Диссертация (Новые подходы к извлечению структурной информации из одномерных и двумерных спектров ЯМР высокого разрешения), страница 11

Отдельной задачейявляется преодоление сложностей, связанных с практической реализацией уже имеющихся экспериментов ЯМР и их внедрение в широкую исследовательскую практику.Возникающие трудности, как правило, обусловлены постоянной модернизацией аппаратного и программного обеспечения спектрометров, изменением функциональных возможностей, доступных оператору спектрометра (как появлением новых, так и утратойнекоторых, доступных на более ранних моделях спектрометров). Решение этой задачиневозможно без постоянного поддержания высокого уровня владения аппаратными и программными особенностями современных спектрометров ЯМР высокого разрешения.542.2.

Методы теоретического предсказания констант спин-спинового взаимодействияВпервые теория спин-спинового взаимодействия, удовлетворительно согласующаясяс экспериментальными данными, была предложена Ремси [127]. В соответствии с ней,изотропная составляющая КССВ определяется четырьмя вкладами – Ферми-контактнымвзаимодействием, спин-дипольным взаимодействием, парамагнитным и диамагнитнымспин-орбитальными взаимодействиями. Считается, что основной вклад в протон-протонные константы спин-спинового взаимодействия вносит Ферми-контактное взаимодействие. Поэтому работы по теоретическому предсказанию констант спин-спинового взаимодействия, как правило, ограничивались расчетом только этого вклада [128, 129].Первые теоретические работы по расчету КССВ основывались на вычислении Ферми-контактного взаимодействия исходя из метода валентных схем [130, 131].

Позже Поплпредложил способ расчета его величины с помощью теории конечных возмущений в применении к методу молекулярных орбиталей (INDO/FPT) [132].В последние годы активно разрабатывались методы предсказания КССВ, основанные на неэмпирических расчетах в рамках теории возмущений c функционалом плотности(DFT/FPT) [133, 134]. При умеренных затратах вычислительных ресурсов этот подходдает вполне удовлетворительные результаты. На представительной выборке моноциклических и бициклических соединений средняя точность предсказания вицинальных протонпротонных КССВАльтернативныйсоставила ±0.20 Гц [135, 136].методрасчетаКССВоснованнаиспользованиитеорииполяризационного пропагатора второго порядка SOPPA [137] и SOPPA(CCSD) [138].

Поскольку три вклада в КССВ обусловлены эффектами второго порядка по энергии, этот метод должен хорошо моделировать такие взаимодействия. В серии расчетов КССВ для рядамалых модельных молекул полученные результаты примерно в два раза точнее, чемрассчитанные методом DFT/FPT. Основной недостаток метода состоит в больших затратах вычислительных ресурсов даже для молекул среднего размера. Предпринятые впоследнее время попытки сократить время счета упрощением алгоритма оказались успешными [139], но точность предсказания констант стала сопоставима с методом DFT/FPT.Качественно анализ механизмов передачи спин-спинового взаимодействия удобнопроводить с помощью теории конечных возмущений, примененной к натуральным молекулярным орбиталям NBO/NJC [140]. Подход разработан Веинхольдом с сотрудниками,получил название NBO/NJC.

Согласно нему, Ферми-контактный вклад в КССВ главнымобразом обусловлен тремя взаимодействиями: 1) частичной спиновой поляризациейльюисовских орбиталей связей (основной вклад); 2) делокализацией электронной плот55ности за счет эффектов сопряжения и сверхсопряжения (гиперконьюгации) – переносомэлектронной плотности с остовных орбиталей, неподеленных электронных пар, σ- и πсвязывающих орбиталей на нельюисовские разрыхляющие σ*- и π*-орбитали и вакантныеРидберговские орбитали; 3) остаточной “обратной” делокализацией электронной плотности, обусловленной переносом электронной плотности с неподеленных электронных пар,остовных и связывающих орбиталей на разрыхляющие и вакантные Ридберговские орбитали тех же атомов (эффект электронной корреляции).Следует отметить, что точность имеющихся в настоящее время методов теоретического предсказания КССВ позволяет использовать расчетные данные при исследованииконформационных равновесий и динамики молекулярных систем [141-143].2.2.1.

Конформационные зависимости констант спин-спинового взаимодействияКарплус показал [144], что зависимость Ферми-контактного вклада вот тор-сионного угла ϕ в системе “H-C-C-H”, оцененная методом валентных связей, передаетсяуравнениемcos4.22Гц; cos 20.5Гц; (41)4.5Гц.Это простое уравнение подтверждалось многими эмпирическими наблюдениями, иоказалось удивительно эффективным. Проведенные недавно расчеты зависимости Фермиконтактного вклада вот ϕ методом двойной теории возмущений [145] подтверждаютуравнение 41.Также были предприняты попытки улучшения уравнения Карплуса, направленныена учет влияния заместителей на КССВ. Пахлер [146] пришел к выводу, что коэффициенты в уравнении Карплуса должны учитывать электроотрицательность заместителей вфрагменте “H-C-C-H”:∑∆∑∆∑∆cos 2∑∆cos2 ∑∆.,(42)КоэффициентAаBbCcεЗначение7.490.76-1.620.054.840.305.0°где ∑ ∆– сумма разностей электроотрицательностей (по Хаггинсу [147]) атома водородаи заместителей во фрагменте “H-C-C-H”.56В 1980 году Хааснут с сотр.

предложили новое эмпирическое уравнение, связывающее вицинальные константы ССВ и торсионные углы [148]. Это уравнение было проверено на 315 константах из 109 органических соединений разных классов и показало оченьхорошие результаты (СКО 0.48 Гц). Основная идея Хааснута и сотр. заключалась вприменении поправки к уравнению Карплуса, зависящей от торсионного угла и учитывающей влияние заместителей. Авторы установили, что поправка должна вести себя какcos2ϕ, смещённый по фазе относительно основного (Карплусовского) cos2ϕ, и включатьтри дополнительных параметра: амплитуду, величину фазового сдвига, а также вклад, независящий от торсионного угла:cos∑∆coscos|∆ | ,(43)где P1 – P6 – эмпирически определённые параметры, ϕ – торсионный угол H-C-C-H, ∆–разность электроотрицательности (по Хаггинсу [147]) i-го заместителя и атома водорода.Суммирование выполняется по всем заместителям во фрагменте H-C-C-H, при этомвзависимости от ориентации заместителя принимает значения +1 или -1 (рис.

26). Следуетотметить, чтоне зависят от знака торсионного угла и порядка нумерации атомов.Рис. 26. Знаки заместителейв уравнении Хааснута (43).При параметризации уравнения 43 (табл. 1) оказалось, что параметры P1 и P3 сильноскоррелированы, поэтому параметр P3 просто приравняли нулю. Еще одно важное нововведение Хааснута – учет влияния заместителей, находящихся в бета-положениях фрагмента “H-C-C-H”, которое вводят в виде поправки на электроотрицательности альфазаместителей:∆∑∆∆.(44)Также оказалось, что важным фактором является число заместителей во фрагменте“H-C-C-H”, отличных от протонов.

Параметризации для разного количества заместителейприводят к несколько различающимся параметрам. Это свидетельствует о том, что в уравнении 43 не были учтены какие-то дополнительные члены.57Таблица 1. Параметризации уравнения Хааснута 43 [148].Без P7Все ситуацииДвазаместителяТризаместителяЧетырезаместителяP113.8613.7013.8913.2213.24P2-0.81-0.73-0.98-0.99-0.91P300000P40.560.561.020.870.53P5-2.32-2.47-3.40-2.46-2.41P617.9°16.9°14.9°19.9°15.5°P700.140.2400.19Число констант врегрессии31531545100170СКО0.5110.4790.3670.4850.359R-фактор0.9910.9920.9950.9930.995Поскольку точность предсказания КССВ по уравнению Хааснута значительно выше,чем по Карплусу или Пахлеру, в расчетах используют уравнение 43 в приведенном виде,при этом тип параметризации выбирают в соответствии с числом заместителей.В 1994 году Альтона и сотр.

[149] показали, что если в уравнении Хааснута заменитьшкалу электроотрицательности на более совершенную, СКО улучшается с 0.48 Гц до0.36 Гц, также устраняется необходимость в применении различной параметризации вситуациях с различным числом заместителей во фрагменте “H-C-C-H”:14.63 cosЧисла0.78 cos0.60∑0.342.31 cos18.4| | . (45)в уравнении 45 соответствуют “групповой электроотрицательности”, но-вому эмпирическому понятию, введенному авторами этого уравнения [150]. Величины λими были определены для всевозможных заместителей, от протонов до аминокислотныхостатков, также было изучено влияние растворителей и окружения.

В эту величину автоматически входят бета-заместители, так что необходимость в седьмом параметре Хааснута отпадает.Уравнение Хааснута, даже с использованием классической шкалы электроотрицательности, неоднократно успешно использовалось для определения торсионных углов позначениям вицинальных констант ССВ. Так, сам Хааснут [151] использовал его для конформационного анализа шестичленных циклов, а, например, Джейм и др.

[152] – дляконформационного анализа различных пятичленных лактонов.58В работе Минча [153] обращается внимание на то, что уравнение Хааснута, такжекак и все уравнения типа Карплуса, действует только в том случае, если оба углеродныхатома фрагмента H-C-C-H находятся в состоянии sp3-гибридизации и их геометрия несильно отличается от тетраэдрической.