Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Явление ядерного магнитного резонанса

2. Протонный магнитный резонанс (ПМР), или ЯМР ¹Н

2.1 Химический сдвиг

2.2 Спин-спиновое взаимодействие

2.3 Константа спин-спинового взаимодействия

2.4 Интенсивность сигнала

2.6 Классификация спиновых систем

2.7 Химический обмен

3. Общие правила для интерпретации спектров ¹³С

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Химики-органики все чаще приходят к выводу, что в настоящее время метод ядерного магнитного резонанса при изучении строения органических соединений эффективнее ультрафиолетовой или инфракрасной спектроскопии. Вместе с тем этот метод не заменяет более старых методов; они взаимно дополняют друг друга.

1. Явление ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - вид спектроскопии, которая регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением. Только ядра со спиновым квантовым числом I, отличным от «0», могут вызывать сигнал ЯМР, или быть активными в ЯМР.

Спиновое квантовое число ядра определяется числом протонов и нейтронов в ядре. Существует эмпирическое правило:

1) I равно «0» для ядер с четным числом протонов и нейтронов;

2) I равно целым числам (1, 2, 3…) для ядер с нечетными числами и протонов, и нейтронов;

3) I равно полуцелым числам (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.) для ядер с четными числами протонов и нечетными числами нейтронов и наоборот.

В приложенном магнитном поле с напряженностью Н₀ ядро со спиновым числом I может принимать 2I + 1 ориентаций (или занимать 2I + 1 энергетических уровней). Количество энергии, на которое отличаются эти уровни (разность энергий уровней), возрастает с возрастанием Н₀, однако при данном значении Н0 разность энергий между двумя соседними уровнями есть величина постоянная.

Разность энергий двух соседних уровней ДЕ определяется выражением:

ДЕ = Н₀г h/2р

где г - гиромагнитное (магнитогирическое) отношение, постоянное для данного изотопа;

Н₀ - напряженность внешнего магнитного поля;

h - постоянная Планка.



В сущности, эксперимент ЯМР состоит в том, чтобы сообщить энергию ядру и перевести его с одного энергетического уровня на другой, более высокий уровень. Поскольку точное значение ДЕ зависит от молекулярного окружения возбуждаемого ядра, имеется возможность связать величину ДЕ со строением молекулы и в конечном итоге определить структуру всей молекулы.

К сказанному следует добавить следующее: сигналы в спектрах ЯМР могут давать только ядра атомов, обладающих нечетным спиновым числом. Таким образом, наиболее распространенные изотопы углерода ¹²С, кислорода ¹⁶О и многие другие, например, дейтерий, являясь немагнитными, не регистрируются в ЯМР-спектрах.

Из ядер атомов, наиболее часто встречающихся в органических соединениях, магнитным моментом обладают изотопы ¹Н, ¹³С, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁵N, ¹⁷O.

Спектроскопия ЯМР используется для регистрации сигналов данных ядер. Наибольшее распространение в исследовании органических веществ имеет спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР, ЯМР ¹Н) и ЯМР на ядрах изотопа 13С (ЯМР ¹³С).

2. Протонный магнитный резонанс (ПМР), или ЯМР ¹Н

Для исследования с помощью ЯМР спектроскопии, как правило, вещество растворяют в подходящем растворителе (однако ЯМР-анализ можно проводить и в твердой фазе). Для анализа необходимо ~ 10-20 мг образца. Приготовленный раствор помещают в ампулу объемом ~ 0.5 мл и диаметром 5 мм.

Выбор растворителя определяется растворимостью анализируемого вещества и наиболее полным разделением сигналов резонанса вещества и растворителя, если последний содержит ядра, по которым проводится регистрация спектра ЯМР. Для проведения анализа удобно использовать дейтерированные растворители, поскольку дейтерий не дает сигнала в спектре ПМР. Однако эти растворители содержат остаточные количества протонов, которые дают сигналы небольшой интенсивности.

В таблице 1.1 приведены данные о химических сдвигах ¹Н и ¹³С наиболее часто используемых растворителей.



Ампулу с образцом помещают между полюсами сильного магнита. В магнитном поле протоны мгновенно ориентируются в направлении поля Н0 (подобно маленьким стержневым магнитам). В первый момент после внесения образца число ядер, ориентированных вдоль поля и против поля, одинаково (50% на 50%) (рис. 1.2).

Вследствие обмена энергией между системами ядер («спинов») и их окружением («решеткой») число ядер на нижнем энергетическом уровне достаточно быстро возрастает до величины, чуть большей 50%.

Протоны, ориентированные вдоль поля, находятся в более низком энергетическом состоянии, чем протоны, ориентированные против магнитного поля.

Мы помним, что в конечном итоге ДЕ = hн; это означает, что должна существовать такая частота электромагнитного излучения, которая окажется равной разности энергий между более высоким энергетическим состоянием ядра (ориентация против Н0) и более низким его состоянием (ориентация вдоль Н0). Если на ядро воздействовать именно этой частотой, оно будет взаимодействовать с излучением и изменит свое энергетическое состояние. Те ядра, которые находились в более высоком энергетическом состоянии, перейдут на нижний уровень, и наоборот. Однако, поскольку на нижнем энергетическом уровне существует некоторый избыток ядер, в более высокое энергетическое состояние перейдет большее число ядер, и в результате взаимодействия ядер с излучением данной частоты произойдет поглощение электромагнитного излучения. Именно это поглощение и вызывает сигнал ЯМР.

Точное значение частоты, которая вызывает переходы между энергетическими уровнями данного ядра, называется резонансной частотой этого ядра.

Резонанса можно достичь и другим путем: оставляя частоту постоянной, менять напряженность магнитного поля. Во многих спектрометрах ЯМР используют генератор фиксированной частоты 200, 300, 400, 500 и даже 800 МГц.

Для существования различия в заселенности энергетических уровней необходим перенос энергии молекулярного движения на спины ядер. Различие в заселенности возникает только в том случае, если после наложения магнитного поля, т.е. с того момента, когда ядра окажутся в магнитном поле, проходит некоторое время. Это время называется временем спин-решеточной релаксации.

Величина времени спин-решеточной релаксации имеет важное значение. Если время релаксации мало (у ядер быстрый перенос энергии), то сигнал ЯМР уширенный. Большое время релаксации, например, у ядер ¹³С, также затрудняет наблюдение сигналов поглощения: столь важное для резонанса различие в заселенности уровней при наложении относительно сильного переменного поля выравнивается быстрее, чем его удается обнаружить (сигнал как таковой исчезает). Последнее обстоятельство является одной из причин более низкой чувствительности метода ЯМР ¹³С по сравнению с ЯМР ¹Н.

Основными характеристиками спектров ЯМР являются:

· химический сдвиг,

· мультиплетность,

· константа спин - спинового взаимодействия;

· площадь сигнала резонанса.

Эти характеристики зависят от химического окружения данного ядра или группы ядер, от числа соседних ядер, обладающих магнитным моментом, от их относительного расположения, а также от числа анализируемых ядер в различных структурных фрагментах молекулы.

2.1 Химический сдвиг

Разность положения сигнала данного протона и положение сигнала стандарта называется химическим сдвигом данного протона.

В качестве стандарта чаще всего используют тетраметилсилан (ТМС) Si(CH3)4. Запись ЯМР-спектра проводят таким образом, чтобы Н0 возрастало слева направо. При этом химический сдвиг сигнала ТМС принимают за ноль, и регистрируется в наиболее сильном поле (правая часть спектра).

В практике ЯМР-анализа химический сдвиг выражают в миллионных долях (м.д.) и обозначают символом «д». Химические сдвиги не зависят от рабочей частоты спектрометра:

д = Дн•10⁶/ рабочая частота прибора, (Гц)

Оказалось, что химические сдвиги протонов органических соединений различных классов лежат в разных областях и, таким образом, по положению сигнала ЯМР можно определить строение вещества. Ниже приведены обобщенные области химических сдвигов протонов.

Магнитное поле, в котором находится данный протон, входящий в состав молекулы, редко бывает точно равно Н₀. Вместо него на протон действует эффективное поле Нэфф, несколько отличающееся от Н₀. Приложенное поле Н₀ заставляет электроны электронных оболочек циркулировать вокруг ядра, индуцируя тем самым магнитное поле, направленное против Н₀. В результате ядро оказывается экранированным от полной напряженности приложенного магнитного поля. Таким образом, степень экранирования ядра индуцированным магнитным полем при уменьшении электронной плотности на ядре должна уменьшаться. Отсюда можно сделать важный вывод: степень экранирования ядра атома водорода (протона) зависит от электронного эффекта других групп, присоединенных к тому же атому углерода. Однако на величину химического сдвига действуют и другие факторы.

Так, сигнал пара-протонов в монозамещенных бензолах сдвигается в слабые поля под действием электроноакцепторных заместителей и - в сильные поля под действием электронодоноров (рис. 1.3). Положение сигналов орто- и мета-протонов зависит не только от электронной плотности на соседнем атоме углерода и меняется не столь закономерным образом.

Величина химического сдвига не всегда может быть объяснена увеличением или снижением электронной плотности.

Так, электроотрицательность атома углерода меняется в следующем ряду:

Сsp³ < Csp² < Csp.

В силу этого можно было бы ожидать, что в ряду этан - этилен - ацетилен, протоны ацетилена будут наиболее дезэкранированы. Однако это не так. Протоны ацетилена наиболее экранированы: сигнал наблюдается при 1.8 м.д. Эта «аномалия» объясняется эффектом диамагнитной анизотропии - экранирование или дезэкранирование ядра в зависимости от ориентации молекулы по отношению к внешнему магнитному полю.

Области экранирования и дезэкранирования для магнитноанизотропных групп обычно изображают при помощи так называемых «конусов анизотропии» (рис. 1.4 - 1.6). Рассмотрим явление диамагнитной анизотропии на примере ацетилена.

Молекула ацетилена линейна, и тройная связь симметрична относительно оси. Если эта связь направлена вдоль внешнего магнитного поля, то р-электроны связи могут циркулировать под прямым углом к внешнему магнитному полю, создавая собственное поле, направленное противоположно внешнему магнитному полю. Поскольку ацетиленовые протоны направлены вдоль внешнего магнитного поля, индуцированное магнитное поле будет их экранировать (рис. 1.4).

С другой стороны, магнитная анизотропия С=О групп приводит к сильному дезэкранированию альдегидных протонов (д ~ 10 м.д.), поскольку эти протоны оказываются в дезэкранирующей части индуцированного магнитного поля (рис. 1.5).

Еще одним примером диамагнитной анизотропии является «эффект кольцевого тока» (рис. 1.6, там же изображен конус анизотропии бензола), который ответственен за сильное дезэкранироавние протонов бензольного кольца.

Магнитная неэквивалентность по химическому сдвигу

В общем, протоны в веществе могут быть «магнитно эквивалентными» или «изохронными» и давать один сигнал и - «магнитно неэквивалентными» (неизохронными).

Примеры магнитно эквивалентных протонов (выделены жирным шрифтом):

Классическим примером анизохронных потонов (магнитно неэквивалентных) являются протоны метиленовой группы, связанной с хиральным центром, как, например, в 1-бром-1-хлор-фторпропане.



Протоны метиленовой группы в 1-бром-1-хлор-фторпропане являются диастереотопными. Диастереотопные группы - группы, находящиеся в диастереомерном окружении. Замена одной из них на другую ахиральную группу приводит к образованию диастереомера.

2.2 Спин-спиновое взаимодействие

Сигналы протона (группы протонов) в спектре могут быть представлены в виде одиночной линии (такой сигнал называется «синглет») или в виде групп линий.

Если сигнал представлен в виде двух линий определенной интенсивности (см. рис. 1.9) - сигнал называется «дублет»; в виде трех линий - «триплет», в виде четырех линий - «квадруплет», или «квартет». Сигнал может быть представлен группой из шести и более линий, в этом случае говорят о мультиплете.



Каждая линия любого мультиплета будет отстоять от соседних линий того же мультиплета на одно и то же число герц. Интенсивность линий каждого мультиплета можно получить из таблицы, называемой треугольником Паскаля (таблица 1.2).

Сразу же отметим, каким образом определяется положение сигналов (химический сдвиг) в спектре. В случае синглета это не вызывает затруднений - указывается то значение м.д., при котором наблюдается сигнал (например, 7.27 м.д.).



Химический сдвиг дублета определяется следующим образом. Находится «центр тяжести» дублета и берется соответствующее значение м.д. Химический сдвиг триплета, квадруплета и др. мультиплетов указывается двумя значениями: левое значение - положение крайнего левого компонента мультиплета, правое значение - положение крайнего правого компонента мультиплета. Химические сдвиги обычно приводят с двумя знаками после запятой.

2.3 Константа спин-спинового взаимодействия

Выше было отмечено, что если сигнал представлен в виде мультиплета (дублет, триплет, квадруплет и т.д.), линия любого мультиплета будет отстоять от соседних линий того же мультиплета на одно и то же число герц. Численное значение этого расстояния называется константой спин-спинового взаимодействия и обозначается «J» (рис. 1.13).



Магнитная неэквивалетность в смысле спин-спинового взаимодействия

Эквивалентность и неэквивалентность различных протонов находит отражение в таком параметре спектра ЯМР, как химический сдвиг.

Однако, для того чтобы два протона были идентичны (магнитно-эквивалентны) в эксперименте ЯМР, они должны иметь а) одинаковые химические сдвиги и б) одинаковые константы спин-спинового взаимодействия по отношению к третьему протону в структуре молекулы.

Например, имеется молекула замещенного бензола. В этой структуре орто-протоны (A', A) находятся в одинаковом окружении, следовательно, имеют один и тот же химический сдвиг (эквивалентны по химическому сдвигу). Однако относительно третьего протона (B) они расположены по-разному. Следовательно, степень взаимодействия этих ядер с третьим протоном (В) различна, а значит, должна быть различна и величина константы спин-спинового взаимодействия. Действительно, в результате ЯМР-анализа были получены следующие значения констант спин-спинового взаимодействия: J(A,B) = 7.92 Гц, J(A',B) = 0.44 Гц.

Таким образом, протоны А и А' эквивалентны по химическому сдвигу, но не эквиваленты по спин-спиновому взаимодействию. Такая ситуация приводит к усложнению спектральной картины.

2.4 Интенсивность сигнала

В эксперименте ЯМР можно определить относительное количество эквивалентных по химическому сдвигу протонов. Другими словами, методом ЯМР можно определить, сколько протонов «ответственны» за данный сигнал.

Интенсивность сигнала пропорциональна количеству протонов каждого типа и измеряется площадью пика. Относительные интенсивности различных сигналов показаны в спектре ступенчатой интегральной кривой (рис. 1.12, 1.14).

Однако высота ступеньки не дает точного числа протонов, отвечающих сигналу, а только пропорциональна этому числу. Сравнивая высоты ступенек, соответствующих различным сигналам в спектре, определяют относительные числа протонов, отвечающих этим сигналам. Например, если на интегральной кривой имеются две ступеньки с интенсивностями 2 и 3 (рис. 1.12), это означает, что протоны, отвечающие этим сигналам, присутствуют в отношении 2:3 соответственно. Но их может быть 6 одного типа и 9 - другого!

В заключении отметим, площадь мультиплета отражает число протонов, вызывающих данный сигнал, а мультиплетность сигнала - число протонов, взаимодействующих с рассматриваемым протоном (или протонами)

Таким образом, из спектра ЯМР получаем три главные параметра, позволяющие определять строение молекулы - химический сдвиг сигнала, его мультиплетность и интегральную интенсивность. Измерение интегральных интенсивностей сигналов позволяет использовать спектроскопию ПМР также и для количественного определения состава смесей органических веществ.

2.5 Классификация спиновых систем

Спиновой системой называется система из двух или более взаимодействующих между собой протонов. Молекула органического соединения может содержать несколько спиновых систем. Ядра в системе обозначаются заглавными буквами алфавита, а число эквивалентых протонов - цифрами внизу. Если разность химических сдвигов взаимодействующих протонов (дНА - дНВ), выраженная в герцах, в шесть и более раз превышает константу их спин-спинового взаимодействия, то такие протоны обозначаются далеко отстоящими буквами алфавита (АХ, А2Х, АМХ и т.д.):

При этом наиболее слабопольный протон обозначается буквой А, следующий за ним в порядке уменьшения химического сдвига - буквой В и т.д. Когда обозначены все слабопольные протоны, аналогичным образом называют сильнопольные. Для этого используют последние буквы латинского алфавита, начиная с Х (т.е., X, Y, Z). При одинаковых химических сдвигах и различных константах спин-спинового взаимодействия систему обозначают АA', BB', (например, рассмотренный выше случай с замещенным бензолом).

Если спектр состоит из мультиплетов, в которых число компонентов и соотношение их интенсивностей соответствуют правилам спин-спинового взаимодействия, то они называются спектрами первого порядка, для которых (дНА - дНВ)/ JАB > 6.



2.6 Химический обмен

Явление миграции какого-либо протона от атома к атому называют химическим обменом. Скорость химического обмена протонов при ОН группе, например, для чистого этанола сравнительно мала, однако она резко возрастает в присутствии кислот или оснований. Если скорость химического обмена мала, то сигнал ОН протона в спектре этанола виден как триплет; если же скорость обмена велика, то сигнал гидроксильного протона вырождается в синглет. При промежуточных скоростях сигнал может иметь вид широкого пика.

Быстрый химический обмен приводит к тому, что в данный промежуток времени каждый протон успевает войти в состав многих молекул спирта, так что спиновые ориентации взаимодействующих с ним протонов усредняются до какой-то определенной величины. Этим объясняется появление синглета. По той же причине резонансные сигналы метиленовых протонов не расщепляются быстро обменивающимися гидроксильными протонами. Таким образом, быстрый химический обмен приводит к подавлению спин-спинового взаимодействия.

Если скорость химического обмена имеет величину того же порядка, что и интервал между компонентами мультиплета в отсутствие обмена, то мгновенные спиновые ориентации усредняются лишь частично, что приводит к уширению пиков поглощения.

Скорость химического обмена увеличивается с ростом температуры.

3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ядер ¹³С

Ядро ¹²С магнитно неактивно (спиновое число равно 0). Однако ядро ¹³С, как и протон, имеет спин Ѕ. Поскольку природное содержание изотопа ¹³С составляет только 1.1%, а чувствительность ядра ¹³С (большое значение времени релаксации) составляет лишь 1.6% от чувствительности протона, общая чувствительность метода ЯМР 13С равна ~1/5700 от чувствительности ПМР [2, 3].

Основные особенности спектроскопии на ядрах ¹³С

1. При регистрации спектров ЯМР ¹³С с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами все сигналы являются синглетами, если только в молекуле нет других магнитно активных ядер (например, ²Н, ³¹Р, ¹⁹F).

Природное содержание ¹Н более 99%, поэтому каждое ядро ¹³С связано спин-спиновым взаимодействием с каким-то числом протонов. В силу этого в спектрах ЯМР ¹³С без подавления спин-спиновых взаимодействий с протонами обнаруживаются сложные перекрывающиеся мультиплеты, которые трудно интерпретировать.

2. Сигналы ¹³С распределены по значительно большему диапазону химических сдвигов по сравнению с диапазоном для ядер ¹Н.

Как и в случае с ЯМР ¹Н, в спектрах ЯМР ¹³С химические сдвиги выражают в единицах м.д.

3. Интенсивности сигналов ¹³С не коррелируют с числом ядер углерода.

Снятие спектра в режиме широкополосной «развязки» от протонов приводит к возникновению ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО), который позволяет не только подавить спин-спиновое взаимодействие ¹³С - ¹Н, но и существенно (до 3-х раз) увеличить интенсивность сигнала.

В то же время атомы углерода, не имеющие протонов (четвертичные С-атомы, иногда называют «узловые атомы углерода»), не показывают усиления за счет ЯЭО и всегда имеют низкую интенсивность. В общем, в спектроскопии ЯМР ¹³С интегральные интенсивности сигналов не пропорциональны числу соответствующих атомов углерода.

4. Вследствие более низкой чувствительности метода ЯМР ¹³С по сравнению с ПМР для анализа необходимо большее количество образца (~20 мг).

5. Для данного дейтерированного растворителя сигналы ЯМР ¹Н и ¹³С имеют разную мультиплетность.

Образцы для измерений спектров ЯМР ¹³С обычно представляют собой растворы в дейтерированных растворителях, для обеспечения внутреннего стандарта используется добавка ТМС.

Общие правила для интерпретации спектров ¹³С

1. Химические сдвиги ¹³С в основном зависят от типа гибридизации атома углерода, от электроотрицательности заместителей и в меньшей степени от диамагнитной анизотропии;

2. Порядок расположения химических сдвигов классов соединений в спектроскопии ЯМР ¹³С и ¹Н имеет сходство;

3. Интенсивность сигналов четвертичного атома углерода низкая;

4. Для спектров ¹³С, как и для ¹Н полезны уравнения аддитивности для замещенных соединений;

5. На вид спектра влияет растворитель.

6. Особенности спектров ЯМР ¹³С основных классов органических соединений:

ядерный магнитный спектроскопия химический

Заключение

Химики-органики все чаще приходят к выводу, что в настоящее время метод ядерного магнитного резонанса при изучении строения органических соединений эффективнее ультрафиолетовой или инфракрасной спектроскопии. Вместе с тем этот метод не заменяет более старых методов; они взаимно дополняют друг друга.

Каждая линия любого мультиплета будет отстоять от соседних линий того же мультиплета на одно и то же число герц. Интенсивность линий каждого мультиплета можно получить из таблицы, называемой треугольником Паскаля

Список использованной литературы

1. Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строения органических соединений / Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. ? М.: Мир, 2006. ? 439с.

2. Гордон А., Форд Р. Спутник химика / Гордон А., Форд Р. ? М.: Мир, 1976. ? 541с.

3. Сильверстейн Р., Вебетер Ф., Кимл Д. Спектрометрическая идентификация органических соединений / Сильверстейн Р., Вебетер Ф., Кимл Д. ? М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. ? 520 с.

4. Поисковая база спектральных данных органических веществ (Spectral database for organic compounds, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Japan): http://riodb01.ibase.aist.go.jp

Размещено на Allbest.ru

...