книги из ГПНТБ / Мюллер Г. Специальные методы анализа стабильных изотопов

необходимо отметить возможность систематических погрешно­ стей вследствие различия молярных объемов меченого и неме­ ченого соединений.

'Заканчивая обсуждение погрешностей, можно сделать вывод

отом, что в целом воспроизводимость результатов ЯМР-спектро*

скопии несколько ниже по сравнению с другими методами. Сопоставление результатов изотопного анализа одних и тех же соединений методами ЯМР- и масс-спектрометрии имеется в работах [29, 30]. Вместе с тем следует указать также на такие преимущества ЯМР-спектроскопии, как возможность отказаться от специальной подготовки проб к анализу и образцов сравне­ ния для построения градуировочных кривых. Эти обстоятельства значительно снижают вероятность появления систематических погрешностей изотопного анализа.

9.4. Прямой изотопный анализ

Элементарный анализ

Почти любой элемент периодической системы обладает хотя бы одним изотопом с отличным от нуля ядерным спином. По­ этому естественно допустить, что ЯМР-спектроскопия при после­ довательном измерении сигналов от всех магнитных ядер является универсальным методом качественного и количествен­ ного определения химического и частично даже изотопного со­ става совершенно неизвестных соединений. Основными расчет­ ными соотношениями такого рода анализов являются уравнения

(9.10) и (9.27).

Что касается спектроскопических возможностей разрешения, то такая постановка вопроса не встречает затруднений. Однако, как можно видеть из рис. 9.6, для этого необходимо иметь возможность перекрыть очень широкую область частот или полей. Кроме того, чувствительность обнаружения многих ядер крайне низка по сравнению с протонами, в связи с чем метод ЯМР малопригоден для определения содержания элементов, хотя и может с успехом применяться при предварительном по­ иске в исследуемом веществе легко обнаруживаемых изото­

пов [ 1 ].

Одним из наиболее очевидных применений ЯМР-спектроско­ пии является определение числа протонов в недейтерированных молекулах, часто называемое с ч е т о м пр о т о н о в . Решаю­ щим при этом оказывается тот факт, что при определенных обстоятельствах отпадают трудности, связанные с идентифика­ цией линий в спектре ЯМР. Если заранее известно число про­ тонов в каком-либо характеристическом химическом окружении (например, число метальных или фенильных групп), то можно легко идентифицировать линии в спектре, а на основании отно­ сительной интенсивности этих линий определить полное число

2 1 7

протонов в молекуле. Примером такого рода анализа может служить определение числа протонов в неизвестной монокарбо­ новой кислоте [31]. Отправным при идентификации линий в спектре явился факт локализации линии протона, относящегося к карбоксигруппе. Как видно из рис. 9.7, если выразить полную интенсивность спектра молекулы в единицах интенсивности ли­ нии протона карбоксигруппы, то число протонов в молекуле равно 2 2 .

Для определения весовой доли водорода в спектре совер­ шенно неизвестного соединения Смитом [32] проводились срав­ нительные измерения с применением веществ, химический состав которых был предварительно известен. Упрощенная форма урав­ нения (9.27), по которому рассчитывалась интегральная интен­ сивность линий протонного резонанса, имеет вид

где К' — аппаратурная постоянная; HG— весовая доля водо­ рода; G — удельный вес пробы; V' — эффективный объем иссле­ дуемого раствора. Величина К' определялась с помощью об­ разца сравнения, помещенного в запаянную пробирку (0,532 мл раствора, содержащего 0,108 г н-октана в четыреххлористом углероде). Исследуемое вещество помещалось во вторую про­ бирку, имеющую одинаковый объем с первой. Анализ право-

2 1 8

* Содержание водорода определено с помощью внутреннего стандарта.

дился на спектрометре типа А-60 фирмы «Varian Associates» (США). Результаты анализа приведены в табл. 9.3. Для выпол­ нения единичного анализа ио описанной методике в среднем требовалось не более 2 0 мин.

Для повышения точности результатов анализа можно вво­ дить в исследуемое вещество определенное количество немече­ ного соединения и наблюдать соответствующее изменение интенсивности сигнала [33, 34]. В частности, используя этот прием, можно довольно точно определять содержание протонов в тяжелой воде. Экстраполируя интенсивности сигналов проб с различными добавками Н20 к нулю, получают по оси абсцисс искомую концентрацию водорода в анализируемой пробе

(рис. 9.8).

На этом примере можно видеть, что точность определения степени дейтерирования по линиям протонного резонанса тем выше, чем больше содержание дейтерия в исследуемом соеди­ нении. Это подтверждается, в частности, данными работы [35], в которой сопоставлены результаты изотопного анализа водо­ рода тремя различными методами. Оказалось, что ЯМР-спек- троскопия обеспечивает наиболее точные результаты в области концентраций дейтерия больше 99,8 ат. %.

Другая, довольно экономичная по времени процедура опре­ деления концентрации протонов в тяжелой воде состоит в том, что к анализируемому образцу добавляют подходящее вещество сравнения, например диоксан, а в случае работы на однолучевом спектрометре — еще и необходимое количество внутреннего стан­ дарта, например диметилсульфоксид, для стабилизации протон-

219

ного резонанса [см. уравнение (9.35) J. В условиях эксперимен­ тов не было замечено изотопного обмена водорода в системе вода — диоксан — диметилсульфоксид (при комнатной темпера­ туре и pH = 7). При определении концентрации дейтерия в ин­ тервале 99—99,85 ат. % погрешность составила +0,03 ат. % D. Спектры снимали спектрометром типа НА-100 фирмы «Ѵагіап Associates» (США) с рабочей частотой 100 Мгц.

концентрации D20 99,81±0,01 вес. %).

налов от ядер изотопов 10В и ИВ. Содержание изотопов рассчи­ тывали, исходя из измеренного отношения амплитуд абсорбцион­ ных сигналов, по градуировочной кривой. Для построения ее применялись образцы с известным изотопным составом. В ин­ тервале концентраций изотопа 10В от 50 до 95 ат.% погрешность составила ±0,5 ат.%. В области более низких содержаний изо­ топа 10В абсолютная погрешность несколько возрастала*.

Для определения содержания изотопа лития 7Li в водных растворах LiCl Кох и Никулеску [37] применяли спектрометр широких линий, используемый обычно при исследованиях твер­ дых веществ. Чтобы избежать насыщения, в раствор добавля­ лись парамагнитные ионы, способствующие уменьшению спинрешеточной релаксации изотопа 7 Li. При некоторой концентра-

* Для непрерывного контроля изотопной концентрации 10В в комплексах

2 2 0

ции парамагнитных ионов абсорбционный сигнал обладал мак­ симальной амплитудой [см. формулу (9.24)], которая и слу­ жила мерой содержания изотопа 7Li в пробе.

Позиционный анализ

Поскольку информация, получаемая из спектров ЯМР (хими­ ческий сдвиг, постоянные спиновой связи, интегральное погло­ щение), позволяет приписать отдельные линии спектра тем или иным химически эквивалентным группировкам внутри молекулы, то тем самым анализ спектра ЯМР позволяет найти распреде­ ление резонирующих ядер по этим группам *.

При изучении структурного распределения изотопов обычно используется один из двух методов. Первый состоит в том, что спектр исследуемого соединения, обогащенного каким-либо изо­ топом, сравнивается со спектром соответствующего аналога, имеющего природный изотопный состав. Из различия интенсив­ ностей линий (интегральных), относящихся к определенным фрагментам молекулы, делаются заключения о распределении интересующего изотопа внутри молекулы. Второй метод основан на применении внутреннего стандарта.

Если обозначить долю резонирующих ядер в рассматривае­ мой группе і немеченого соединения cf (отнесенную ко всем

ядрам данного элемента), интегральную интенсивность линий этой группы в спектре немеченого соединения / “, а интеграль­

ную интенсивность линий той же группы в спектре меченого соединения If1, то концентрацию резонирующих ядер в группе

меченого соединения c f можно найти из соотношения

Проиллюстрируем применение такого метода на нескольких примерах.

Для определения степени дейтерирования отдельных групп

вэтилбензоле Сторек сравнивал спектры исследуемого образца

инедейтерированного аналога (рис. 9.9) [43]. Так как вели­ чину cf можно положить равной единице, то формула для

расчета степени дейтерирования принимает вид

Результаты анализа представлены в табл. 9.4. Данные в по­

каталогов и таблиц на практике существенно облегчает идентификацию ли­ ний в спектре исследуемого соединения.

221

I I I I I I

Рис. 9.9. Позиционный изотопный анализ этилбензола при частоте поля 60 Мгц.

Т а б л и ц а 9.4

Содержание дейтерия в образцах дейтерированного этилбензола

С0Н6-СН,-СН3, % [43]

Распределение дейтерия в бензольных производных после их реакции с дейтерированной серной кислотой изучалось в ра­ боте [44] на спектрометре /NM-S-60 фирмы «/еоі» (Япония»).

Рис. 9.10. Распределение дейтерия в бензольном производ­ ном, содержащем полиметиленовую группировку:

а — спектр недейтерированного соединения; б — спектр частично дейте­ рированного вещества.

Сравнение спектров одного из образцов и его дейтероаналога приведено на рис. 9.10. Из сравнения спектров видно, что дей­ терий концентрируется исключительно в ß-положении. Содер­

жание дейтерия равно 15,3 ат.%.

В работах [45—49] метод структурного изотопного анализа применялся также для изучения реакций изотопного H/D-об- мена. В работе Нормана и Шеффера [22] имеется пример структурного изотопного анализа бора в пентабораие по наолюдению резонанса ядер изотопа ИВ на частоте 19,3 Мгц. Пента­ бор ан был одним из продуктов, изотопный состав которого менялся в ходе изучавшейся химической реакции.

223

Сравнение спектров исследуемого вещества и соответствую­ щего немеченого соединения позволяет попутно оценить вто­ ричный изотопный эффект. К недостаткам метода относятся длительность измерений, что обусловливает высокие требования к долговременной стабильности работы спектрометра, а также большие различия в интенсивностях сравниваемых линий при высокой степени обогащения исследуемого соединения интере­ сующим изотопом. Кроме того, при использовании спектромет­ ров без дополнительной стабилизации магнитного поля протон­ ным стабилизатором необходимо к исследуемому соединению и к образцу природного изотопного состава добавлять вещество сравнения (чаще всего — тетраметилсилан) до одной и той же концентрации. Затраты времени на структурный изотопный ана­ лиз этим методом, включая отбор пробы и расчет спектров, составляют всего ~ 2 ч. В случае анализа высокодейтерированных фрагментов углеродсодержащих соединений в качестве внутреннего стандарта могут быть использованы линии-сател­ литы в спектре недейтерированного фрагмента, обусловленные присутствием изотопа 13С [50] (см. рис. 9.16).

Концентрация резонирующих ядер с” , отнесенная к полному

числу атомов рассматриваемого элемента і-й группы, опреде­ ляется выражением

линий г'-й группы меченого соединения и внутреннего стандарта; Свн. ст — доля резонирующих атомов, отнесенная к полному

числу /ѴЮІ. ст атомов рассматриваемого элемента в молекуле

внутреннего стандарта и меченого соединения в пробирке; Ѵ’”н ст и К“р — молярные объемы стандарта и пробы.

Метод внутреннего стандарта применялся для определения концентрации протонов в высокодейтерированном метаноле. Из­ мерения выполнялись на спектрометре типа НА-100 с исполь­ зованием бензола в качестве внутреннего стандарта. Интеграль­ ный вид спектра приведен на рис. 9.11. Содержание дейтерия в метальной и гидроксильной группах найдено равным (98,8+0,1)%, Масс-спектрометрический анализ того же образца дал следующие результаты: (98,8+0,3) % D в метальной группе

и(99,3±0,3) % D в гидроксильной группе.

Вработе [51] ЯМР-спектроскопия использовалась для струк­ турного изотопного анализа бициклических кетонов, получаемых по методу каталіитического основного H/D-обмена. В качестве

внутреннего стандарта служил сигнал от атомов водорода того

224

же соединения, обмен которых с дейтерием был исключен пред­ варительной химической обработкой меченого соединения. Ре­ зультаты определения полного содержания дейтерия находятся б хорошем согласии с данными анализа тех же соединений по методу падающей капли. Относительное расхождение между данными этих двух методов составляет в среднем 5%.

Из вышеприведенных примеров можно видеть, что протон­ ный резонанс является довольно удобным и не требующим боль­ ших затрат времени методом структурного изотопного анализа. Правда, метод ЯМР в состоянии дать лишь общую картину распределения изотопов в группе химически эквивалентных ато­ мов в молекуле. И только связь с соседними группами в соот­ ветствии с уравнением (9.14) при условии четких и ясных спектров может дать некоторые сведения о концентрации от­ дельных изотопных разновидностей внутри рассматриваемого фрагмента молекулы.

Используя спин-сшшовую связь и, прежде всего, вторичный изотопный эффект в спектрах ЯМР, иногда оказывается воз­ можным получить более подробную информацию об изотопном распределении внутри молекулы [52]. Вторичный изотопный эффект, наблюдаемый при резонансе протонов и ядер фтора, состоит в том, что в случае замены в молекуле легкого изо­ топа на тяжелый происходит сдвиг линии соседнего резонирую­ щего ядра. Как правило, этот сдвиг направлен в сторону более высокой напряженности поля. Однако обнаружены сдвиги и в обратном направлении [53]. Причина этого явления — различие нулевых энергий при почти полностью тождественной геомет­ рии изотопных молекул [4, 53, 54]. По порядку величины эти химические изотопные сдвиги находятся в интервале ІО"8—ІО"6. Например, в случае метана [55] и аммиака [56] этот изотопный эффект, как видно из рис. 9.12, достаточно велик, чтобы по

спектру ЯМР можно было видеть различные формы изотопного замещения в молекуле.

Вторичный изотопный эффект в спектрах ЯМР нашел прак­ тическое применение для определения содержания молекул раз­ личной степени изотопного заме­ щения в химически эквивалент-

•ных группах дейтерированного бромида аммония [57], йодистого метила [58], ацетона [59]. Обзор данных по вторичному изотоп­ ному эффекту в спектрах протон­ ного резонанса содержится в ра­ ботах [53, 59, 60].

9.5. Различные случаи

изотопного распределения

Наряду с элементарным и структурным изотопным анали­ зом представляет интерес также выяснение вопроса о распределе­ нии какого-либо изотопа между различными областями. При этом понятие области, как будет видно из приводимых ниже примеров, может принимать самый различный смысл. В общем виде под областью подразумеваются все пространственные положения

резонирующих ядер внутри молекулы, в которых они обладают одинаковыми временами релаксации, химическим сдвигом и по­ стоянными спин-спиновой связи.

Будем исходить из того, что рассматриваемое ядро X во время обратимого кинетического процесса может занимать одно из двух различных состояний А или В. При этом предполагаем, что время перехода ядра из одного состояния в другое прене­ брежимо мало по сравнению с временем пребывания ядра в любом из этих состояний ха или хв, а времена релаксации бдДш (1=1; 2) ядра X в любой из этих областей не зависят от Тд или тв [4, 61]. Целесообразно рассмотреть в отдельности два типа систем такого рода.

1. Ядро X обладает в обеих областях

сильно различающимися временами релаксации

До сих пор, обсуждая различные вопросы анализа изотопов с помощью ЯМР-спектроскопии, имели в виду только стацио­ нарные методы измерения аналитических сигналов. В рассмат-

226