CC BY
13
УДК 543.422.25+547.586.597
ТРОЙНОЙ ЯМР 13С-{1Н, 2H} - ПРЕЦИЗИОННЫЙ КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ДЕЙТЕРОЗАМЕЩЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
В.А. Рознятовский, Ю.К. Гришин, А.Н. Кашин
(кафедра органической химии; e-mail: vit.rozn@nmr.chem.msu.su)
Показаны преимущества количественной спектроскопии ЯМР 13С-{1Н, 2Н} в исследовании дейтерозамещенных органических соединений. Одновременное применение двух насыщающих полей на частотах протонов и дейтронов приводит к существенному упрощению спектров и возрастанию чувствительности метода. Возможности тройного резонанса продемонстрированы на примерах анализа состава смеси дейтероизотопомеров нормального тетрадекана и прецизионного измерения изотопных сдвигов А (13С) для бифенила-dg.
Ключевые слова: количественная спектроскопия ЯМР 13С-{1Н, 2H}, тройной ЯМР, изо-топомерный ЯМР-анализ, изотопный химический сдвиг, дейтероизотопомеры, бифенил-d^
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса находит широкое применение как аналитический и количественный метод исследования строения веществ. Несомненным преимуществом метода является возможность получения информации на уровне фрагментов и групп молекулярных систем без деструкции последних, а также одновременных оценок для компонентов смесей, включая смеси изотопоме-ров, без их предварительного разделения. Практические аспекты и проблемы точности количественного ЯМР активно обсуждались в литературе (см., например, [1-3]), в том числе и для измерений на ядрах 13С [4]. Определенные ограничения могут возникать при ЯМР-исследованиях дейтерозамещенных органических соединений или смесей дейтероизотопомеров. Анализ спектров таких объектов затрудня-
ется из-за перекрывания сигналов мультиплетной структуры и весьма незначительных индуцированных дейтронами изотопных химических сдвигов 1Н (обычно не превышают 10-15 млрд.д., т.е. сопоставимы с шириной резонансных сигналов). Метод ЯМР-2Н-{1Н} обеспечивает получение весьма высокой точности оценки интегральной интенсивности сигналов индивидуальных соединений даже при измерении на природном содержании дейтерия с помощью прецизионных методов интегрирования [5, 6]. Тем не менее узкий частотный диапазон химических сдвигов ядер Н, в шесть с половиной раз меньший, чем для ядер 1Н, определяет высокую вероятность перекрывания резонансных линий этих ядер, часто подверженных релаксационному уширению. В этой связи значи-
тельные преимущества имеет метод ЯМР на ядрах изотопа 13С, прежде всего благодаря большому диапазону химических сдвигов. Содержание этого изотопа, равное примерно 1,1%, в живой природе претерпевает незначительные, на порядок меньшие по сравнению с изотопом Н, изменения. Его вариация в пределах природных органических молекул не превышает 1,5%. При этом наиболее важным является
13
то, что изменением содержания С в углеводородных группах при замещении протонов на дейтерий можно пренебречь.
В условиях развязки от протонов и отсутствия обменных процессов при достижении высокой однородности поляризующего поля резонансные сигналы
13
ядер С имеют меньшую ширину, чем резонансные линии протонов. Современные методы измерений позволяют избежать возможного влияния эффектов Оверхаузера и насыщения на интенсивность сигналов с помощью импульсного манипулирования каналом развязки и использования больших времен повторения импульсных последовательностей и/или дополнительного применения релаксантов. Вызванные замещением протонов на дейтерий изотопные сдвиги в спектрах 13С (А (13С)) значительны, могут превышать 1 м.д. в пердейтерированных соединениях и наблюдаются через несколько связей [7], что и дает основу для проведения изотопомерной дифференциации. Однако Н/О-замещение сопровождается сильным изменением формы резонансных линий углерода, связанной как с их расщеплением из-за
13 2
спин-спинового взаимодействия С- Н, так и с ре-
лаксационным уширением, обусловленным наличием у дейтрона квадрупольного момента. Следствием этого являются высокая вероятность заметного перекрывания спектров отдельных имеющихся в смеси изотопомеров, сложность описания и даже обнаружения компонентов смеси с низким содержанием. Ранее нами высказывалась идея устранения этих факторов путем применения дополнительного мощного высокочастотного облучения на ядрах дейтерия [8].
В настоящей работе демонстрируются возможности метода тройного резонанса при наблюдении сигналов ядер углерода в режиме одновременного облучения на частотах протонов и дейтронов для изото-померного анализа и прецизионного измерения изотопных химических сдвигов.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР регистрировались на спектрометре «Ауапсе-600 Брукер» с рабочими частотами 600
1 13
и 150 МГц на ядрах Н и С соответственно, в стандартных ампулах с внешним диаметром 5 мм при комнатной температуре. Спектрометр оборудован блоком переключения канала лока, позволяющим использовать этот канал как для стабилизации резонансных условий, так и для облучения спиновой системы на частоте дейтерия (развязки от дейтерия). Процедура управления блоком переключения, предусмотренная импульсной последовательностью zgig2h, входящей в пакет программного обеспечения прибора, дает возможность наблюдения спектров 13С с развязкой от дейтерия при сохранении условий спиновой стабилизации. Наличие в спектрометре третьего радиочастотного канала позволило нам модифицировать эту импульсную последовательность для одновременного облучения и протонов, и дейтерия во время выборки сигнала; 2Н-стабилизация осуществлялась на сигналах как дейтерорастворителя, так и изучаемого соединения.
13
Для измерения спектров ЯМР С использовали время выборки сигнала свободной прецессии не менее 6 с и задержки между импульсными последовательностями длительностью 14 с. Выбор регистрируемого спектрального диапазона и режима обработки сигнала (числа точек) определялся условиями обеспечения цифрового разрешения не хуже 0,05 Гц.
Интегральные интенсивности и частоты резонансных линий определяли при анализе формы резонансного контура с учетом искажений фазы и неоднородности поляризующего поля с помощью программы ШзреС: [5].
Индуцированные дейтерием изотопные сдвиги
13
Д( С) определяли как разность химических сдвигов ядер углерода для смеси меченных и не меченных дейтерием изотопомеров.
Бифенил-^ получен из пентадейтерированного бромбензола по методике, предложенной в [9]. Смесь дейтероизотопомеров нормального тетрадекана была получена в реакции Фишера-Тропша при взаимодей-ствиии СО и водорода с высоким содержанием Э2.
Результаты и обсуждение
Тетрадекан представляет собой смесь изотопоме-ров, состоящую в основном из полностью дейтеро-замещенного алкана н-С14Э30, и является удобным объектом для иллюстрации преимуществ тройного резонанса 13С-{1Н, 2Н} в изотопомерном анализе. В спектре ЯМР 1Н этого вещества присутствуют две группы сигналов с взаимным соотношением значений интегральной интенсивности примерно 1,0:6,5 (в области 0,76-0,92 м.д., отвечающей протонам ме-тильных групп, и в области 1,10-1,30 м.д., принадлежащей метиленовым группам). Эти сигналы имеют сложную для анализа форму, указывающую на наличие в смеси большого числа веществ.
Спектр ЯМР 13С-{1Н} изученного углеводорода (рис. 1) дает более четкую основу для дифференциации компонентов. Наряду с сигналами дейтероизо-топомеров он содержит синглеты незамещенных дейтерием СН2- и СН3-групп. Поскольку для линейных углеводородов индуцированные дейтерием изотопные сдвиги через одну (1Д) и через две (2Д) связи составляют примерно 300 и 100 млрд. д. соответственно [10], резонансные сигналы дейтеро содержащих групп существенно смещены в сильное поле. Однако вследствие развитой мультиплетной структуры с кон -стантами ^(С-О), равными примерно 19 Гц, уширенные сигналы таких групп перекрываются. Это наблюдается даже в относительно обособленной области резонанса (12-14 м.д.) атомов углерода С1 и С14 кон -цевых метильных групп СНЭ2 (квинтет) и СЭ3 (септет). Еще более значительное перекрывание, практически не позволяющее проводить количественную оценку интегральной интенсивности, происходит для мультиплетных сигналов при 28-29 м.д., относящихся к внутренним атомам углерода С4-С11, имеющих близкое экранирование.
Этот недостаток устраняется в спектре тройного резонанса 13С-{1Н, 2Н}, в котором полностью подавлена мультиплетная структура (рис. 1). Более того, в этом спектре относительно разрешены линии ато-
сн0
СН
-2
cd2
chd ^
сн0
СН,
СН.
cd2
chd ^
Л_^-А-АЛЛЛ._
сн3
chd
cd,
^»^AAAAju_„
31,5
30,5
29,5
28,5
22,5
21,5
14,0 13,5 13,0 12,5
ррш
с3, с12
Jit
С4-Сп
Ju^-JL
jlJI
ajal
с, j Сч
C1 ' C14
32,0
31,0
30,0 . 13,
29,0
28,0 23,0
22,0
21,0 14,0
13,0
13,
ppm
Рис. 1. Спектры ЯМР 13С изученного тетрадекана (150 МГц): а - двойного резонанса ^С-^Н},
б - тройного резонанса 13С-{1Н, 2H }
мов углерода изотопомеров с разным содержанием дейтерия в группах, отстоящих на одну и две связи, как следствие проявления дальних изотопных эффектов 2А и 3Д. Таким образом, становится возможным проведение надежного количественного анализа с помощью измерения интегральной интенсивности резонансных синглетов. В качестве примера в табл. 1 представлены результаты анализа распределения изотопов водорода в метиленовых и метильных группах изученного углеводорода.
Приведенные в табл. 1 данные позволяют установить, что содержание протия в изученном тетраде-кане составляет 11,0(1) мол.%. Остаточный протий распределяется по углеводородным цепочкам этого алкана слегка неравномерно. Он преимущественно концентрируется в концевых группах (12,4 и 13,2% в метильных группах и в предконцевых метиленовых звеньях соответственно). Содержание полностью дейтерированного тетрадекана С14Б30 составляет 32,9(1)мол.%. В то же время его легкий аналог С14Н30
в исследованной смеси изотопомеров практически отсутствует (<0,01%). Особенностью рассмотренного соединения является также чрезвычайно низкое содержание в метильных группах фрагмента СН2Б (0,3%), указывающее на сильное проявление изотопных эффектов в процессе реакции получения такого продукта.
Измерения индуцированных дейтерием изотопных эффектов в спектрах 13С проводились нами для бифенила-ё5, в котором протоны одной из фенильных групп полностью замещены на дейтерий. Имеющиеся данные для монодейтерозамещенного производного 4-Б-С6Н4С6Н5 [11] показывают, что это соединение является удобной моделью для наблюдения дальних изотопных эффектов. Такие эффекты более чем через 5-6 валентных связей отчетливо проявляются для п-систем и несут важную информацию о кон-формационных состояниях молекул [11-13]. Раствор бифенила-ё5 в дейтероацетоне содержал около 5% легкого изотопомера С12Н10 с естественным содержа-
Т а б л и ц а 1
Относительное содержание изотопомерных фрагментов в группах для изученного тетрадекана (%)
Атом углерода Химический сдвиг 5 С, м.д.* Группа
СН3 СН2Б/СНБ2 СБ3
С С 14 12,61 8,1 0,3/12,6 79,0
СН2 СНБ СБ2
С С ^2' 13 21,39 9,1 8,2 82,7
С С 28,19 6,9 6,7 86,4
С С 28,47 5,8 5,3 88,9
С5' С10; С6' С9 28,53 8,4 4,1 87,5
С С ^3> 12 30,65 8,6 5,9 85,5
* Химические сдвиги С для изотопомера С14Б3(
_|Л
Л
1
| « т »1 » I • 1 • 1 »" I » » I.......*......г.......*......|...............т........»........|.................|.................1..............|.................I""»..........|.........................I......»......I...................1...............1................г......»"-I..............I"».............1..................I""»........I...................|.....4-1......... | ' 1 ■ | '■' I ' I ■ ? 1
142,5 130,5 130,0 129,5 129,0 128,5 128,0
ррш
ии
, ИИ
/
ИИ
ИИ
11
■I...............I......»......>......■......Г'""!1" ■">............Г1"'"»
142,5 130,5 130,0 129,5 129,0 128,5 128,0
ррш
Рис. 2. Спектры ЯМР 13С дейтероизотопомеров бифенила(150МГц): а - двойного резонанса 13С-{1Н}, б - тройного резонанса 13С-{1Н, 2Н }. Индекс Ш обозначает атомы углерода бифенила С12Н10, индексы к и сС - атомы углерода С6Н5- и С6Б5-групп бифенила-^
нием дейтерия (0,015%), дающего реперные значения частот для измерения значений изотопных сдвигов Д(13С).
В спектре 13С-{1Н} бифенила-^ изотопные эффекты проявляются для всех атомов углерода, включая атомы незамещенного ароматического цикла (рис. 2). Однако прецизионные оценки изотопных сдвигов в нем затруднены из-за уширения линий, связанных со спин-спиновыми и квадрупольными взаимодействиями даже при применении техники деконволюции резонансного контура. Так, для атомов углерода в ипсо-положениях (Сг), для которых отсутствует сильное спин-спиновое взаимодействие через одну связь, формы линии резонансных сигналов имеющихся изотопомеров (142,3-142,5 м.д.) заметно различаются: в отличие от легкого изотопоме-ра С12Н10, дающего узкий синглет с шириной (Ду1/2) 0,15 Гц, обогащенному дейтерием изотопомеру в спектре соответсвуют заметно уширенный псевдо-синглет ( Ду1/2 = 1,60 Гц) С6Н5-группы и неразрешенный исевдо-триплет (Ду1/2 = 4,60 Гц) С6Э5-группы. Сигналы орто-, мета-, и иара-углеродов (Со", Ст" и С/) группы С6Н5 представляют собой относительно узкие синглетные линии с ширинами 0,24-0,26 Гц, в то время как подобные атомы углерода другой группы, связанные с дейтерием (С/, Ст? и Ср?), дают значительно менее интенсивные триплеты с константой ^(С-О), равной примерно 24 Гц. Они не обладают тонкой структурой, их компоненты имеют ширину от 2,8 до 3,4 Гц. Литературные данные свидетельствуют о том, что точность непосредственного определения изотопных эффектов через одну связь даже для монодейтеропроизводных без анализа формы линии может превышать 1 млрд. д. [10].
При режиме тройного ЯМР 13С-{1Н, 2Н} (рис. 2) ширина спектральных линий атомов углерода би-фенила, связанных с дейтерием, составляет около 0,2 Гц, что позволяет многократно увеличить для них точность определения химических сдвигов по
сравнению с обычным режимом развязки только от протонов. Использование анализа полной формы сигналов при такой ширине линий позволяет определять изотопные эффекты с точностью не хуже 0,1 млрд. д. Следует отметить, что в случае тройного резонанса необходимое отношение сигнал/шум в спектре достигается за существенно более короткое время накопления вследствие существенного возрастания интенсивности сигналов за счет устранения спин-спинового взаимодействия 13С-2Э. Это, в свою очередь, делает возможным накопление спектра с меньшими по длительности задержками между импульсами, и при этом можно в значительной мере пренебречь эффектами релаксационного насыщения. Влияние такого фактора демонстрирует спектр на рис. 2: атомы углерода, связанные с протонами, имеют большую интенсивность, чем аналогичные атомы, связанные с дейтронами.
В табл. 2 представлены полученные для бифе-нила-^ значения изотопных сдвигов Д(13С), которые по сути своей вызваны суммарным влиянием всех дейтронов в молекуле, отстоящих от атомов углерода на разное число связей. Отсутствие данных для бифенилов-^, содержащих дейтерий в орто- и мета-положениях, не позволяет сделать вывода о взаимном влиянии атомов дейтерия на индуцированные ими сдвиги для изученного бифенила-^. Как
и ожидалось, использование величин Д (13С) для бензола-^ [14] в рамках прямой аддитивной схемы приводит к значительному расхождению (на 20-50 млрд.д.) при предсказании изотопных эффектов для группы С6Э5 бифенила-^. Известно, что мезомерные эффекты заместителей при ароматическом цикле дают значительный вклад в изотопные сдвиги [12, 13]. В случае бифенила 4-0-С6Н4-С6Н5 было отмечено значимое влияние заместителя через восемь связей на экранирование атома Ср" (4 млрд.д.), в то время как для орто- и мета-углеродов незамещенного цикла в пределах точности эксперимента оно не
Т а б л и ц а 2
Индуцированные дейтерием изотопные сдвиги А (13С) для бифенила-^ (ацетон-^
Группа С6Б5 Группа С6Н5
атом число связей Д (млрд.д.) атом число связей Д (млрд.д.)
С? 2-4 186,82(5) С" 3-5 49,45(5)
С ? Со 1-4 439,28(8) с " Со 4-6 16,78(5)
С ? т 1-4 503,24(7) С " т 5-7 -2,67(7)
С ? Ср 1-3 504,46(5) С " Ср 6-8 13,37(5)
обнаружено [11]. По сравнению с этим монодейтери-рованным изотопомером для атома Cph бифенила-dj сдвиг А (13С) имеет существенно б0льшую величину, составляющую 13,37 млрд.д., вследствие дополнительного влияния дейтронов через 6-7 связей. Тем не менее, для мета-углеродов группы C6H5 изотопный эффект также слабо проявляется, имеет отрицательное значение (2,67 мдрд.д.), что, вероятно, может быть связано с уменьшением роли мезомерии за счет доминирующего вклада неплоской структуры
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Martin M.L., Martin G.J., Delpeuch J.-J.H Practical NMR Spectroscopy: Practical Aspects of Intensity Measurement and Quantitative Analysis. Heyden & Sons. L., 1980. P. 492 (Chapter 9).
2. MalzF., JanckeH.ll J. Pharm. Biomed. Anal. 2005. 38. P. 813.
3. Rizzo V., Pinciroli V.ll J. Pharm. Biomed. Anal. 2005. 38. P. 851.
4. Caytan E., Remaud G. S., Tenailleau E., Akoka S.ll Talanta. 2007. 71. P. 1016.
5. Рознятовский В. А., Гердов С. М., Гришин Ю. К., Лайков Д. Н., УстынюкЮ. АЛ Изв. АН. Сер. хим. 2003. P. 530.
6. Silvestre V., Goupry S., Trierweiler M., Robins R., Akoka S.ll Anal. Chem. 2001. 73. P. 1862.
7. Hansen P.E.ll Progress in NMR Spectroscopy. 1988. 20. P. 207.
молекулы бифенила и взаимной компенсации влияния дейтронов через пять и шесть связей.
Таким образом, рассмотренные примеры убедительно доказывают, что применение тройного резонанса, включающего одновременное облучение на резонансных частотах как протонов, так и дейтронов значительно расширяет возможности спектроскопии
13
ЯМР С в решении задач количественного изотопного и структурного анализа при исследовании дейтеро-замещенных органических соединений.
8. Рознятовский. В.А., Чертков В.А., Гришин Ю.К.П Завод. лаб. 1980. 46. P. 805.
9. Liu C., Ni Q., Hu P., Qiu J.II Org. Biomol. Chem. 2011. 9. Р. 1054.
10. Wesener J.R., Moscau D., Günter H.II J. Am. Chem. Soc. 1985. 107. P. 7307.
11. Kunzer H., Berger S.II Tetrahedron Lett. 1984. 25. P. 5019.
12. Novak P., Vikic-Topic D., Meic Z., Gacs-Baitz E.II Magn. Res. Chem. 1996. 34. P. 610.
13. Vikic-Topic. D., Novak P., Meic Z., Plavec J., Kovacek D.II Croatica Chem. Acta. 1999. 72. P. 967.
14. Roznyatovsky V. A., Sergeyev N.M., Chertkov V.A.II Magn. Res. Chem. 1991. 29. P. 304.
Поступила в редакцию 28.02.13
TRIPLE 13C-{1H, 2H} NMR - PRECISION QUANTITATIVE METHOD FOR STUDY OF DEUTEROSABSTITUDED ORGANIC COMPOUNDS
V.A. Roznyatovsky, Yu.K. Grishin, A.N. Kashin
The advantages of quantitative 13C NMR-{1H, 2H} spectroscopy to study the deuterated organic compounds were shown. The simultaneous use of two saturating fields at protons and deuterons frequencies leads to a significant simplification of the spectra and increase sensitivity. Performance capabilities of triple resonance were demonstrated by an analysis of the isotopomers mixture of tetradecane and precision measurement of isotope shifts A(13C) for biphenyl-d5.
Key words: quantitative 13C NMR-^H, 2H} spectroscopy, triple NMR, NMR isotopomer analysis, isotope chemical shifts, deuteroisotopomers, biphenyl-d
•5-
Сведения об авторах: Рознятовский Виталий Александрович - ст. науч. сотр. кафедры органической химии химического факультета МГУ, канд. физ.-матем. наук (vit.rozn@nmr.chem.msu.su); Гришин Юрий Константинович - вед. науч. сотр. кафедры органической химии химического факультета МГУ, докт. хим. наук (grishin@nmr.chem.msu.ru); Кашин Александр Николаевич - вед. науч. сотр. кафедры органической химии химического факультета МГУ, докт. хим. наук (kashin@org.chem.msu.ru).
