1612729234-f204a36a1e721af405194e29352ad3c1 (827564), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Точка коалесценции. При повышении температуры наступает момент, когда два сигнала сливаются в один обменно-уширенный пик – достигается точка коалесценции. В этой точке константу скорости обмена можно оценить по формуле:

(2.43)

Быстрый обмен. При температуре выше точки коалесценции в спектре ЯМР наблюдается один сигнал удвоенной интенсивности. Поскольку в условиях быстрого обмена уравнение (2.37) принимает следующий вид:

(2.44)

Было введено обозначение:

Константу скорости в условиях быстрого обмена можно оценить, измеряя ширину линии (см. рис. 17.20):

(2.45)

Следует ещё раз отметить, что уравнения (2.38)–(2.45) получены с учётом большого количества приближений и могут быть использованы только для оценки значения константы скорости обмена между двумя положениями с равной заселённостью.

Зависимость константы скорости вращения метильных групп ДМФА от температуры позволяет найти энергию активации данного процесса. Для обработки экспериментальных данных удобно использовать уравнение Аррениуса в логарифмической форме:

(2.46)

Экспериментальная часть

Необходимое оборудование и материалы

– спектрометр Bruker DPX-250 NMR или иной;

– автоматическая регулируемая микропипетка на 0,1–1 мл;

– стандартная ампула ЯМР диаметром 5 мм;

– N,N-диметилформамид.

Порядок выполнения работы

1. Поместить в чистую, сухую ампулу 0,5 мл N,N-диметил-формамида. Образец дегазировать, ампулу плотно закрыть пробкой.

2. Записать спектр ЯМР диметилформамида при комнатной температуре, отнести линии в спектре.

3. Увеличить температуру в датчике до 90 °С, записать спектры ¹Н ЯМР диметилформамида в диапазоне 90–120 °С, увеличивая температуру с шагом в 5–10 °С (температура кипения диметилформамида равна 153 °С).

4. Определить резонансные частоты сигналов метильных групп и ширину линий во всех спектрах, данные занести в таблицу:

T, °С	A	B	A – B	(ΔA)1/2	(ΔB)1/2

Обработка экспериментальных данных

При определении констант скорости будем считать, что при температуре 20 °С метильные группы ДМФА практически не участвуют в обмене. Результаты эксперимента в выбранном интервале температур 90–120 °С рекомендуется обрабатывать, полагая, что реализуется случай медленного обмена. Константы скорости k можно вычислить, воспользовавшись уравнением (2.40) либо аппроксимировав сигналы метильных групп в спектре ¹Н ЯМР уравнением (2.37).

Для определения энергии активации E_a и предэкспонен-циального множителя k₀ нужно построить график в координатах ln(k) – (1000 / T), согласно уравнению (2.46).

Отчёт о работе должен содержать:

– дату выполнения работы,

– вычисленные значения кинетических параметров: E_a и k₀ с указанием погрешности измерения,

– спектр ЯМР диметилформамида при комнатной температуре;

– таблицу с первичными данными (температура, ширина линий, разность резонансных частот сигналов метильных групп). Необходимо указать способ определения ширины линий в условиях промежуточного обмена, когда сигналы накладываются друг на друга;

– процесс и результаты обработки экспериментальных данных с указанием погрешности измерений: значения констант скорости k, уравнение, которое использовалось для определения константы скорости;

– график в координатах .

2.2.7. Работа Я-8. Изучение процесса аномеризации D-глюкозы в водном растворе. (ЯМР спектроскопия)

Аномеризация глюкозы

Глюкоза представляет собой полиоксиальдегид, играющий важную роль во многих биологических процессах и являющийся типичным представителем простых сахаров.

Большинство моносахаридов, встречающихся в природе, в том числе и глюкоза, относится к D-ряду, поскольку хиральный центр, связанный с CH₂OH-фрагментом, имеет (R)-конфигурацию по (R,S)-номенклатуре.

Известно, что глюкоза и другие сахара существуют преимущественно не в линейной форме, а в виде циклических полуацеталей или полукеталей, которые образуются в результате внутримолекулярной реакции между гидроксильной и карбонильной группами (рис. 2.4).

D-глюкоза α-D-глюкопираноза

Рис. 2.4. Линейная и циклическая формы D-глюкозы в проекции Фишера

При замыкании цикла появляется новый хиральный атом углерода (атом С₁ также называют аномерным центром) и образуются два диастереомера (α- и β-аномеры), отличающиеся расположением гидроксильной группы относительно плоскости пиранозного кольца.

При растворении глюкозы в воде происходит постепенное превращение α-аномера в β-аномер и β-аномера в α-аномер, осуществляющееся через альдегид с открытой цепью (рис. 2.5). В результате образуется равновесная смесь двух аномеров, которая при комнатной температуре содержит приблизительно 64 % β-формы и 36 % α-формы.

α-D-глюкопираноза β-D-глюкопираноза

Рис. 2.5. Аномеры D-глюкозы в виде структур Хеуорса

Поскольку в растворе D-глюкозы свободная карбонильная форма содержится в следовых количествах (0,02 %), взаимопревращение двух аномерных форм можно рассматривать как обратимую реакцию первого порядка.

Кинетические закономерности обратимой реакции первого порядка

Для обратимой реакции первого порядка

можно записать систему двух кинетических уравнений:

(2.47)

Пусть в начальный момент времени в системе присутствует только вещество А, его начальная концентрация равна [A₀], начальная концентрация вещества B равна нулю. В любой момент времени справедливо уравнение материального баланса

и

Равновесные концентрации связаны с константами скорости k₁ и k_–1 простым соотношением Легко показать, что

Решение системы (2.47) может быть найдено с использованием уравнения материального баланса или методом детерминанта

(2.48)

График зависимости концентраций [А] и [В] от времени может выглядеть, например, как показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Кинетические кривые для веществ А и B

Зависимость концентраций [А] и [В] от времени можно также представить в виде

Эти выражения легко написать, просто глядя на кинетические кривые, показанные на рис. 2.6. Конечно, из рисунка не следует, что в экспоненте стоит сумма констант скорости прямой и обратной реакции. С другой стороны, трудно придумать простую комбинацию констант скорости прямой и обратной реакции, куда эти константы входят симметричным образом и обеспечена нужная размерность.

Изучение процесса аномеризации D-глюкозы в водном растворе методом ЯМР

При комнатной температуре в спектре ¹H ЯМР D-глюкозы в D₂O можно наблюдать сигналы двух аномерных форм (рис. 2.7). При протекании изомеризации интенсивность сигналов изменяется.

Рис. 2.7. ¹Н ЯМР спектр равновесной смеси α- и β-D-глюкопиранозы

Сигналы протонов, принадлежащих разным функциональным группам молекулы, располагаются в различных областях спектра. Иными словами, для атомов каждой функциональной группы характерен свой химический сдвиг (δ), измеряемый в миллионных долях от напряженности приложенного магнитного поля.

При этом сигналы протонов некоторых функциональных групп расщеплены на несколько линий. Причиной появления мультиплетной структуры сигналов в спектрах ЯМР является косвенное спин-спиновое взаимодействие, которое осуществляется только при наличии химической связи между атомами за счёт спиновой поляризации электронов химической связи ядерным спином. Так, для С₁Н протонов глюкозы характерен дублет, поскольку данный атом водорода имеет косвенное спин-спиновое взаимодействие только с одним ядром – ядром протона С₂Н группы. А сигнал С₂Н протона, в свою очередь, представляет собой триплет, поскольку взаимодействует с двумя ядрами, находящимися в непосредственной близости от него – ядрами протонов С₁Н и С₃Н фрагментов.

Как видно из рис. 2.7, сигналы в спектре ЯМР почти всех атомов водорода α-аномера и β-аномера D-глюкозы имеют химический сдвиг от 3.2 до 3.9 м.д. и накладываются друг на друга. Только сигналы С₁Н (α) и С₂Н (β) протонов не перекрываются с другими сигналами и для определения констант скорости удобно использовать именно их параметры. Известно, что интегральные интенсивности I сигналов в спектрах ¹H ЯМР пропорциональны количеству эквивалентных протонов (т.е. протонов, находящихся в одинаковом окружении) в образце.

Поэтому площади пиков С₁Н (α) и С₂Н (β) пропорциональны количеству α-формы и β-формы D-глюкозы.

Для определения констант скорости прямой и обратной реакции нужно использовать уравнения (2.48). При этом отношение концентраций [А] / [А₀] и [В] / [А₀] в левой части этих уравнений, удобно заменить отношением интегральных интенсивностей сигналов С₁Н (α) и С₂Н (β), которые обозначены ниже, как α и β, соответственно.

(2.49)

Видно, что для определения константы скорости реакции первого порядка не обязательно знание абсолютной концентрации реагента, достаточно знания величины пропорциональной концентрации. Такой величиной может быть оптическая плотность, электропроводность, интегральные интенсивности сигналов в ЯМР-спектре и т. п.

Экспериментальная часть

Цель работы: определение констант скорости превращения α-D-глюкозы в β-D-глюкозу (k₁) и β-D-глюкозы в α-D-глюкозу (k_–1).

Для выполнения работы необходимы:

Характеристики

Список файлов лабораторной работы