Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, страница 13

Отношение интенсивностей сигналов этих областей, равное 5 дляспектров циклических полисахаридов и возрастающее при протекании процессовокислительной деструкции, для исследованных препаратов составляет 5.9±1.2. В то жевремя с областью CAr-O корреляции не наблюдается. На основании вышеизложенного73сигналы в области 90-108 м.д. далее рассматривались нами как сигналы ацетальныхатомов циклических полисахаридов.Содержание карбогидратных СAlk-O фрагментов оказалось довольно близко для ФКпочв, ГФК торфа и природных вод, и убывало при переходе к ГК ПД и Л почв и, далее, кГК черноземов. В ГК угля такие структуры практически не содержатся. С другой стороны,препарат HTW (водный экстракт торфа), более чем наполовину представлял собойполисахаридные структуры, в связи с чем его принадлежность к гумусовым веществамвызывает сомнения.

На этом основании можно сделать вывод о непригодности воднойэкстракции как метода выделения из торфов водорастворимых гумусовых веществ, если вдальнейшемнепроизводитсяотделениеГФКотполисахаридов, например, сиспользованием сорбентов XAD.Содержание алифатических фрагментов во всех исследованных препаратахсоставляло от 14 до 26%. При этом обнаружить зависимость данной структурнойхарактеристики от источника происхождения ГФК не удалось.***Таким образом, анализ количественных13С ЯМР спектров позволил получитьинформацию об основных закономерностях строения углеродного скелета ГФКразличного происхождения. Однако этот метод не позволяет определить такие важныехарактеристики структуры как функциональный состав, замещенность ароматическихфрагментов и т.д. Для получения этой информации нами были проведены исследованияструктуры ГФК при помощи спектроскопии ПМР.742.3.

Исследование структуры ГФК методом спектроскопии ПМР.2.3.1. Разработка метода количественной характеристики распределения водородафункциональных групп и углеродного скелета ГФККак показано в главе 1.2.2, на сегодняшний день проблема количественнойхарактеристики распределения водорода в структуре ГФК остается нерешенной. В первуюочередь это обусловлено наличием в структуре ГФК водорода двух типов - подвижныхпротонов функциональных групп, положение сигналов которых может изменяться взависимости от условий, и скелетных СН-протонов. Можно выделить две основныезадачи, решение которых прдставляется необходимым для определения протонов обоихтипов:1.

Определение протонов функциональных групп, положение сигналов которых можетсущественно различаться в зависимости от растворителя и присутствия следовыхколичеств воды.2.ОпределениеполнойинтегральнойинтенсивностисигналовпротоновГФК,существенно затрудняемое их перекрыванием с сигналами остаточных протоноврастворителя.Для решения этих задач нами было предложена схема комплексного ПМР эксперимента, включающая в себя:- разделение сигналов протонов карбоксильных, фенольных и спиртовых гидроксильныхгрупп при помощи регистрации ПМР-спектров ГФК в ДМСО-d6, в условияхзамедленного в шкале времени ЯМР протонного обмена в данном растворителе.- разделение сигналов О-Н протонов функциональных групп и С-Н протонов углеродногоскелета в спектре ГФК в ДМСО-d6 путем сдвига первых в слабое поле в условияхускорения процессов обмена при добавлении дейтеротрифторуксусной кислоты.- устранение мешающего определению подвижных протонов влияния влаги при помощипредварительногоосушенияпрепаратовГФКиДМСО-d6ипоследующегоприготовления образцов для ПМР-спектроскопии в условиях высокого вакуума.- расчет суммарной интенсивности сигналов протонов ГФК путем сопоставленияспектров в ДМСО-d6 и 0.1 М NaOD/D2O.Выбор ДМСО-d6 в качестве растворителя был обусловлен двумя причинами.

Вопервых растворимость ГФК в в ДМСО-d6 максимальна для органических растворителей.Это позволяет уменьшить сигнал остаточных протонов растворителя в спектре ПМР иповысить точность интегрирования. Вторая причина залючалась в том, что сигналостаточных протонов ДМСО, в отличие от ДМФА (который также позволяет наблюдать в75спектре разделенные сигналы протонов карбоксильных, фенольных и спиртовых групп),не перекрывается с сигналами подвижных протонов. В случае же перекрывания протоновДМСО одновременно с сигналами скелетных и подвижных протонов ГФК, дляопределения всех типов протонов в областях перекрывания необходима совместнаяобработка трех спектров, что негативно сказывается на точности определения.Общая характеристика спектров.Согласно вышеизложенной схеме были получены спектры ПМР препаратов ГФК вДМСО-d6, в ДМСО-d6 с добавкой CF3COOD и в 0.1 М NaOD/D2O.

На рис. 2.10 приведентипичный набор таких спектров, полученный для препарата HMG. Отнесение сигналов вэтих спектрах дано в табл.2.5. Как видно из таблицы, в спектрах ГФК можно выделитьсигналы- протонов углеродного скелета: ароматических (CAr-H), протонов карбогидратных,спиртовых и метоксильных фрагментов(CHn-O), алифатических в α-положении к карбоксильной группе или ароматическомукольцу (α-CHn), и алифатических, находящиеся к указанным группам не ближе, чем вβ-положении (CHn).- подвижных протоны функциональных групп: COOH, CAr-OH, CAlk-OH;Как видно из рис.

2.10а и Табл. 2.7, в спектрах ГФК в ДМСО-d6 сигналыароматических CAr-H протонов перекрываются c сигналами протонов фенольных OHгрупп CAr-OH, а пик остаточных протонов ДМСО частично закрывает область α-CHn протонов алифатических фрагментов. Сигналы подвижных протонов спиртовых группCAlk-OH перекрываются с сигналами скелетных CHn-O - протонов карбогидратныхфрагментов.76а) ДМСО-d6б) ДМСО-d6 + CF3COODв) 0.1М NaOD/D2OРис.2.10. Спектры ПМР препарата HMG в ДМСО-d6 (a), в ДМСО-d6 с добавкой CF3COOD(б), и в 0.1М NaOD/D2O (в).77Таблица 2.7.Отнесение сигналов в спектрах ПМР ГФК в различных растворителях.СпектрСпектральные области, м.д.16.5-11.5ДМСО-d6ДМСО-d6 +CF3COOD0.1МNaOD/D2O11.5-66-4.484.48-3.2CAr-OHCAlk-OH++CAr-HCHn-OCOOHCAr-HCHn-O–CAr-HCOOHHDO*CHn-O*3.2-2.052.05-0.5α-CHn+ДМСОC Hnα-CHn+ДМСОC Hnα-CHnC Hn* пики частично перекрываются.Непосредственное наблюдение сигналов подвижных протонов возможно припомощи1Н-1НEXSYдвумернойспектроскопии.Даннаяметодикапозволяетрегистрировать корреляционные сигналы связанных спиновых систем благодаряядерному эффекту Оверхаузера или химическому обмену.Рис.

2.11. Двумерный спектр 1Н-1Н EXSY препарата FA3 в ДМСО-d6.В спектре 1Н-1Н EXSY ГФК в ДМСО-d6 (рис. 2.11) благодаря замедленному обменуможно наблюдать корреляционные пики СООН и спиртовых ОН групп в области 5/12.578м.д., спиртовых и фенольных ОН в области 4.5/8 м.д., а также СООН и фенольных ОНпри 8/12.5 м.д. Помимо этого можно отметить выраженные сигналы иона аммония при 7м.д., дающие корреляционные пики как с карбоксильными, так и со спиртовымигруппами. Следует отметить низкую интенсивность корреляционных сигналов протоновфенольных гидроксилов, которая может свидетельствовать об отличающейся для этихгрупп скорости протонного обмена.При добавлении дейтеротрифторуксусной кислоты в спектре происходят следующиеизменения (рис. 2.10б). Интенсивность группы сигналов в области 16.5-14 м.д.

возрастаетза счет уменьшения интенсивности областей 11.5-6 м.д. и 6-3.2 м.д., а также добавленияостаточных протонов CF3COOD. В связи с ускорением процессов обмена протоныспиртовых и фенольных гидроксилов дают с остаточными протонами кислоты общий пик,смещенный в слабое поле из-за наличия избытка кислоты. При условии полноты сдвигасигналов подвижных протонов в областях 11.5-6 и 6-4.48 остаются только сигналыскелетныхпротоновCAr-HиCHn-O,соответственно.Интенсивностьсигналовалифатических протонов (часть которых по-прежнему закрыта пиком остаточныхпротонов ДМСО) остается неизменной.В спектре ГФК в 0.1М NaOD/D2O (рис. 2.10в), химический сдвиг остаточныхпротонов растворителя (4.8 м.д.) существенно отличается от такового для ДМСО-d6 (2.49м.д.). Это позволяет наблюдать сигналы α-CHn протонов ГФК в области 3.2 - 2.05 м.д.,закрытой в спектре в ДМСО-d6 сигналами остаточных протонов растворителя.

При этом вспектре ПМР ГФК в 0.1М NaOD/D2O все подвижные протоны входят в пик HDO (6-4.48м.д.), частично закрывающий область CHn-O-протонов.Схема расчета распределения водорода в структуре ГФКиз данных спектроскопии ПМРСопоставление спектров в ДМСО-d6 и ДМСО-d6 с добавкой CF3COOD открываетвозможность раздельного определения вклада скелетных и подвижных протонов винтегральные интенсивности интервалов 11.5-6 и 6-3.2 в спектре ГФК в ДМСО-d6(рис. 2.10а).

Для проведения такого сопоставления необходимо выполнить нормированиеинтегральных интенсивностей данных областей спектров на интенсивность сигналовобластей, остающихся неизменными в данных условиях. Необходимость даннойпроцедуры вызвана тем, что общее количество протонов в образце увеличивается за счетдобавления остаточных протонов CF3COOD. В качестве реперных областей можноиспользовать СНn, α-CHn, или всю алифатическую область. С нашей точки зрения,использование для этой цели области 2.05 - 3.2 м.д. более обосновано, так как в данной79спектральной области находится выраженный пик остаточных протонов ДМСО. В связи сэтимуказаннаяобластьхарактеризуетсяменьшейзависимостьюрезультатовинтегрирования от корректности фазирования и установки нулевой линии.

Формулы длярасчета относительных содержаний подвижных и скелетных протонов в данных областяхприведены ниже.CAr − OHC ArC Alk − OHDMSODMSO+CF3COOD⋅ I 3.2-2.05I 11.5-6− H = I DMSO+CF3COOD ⋅ Ι DMSO − 111.5-63.2 − 2 .05DMSODMSO+CF3COODI 6-3.2⋅ I 3.2-2.05CH n − O = I DMSO+CF3COOD ⋅ Ι DMSO − 16-3.23.2 − 2 .05(2.6)(2.7)где I∆DMSO и I∆DMSO+CF3COOD - относительные интенсивности данных спектральныхдиапазонов в спектрах в ДМСО-d6 и ДМСО-d6 с добавкой CF3COOD, соответственно.Применение описанной выше процедуры нормирования позволяет рассчитатьсоотношения CAr-OH/CAr-H и CAlk-OH/CHn-O. Однако из-за присутствия остаточныхпротонов ДМСО-d6 в обоих спектрах невозможно вычислить абсолютные количествасоответствующих протонов в структуре ГФК. Данную проблему можно решить путемсопоставления спектров в ДМСО-d6 и NaOD/D2O, вычисляя отношение интенсивностейсигналов α-CHn-протонов и остаточных протонов ДМСО, перекрывающихся в первомспектре.