Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его ​​вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.

Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена ​​формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

• Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
• Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
• Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
• Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
• Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
• Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
• Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
• Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
• Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
• Метаболический анализ.
• Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
• Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является наиболее мощным инструментом выяснения структуры органических веществ. В этом виде спектроскопии исследуемый образец помешают в магнитное поле и облучают радиочастотным электромагнитным

(кликните для просмотра скана)

Рис. 11-13. Протоны в магнитном поле: а - в отсутствие магнитного поля; б - во внешнем магнитном поле; в - во внешнем магнитном поле после поглощения радиочастотного излучения (спины занимают более высокий энергетический уровень)

излучением. Атомы водорода в разных частях молекулы поглощают излучение различной длины волны (частоты). В определенных условиях другие атомы также могут поглощать радиочастотное излучение, но мы ограничимся рассмотрением спектроскопии на атомах водорода как наиболее важного и распространенного вида спектроскопии ЯМР.

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Этот протон вращается вокруг своей оси и, как всякий вращающийся заряженный объект, представляет собой магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля спины протонов ориентированы беспорядочно, но в магнитном поле возможны лишь две ориентации спина (рис. 11-13), которые называются спиновыми состояниями. Спиновые состояния, в которых магнитный момент (показан стрелкой) ориентирован по полю, имеют несколько меньшую энергию, чем спиновые состояния, в которых магнитный момент ориентирован против поля. Энергетическая разница двух спиновых состояний соответствует энергии фотона радиочастотного излучения. При воздействии этого излучения на исследуемый образец протоны переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий, происходит поглощение энергии.

Атомы водорода в молекуле находятся в различном химическом окружении. Одни входят в состав метильных групп, другие соединены с атомами кислорода или бензольным кольцом, третьи находятся рядом с двойными связями и т. д. Этой небольшой разницы в электронном окружении оказывается достаточно для изменения разности энергий между спиновыми состояниями и, следовательно, частоты поглощаемого излучения.

Спектр ЯМР возникает как результат поглощения радиочастотного излучения веществом, находящимся в магнитном поле. Спектроскопия ЯМР позволяет различить атомы водорода в молекуле, находящиеся в различном химическом окружении.

Спектры ЯМР

При сканировании частоты излучения при некоторых значениях частот наблюдается поглощение излучения атомами водорода в молекуле, конкретное значение частоты поглощения зависит от окружения атомов

Рис. 11-14. Типичный спектр ЯМР: а - спектр; б - интегральная кривая, дающая площадь пиков

водорода. Зная, в какой области спектра находятся пики поглощения тех или иных типов атомов водорода, можно сдепать определенные заключения о структуре молекулы. На рис. 11-14 изображен типичный спектр ЯМР вещества, в котором имеется три типа атомов водорода. Положение сигналов в шкале химического сдвига 5 измеряется в миллионных долях (м. д.) от частоты радиоизлучения. Обычно все сигналы расположены в области На рис. 11-14 химические сдвиги сигналов равны 1,0, 3,5 и Правая часть спектра называется сильнопольной областью, а левая - слабопольной. В спектрах ЯМР по традиции пики изображают направленными вверх, а не вниз, как в ИК-спектрах.

Для интерпретации спектра и получения из него структурной информации имеют значение три типа спектральных параметров:

1) положение сигнала в -шкале (характеризует тип атома водорода);

2) площадь сигнала (характеризует число атомов водорода данного типа);

3) мультиплетность (форма) сигнала (характеризует число близкорасположенных атомов водорода других типов).

Познакомимся подробнее с этими параметрами на примере спектра хлорэтана (рис. 11-15). Прежде всего обратим внимание на положение сигналов в спектре, или, иначе говоря, на значения химических сдвигов. Сигнал а (протоны группы находится при 1,0 м. д., что

Рис. 11-15. Спектр ЯМР хлорэтана

(см. скан)

свидетельствует о том, что эти атомы водорода не расположены рядом с электроотрицательным атомом, тогда как сдвиг сигнала б (протоны группы ) составляет Значения химических сдвигов часто встречающихся групп необходимо запомнить так же, как частоты полос поглощения в ИК-спектрах. Важнейшие химические сдвиги приведены в табл. 11-2.

Затем проанализируем площадь пиков, которая пропорциональна числу атомов водорода данного типа. На рис. 11-15 относительные площади указаны цифрами в скобках. Они определены с помощью интегральной кривой, расположенной выше спектра. Площадь сигнала пропорциональна высоте "ступеньки" интегральной кривой. В обсуждаемом спектре отношение площадей сигналов составляет 2:3, что соответствует отношению числа метиленовых протонов к числу метильных

И наконец, рассмотрим форму или структуру сигналов, которую обычно называют мультыппетностью. Сигнал метильной группы представляет собой триплет (три пика), тогда как сигнал метиленовой группы состоит из четырех пиков (квартет). Мультиплетность дает информацию о том, сколько атомов водорода связано с соседним атомом углерода. Число пиков в мультиплете всегда на один больше числа атомов водорода у соседнего углеродного атома (табл. 11-3).

Таким образом, если в спектре имеется синглетный сигнал, это означает, что молекула вещества включает группу атомов водорода, по соседству с которой нет других водородных атомов. В спектре на рис. 11-15 сигнал мегильной группы представляет собой триплет. Это значит, что при соседнем углеродном атоме имеется два атома водорода.

Аналогично, сигнал метиленовой группы представляет собой квартет, потому что по соседству имеется три атома водорода.

Полезно научиться предсказывать ожидаемый спектр ЯМР, исходя из структурной формулы вещества. Освоив эту процедуру, легко перейти к решению обратной задачи - установлению структуры вещества по его спектру ЯМР. Ниже Вы увидите примеры предсказания спектров, исходя из структуры. Затем Вам будет предложено интерпретировать спектры с целью установления строения неизвестного вещества.

Предсказание спектров ЯМР, исходя из структурной формулы

Для предсказания спектров ЯМР проделайте следующие процедуры.

1. Изобразите полную структурную формулу вещества.

2. Обведите в рамку эквивалентные атомы водорода. Определите число атомов водорода каждого типа.

3. При помощи табл. 11-2 (или Вашей памяти) определите примерные значения химических сдвигов сигналов атомов водорода каждого типа.

(кликните для просмотра скана)

Для школ с углубленным изучением химии

В курсе средней школы органическую химию изучают по классам веществ. Сначала рассматривают углеводороды С А Н В – предельные (линейные и циклические) и непредельные (в том числе ароматические). Затем к атомам двух видов С и Н добавляется кислород О. Кислородсодержащие соединения С А Н В О С – это спирты RОН, простые эфиры R–O–R, фенолы АrОН, альдегиды RСНО, карбоновые кислоты RСООН, некоторые производные карбоновых кислот – сложные эфиры RСООR", жиры – сложные эфиры глицерина, углеводы (полигидроксиальдегиды). Позже (программа 11-го класса) в составе органических соединений появляется атом азота N. Молекулы азотистых соединений содержат атомы трех элементов – С, Н и N (амины С A Н B N C) – или же четырех – С, Н, N и О (амиды, аминокислоты, белки; общая формула С A Н B N C О D). В теме «Нуклеиновые кислоты» упоминаются пиримидиновые и пуриновые азотсодержащие гетероциклы. Другие производные органических веществ – галогено-, сульфо-, нитросоединения отдельно как классы не рассматриваются.

Схема изучения веществ каждого класса строится по одному плану:

1) состав (какие атомы содержатся в молекуле и сколько их каждого вида);
2) строение (каким образом эти атомы соединены, изомерия);
3) свойства (физические – температуры плавления и кипения, плотность, растворимость и т. п.; химические – различные превращения с изменением состава или строения исходного вещества);
4) получение (природное сырье – где и в какой форме это вещество встречается; какими химическими способами его можно получить из других веществ);
5) применение (как используется природой и человеком);
6) задачи на закрепление первых пяти пунктов.

Предлагаем несколько дополнить принятую схему. Для идентификации веществ и подтверждения их состава и строения удобно использовать метод спектроскопии – протонный магнитный резонанс (ПМР). Теория вопроса коротко изложена в газете «Химия», № 29/1998 и журнале «Химия в школе», № 2/1999. Чтобы научиться расшифровывать простейшие спектры ПМР, необходимо иметь понятие о следующих их особенностях или характеристиках.

Пики на картинке спектра ПМР – это сигналы поглощения энергии внешнего прикладываемого магнитного поля протонами вещества.

Число групп сигналов говорит о том, сколько протонов разных видов в молекуле. Химически эквивалентные протоны (с одинаковым окружением) поглощают энергию в одной области спектра. Например, в спектре ПМР 3-хлорпентана

имеется три набора сигналов от трех групп эквивалентных протонов:

Химическим cдвигом (d) называют смещение сигнала спектра на шкале в зависимости от химического окружения протона. Электроноакцепторные атомы и группы атомов вблизи поглощающего протона (через одну-две химические связи) сдвигают поглощение в область слабого поля (большие значения d). В качестве эталона, относительно которого измеряют химические сдвиги, используют тетраметилсилан (СН 3) 4 Si (ТМС). Сигналы ПМР исследуемого вещества в спектре проявляются слева от сигнала ТМС.

Значения химических сдвигов выражают в специальных единицах – миллионных долях (м. д.). На шкале химических сдвигов, или d -шкале, место положения сигнала ТМС принимают за 0 м. д. и обозначают его в правой части шкалы, что показано на рис. 1. Относительно большим значениям величины d соответствует область слабого магнитного поля, и наоборот, малым значениям этой величины – область сильного магнитного поля.

Рис. 1. Спектр ПМР 1,2-дихлорэтана

Площадь пика сигнала (очерченная самописцем) – интенсивность сигнала – показывает относительное содержание протонов каждого вида в молекуле.

Расщепление сигнала на несколько пиков свидетельствует о взаимодействии рассматриваемого протона с другими неэквивалентными протонами (с разным окружением) или некоторыми другими ядрами с нечетными массовыми числами (19 F, 31 P и др.).

Существуют справочные таблицы, в которых указан диапазон химических сдвигов протонов разных видов. По ним можно определить, в какой области спектра дает сигнал тот или иной протон (табл.).

Химические сдвиги протонов разных видов
в спектрах ПМР

*Химические сдвиги протонов, соединенных с азотом и кислородом, зависят от температуры и концентрации раствора.

Часто в спектрах ПМР сигнал от эквивалентных протонов проявляется не отдельным пиком (синглет), а их набором. Сигнал может расщепляться на два (дублет), три (триплет), четыре (квартет) и большее число пиков. Подобное расщепление сигналов обусловлено взаимодействием неэквивалентных ядер водорода (протонов). Это спин-спиновое взаимодействие, которое осуществляется через электроны химических связей, соединяющих ядра атомов.

Число пиков, на которые расщепляется сигнал от эквивалентных протонов, называют мультиплетностью. В простых случаях пользуются правилом: мультиплетность сигнала от эквивалентных протонов равна n + 1, где n – число протонов, находящихся при соседних атомах углерода. Такие протоны вида Н–С–С–Н, разделенные тремя связями, называют вицинальными протонами. По мультиплетности сигнала можно судить о числе протонов, вицинальных по отношению к протонам, ответственным за конкретный сигнал.

Пример 1. 1,1,2-Трихлорэтан Сl 2 СН–СН 2 Сl содержит два типа протонов – метиленовые (в группе –СН 2 Сl) и метиновый (в группе –СНСl 2), которые характеризуются в спектре двумя сигналами: d (СН 2 Сl) = 3,5 м. д. и d (СНСl 2) = 5,5 м. д., как показано на рис. 2. Сигнал от –СН 2 Сl имеет два пика (дублет), сигнал от –СНСl 2 – три пика (триплет). Воспользуемся правилом: мультиплетность сигнала равна n + 1, где n – число вицинальных протонов.

Рис. 2. Спектр ПМР 1,1,2-трихлорэтана

Пример 2. На рис. 3 приведен спектр ПМР 1,1-дихлорэтана. Метильные протоны в спектре характеризуются дублетом с центром при d =2,0м. д., метиновый протон дает квартет с центром при d =5,9 м. д.

Рис. 3. Спектр ПМР 1,1-дихлорэтана

Важной особенностью спин-спинового взаимодействия является то, что протоны с одинаковым химическим сдвигом (эквивалентные протоны) не расщепляют сигналы друг от друга, что подтверждается следующими примерами.

Пример 3. В 1,2-дихлорэтане СlCH 2 CH 2 Сl все протоны эквивалентны, в спектре будет один сигнал в виде синглета. Значение химического сдвига d (СН2Сl)=3,69 м. д. (см. рис. 1).

Пример 4. Вещество 2,3-диметилбутан (СН 3) 2 СНСН(СН 3) 2 состоит из двух изопропильных групп. Сигналы эквивалентных протонов четырех СН 3 -групп расщепляются протонами метиновых групп в дублет. В свою очередь сигнал метинового протона расщепляется шестью вицинальными протонами метильных групп в гептет (рис. 4).

Рис. 4. Спектр ПМР 2,3-диметилбутана

С помощью спектров ПМР можно различать изомеры веществ (имеющих одинаковую молекулярную формулу). Например, спектры изомеров 1,1-дихлорэтана (см. рис. 3) и 1,2-дихлорэтана (см. рис. 1) совершенно различны.

Пример 5. Спектр вещества состава С 2 Н 3 Сl 3 , принадлежащий 1,1,2-трихлорэтану (см. рис. 2), содержит два сигнала: d (СН 2 Сl)=3,5 м. д. (дублет) и d (СHCl 2)=5,5 м. д. (триплет). Спектр изомерного ему 1,1,1-трихлорэтана содержит один синглет от эквивалентных протонов метильной группы d (СH 3)=2,7 м. д.

Итак, спектры ПМР предоставляют весьма наглядные и информативные сведения о составе и строении вещества. Они универсальны – применимы ко всем классам органических соединений. Научиться разбираться в спектрах не так уж сложно, а их разгадывание увлекательней раскладывания пасьянса. Вот типичные задачи с использованием спектроскопии ПМР.

• Задача 1. Идентифицируйте следующие спирты по их спектрам ПМР:

а) соединение А – С 14 Н 14 О (рис. 5) и соединение Б – С 9 Н 11 BrO (рис. 6).

Рис. 5. Спектр ПМР соединения А (С 14 Н 14 О)

а) Ключ к решению дает сигнал с химическим сдвигом ароматических протонов d = 7,2–7,4 м. д. интенсивностью, отвечающей 10 Н (см. рис. 5). За этот сигнал в спектре ответственны две фенильные группы С 6 Н 5 , содержащиеся в одной молекуле вещества А. Синглет при d =2,27 м. д. обусловлен протоном гидроксильной группы, причем другими заместителями при спиртовом углероде служат группы С 6 Н 5 (две) и СН 3 (сигнал с центром при d =1,89 м. д., синглет, 3 Н). Искомое вещество А – 1,1-дифенилэтанол-1

(С 6 Н 5) 2 ССН 3 .
OH

б) Вещество Б содержит дизамещенное бензольное кольцо, о чем свидетельствует сигнал d = 6,90–7,45 м. д. (квартет, 4 Н).

Рис. 6. Спектр ПМР соединения Б (С 9 Н 11 BrO)

Химические сдвиги d =0,82 м. д. (триплет, 3 Н) и d =1,60 м. д. (квартет, 2 Н), интенсивность этих сигналов определяют этильную группу СН 3 СН 2 . Сигнал при d =2,75 м. д. (синглет, 1 Н) соответствует гидроксильному протону ОН; сигнал при d =4,40 м. д. (триплет, 1 Н) принадлежит метиновому протону, соседствующему с метиленовой группой (СНСН 2). Причем появление сигнала в слабом поле свидетельствует о связи СН с гидроксильной группой.

Остается определить положение атома брома в бензольном кольце. Известно, что сигнал в виде симметричного квартета (4 Н) характерен для n-замещенного бензольного кольца.

В результате получена структурная формула

искомое вещество называется 1-(4"-бромфенил)пропанол-1.

• Задача 2. Диол С 8 Н 18 О 2 не реагирует с перйодной кислотой, его спектр ПМР содержит три синглета при (м. д.) d =1,2 (12 H), d =1,6 (4 H) и d =2,0 (2 H). Какое строение имеет диол?

Если диол не реагирует с перйодной кислотой, значит, атомы углерода, несущие гидроксильные группы, разделены хотя бы одной метиленовой группой. Проявление всех сигналов в виде синглетов говорит о том, что в углеродной цепи протонсодержащие атомы углерода чередуются с апротонными углеродами.

Сигнал при d =1,2 (12 Н) происходит от протонов четырех эквивалентных краевых СН 3 -групп; сигнал при d =2,0 (2 Н) – от двух гидроксильных протонов диола; сигнал при d = 1,6 (4 Н) – от двух эквивалентных метиленовых групп (при этом отсутствует расщепление сигнала на соседних протонах!). Заданное вещество имеет строение

и называется 2,5-диметилгександиол-2,5.

• Задача 3. Ответьте на следующие вопросы, касающиеся спектров ПМР изомерных эфиров с молекулярной формулой С 5 Н 12 О.

а) Какой из эфиров содержит только синглеты в спектре ПМР?
б) Среди других сигналов заданный эфир имеет систему взаимодействия дублет–гептет. Назовите эфир.
в) Наряду с другими сигналами в спектре ПМР этого эфира имеется два сигнала в относительно слабом поле, причем один – синглет, другой – дублет. Какое строение у этого эфира?
г) Особенностью спектра являются два сигнала в относительно слабом поле: один – триплет, другой – квартет. Назовите эфир.

а) Трет-бутилметиловый эфир (СН 3) 3 СОСН 3 .
б) Изопропилэтиловый эфир (СН 3) 2 СНОСН 2 СН 3 , т. к. систему взаимодействия дублет–гептет содержит изолированная изопропильная группа.
в) В относительно слабом поле проявляются протоны при эфирных атомах углерода. По условию один сигнал – синглет, это СН 3 О. Для вещества молекулярной формулы С 5 Н 12 О дублет в спектре принадлежит группе ОСН 2 СН.
Вещество – изобутилметиловый эфир (СН 3) 2 СНСН 2 ОСН 3 .
г) Подобно примеру в) указана особенность сигналов от протонов при атомах углерода, непосредственно связанных с эфирным кислородом. Сигналы в виде триплета и квартета дают протоны, соседствующие с СН 2 - и СН 3 -группами соответственно.
Вещество – н-пропилэтиловый эфир СН 3 СН 2 ОСН 2 СН 2 СН 3 .

• Задача 4. Спектр ПМР вещества А – С 8 Н 8 О – состоит из двух синглетов одинаковой интенсивности при d =5,1 м. д. (острый) и d =7,2 м. д. (широкий).

При обработке избытком бромистого водорода соединение А превращается в дибромид С 8 Н 8 Br 2 (индивидуальное соединение Б, один изомер). Спектр ПМР дибромида подобен спектру вещества А, в нем проявляются два равноценных (по площади) синглета при d =4,7 м. д. (острый) и d =7,3 м. д. (уширенный).

Предложите возможные структурные формулы соединения А и его дибромпроизводного Б.

В состав вещества А – С 8 Н 8 О – входят бензольное кольцо (d =7,2 м. д.) и две эквивалентные группы с эфирной связью типа –Н 2 С–О–СН 2 –. Заметим, что фенилацетальдегид С 6 Н 5 СН 2 СНО не отвечает условию задачи, он дает три сигнала в спектре ПМР. По той же причине не подходят толуолальдегид СН 3 С 6 Н 4 СНО, стиролоксид , 2,3-дигидробензофуран

Ацетофенон С 6 Н 5 С(О)СН 3 отклоняется по трем причинам: первая – он не присоединяет НBr; вторая – химический сдвиг протонов ацетилгруппы d» 2,1 м. д., а в условии d =5,1 м. д.; третья – синглеты «одинаковой интенсивности», тогда как в ацетофеноне их соотношение 5:3.

Вероятно, зашифрованное вещество А можно описать одной из предложенных формул: о-ксиленоксид или n-ксиленоксид Эти соединения реагируют с бромистым водородом, образуя вещество Б – дибромид:

• Задача 5. Спектр ПМР соединения С 10 Н 13 BrО показан на рис. 7. Это соединение при нагревании с HBr образует два продукта реакции: бензилбромид С 6 Н 5 СН 2 Br и дибромпропан С 3 Н 6 Br 2 . Определите исходное соединение.

Рис. 7. Спектр ПМР соединения С 10 Н 13 BrО. (Цифрами при пиках слева направо указана интегральная интенсивность сигналов, равная 5:2:2:2:2. Сигналы при d =3,5 м. д. и d =3,6 м. д. представляют два триплета.)

Анализ условия задачи: в соединении четыре группы СН 2 с неэквивалентными протонами, которые проявляются в разных областях спектра ПМР, что приводит к структурной формуле С 6 Н 5 СН 2 ОСН 2 СН 2 СН 2 Br – бензил-3-бромпропиловый эфир. Предлагаемое отнесение сигналов эфира:

Реакция эфира с HBr:

• Задача 6. Соединение с молекулярной формулой С 4 Н 8 О содержит карбонильную группу. Идентифицируйте соединение на основании его спектра ПМР, приведенного на рис. 8.

Рис. 8. Спектр ПМР соединения С 4 Н 8 О. (Сигнал при d =2,4 м. д. происходит от двух протонов и представляет собой неразличимый дуплет триплетов. Сигнал с d =9,8м.д. имеет форму однопротонного триплета с очень маленьким расстоянием между линиями, сливающимися в один пик.)

Химический сдвиг d =9,8 м. д. определяет альдегидную группу –СНО. Другие три сигнала по интегральной интенсивности и мультиплетности соответствуют н-бутаналю:

Отметим, что сигнал от a-метиленовых протонов альдегида СН 3 СН 2 –СН 2 –СНО расщепляется на соседних протонах СН 2 -группы в триплет. Альдегидный протон удваивает картинку, получается два триплета, сливающихся в один триплет.

• Задача 7. Соединение С 7 Н 14 О содержит карбонильную группу. Его спектр ПМР состоит из трех синглетов в соотношении 9:3:2 (по площади пиков) при d соответственно равных 1,0, 2,1 и 2,3 м. д. Определите соединение.

Искомое соединение является кетоном (альдегид дал бы сигнал d» 10 м. д. от протонов СНО). К карбонильной группе присоединены: метил –СH 3 , d =2,1 м. д. и метилен –СН 2 , d =2,3 м. д. Остальные девять протонов приходятся на трет-бутильную группу (СН 3) 3 С–. Протоны каждого вида изолированы (не имеют соседних С–Н-протонов) и проявляются синглетами.

Таким образом, это – метилнеопентилкетон (4,4-диметилпентанон-2)

• Задача 8. Соединения А и Б являются изомерными дикетонами формулы С 6 Н 10 О 2 . Спектр ПМР соединения А представлен двумя одиночными сигналами при d =2,2 м. д. (6 Н) и 2,8 м. д. (4 Н). Спектр ПМР соединения Б представлен тоже двумя сигналами при d =1,3 м. д. (триплет, 6 Н) и d =2,8 м. д. (квартет, 4 Н). Какое строение имеют соединения А и Б?

Для вещества А естественно предположить симметричное строение, где каждый углерод, несущий протоны, соединен с апротонным углеродом: СН 3 С(О)СН 2 СН 2 С(О)СН 3 – это ацетонилацетон (гександион-2,5). Протоны двух связанных метиленовых групп эквивалентные.

Для вещества Б характерно наличие двух этильных групп (взаимодействие типа триплет–квартет), поэтому оно имеет формулу СН 3 СН 2 С(О)С(О)СН 2 СН 3 . это – гександион-3,4. Проведем отнесение химических сдвигов протонов разных типов:

• Задача 9. При обработке бутанона-2 (1 моль) молекулярным бромом Вr 2 (2 моль) в водной кислоте HBr образуется вещество С 4 Н 6 Br 2 O. Спектр ПМР этого продукта реакции характеризуется сигналами при d =1,9 м. д. (дублет, 3 Н), 4,6 м. д. (синглет, 2 Н) и 5,2 м. д. (квартет, 1 Н). Определите это соединение.

Бутанон- является С–Н-кислотой. Карбонильная группа оттягивает на себя электронную плотность, и протоны в a -положении к становятся кислыми (связи С–Н наименее прочные в ).

Запишем образование возможных структур – результат замещения двух водородов на атомы брома: Вr 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) и СH 3 C(O)СBr 2 СН 3 (3). По числу сигналов, по их химическим сдвигам, интегральной интенсивности и мультиплетности экспериментальным данным (спектру) удовлетворяет структура (2):

• Задача 10. При бромировании 3-метилбутанона-2 образуются два соединения (изомеры А и Б), каждое с молекулярной формулой С 5 Н 9 BrО и в соотношении 95:5. Спектр ПМР главного изомера А содержит дублет при d =1,2 м. д. (6 Н), гептет при d =3,0 м. д. (1 Н) и синглет при d =4,1 м. д. (2 Н). Спектр ПМР минорного изомера Б (в качестве примеси) выражен двумя синглетами при d =1,9 м. д. и d =2,5 м. д. Синглет при d =2,5 м. д. по площади пика составляет половину от синглета при d =1,9 м. д. Предложите структурные формулы двух этих соединений.

Бромирование 3-метилбутанона-2 происходит в a -положении к карбонильной группе:

• Задача 11. Спектры ПМР кислот муравьиной НООСН, малеиновой цис-НООССН=СНСООН и малоновой НООССН 2 СООН интересны тем, что в каждом содержатся два синглета равной интенсивности. Обозначим спектры этих соединений следующим образом:

спектр А: d =3,2 и d =12,1 м. д.;
спектр Б: d =6,3 и d =12,4 м. д.;
спектр В: d =8,0 и d =11,4 м. д.

Определите, какой спектр соответствует каждой кислоте.

В области химических сдвигов d =11–12,5 м. д. проявляются протоны карбоксильной группы –СООН. Характерными для каждого вещества в отдельности будут значения d =3,2–8,0 м. д., т. е. в более сильном поле. В малоновой и малеиновой кислотах внутренние атомы углерода, находящиеся между карбоксильными группами, являются алифатическими (связаны только с атомами С и Н).

Напротив, в муравьиной кислоте единственный в молекуле углерод – карбоксильный (или карбонильный), поэтому связанный с ним протон Н–СОСН проявляется в слабом поле, d =8 м. д.

Наличие двойной связи в углеродной цепи малеиновой кислоты обусловливает сдвиг при d =6,3 м. д. от протонов –СН=СН– по сравнению с d =3,2 м. д. для –СН 2 – малоновой кислоты.

Итак, спектр А принадлежит малоновой, спектр Б – малеиновой, спектр В – муравьиной кислотам.

• Задача 12. Соединения А и Б являются изомерами с молекулярной формулой С4Н8О3. Определите А и Б по их спектрам ПМР.

Соединение А: d равно 1,3 м. д. (триплет, 3 Н); 3,6 м. д. (квартет, 2 Н); 4,1 м. д. (синглет, 2 Н); 11,1 м. д. (синглет, 1 Н).
Соединение Б: d равно 2,6 м. д. (триплет, 2 Н); 3,4 м. д. (синглет, 3 Н); 3,7 м. д. (триплет, 2 Н); 11,3 м. д. (синглет, 1 Н).

Вещества А и Б являются карбоновыми кислотами, что устанавливается по химическому сдвигу при d» 11 м. д. карбоксильного протона –СООН. Два кислорода входят в состав карбоксильной группы. Третий кислород содержится в молекуле в виде простой эфирной связи С–О–С. По интегральной интенсивности сигналов, их химическим сдвигам и мультиплетности составляем формулы веществ:

• Задача 13. Соединения А и Б – карбоновые кислоты. Напишите структурную формулу каждого соединения по данным спектров ПМР:

а) соединение А (С 3 Н 5 ClO 2) (рис. 9);

Рис. 9. Спектр ПМР соединения А (С 3 Н 5 ClO 2)

б) соединение Б (С 9 Н 9 NO 4) (рис. 10).

Рис. 10. Спектр ПМР соединения Б (С 9 Н 9 NO 4)

а) Вещество А – b -хлорпропионовая кислота ClCH 2 CH 2 COOH. Соседствующие метиленовые группы образуют триплетные сигналы равной интенсивности в разных областях спектра. На этом примере видно, как с помощью спектров ПМР можно оценить электроноакцепторные свойства заместителей: d (СН 2 Cl)=3,77 м. д., d (СН 2 COOH)=2,85 м. д., т. е. хлор более сильный акцептор электронов, чем карбоксильная группа.

б) Вещество Б содержит карбоксильную группу (резонанс карбоксильного протона при d» 12 м. д.), паразамещенное ароматическое бензольное кольцо (четырехлинейчатый спектр при d =7,5–8,2 м. д.), нитрогруппу и два связанных алкильных углерода СН 3 СН (по интегральной интенсивности и характеру расщепления дублет–квартет).

Возможные структурные формулы:

a -(n-нитрофенил)пропионовая кислота

4-(a -нитроэтил)бензойная кислота

Использованная литература

Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во МГУ, 1979, 238 с.; Сильверстейн Р., Басслер Г., Моррил Т. Спектрометрическая идентификация органических соединений. М.: Мир, 1977, 592 с.; Ионин Б.И., Ершов Б.А., Кольцов А.И. ЯМР-спектроскопия в органической химии. Л.: Химия, 1983, 269 с.; Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических соединений. М.: Мир, 1992, 401 с.

Метод ЯМР – спектроскопии основан на магнитных свойствах ядер. Ядра атомов несут на себе положительный заряд и вращаясь вокруг своей оси. Вращение заряда приводит к возникновению магнитного диполя.

Угловой момент вращения, которого может быть описан спиновым квантовым числом (I). Численное значение спинового квантового числа, равно сумме спиновых квантовых чисел протонов и нейтронов входящих в состав ядра.

Спиновое квантовое число может принимать значение

Если количество нуклонов чётное, то величина I = 0, либо целому числу. Это такие ядра С 12 , Н 2 , N 14 , такие ядра не поглощают радиочастотного излучения и не дают сигналов в ЯМР – спектроскопии.

I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - поглощают радиочастотное излучение, дают сиг нал ЯМР спектра.

I = ± 1 1 / 2 CL 35 , Br 79 - не симметричное распределение зарядов по поверхности ядра. Что приводит к возникновению квадропольного момента. Такие ядра методами ЯМР спектроскопии не изучают.

Пмр – спектроскопия

Численное значение I (I = ± 1 / 2) определяет количество возможных ориентаций ядра во внешнем магнитном поле в соответствии с формулой:

Из этой формулы видно, что количество ориентаций равно 2.

Для того, что бы осуществить переход протона, находящегося на нижнем уровне, на более высокий ему нужно сообщить энергию равную разности энергии этих уровней, то есть облучить излучением строго определённой чистотой. Разница в энергии уровней (ΔΕ) зависит от величины наложенного магнитного поля (H 0) и магнитной природы ядер, описывающимся магнитным моментом (μ). Это величина определяется вращением:

, где

h – постоянная Планка

Величина внешнего магнитного поля

γ – коэффициент пропорциональности, называется гиромагнитным соотношением, определяет зависимость между спиновым квантовым числом I и магнитным моментом μ.

– основное уравнение ЯМР , оно связывает величину внешнего магнитного поля, магнитную природу ядер и чистоту излучения при котором происходит поглощение энергии излучений и ядра переходят междууровнями.

Из приведенной записи видно, что для одних и тех же ядер, протонов, существует строгая зависимость между величиной Н 0 и μ.

Так, например для того, чтобы ядра протонов находились во внешнем магнитном поле 14000 Гс перешли на более высокий магнитны уровень их нужно облучить с частотой 60 МГц, если до 23000Гс, то потребуется излучение с частой 100МГц.

Таким образом из выше сказанного следует, что основными частями ЯМР спектрометра должен быть, мощный магнит и источник радиочастотного излучения.

Анализирующее вещество помещаем в ампулу из специальных сортов стекла толщиной 5 мм. Ампулу помещаем в зазор магнита, для более равномерного распределения магнитного поля внутри ампулы, она вращается вокруг своей оси, с помощью катушки излучение генерируется радиочастотным излучением не прерывно. Частота этого излучения изменяется в небольшом диапазоне. В какой-то момент времени, когда частота в точности соответствует уравнению ЯМР спектроскопии, наблюдается поглощение энергии излучения и протоны переориентируют свой спин – это поглощение энергии регистрируется приёмной катушкой виде узкого пика.

В некоторых моделях спектрометра μ=const, а в небольших приделах изменяется величина H 0 . Для регистрации спектра необходимо 0,4 мл вещества, если вещество твёрдое его растворяют в подходящем растворе, необходимо взять 10-50 мл/г вещества.

Для получения качественного спектра необходимо использовать растворы концентрации 10 – 20 %. Предел чувствительности ЯМР соответствует 5%.

Для увеличения чувствительности с использованием ЭВМ применяют многочасовое накопление сигнала при этом полезный сигнал увеличивается в интенсивности.

В дальнейшем совершенствовании методики ЯМР спектрораспределения стало, применение Фурье – преобразование сигнала. В этом случае образец облучается не излучением с медленно изменяющейся частотой, а излучением соединяющие все частоты в одном пакете. При этом происходит поглощения излучения одной частоты, и протоны переходят на верхний энергетический уровень, затем короткий импульс выключается и после этого возбуждённые протоны начинают терять поглощённую энергию и переходить на нижний уровень. Это явление энергии регистрируется системой в виде серии миллисекундных импульсов, которые затухают во времени.

Идеальным растворителем является вещество не содержащие протонов, то есть четырёх хлористый углерод и серный углерод, однако некоторые вещества в этих растворах не растворяются, поэтому используют любые растворители в молекулах которых атомы легкого изотопа H 1 замещены на атомы тяжелого изотопа дейтерия. Изотопная частота должна соответствовать 99%.

СDCl 3 – дейтерий

Дейтерий в ЯМР спектрах сигнала не даёт. Дальнейшим развитием метода явилось использование быстродействующего компьютера и фурипреобразование сигнала. В этом случаи вместо последнего сканирования частоты излучения на образец накладывается мгновенное излучение, содержащие все возможные частоты. При этом происходит мгновенное возбуждение всех ядер и переориентация их спинов. После выключения излучения ядра начинают выбрасывать энергию и переходить на более низкий энергетический уровень. Этот выброс энергии длится несколько секунд и состоит из ряда микросекундных импульсов, которые системой регистрации, регистрируют в виде вилки.

Сущность явления ЯМР можно проиллюстрировать следующим образом. Если ядро, обладающее магнитным моментом, помещено в однородное поле 0 , направленное по оси z, то его энергия (по отношению к энергии при отсутствии поля) равна -mzH0, где mz- проекция ядерного магнитного момента на направление поля.

Как уже отмечалось, ядро может находиться в 2I + 1 состояниях. При отсутствии внешнего поля 0 все эти состояния имеют одинаковую энергию. Если обозначить наибольшее измеримое значение компоненты магнитного момента через m, то все измеримые значения компоненты магнитного момента (в данном случае mz) выражаются в виде mm, где m - квантовое число, которое может принимать, как известно, значения

m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.

Так как расстояние между уровнями энергии, соответствующими каждому из 2I + 1 состояний, равно mH0 / I, то ядро со спином I имеет дискретные уровни энергии:

MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.

Расщепление уровней энергии в магнитном поле можно назвать ядерным зеемановским расщеплением, так как оно аналогично расщеплению электронных уровней в магнитном поле (эффект Зеемана). Зеемановское расщепление для системы с I = 1 (с тремя уровнями энергии).

Явление ЯМР состоит в резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Отсюда вытекает очевидное название явления: ядерный - речь идет о системе ядер, магнитный - имеются в виду только их магнитные свойства, резонанс - само явление носит резонансный характер. Действительно, из правил частот Бора следует, что частота n электромагнитного поля, вызывающего переходы между соседними уровнями, определяется формулой:

hν=μH0/I, или ν=μH0/hI.

Так как векторы момента количества движения (углового момента) и магнитного момента параллельны, то часто удобно характеризовать магнитные свойства ядер величиной g, определяемой соотношением

где γ - гиромагнитное отношение, имеющее размерность радиан*эрстед-1*секунда-1 (рад*Э-1*с-1). С учетом этого найдем

ν=γ0/2π. (3.2)

Таким образом, частота пропорциональна приложенному полю.

Если в качестве типичного примера взять значение $\gamma$для протона, равное 2,6753*104 рад/(Э*с), и H0 = 10000 Э, то резонансная частота

ν=42.577 (МГц)

Такая частота может быть генерирована обычными радиотехническими методами.

Спектроскопия ЯМР характеризуется рядом особенностей, выделяющих ее среди других аналитических методов. Около половины ($\sim$150) ядер известных изотопов имеют магнитные моменты, однако только меньшая часть их систематически используется.

До появления спектрометров, работающих в импульсном режиме, большинство исследований выполнялось с использованием явления ЯМР на ядрах водорода (протонах) 1H (протонный магнитный резонанс - ПМР) и фтора 19F. Эти ядра обладают идеальными для спектроскопии ЯМР свойствами:

высокое естественное содержание "магнитного" изотопа (1H 99,98%, 19F 100%); для сравнения можно упомянуть, что естественное содержание "магнитного" изотопа углерода 13C составляет 1,1%; большой магнитный момент; спин I = 1/2.

Это обусловливает, прежде всего, высокую чувствительность метода при детектировании сигналов от указанных выше ядер. Кроме того, существует теоретически строго обоснованное правило, согласно которому только ядра со спином, равным или большим единицы, обладают электрическим квадрупольным моментом. Следовательно, эксперименты по ЯМР 1H и 19F не осложняются взаимодействием ядерного квадрупольного момента ядра с электрическим окружением.

Внедрение импульсных спектрометров ЯМР в повседневную практику существенно расширило экспериментальные возможности этого вида спектроскопии. В частности, запись спектров ЯМР 13C растворов - важнейшего для химии изотопа - теперь является фактически привычной процедурой. Обычным явлением стало также детектирование сигналов от ядер, интенсивность сигналов ЯМР которых во много раз меньше интенсивности для сигналов от 1H, в том числе и в твердой фазе.

Спектры ЯМР высокого разрешения обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий (сигналов), соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки.

Еще одна особенность ЯМР - влияние обменных процессов, в которых участвуют резонирующие ядра, на положение и ширину резонансных сигналов. Таким образом, по спектрам ЯМР можно изучать природу таких процессов. Линии ЯМР в спектрах жидкостей обычно имеют ширину 0,1 - 1 Гц (ЯМР высокого разрешения), в то время как те же самые ядра, исследуемые в твердой фазе, будут обусловливать появление линий шириной порядка 1*104 Гц (отсюда понятие ЯМР широких линий).

В спектроскопии ЯМР высокого разрешения имеются два главных источника информации о строении и динамике молекул:

химический сдвиг; константы спин-спинового взаимодействия.

В реальных условиях резонирующие ядра, сигналы ЯМР которых детектируются, являются составной частью атомов или молекул. При помещении исследуемых веществ в магнитное поле (0) возникает диамагнитный момент атомов (молекул), обусловленный орбитальным движением электронов. Это движение электронов образует эффективные токи и, следовательно, создает вторичное магнитное поле, пропорциональное в соответствии с законом Ленца полю 0 и противоположно направленное. Данное вторичное поле действует на ядро. Таким образом, локальное поле в том месте, где находится резонирующее ядро, лок=0 (3.3)

где σ- безразмерная постоянная, называемая постоянной экранирования и не зависящая от 0, но сильно зависящая от химического (электронного) окружения; она характеризует уменьшение лок по сравнению с 0 .

Величина $\sigma$меняется от значения порядка 10-5 для протона до значений порядка 10-2 для тяжелых ядер. С учетом выражения для лок имеем: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)

Эффект экранирования заключается в уменьшении расстояния между уровнями ядерной магнитной энергии или, другими словами, приводит к сближению зеемановских уровней. При этом кванты энергии, вызывающие переходы между уровнями, становятся меньше и, следовательно, резонанс наступает при меньших частотах (см. выражение (3.4)). Если проводить эксперимент, изменяя поле 0 до тех пор, пока не наступит резонанс, то напряженность приложенного поля должна иметь большую величину по сравнению со случаем, когда ядро не экранировано.

Влияние электронного экранирования на зеемановские уровни ядра: а - неэкранированного, б - экранированного

В подавляющем большинстве спектрометров ЯМР запись спектров осуществляется при изменении поля слева направо, поэтому сигналы (пики) наиболее экранированных ядер должны находиться в правой части спектра.

Смещение сигнала в зависимости от химического окружения, обусловленное различием в константах экранирования, называется химическим сдвигом.

Впервые сообщения об открытии химического сдвига появились в нескольких публикациях 1950 - 1951 годов. Среди них необходимо выделить работу Арнольда, получившего первый спектр с отдельными линиями, соответствующими химически различным положениям одинаковых ядер 1H в одной молекуле.

В этой молекуле три типа протонов: три протона метильной группы CH3-, два протона метиленовой группы -CH2- и один протон гидроксильной группы -OH. Видно, что три отдельных сигнала соответствуют трем типам протонов. Так как интенсивность сигналов находится в соотношении 3: 2: 1, то расшифровка спектра (отнесение сигналов) не представляет труда.

Поскольку химические сдвиги нельзя измерять в абсолютной шкале, то есть относительно ядра, лишенного всех его электронов, то в качестве условного нуля используется сигнал эталонного соединения. Обычно значения химического сдвига для любых ядер приводятся в виде безразмерного параметра δ, определяемого следующим образом:

δ=(H−Hэт)/Hэт*106, (3.6)

где (Н - Нэт) - есть разность химических сдвигов для исследуемого образца и эталона, Нэт - абсолютное положение сигнала эталона при приложенном поле (Н0) .

В реальных условиях эксперимента более точно можно измерить частоту, а не поле, поэтому $\delta$ обычно находят из выражения:

δ=(ν−νэт)/ν0*106, (3.7)

где (ν – νэт) - есть разность химических сдвигов для образца и эталона, выраженная в единицах частоты (Гц); в этих единицах обычно производится калибровка спектров ЯМР.

Следует пользоваться не ν0 - рабочей частотой спектрометра (она обычно фиксирована), а частотой νэт, то есть абсолютной частотой, на которой наблюдается резонансный сигнал эталона. Однако вносимая при такой замене ошибка очень мала, так как ν0 и νэт почти равны (отличие составляет 10-5, то есть на величину σ для протона). Поскольку разные спектрометры ЯМР работают на разных частотах ν0 (и, следовательно, при различных полях Н0), очевидна необходимость выражения δ в безразмерных единицах.

За единицу химического сдвига принимается одна миллионная доля напряженности поля или резонансной частоты. Спин-спиновое взаимодействие.

В 1951 - 1953 годах при записи спектров ЯМР ряда жидкостей обнаружилось, что в спектрах некоторых веществ больше линий, чем это следует из простой оценки числа неэквивалентных ядер. Один из первых примеров - это резонанс на фторе в молекуле POCl2F. Спектр 19F состоит из двух линий равной интенсивности, хотя в молекуле есть только один атом фтора. Молекулы других соединений давали симметричные мультиплетные сигналы (триплеты, квартеты и т.д.).

Это взаимодействие обусловлено механизмом косвенной связи через электронное окружение. Ядерный спин стремится ориентировать спины электронов, окружающих данное ядро. Те, в свою очередь, ориентируют спины других электронов и через них - спины других ядер. Энергия спин-спинового взаимодействия обычно выражается в герцах (то есть постоянную Планка принимают за единицу энергии, исходя из того, что Е=hν). Ясно, что нет необходимости (в отличие от химического сдвига) выражать ее в относительных единицах, так как обсуждаемое взаимодействие, как отмечалось выше, не зависит от напряженности внешнего поля. Величину взаимодействия можно определить, измеряя расстояние между компонентами соответствующего мультиплета.

Простейшим примером расщепления из-за спин-спиновой связи, с которым можно встретиться, является резонансный спектр молекулы, содержащей два сорта магнитных ядер А и Х. Ядра А и Х могут представлять собой как различные ядра, так и ядра одного изотопа (например, 1H) в том случае, когда химические сдвиги между их резонансными сигналами велики.

Методы спинового эха.

В экспериментах, когда высокочастотное поле 1 непрерывно действует на образец, находящийся в однородном магнитном поле 0, достигается стационарное состояние, при котором взаимно скомпенсированы две противоположные тенденции. С одной стороны, под действием высокочастотного поля 1 числа заполнения зеемановских уровней стремятся выравняться, что приводит к размагничиванию системы, а с другой стороны, тепловое движение препятствует этому и восстанавливает больцмановское распределение.

Совершенно иные неустановившиеся процессы наблюдаются в тех случаях, когда высокочастотное поле 1 включается на короткое время. Практическое осуществление экспериментов подобного рода возможно, поскольку характерные временные параметры электронной аппаратуры малы по сравнению со временем затухания ларморовой прецессии Т2.

Впервые реакцию системы на импульсы высокочастотного поля наблюдал Хан в 1950г., открыв явление - спиновое эхо. Это открытие положило начало развитию импульсных методов ЯМР.

Действие поля 1, вращающегося с резонансной частотой, сводится к отклонению намагниченности от первоначального равновесного направления, параллельного полю 0. Если поле включают лишь на короткий промежуток времени, а затем опять отключают, то угол отклонения вектора намагниченности зависит от длительности импульса. После включения поля 1 вектор намагниченности будет прецессировать вокруг поля 0 до тех пор, пока его компоненты, перпендикулярные полю 0 , не исчезнут либо за счет релаксации, либо за счет других причин. Индукционный сигнал, который наблюдают после выключения высокочастотного поля 1, представляет собой затухание свободной прецессии, рассмотренное впервые Блохом.

Если напряженность поля 1 велика, а продолжительность импульса tw настолько мала, что в течение действия импульса релаксационными процессами можно пренебречь, то действие поля 1 сведется к повороту вектора намагниченности на угол g1tw (g1-угловая скорость, с которой поле 1 отклоняет вектор от оси z). Если величины 1 и tw выбраны таким образом, что g1tw=1/2p, (3.8) то вектор после поворота окажется в плоскости ху. Такие импульсы называют импульсами поворота на 900 (или 900-ные импульсы). Те импульсы, для которых g1tw=p, называются импульсами поворота на 1800 (1800-ные импульсы).

Действие последних импульсов на вектор намагниченности приводит к изменению его первоначального направления на противоположное. Действие 900-ных импульсов можно лучше понять, рассматривая их в системе координат, вращающейся с угловой скоростью, равной частоте поля 1. Если длительность импульса мала, так что окончательный результат мало зависит от величины отклонения частоты поля 1 от резонансного значения, то в такой системе координат вектор намагниченности М сразу после окончания действия импульса будет направлен по оси v.

Если постоянное поле 0 совершенно однородно, то поведение вектора намагниченности после окончания действия импульса определяется только процессами релаксации. Поэтому компонента вектора намагниченности, расположенная в плоскости, перпендикулярной полю 0, будет вращаться вокруг этого направления с ларморовой частотой, в то время как ее амплитуда будет стремиться к нулю по закону exp(-t/T2).

В том случае, когда неоднородность магнитного поля Н0 нельзя пренебречь, затухание происходит быстрее. Это явление можно представить наглядно при помощи ряда диаграмм, показывающих положение вектора на-

магниченности в различных частях образца в определенные моменты процесса затухания. Предположим, что образец разделен на несколько областей, а в пределах каждой области магнитное поле однородно, и намагниченность характеризуется своим вектором i. Наличие неоднородности магнитного поля 0 приведет к тому, что вместо прецессии результирующего вектора намагниченности с определенной ларморовой частотой w0 будет происходить прецессия набора векторов намагниченности с частотами, распределенными по некоторому закону.

Рассмотрим движение этих векторов в системе координат, вращающейся с угловой скоростью, которая равна средней скорости ларморовой прецессии, соответствующей некоторому среднему значению поля Н0. Векторы i называют спиновыми изохроматами.

Однако ввиду того, что они имеют разные скорости прецессии, т.к. находятся в областях образца с различными значениями поля 0, то некоторые из них будут вращаться быстрее, а некоторые - медленнее системы координат. Поэтому в системе координат, вращающейся с некоторой средней угловой скоростью, спиновые изохроматы будут рассыпаться в “веер”. Т.к. приемная катушка индукционной системы реагирует только на векторную сумму этих моментов, то наблюдается затухание сигнала.

Хан нашел, что воздействие на систему второго импульса через промежуток времени τ после первого приводит к появлению через равный промежуток времени 2τ эхо-сигнала. Эхо-сигнал наблюдается даже в том случае, когда за время 2τ произойдет полное затухание сигнала свободной прецессии.

1. Первоначально система находится в тепловом равновесии, и все векторы намагниченности параллельны постоянному полю 0.

2. Под влиянием высокочастотного поля, направленного по оси х΄ вращающейся системы координат, векторы намагниченности за время первого импульса отклоняются от направления оси z к направлению оси у΄.

3. После окончания 900-го импульса все векторы намагниченности расположены в экваториальной плоскости в направлении оси у΄ (векторное произведение есть вектор, перпендикулярный в данном случае плоскости z΄x΄). Если продолжительность импульса tω достаточно мала, то никакой релаксации или рассыпания векторов намагниченности в "веер", связанного с неоднородностью поля 0, наблюдаться не будет.

4. Сразу же после включения высокочастотного поля Н1 происходит затухание свободной прецессии, что приводит к рассыпанию спиновых изохроматов в "веер", расположенный в плоскости х΄у΄.

5. через промежуток времени τ на систему действует 1800-ный импульс продолжительностью 2tω. В результате действия этого импульса вся система векторов i поворачивается на 1800 вокруг оси х΄.

6. По окончании второго импульса каждый из векторов намагниченности во вращающейся системе координат продолжает двигаться в прежнем направлении. Однако теперь, после поворота на 1800, это движение приводит не к рассыпанию, а к складыванию ″веера″ векторов.

7. Через промежуток времени 2τ после начала первого импульса все векторы намагниченности, находящиеся в плоскости х΄у΄, будут иметь одно и то же направление и создадут сильный результирующий магнитный момент в отрицательном направлении оси у΄. Это приводит к наведению в приемной катушке сигнала, называемого эхо-сигналом.

8. После появления эхо-сигнала векторы намагниченности опять рассыпаются в "веер", и наблюдается обычное затухание свободной прецессии. Затухание сигнала эхо (начиная с момента времени 2τ) совпадает по форме с затуханием сигнала свободной индукции после первого 900-го импульса. Сразу за 1800-ным импульсом никакого сигнала свободной индукции не возникает.

Форма эхо-сигнала, как и форма сигнала затухания свободной прецессии, зависит от временного закона, которому подчиняется рассыпание в "веер" вектора намагниченности. Если магнитное поле неоднородно, то когерентность теряется быстро и эхо-сигнал будет узким; ширина его порядка (γΔΗ0)-1. Т.о., механизм спинового эха исключает обычное нежелательное влияние неоднородности стационарного магнитного поля.

Если молекулы остаются продолжительное время в одних и тех же частях образца, то амплитуда эхо-сигнала определяется только процессами релаксации и, следовательно, пропорциональна ехр(-2τ/Т2). Однако в жидкостях и газах процессами диффузии можно пренебрегать не всегда. Поэтому, вследствие передвижения молекул в неоднородном магнитном поле, скорость рассыпания в "веер" некоторых векторов намагниченности изменяется.

В результате происходит некоторая дополнительная потеря когерентности. В этом случае амплитуда эхо-сигнала оказывается зависящей от τ следующим образом:

ехр[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3.9)

Для эхо-сигналов, полученных для последовательности 900- и 1800-ных импульсов

k=1/4γ2GD , (3.10)

где D – константа диффузии;

G – среднее значение градиента магнитного поля (dH0/dt)ср.

Если выполняется условие

12/γ2G2D<< T32, (3.11)

то главную роль в затухании сигналов спинового эха будут играть процессы диффузии, а не релаксационные процессы. Аналогичные явления наблюдаются и для любых других импульсов, а не только для последовательности 900- и 1800-ных импульсов. Если применяется последовательность 900-ных импульсов, то после второго импульса появляется сигнал затухания свободной прецессии, который отсутствует при применении последовательности 900- и 1800-ных импульсов. Это происходит потому, что по прошествии времени τ, вследствие действия механизма спин-решеточной релаксации, магнитный момент, направленный по оси z, частично восстанавливается. Этот процесс можно охарактеризовать функцией:

f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)

Вследствие этого воздействие второго 900-го импульса приводит к сигналу затухания свободной прецессии, амплитуда которого меньше амплитуды первого сигнала в f раз. В том случае, когда вторым импульсом является 1800-ный импульс, этот восстанавливающий магнитный момент будет направлен в отрицательном направлении оси z и, следовательно, проекция его на плоскость ху равна нулю.

Эксперименты по спиновому эху можно проводить с большим числом импульсов. Существуют общие методы расчетов. Пригодные для любой последовательности импульсов.

Если в образце присутствуют ядра с различными резонансными частотами и между ними осуществляется спин-спиновое взаимодействие, то возникают усложнения картины спинового эха. В этом случае зависимость затухания амплитуды сигнала спинового эха от интервала между импульсами τ не подчиняется закону (3.9), а содержит также и некоторые осциллирующие во времени члены. Теперь остановимся на том, как можно управлять фазой переменного напряжения второго импульса так, чтобы во вращающейся системе координат поле 1 было вновь направлено вдоль оси +х΄, как и при первом импульсе. Дело в том, что в, так называемой, когерентной аппаратуре высокостабильный по частоте генератор выдает стационарное переменное напряжение, которое поступает в усилитель мощности через ключевую схему.

Ключевая схема пропускает радиочастотный сигнал (поле 1), и он усиливается лишь в течение промежутка времени, когда эти схемы открываются стробирующим импульсом. Т.о., мощные радиочастотные импульсы на выходе усилителя во времени совпадают со стробирующими импульсами. Выходное напряжение усилителя прикладывается к катушке с образцом, в которой создается радиочастотное поле 1. Если частота генератора ω точно настроена в резонанс, т.е. ω=ω0, то фаза этого поля всегда одна и та же в системе координат, вращающейся с частотой ω0.

Спектрометры ЯМР.

Спектрометр ЯМР должен содержать следующие основные элементы:

1) магнит, создающий поляризующее ядерную спин – систему магнитное поле 0;

2) передатчик, создающий зондирующее поле 1;

3) датчик, в котором под воздействием 0 и 1 в образце возникает сигнал ЯМР;

4) приемник, усиливающий этот сигнал;

5) систему регистрации (самописец, магнитная запись, осциллоскоп и т.д.);

6) устройства обработки информации (интегратор, многоканальный накопитель спектров);

7) систему стабилизации резонансных условий;

8) систему термостатирования образца;

9) передатчик, создающий поле 2 для двойных резонансов;

10) систему программирования регистрации ЯМР: для спин - спектрометра – развертку поля 0 или частоты n0 в заданном интервале с необходимой скоростью, требуемой числом реализаций спектра; для импульсных спектрометров – выбор числа, амплитуды и длительностей зондирующих импульсов, времени отслеживания каждой точки и числа точек интерферрограммы, времени повторения интерферрограммы, числа циклов накопления интерферрограммы;

11) системы коррекции магнитного поля. Это схематическое перечисление показывает, что современный ЯМР–спектрометр – сложная измерительная система.

По назначению ЯМР - спектрометры делят на приборы высокого и низкого разрешения. Граница здесь условная, и все чаще характеристики ЯМР - спектрометров высокого и низкого разрешения объединяют в одном универсальном приборе. Типичный прибор низкого разрешения должен иметь магнит, обеспечивающий относительное разрешение порядка 10-6 ч-1, возможность регистрации ЯМР многих магнитных ядер в широком интервале температур, сопряжение с системой обработки данных, гониометр для кристаллофизических измерений.

Для обеспечения высокой чувствительности применяется модуляционный метод наблюдения сигнала: поле 0 (частота n0) модулируется по синусоидальному закону; частота nm и амплитуда Аm выбираются из соображений оптимизации чувствительности и вносимых такой модуляцией искажений сигнала. Поскольку в кристаллах время спин- решеточной релаксации Т1 может достигать нескольких часов, спектрометр низкого разрешения должен обеспечивать регистрацию ЯМР при исключительно малых уровнях радиочастотного поля 1, чтобы избежать насыщения сигнала. Чувствительность модуляционного метода зависит от отношения Аm/d, причем это отношение для слабых сигналов приходится выбирать сравнимым с единицей. Но тогда возникает сильное модуляционное уширение, которое необходимо учитывать при обработке сигналов. Трудности еще более возрастают, если линия ЯМР имеет широкую и узкую компоненты – при однократной записи невозможно правильно передать отношение интенсивностей этих компонент.

В последнее время приобретают все большую популярность импульсные методы регистрации широких линий ЯМР в твердых телах, однако здесь возникают свои трудности. Чтобы одинаковым образом возбудить все переходы в спиновой системе, необходимо применять очень короткие импульсы длительностью tи£1 мкс; это требует мощных источников радиочастотных колебаний. Кроме того, временный отклик спиновой системы для широких линий (Т2~10 мкс) затухает очень быстро; чтобы за несколько микросекунд произвести достаточное число отсчетов, необходим аналого-цифровой преобразователь с быстродействием порядка 0,1 мкс канал.

Большие трудности возникают из-за звона контура в датчике и перегрузки приемника после мощного импульса. Преимуществом импульсной техники является то, что в одном эксперименте могут быть определены все параметры ядерного магнетизма в образце – моменты, форма линии и времена релаксации. По теореме Фурье, большие частоты соответствуют малым временам. Поэтому создаются импульсные методы для анализа явлений, происходящих через ничтожно малое время после окончания импульса. Они повышают точность определения высших моментов линии ЯМР вплоть до n=14.

Для реализации импульсного сужения (высокого разрешения в твердом теле) число импульсных каналов передатчика должно быть не меньше четырех. Мощные импульсы формируются в режиме усиления колебаний, создаваемых точным задающим генератором. Длительность его работы должна быть достаточно велика для реализации требуемой точности настройки частоты и фазы радиочастотного заполнения импульсов. Кроме того, когерентность спектрометра обеспечивает возможность синхронного детектирования по высокой частоте для повышения чувствительности.

Наряду с синхронным детектированием очень широко применяется накопление сигналов с помощью многоканальных накопителей. Стабильность ЯМР - спектрометров обеспечивает долговременное однозначное соответствие каждого спектрального интервала Dn номеру канала памяти накопителя.

Спектрометры высокого разрешения по способу нахождения условий резонанса разделяются на стационарные и импульсные спектрометры. В стационарных спектрометрах резонанс находится изменением (разверткой) одного из параметров (n или 0) при фиксировании другого. В импульсных спектрометрах при постоянном внешнем поле 0 образец облучают коротким высокочастотным импульсом длительностью t с частотой n, т.е. спектром частот, основная мощность которого находится в полосе n±1/t. В этой полосе возбуждаются все соответствующие переходы ЯМР, дающие отклик - сигнал спада свободной индукции. Фурье - преобразование этого сигнала дает обычный спектр ЯМР.

Спектрометры, работающие в стационарном режиме, состоят из следующих основных узлов:

Магнит, создающий весьма однородное поле;

Датчик сигналов, содержащий исследуемый образец и приемную катушку;

Блок развертки, позволяющий изменять в небольших пределах основное магнитное поле по определенному закону;

Радиочастотный генератор, работающий в метровом диапазоне;

Радиочастотный приемник и усилитель;

Осциллограф и самопишущий потенциометр для наблюдения и регистрации спектров.

Достаточно быстрое вращение образца позволяет эффективно избавиться от влияния градиентов магнитного поля 0. Данное обстоятельство в связи с непрерывным ростом используемых значений 0 ведет к тому, что достигаемое относительное разрешение, измеряемое как отношение DН/0, где DН – наблюдаемая неоднородность магнитного поля, находится в интервале 10-9 – 10-10. Линии, измеряющиеся десятыми и сотыми долями герца, ширина которых определяется длительностью времени релаксации в жидкости (10 – 20 с), приводят к существенной трудности. Следовательно, на однократную реализацию спектра может потребоваться несколько часов. Это предъявляет очень высокие требования к системе стабилизации резонансных условий, которая обычно осуществляется с помощью ЯМР (по дополнительному образцу – внешняя стабилизация либо по одной из линий исследуемого образца – внутренняя стабилизация). Наиболее удачные результаты получаются при сочетании внутренней и внешней стабилизации.