Шифт реагенты и их применение в ЯМР спектроскопии

 

Введение

 

ЯМР-спектроскония стала, по-видимому, наиболее мощным методом определения структуры органических соединений, в том числе полимеров и биополимеров. Однако информативность спектров протонного магнитного резонанса (ПМР) существенно снижается из-за того, что протоны СН, СН2- и СН3-групп, не имеющих рядом электроотрицательных атомов, дают сигналы с близкими значениями химических сдвигов в области 0,8-2,5 м. д. Весьма эффективным новым методом, позволяющим в ряде случаев полностью преодолеть затруднения, связанные с наложением сигналов, является применение шифт-реагентов (сдвигающих реагентов).

Влияние парамагнетизма на характеристики ядерного резонанса было обнаружено вскоре после открытия явления ЯМР. Особенности ЯМР в парамагнитных системах детально изучены в ряде теоретических и экспериментальных работ. Были сделаны удачные попытки использозать в качестве сдвигающих реактивов комплексы Ni2+ и Со2+, но широкого применения эти соединения не нашли. Решающим для развития метода оказался переход к производным лантанидов: комплексам европия, празеодима и других лантанидов с дипивалоилметаном, комплексов с фторсодержащими и с оптически-активными дикетонами.

Лантанидные шифт-реагенты (парамагнитные сдвигающие реагенты (ПСР)) — комплексы трехвалентных ионов Ln,+ с β-дикетонами являются льюисовыми кислотами. В растворе они образуют комплексы (аддукты) с органическими молекулами (субстратами), содержащими атомы с неподеленнон парой электронов (О, N, S, Р) и являющимися льюисовыми основаниями. Под влиянием парамагнитного иона линии в спектре ЯМР сдвигаются. Вследствие быстрого обмена между свободными и связанными в комплекс молекулами наблюдаемый спектр является средним между спектром свободного и связанного субстрата.

 

1. Шифт-реагенты, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ

 

Из большого числа известных комплексных соединений лантанидов  практически используются в качестве ПСР лишь немногие. Это объясняется тем, что ПСР должен удовлетворять ряду требований. Существенно важными являются такие свойства, как большая способность к координации с субстратами, магнитная анизотропия, большой объем лиганда (для фиксации взаимного расположения молекул субстрата и ПСР в аддукте), малое время электронной релаксации (для сохранения малой ширины линий в спектре). Необходимо также, чтобы вещество было достаточно устойчивым на воздухе, растворялось в органических растворителях и т. д.

 

Табл. 1. Комплексы с дипивалоилметаном

 

Свойства шифт-реагентов — β-дикетонатов лантанидов приведены в табл. 1-2. В водных растворах возможно использование солей — хлоридов, хлоратов, в ацетоновых растворах — нитратов лантанидов.

 

Табл. 2. Комплексы с гептафтордиметилоктандионом

 

Растворимость Eu(DPM)3 при комнатной температуре составляет 200-300 мг/мл в ССl4; 100 мг/мл в 6D6; 200-300 мг/мл в CDCl3. В присутствии полярного субстрата наблюдается увеличение растворимости Eu(DPM)3. Растворимость Yb(DPM)3 выше, чем Eu(DPM)3, растворимость Eu(FOD)3 также выше, чем у Eu(DPM) – до 400 мг/мл в ССl4. Безводные комплексы Ln(DPM)3, Eu(FOD)3 и Pr(FOD)3 сильно гигроскопичны, поэтому их рекомендуется хранить в вакуум-эксикаторе над фосфорным ангидридом. Применяемые при работе с шифт-реагентами растворители следует особо тщательно высушивать и очищать от кислых примесей: хлороформ обрабатывают молекулярными ситами, ССl4 выдерживают над NaOH и перегоняют.

 

 

 

2. ПРИМЕНЕНИЕ  шифт-реагентов В ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ

 

2.1. Упрощение спектров

 

Наиболее важным результатом использования шифт-реагентов в ЯМР-спектроскопии является поразительное упрощение спектров. Вызываемый шифт-реагентами сдвиг сигналов приводит к резкому увеличению отношения химического сдвига в константе спип-спинового взаимодействия J, что позволяет получить даже для сложных спиновых систем спектры первого порядка (рис. 1).

 

Рис. 1. Спектр ЯМР цис-4-третбутилциклогексанола: 1 — без ПСР;

2 — в присутствии Eu(DPM)3 (частота 100 Мгц раствор в CDCI3, CP/CS = 0.7)

 

2.2. Отнесение сигналов

 

Применение шифт-реагентов значительно облегчает отнесение сигналов в спектрах. При добавлении шифт-реагентов разделяются ранее перекрывавшиеся пики, что дает возможность относить сигналы протонов с помощью двойного резонанса и анализа констант спин-спинового взаимодействия. Но, главное, широко используется метод, основанный на зависимости сдвига от геометрических факторов. Так, например, из структуры d-камфоры (рис. 2), видно, что расстояние метильных групп от кислорода кето-группы увеличивается в ряду 10-СН3<8-СН3<9-СН3. В таком же порядке будут увеличиваться и расстояния СН3-групп от нона Еu3+ координированного по кето-группе. Поэтому сигналы СН3-групп, претерпевшие наибольший сдвиг в слабое поле при добавлении шифт-реагента, относят к протонам 10-СН3, а наименее сдвигающиеся сигналы к протонам 9-СН3. Аналогичным путем были отнесены сигналы в спектрах ЯМР 1,3-диметнлциклогексиламина, циклогексилпепириола и многих других соединений.

 

Рис. 2. Зависимость химических сдвигов СНз-групп d-камфоры в присутствии Eu(DPM)3·2Py от отношения Cp/Cs (частота 100 Мгц, комнатная температура, раствор в CCl4)

 

2.3. Определение  величин химических сдвигов и  констант спин-спинового взаимодействия

 

Экстраполяция прямых на графиках δ = f(CР/Cs) к нулевой концентрации ПСР позволяет определить величины химических сдвигов для тех протонов субстрата, сигналы которых в отсутствие шифт-реагентов перекрываются. По спектрам ЯМР в присутствии шифт-реагентов можно получить ранее недоступные из-за наложения сигналов величины констант J; например, в спектрах ЯМР производных пиразинов — константы связи между протонами СН3-группы и орто-пара- и мета-протонами кольца, в спектрах ЯМР фосфиноксидов — JPCH и JPСCH.

Особенно интересна возможность определения величин Jгем. диастереотопных протонов. Сигналы таких протонов в α- и даже в β-положении к асимметрическому атому углерода в присутствии шифт-реагентов четко разделяются. Так, в спектре ЯМР 1,2-дифенилэтанола алкильные протоны дают спектр типа А2Х, а при добавлении Eu(DPM)3 получается спектр типа АВХ, позволяющий определить JАВ.

 

4. Изучение строения и  стереохимической структуры

 

Зависимость сдвига от геометрических факторов позволяет в ряде случаев однозначно определить структуру молекул. Так, например, продукты реакции 3,3-диметилциклопентена с дихлоркетеном в зависимости от направления присоединения могут иметь две структуры — (а) или (б):

 

В спектре ЯМР продуктов реакции сигнал α-Н дает дублет за счет взаимодействия с β-Н, a β-H — мультиплет за счет взаимодействия с α-Н и протонами пятичленного цикла. При добавлении Eu(DPM)3, который координируется по кислороду кето-группы, дублет α-Н сдвигается в слабое поле в 1,5-2 раза больше, чем мультиплет β-Н, что указывает на структуру типа (а). Некоторое затруднение вызвало определение строения пентандиола, выделенного из технического фурилового спирта. Спектру ЯМР соединения (рис. 3) могут соответствовать две структуры (1,2- и 1,3-пентандиол). При съемке спектра в присутствии Eu(FOD)3 сильно сдвинутый в слабое поле сигнал СН2 — ОН-группы расщепляется на два пика (соответствующих двум диастереотопным протонам), а сигнал группы СН2СН3 не расщепляется. Это значит, что СН2—ОН-группа стоит в α-положении к СН—ОН, т. е. однозначно доказывает структуру 1,2.

 

Рис. 8. Спектр ЯМР 1,2-пептаидиола (раствор в СHCl3, 60 Мгц, комнатная температура): 1 — без шифт-реагента; 2 — с Eu(FOD)3

Отношение ПСР/пентандиол= 1 :3. Отнесение линий показано на спектре; звездочкой отмечены пики примесей и сателиты  С

 

Шифт-реагенты использовали для определения химической структуры полициклическпх кетонов, бициклического ангидрида и др.

Широко используется ПСР и при идентификации геометрических изомеров. При съемке спектров ЯМР нерола (I) и гераниола (II) в присутствии Eu(DPM)3 оказалось что величина сдвигов сигналов протонов нерола уменьшалась в ряду С4>С5>С10, а сигналов протонов гераниола в ряду С10>С6>С5, что доказывает цис-конфигурацию нерола (I) и транс-конфигурацию гераниола (II):

В спектре ЯМР нафтилвинилпиридина:

в присутствии Eu(DPM)3 сигналы винильных протонов уже по перекрываются сигналами протонов нафталинового кольца и дают квадруплет типа ЛВ, что позволяет по величине JАB определить цис- или транс-конфигурацию соединения.

 

2.5. Изучение конформации

 

Шифт-реагент применяется для конформационного анализа гибких и жестких молекул и для идентификации поворотных изомеров. Анализ величин сдвигов сигналов протонов спектра ЯМР цис-9-оксибицикло-3,3,1-нонан-эндо-3-карбоксилата снятого в присутствии Eu(DPM)3, показал, что

при CP/CS=0,3 (когда шифт-реагент координируется главным образом по гидроксильной группе) сигнал протона Н5 значительно сдвигается в слабое поле, что указывает на конформацию типа лодка — кресло.

С помощью ПСР изучалась конформация циклических кетонов, гризеофульвинов, мононуклеотидов, бициклических спиртов.

Следует иметь в виду, что образование комплекса шифт-реагент—субстрат может иногда влиять на конформациониое равновесие, например на равновесие между экзо- и эндо-формами замещенного амида:

В отсутствие Eu(DPM)3 соотношение изомеров эндо/экзо = 2/1. При добавлении 0,1 М Eu(DPM)3 соотношение поворотных изомеров меняется (эндо/экзо= 1/2). Обнаружено было также влияние ПСР на конформационное равновесие других амидов, равновесие кресло↔кресло, равновесие между аномерами углеводов.

 

2.6. Анализ смесей

 

С помощью ПСР возможны обнаружение примесей и анализ смесей веществ с перекрывающимися резонансными сигналами путем интегрирования отдельных пиков «растянутого» спектра. Этим методом проведено количественное определение содержания компонентов в двухкомпонентной смеси 2-метил-1-бутанола с 2-метил-2-бутанолом, в трехкомпонентной смеси n-пентанола, 2-пентанола и 3-пентанола и даже в шестикомпонеитной смеси нормальных спиртов С1—С6.

 

 

Заключение

 

Таким образом, шифт-реагенты (парамагнитные сдвигающие реактивы, ПСР) – это вещества, взаимодействующие с исследуемым органическим соединением (субстратом) и сдвигающие линии спектров ЯМР последнего.

Шифт-реагенты очень активно применяют в ЯМР-спектроскопии для:

• упрощения спектров;
• отнесения сигналов;
• определения величин химических сдвигов и констант спин-спинового взаимодействия;
• изучения строения и стехиометрической стуктуры;
• изучения конформации
• анализа смесей;
• изучения полимеров.

Также, преимуществом использования шифт-реагентов по сравнению с другими вариантами метода ЯМР, позволяющими повышать информативность спектров, является возможность проводить измерения на недорогих приборах с невысокой рабочей частотой.

 

 

Список используемой литературы

 

Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР: Пер. с англ. — M.: Мир, 1984. — 478 с.

Ионин Б. И, Ершов Б. А. Спектроскопия ЯМР в органической химии — Л.: Химия, 1967.