916
.pdfВозможности метода: определение числа типов протонов в мо
лекуле; определение числа протонов каждого данного типа; определение положения протона в молекуле относительно непредельных группиро вок и гетероатомов; в простейших случаях определение числа протонов при соседних углеродных атомах; количественный анализ смесей, вклю чая кинетические измерения; исследование быстрых перегруппировок и реакций обмена.
Ограничения метода: возможность перекрывания сигналов от
близких по типу протонов; относительно низкая чувствительность.
3.12.Аппаратурное оформление и техника эксперимента
3.12.1.Блок-схема ЯМР спектрометра и его
характеристики
В твердых и жидких телах магнитные ядра распределены по энер гетическим состояниям, заселенность которых между основным (N^j и
возбужденным (NJ состоянием соответствует закону Больцмана:
где АЕ - разность энергий между состояниями Np и Na, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.
Поскольку АЕ в рассматриваемом случае очень мала, то число ядер
в возбужденном (Л^ состоянии лишь очень ненамного превышает их число в невозбужденном (Nq) состоянии (N > NJ. При напряженности магнитного поля l Т (Тесла) и комнатной температуре АЕ для протона
составляет около 0,021 Дж/моль. Тогда избыток протонов на верхнем уровне, который определяет вероятность перехода, а, следовательно, и интенсивность регистрируемого сигнала, составляет только 0 ,0 0 1 %.
В опытах по ядерному магнитному резонансу помещают ампулы (0 5 мм) с образцом в датчик (ячейку) спектрометра между полюсными
наконечниками магнита (рис. 46).
На образец действуют электромагнитным излучением, частоту которого можно менять, и когда частота излучения совпадает с резонан сной частотой ядра, оно возбуждается. Источником возбуждающего из лучения является радиочастотный генератор (передатчик), а поглощен ная образцом энергия измеряется радиочастотным мостом, после кото рого сигнал усиливается и записывается самописцем. Так получается спектр, по которому методом калибровки можно определить резонансую частоту. Таким образом, ЯМР спектрометр включает все элементы, кото-
ка), или изменяя напряженность поля при постоянной частоте облуче ния полевая развертка), непрерывно меняя ее с помощью катушек раз
вертки, укрепленных на полюсных наконечниках магнита. На практике используют оба метода.
При полевой развертке спектры записывают так, что напряжен ность поля в спектре возрастает слева направо, при частотной развертке при движении слева направо частота понижается, поэтому при обычном движении пера самописца слева направо первыми записывают сигналы ядер с большими резонансными частотами.
Кроме упоминавшихся электромагнитов в ЯМР спектрометрах используются и постоянные магниты, недостатком которых является боль шая чувствительность к изменениям температуры и внешних магнитных полей. Но они не требуют специальной аппаратуры для охлаждения воды, отводящей тепло от электромагнитов.
В последние годы сконструированы ЯМР спектрометры, в кото рых магнитное поле создается сверхпроводящими соленоидами, созда ющими поля значительно большей напряженности (до 10 Т), чем элект ромагниты или постоянные магниты, что резко увеличивает чувствитель ность метода (см. ниже). Однако стоимость и затраты на эксплуатацию таких приборов значительно выше, чем обычных спектрометров, посколь ку соленоид должен постоянно охлаждаться жидким гелием.
Такие высокие напряженности полей соответствуют рабочим час тотам для протонов в интервале 100-500 (и выше) МГц.
Каждый ЯМР спектрометр характеризуется его разрешающей спо собностью (Р: сп.), под которой понимают возможность различить в спек
тре линии, расположенные очень близко одна к другой. Она определяет ся по формуле
Р.сп. = А у(Гц)/у0(Гц),
где А у - ширина сигнала на его полувысоте, vQ- рабочая частота спект
рометра.
Р.сп. современных приборов имеет величину 10~9-10-12 (при диа
метре ампулы 5 мм). Таким образом, чем выше разрешение спектромет ра, тем меньше разность частот двух резонансных сигналов, которые могут быть записаны раздельно, т.е. разрешены.
Тестом на Р.сп. обычно являются линии спектра ПМР ацетальде
гида (одна из внешних линий квартета) или о-дихлорбензола, в спектре которого между второй парой линий должно быть 0 ,4 5 Гц (при v0 = 60
МГц).
М ерой чувствительности прибора является отнош ение сигнал/шум (SIR) в полученном спектре, определяемое по формуле
S/R = 2,5 -А/ Я,
где А - высота самого высокого пика от его вершины до середины «шу мовой» линии, В - высота «шумовой» линии (от самого нижнего уровня
«шума» до самого высокого).
Отношение SIR в современных приборах для ампул в 5 мм нахо
дится в интервале 20-50.
3.12.2. Дополнительные приспособления ЯМР спектрометров
Современные приборы высокого разрешения снабжаются нако пителем, представляющим собой компьютер, в котором спектры могут
когерентно накапливаться, причем накапливаются и шумы, но не коге рентно. Это приводит ктому, что интенсивности полезных сигналов после каждого прохождения спектра (п) складываются, увеличиваясь в л/я раз,
а интенсивность шумов увеличивается в значительно меньшей степени вследствие их некогерентности, суммируясь не после каждого прохож дения. Таким образом, интенсивность полезных сигналов при многократ ном прохождении спектра возрастает значительно быстрее, чем случай ных шумов.
Необходимым условием для применения накопителя является точ ное совпадение резонансных шумов при каждом прохождении спектра, т.е. высокая стабильность магнитного поля и рабочей частоты. Спектро метры, снабженные приспособлением для стабилизации Н0 и vQ, позво
ляют производить накопление в течение нескольких часов и даже дней, так что можно накопить тысячи спектров. По окончании накопления за писывают усиленный спектр.
Накопитель незаменим для записи спектров веществ, труднора створимых или содержащих небольшие количества магнитного изотопа в природном элементе (например, |3С, l5N, 33S и др.), а также веществ,
количества которых измеряются долями миллиграммов.
При регистрации спектра при частотной развертке частота в каж дое данное мгновение времени соответствует данной точке спектра и позволяет получить информацию только об этой точке. Если бы можно было ввести сразу все частоты спектра, то за очень короткий промежу ток времени получили бы гораздо больше информации.
Это достигается применением импульсной спектроскопии с фу- рье-преобразованием, в результате чего получают фурье-преобразован-
ный спектр, соответствующий обычному ЯМР спектру. Время, необхо димое для регистрации такого спектра, на два порядка величины мень-
ше обычного.
При сочетании данного метода и накопителя удается за один и тот же интервал времени улучшить отношение S/ R в 100 раз. Расшифровка накопленного фурье-преобразованного спектра производится с помощью компьютера.
В зависимости от области применения спектрометры ЯМР высо кого разрешения могут быть снабжены другими приборами:
-температурной головкой для записи спектров при низких или высоких температурах и для термостатирования образца;
-оборудованием для записи ЯМР спектров различных магнитных ядер;
-стабилизатором условий резонанса по иным магнитным ядрам (не тем, по которым записывается спектр);
-приспособлением для наблюдения двойного, тройного и т.д. резонанса (гомо- и гетероядерного);
-приборами для шумового подавления спин-спинового взаимодействия;
-ампулами различного диаметра и вида (микроампулы, сферические, с вкладышами и т.д.).
3.12.3. Требования к образцу и подготовка к записи спектра
Первое необходимое условие для получения ЯМР спектра - при сутствие в образце магнитных ядер. Наиболее часто встречающиеся в органической химии магнитные ядра и их характеристики приведены в табл. 5.
Чтобы в спектре получился заметный сигнал, образец должен со держать достаточное количество магнитных ядер.
Для ЯМР спектроскопии требуется значительно больше вещества, чем для УФ- и ИК-спектроскопии или масс-спектрометрии. Необходи мое количество вещества определяется
-видом ядер, по которым необходимо записать спектр (их относитель ная чувствительность к магнитному полю приведена в табл. 4; чем мень ше чувствительность, тем больше вещества необходимо для записи спектра);
-природным (см. табл. 4) или искусственно повышенным содержанием соответствующих ядер в молекуле (для записи ЯМР спектров ацетона
на ядрах ,3С требуется больше вещества, чем на 'Н);
-количеством исследуемых ядер в молекуле (хлороформа необходимо больше, чем хлорметана);
-напряженностью магнитного поля, рабочей частотой и чувствительно стью прибора (чем они выше, тем меньше вещества необходимо).
Для записи спектра ПМР с vQ= 100 МГц при однократной съемке требуется 1 -2 0 мг вещества (при работе с накопителем требуется значи
тельно меньше).
Для записи спектров ЯМР высокого разрешения образец должен находиться в газообразном или жидком с малой вязкостью состоянии. Твердые и подавляющее большинство жидких веществ должны быть ра створены в таком растворителе, который по возможности не закрывал бы спектр растворенного вещества.
Приготовление раствора образца для измерения спектров ПМР довольно просто. Предпочтительнее использовать растворители, не со держащие протонов, однако это ограничение не очень существенно, так как сравнительно легко доступны дейтерированные растворители. Для полярных или слабополярных соединений наиболее подходящим раство рителем является СС14, а для полярных - СНС13. Во избежание наложе ния резонансного сигнала протона хлороформа используется дейтерированный хлороформ (CDC13 с содержанием дейтерия 99,8%). Эти два ра
створителя используются в 90% случаев. Для слаборастворимых в них образцов используются другие дейтерированные растворители: диметил- сульфоксид-б6, ацетон-с!6, ацетонитрил-с!3, бензол-с!6, D20 . Свойства наи
более часто используемых растворителей приведены в табл. 16.
|
|
|
|
Таблица 16 |
Растворитель |
|
Т.кип., |
Т.пл., |
Хим. сдвиг, |
Название |
Формула |
°c |
°C |
6 , м.д. |
Тетрахлорид углерода |
СС14 |
76,8 |
-2 2 ,8 |
- |
Хлороформ |
СНС13 |
61,3 |
-111,5 |
7,27 |
Хлороформ-d |
CDC13 |
|
|
|
Диметилсульфоксид |
(C H 3)2s o |
189,0 |
18,4 |
2,58 |
Диметилсульфоксид-с16 |
(C D 3)2SO |
|
|
|
Ацетонитрил |
C H 3 C N |
82,0 |
-45,7 |
1,95 |
Ацетонитрил-бз |
C D 3 C N |
|
|
|
Ацетон |
(C H 3),C O |
56,5 |
-95 |
2,05 |
Ацетон-с16 |
(C D 3),C O |
|
|
|
Тетрахлорэтилен |
C 2 C14 |
187 |
ВОЗГ. |
5,35 |
Метиленхлорид |
C H 2 C12 |
40,1 |
-95,1 |
|
1,4-Диоксан |
C 4 H 8 0 2 |
101,5 |
1 2 ,0 |
3,68 |
1,4-Диоксан-с18 |
C 4 D g 0 2 |
|
|
1,43 |
Циклогексан |
C6H,2 |
81,4 |
6,5 |
|
Бензол |
C6H6 |
80,1 |
5,5 |
7,27 |
Бензол-б6 |
C 6 D 6 |
|
|
|
Растворитель |
|
Т.кип., |
Т.пл., |
Хим. сдвиг, |
Название |
Формула |
°с |
°С |
6 , м.д. |
Пиридин |
C5HJN |
115,3 |
-42,0 |
6 ,9-8,5 |
Вода |
Н20 |
1 0 0 ,0 |
0 ,0 |
4,8 |
Тяжелая вода |
D 2O |
|
|
|
Трифторуксусная кислота |
CF3COOH |
72,4 |
-15,3 |
1 1 ,6 |
Сероуглерод |
cs2 |
46,3 |
-1115 |
- |
Диоксид серы |
so2 |
- 1 0 ,0 |
-75,5 |
- |
В некоторых дейтерированных растворителях присутствуют не большие (не более 0,5%) количества недейтерированного вещества, да ющие, как правило, слабые сигналы с теми же химическими сдвигами, что и сигналы недейтерированных веществ.
Интенсивность сигнала можно повысить, работая при высоких температурах, когда растворимость существенно увеличивается. Но при более высокой температуре, согласно закону распределения Больцмана, ядерные уровни сближаются в большей мере, чем при низкой. В резуль тате этого чувствительность метода при 150°С составляет приблизительно половину от чувствительности при 40°С, а при -100°С почти вдвое пре вышает ее.
При выборе растворителя следует учитывать и тот факт, что иног да исследуемое вещество получают в ЯМР-ампуле путем реакции исход ного вещества с растворителем или вторым компонентом. Так, протонированные кетоны получаются в трифторуксусной кислоте, а простые карбокатионы впервые непосредственно наблюдались при взаимодействии арилфторидов с SbF5 с образованием соответствующих алкилгексафторантимонатов: R-F+SbF5->R+[SbFJ". Аналогичные результаты наблюда
ются при использовании и других суперкислот, в том числе и «магичес кой» кислоты - H 0 S 0 2F SbF5. В этих случаях выбор растворителя - это не просто стандартная процедура, поскольку в подобных примерах ЯМРампулы используются в качестве «реакционного сосуда».
Сигналы труднорастворимых веществ часто лишь едва заметны, так как в образце содержится недостаточное количество магнитных ядер. В таких случаях полезно увеличить объем образца, т.е. использовать ам пулы большего, чем 5 мм диаметра; если допустима небольшая в таких случаях потеря разрешения, работать с расплавами или использовать накопитель.
Чтобы приготовить образец для съемки, 20-30 мг или около 50 мкл вещества помещают в ампулу с внешним диаметром 5 мм, растворя
ют это вещество в « 0 ,5 мл растворителя и добавляют эталонное веще
ство, обычно ТМС или ГМДС. (Поскольку ТМС имеет низкую темпера туру кипения (27°С) и высокое давление паров, с ним трудно работать в малых количествах. Поэтому нужно иметь заранее приготовленные 5%(об.)-ные растворы ТМС в наиболее часто используемых растворите лях). Высота заполнения ампулы - около 4 см.
Выбор эталонного вещества, как и растворителя, определяется исследуемой системой и результатами, ожидаемыми от спектра. Так, ис пользование ТМС иили ГМДС для производных циклопропанона, а так же соединений, содержащих триметилсилильные группы, может приве сти к перекрыванию резонансных сигналов образца и эталона. Поэтому в этих случаях в качестве растворителя и эталона используют циклогек сан, метиленхлорид, бензол и другие соединения с точно известными хи-мическими сдвигами протонов. В водных растворителях как эталон можно использовать 1,4-диоксан или /я/?е/и.-бутиловый спирт, но особенно удобно использовать частично дейтерированный 3-метилсилилпропионат натрия (CH3)3Si-CD 2-C D 2-COONa, сигнал которого в шкала б в водных
или мета-нольных растворах находится точно при 0 м.д., как и у ТМС.
Рис. 47 Типы ампул, используемые в ЯМР для различных целей (для ра боты с внутренним эталоном -а ,г,д (микроампула), е\ для рабо ты с внешним эталоном - б, в, э/с; ампула с вкладышем - г; ампу- лы-«реакторы» - е, ж)
3.12.4. Измерение спектров при различных температурах
По ряду причин бывает необходимо регистрировать спектры ЯМР при различных температурах. Основные приложения этих эксперимен тов состоят в изучении зависимости формы линий от температуры, в ре зультате чего получают информацию о константах скоростей внутри- и межмолекулярных перегруппировок (раздел 3.9) и детектируют стабиль ные интермедиаты. С повышением температуры можно улучшить раство римость плохо растворяющихся веществ (см. раздел 3 .1 2 .3 ).
Современные спектрометры, как правило, оборудованы датчиком с возможностью варьирования температуры от -170 до +220°С.
Для проведения этих измерений образец, охлажденный в проточ ной камере, охлаждаемой жидким азотом или нагретый с помощью элек трической печи, подается в датчик. Температура потока газа проверяется с помощью термопары и регулируется автоматически. Другая система охлаждения для низкотемпературных измерений основана на использо вании газового потока испаряющегося жидкого азота, охлаждающего образец, и температура измеряется путем варьирования потока газа. Пред ложена и методика, основанная на эффекте Джоуля-Томпсона, когда ох лаждение осуществляется за счет внезапного расширения газа, находя щегося под давлением. Теплообменник, где газ предварительно (до рас ширения) охлаждается газом, уходящим из камеры, допускает возмож ность понижения температуры до -1 10°С.
В идеальном случае измерение температуры можно было бы про водить в самой ампуле, но из-за технических трудностей это не всегда возможно. На практике температуру измеряют термопарой, находящей ся в потоке азота у нижнего конца ампулы, или с помощью регистрации спектров стандартных образцов метанола или этиленгликоля до и после записи спектра образца. Для этих соединений различия в химических сдвигах A V (B Г ц) сигналов протонов СН3или СН2-групп и ОН-групп
являются температурно-зависимыми. Точные измерения привели к соот ношениям, справедливым для спектрометров с vQ= 60 МГц.
Низкие температуры, метанол:
175-225 К: Т = 537,4 - 2,380 А и, 220-270 К: Т = 498,4 - 2,038 zlц
265-313 К: Т = 468Л - 1,810-4 к Высокие температуры, этиленгликоль:
310-410 К: Т = 466,0 - 1,694 А к
Эти уравнения дают ошибку, не превышающую ±0,5°С для чис тых образцов обоих веществ, в которых расщепления, обусловленные
спин-спиновым взаимодействием, исключались путем добавления сле дов (0,03%) концентрированной соляной кислоты.
Если сигналы протонов метанола или этиленгликоля не перекры ваются с сигналами протонов образца, то наиболее точные температур ные измерения в области от - 1 10 до +140°С проводятся с помощью ампу лы в (рис. 4 7 ), когда капилляр содержит метанол или этиленгликоль. При
этом температура измеряется одновременно с записью спектра.
Выбор растворителя при проведении температурных измерений
представляет собой специальную проблему. Для высоких температур используют диметилсульфоксид (т.кип. 189°С), гексахлорбутадиен-1,3 (т.кип. 214-216°С), декалин (декагидронафталин, т.кип. 195-196°С), нит робензол (т.кип. 210-211°С). В этих экспериментах тетраметилсилан как эталонное вещество, заменяют другим эталоном, например 1,3,5-гекса кис (тридейтерометил)-1,3 ,5 -трисилациклогексаном (т.кип. 208°С, S =
0,327 м.д., с). При низких температурах в качестве растворителей ис пользуют ацетон-с!6 или сероуглерод (возможно в смеси с хлороформом),
что позволяет получать температуры до -100°С. Ниже -100°С применя ют бромтрифторметан (т.кип. -58-н-57°С) или дифтордихлорметан (т. кип. -28°С), диметиловый эфир (т.кип. -138,5°С) или сероокись углерода (т.кип. -138°С). Часто удовлетворительных результатов можно добиться только с помощью смеси нескольких растворителей.
3.13. Примеры задач, реш аем ы х с пом ощ ью
ЯМ Р спект роскопии
3.13.1. Задачи с решениями
Пример 20. Сделать отнесение сигналов в спектре ПМР 2-нитро бутана, имеющих химические сдвиги (S\ТМС) при 0,95; 1,50; 1,95 и 4,70
м.д. и рассчитать их мультиплетность (здесь и далее учитывается взаи модействие через две или три связи).
d e b a
В 2-нитробутане - СН3—СН2— CH(N02)— СН3 в самых силь
ных полях (0,95 м.д.) резонируют протоны <7, сигнал которых расщеплен в триплет от протонов соседней СН2-группы (N = n+ I). Протоны другой метильной группы (a), чуть более деэкранированные, чем протоны d, в
спектре дают дублет (расщепление от СН-группы) при 1,50 м.д. Прото ны СН2-группы резонируют при 1,95 м.д. и их сигнал прописывается в виде мультиплета, содержащего 8 линий [(3+1)х(1 + 1)]. Наиболее деэкранированным протоном (4,70 м.д.) является протон b (действие элект
роноакцепторной нитрогруппы), который взаимодействует с двумя по