Э. Дероум - Современные методы ЯМР для химических исследований (1125882), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Но все же ои релаксирует значительно быстрее ядер со спином 1/2. Большая скорость релаксации, не зависящая от процессов кросс-релаксации, делает ЯЭО нехарактерным для квадрупольных ядер. Существует еше несколько механизмов релаксации, эффективных в определенных условиях, но мы не будем загружать ими свою память. Можно с уверенностью предположить, что для молекул среднего размера в невязких растворах (подразумевается, что надо исключить только очень маленькие и очень большие молекулы) основным механизмом релаксации протонов будет внутримолекулярный диполь-дипольный механизм.
В необезгаженных образцах возможен вклад растворенного кислорода, другие межмолекуляриые механизмы маловероятны. Исчерпывающий обзор всех остальных механизмов релаксации можно найти в гл. 9 книги Шоу 13]. 5.2.4. ЯЭО и межъядерные расстояния Максимальный ЯЭО. Мы можем объединить выражения для ЯЭО и скоростей различных процессов релаксации И'и попробовать извлечь из пих информацию о межьядерных расстояниях. Вспомним, что для двухспиновой системы, релаксирующей только через диполь-дипольное взаимодействие, ЯЭО выражается как И2 ИО тп(') 2Ис~ + И э, И (5.5) Заменив все И'на их выражения в условиях предельного сужения (5.7), получим (12 — 2) т,,~г~ 1 пи (х) ь (6 + 12 -ь 2) т„~'~' 2 (5.8) Такого результата мы не ожидали! В соответствии с нашим предположением ЯЭО должен не зависеть от г и быть равным точно 0,5 (или 50"'о, как зто принято записывать в химическом контексте).
Мы не сделали ошибки: наше предположение совершенно верно, но оно применимо только к идеальной системе двух диполей, полностью изолированной от всех остальных источников релаксации. Если бы Вселенная состояла только из двух протонов, находящихся в условиях предельного сужения, то насышсние сигналов одного из них дало бы 50'У ЯЭО на другом независимо от того, находились бы они на расстоянии в несколько ангстрем или в несколько световых лет.
Отсюда можно сделать вывод что, если реальный химический эксперимент достаточно близко подходит к ситуации двух изолированных протонов. ЯЭО может не содержать никакой информации о межъядерных расстояниях. Для правильного использования величин ЯЭО необходимо помнить об этом. Каким б аким бы нереалистичным ни было наше вычисление, нз него можно извлечь полезный результат. Максимальный положительный гомояденый ЯЭО, который можно получить в эксперименте, составляет 50',4.
В гетероядерном случае максимальный ЯЭО определяется выражением (7„~7,). но объясняет значительное увеличение чувствительности при наблюдении гетероядер в условиях широкополосной развязки от протонов. Например, унОус составляет около 4, и максимальный ЯЭΠ— 200;4, что приведет к трехкратному увеличению интенсивности сигналов по сравнению с интенсивностью без ЯЭО (1 =1 (1+ г))). В то же время некоторые ядра имеют отрицательное значение гиромагнитного отношения (например, ~~о1 и 1з)9). поэтому облучение протонов может понизить или даже инвертировать их сигналы.
Например, / '., р, у„'у;., составляет около — 5, и максимальный ЯЭΠ— около — 250э э. Если же реализуется не полный ЯЭО, а около — 100',4, то сигнал можст исчезнуть вообще. Этот вопрос будет обсуждаться в следующей главе, где мы сравним ЯЭО с другими способами повышения интенсивности сигналов, использующими гетероядерное спин-спиновое взаимодействие с протонами. Когда ие выполняетея условие предельного сужения. По мере того как растет напряженность полей спектрометров, а вместе с этим и наше стремление к изучению сложных молекул, довольно обычными становятся ситуации, когда предельное сужение уже отсутствует.
Химикиор|апнки, работающие с молекулами, массы которых составляют несколько ~ысяч единиц, попадают в ловушку сбалансирова|гпьгх Иэ и И'„, где ЯЭО становится пренебрежимо малым. Единственный выход из нее — замена растворителя или изменение температуры с целью вернуться в область предельного сужения или перейти в другой режим, ~де основную роль будет играть И'.
Именно в этом режиме работают биохимики (см. ниже). Совсем недавно появилась новая эксперименсальная методика (ЯЭО кво вращающейся системе координат» [4]), позволяющая надеяться на решение этой проблемы, цо к момент У написания книги она еше недостаточно хорошо разработана, чтобы делать окончательные выводы. П ри очень больших временах т„наблюдающихся в растворах белков или нуклеиновых кислот с молекулярной массой более 10000, И' и полностью преобладаез над И' . Подставив в выражение (5.5) нулевые Ис, и И', мы видим, что ЯЭО снова восстанавливается, но уже с максимальным значением — 1.
Таким образом, в макромолекулах ЯЭО отрицателен и по величине в 2 раза превышает ЯЭО в условиях предельног о сужения. Это очень удобно для отнесения сигналов в спсктгл, 8). рах белков, особенно если ЯЭО определяется в двумерном варна . ( р из с (см. зно Глава н Ялерныи эффект Оверкаузерв предельного сужения мы получаем (5.15) (5. 16) о. тц(в) = Р;+ Р* (5.12) или с учетом (5.11): Ц,(5) = 2(Р5 ь Р*) (5.13) Перевернем полученное выражение: 2р* — =2+ Ц,(в) Р; (5.! 4) 11 75 ЯЭО в реальных системах.
Мы получили довольно пессимистический вывод о возможностях применения ЯЭО. Но, к счастью, если в образовании ЯЭО участвует большее число взаимодействий, он все-таки сохраняет связь с межъядериым расстоянием. Эту связь можно выявить двумя основными путями. Во-первых, ЯЭО даже в двухспиновой системе может зависеть от межъядериого расстояния, если имеются конкурирующие пути релаксации, всегда присутствующие в реальных экспериментах. Приняв некоторые допущения об этих путях, мы можем экспериментально прокалибровать зависимость ЯЭО от межъядерного расстояния. Во-вторых, в многоспиновых системах, где не наблюдается кросс-релаксация, иногда удается связать величины ЯЭО с отношениями межъядерных расстояний (но не с самими расстояниями).
Ниже будет представлено особенно полезное уравнение такого типа. Сравнение величии ЯЭО в двухспнновых системах. Первый подход, разработанный Беллом и Сондерсом [5], лег в основу большинства применений ЯЭО в органической химии. Посмотрев на уравнение (5.5), мы заметим, что его числитель содержит информацию о чистой кросс- релаксации и обычно обозначается о,,: (5.9) Знаменатель уравнения (5.
5) выражает общую релаксацию ядра 1 и обычно обозначается рд Р5 = 2 кгг + ('гг + 1)о (5.10) Наши предыдущие вычисления показывают, что для случая чисто гомоядерной диполь-дипольной релаксации двух ядер со спином 1/2 Р,=2о,„ (5. 11) т.е. ЯЭО составляет 0,5. В реальной ситуации будут присутствовать и другие механизмы релаксации. В предположении, что они ие связаны с кросс-релаксацией, мы можем просто включить их в знаменатель (5.5) в виде дополнительного члена р*; Используя нашу модель диполь-дипольиой релаксации, в условиях т, 6 Уравнение (5,14) приобретает форму По Беллу и Соидерсу, для подобных молекул величину Рв(т, часто можно считать постоянной, и измеряемый ЯЭО должен быть непосредственно пропорционален 1/гв.
Они проверили это предположение иа ряде молекул с известной геометрией и получили хорошее соответствие между 1/гв и 5). Этот вывод позволяет сравнивать межъядерные расстояния в различных молекулах с помощью величин ЯЭО, однако для получения корректных результатов нужно тщательно проверять наличие необходимых условий. Особое внимание следует обратить иа такие моменты: 1.
т, будет постоянной только для молекул с близкими молекулярными массами в одинаковых растворителях при одинаковых температурах. Специфические взаимодействия с растворителем, способные изменить т„должны отсутствовать. Не должно' быть и виутримолекулярных движений, в результате которых эффективное корреляционное время конкретного ядра может отличаться от т, для молекулы в целом, т.е. эксперимент можно проводить только на жестких молекулах.
2. Необходимо работать с достаточно малыми молекулами, чтобы в поле вашего магнита достигался режим предельного сужения. 3. р* †дополнительн релаксапия, обусловленная посторонними диполь-дипольиыми взаимодействиями. Ее скорость должна быть постоянной.
Поэтому нельзя менять растворнтель и концентрацию. Очень важно постараться исключить возможные различия во внутримолекулярных взаимодействиях сравниваемых молекул. Однако полностью этого достичь невозможно. Эти взаимодействия и представляют собой наиболее вероятный источник ошибок при интерпретации ЯЭО, В дальнейшем мы обсудим этот вопрос более подробно. 4. При переходе от соединения к соединению не должны изменяться структурные особенности, способные изменить зависящий от межмолекулярных взаимодействий член р". Например, все используемые для измерений ядра должны находиться на периферии молекулы, а не в какой-либо полости. Не должно быть спепифических взаимодействий, таких, как водородные связи, обусловливающих неодинаковое сродство различных частей молекульг к растворителю.
5. Образец нужно готовить очень тщательно, обращая особое внимание иа удаление растворенного кислорода. Случайное попадание в образец кислорода может вызвать значительное снижение измеряемого ЯЭО, что приведет к получению неверных результатов. Этот момент будет обсуждаться в разд. 5.3. 1ВЗ Ядерный эффект Оверхауэера Глава 5 скм на не на и н Рис. 5.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
