Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

ЯМР, 76-77 безусловно, является самым полезным и ценным методом для различения цис- и шряяоизомеров. При этом можно использовать и ЯМР 'Н, и ЯМР |3С, причем для установления конфигурации могут быть полезны как химические сдвиги, так и константы спин-спино- вого взаимодействия. Более того, этот метод не привязан только к дизамещенным алкенам (RCH = CHR'), хотя некоторые из его вариантов ограничиваются ими.

Химический сдвиг олефинового протона в RCH = CR'R", где R" может быть Н, можно применять для конфигурационных отнесений с помощью формулы, впервые предложенной Паскалем с соавт.78 и уточненной позднее.79 Формула основана на аддитивности инкрементов R, R' и R", причем инкременты для R' и R" зависят от того, находятся ли эти группы в цис- или транс- положении к исследуемому протону: 5С=СЯ=5.25 + ZeeM + ZlfUC + ZmpaHC, где ZeeM, Z4UC и ZmpaHC являются характеристическими параметрами для заместителей R^v,, Ri(i(C. и RmpaHC (рис. 9.24), эти параметры приведены в табл. 9.3. Надежность этой формулы исследовали статистическими методами;79 всего было изучено 4298 соединений, при этом оказалось, что для 81% случаев рассчитанные и экспериментальные сдвиги совпадают в пределах 0.20 м. д., а для 94% случаев — в пределах 0.30 м. д. Поскольку рассчитанные различия в сдвигах между цис- и транс-дизамещенными алкенами оказываются разницей между параметрами ZlfUC и ZmpaHC (табл. 9.3), то легко оценить, какие заместители позволяют получать результат на доверительном уровне в 81% или 94%, и на этом основании предсказывать конфигурацию. В качестве иллюстрации выберем два тризамещенных алкена (поскольку методов отнесения конфигурации для таких соединений меньше, чем для дизамещенных алкенов), а именно СН3СН = СВгСН3 и СН3СН = СС1С02Н. Для 2-бром-2-бутенов рассчитанные сдвиги составляют 5.25 + 0.45-0.28 + 0.45 = 5.87 м. д. для ?(^цс)-изомера и 5.25 = 0.45-0.25 = 0.55 = 6.00 м. д. для Z{транс). Разница в 0.13 м. д. оказывается недостаточной, чтобы надежно приписать индивидуальным изомерам Z- или ^-конфигурацию; впрочем, если известны сдвиги для обоих стереоизомеров, то можно осторожно предположить, что изомер с сигналом олефинового протона в более слабом поле обладает Z-конфигурацией. Напротив, для 2-хлор-2-бутеновых кислот, рассчитанный сдвиг винильного протона для is- изомера составляет 5.25 + 0.45 +0.32 + 0.18 = 6.20 м. д., а сдвиг для Z-изомера 5.25 + 0.45 + 0.98 + 0.13 = 6.81 м. д. Разница в 0.61 м. д. достаточна, чтобы на основании данных ЯМР с полной уверенностью установить конфигурацию, даже если доступен только один изомер. (Для разницы в сдвигах 0.50 м. д. доверительный уровень отнесения составляет 99.7%. При этом мы предполагаем, что в действительности измеренный сдвиг близок к одному из рассчитанных значений.)

Таблица 9.3. Параметры для расчета химического сдвига протона в алкене й, изображенном на рис. 9.24

Заместитель R

Z, для R, м. д.

7

^гем

7

^цис

7

^транс

0

0

0

-Алкил

0.45

-0.22

-0.28

-Циклоалкил

0.69

-0.25

-0.28

-сн2о

0.64

-0.01

-0.02

-CH2S

0.71

-0.13

-0.22

-СН2Х; X = F, Cl, Br

0.70

0.11

-0.04

-CH2N

0.58

-0.10

-0.08

-C = C изолированная

1.00

-0.09

-0.23

—С=C сопряженная

1.24

0.02

-0.05

-C=N

0.27

0.75

0.55

-c=c

0.47

0.38

0.12

— С — О изолированная

1.10

1.12

0.87

-C = 0 сопряженная

1.06

0.91

0.74

-С02Н изолированная

0.97

1.41

0.71

-С02Н сопряженная

0.80

0.98

0.32

-C02R изолированная

0.80

1.18

0.55

-C02R сопряженная

0.78

1.01

0.46

H

-c=o

1.02

0.95

1.17

О

zu

1

1.37

0.98

0.46

Cl

-c=o

1.11

1.46

1.01

-OR, R алифатический заместитель

1.22

-1.07

-1.21

-OR, R сопряженный заместитель

1.21

-0.60

-1.00

-OCOR

2.11

-0.35

-0.64

-CH2-C = 0; -CH2-C = N

0.69

-0.08

-0.06

-CH2-Ароматическое кольцо

1.05

-0.29

-0.32

-Cl

1.08

0.18

0.13

-Br

1.07

0.45

0.55

-I

1.14

0.81

0.88

-N-R, R: алифатический заместитель

0.80

-1.26

-1.21

-N-R, R:coпpяжeнный заместитель

1.17

-0.53

-0.99

О

м

и

1

z;

i

2.08

-0.57

-0.72

-Арил

1.38

0.36

-0.07

-о-Замещенный арил

1.65

0.19

0.09

-SR

1.11

-0.29

-0.13

-S02

1.55

1.16

0.93

а Из [79J. [Адаптировано с разрешения из работы Matter, Е. V. et al. Tetrahedron 1969, 25, 693/4. Copyright О 1969 Pergamon Press, Headington Hill, Oxford, UK.]

Структурная формула к табл. 9.3

Рис. 9.24. Структурная формула к табл. 9.3.

В алкенах типа RCH = CHR", RCH = CFR' или RCF = CFR' для отнесения конфигурации можно использовать константы спин-спинового взаимодействия (КССВ) протон-протон, протон-фтор или фтор-фтор. В таблице 9.4 представлены соответствующие константы расщепления для цис- и транс-ядер (что соответствует 1щс-т/>а/7орасположению групп R и R'). Протон-протонные константы подчиняются уравнению Карплуса (см. рис. 10.26), при этом цис- константа расщепления (торсионный угол 0°) оказывается меньше, чем транс (торсионный угол 180°). Интервалы значений не сильно перекрывается. В случае констант протон-фтор, хотя их значения в некоторой степени перекрываются, все же JmpaHC всегда больше, чем 1цис, и то же самое справедливо для абсолютных значений вицинальных констант фтор-фтор.81 Некоторые примеры приведены на рис. 9.25. Трудности возникают для симметричных алкенов (RCH = CHR или RCF = CFR), в которых ядра протонов (или атомов фтора) обладают одинаковым химическим сдвигом, и поэтому константу расщепления нельзя наблюдать непосредственно. Впрочем, константу расщепления можно получить на основании косвенных данных по спектру сателлитов 13С (поскольку X- 13С- |2С-Х, где X = F или Н, проявляется в спектре в виде системы АВХ) или, для протонов, по константам расщепления Н-D в спектре дейтерированного аналога RCH = CDR (JHH = 6.49 Jhd).

Таблица 9.4. Константы спин-спинового взаимодействия протон-протон, протон-фтор и фтор-фтор"

Взаимодействующие ядра (X, Y)

Лис.Гц

Стране > Гц

Н, Н

+ 4 + + 12

+ 12+ + 19

Н, F6

-4 ч- +20

+ 10 + +50

Н, F6

+15 ч- +35

1

<_Л

  • •1-
  • 1

U)

а Взято из [80], для X,Y = Н или F. 6 См. также [81].

Поскольку ИК-спектры и протонные константы спин-спинового взаимодействия в методе ЯМР не могут помочь определению конфигурации тризамещенных алкенов (RR'C = CHR”) и критерии, основанные на химических сдвигах протонов, в некоторых случаях также не срабатывают (см. выше), то особенно ценным методом установления конфигураций для этих случаев оказывается спектроскопия ЯМР 13С. Единственным условием для ее применения является то, что либо R, либо R' (либо оба) должны содержать атом углерода в месте присоединения к фрагменту С = С. Принцип, на котором основано отнесение, состоит в том, что

Примеры вицинальных констант спин-спинового взаимодействия Н/Н, Н/F и F/F

Рис. 9.25. Примеры вицинальных констант спин-спинового взаимодействия Н/Н, Н/F и F/F.

Химические сдвиги С (м. д.) цис-транс-изомеров

Рис. 9.26. Химические сдвиги 13С (м. д.) цис-транс-изомеров.

ядро углерода расположенное в ^г/с-положении к группе R", благодаря «эффекту у-сжатия», смещается в сильное поле по сравнению с таким же ядром углерода, находящемся в ^мс-положении по отношению к Н. Примеры приведены на рис. 9.26 (данные взяты из [82]). Из рисунка видно, что для С02Н-группы этот эффект сжатия не проявляется в ее сдвиге и что существенные (но, по-видимому, пока не систематизированные) различия в сдвигах (3-углеродного атома наблюдаются в некоторых случаях для акриловых кислот.

Недавние методические усовершенствования ЯМР, особенно двумерный ЯМР и эксперименты по двойной квантовой когерентности, сильно облегчили определение КССВ 37с/н и даже 37с/с-83 Поскольку соотношение Карплуса точно так же применимо к таким константам, как и к протон-протонным (см. выше), то и в этом случае Примеры приведены на рис. 9.27.

Мы завершим этот раздел, связанный с применением ЯМР для конфигурационных отнесений цис-транс-изомеров, обсуждением ядерного эффекта Оверхаузера (ЯОЭ, NOE).84,85 Смысл NOE состоит в том, что облучение некоторого ядра (например, протона) в молекуле облегчает релаксацию находящегося поблизости ядра (13С, протона и др.) и тем самым увеличивает интенсивность его сигнала. Это происходит потому, что чем быстрее ядро, возбужденное посредством поглощения энергии в свое высшее спиновое состояние, возвращается в основное состояние, тем больше энергии в единицу времени оно сможет поглотить. К тому же NOE, действуя через пространство, ослабляется

Применение констант / и V для конфигурационных отнесений цис-транс-то- меров (символы С, набранные курсивом, отмечают заместители, обогащенные С)

Рис. 9.27. Применение констант 3/с/н и Vc/c для конфигурационных отнесений цис-транс-то- меров (символы С, набранные курсивом, отмечают заместители, обогащенные 13С).

обратно пропорционально шестой степени межъядерного расстояния. Поэтому обычно эффект оказывается существенным только между ядрами, находящимися в i/wc-положении по отношению друг к другу, а не между теми, которые расположены в шраяоположении. И действительно, первое применение NOH в органической химии86 касалось отнесения сигналов метальных протонов в р, Р-диметилакриловой кислоте (СН3)С = С//С02Н. Облучение протонов одной из метальных групп ведет к существенному увеличению сигнала олефинового (= СН) протона, в то время как облучение другой метальной группы сопровождается незначительным уменьшением интенсивности сигнала олефинового протона, если эффект вообще имеет место. Был сделан вывод, что та метильная группа, облучение которой сопровождалось ростом интенсивности сигнала олефинового протона, находилась в щ/оположении по отношению к этому атому водорода. В этом случае была только одна молекула с двумя диастереотопными метальными группами, но определение величины NOE использовали также для отнесения конфигурации87 двух разных изомеров цитраля (?)- и (Z)-(CH3)2C = CHCH2CH2CP(CH3) = Ca^CHO. В одном изомере при облучении Р-метильной группы усиления сигнала a-водорода не наблюдалось, в то время как для другого изомера усиление сигнала составило 18%. В изомере, проявляющем такое усиление, СЯ3(Р) и Н{а) должны располагаться в щ/е-положении, и, следовательно, это Z-изомер (гщс-расположение цепи по отношению к СНО). В то же время изомер, не обнаруживающий NOE, является is-изомером. Важно понимать, что в конформационно подвижных системах, таких как 1Ч,1Ч-диметалформамид (ДМФА) HCON(CH3)2, NOE (в отличие от химических сдвигов и КССВ) не усредняется, и выравнивание NOE может происходить при более низких температурах, чем коалесценция химических сдвигов.

Ценность методик, основанных на NOE, многократно возросла с появлением возможности проводить исследования для нескольких ядер одновременно в условиях двумерной спектроскопии (2D NOESY, two-dimensional nuclear Overhauser and exchange spectroscopy).88-89

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >