1612729234-f204a36a1e721af405194e29352ad3c1 (827564), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

2. Scott P. R. How catalysts work – or don’t? // Education in chemistry, 1995. May. P. 111.

3. Pollack R. V., Bender M. L. The Alkaline Hydrolysis of p-Nitro-acetanilide and p-Formylacetanilide // J. Am. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. P. 7190.

Приложение 2.1

Вывод соотношения (2.27)

Оптическая плотность раствора, в котором протекает реакция гидролиза AH, в момент времени t равна

где

Напомним, что [P] – это концентрация нитроанилина в момент времени t.

Из уравнения

следует, что

(2.34)

Связь величин [P] и D, задаваемая уравнением (2.34), верна в любой момент времени t, в том числе при t = 0 и t = . Поэтому, подставив выражение (2.34) в уравнение (2.26), получаем соотношение (2.27):

которое и требовалось вывести.

2.2.6. Работа Я-6. Определение кинетических параметров заторможенного вращения метильных групп в N,N-диметил-формамиде. (ЯМР спектроскопия)

Амиды являются простейшими модельными соединениями, содержащими пептидную связь. Изучение конформационной динамики пептидных связей, в свою очередь, является неотъемлемой частью определения структуры белковых молекул. Важность информации о структуре белков сложно переоценить, поскольку именно белки выполняют в живой клетке основные функции: катализ, регуляцию биохимических реакций, защиту от чужеродных белков, транспорт молекул через клеточные мембраны, «чтение/запись» генетической информации и др.

Наиболее часто используемыми методами для установления строения полипептидов являются рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерного магнитного резонанса. В данной работе при помощи спектроскопии ¹Н ЯМР изучается конформационная динамика наиболее простой модельной системы – заторможенное вращение метильных групп в N,N-диметилформамиде.

Целью работы является определение констант скорости, энергии активации, а также энтальпии и энтропии активации заторможенного вращения метильных групп в N,N-диметилформамиде.

Применение спектроскопии ЯМР для исследования динамических процессов

Известно, что молекулы органических соединений могут существовать в виде нескольких конформеров, если в них происходит изменение относительной ориентации атомов или групп атомов. Наиболее часто в конформационном анализе рассматривается вращение фрагментов молекулы вокруг соединяющей их химической связи. Характерным примером является вращение двух метильных групп вокруг связи C–N в N,N-диметилформамиде (ДМФА):

При комнатной температуре в спектре ¹H ЯМР ДМФА наблюдаются два сигнала от неэквивалентных метильных групп (рис. 2.1).

Рис. 2.1. ¹Н ЯМР-спектр N,N-диметилформамида при комнатной температуре

Наличие двух сигналов связано с тем, что внутримолекулярный обмен положениями между метильными группами A и B происходит с низкой частотой и время пребывания метильных групп в цис- и транс-положениях по отношению к карбонильной группе достаточно велико в шкале времени ЯМР. Поскольку протоны этих групп находятся в различном химическом окружении, то в спектре ¹H ЯМР присутствуют два сигнала с разными значениями химического сдвига.

Из литературы известно, что энергия активации внутреннего вращения в молекуле ДМФА составляет несколько десятков кДж/моль. Тот факт, что вращение вокруг связи C–N заторможено, можно объяснить в рамках теории резонанса, представив молекулу ДМФА в виде двух канонических структур (рис. 2.2). Как видно на рисунке, связь C–N является частично двойной.

Р ис. 2.2. Резонансные структуры N,N-диметилформамида

При внутреннем вращении вокруг связи С–N метильные группы обмениваются местами. В результате изменяются химические сдвиги соответствующих им линий в спектре ЯМР. При 20 °С, когда этот обмен происходит очень медленно, в спектре наблюдаются два отдельных узких сигнала от неэквивалентных метильных групп. При увеличении температуры обмен ускоряется, сигналы уширяются, сливаются, и при 150 °С (быстрый обмен) наблюдается только один сигнал удвоенной интенсивности.

Варьируя температуру и анализируя наблюдаемые изменения формы и положения сигналов в спектре ¹Н ЯМР ДМФА, можно определить кинетические параметры заторможенного вращения метильных групп: предэкспоненциальный множитель, энергию активации и др. Подобный метод исследования называют динамическим ядерным магнитным резонансом (ДЯМР).

Методом ДЯМР можно изучать и другие химические процессы и превращения:

• конформационные переходы в циклических системах;

• цис-транс-изомеризацию;

• вырожденные и невырожденные внутримолекулярные пере-группировки;

• меж- и внутримолекулярные реакции обмена (протонный обмен, обменные реакции с участием металлоорганических групп);

• перегруппировки координационных полиэдров и лигандный обмен.

Метод ДЯМР весьма эффективен для исследования скоростей тех динамических процессов, константы скорости которых лежат в диапазоне 10⁵–10^–5 с^–1. Для более быстрых или более медленных процессов в спектрах ЯМР не будет наблюдаться изменение формы линий в зависимости от температуры, поэтому не удастся извлечь никакой информации о константах скорости и механизмах подобных превращений.

Анализ формы линий в спектрах ЯМР и определение кинетических параметров обменных процессов

Анализ формы линии

В случае, когда две группы химически эквивалентных ядер участвуют во внутримолекулярном обмене, вид спектра ЯМР зависит от разности резонансных частот отвечающих им сигналов Δν = (ν_A – ν_B) и константы скорости обмена k. Обычно Δν составляет несколько десятков герц. Влияние вращения метильных групп ДМФА на ширину линий и значение резонансных частот в спектре ¹Н ЯМР изображено на рис. 2.3. При низкой температуре обмен происходит медленно (k << Δν), поэтому спектр представляет собой два узких синглета с частотами ν_A и ν_B (рис. 2.3 А). При высокой температуре обмен протекает очень быстро (k >> Δν) и в спектре ЯМР наблюдается один узкий сигнал удвоенной интенсивности (рис. 2.3 Д). В промежуточном случае спектр представляет собой две обменно-уширенные линии (рис. 2.3 Б).

В отсутствие обмена ширина линии в спектре ЯМР определяется временами спин-спиновой (T₂) и спин-решёточной (T₁) релаксации. В спектре ЯМР ДМФА имеется дополнительный вклад в ширину линий, обусловленный обменом метильных групп. Оценить вклад обменного процесса в уширение линий можно, воспользовавшись принципом неопределённости Гейзенберга.

Согласно этому принципу, неопределённость энергии ΔE некоторого состояния системы и время жизни этого состояния Δt связаны соотношением:

(2.35)

В соответствии с этим частота, соответствующая резонансу, т. е. положение линии в спектре ЯМР, также характеризуется неопределённостью:

(2.36)

Неопределённость положения линии  с практической точки зрения означает её уширение при регистрации спектра. Из соотношений (2.35) и (2.36) следует, что ширина линии на полувысоте Δν_1/2, примерно равная Δν, обратно пропорциональна времени жизни состояния:

Рис. 2.3. Влияние обмена химически эквивалентных ядер на форму линий в спектре ¹Н ЯМР N,N-диметилформамида

Точная зависимость ширины линии от скорости обмена может быть получена путём решения уравнений Блоха, описывающих поведение макроскопической намагниченности образца в магнитном поле. При обмене химически эквивалентных групп между двумя положениями выражение для формы линии может быть представлено в следующем виде:

(2.37)

где g(ν) – интенсивность сигнала на частоте ν, K – нормировочная константа, ν_A и ν_B – положение линий в спектре ЯМР, k – константа скорости обмена, Следует отметить, что уравнение (2.37) применимо в случае, когда уширение линий происходит только за счёт обмена между двумя группами атомов и не вызвано другими причинами. Параметры τ, ν_A, ν_B зависят от температуры и могут быть определены путём аппроксимации экспериментальных данных функцией g(ν). Это один из возможных способов нахождения константы скорости обмена.

Оценка константы скорости заторможенного вращения

Заторможенное вращение метильных групп в ДМФА может быть представлено как обратимая химическая реакция

Очевидно, что в данном случае константы скорости прямой и обратной реакции одинаковы: k_A = k_B = k.

Для определения величины константы скорости k при разных температурах можно использовать приближённые методы. Они хотя и дают менее точные результаты, чем аппроксимация экспериментальных данных уравнением (2.37), однако позволяют провести быструю оценку кинетических параметров.

Медленный обмен. В условиях медленного обмена, когда уравнение (2.37) при описании контура одной из линий А или В можно привести к виду:

(2.38)

где – время спин-спиновой релаксации. Ширина линии при медленном обмене определяется как:

(2.39)

Выражение для константы скорости k выглядит следующим образом

(2.40)

Здесь величина

(2.41)

представляет собой ширину линии в отсутствие обмена.

Промежуточный обмен. В условиях промежуточного обмена Ширина линии , отвечающей состоянию А, продолжает увеличивается по мере уменьшении времени жизни  этого состояния:

При промежуточном обмене константу скорости также можно определить, зная разницу резонансных частот двух линий в спектре ЯМР (уравнение (2.42)). Данный способ применим в достаточно узком диапазоне температур: от момента, когда сигналы в спектре начинают перекрываться, до их слияния (коалесценции).

(2.42)

Здесь – разность резонансных частот сигналов в условиях отсутствия обмена или медленного обмена при низкой температуре, – разность резонансных частот сигналов в условиях промежуточного обмена при повышенной температуре.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы