attachments / Аналитические методы

4.2.2. Основные параметры спектров ЯМР. Основная задача спектроскопии ЯМР высокого разрешения состоит в изучении влияния, которое оказывают на ядерный резонанс электронные оболочки молекулы, главным образом валентные электроны. Это влияние приводит к возникновению наиболее важных параметров ЯМР - химического сдвига и спин-спиновой связи между ядрами. Рассмотрим некоторые принципиальные основы, а также практические приемы, связанные с определением этих параметров.

4.2.2.1. Химический сдвиг. При помещении изолированного атома в магнитное поле напряженностью Н0 электроны прецессируют вокруг направления поля в соответствии с законами электромагнитной индукции. Эти токи индуцируют магнитное поле Н, направленное противоположно Н0, в результате на ядро действует внешнее поле, уменьшенное на величину Н по сравнению с тем, которое действовало бы в отсутствие электронного облака. Поэтому для осуществления резонанса диамагнитно-экранированных ядер необходимо приложить несколько большее внешнее поле. Смещение сигнала ядерного резонанса под влиянием электронного окружения называется химическим сдвигом.

Электронные токи и связанная с ними величина вторичного поля Н, а следовательно, и абсолютная величина химического сдвига пропорциональны полю Н0, т.е. рабочему, полю спектрометра. Экспериментально очень трудно получить величину абсолютного химического сдвига. На практике химический сдвиг δ измеряется в относительных единицах - миллионных долях (м.д.) приложенного поля (или частоты) относительно эталонного вещества:

где δ, равная H/H0 - так называемая константа экранирования, а индексы «эт» и «обр» указывают, что параметр относится к эталонному веществу или исследуемому образцу. На практике обычно пользуются сдвигом в характерных структурах.

На величину химического сдвига в спектрах протонного магнитного резонанса (ПМР) оказывают влияние, как структура исследуемой молекулы, так и внешние факторы, такие, как характер растворителя, концентрация раствора, температура исследуемого образца.

Шкала химических сдвигов зависит по существу от выбора эталонного вещества и способа его применения. Возможны два способа введения эталонного вещества в исследуемый образец - непосредственное смешивание (внутренний эталон), либо размешивание вещества и эталона в отдельных ампулах, одна из которых помешается внутри другой (внешний эталон).

В ПМР - спектроскопии в качестве эталона наиболее широкое применение получил тетраметилсилан (ТМС). Существуют две шкалы химических сдвигов относительно ТМС - шкала δ, в которой сигнал TМС принят за начало отсчета и

Уже этот спектр свидетельствует о ценности информации, получаемой посредством ЯМР - спектроскопии, причем эта информация становится более обширной, если молекула содержит неэквивалентные ядра благодаря тому, что в спектрах таких молекул проявляется другая важнейшая особенность спектров ЯМР - спин-спиновая связь между ядрами.

4.2.2.2. Спин-спиновая связь. Возникновение спин-спиновой связи рассмотрим на примере ядер со спином 1/2, например, протонов. Такие ядра в магнитном поле могут находиться в двух энергетических состояниях. Каждое из состояний можно связать с определенным направлением вектора магнитного момента - по полю (с более низкой энергией) и против поля (с более высокой энергией). С квантово-механической точки зрения, состояния ядерного спина должны описываться волновой функцией ψ. Волновая функция отдельного ядра со спином 1/2, помещенного в магнитное поле, может принимать два значения, которые обозначаются, соответственно, α, и β, так что для состояния с более низкой энергией ψ=α, а с более высокой ψ=β. Если между магнитными ядрами молекулы существует спин-спиновая связь, то спиновое состояние одного ядра влияет на резонанс другого и наоборот. Рассмотрим вещество, каждая молекула которого содержит два магнитных ядра (А и Б) со спин-спиновой связью (рис.80).

Рис.80. Возникновение расщепления в спектре системы двух спинов

В молекулах, содержащих ядро А в состоянии β, т.е. с вектором магнитного момента, направленным против внешнего поля, напряженность локального поля, испытываемого ядром Б, несколько ниже напряженности при отсутствии у ядра А магнитного момента. В результате резонанс ядра Б наблюдается при более высокой напряженности внешнего поля Н0. В молекулах, содержащих ядра А в состоянии α, резонанс ядра Б смещается на такую же величину в более слабое поле. Поскольку состояния α и β равновероятны, резонанс ядер Б проявляется в спектре в виде двух линий равной интенсивности.

Расстояние между этими линиями характеризует энергию спин-спиновой связи между ядрами и носит название константы спин-спиновой связи I. При другом порядке рассуждений мы придем к выводу, что и сигнал ядра А должен появляться в виде двух пиков с той же константой спин-спиновой связи. Таким

образом, спектр вещества, молекулы которого содержат два ядра со спинспиновой связью, состоит из четырех линий равной интенсивности (см. рис.80).

Анализ такого спектра позволяет получить три параметра - химические сдвиги ядер А и Б (δА и δБ), определяемые по расстоянию от сигнала эталона до центра дублетов, соответственно связанных с резонансом этих ядер, и константу спин-спиновой связи.

4.2.3. Простейшая блок-схема ЯМР - спектрометра. Прибор состоит из трех основных частей (рис.81): магнита (5), создающего однородное поле высокой напряженности Н0, стабильного генератора (1) для создания высокочастотного переменного магнитного поля с частотой 0 , и

радиотехнического устройства (3), позволяющего детектировать поглощение образцом энергии высокочастотного излучения. Для получения спектра ядерного магнитного резонанса производится развертка магнитного, поля прибора генератором (7). Практически случаи развертки по полю осуществляются таким образом, что при постоянной частоте генератора устанавливается магнитное поле напряженностью несколько меньшей, чем требуется для резонанса, после чего его начинают плавно повышать и одновременно приводят в движение ленту самопишущего потенциометра (4), измеряющего напряжение на выходе детектора.

Риc.81. Простейшая блок-схема ЯМР - спектрометра:

1- генератор высокой частоты; 2- мост; 3- усилитель и детектор; 4- самописец; 5- электромагнит; 6- исследуемый образец;

7- генератор развертка поля.

В момент прохождения через резонанс, т.е. когда напряженность внешнего поля Н0 удовлетворяет уравнению (108), происходит отклонение пера самописца (4) от нулевого положения, после чего оно вновь возвращается в исходное положение, так что на ленте остается след в виде узкого пика определенной амплитуды. На рис.82 доказан типичный спектр вещества, все протоны которого эквивалентны.

Шкалу спектра обычно строят в миллионных долях (м.д.) приложенного поля или частоты, или в единицах частоты (Гц).

4.2.4. Область применения метода ЯМР. Главная задача спектроскопии ЯМР - определение структуры чистых органических соединений. Метод особенно важен для изучения конфигурации основной цепи, изомерии и пространственной геометрии молекулы. Возможность сравнительно простого определения пространственного строения позволила широко применять ЯМР - спектроскопию для исследования природных соединений.

Рис.82. Спектр ЯМР вещества, содержащего только эквивалентные магнитные ядра: а - сигнал поглощения при средней скорости развертки;

б - сигнал дисперсии при медленном прохождении

ЯМР - спектроскопия неоценима при определении цистранс-изометрии относительно двойной связи, изомерии производных бензола, состава смеси кетоенолов и других таутомеров. Основные ограничения метода определяются сложностью интерпретации спектра при наличии большого числа магнитных ядер, а также возможностью подбора подходящего растворителя. Первое ограничение в значительной степени преодолевается совершенствованием техники математического анализа спектров и применением специальных методов. Второе же ограничение устраняется использованием набора растворителей, в том числа изотопнозамещенных соединений.

Вторая, и не менее важная, задача ЯМР - спектроскопии - это функциональный анализ. С помощью ЯМР он упрощается для групп, содержащих магнитные ядра. Многие функциональные группы (амино-, окси-, карбоксильная и карбонильная, альдегидная), а также фтор и фосфорсодержащие группы относятся к атому типу.

ЯМР - спектроскопия используется и для количественного органического анализа. Пропорциональность между площадями пиков и числом ядер, резонирующих при данной частоте, открывает путь к использованию ЯМР для количественного элементарного и функционального анализа.