Спектроскопия ЯМР 13С изомерных алифатических и карбоциклических соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ б

1. ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР 13С

1.1. Требования к спектрометрам и образцам

1.2. Отнесение линий в спектрах ядер С

1.2.1. Отнесение разных типов углеродных атомов

1.2.2. Селективный двойной резонанс

1.2.3. Использование констант спин-спинового взаимодействия

1.2.3.1. Константы СГ„

1.2.3.2. Константы .1сс

1.2.3.3. Константы СГСХ

1.2.4. Изотопное замещение

1.2.5. Сдвигающие реагенты

1.2.6. Эффекты среды

1.2.7. Влияние температуры

1.2.8. Производные с разными функциональными группами

1.2.9. Времена релаксации

1.2.10.Принцип структурной аддитивности

1.2.11 Хорреляция с электронными плотностями на углеродных атомах

1.2.12.Другие методы

1.3. Спектроскопия ядер С высокого разрешения в твердых телах

-3Стр.

2. СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЯМР 13С СО СТЕРИЧЕСКИМИ'ЭФФЕКТАМИ

2.1. Химические сдвиги

2.1.1. Влияние стерических взаимодействий на химические сдвиги углерода

2.1.2. Суммарные химические сдвиги изомеров

2.2. Константы спин-спинового взаимодействия

2.2.1. Константы JCH

2.2.2. Константы J^

2.2.3. Константы

2.3. Времена релаксации изомеров

2.3.1. Сравнение времен Т^ изомерных алкенов

2.3.2. Времена релаксации алициклических изомеров

2.3.3. Времена релаксации насыщенных алифатических изомеров

3. АЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗОМЕРЫ

3.1. Расчет химических сдвигов ядер С изомерных алифатических соединений на основе их конформацион-ного анализа и химические сдвиги стереоизомерных алканов

3.2. Замещенные алканы

3.3. Ненасыщенные алифатические соединения 215 Зо4. Изомерные полимерные цепи

4. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗОМЕРЫ 251 4.1. Моноциклические соединения

4.1.1. Малые циклы

4.1.2. Пятичленные циклы

4.1.2.1. Призводные циклопентана

4.1.2.2. Простагландины

4.1.2.3. Ненасыщенные пятичленные циклы и их производные

4.1.3. Производные циклогексана

4.1.4. Ненасыщенные производные циклогексана

4.1.5. Средние и большие циклы

4.2. Соединения, с раздельными циклами и спираны

4.3. Бициклические конденсированные соединения

4.3.1. Бицикло[4.4.0]деканы

4.3.2. Бицикло[3.3.0]октаны

4.3.3. Бицикло[4.3.0]нонаны

4.3.4. Бицикло[4.1.0]гептаны и другие бицикло[п.1.0]алканы

4.4. Мостиковые бициклические соединения

4.4.1. Бицикло[2.2.1]гептан и его производные

4.4.2. Бицикло[2.2.2]октан и его производные

4.4.3. Соединения ряда бицикло[3.2.1]октана

4.4.4. Производные бицикло[3.1.1]гептана

4.4.5. Производные бицикло[3.3.1]нонана

4.4.6. Производные бицикло[4.2.1]нонана

Спектроскопия ЯМР является в настоящее время доминирующим физическим методом анализа в химии. При исследовании свойств веществ методом ЯМР достигается очень высокая разрешающая способность благодаря возможности регистрации предельно малых различий в энергиях переходов отдельных ядер. Разрешение в 0,1 Гц, довольно легко достигаемое на спектрометрах высокого разрешения, отвечает различию

-11 в уровнях энергии порядка 10 кал/моль, что ставит ЯМР в особое положение, по сравнению с другими спектроскопическими методами.

Спектроскопия ЯМР в течение последнего десятилетия перестала 1 быть синонимом спектроскопии ядер н. Так, например, для простой молекулы акриловой кислоты можно измерить целый ряд параметров ЯМР:

4 химических сдвига и 3 константы спин-спинового взаимодействия

КССВ) протонов , 3 химических сдвига и 12 КССВ и„„, угпп Сг1 СС

17 леродных атомов, химический сдвиг О, а также релаксационные параметры отдельных ядер.

14,0 Гц То обстоятельство, что п измеренные параметры от носятся к четко определен

1м. д. д ОН 11 2 ным ядрам в молекуле, яв

166,7 4,0 / ' ~ется одним из основных

Н 6,10м. д. достоинств метода ЯМР с точки зрения его практиче

17 3 ского применения.

Из вышеприведенного примера отчетливо следует очень важное для органической химии значение параметров, связанных с ядрами С, так как многие из них характеризуют ядра углёрода, образующие скелет большинства известных соединений.

13

Первые эксперименты по регистрации спектров ЯМР от ядер С с природным содержанием изотопа появились в 1957 году [1,2], лишь через б лет после экспериментального обнаружения явления химического сдвига на протонах [3]. Эта временная задержка объясняется низкой чувствительностью в экспериментах с природным содержанием этого единственного изотопа углерода, обладающего магнитным моментом (1,1%), которая приблизительно в 6000 раз ниже, чем для протонов. Но уже первые работы показали, что прямое наблюдение сигналов от ядер углерода имеет во многих случаях явные преимущества перед аналогичными экспериментами на протонах.

13

Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР С в течение первого десятилетия был относительно медленным, хотя и были получены полезные данные о спектральных параметрах в разных группах соединений [4,5,6]. Применение развязки от протонов, позволившей повысить отношение сигнала к шуму в спектрах благодаря слиянию мультиплетов и ядерному эффекту Оверхаузера, значительно расширило возможности

13 спектроскопии ЯМР С. Осуществление развязки от протонов на спектрометрах шестидесятых годов, работающих, как правило, по методу развертки магнитного поля, было связано с определенными трудностями. Для этого требовалась перестройка частоты насыщающего поля протонов для каждой линии углерода [7]. Частичным выходом из положения являлась одновременная развертка частоты излучения протонов и магнитного поля [8]. Регистрация спектров двойного резонанса облегчилась с переходом к развертке измерительного поля по частоте [А1], а также с применением модуляции насыщающего радиочастотного поля [9].

13

Настоящая революция в спектроскопии ЯМР С произошла в начале для органической химии значение параметров, связанных с ядрами С, так как многие из них характеризуют ядра углёрода, образующие скелет большинства известных соединений.

13

Первые эксперименты по регистрации спектров ЯМР от ядер С с природным содержанием изотопа появились в 1957 году [1,2], лишь через б лет после экспериментального обнаружения явления химического сдвига на протонах [3]. Эта временная задержка объясняется низкой чувствительностью в экспериментах с природным содержанием этого единственного изотопа углерода, обладающего магнитным моментом (1,1%), которая приблизительно в 6000 раз ниже, чем для протонов. Но уже первые работы показали, что прямое наблюдение сигналов от. ядер углерода имеет во многих случаях явные преимущества перед аналогичными экспериментами на протонах.

13

Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР С в течение первого десятилетия был относительно медленным, хотя и были получены полезные данные о спектральных параметрах в разных группах соединений [4,5,6]. Применение развязки от протонов, позволившей повысить отношение сигнала к шуму в спектрах благодаря слиянию мультиплетов и ядерному эффекту Оверхаузера, значительно расширило возможности

13 спектроскопии ЯМР С. Осуществление развязки от протонов на спектрометрах шестидесятых годов, работающих, как правило, по методу развертки магнитного поля, было связано с определенными трудностями. Для этого требовалась перестройка частоты насыщающего поля протонов для каждой линии углерода [7]. Частичным выходом из положения являлась одновременная развертка частоты излучения протонов и магнитного поля [8]. Регистрация спектров двойного резонанса облегчилась с переходом к развертке измерительного поля по частоте [А1], а также с применением модуляции насыщающего радиочастотного поля [9].

13

Настоящая революция в спектроскопии ЯМР С произошла в начале

-870-х годов, когда стали доступными промышленные импульсные спектрометры, укомплектованные мини-ЭВМ. Качественному скачку в повышении чувствительности способствовал и переход к более сильным внешним магнитным полям, в особенности, при использовании сверхпроводящих соленоидов с большим диаметром отверстия. Нижний практически дости

13 гаемый предел чувствительности на ядрах С изменился с одномоляр3 ной концентрации в начале 60-х годов [4] до 0,5x10 -молярной концентрации вещества [10], т.е. более чем в 1000 раз.

13

Итогом развития спектроскопии ядер С явилось огромное количество информации, полученной из измерения спектров самых разных соединений. Количество измеренных веществ к настоящему времени достигает уже нескольких сотен тысяч. Выпущены различные каталоги 13 спектров ядер С [11-17], из них последний является наиболее полным, содержит информацию о ~25500 соединениях с разными индексами. Но и эта огромная информация получена лишь неполной обработкой только 16 журналов.

13

Спектры ядер С, снятые в режиме подавления спин-спинового взаимодействия с протонами, почти идеально подходят для хранения всей необходимой информации в памяти ЭВМ с последующим использованием накопленных спектральных файлов для идентификации неизвестных соединений и отнесения наблюдаемых линий к определенным углеродным атомам. Предложенные для такой аналитической работы алгоритмы [22-28] имеют, однако, разные ограничения, и исследования в этом направлении продолжаются.

Все более важную роль играют методы количественного анализа по спектрам ядер углерода, из к- торых надо выделить два, а именно, 1) количественный анализ смесей с целью определения содержания разных веществ и 2) количественный анализ перераспределения метки в ходе химических реакций. Предпосылкой количественного анализа смесей соединений является стабильность природного содержания изотопа С. Анализом сотен разных образцов было показано, что отно

12 13 шения содержания С/ С колеблятся в пределах <±5% [29]. Содер-13 жание С в атмосфере, как показал анализ годичных колец секвойи

30], в течение последних 3000 лет изменилось не более чем на

12 13

0,02%. Анализ отношения С/ С в некоторых метеоритах совпадает с наземными результатами [31], но из спектрального анализа звезд

13„ вытекает, что иногда относительная концентрация С в них может быть на порядок выше., чем на земле [32]. Таким образом, отношение 12 13

С к С в наземных условиях с достаточной точностью можно считать постоянным. Изотопными эффектами в химических реакциях из-за

12 13 незначительно различия в массах Си С можно обычно пренебречь,

13„ что является предпосылкой для равномерного распределения С по

13 2 всей молекуле. Этим ядра С отличаются от Н, для которых на 2 уровне природного содержания Н появляются значительные различия

2„ в распределении ядер Н между отдельными положениями в молекулах [33,34].

Работы автора диссертации были в течение последних 15 лет связаны с различными аспектами практического применения спектрос

13 13 копии ЯМР С. Можно отметить работы по применению меток С для исследования молекулярных перегруппировок [А2-А15], пионерские

13 работы по исследованию химической поляризации ядер С [А16-А26],

13 работы по исследованию связи химических сдвигов С с распределением электронной плотности в нейтральных молекулах и в ионах

А27-А35], исследование агрегации и мицеллообразования по временам

13 продольной релаксации ядер С [А36], исследование контактных сдви-13 гов на ядрах С в аминокислотах [А37], исследование протонизации органических кислот [А38]. Эти аспекты применения спектроскопии 13 ядер С в данной работе не рассматриваются.

13

В диссертации обсуждаются проблемы спектроскопии ЯМР С алифатических и карбоциклических изомеров.

-ю

Изомерию надо считать одной из основных причин разнообразия и многочисленности химических соединений. Концепция изомерии имеет фундаментальное значение в исследовании строения молекул. Без ясного представления о строении стереоизомеров немыслимо обсуждение большинства вопросов огромной области химической науки - стереохимии .

Основное внимание в данной работе обращено на разные аспекты 13 спектроскопии ЯМР С стереоизомеров. Однако в практическом исследовании вопросы строения стереоизомеров тесно связаны с проблемами структурных изомеров. Как правило, отнесению и исследованию стереоизомеров предшествует отнесение структурных изомеров. Вопросы-анализа стереоизомеров самым тесным образом связаны также с проблемами конформационного анализа ,так как граница между конформерами и реально существующими, стабильными стереоизомерами весьма условна.

13

Из нескольких изданных монографий по ЯМР С [10,18,19,47-51] ни одна не посвящена спектроскопии стереоизомеров. Опубликованная в 1974 г. обзорная статья Вильсона и Стозерса[52] о стереохимиче

13 ских аспектах спектроскопии ЯМР С охватывает, в основном, материал до 1972 года, а относящийся к 1977 году обзор Перлина [124], незначительно дополняет работу [52].

Бурное развитие практического применения спектроскопия ЯМР

13

С в последнее десятилетие делает обсуждение всех литературных данных о стереоизомерах в рамках данной работы невозможным. Действительно, только о разных производных бицикло/2.2.1/гептана опубликовано более 200 работ, еще большее число публикаций посвящено производным циклогексана. Из рассмотрения исключены также работы по тем типам соединений, с которыми не связаны исследования автора диссертации. К последним следует отнести важные группы гетероциклических соединений, среди которых уже только спектроскопия углеводов занимает объемное место, металлоорганические соединения, полимеры. Этим соединениям посвящены довольно современные обзорные статьи последних лет, а именно: углеводам - [35-38], металлоорга-ническим соединениям - [39-42,54], полимерам - [43-46], гетероциклическим соединениям - [53].

В данной работе использованы главным образом результаты собственных измерений, а также литературные данные. Использование последних оправдывается с точки зрения получения более основательной картины о рассматриваемых проблемах. Источником литературной информации оказались как специальные статьи, посвященные спектрос-13 копии ЯМР С, так и работы по разным аспектам органической химии, в которых во многих случаях не приведено отнесения сигналов к отдельным углеродным атомам, иногда отсутствует информация о мульти-плетности сигналов, а даже об относительных интенсивностях для симметричных соединений. Полученные интересные и часто труднодоступные соединения по мнению автора заслуживают более подробного вни

13 мания с точки зрения их спектров ЯМР от ядер С. Анализ спектров этих соединений позволяет во многих случаях получить дополнительное подтверждение их структуры и конформации, иногда обнаруживать ошибочные определения структуры предполагаемых молекул.

Все химические сдвиги, представленные в данной работе, приведены от ТМС. Примененные апротонные неполярные или слабополярные растворители (СБС^, СНС13, Сб°б' сс14' СН2С12^ обычно не указаны, так как незначительные различия в химических сдвигах в этих растворителях не имеют принципиальной важности с точки зрения обсуждения общих закономерностей в химических сдвигах измеренных изомеров, информация о спектрах которых часто получена из их смесей. В приведенных в работе таблицах указаны ссылки только на работы других авторов.

Исследованные нами алифатические и алициклические изомеры являлись продуктами синтеза и разделения в секторе физики ИХБФ АН ЭССР. Использованы также и коммерческие препараты. Во многих случаях использованы образцы, полученные в разных лабораториях нашей страны ив зарубежных лабораториях. Полный список всех лабораторий и их сотрудников, благодаря которым удалось выполнить настоящую работу, получился бы весьма громоздкий. Автор диссертации надеется, что проведенные совместные исследованя принесли взаимную пользу для решения многих практических проблем химического синтеза, реакционной способности, определения состава природных соединений, а также дали определенный вклад в более полное понимание проблем

13 спектроскопии ядер с.

Данная работа вряд ли могла быть выполнена без всесторонней поддержки и интереса со стороны академика АН ЭССР Э.Т.Липпмаа и большинства сотрудников сектора физики Института химической и биологической физики АН Эстонской ССР, которым автор диссертации выра-х<ает свою глубокую благодарность.