлено очень коротким, (di+Tm)=l,5c (против рекомендуемого 18с). Таким образом, было существенно укорочено время для подготовительного периода, в течение которого происходит релаксация системы в состояние равновесия. Таким образом, получен 12 кратный выигрыш по времени, но проиграно в точности определения межпротонных расстояний. На сегодняшний день предложено множество алгоритмов для расчета полной релаксационной матрицы, но наиболее полный анализ приведен в работе [57]. Обмен намагниченностью в спиновой системе из п состояний наблюдается экспериментально (в 2М обменном спектре) как матрица интегральных интенсивностей А(хт), которая зависит от времени смешивания Тщ и структуры обменивающейся системы. Эта зависимость описывается динамической матрицей L. Матрица А(тт), которая образуется из интегральных интенсивностей пиков в 2М спектре, связана с динамической матрицей выражением: где А(0) - диагональная матрица интегральных интенсивностей при тт=0. Для упрощения примем, что все спиновые состояния имеют некоторую равновесную заселенность и, что система в начале эксперимента находиться в термодинамическом равновесии. Примем, что обе матрицы А(хт) и L симметричны и, что матрицу А(0) можно положить эквивалентной единичной матрице А(0)=1. Тогда можно записать: Т.к. матрица L реальная и симметричная, то она имеет п собственных значений \\ И П СОбсТВеННЫХ ВеКТОрОВ Uj. я Затем, матричные элементы {Ь}у- и {А(тт)}у могут быть выражены через п собственных значений А и п собственных векторов и матрицы L. Аналогично, матричные элементы {А(тт)}ц и {L}ij могут быть выражены через п собственных значений Yk(xm) и п собственных векторов щ матрицы интегральных интенсивностей А(тт), В этом разделе мы представляем метод разделения констант скоростей обмена и скоростей кросс-релаксации для системы двух спинов, в отсутствии скалярного спин-спинового взаимодействия между ними, в спектрах двумерной ЯМР спектроскопии (NOESY), основанный на анализе интегральных интенсивностей кросс-пиков, определенных при различных температурах растворов. В качестве иллюстрации предложенного подхода рассмотрены обменные процессы, протекающие в молекулярных системах: димер тетратолилмочевины каликс[4]арена тетрапентилового эфира с включенной в качестве «гостя» молекулой бензола- 0 6 в растворе бензола - d 5 (IV) [2а, 7а, 8а, 14а]. Выбор такой модели был обусловлен отсутствием подобного в ряду гетероциклических соединений. Известно, что в малополярных растворителях, таких как бензол или хлороформ, каликс[4]арены, имеющие в качестве заместителей -NH-C(0)-NH-СбНгСЖ группы способны димеризоваться за счет образования C=0—NH водородной связи (рис. 4.2-1) [88, 89, 90, 91], тогда как в растворителях, таких как ацетон или метанол они мономерны [89]. При этом и в том и другом случае молекула каликс[4]арена существует в конформации "конус". Кроме того, эти калике[4]арены находясь в димерной форме в малополярных растворителях, могут содержать внутри такой димерной «капсулы» одну молекулу растворителя - «гостя». ЯМР Н спектры системы (IV) полностью соответствуют тому, что молекулы каликс[4]аренов существуют в димерной форме, а в «капсуле» находится молекула «гостя» (См. рис. 4.2-2). Наглядно это демонстрирует область спектра ЯМР Н от 6.00 до 10.00 м.д., в которой ароматические протоны каликсаренового скелета проявляются в виде двух синглетов с химическими сдвигами 8 аН 8.25 м.д., 5 АН - 6.40 м.д.; NH протоны также резонируют в виде двух синглетов: 8 aNH 7.97 м.д., 8 2aNH 9.95 м.д.; а протоны 3аН и 4аН проявляются в виде двух дублетов: 5 3аН 8.09 м.д., 8 4аН 6.93 м.д., константа бензола- в молекуле «гостя» имеют химические сдвиги 4.38 м.д. Ранее было проведено исследование методом ЯМР Н спектроскопии процесса ассоциация-диссоциация димерных структур подобных молекулярных систем, имеющих в качестве молекул «гостей» их недейтерированные аналоги. Как следует из данных работы [92], константы скоростей процесса ассоциация-диссоциация существенно зависят от вида молекулы «гостя» и используемого растворителя (константы скоростей были 2.2 10"3 сек"1 для системы (IV), молекула «гостя» - СбНб). Очевидно, что процесс ассоциация-диссоциация является лимитирующим по отношению к процессу вращения вокруг Ph-NH С(О)- связи. Величину скорости вращения вокруг Ph - NHC(O)- связи можно было бы определить по изменению формы линии ]Н ЯМР сигналов протонов каликсаренового фрагмента (а-А) (ориентация С=0 связи определяет различие в их химическом окружении) при изменении температуры раствора (динамическая ЯМР спектроскопия [93, 8]). Однако, мы не наблюдали каких либо изменений в 1Н ЯМР спектрах для системы (IV) при изменении температур раствора от 298 К до 343 К. Исключение составляли лишь несущественные изменения положений химических сдвигов Н ЯМР NH -протонов. Скорости вращения вокруг Ph - NHC(O)- связи определяли с помощью двумерной ЯМР спектроскопии (NOESY модификация). Метод наиболее подходящий при исследованиях медленных в шкале ЯМР обменных химических процессов [30,82]. В табл. 4.2-1 в качестве примера, приведены относительные интегральные интенсивности кросс- и диагональных пиков двумерного Н NOESY ЯМР спектра системы (IV) димер каликс[4]арена -бензол - d6 (молекула «гостя») - в растворе бензола -d6 (область 5.0 - 10.0 м.д.) для температуры раствора 298 К и хт= 0.2 сек. Как следует из рис. 4.2-2, в двумерном спектре наблюдаются интенсивные кросс-пики между aNH и aNH протонами (обозначены 1), равно как и между За Н и 4а Н протонами. Очевидно, что происхождение этих кросс-пиков полностью определяется кросс-релаксацией, существующей внутри этих пар протонов. Интенсивность кросс-пиков (обозначены 2) между ароматическими протоном а и протоном А соседней арильной группы может определяться как кросс-релаксацией, существующей для этой магнитной системы [86, 87, 88], так и медленным химическим обменом между этими протонами в результате изменения направления С=0 группы в случае осуществления вращения вокруг Ph - NHC(O)- связи. В двумерном ЯМР спектре также проявляются слабые по интенсивности кросс-пики между aNH, 2aNH и ароматическими протонами (а, А), равно как кросс-пики между a Н и aNH протонами. Очевидно, что происхождение этих кросс-пиков слабой интегральной интенсивности определяется кросс-релаксацией, существующей внутри этих пар протонов. Таким образом, мы можем рассматривать попарно aNH и aNH и а и А протоны, как двухспиновые системы не имеющие видимого скалярного взаимодействия, причем интенсивность кросс-сигналов в двумерном спектре ЯМР в первой паре (1) определяется лишь кросс-релаксацией, а во второй (2) определяются как кросс-релаксацией, так и возможным медленным химическим обменом между этими протонами Рассмотрим зависимость интегральных интенсивностей кросс-пиков (2) между а и А протонами и кросс-пиков (1) между aNH и aNH протонами при изменении температуры раствора от 298 К до 343 К. Исходя из величин отношений интегральных интенсивностей кросс-пиков к диагональным и в соответствие с выражением (4.4) были получены значения [RAB - кдв] для этих двухспиновых систем как функции температур растворов. Была получена линейная зависимость при анализе изменений интенсивностей кросс-пиков (1) между aNH и aNH протонами при изменении температуры раствора от 298 К до 343 К. Тангенс угла наклона зависимости In [RAB - кдв] от 1/Т для NH протонов оказался равным 5.55 (коэффициент корреляции равен 0.97). Зависимость In [RAB - клв] от 1/Т, полученная при анализе изменений интегральных интенсивностей кросс-пиков (2) между а и А протонами при изменении температуры раствора от 298 К до 343 К представлена на рис. 4.2-3. Эта зависимость не линейна и может быть описана суммой двух линейных зависимостей, имеющих разные величины и знаки тангенсов углов наклонов. Качественное согласие в величинах тангенсов углов наклонов этих зависимостей для NH протонов (tg а = 5.55) и протонов каликсаренового фрагмента (tg а = 5.20) в области температур 298 К - 318 К свидетельствует оОписание NOESY эксперимента
Кросс-релаксация в системе с большим числом спинов в двумерном NOESY спектре
2М ЯМР NOESY спектроскопия с короткими временами задержки
Разделение химического обмена и ЯЭО в системе спинов не связанных спин-спиновым взаимодействием
Похожие диссертации на Двумерная ЯМР NOESY спектроскопия в конформационно жестких и подвижных гетероциклах среднего размера
![Двумерная спектроскопия ЯМР NOESY в изучении пространственной структуры мономерных и димерных производных каликс[4]аренов в растворах](/i/i/4433/297326.png "Двумерная спектроскопия ЯМР NOESY в изучении пространственной структуры мономерных и димерных производных каликс[4]аренов в растворах Гадиев Тимур Артурович")