2.14. Введение в анализ спектров ямр высокого разрешения. Формулировка задачи.
Агрегатное состояние исследуемого вещества играет большую роль в спектроскопии ЯМР. Использование специальной импульсной техники и другие специальные приемы открыли возможность получения хороших спектров ЯМР для образцов в любом агрегатном состоянии. Однако устранение трудностей, связанных с дипольным уширением линий ЯМР в твердых образцах и вязких жидкостях, остается предметом особого рассмотрения. В настоящее время для твердых образцов успешно исследуются спектры высокого разрешения на 13С, 14N, 29Si и других ядрах.
Ограничения в изучении спектров ЯМР газов, обусловленные низкой интенсивностью, также устраняются применением высокочувствительных фурье-спектрометров, но для сложных нелетучих веществ исследования паров практического значения все-таки почти не имеют. Возможно исследование токсичных и агрессивных веществ и, наоборот, объектов in vivo.
В подавляющем большинстве случаев спектры ЯМР регистрируются для невязких жидкостей и растворов. При этом подготовка образца предусматривает выбор ампулы, растворителя, концентрации раствора, стандарта для измерения химического сдвига и, если необходимо, сдвигающих реагентов, калибровочных эталонов и других добавок. Жидкость или раствор должны быть тщательно очищены и отфильтрованы от гетерогенных частиц. Особенно важно удалить парамагнитные и ферромагнитные примеси, так как они приводят к чрезвычайно сильному уширению линий и даже исчезновению спектра. В то же время, добавка некоторых парамагнитных комплексов — сдвигающих реагентов не только не портит спектр, но бывает даже полезной. Важен также контроль температуры образца.
В спектроскопии ЯМР используются такие стандартные растворители, как тетрахлорид углерода CCI4, хлороформ CH3CI и дейтерохлороформ CD3CI, ацетон (СНз)2СО и дейтероацетон (CD3)2CO, бензол Celle и дейтеробензол C6D6, диметилсульфоксид (СНз)2SО и др. Различные специальные растворители применяются для проведения исследований при высоких и низких температурах (например, дейтеродиметилсульфоксид и метанол или фреон-12), а также в случае избирательной растворимости образцов (например, СН3СООН, C5H5N и C5D5N, Н2О и D2О). Идеальный растворитель не должен содержать протонов, должен быть дешевым, низкокипящим, неполярным и инертным
Оптимальные концентрации выбираются с учетом допустимого уровня отношения сигнал/шум и растворимости исследуемого вещества. В спектроскопии ПМР содержание вещества в растворе выражают обычно в мольных долях (%), что удобно при оценке относительных интенсивностей сигналов.
В спектроскопии ЯМР на разных ядрах есть, конечно, свои методические особенности приготовления образцов. Например, для ЯМР 13С требуются обычно ампулы большего диаметра (8 -25 мм), чем для ПМР (~5 мм), а в качестве стандартов химических сдвигов, помимо ТМС, иногда используются дейтерированные соединения и т. д. (подробно см. специальную литературу и справочники).
2.15. Классификационные обозначения двух спиновых систем. Практическое условие классификации и количественный расчет спектров I-го порядка. Спектральные признаки спектров I-го порядка. Понятие мультиплетности, формула расчета и условия соблюдения и нарушения параметров мультиплетности.
2.16. Последовательность этапов анализа спектров ЯМР I-го порядка двухспиновых систем. Учет присутствия в структуре молекулы магнитно-эквивалентных и магнитно- неэквивалентных ядер. Примеры спектров I-го порядка для конкретных веществ.
При анализе мультиплетов исходят из того, что каждый из них соответствует одному ядру или группе магнитно-эквивалентных ядер.
Сначала из спектра определяют константу взаимодействия - расстояние между двумя соседними линиями мультиплета, а затем отыскивают другой мультиплет с тем же самым расстоянием между линиями
Если имеется полный ЯМР спектр одного вида ядер (1Н, 13C, 19F и др,), то в спектре обязательно должен быть как минимум еще один мультиплет. так как взаимодействие всегда двустороннее. Следовательно, расщепление во взаимосвязанных мультиплетах, т.е. расстояние между линиями также должно быть равновеликим. После идентификации взаимосвязанных мультиплетов определяют химические сдвиги сигналов.
Расстояние от центра мультиплета до сигнала ТМС есть химический сдвиг сигнала того ядра (или группы магнитно-эквивалентных ядер), которым обусловлен этот мультиплет.
Расстояние между центрами мультиплетов Δνj=νi-νj в Гц должно быть больше как минимум в 6 раз КССВ (J, Гц). В этом случае можно применять правило мультиплетности (треугольник Паскаля).
По мультиплетности сигналов можно определить количество эквивалентных ядер, участвующих во взаимодействии (рис. 37).
По мультиплетности одного сигнала всегда можно установить количество ядер, относящихся к другому сигналу, но следует учитывать тот факт, что в спектрах вышеуказанных типов (от двух различных видов ядер - AnXn) мультиплеты могут быть смешанными из-за взаимодействия с другими магнитными ядрами.
Спектры трех различных видов магнитных ядер (АmМcХn) могут полностью различаться в зависимости от изменений химических сдвигов (νA, νM, νX) и констант взаимодействия (JAM, JAX, JMX).