ИСТИНА

Современный этап развития спектроскопии ЯМР характеризуется мощным внедрением новейших технических достижений: сверхпроводящих соленоидов, обеспечивающих магнитные поля напряженностью до 20 Т, многомерной фурье-спектроскопии, огромный арсенал многоимпульсных последовательностей. Все это привело к качественному усложнению структуры изучаемых объектов и сделало ЯМР-спектроскопию незаменимым инструментом в биологии и медицине. В органической химии существует определенный круг проблем, для решения которых недостаточно получить качественную информацию. Наоборот, требуется иметь как можно более точные данные о спектральных параметрах - химических сдвигах и константах спин-спинового взаимодействия. Поэтому проблема полного и точного анализа спектров ЯМР традиционных объектов органической химии по-прежнему весьма актуальна. В спектрах реальных многоспиновых систем часто наблюдается перекрывание мультиплетов, а также проявления сильной связи спинов. Наиболее это характерно для алициклических молекул с насыщенными фрагментами, содержащих несколько метиленовых групп. Примеров полного анализа спектров таких соединений в литературе очень немного. По началу представлялось очень привлекательным применение методов анализа спектров по полной форме линии, не требующих предварительного выделения отдельных пиков, но надежды оправдались лишь частично. Дело в том, что конечный результат таких процедур очень сильно зависит от точности начального приближения и решение очень часто попадает в ложный минимум для соединений, не имеющих хорошо изученных аналогов. Альтернативный подход к анализу спектров ЯМР высокого разрешения основан выделении индивидуальных пиков (программы типа LAOCOON). Его главный недостаток состоит в необходимости проводить отнесение огромного числа бесконечно узких теоретических переходов и выделенных экспериментальных линий. Попытки автоматизировать стадию отнесения делались и раньше, но в своей основе все алгоритмы использовали только частоты и амплитуды - параметры, непосредственно получаемые из расчета спинового гамильтониана. Мы же выработали принципиально иной подход, сформулировав эту задачу как проблему отнесения образов мультиплетной структуры спектров ЯМР. Ее решение заключается в учете максимума спектральной информации с помощью давно описанных в математике интегральных преобразований. Конечным плодом наших усилий оказался программный комплекс LAOCOON-PAREMUS (от англ. “PAterrn REcognition MUltiplet Structure”) (гл. II). Нам предстояло апробировать методику на реальных системах. Выбор пал на производные нафталина, спектры ЯМР 1Н и 13С которых характеризуются большим количеством дальних межкольцевых КССВ (гл. III). Ранние исследования этих соединений свидетельствовали о независимости МК 1Н-1Н от влияния заместителей. Однако систематического изучения этой проблемы не проводилось, а данных о дальних МК 13С-1Н в литературе не было вовсе. Мы провели полный анализ спектров ЯМР 1Н и протонно-связанных спектров ЯМР 13С для представительной серии хлорзамещенных нафталинов с помощью разработанного нами метода. При анализе высоко разрешенных протонных спектров наш метод позволил отнести практически все теоретические переходы. Это позволило получить настолько точные результаты, что мы были вынуждены учесть явление частичной ориентации молекул, растворенных в изотропной среде, магнитным полем спектрометра. Явление ориентирования магнитным полем молекул с анизотропией тензора магнитной восприимчивости (которой обладают все полициклические ароматические соединения) было давно известно для молекул, растворенных в нематической фазе. Однако, до недавнего времени считалось, что в изотропной жидкой фазе все анизотропные взаимодействия усредняются до нуля. Прецизионная точность, которую обеспечивает наш метод, позволяет на количественном уровне определять константы диполь-дипольного взаимодействия, с одной стороны служащие источником систематических ошибок анализа, а с другой стороны позволяющие получать информацию о структуре и магнитных свойствах молекул. Впервые проведенный полный анализ спектров ЯМР 1Н и протонно-связанных спектров ЯМР 13С привел к получению значений и знаков всех дальних МК 13С-1Н. Установление знаков КССВ традиционно считается нетривиальной задачей, решаемой обычно перебором всех возможных их вариантов. Благодаря высокой эффективности нашего метода такая трудоемкая работа была проведена в очень сжатые сроки. Анализ полученных значений дальних межкольцевых КССВ показал, что все МК 1Н-1Н, и в меньшей степени 13С-1Н, определяются главным образом геометрией пути передачи спин-спинового взаимодействия, то есть структурным фактором. Исключение составляют только КССВ между -атомом углерода и разными -протонами. Наибольшие перспективы наш метод сулил в конформационных исследованиях. Так, мы с успехом воспользовались рассчитанными вицинальными константами 1Н-1Н для определения строения и конформации -лактона, образующегося при пиролизе диэтилового эфира цис-4-гидрокси-транс-5-метокси-транс-1,2-циклогександикарбоновой кислоты (гл. IV). Решающим фактором, позволившим определить конформацию этого продукта, оказалось соответствие набора экспериментальных и рассчитанных вицинальных констант в одном из нескольких возможных конформеров. Наконец, самым серьезным испытанием нашего метода стал конформационный анализ некоторых транс 1,2-дизамещенных циклопентанов (гл. V). Из-за значительных проявлений сильной связи спектры этих соединений чрезвычайно сложны. Тем не менее, полный анализ спектров этих соединений, растворенных в нескольких растворителях, нами был успешно выполнен. Это дало значения всех вицинальных КССВ с очень хорошей точностью. Другая сложность состоит в том, что низкий барьер псевдовращения приводит к многоконформационному равновесию в производных циклопентана. Единственным способом получить достоверную оценку свойств отдельных конформаций в этих нежестких молекулах являются неэмпирические расчеты. Мы провели подобные вычисления для всех конформаций в каждом соединении в базисе 6-31G(d), используя программу GAUSSIAN-94. Совокупность полученных данных сделало возможным определить количественно заселенности основных конформаций и изучить их зависимость как от структурных факторов, так и от полярности растворителя.