Перенос поляризации с одних ядер на другие

Другая важная группа многоимпульсных экспериментов включает в себя методы переноса поляризации с одних ядер на другие для усиления «чувствительности» некоторых из них. Напоминаем, что такие ядра как ¹³C или ¹⁵N имеют небольшую чувствительность из-за своего низкого естественного содержания в природе и маленького гиромагнитного соотношения γ. Последнее при данном B₀, определяет разность энергий между двумя спиновыми состояниями. Так как гиромагнитное отношение протона почти в четыре раза больше такового ядра ¹³С, разность в заселенности находится в той же пропорции. Если какую-то часть поляризация протонов можно перенести на менее чувствительные ядра, то сигнал последних усилится. Иными словами при таком переносе «сильные» ядра служат донорами, а «слабые» ядра – акцепторами поляризации.

Способы переноса поляризации основаны на эффекте Оверхаузера (NOE), действующего через пространственные дипольные взаимодействия и на эффектах спинового взаимодействия.

Ядерный эффект Оверхаузера

Перенос поляризации между спинами в пространстве через диполь-дипольное взаимодействие называется эффектом Оверхаузера. Процедура переноса для системы из двух спинов показанa на рис. K2.19. Насыщающее радиочастотное поле прилагают к системе спинов S с высоким гиромагнитным соотношениям γ. Результирующее перераспределение заселенности может приводить как к усилению поляризации спинов I, при условии, если процесс релаксации благоприятен, так и к их ослаблению. В случае усиления (именно к этому, как правило, стремятся) перенос поляризации называется ядерным усилением с использованием эффекта Оверхаузера (NOE).

Рис. К2.19. Схематическое представление NOE. Молекула содержит два неэквивалентных спина I и S без скалярного взаимодействия, поэтому ЯМР-спектр состоит из одного синглета при каждом значении химического сдвига. (а) Традиционный спектр двух соседних спинов S и I. (б)-(г) Возможные спектры, полученные при насыщении резонанса S: пик I становится сильнее (б), слабее (в), или отрицательным (г) в зависимости от условий

В одномерном ЯМР, NOE можно наблюдать различными способами, каждый из которых включает приложение селективного радиочастотного импульса для одного резонансного пика в системе, содержащей их два или более. Количественно, NOE выражается в терминах относительного увеличения интенсивности сигнала:

NOE = (I –I₀)/I₀ (K2.7)

где I и I₀ – интенсивности линии с и без усиления за счет эффекта Оверхаузера.

NOE и межъядерные расстояния

Для понимания принципа работы NOE рассмотрим систему из двух протонов в молекуле, один из резонансных пиков которой насыщен, как это было описано выше (Рис. K2.20). Вследствие модуляции диполь-дипольного взаимодействия между двумя спинами, вызванным броуновским движением молекул, уравнение, описывающее NOE, имеет две принципиально разные составляющие:

NOE ~ f(r_IS)∙f(τ_c) (K2.8)

Первая составляющая, f(r_IS) - функция расстояния r_IS между протонами, а вторая, f(τ_c) – функция времени вращательной корреляции молекулы τ_c.

Рис. К2.20. Основа NOE-экспериментов. r_IS – расстояние между протонами I и S

Обсудим сначала составляющую f(r_IS). Она представляет собой эффект кросс-релаксации из-за диполь-дипольного взаимодействия:

.

Соотношение между наблюдаемым внутримолекулярным NOE и межъядерным расстоянием имеет вид:

f_I(S) = 1/(2 + A r⁶_IS) (K2.9)

где r_IS – расстояние между протоном I (за резонансным пиком которого мы наблюдаем) и протоном S (резонансный пик которого насыщается), а A – константа. Соотношение показывает, что величина эффекта NOE обратно пропорциональна шестой степени расстояния между протонами. Такая зависимость подтверждена экспериментально посредством исследований одиночных протон-протонных взаимодействий и взаимодействий между протоном и протонами метильной группы в ряде молекул, сходных с алкалоидами.

Из уравнения K2.9 следует принципиально важный вывод, что NOE проявляется только между очень близкими ядрами, расстояние между которыми меньше 5Å. Малые расстояния ограничивают сферы приложения NOE, но обеспечивает высокую специфичность при интерпретации (соотнесении) протонных ЯМР-пиков.

Спиновая диффузия – причина одной из фундаментальных трудностей, которые возникают, когда пытаются коррелировать интенсивности NOE с межмолекулярными расстояниями. В сети подобных спинов макромолекулы, движущейся с корреляционным временем τ_c, таким, что ωτ_c>1, диффузия в течение двух или нескольких последовательных кросс-релаксационных шагов может значительно влиять на наблюдаемый сигнал.