Спектроскопия ядерного магнитного резонансаNMR Spectroscopy

Как и электроны, которые характеризуются наличием магнитных свойств, так и ядра большинства изотопов элементов обладают собственными магнитными свойствами, иначе говоря, магнитным моментом, наличие которого является результатом движения зарядов, связанных с этими ядрами.

Магнитными свойствами обладают ядра, имеющие нечетное число протонов (¹H, ¹⁵N, ¹⁹F, ¹¹B, ⁷⁹Br) либо нечетное число нейтронов (¹³C, ¹²⁷I). Магнитные свойства ядра могут быть охарактеризованы спиновым числом I. Под действием магнитного поля спины ядер принимают дискретные ориентации, каждой из которых соответствует свое квантовое число

В ряде случаев , и тогда могут реализоваться две ориентации ядра: по полю и против поля. Когда магнитный момент располагается вдоль внешнего магнитного поля, то энергия взаимодействия ядра с полем составляет или , если против поля. В итоге, энергетический уровень расщепляется на два, причем при данной напряженности магнитного поля величина расщепления составляет .

Разница по энергии невелика и близка к . При комнатной температуре разница заселенностей этих уровней невелика, и её оценки с использованием распределения Больцмана показывают, что разница в заселенности составляет 1-2 ядра на миллион. Несмотря на это, мы можем на указанной основе создать очень чувствительный спектроскопический метод, базирующийся на поглощении молекулярной системой, помещенной в магнитное поле, электромагнитного поглощения, вызывающего переход из нижнего состояния в верхнее, которое сопровождается переориентацией спина ядра.

Частота ЭМИ, вызывающего переход такого рода, может быть найдена следующим образом:

– гиромагнитное соотношение, которое является индивидуальной характеристикой ядра данного элемента и непосредственно связано с присущим ему магнитным моментом.

Переход из нижнего в верхнее состояние будет соответствовать поглощению молекулярной системой электромагнитного излучения, а необходимость совпадения частоты электромагнитного излучения и характеристической частоты для данного ядра позволяет рассматривать поглощение как процесс резонансный. Если мы облучаем электромагнитным излучением и меняем магнитное поле, то при выполнении условий резонанса мы будем наблюдать пик поглощения ядрами данного типа. Это и есть спектр ЯМР.

Если спектрометр ЯМР создает магнитное поле напряженностью 15 кГс (килогаус) то частота, при которой будет происходит переориентация ядер протонов, составит 60 МГц. Если мы сдвинемся до 50 кГс, то 200 МГц. Ясно, что это соответствует радиочастотному диапазону.

Факт поглощения радиоизлучения образцом удобно регистрировать, используя эффект изменения индуктивности колебательного контура.

Напряженность магнитного поля непосредственно в образце меняется при помощи дополнительных катушек 4, которые управляются генератором G₂. Это позволяет развернуть спектр ЯМР по напряженности магнитного поля и следить за изменением сопротивления измерительного контура, который начинает уменьшаться при поглощении электромагнитного излучения образцом.

Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворителе, который, очевидно, не должен содержать магнитные ядра, для которых исследуется резонансное поглощение. Для неполярных веществ это, как правило, тетрахлорметан, дисульфид углерода. При изучении полярных соединений широко используются полностью дейтерированные аналоги ацетонитрила и ДМСО. В силу высокой чувствительности метода количество раствора, которое помещается в тонкостенную стеклянную ампулу, не превышает 0,2 мл.

За время свое существования спектрометры ЯМР прошли большой путь совершенствования от приборов, работающих на частоте 60 МГц, до приборов на 500 МГц. Таким образом, мерилом совершенства спектрометров ЯМР является мощность магнита, причем мощность магнита выражается в той частоте, в которой работает спектрометр.

Частоты, соответствующие резонансу на протонах и используются в качестве характеристики приборов. Очевидно, что резонанс для других магнитных ядер будет наблюдаться при других частотах. Так, прибор на 100 МГц дает резонанс для тяжелого углерода на частоте 25,14 МГц и т.д.

В спектрах ЯМР можно наблюдать только один выбранный элемент. Переход от одного элемента к другому осуществляется за счет замены источника радиоизлучения.

Магнитное поле, которое создает спектрометр, действует не только на ядро, но и вызывает круговой ток в окружающей его оболочке. Эта циркуляция приводит к появлению слабого магнитного поля, направленного противоположно приложенному, причем его величина пропорциональна величине накладываемого магнитного поля. Этот эффект приводит к тому, что резонансы в реальных молекулярных системах начинают наблюдаться при бо́льших напряженностях магнитного поля.

Чем больше ЭО окружения, тем меньше электронная плотность на ядре и тем меньше величина (константы экранирования). Вследствие этого, магнитные ядра в составе различных функциональных групп будут наблюдаться при разных величинах магнитного поля, что открывает возможность идентификации указанных групп.

Соотношение интенсивностей этих пиков будет пропорционально содержанию этих протонов, т.е. 3:1.

Очевидно, что химический сдвиг, т.е. расстояние между резонансами для ядер, входящих в состав различных функциональных групп, зависит от напряженности магнитного поля, поэтому желательно для его характеристики располагать величиной, которая будет зависеть от окружения ядра, а не от условий эксперимента. Для этого необходимо принять некоторое значение за точку отсчёта. В качестве эталона было выбрано соединение тетраметилсилан SiMe₄ (ТМС) с максимально экранированными протонами. В спектре пик ТМС располагается справа в нулевой точке. Это соединение инертно и может быть введено непосредственно в пробу как внутренний эталон.

Химический сдвиг выражается следующим образом:

Его выражают в миллионных долях, чтобы не оперировать степенями.

Существует и вторая, прямо связанная с таким определением химического сдвига шкала – так называемая тау-шкала, где ТМС имеет позицию 10, а нумерация идет в обратную сторону.

Таким образом, химический сдвиг является индивидуальной характеристикой ядра в определенном окружении и не зависит от того, на каком спектрометре выполнено данное измерение.

Если эффект экранирования представить в элементах диаграммы,

то наличие такой реакции на приложение внешнего магнитного поля будет выражаться в сужении расщепления, причем величина этого сдвига составит .

Этиловый спирт

Наряду с эффектами экранирования, связанными с наведением круговых токов непосредственно в оболочке ядра, имеется возможность наведения токов в некоторых функциональных группах, в первую очередь, тех, которые имеют кратные связи.

В данной системе возникают кольцевые токи, которые приводят к появлению сопряженного магнитного поля. Данный факт приводит к ещё большей индивидуальности протонов в таких системах.

В спектрах ПМР можно выделить три основных участка:

1. Сильнопольная часть спектра, в которой проявляются характеристические экранированные протоны алкильных радикалов, не имеющие вблизи атомов и групп с высокой электроотрицательностью, а также кратных связей, ароматических ядер.

2. Слабопольная часть: сильно разэкранированные протоны карбоксильной группы (), альдегидные протоны (9 – 10), протоны ароматических систем (7 – 8).

3. Средняя часть спектра (2 – 6 ppm): протоны алкильных радикалов, разэкранированные электроотрицательными атомами или имеющие рядом кратные связи, протоны метиленовой группы.

Такие группы, как -ОН, -SH, -NH₂, следует выделить в особый класс, т.к. их положение в шкале химических сдвигов определяется в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями. Так, протон гидроксильной группы в алифатических спиртах проявляется при больших значениях химического сдвига, чем в случае разбавления тетрахлорметаном.

Тонкая структура спектров ЯМР

Тонкая структура определяется наличием спин-спинового взаимодействия. Наличие у ядер собственного магнитного момента влияет на эффективное магнитное поле, действующее на соседние ядра. Если магнитный момент ядра ориентирован по внешнему магнитному полю, то внешнее магнитное поле и слабое магнитное поле, созданное ядром, складываются, и резонанс для соседнего ядра наблюдается при меньших напряженностях прикладываемого магнитного поля. И наоборот.

Спин-спиновое взаимодействие, ответственное за это расщепление и, соответственно, за формирование тонкой структуры спектра ЯМР, передается через изменение электронной плотности, т.е. поляризацию электронных оболочек. Дальнодействие этого эффекта невелико и в случае ПМР не превышает трех связей. Интенсивность спин-спинового взаимодействия характеризуется константой спин-спинового взаимодействия J, представляющей собой величину расщепления резонансных линий. Эта величина не зависит от напряженности прилагаемого внешнего магнитного поля, а определяется индивидуальными характеристиками взаимодействующих ядер. Как правило, величина J сопровождается индексом, детализирующим конкретные взаимодействующие ядра (в нашем случае протоны типа а и х).

Пример: ацетальдегид, спектр низкого разрешения

На альдегидный протон будут действовать три протона метильной группы, и их влияние будет складываться в различные комбинации.

В общем случае количество линий в мультиплете будет определяться следующим комбинаторным соотношением:

Резонанс для магнитного ядра типа а вследствие взаимодействия с магнитным ядром типа х, не эквивалентным ядру типа а (т.е. характеризующимся другими значениями химического сдвига), распадется на n составляющих, количество которых определяется формулой. Если речь идет о протонах (), то эта формула запишется в следующем виде:

Относительная интенсивность линий в мультиплетах может быть найдена как коэффициент при членах биномиального распределения:

Дл определения интенсивности линий в мультиплетах удобно использовать треугольник Паскаля:

Пример: этанол

Расщепление сигнала протона гидроксильной группы объясняется его взаимодействием с протонами метиленовой группы (с метильной группой взаимодействия нет). Формирование триплета метильной группы происходит из-за взаимодействия с протонами метиленового звена. Сигнал метиленовой группы расщепляется в квартет по причине взаимодействия с протонами метильной группы. В свою очередь, каждый пик дублируется из-за влияния протона гидроксильной группы.

Схема расщепления:

Замечание: если расстояние между линиями в спектре ЯМР сопоставимо с величинами констант спин-спинового взаимодействия, то спектр считается спектром второго порядка, и в этих условиях симметрия линий искажается и спектр становится трудным для интерпретации.

Если выполняется условие , то это классический спектр первого порядка, который можно интерпретировать.

Что касается этанола, то здесь для пущего драматического эффекта можно вставить одну занимательную вещь.

На первых этапах освоения спектроскопии ЯМР, когда отсутствие сильных магнитов не позволяло выполнить измерения на высоких частотах, был разработан ряд подходов к интерпретации спектров второго порядка. Подходы такого рода в настоящее время используют в особых случаях, а общей практикой является переход к более высоким частотам для того, чтобы получить спектр первого порядка.

То обстоятельство, что целый ряд атомов в органических соединениях не характеризуется значением I (O, S, C), существенно упрощает спектры ЯМР и обеспечивает их высокую интерпретабельность в абсолютном большинстве случае.

ЯМР в неорганической химии

Это обстоятельство свидетельствует о том, что в молекуле есть две пары неэкваториальных атомов фтора, и подтверждает то, что молекула имеет строение искаженного октаэдра и атомы фтора не сосредоточены в экваториальной плоскости.

Таким образом, в применении к неорганическим и комплексным соединениям ЯМР дает важную информацию по эквивалентности или неэквивалентности тех или иных атомов, входящих в данную молекулу.

Пример: P₄S₃

[PF₆]^- – взаимодействие между различными атомами

Атом фосфора будет находиться в магнитном взаимодействии с шестью атомами фтора, поэтому будет 7 линий в мультиплете.

Гидроксильная группа, а также некоторые другие, подвержены воздействию обменных процессов. Если протоны быстро меняются, то определенность гидроксильного протона теряется и расщепление пропадает (см. предсказанный ПМР-спектр этанола, с. 9).

Вследствие обменных процессов спектры ПМР многокомпонентных систем часто не являются суперпозицией спектров компонентов. Так положение резонанса в смеси уксусной кислоты и воды лежит между его положением в отдельных составляющих.

В целом, быстрый химический обмен, в первую очередь, протонный обмен, протекает с частотой большей, чем , что приводит к подавлению спин-спинового взаимодействия, а также появлению .

Природа обменных процессов может включать протонный обмен, перенос ионов в составе комплексов, а также процессы изомеризации, связанные с изменением положения магнитных ядер в молекуле.

Варьируя температуру и анализируя характер изменения формы мультиплетов, можно определить константу скорости указанных обменных процессов.

Формирование спектров ЯМР

Существует два механизма, обеспечивающих перевод системы из верхнего состояния в нижнее, освобождая таким образом верхнее состояние и позволяющее наблюдать ЯМР как стационарное явление.

1) спин-решеточная релаксация;

2) спин-спиновая релаксация

1: спин ядра меняет ориентацию под действием флуктуирующего магнитного поля, создаваемого другим магнитным ядром, принадлежащим той же или другой молекуле. Энергия, выделяемая при этом, идет на повышение поступательной и вращательной энергий молекулы. Роль «решетки» (окружение, с которым взаимодействуют магнитные ядра) могут выполнять также неспаренные электроны.

2: спин-спиновая релаксация представляет собой процесс переориентации спина одного ядра с синхронной релаксацией другого ядра.

Если первый механизм влияет на концентрацию ядер в верхнем состоянии и на их время жизни в верхнем состоянии, то второй механизм – только на время жизни. Время жизни в верхнем состоянии связано с шириной спектроскопической линии:

Если для жидкости время для механизма 1 составляет порядка 10^-2 – 10^-3 с, то в присутствии иона с неспаренным электроном (Mn²⁺, Cu⁺) оно падает до 10^-4 с, и линия уширяется. Как следствие, в присутствии ионов Mn²⁺ линии уширяются.

В твердых и жидких образцах на ширину линии оказывает влияние статическое магнитное поле, создаваемое зафиксированными в пространстве магнитными ядрами. Это оказывает такое же уширяющее влияние, как и неоднородное стационарное магнитное поле. Таким образом, оптимальным для получения узких, хорошо различимых линий является использование невязких растворителей.

Если мы подействуем на образец коротким импульсом (10^-5 с) мощного излучения (1 кВт) с частотой ν, то это будет эквивалентно действию набора синусоид, заполняющих объём .

Используя преобразование Фурье, можно реконструировать спектр ЯМР, если в диапазоне у системы есть резонансы поглощения.

Достоинством Фурье-спектрометра ЯМР является не только возможность регистрации спектра, но и высокая чувствительность. Именно этот подход позволил получать спектры ЯМР от элементов, присутствующих в небольших количествах: ¹³С, ¹⁷О.

Важной особенностью спектров ¹³С является наличие многообразных спин-спиновых взаимодействий с протонами, присутствующими в молекуле. При этом взаимодействие распространяется на 2, 3 и более связи, причем для каждого случая характерны все более затухающие взаимодействия.

В результате получается большое количество трудноразличимых линий и приходится применять «развязку по протонам»: образец облучают излучением с частотой, соответствующей области реализации резонанса для протонов, и при большой интенсивности излучения ориентация спинов протонов теряет свою определенность и мы наблюдаем разрушение спин-спинового взаимодействия, аналогичное быстрому химическому обмену. В результате мы получим систему синглетов, каждый из которых соответствует своему углероду.

Относительная интенсивность резонансов этих линий в целом не пропорциональна количеству атомов углерода, в том числе в результате эффекта Оверхаузера, а именно изменения скорости спин-решеточной релаксации при высокой интенсивности радиоизлучения и переориентации спина протонов в случае реализации развязки по протонам.

Существуют таблицы химических сдвигов, позволяющие интерпретировать спектры ¹³С. В широком смысле информация, получаемая из спектров ЯМР, включает:

- число функциональных групп (по числу сигналов);

- природа данных групп (по химическому сдвигу);

- соотношение количества ядер в составе групп (по отн. интенсивностям);

- число соседних магнитных ядер (число линий в мультиплете);

- тип взаимодействия ядер (величина расщепления).

Величины химических сдвигов и констант спин-спинового взаимодействия табулированы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: