Глава 6

РАСШИФРОВКА СПЕКТРОВ ЯМР

Под термином «расшифровка спектра» обычно понимают различ­ные процедуры, связанные с обработкой экспериментального спект­ра (выделение сигналов, определение значений спектральных па­раметров, отнесение сигналов к определенный ядрам и т. д.) и интерпретацией спектру (установление структуры исследуемого вещества). В гл. 6 будут рассмотрены методы расшифровки спект­ров ЯМР *Н (§ 1—5) и ^I3C—{‘Н} (§ 6—8), представляющие наибольший интерес для химика-органика. Для того чтобы полнее охватить комплекс методов расшифровки, будет изложен анализ спектров ЯМР ‘Н с использованием стационарного ЯМР, а анализ спектров ЯМР ¹³С — {^!Н} — с использованием импульсной Фурье- спектроскопии.

§ 1. Предварительная обработка обзорных спектров ЯМР >н

Распространенная и весьма важная стадия анализа обзорного спектра — предварительная обработка, включающая выделение' сигналов и ^групп сигналов в спектре, приближенное измерение химических сдвигов, интегральных интенсивностей и форм мульти- плетов.

1. Калибровка спектра

Анализ спектра, начинают с установления шкалы химических сдвигов. Для этого необходимо определить масштаб и нуль шкалы.

Масштаб. Масштаб, или цена деления, выражается в м.д./мм шкалы (иногда в Гц/мм шкалы). Практически все современные спектрометры ЯМР используют калиброванные бланки, на кото­рых масштаб шкалы устанавливается заранее. Обычно длина бланка L составляет 300—500 мм. Масштаб шкалы сдвигов опре­деляется из соотношения

M=(SW)/L,

где SW — ширина спектра (в Гц или м.д.). Для обзорных спектров с SW=600—1000 Гц масштаб М составляет примерно 1—3 Гц/мм.

Нуль шкалы. В спектроскопии ЯМР ‘Н используется обычно ■6-шкала ТМС (или иногда t-шкала; гл. 3, § 2). Для установления нуля шкалы необходимо определить положение сигнала ТМС в спектре. Способы определения нуля шкалы зависят от типа ядер­ной стабилизации и способа эталонирования химического сдвига. При использовании внутренней стабилизации по ТМС область, близкая к нулю шкалы, обычно не регистрируется из-за биений основной и контрольной частот. В этом случае нуль шкалы уста­навливается по значениям меток частоты. В тех случаях, когда исследуемый раствор не содержит ТМС, нуль шкалы устанавли­вают с помощью вторичных эталонов, используя данные о хими­ческих сдвигах этих эталонов в 6-шкале (табл. 3.1).

Точность калибровки спектра. Точность калибровки опреде­ляется типом стабилизации, типом эталонирования и некоторыми условиями записи спектра. Важнейшие источники ошибок пере­числены ниже.

1. Случайные ошибки, обусловленные выбранным масштабом.

2. Систематические ошибки из-за использования линейной экс­траполяции шкалы.

3. Дрейф (для внешней стабилизации и других недостаточно эффективных систем стабилизации). Дрейф резонансных условий приводит к искажению масштаба шкалы, что обнаруживается при повторной (или многократной) записи спектров.

4. Ошибки в результате использования других эталонов. К та­кой методике следует относиться с известной осторожностью, по­скольку вторичные эталоны могут испытывать влияние специфи­ческих межмолекулярных взаимодействий.

2. Сигналы и группы сигналов

%

В общем случае спектр ЯМР 'Н может быть представлен в виде суперпозиции отдельных сигналов, имеющих форму, близкую к лоренцовой. Однако на практике разложение спектра на отдель­ные сигналы или линии вызывает значительные трудности. Рас­смотрим этот вопрос несколько подробнее.

Прежде всего в стационарном ЯМР идеальная лоренцова фор­ма может быть возмущена из-за эффектов быстрого прохождения. Возможны и другие аппаратурные искажения, в частности непра­вильная установка фазы сигнала, влияние неоднородности магнит­ного'поля, наличие боковых сигналов от вращения.

Принципиально важным источником возмущения формы линии являются процессы химического обмена (гл. 4). В области проме­жуточных скоростей обмена контур линии не может быть пред­ставлен в виде суперпозиции лоренцовых форм, и требуется более точный анализ с помощью уравнений Блоха—Мак-К.оннела.

Наконец, достаточно общим фактором, определяющим контур экспериментального спектра, является перекрывание близких сиг­налов. При этом линии идеальной лоренцовой формы могут об­разовывать контур сложной формы. Разложение такого контура на отдельные линии лоренцовой формы может представить серьез­ные трудности.

Во многих случаях на стадии предварительной обработки достаточно разбить спектр ЯМР ^!Н на группы сигналов. Группой сигналов называют один или несколько сигналов (т. е. мультипле- тов), отделенных от других групп сигналов промежутком, не со­держащим каких-либо сигналов. Отдельные компоненты группы сигналов могут быть обусловлены сигналами химически неэкви­валентных протонов. Другая причина возникновения мультипле- та — спин-спиновые расщепления. Для спиновых систем, не содерт жащих ядер ¹⁹F, ³¹Р (или не обогащенных по изотопу ¹³С), вы­деление групп сигналов позволяет провести приближенное раз­деление протонов образца на отдельные группы.

При осмотре спектра следует вначале идентифицировать сиг­нал ТМС (обычно крайний справа, т. е. в сильных полях), сигна­лы растворителя и известных компонент раствора. Сигналы раст­ворителей идентифицируют по значению химического сдвига (гл. 3, табл. 3.1) или по форме соответствующих мультиплетов. Следует идентифицировать также известные компоненты раствора (добав­ки GF3COOH, Н₂0, шифт-реагенты).

3. Интегрирование

Обзорный спектр, как правило, дополняют записью интегральной функции

V

I(v_H) = A j g(v)dv, (6.1)

^VK

где v_K — нижний предел интегрирования, представляющий собой верхнюю границу резонансных частот (как правило, интеграль­ную функцию записывают слева направо, т. е. в сторону умень­шения резонансных частот). Если нижняя и верхняя границы диапазона интегрирования выбираются так, чтобы весь исследуе­мый спектр оказался внутри диапазона, то соответствующее зна­чение интеграла называется полным.

Для. индивидуальных соединений вводится понятие протонной единицы (п.е.)

1п.е⁼⁼1полн/N, (6.2)

где N — число протонов в соединении. При этом физический смысл приобретает доля интеграла

V>

Pi — f 8 (^v) dv/1 ПОЛИ) (6.3)

где область интегрирования ограничена диапазоном резонансных частот i-той группы сигналов. Для смеси m компонент с мольными долями pi и числами протонов Ni п.е. интеграла определяется так:

In.с. —*1полн/Л^ — 1пол„/£ PiN(. (6.4)

/=1

Ошибки интегрирования. Следует различать систематические и случайные ошибки интегрирования. Наиболее распространены систематические ошибки следующих типов: а) перекрывание сиг­налов, что вызывает ошибки в определении доли интеграла;

б) дрейф «нуля» интеграла, что приводит к характерным, накло- •нам кривой 1(у)(гл. 5, рис. 5.16,3); в дрейф резонансных уело* вий, что сопровождается смещением кривой I(v) отндсительно спектра g(v).

Случайные ошибки являются следствием нестабильности Элек­тронного интегратора и шумов приемных схем. Величина случай­ной ошибки, приведенная к стандартной концентрации раствора, является важной характеристикой спектрометра. Абсолютная ве­личина ошибки (среднеквадратичное отклонение или дисперсия) интегрирования cti может быть определена с помощью статисти­ческой обработки серии измерений.

Отношение интегральных интенсивностей двух сигналов пред­ставляет интерес для количественного анализа, например при ис­следовании констант равновесия форм А и В:

СПЕНТРОСНОПИЯ ЯМР 1

. дН% _т л г. 8

М, 31

^/z==it^mh 44

у_х, 63

= С^^к' 115

. (j). — 0^^н‘ 115

HJ_ II 144

l/L 197

JU 202

2 (-^-) ^Лр>=^vj—<⁶-²¹> 245

откуда видно, что относительная ошибка имеет минумум при К=\.

4. Определение приближенных значений химического сдвига

В большинстве случаев группа сигналов может быть охарак­теризована одним значением химического сдвига в 6-шкале. Для симметричных групп сигналов химический сдвиг определяется по положению центра симметрии. Для несимметричных мультипле- тов приближенное значение химического сдвига соответствует положению «центра тяжести» мультиплета. Центр тяжести груп­пы сигналов находят с помощью интегральной кривой.

Рассмотрим процедуру предварительной обработки типичного обзорного спектра ЯМР ’Н (рис. 6.1, там же дана интегральная кривая). Об образце и спектрометре известно следующее.

Образец. Раствор в CCU органического соединения неизвестной струк­туры (~50 мг в 0,5 мл раствора). К раствору добавлен ТМС.

Спектрометр. Varian HA-100D, частота ЯМР 'Н — 100 МГц; непре­рывный режим, внутренняя стабилизация по сигналу ТМС, ширина развертки 1000 Гц.

дена б-шкала химических сдвигов, масштаб (м. д.), метка частоты 50 Гц от ТМС. Интегральная кривая разбита на «ступени», приведена ведичииа «сту­пени» в мм «/-координаты. Вертикальными стрелками обозначены приближен­ные положения химических сдвигов групп сигналов А—F

Спектр. В правой части спектра оператором дана метка частоты: 50 Гц от ТМС. Согласно принятым критериям (гл. 5, § 2) качество спектра удовлет­ворительно.

"Калибровка шкалы. Для спектрометра Varian HA-100D ширина спектра 1000 Гц соответствует масштабу 2 Гц/мм или 1 м. Д./50 мм (длина калибро­ванного бланка L равна 500 мм). На рис. 6.1 приведен масштабный• отрезок, равный 1 м. д. Используя значение метки частоты 50 Гц и цену деления, опре­деляют положение нуля шкалы (6=0,0 м. д.). На прямой, параллельной базис­ной линни спектра, проводят разметку шкалы (через 1 м. д.). Изучаемый спектр находится в пределах от 0,5 до 10,8 м. д. Поскольку спектр записан с использованием внутренней стабилизации по сигналу ТМС, можно пренебречь дрейфом и неточностью в определении нуля б-шкалы. Случайные ошибки в из­мерении химических сдвигов и констант спин-спииового взаимодействия могут быть обусловлены мелким масштабом спектра и достигать ±2 Гц. Системати­ческие ошибки могут быть вызваны линейной экстраполяцией шкалы в область слабых полей, однако эти ошибки невозможно оценить из одного эксперимента.

Выделение групп сигналов. В спектре (рис. 6.1) легко идентифицируются шесть групп сигналов, отмеченных буквами A—F. Сигнал ТМС в спектре от­сутствует; раствор не содержит дополнительных протонсодержащих компонент. Следовательно, все шесть групп сигналов А—F должны относиться к исследуе­мому веществу.

Интегрирование. Наиболее четкие «плато» интеграла обнаруживаются в следующих областях спектра: 1) до сигнала А; 2) между сигналами А я В; 3) между сигналами С и D«B остальных случаях имеется больший или мень­ший наклон «плато». В области за сигналом F наблюдается сильное «сполза­ние» интеграла.

Определение химических сдвигов групп сигналов. Химические сдвиги сиг­налов Л—F находят по положениям приближенных центров симметрии этих сигналов.

Результаты предварительного анализа спектра, приведенного на рис. 6.1, суммированы в табл. 6^1.

Таблица 6.1

Результаты предварительной обработки экспериментального спектра ЯМР ¹Н*

Группа сигналов	* Доля интеграла	Химический сденг м. д. (6-шкала)
А	0,094	9,30
В	0,094	6,65
С	0,094	5,90
D	0,193	2,30
Е	0,212	1,55
F	0,312	0,95

* Спектр приведен на рис. 6.1.