спектроскопические методы анализа

приводит к тому, что спиновое состояние , в котором спин направлен по полю, будет энергетически более выгодно, чем состояние .

Рис. 4.1. Зависимость энергии ядерных спинов от магнитной индукции внешнего магнитного поля

Величина расщепления уровней будет пропорциональна силе внешнего магнитного поля. Таким образом, в равновесии, в соответствии с распределением Больцмана, заселенность состояния со спином, направленным по полю, будет выше заселенности состояния со спином, направленным «вниз». Как и во всех видах спектроскопии, ядро, находящееся в нижнем по энергии состоянии, может повысить свою энергию и перейти в менее энергетически выгодное состояние путем поглощения электромагнитного излучения. Энергия поглощенного кванта в этом случае должна в точности соответствовать энергии расщепления уровней в магнитном поле ( E), и эта энергия связана с частотой электромагнитного излучения:

E = hν0 = hγB2π0 (30)

Очевидно, что чем больше энергия расщепления уровней в магнитном поле E, тем больше будет разность заселенностей этих уровней и, как следствие, количество поглощаемой энергии, от которого непосредственно зависит чувствительность метода. Таким образом,

111

максимальная чувствительность будет достигаться в случае наибольшего (по модулю) гиромагнитного отношения ядра.

Резонансная частота ядра не только является характеристикой природы ядра, но также зависит от положения атома в молекуле – «химического окружения».

Электрон, как и протон, имеет магнитный момент. Поэтому в магнитном поле электрон взаимодействует с этим полем. Такое взаимодействие проще всего представить себе, если считать, что поведение электрона аналогично поведению в магнитном поле стрелки компаса, которая всегда указывает на север, как бы мы ни вращали корпус компаса. Аналогично и электрон, в какой бы точке электронного облака он ни находился, имеет магнитный момент, ориентированный вдоль линий магнитного поля. Коль скоро электрон и сам является магнитом, то он способен создавать собственное магнитное поле. В случае, если электрон имеет фиксированную ориентацию, то его поле накладывается на внешнее магнитное поле. Таким образом, вблизи электрона магнитное поле оказывается неодинаковым – оно зависит от плотности электронного облака и расстояния до него Можно математически рассчитать для электронных оболочек различной формы каким будет поле электрона в точке локализации атомного ядра. Оказывается, что оно чаще всего противоположно направлению внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное локальное магнитное поле, в котором находится ядро (Нлок), несколько меньше, чем поле Н0. Итак, локальное магнитное поле, в котором находится ядро, определяется соотношением:

Безразмерный параметр σ называется постоянной экранирования. Он учитывает электронное (химическое) окружение, в котором находится ядро. В одноатомных молекулах постоянная экранирования всегда положительна, т. е. реальное магнитное поле в месте нахождения ядра всегда оказывается меньшим, чем Н0. Величина σ изменяется от 10 5для протонов до 10 2для других ядер.

Описанное экранирование называют диамагнитным. Результат его действия – смещение сигналов ЯМР в область сильных полей

112

относительно сигнала «голого» ядра 1Н+. Термин «сильное поле» предполагает, что развертка спектра осуществляется путем изменения силы магнитного поля. Хотя спектр ЯМР может быть получен различными методами, условились считать, что увеличение σ соответствует смещению сигнала в сильное поле, даже если поле при измерении спектра оставалось неизменным, а менялась частота облучения. На спектре, записанном на бумаге, область сильного поля расположена справа. Поэтому чем сильнее экранировано магнитное ядро, тем правее в спектре будет располагаться его сигнал.

Различные ядра, входящие в состав одной молекулы, могут быть идентифицированы по их химическим сдвигам на основе молекулярной симметрии и легко предсказуемых эффектов, оказываемых электроотрицательными атомами и ненасыщенными группами. Химический сдвиг измеряют в миллионных долях ларморовой частоты ядра (м.д.) и обозначают греческой буквой дельта (δ). В качестве стандарта используют химический сдвиг тетраметилсилана (ТМС), химический сдвиг сигнала которого в спектрах ЯМР 1H, 13C и 29Si принимают за нуль. Таким образом, спектр ЯМР представляет собой график зависимости интенсивности поглощения радиочастотного излучения от его частоты.

Ядра являются эквивалентными (характеризуются одним и тем же значением δ) либо в связи с симметрией молекулы (например, углероды метильных групп в молекуле ацетона CH3COCH3), либо в связи с быстрым вращением вокруг одинарной связи (например, три метильных протона в молекуле уксусной кислоты CH3COOH). Интегральная интенсивность (площадь под пиком в спектре ЯМР, чаще называемая просто интегралом) сигналов в спектрах 1H ЯМР прямо пропорциональна числу эквивалентных ядер, к которым относится указанный сигнал. Например, интегральная интенсивность сигнала метильной группы CH3 будет в три раза больше, чем интегральная интенсивность сигнала группы CH в той же молекуле.

В случае анализа спектров 13C интегральные интенсивности сигналов обычно не рассматривают, поскольку чаще всего они дополнительно зависят от числа протонов, связанных с атомом углерода.

113

4.4. Спин-спиновое взаимодействие

Вторым важным источником информации о молекулярной структуре является так называемое спин-спиновое взаимодействие. Рассмотрим два протона, характеризующихся разными значениями химических сдвигов и связанных с двумя смежными атомами углерода (Ha–C–C–Hb) в молекуле органического соединения. Магнитный момент ядра Hb может быть направлен либо вдоль магнитного поля спектрометра («вверх»), либо в противоположную сторону («вниз», рис. 4.2).

Магнитный момент ядра Hb приводит к небольшому изменению эффективной магнитной индукции поля (Beff) в месте расположения ядра Ha, либо увеличивая общее поле, либо уменьшая его в зависимости от ориентации магнитного момента ядра Hb. Поскольку резонансная частота ядра всегда пропорциональна Beff в месте расположения ядра, влияние ядра Hb изменяет резонансную частоту ядра Ha таким образом, что теперь ядро Ha резонирует на одной из двух близко расположенных частот.

Рис. 4.2. Спин-спиновое взаимодействие

Заселенности двух состояний ядра Hb приблизительно равны, поэтому сигнал ядра Ha будет расщеплен на два резонансных пика с одинаковой интенсивностью с расстоянием между ними в J герц, где J представляет собой так называемую константу спин-спинового взаимодействия (КССВ).

114

Рис. 4.3. Возможные энергетические состояния при расщеплении

Аналогичным образом расщеплению с той же константой J подвергается сигнал ядра Hb. Данное взаимодействие передается по цепочке химических связей и, как правило, может быть обнаружено непосредственным образом в тех случаях, когда два ядра находятся на расстоянии трех или менее химических связей в молекуле.

В случае взаимодействия ядра с двумя и более протонами расщепление сигналов имеет значительно более сложный характер, так что число пиков превышает число эквивалентных протонов, на которых происходит расщепление, на единицу. Например, при наличии двух соседних эквивалентных протонов (Ha–C–CH2) протоны метиленовой группы могут находиться в четырех различных состояниях: , , и(рис. 4.3). Если магнитный момент одного протона направлен «вверх» ( ), а второго – «вниз» ( ), то в результате их взаимное (противоположное) влияние компенсируется, что приводит к отсутствию дополнительного сдвига ядра Ha. В том случае, когда магнитные моменты обоих ядер направлены «вверх», сигнал ядра Ha будет сдвинут в сильное поле на J Гц. Если оба ядра находятся в положении «вниз», то химический сдвиг ядра Ha будет больше на J Гц (слабопольный сдвиг).

Поскольку вариант, при котором дополнительного сдвига центральной линии не происходит, может реализоваться двумя путями, интенсивность центральной линии будет в два раза выше, чем для других сигналов. В итоге это приведет к появлению «триплета» – трех линий,

115

отстоящих друг от друга на J Гц, с соотношением интенсивности 1:2:1

(рис. 4.4).

Рис. 4.4. Типы мультиплетов

Аналогичное рассмотрение ситуации с большим числом соседних ядер приводит к общему случаю для n ядер, которые будут расщеплять сигнал данного ядра на n+1 пиков с соотношением интенсивностей, определяемым в соответствии с треугольником Паскаля (рис. 4.4). Величина спин-спинового взаимодействия, измеренная по расстоянию между двумя компонентами мультиплета, зависит от двугранного угла Ha–C–C–Hb. Таким образом, возможно получить информацию о стереохимии и конформации молекул в растворе. По причине зависимости констант J от геометрии молекулы часто наблюдается ситуация, в которой ядро взаимодействует с несколькими неэквивалентными протонами, причем константы взаимодействия различаются. В простейшем случае взаимодействия с двумя неэквивалентными протонами в спектре будут наблюдаться четыре пика с равной интенсивностью, т. е. дублет дублетов

(рис. 4.4).

116

4.5. Ядерный эффект Оверхаузера и двойной резонанс

Третий тип информации, предоставляемый спектроскопией ЯМР, связан с так называемым ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО, NOE, Nuclear Overhauser Effect). Данный эффект связан с взаимодействием двух ядер непосредственно через пространство (а не по цепочке связей, как это было в случае спин-спинового взаимодействия). Слабое радиочастотное облучение одного из ядер на его резонансной частоте способствует выравниванию заселенностей в двухуровневой системе, что приводит к изменению заселенностей уровней ядер, располагающихся вблизи облучаемого ядра. Эффект зависит исключительно от расстояния между двумя ядрами (интенсивность взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между взаимодействующими ядрами в шестой степени), даже если они удалены друг от друга по цепочке связей. Как правило, ЯЭО можно обнаружить в случае протонов, находящихся на расстоянии до 5Å. Измерение расстояний таким образом часто применяют для определения точных структур белков инуклеиновых кислот в растворе.

В спектрах первого порядка химический сдвиг ядра совпадает с центром мультиплета, а КССВ (в герцах) находят прямым измерением расстояния между компонентами мультиплета. В спиновых системах, дающих спектры первого порядка, неэквивалентные ядра принято обозначать буквами латинского алфавита, далеко отстоящими друг от друга, например, АР, АХ, АРх и т. д. Если в системе имеется несколько эквивалентных ядер, их число указывается цифровым индексом при соответствующей букве: А3Х, А3Х2, А2Р2Х и т.д.

Спектры высшего порядка дают спиновые системы, в которых разность химических сдвигов магнитных ядер сопоставима с константой спин-спинового взаимодействия между ними. Для обозначения ядер в спиновых системах высшего порядка используют соседние буквы латинского алфавита: АВ, ABC, А2В3С и т.д. Спектры высшего порядка дают также спиновые системы, для которых выполняется условие спектров первого порядка, но химически эквивалентные ядра не являются магнитно эквивалентными. Примером может служить 1,1-дифторэтилен, в молекуле которого протоны Н и Н' химически эквивалентны, а магнитно не

117

эквивалентны. Магнитно неэквивалентные атомы таких спиновых систем принято обозначать одинаковыми буквами с разным количеством штрихов при них, например АА'ХХ' для 1,1-дифторэтилена или АА'ВВ' для 1,2- дихлорбензола.

Для спектров высшего порядка характерно нарушение биномиального распределения интенсивностей линий в мультиплетах, появление дополнительных (комбинационных) линий и, в общем случае, несоответствие расстояний между двумя линиями константам спинспинового взаимодействия. В этих условиях определение химических сдвигов и КССВ является не тривиальной задачей и требует привлечения либо расчетных методов, либо дополнительных экспериментов. Расчетные методы основаны на определении полной схемы энергетических уровней для данной системы, которым соответствуют собственные значения квантово-механического гамильтониана. На практике предварительный расчет проводят с пробными значениями химических сдвигов и КССВ, взятыми из спектров аналогичных соединений, или исходя из теоретических соображений. Предварительный расчет позволяет соотнести экспериментальные пики и переходы в рассчитанном спектре. На следующем этапе при помощи метода итераций добиваются наилучшего совпадения линий в экспериментальном и рассчитанном спектре, варьируя ЯМР-параметры. Окончательными значениями химических сдвигов и КССВ считают те, которые относятся к оптимальному варианту.

Спектры не первого порядка сложны для интерпретации; впрочем, часто возникают трудности и при расшифровке некоторых спектров первого порядка. Превращение сложного спектра в спектр первого порядка может быть достигнуто увеличением соотношения (δНА–δНВ)/J.

Возрастание рабочей частоты прибора увеличивает расстояние между сигналами, сохраняя неизменным константы спин-спинового взаимодействия, и при достаточно высокой рабочей частоте все спектры могут стать спектрами первого порядка.

Большую помощь при расшифровке сложных спектров оказывают методы двойного резонанса. Чтобы подавить спин-спиновое взаимодействие между двумя взаимодействующими ядрами, образец облучают радиочастотой, соответствующей резонансной частоте одного из

118

ядер. При записи спектра в условиях двойного резонанса сигнал облучаемого протона не наблюдается, однако вследствие исчезновения спин-спинового взаимодействия с этим протоном упрощаются другие сигналы. Экспериментальные методы двойного резонанса различаются по величине напряженности возмущающего поля Н2.

Двойной магнитный резонанс при большой интенсивности поля Н2 называется методом полной спиновой развязки.

При полной спиновой развязке изменяются все энергетические уровни, связанные с данным ядром; в спектре пропадает сигнал облучаемого ядра и изменяются мультиплетности сигналов других связанных с ним ядер вследствие полного подавления спин-спинового взаимодействия с облученным ядром.

При методе селективной спиновой развязки изменяется лишь часть энергетических уровней системы, связанной с облученным ядром. При этом исчезают некоторые компоненты мультиплета облучаемого ядра и мультиплеты связанных с ним ядер упрощаются.

При действии еще более слабого поля Н2 происходит лишь возмущение энергетических уровней, в результате чего наблюдается дополнительное расщепление компонентов мультиплета, связанных с этими уровнями. Такой вид двойного резонанса получил название спинтиглинг.

К динамическим эффектам в ЯМР можно отнести: 1) заторможенное вращение вокруг ординарных и частично двойных связей в органических молекулах; 2) конформационные переходы в циклических системах; 3) стереодинамика производных трехвалентного азота; 4) вырожденные и невырожденные внутримолекулярные перегруппировки («валентная таутомерия») нежестких молекул; 5) межмолекулярны и внутримолекулярные реакции обмена, в том числе протонный обмен и обменные реакции с участием металлоорганических групп, прототропная таутомерия и металлотропия; 6) стереодинамика комплексных соединений

– перегруппировки координационных полиэдров и лигандный обмен.

119

4.6. Устройство ЯМР-спектрометра и техники экспериментов

ЯМР-переходы в аналитическом образце, продуцирующие сигнал в приемном канале спектрометра, имеют место при соблюдении условия резонанса:

Наиболее очевидные пути для достижения таких условий:

1.Варьирование плотности внешнего магнитного потока B0 при постоянной частоте передатчика ν1 (развертка по полю);

2.Варьирование частоты ν1 при постоянном поле B0 (развертка по частоте).

Записывающее устройство может быть напрямую связано с разверткой поля или частоты и тогда перо самописца прогрессивно записывает спектр. Этот способ называется continuous wave (CW) и использует непрерывную радиочастотную мощность, в отличие от

импульсного метода.

CW метод был основой всех ЯМР спектрометров до конца 60-х годов

ХХвека, затем полностью вытеснен импульсным методом (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Устройство ЯМР-спектрометра

120