§ 5. Дополнительные методы анализа спектров ямр н

Для расшифровки сложных спектров ЯМР *Н дополнительно ис­пользуют различные вспомогательные экспериментальные про­цедуры. Некоторые из этих процедур описаны ниже.

1. Повышение эффективного разрешения

В непрерывном режиме более точное измерение химических сдви­гов (до ±-0,001 м.д.) и констант спин-спинового взаимодействия (до ±0,1 Гц) становится возможным при использовании меньших диапазонов развертки и больших времен прохождения спектра. Для достижения лучшего разрешения (0,1—0,05 Гц на современ­ных спектрометрах) используют крупный масштаб записи (25— 50Гц на всю шкалу). При ширине линии 0,1 Гц требуется не менее 10—20 с для ее прохождения, т. е. более суток на прохож­дение Диапазона в 1000 Гц. Таким образом, регистрация высоко­качественного спектра ЯМР 'Н прежде всего связана с большими затратами времени.

При необходимости улучшения эффективного разрешения сле­дует обращать внимание на следующие условия:

а) гомогенность образца, качество ампулы, заполнение ампу­лы (отсутствие мениска при вращении);

б) запаивание образца ,в ампуле (с тем, чтобы избежать из­менения концентрации вещества в растворе вследствие испарения);

в) обезгаживание и вакууммирование образца (для этого ис­пользуют вакуумную линию и удаляют растворенный в образце кислород и другие газы путем серии последовательных выморажи­ваний, испарений и скачивании);

г) устойчивая работа ядерной стабилизации (максимальна высокое разрешение достигается только при использовании одно­образцовой (внутренней) стабилизации). '*

2. Повышение чувствительности

Повышения чувствительности или отношения сигнал/шум можно добиться с помощью следующих методов:

а) увеличения количества исследуемого вещества в растворе;

б) оптимизации условий записи (уровень ВЧ-поля, фильтр, скорость прохождения);

в) использования других спектрометров (с более высокой чув­ствительностью) ;

г) накопления спектров.

Возможность использования метода а) определяется доступ­ностью вещества или его растворимостью в данном растворителе. Довольно часто эти факторы являются лимитирующими. Оптими­зация условий регистрации (по сравнению со стандартной про­цедурой) может привести к 2—3-кратному увеличению чувстви­тельности, однако обычно это дается ценой ухудшения эффектив­ного разрешения. Использование других спектрометров с большей чувствительностью (например, спектрометров с большими резо­нансными частотами), разумеется, определяется доступностью этих спектрометров. Наконец, накопление сигналов может быть проведено с помощью соответствующего оборудования (ЭВМ, многоканальных анализаторов) и программ.

Существенным прогрессом в отношении роста чувствительности является использование импульсной Фурье-спектроскопии на яд­рах ¹Н (гл. 5, § 4). Выше указывалось, что в стандартных усло­виях для регистрации спектра требуется не менее 10 мг вещества с молекулярной массой 300—500. Однако рекордные показатели, достигнутые с помощью импульсной спектроскопии, поистине фан­тастичны: имеются сообщения о регистрации спектров с нормаль­ным уровнем сигнал/шум 1—10 мкг вещества с молекулярной массой ~300.

3. Варьирование растворителя

При варьировании растворителя обычно преследуют следующие цели:

а) повышение растворимости вещества;

б) исключение линий исходного растворителя, ранее' маски­ровавших интересные участки спектра;

в) индуцирование сдвигов от растворителя, позволяющих сдви­нуть линии спектра, что в отдельных случаях упрощает отнесение линий спектра. Распространенный частный случай представляют собой ароматические растворители — бензол, толуол и другие, сдвигающие сигналы растворенного вещества в сильные поля;

г) расширение температурного диапазона изучения спектров ЯМР.

Практические рекомендации по пбдбору растворителей даны в гл. 5 (§ 2).

4. Использование специальных сред

Применение специальных (т. "е. химически активных) сред при­водит иногда к устранению неоднозначностей в Интерпретации спектров ЯМР >Н. Наиболее типичные случаи анализируются ниже.

а. Добавки кислот (например, CF3COOH) приводят к увели­чению скорости обмена кислых протонов в спиртах, фенолах, ами­нах и т. д. При добавлении кислот сигналы этих протонов су­жаются и, как правило, несколько смещаются.

б. Некоторые растворители могут привести к уменьшению ско­рости» протонного обмена. Так, при наличии нескольких^гидро­ксильных групп взаимный обмен приводит к образованию единой линии ОН группы в спектре. При растворении в димешлсульфо- ксиде отдельные ОН группы стабилизируются водородными свя­зями с этим растворителем. При этом взаимный обмен прекра­щается и удается обнаружить неэквивалентные ОН группы соеди­нения.

в. Растворители, приводящие к протонированию органического соединения R, фактически являются донорами кислого протона Н+. Реакция протонирования

R+H+^(RH) +

представляет собой, как правило, быстрый и обратимый процесс. В этом случае наблюдаемые спектральные параметры усреднены в соответствии с содержаниями форм R и (RH)+. Сравнение спектров исходного (R) и протонированного (RH)+ соединений иногда позволяет сделать выводы о структуре исходного соеди­нения.

5. Варьирование температуры

Варьирование температуры образца позволяет решить следующие задачи:

а. При увеличении температуры можно повысить. раствори­мость вещества, а следорательно, и уровень сигналов.

б. Варьирование температуры необходимо при анализе дина­мических процессов в молекулах (гл. 4).

в. Изменение температуры используется при анализе систем, находящихся в условиях быстрого равновесия (гл. 7, § 3).

6. Дейтерированные аналоги

Спектры ЯМР >Н существенно упрощаются, если один или не­сколько атомов водорода исследуемого соединения замещены на дейтерий. Разумеется, спектр дейтерированного аналога не содер­жит -информации о химических сдвигах замещенного протона и о константах спин-спинового взаимодействия с этиМ протонов. За­мена протона на дейФерий приводит не только к исчезновению соответствующих сигналов в спектре ЯМР ^!Н, но и к слабому смещению сигналов геминальных протонов в сильные ноля (при­мерно на 0,002 м. д.). Эти смещения получили название при­тонных изотопных сдвигов. Кроме того, константы /нн для заме­щаемого протона заменяются на константы /hd, причем /hd= = (1/6,5)/нн- При наличии одного дейтерия спектр геминального протона представляет собой триплет (1:1:1) с расщеплением около 2 Гц при константе /нн. равной примерно 12 Гц (гл. 3, § 5). При наличии двух дейтериев спектр геминального протона (на­пример, для фрагмента CHD2) выглядит как квинтет с относи­тельными интенсивностями (1:2:3:2:1). Вицинальные константы •^нн, равные 6—7 Гц, и более далекие константы, как правило, не обнаруживаются в спектрах, так как линии спектра ЯМР ‘Н дейтерированных соединений обычно содержат уширение из-за скалярной релаксации. Для снятия этих уширений эффективно используется гетероядерный двойной резонанс ‘Н—- {²D}.