Химический сдвиг

Спектр ЯМР ¹Н представляет собой систему сигналов протонов водорода (в виде пиков) в определенной области спектра. Положение сигналов протонов зависит от многих факторов.

Для примера рассмотрим спектр ЯМР смеси соединений. В качестве стандарта (эталона) в спектроскопии ЯМР используют сигнал протонов тетраметилсилана (ТМС) химический сдвиг которого принимается равным нулю.

Возможно применение и других доступных дейтерированных веществ: цикло-гексана, бензола, хлороформа, гексаметилдисилоксана (ГМДС) значение химического сдвига которых по отношению к ТМС известны.

Химическим сдвигом называют разницу между сигналами эталона и исследуемым веществом. Величина химического сдвига определяется как частное от деления величины химического сдвига на рабочую частоту прибора

где  - расстояние от наблюдаемого сигнала до эталонной линии спектра, измеряемое в Гц.

Положение сигнала () может быть выражено в единицах частоты  Герцах (Гц) или безмерных единицах напряженности (Н_о) магнитного поля – миллионных долях (м.д.) 1 м.д.= 60Гц (при напряженности прибора 60 Мгц). Если сигнал исследуемого протона находится в более слабом поле, чем сигнал ТМС, то  имеет знак плюс, в более сильном знак минус. Эту разность резонирующих частот можно измерить очень точно. Для химических сдвигов были введены две шкалы  и  Диапазон  шкалы 20 м.д.;  = 10-. В настоящее время применяется шкала .

Химический сдвиг в спектре ЯМР позволяет отличать все химически неэквивалентные протоны и, следовательно, является важным параметром, несущим информацию о строении вещества, т.к. дает возможность определить наличие той или иной водородсодержащей группы в органическом соединении. Сигналы протонов, в зависимости от их природы, имеют определенное положение в области спектра, интенсивность и форму.

Положение химического сдвига. Появление сигнала протона в той или иной области спектра зависит от: экранирования протона, от электроотрицательности заместителей, типа гибридизации атома углерода при котором находится протон, молекулярных магнитных полей, пространственного взаимодействия атомов.

Экранирование. Рассмотрим ЯМР спектр тетраметилсилана (СН₃)₄Si (ТМС), триметиламина (СН₃)₃N (ТМА), диметилового эфира (СН₃)₂О (ДМЭ):

Рисунок – Спектр ЯМР ¹Н эквимольной смеси: ТМС (, 0 м.д.); ТМА (, 2,12 м.д.); ДМЭ (, 3,27 м. д.)

Отметим, что все эти соединения содержат однотипные метильные группы:

Протоны СН₃ группы эквивалентны между собой и с протонами других ме-тильных групп, а следовательно будут иметь только один сигнал. Однако в спектрах ЯМР этих соединений протоны однотипных метильных групп имеют различные значения химического сдвига. Величина химического сдвига зависит от степени экранирования ядра электронами и электроотрицательности соседних атомов и групп. Такое явление получило название эффекта «электроотрицательности». Ядра атомов водорода метильной группы ТМС более экранированы, чем протоны ТМА и ДМЭ, что связано с электроноакцепторными свойствами атома азота и кислорода, а кремний обладает электронодонорными свойствами. Сигналы протонов СН₃ групп, связанных с электронодонорным атомом выходят в более сильном, а связанных с электроотрицательными группами в более слабом поле, причем, чем больше смещение электронной плотности, тем в более слабом поле выходит сигнал.

Таким образом, в молекулах на величину экранирования ядер оказывают влияние, как собственные электроны данного атома, так и электроны соседних атомов, а именно локальные поля, обусловленные движением электронов у соседних атомов, и поля, создаваемые межатомными токами. Экранирование ядра выражается через константу экранирования (), которая оказывает существенное влияние на расположение сигнала протонов в спектре  = Н_о (_эт-) - где Н_о - резонансное поле протонов эталонного соединения ТМС =10⁶ (_эт-). Константа экранирования характеризует окружение ядра. Чем больше электронная плотность вокруг ядра водорода, тем больше его константа экранирования (магнитное экранирование), а следовательно тем более сильнопольным будет его химический сдвиг. Акцепторные группы будут уменьшать константу экранирования и поэтому протоны, располагающиеся рядом с ними, будут иметь слабопольные сигналы. Отсюда следует, что сигналы более экранированных ядер протонов находятся в более сильном поле, и наоборот.

Протоны, входящие в состав одной молекулы, но отличающиеся природой соседних атомов или групп, также отличаются степенью экранирования. Каждый неэквивалентный протон в молекуле органического соединения будет иметь свой сигнал. Например, молекула метилового спирта имеет четыре протона. Протоны метильной группы эквивалентны, а следовательно будут проявляться в спектре ЯМР одним сигналом:

Рисунок – Спектры ЯМР ¹Н: а) метилового и б) этилового спирта

Протон Н* оксигруппы не эквивалентен протонам метильной группы, поэтому он будет иметь в спектре свой собственный сигнал. Таким образом спектр ЯМР метилового спирта будет содержать два сигнала, а этилового спирта три сигнала (три не эквивалентных типа протонов: 1) протоны метильной группы (СН₃), 2) протоны метиленовой группы (СН₂), 3) протон гидроксильной группы (Н*). Ядра атомов водорода оксигруппы менее экранированы, чем ядра метильной и метиленовой групп и поэтому располагаются в более слабом поле.

В дополнение к эффекту «электроотрицательности» влияние на константу экранирования может оказывать магнитная анизотропия. Электронное экранирование не одинаково вдоль различных направлений в молекуле, т.е. анизотропно. Оно может приводить либо к экранированию, либо к дезэкранированию ядер, поэтому такие межатомные токи называются парамагнитными или диамагнитными. Диамагнитные токи уменьшают локальное поле, сдвигая сигналы протонов в область слабых полей, парамагнитные, наоборот, увеличивают его, сдвигая сигнал в область сильных полей.

Кольцевые токи, возникающие в молекуле при движении её в постоянном магнитном поле (Н_о), особенно эффективны при наличии в ней подвижных электронов -связи. Каждая такая связь образует «конус анизотропии» и оказывает влияние на химический сдвиг удаленных от неё магнитных атомов:

Рисунок – Качественная картина влияния магнитной анизотропии групп на экранирование

Магнитная анизотропия характерна для отдельных связей и для молекулы в целом. Так, сдвиг сигнала протонов ацетилена на 2.96 м.д. в более сильное поле, по сравнению с сигналами этилена (=5,84 м.д.), объясняется экранированным влиянием парамагнитных токов тройной связи. При относительно небольшом диапазоне изменения химического сдвига протонов вклад от анизотропии может быть весьма существенным в ЯМР спектроскопии. Особое место в этой связи получают протоны ароматических соединений. В ароматических молекулах под действием магнитного поля возникают диамагнитные кольцевые токи, которые создают в направлении, перпендикулярном плоскости бензольного кольца, ослабляющее магнитное поле:

Рисунок – а) Анизотропное магнитное поле, возникающее в молекуле бензола, б) конус анизотропии для бензола (- область дезэкранирования, + область экранирования).

Протоны при ароматических атомах углерода находятся в области дезэкранирования конуса анизотропии (эффект кольцевых токов) и поэтому резонируют в более слабом поле (=7-9 м.д.), чем при обычной С=С связи (4-7 м.д.).