NMR spektroskopija. Primjena NMR spektroskopije Magneti za NMR spektrometre
Cijepanje alila- ovisnost konstante spin-spin interakcije između protona u alilnim sustavima ( 4 J ) što uvelike ovisi o torzijskom kutu između ravnina koje tvore atomi HC 2 C 3 i C 1 C 2 C 3.
Annulens- ciklički konjugirani sustavi.
Atropne molekule- molekule spojeva koje ne proizvode prstenastu struju.
Vezni kut (θ) - kut između dviju veza na jednom ugljikovom atomu.
Susjedni interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene s tri veze.
Odvajanje izvan rezonancije(odvajanje izvan rezonancije) - omogućuje vam razlikovanje između signala CH 3, CH 2, CH skupina i kvaternarnog ugljikovog atoma. Za promatranje odvajanja izvan rezonancije koristi se frekvencija koja je blizu kemijskog pomaka, ali ne odgovara rezonantnoj frekvenciji signala. Ovo potiskivanje dovodi do smanjenja broja interakcija, do te mjere da se bilježe samo one izravne. J(C,H) interakcije.
Geminal interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene dvjema vezama.
Heteronuklearna korelacijska spektroskopija (HETCOR)- u ovim pokusima kemijski pomaci 1H spektra smješteni su na jednu os, dok su kemijski pomaci 13C smješteni na drugu os. HETCOR - heteronuklearna varijanta COSY-ja, koja koristi neizravne heteronuklearne spin-spin interakcije između 1 H i 13 C.
HMQC - HETeronuklearnoMultiQuantumPoveznica- registracija 1 N s odvajanjem od 13 C.
HSQC - HETeronuklearna multikvantna korelacija- HMQC opcija
COLOC - CORrelation Long (vrlo dugo)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- varijanta HMQC eksperimenta za otkrivanje heteronuklearnih spin-spin interakcija velikog dometa. HMBC proizvodi veći omjer signala i šuma od HMQC eksperimenta.
Žiromagnetski omjer (γ ) - jedna od karakteristika magnetskih svojstava jezgre.
Homoalilna interakcija- interakcija preko 5 veza u alilnom sustavu.
Unaprijediti interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene s više od 3 karike (obično kroz 4-5 karika).
Senzor- uređaj koji omogućuje prijenos impulsa na uzorak i registraciju rezonantnih signala. Senzori su širokopojasni i selektivno podešeni. Ugrađuju se u aktivno područje magneta.
Diedralni (torzijski) kut- kut koji čine dvije ravnine između spojeva koji se razmatraju.
DvodimenzionalanJ- spektri. Dvodimenzionalnu J-spektroskopiju karakterizira prisutnost jedne koordinate frekvencije povezane sa SSV i druge koordinate povezane s kemijskim pomacima. Najrašireniji je konturni prikaz dvodimenzionalnih J-spektara u dvije međusobno okomite koordinate.
Dvodimenzionalna NMR spektroskopija - pokuse pomoću sekvenci impulsa, čime je moguće dobiti NMR spektar u prikazu u kojem je informacija raspoređena na dvije frekvencijske koordinate i obogaćena informacijama o međuovisnosti NMR parametara. Rezultat je kvadratni spektar s dvije ortogonalne osi i signalom koji ima maksimum u prikazu frekvencije u točki s koordinatama (, ), tj. na dijagonali.
Delta skala (δ -scale) - mjerilo u kojem se kemijski pomak TMS protona uzima kao nula.
Dijamagnetski pomak- pomak rezonantnog signala u područje slabog polja (velike vrijednosti δ ).
Dijatropne molekule- poništeno od 4 n+2 π elektrona, koji su prema Hückelovom pravilu aromatični.
Dublet - signal dviju jezgri u interakciji, koji je u 1H NMR spektru predstavljen dvjema linijama istog intenziteta.
Izokrone jezgre- jezgre koje imaju istu vrijednost kemijskog pomaka. Često su kemijski ekvivalentni, odnosno imaju isto kemijsko okruženje.
Integralni intenzitet signala(površina ispod krivulje) - izmjereno integratorom i prikazano u obliku stepenica čija je visina proporcionalna površini i prikazuje relativni broj protoni.
Pulsna spektroskopija - metoda pobude magnetskih jezgri - pomoću kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Impuls nosive frekvencije ν o i trajanja t p stvara pobudni pojas u frekvencijskom području +1/t p. Ako je duljina impulsa nekoliko mikrosekundi, a ν o približno odgovara središtu područja frekvencije rezonancije za danu vrstu jezgri, tada će pojas pokriti cijeli raspon frekvencija, osiguravajući istovremenu ekscitaciju svih jezgri. Kao rezultat toga, bilježi se eksponencijalno opadajući sinusni val (ESW). Sadrži informacije i o frekvenciji, tj. zapravo o kemijskom pomaku i o obliku linije. Nama poznatiji oblik - spektar u frekvencijskom prikazu - dobiva se iz SIS-a pomoću matematičkog postupka koji se zove Fourierova transformacija.
Pulsirajući NMR- metoda pobuđivanja magnetskih jezgri pomoću kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Za vrijeme pulsa sve jezgre istovremeno su pobuđeni, a zatim, nakon prestanka pulsa, jezgre se vraćaju (opuštaju) u svoje prvobitno osnovno stanje. Gubitak energije opuštanjem jezgri dovodi do pojave signala koji je zbroj signala svih jezgri i opisuje se velikim brojem prigušenih sinusne krivulje na vremenskoj skali, od kojih svaka odgovara određenoj rezonantnoj frekvenciji.
Konstanta spin-spin interakcije (SSIC)- kvantitativne karakteristike međudjelovanja različitih jezgri.
Korelacijska spektroskopija (COSY) - eksperimentirajte s dva pulsa od 90 o. U ovoj vrsti dvodimenzionalne spektroskopije, kemijski pomaci spinski spregnutih magnetskih jezgri su u korelaciji. Dvodimenzionalna COSY spektroskopija, pod određenim uvjetima, pomaže u otkrivanju prisutnosti vrlo malih konstanti koje su obično nevidljive u jednodimenzionalnim spektrima.
UDOBAN- pokusi u kojima se mijenja trajanje pulsa. To omogućuje smanjenje veličine dijagonalnih vrhova koji otežavaju identifikaciju obližnjih križnih vrhova (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - dvostruki kvantizirani filtar - potiskuje singlete na dijagonali i njima odgovarajuće interferencije.
COSYLR (dugi rang)- COSY eksperiment, koji vam omogućuje određivanje dugotrajnih interakcija.
TOCSY - UkupnoPoveznicaSpektroskopija- način snimanja, koji vam omogućuje da dobijete unakrsne vrhove između svih okretaja sustava u spektru zasićenom signalima prijenosom magnetizacije kroz veze u strukturnom fragmentu koji se proučava. Najčešće se koristi za proučavanje biomolekula.
Larmorova frekvencija- frekvencija precesije u NMR.
Magnetski ekvivalentan su one jezgre koje imaju istu rezonantnu frekvenciju i zajedničku karakterističnu vrijednost konstante spin-spin interakcije s jezgrama bilo koje susjedne skupine.
Multikvantne koherencije- stanja superpozicije, kada su dva ili više spina ½ koji međusobno djeluju preorijentirani istovremeno.
Višedimenzionalni NMR- registracija NMR spektara s više od jedne frekvencijske skale.
Multiplet - signal jedne grupe koji se pojavljuje kao nekoliko linija.
Neizravna spinska interakcija - interakcija između jezgri, koja se unutar molekule prenosi kroz sustav veza i nije uprosječena tijekom brzog molekularnog gibanja.
Paramagnetske čestice - čestice koje sadrže nespareni elektron, koji ima vrlo veliki magnetski moment.
Paramagnetski pomak- pomak rezonantnog signala u područje jakog polja (velike vrijednosti δ ).
Paratropske molekule - poništen s brojem π elektrona jednakim 4 n.
Konstanta izravne spin-spin interakcije je konstanta koja karakterizira interakciju između jezgri koje su odvojene jednom vezom.
Izravna spin-spin interakcija- interakcija između jezgri, koja se prenosi kroz prostor.
Rezonantni signal - spektralna linija koja odgovara apsorpciji energije tijekom prijelaza između svojstvenih stanja uzrokovanih visokofrekventnim oscilatorom.
Procesi opuštanja - gubitak energije na gornjoj razini i povratak na nižu energetsku razinu zbog neradijacijskih procesa.
S viping- postupna promjena magnetskog polja, uslijed čega se postižu uvjeti rezonancije.
Spektri prvog reda- spektri u kojima je razlika kemijskih pomaka pojedinih skupina magnetski ekvivalentnih jezgri ν o znatno veća od konstante spin-spin interakcije J .
Spin-rešetkasta relaksacija - proces opuštanja (gubitak energije), čiji je mehanizam povezan s interakcijom s lokalnim elektromagnetskim poljima okoline.
Spin-spin opuštanje - proces relaksacije provodi se kao rezultat prijenosa energije s jedne pobuđene jezgre na drugu.
Spin-spin interakcija elektrona- interakcija koja proizlazi iz magnetske interakcije različitih jezgri, koja se može prenijeti preko elektrona kemijskih veza izravno nevezanih jezgri.
Spin sustav- ovo je skupina jezgri koje međusobno djeluju, ali ne djeluju s jezgrama koje nisu dio spinskog sustava.
Kemijski pomak - pomak signala jezgre koja se proučava u odnosu na signal jezgri standardne tvari.
Kemijski ekvivalentne jezgre- jezgre koje imaju istu rezonantnu frekvenciju i isti kemijski okoliš.
Šimi - u NMR spektroskopiji to je naziv za elektromagnetske zavojnice koje stvaraju magnetska polja niskog intenziteta, koja ispravljaju nehomogenosti u jakom magnetskom polju.
Širokopojasna razmjena(1 N širokopojasno odvajanje) - korištenje jakog zračenja, koje pokriva cijeli raspon kemijskih pomaka protona, kako bi se u potpunosti uklonile sve interakcije 13 C 1 H.
Zaštita - promjena položaja rezonantnog signala pod utjecajem induciranih magnetskih polja drugih jezgri.
Van der Waalsov učinak- učinak koji se javlja tijekom jake prostorne interakcije između protona i susjedne skupine i uzrokuje smanjenje sferne simetrije elektronske distribucije i povećanje paramagnetskog doprinosa učinku zaslona, što zauzvrat dovodi do pomaka signala u slabije polje.
Zeemanov učinak- cijepanje energetskih razina u magnetskom polju.
Efekt krova- povećanje intenziteta središnjih linija i smanjenje intenziteta udaljenih linija u multipletu.
Efekt magnetske anizotropije(tzv. stožac anizotropije) rezultat je izloženosti sekundarno induciranim magnetskim poljima.
Nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR) - promatrano za jezgre sa spinskim kvantnim brojem ja > 1/2 zbog nesferične raspodjele nuklearnog naboja. Takve jezgre mogu djelovati s gradijentima vanjskih električnih polja, posebice s gradijentima polja elektronskih ljuski molekule u kojoj se nalazi jezgra i imaju spinska stanja karakterizirana različitim energijama čak i u odsutnosti primijenjenog vanjskog magnetskog polja.
Nuklearni magneton Vrijednost nuklearnog magnetona izračunava se pomoću formule:
Nuklearna magnetska rezonancija(NMR) je fizikalni fenomen koji se koristi za proučavanje svojstava molekula kada su atomske jezgre ozračene radio valovima u magnetskom polju.
Nuklearni faktor - omjer naboja jezgre i njezine mase.
NMR spektroskopija je nedestruktivna metoda analize. Moderno pulsna NMR Fourierova spektroskopija omogućuje analizu na 80 mag. jezgre. NMR spektroskopija je jedna od glavnih. Phys.-Chem. metode analize, njegovi se podaci koriste za nedvosmislenu identifikaciju kao intervali. kemijski produkti r-cije, i ciljani in-in. Osim strukturnih zadataka i količina. analiza, NMR spektroskopija donosi informacije o konformacijskim ravnotežama, difuziji atoma i molekula u čvrstim tijelima, inter. gibanja, vodikove veze i asocijacije u tekućinama, keto-enolni tautomerizam, metalo- i prototropija, red i raspored jedinica u polimernim lancima, adsorpcija tvari, elektronska struktura ionskih kristala, tekućih kristala itd. NMR spektroskopija je izvor informacija o strukturi biopolimera , uključujući proteinske molekule u otopinama, usporedive u pouzdanosti s podacima analize difrakcije X-zraka. U 80-ima Započelo je ubrzano uvođenje metoda NMR spektroskopije i tomografije u medicinu za dijagnostiku složenih bolesti i za pregled stanovništva.
Broj i položaj linija u NMR spektrima jednoznačno karakteriziraju sve frakcije sirove nafte, sintetske. gume, plastike, škriljevca, ugljena, lijekova, lijekova, kemijskih proizvoda. i farmaceutski prom-sti itd.
Intenzitet i širina NMR linije vode ili ulja omogućavaju precizno mjerenje sadržaja vlage i ulja u sjemenu i sigurnost zrna. Prilikom odstupanja od signala vode, moguće je zabilježiti sadržaj glutena u svakom zrnu, što, poput analize sadržaja ulja, omogućuje ubrzanu poljoprivrednu selekciju. usjevi
Korištenje sve jačih magneta. poljima (do 14 T u serijskim uređajima i do 19 T u eksperimentalnim instalacijama) pruža mogućnost potpunog određivanja strukture proteinskih molekula u otopinama, ekspresne analize biol. tekućine (koncentracije endogenih metabolita u krvi, urinu, limfi, cerebrospinalnoj tekućini), kontrola kvalitete novih polimernih materijala. U ovom slučaju koriste se brojne varijante multikvantne i višedimenzionalne Fourierove spektroskopske spektroskopije. Tehnike.
Fenomen NMR otkrili su F. Bloch i E. Purcell (1946.), za što su dobili Nobelovu nagradu (1952.).
Fenomen nuklearne magnetske rezonancije može se koristiti ne samo u fizici i kemiji, već iu medicini: ljudsko tijelo je skup istih organskih i anorganskih molekula.
Da bi se promatrao ovaj fenomen, objekt se stavlja u konstantno magnetsko polje i izlaže radiofrekvencijskim i gradijentnim magnetskim poljima. U zavojnici induktora koja okružuje predmet koji se proučava, javlja se izmjenična elektromotorna sila (EMS), čiji amplitudno-frekvencijski spektar i vremenske prijelazne karakteristike nose informacije o prostornoj gustoći rezonantnih atomskih jezgri, kao i drugim parametrima specifičnim samo za nuklearna magnetska rezonancija. Računalna obrada ovih informacija generira trodimenzionalnu sliku koja karakterizira gustoću kemijski ekvivalentnih jezgri, vremena relaksacije nuklearne magnetske rezonancije, raspodjelu brzina protoka tekućine, difuziju molekula i biokemijske metaboličke procese u živim tkivima.
Bit NMR introskopije (ili magnetske rezonancije) je, zapravo, provođenje posebne vrste kvantitativne analize amplitude signala nuklearne magnetske rezonancije. U konvencionalnoj NMR spektroskopiji nastoji se postići najbolja moguća rezolucija spektralnih linija. Da bi se to postiglo, magnetski sustavi se podešavaju na takav način da se stvori najbolja moguća jednolikost polja unutar uzorka. U NMR introskopskim metodama, naprotiv, stvoreno magnetsko polje očito je neuniformno. Tada postoji razlog za očekivati da frekvencija nuklearne magnetske rezonancije u svakoj točki uzorka ima svoju vrijednost, različitu od vrijednosti u drugim dijelovima. Postavljanjem bilo kojeg koda za gradacije amplitude NMR signala (svjetlina ili boja na ekranu monitora), možete dobiti konvencionalnu sliku (tomogram) dijelova unutarnje strukture objekta.
NMR introskopija i NMR tomografija prvi su izumljeni u svijetu 1960. godine od strane V. A. Ivanova. Nesposobni vještak odbio je prijavu izuma (metode i uređaja) „...zbog očite beskorisnosti predloženog rješenja“, pa je autorska potvrda za to izdana tek nakon više od 10 godina. Dakle, službeno je priznato da autor NMR tomografije nije tim dolje navedenih nobelovaca, već ruski znanstvenik. Unatoč toj pravnoj činjenici, Nobelova nagrada za NMR tomografiju nije dodijeljena V. A. Ivanovu.
Za točno proučavanje spektra više nisu dovoljni tako jednostavni uređaji kao što su uski prorez koji ograničava svjetlosni snop i prizma. Potrebni su instrumenti koji daju jasan spektar, tj. instrumenti koji mogu dobro razdvojiti valove različitih duljina i ne dopuštaju preklapanje pojedinih dijelova spektra. Takvi uređaji nazivaju se spektralni uređaji. Najčešće je glavni dio spektralnog aparata prizma ili difrakcijska rešetka.
ELEKTRONIČKA PARAMAGNETSKA REZONANCIJA
Suština metode
Bit fenomena elektronske paramagnetske rezonancije je rezonantna apsorpcija elektromagnetskog zračenja od strane nesparenih elektrona. Elektron ima spin i pridruženi magnetski moment.
Ako slobodni radikal s rezultirajućom kutnom količinom gibanja J postavimo u magnetsko polje jakosti B 0 , tada za J različito od nule uklanja se degeneracija u magnetskom polju, a kao rezultat interakcije s magnetskim poljem, 2J+1 nastaju razine čiji je položaj opisan izrazom: W =gβB 0 M, (gdje je M = +J, +J-1, …-J) i određen je Zeemanovom interakcijom magnetskog polja s magnetskim momentom J. Na slici je prikazano cijepanje energetskih razina elektrona.
Razine energije i dopušteni prijelazi za atom s nuklearnim spinom 1 u konstantnom (A) i izmjeničnom (B) polju.
Ako sada na paramagnetsko središte primijenimo elektromagnetsko polje s frekvencijom ν, polarizirano u ravnini okomitoj na vektor magnetskog polja B 0 , tada će ono uzrokovati prijelaze magnetskog dipola koji se pokoravaju pravilu odabira ΔM = 1. Kada energija elektronički prijelaz poklapa s energijom fotoelektromagnetskog vala, doći će do rezonantne reakcije apsorpcije mikrovalnog zračenja. Dakle, uvjet rezonancije je određen temeljnom relacijom magnetske rezonancije
Apsorpcija energije mikrovalnog polja opaža se ako postoji populacijska razlika između razina.
U toplinskoj ravnoteži postoji mala razlika u naseljenostima Zeemanovih razina, određena Boltzmannovom distribucijom = exp(gβB 0 /kT). U takvom sustavu, kada su prijelazi pobuđeni, vrlo brzo bi se trebala dogoditi jednakost populacija energetskih podrazina i nestati apsorpcije mikrovalnog polja. Međutim, u stvarnosti postoji mnogo različitih mehanizama interakcije, uslijed kojih elektron bez zračenja prelazi u svoje izvorno stanje. Efekt konstantnog intenziteta apsorpcije s povećanjem snage javlja se zbog elektrona koji se nemaju vremena opustiti, a naziva se zasićenje. Zasićenje se javlja pri velikoj snazi mikrovalnog zračenja i može značajno iskriviti rezultate mjerenja koncentracije centara EPR metodom.
Vrijednost metode
EPR metoda daje jedinstvene informacije o paramagnetskim centrima. Jasno razlikuje ione nečistoće izomorfno uključene u rešetku od mikroinkluzija. U tom slučaju dobivaju se potpune informacije o određenom ionu u kristalu: valencija, koordinacija, lokalna simetrija, hibridizacija elektrona, koliko i u kojim strukturnim položajima elektrona je uključen, orijentacija osi kristalnog polja na mjesto ovog iona, potpuna karakteristika kristalnog polja i detaljne informacije o kemijskoj vezi. I što je vrlo važno, metoda omogućuje određivanje koncentracije paramagnetskih centara u područjima kristala s različitim strukturama.
No, EPR spektar nije samo karakteristika iona u kristalu, već i samog kristala, značajke raspodjele gustoće elektrona, kristalnog polja, ionsko-kovalencije u kristalu, i na kraju, jednostavno dijagnostička karakteristika mineral, jer svaki ion u svakom mineralu ima svoje jedinstvene parametre. U ovom slučaju, paramagnetski centar je neka vrsta sonde, koja daje spektroskopske i strukturne karakteristike svog mikrookruženja.
Ovo svojstvo koristi se u tzv. metoda spinskih oznaka i sondi, koja se temelji na uvođenju stabilnog paramagnetskog centra u sustav koji se proučava. Kao takav paramagnetski centar u pravilu se koristi nitroksilni radikal koji karakterizira anizotropnost g I A tenzori.
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije jedna je od najčešćih i vrlo osjetljivih metoda za određivanje strukture organskih spojeva, koja omogućuje dobivanje informacija ne samo o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o položaju atoma jedni prema drugima. Različite NMR tehnike imaju brojne mogućnosti za određivanje kemijske strukture tvari, konfirmacijskih stanja molekula, učinaka međusobnog utjecaja i intramolekulskih transformacija.
Metoda nuklearne magnetske rezonancije ima niz karakterističnih značajki: za razliku od optičkih molekularnih spektara, apsorpcija elektromagnetskog zračenja od strane tvari događa se u jakom jednoličnom vanjskom magnetskom polju. Štoviše, da bi se provela NMR studija, eksperiment mora zadovoljiti niz uvjeta koji odražavaju opća načela NMR spektroskopije:
1) snimanje NMR spektra moguće je samo za atomske jezgre s vlastitim magnetskim momentom ili tzv. magnetske jezgre, u kojima je broj protona i neutrona takav da je maseni broj jezgri izotopa neparan. Sve jezgre s neparnim masenim brojem imaju spin I čija je vrijednost 1/2. Tako je za jezgre 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R vrijednost spina jednaka 1/2, za jezgre 7 Li, 23 Na, 39 K i 4 l R spin je jednak 3/2 . Jezgre s parnim masenim brojem ili uopće nemaju spin ako je nuklearni naboj paran ili imaju cjelobrojne vrijednosti spina ako je naboj neparan. Samo one jezgre čiji je spin I 0 mogu proizvesti NMR spektar.
Prisutnost spina povezana je s kruženjem atomskog naboja oko jezgre, stoga nastaje magnetski moment μ . Rotirajući naboj (na primjer, proton) s kutnom količinom gibanja J stvara magnetski moment μ=γ*J . Kutni nuklearni moment J i magnetski moment μ koji nastaju tijekom rotacije mogu se prikazati kao vektori. Njihov konstantni omjer naziva se žiromagnetski omjer γ. Upravo ta konstanta određuje rezonantnu frekvenciju jezgre (slika 1.1).
Slika 1.1 - Rotacijski naboj s kutnim momentom J stvara magnetski moment μ=γ*J.
2) NMR metoda ispituje apsorpciju ili emisiju energije pod neobičnim uvjetima formiranja spektra: za razliku od drugih spektralnih metoda. NMR spektar se snima iz tvari koja se nalazi u jakom jednoličnom magnetskom polju. Takve jezgre u vanjskom polju imaju različite vrijednosti potencijalne energije ovisno o nekoliko mogućih (kvantiziranih) kutova orijentacije vektora μ u odnosu na vektor jakosti vanjskog magnetskog polja H 0 . U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti ili spinovi jezgri nemaju određenu orijentaciju. Ako se magnetske jezgre sa spinom 1/2 stave u magnetsko polje, tada će neki od nuklearnih spinova biti smješteni paralelno s linijama magnetskog polja, a drugi dio antiparalelno. Ove dvije orijentacije više nisu energetski ekvivalentne i kaže se da su spinovi raspoređeni na dvije energetske razine.
Spinovi s magnetskim momentom usmjerenim duž polja +1/2 označeni su simbolom | α >, s orijentacijom antiparalelnom vanjskom polju -1/2 - simbol | β > (Slika 1.2) .
Slika 1.2 - Formiranje energetskih razina kada se primijeni vanjsko polje H 0.
1.2.1 NMR spektroskopija na 1 H jezgri Parametri PMR spektra.
Za dešifriranje podataka 1H NMR spektara i dodjeljivanje signala koriste se glavne karakteristike spektra: kemijski pomak, konstanta spin-spin interakcije, integrirani intenzitet signala, širina signala [57].
A) Kemijski pomak (C.C). H.S. ljestvica Kemijski pomak je udaljenost između ovog signala i signala referentne tvari, izražena u dijelovima na milijun jakosti vanjskog polja.
Tetrametilsilan [TMS, Si(CH 3) 4], koji sadrži 12 strukturno ekvivalentnih, visoko zaštićenih protona, najčešće se koristi kao standard za mjerenje kemijskih pomaka protona.
B) Konstanta spin-spin interakcije. U NMR spektrima visoke rezolucije opaža se cijepanje signala. Ovo cijepanje ili fina struktura u spektrima visoke rezolucije rezultat je spin-spin interakcija između magnetskih jezgri. Ova pojava, uz kemijski pomak, služi kao najvažniji izvor informacija o strukturi složenih organskih molekula i rasporedu elektronskog oblaka u njima. Ne ovisi o H0, već ovisi o elektronskoj strukturi molekule. Signal magnetske jezgre u interakciji s drugom magnetskom jezgrom podijeljen je u nekoliko linija ovisno o broju spinskih stanja, tj. ovisi o spinovima jezgri I.
Udaljenost između ovih linija karakterizira energiju spin-spin sprege između jezgri i naziva se konstanta spin-spin sprege n J, gdje n-broj veza koje razdvajaju jezgre u interakciji.
Postoje direktne konstante J HH, geminalne konstante 2 J HH , vicinalne konstante 3 J HH i neke dugometne konstante 4 J HH , 5 J HH .
- geminalne konstante 2 J HH mogu biti i pozitivne i negativne i zauzimaju područje od -30 Hz do +40 Hz.
Vicinalne konstante 3 J HH zauzimaju područje 0 20 Hz; gotovo su uvijek pozitivni. Utvrđeno je da vicinalna interakcija u zasićenim sustavima jako ovisi o kutu između veza ugljik-vodik, odnosno o diedarskom kutu - (slika 1.3).
Slika 1.3 - Diedarski kut φ između veza ugljik-vodik.
Dugometna spin-spin interakcija (4 J HH , 5 J HH ) - interakcija dviju jezgri odvojenih s četiri ili više veza; konstante takve interakcije su obično od 0 do +3 Hz.
Tablica 1.1 – Konstante interakcije spin-spin
B) Integrirani intenzitet signala. Područje signala proporcionalno je broju magnetskih jezgri koje rezoniraju pri određenoj jakosti polja, tako da omjer područja signala daje relativni broj protona svake strukturne raznolikosti i naziva se integrirani intenzitet signala. Moderni spektrometri koriste posebne integratore, čija se očitanja bilježe u obliku krivulje, čija je visina koraka proporcionalna površini odgovarajućih signala.
D) Širina linija. Za karakterizaciju širine linija, uobičajeno je mjeriti širinu na udaljenosti od polovice visine od nulte linije spektra. Eksperimentalno promatrana širina linije sastoji se od prirodne širine linije, koja ovisi o strukturi i pokretljivosti, te proširenja zbog instrumentalnih razloga.
Uobičajena širina linije u PMR-u je 0,1-0,3 Hz, ali se može povećati zbog preklapanja susjednih prijelaza, koji se točno ne poklapaju, ali se ne razlučuju kao zasebne linije. Širenje je moguće u prisutnosti jezgri sa spinom većim od 1/2 i kemijskom izmjenom.
1.2.2 Primjena 1H NMR podataka za određivanje strukture organskih molekula.
Prilikom rješavanja niza problema strukturne analize, osim tablica empirijskih vrijednosti, Kh.S. Može biti korisno kvantificirati učinke susjednih supstituenata na Ch.S. prema pravilu aditivnosti efektivnih doprinosa probira. U ovom slučaju obično se uzimaju u obzir supstituenti koji nisu udaljeni više od 2-3 veze od danog protona, a izračun se vrši pomoću formule:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
gdje je δ 0 kemijski pomak protona standardne skupine;
δi je doprinos screeninga od strane supstituenta.
1.3 NMR spektroskopija 13 C. Dobivanje i načini snimanja spektara.
Prvi izvještaji o opažanju 13 C NMR pojavili su se 1957. godine, ali je transformacija 13 C NMR spektroskopije u praktičnu metodu analitičkog istraživanja započela mnogo kasnije.
Magnetska rezonanca 13 C i 1 H imaju mnogo toga zajedničkog, ali postoje i značajne razlike. Najčešći izotop ugljika 12 C ima I=0. Izotop 13 C ima I=1/2, ali njegov prirodni sadržaj je 1,1%. To je zajedno s činjenicom da je žiromagnetski omjer jezgri 13 C 1/4 žiromagnetskog omjera za protone. Što smanjuje osjetljivost metode u eksperimentima promatranja 13 C NMR za 6000 puta u usporedbi s 1 H jezgrama.
a) bez potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. 13C NMR spektri dobiveni u odsutnosti potpune supresije spin-spin rezonancije s protonima nazvani su spektri visoke rezolucije. Ovi spektri sadrže potpune informacije o 13 C - 1 H konstantama. U relativno jednostavnim molekulama, obje vrste konstanti - izravne i dugodometne - nalaze se prilično jednostavno. Dakle, 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, međutim, spin-spin interakcija se također može dogoditi s udaljenijim protonima s konstantama manjim od 20 Hz.
b) potpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Prvi veći napredak u području 13 C NMR spektroskopije povezan je s korištenjem potpunog potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. Korištenje potpune supresije spin-spin interakcije s protonima dovodi do spajanja multipleta uz stvaranje singletnih linija ako u molekuli nema drugih magnetskih jezgri, kao što su 19 F i 31 P.
c) nepotpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Međutim, korištenje načina potpunog odvajanja od protona ima svoje nedostatke. Budući da su svi signali ugljika sada u obliku singleta, izgubljene su sve informacije o konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H. Predlaže se metoda koja omogućuje djelomično obnavljanje informacija o izravnim konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H i istovremeno zadržati veći dio prednosti širokopojasnog odvajanja. U tom će se slučaju pojaviti cijepanja u spektrima zbog izravnih konstanti spin-spin interakcije 13 C - 1 H. Ovaj postupak omogućuje otkrivanje signala neprotoniranih ugljikovih atoma, budući da potonji nemaju protone izravno povezane s 13 C i pojavljuju se u spektrima s nepotpunim odvajanjem od protona kao singleti.
d) modulacija CH interakcijske konstante, JMODCH spektar. Tradicionalni problem u 13C NMR spektroskopiji je određivanje broja protona povezanih sa svakim ugljikovim atomom, tj. stupnja protonacije ugljikovog atoma. Djelomično potiskivanje protonima omogućuje razrješenje signala ugljika od višestrukosti uzrokovane spin-spin interakcijskim konstantama dugog dometa i dobivanje cijepanja signala zbog izravnih 13 C-1 H konstanti sprezanja. Međutim, u slučaju snažno spregnutih spinskih sustava AB a preklapanje multipleta u OFFR modu otežava nedvosmisleno razlučivanje signala.
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije (NMR) najmoćniji je alat za razjašnjavanje strukture organskih tvari. U ovoj vrsti spektroskopije, uzorak koji se proučava stavlja se u magnetsko polje i ozračuje radiofrekventnim elektromagnetskim zračenjem.
(kliknite za prikaz skeniranog)
Riža. 11-13 (prikaz, ostalo). Protoni u magnetskom polju: a - u odsutnosti magnetskog polja; b - u vanjskom magnetskom polju; c - u vanjskom magnetskom polju nakon apsorpcije radiofrekvencijskog zračenja (spinovi zauzimaju višu energetsku razinu)
radijacija. Atomi vodika u različitim dijelovima molekule apsorbiraju zračenje različitih valnih duljina (frekvencija). Pod određenim uvjetima i drugi atomi mogu apsorbirati radiofrekvencijsko zračenje, ali mi ćemo se ograničiti na razmatranje spektroskopije na atomima vodika kao najvažnijeg i najčešćeg tipa NMR spektroskopije.
Jezgra atoma vodika sastoji se od jednog protona. Ovaj proton rotira oko svoje osi i, kao i svaki rotirajući nabijeni objekt, magnet je. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, spinovi protona su nasumično usmjereni, ali u magnetskom polju moguće su samo dvije orijentacije spina (Sl. 11-13), koje se nazivaju spinska stanja. Spinska stanja u kojima je magnetski moment (prikazan strelicom) usmjeren duž polja imaju nešto nižu energiju od spinskih stanja u kojima je magnetski moment usmjeren prema polju. Energijska razlika između dva stanja spina odgovara energiji fotona radiofrekvencijskog zračenja. Kada ovo zračenje utječe na uzorak koji se proučava, protoni se pomiču s niže energetske razine na višu, a energija se apsorbira.
Atomi vodika u molekuli nalaze se u različitim kemijskim okruženjima. Neki su dio metilnih skupina, drugi su povezani s atomima kisika ili benzenskim prstenom, treći su smješteni uz dvostruke veze itd. Ova mala razlika u elektroničkom okruženju dovoljna je da promijeni energetsku razliku između spinskih stanja i, prema tome, frekvencija apsorbiranog zračenja.
NMR spektar nastaje kao rezultat apsorpcije radiofrekventnog zračenja tvari koja se nalazi u magnetskom polju. NMR spektroskopija omogućuje razlikovanje atoma vodika u molekuli koji se nalaze u različitim kemijskim okruženjima.
NMR spektri
Pri skeniranju frekvencije zračenja na određenim vrijednostima frekvencije uočava se apsorpcija zračenja atoma vodika u molekuli; specifična vrijednost frekvencije apsorpcije ovisi o okruženju atoma
Riža. 11-14 (prikaz, stručni). Tipični NMR spektar: a - spektar; b - integralna krivulja koja daje površinu vrha
vodik. Znajući u kojem se području spektra nalaze vrhovi apsorpcije pojedinih vrsta atoma vodika, moguće je izvući određene zaključke o strukturi molekule. Na sl. Slike 11-14 prikazuju tipičan NMR spektar tvari u kojoj postoje tri vrste atoma vodika. Položaj signala na skali kemijskog pomaka 5 mjeri se u dijelovima na milijun (ppm) radiofrekvencije. Obično se svi signali nalaze u području na Sl. 11-14, kemijski pomaci signala su 1,0, 3,5 i Desni dio spektra naziva se područje visokog polja, a lijevi područje niskog polja. U NMR spektrima, vrhovi su tradicionalno prikazani usmjereni prema gore, a ne prema dolje, kao u IR spektrima.
Za interpretaciju spektra i dobivanje strukturnih informacija iz njega važne su tri vrste spektralnih parametara:
1) položaj signala na -ljestvici (karakterizira vrstu atoma vodika);
2) područje signala (karakterizira broj atoma vodika određene vrste);
3) mnogostrukost (oblik) signala (karakterizira broj blisko smještenih atoma vodika drugih vrsta).
Pogledajmo pobliže ove parametre na primjeru spektra kloroetana (Sl. 11-15). Prije svega, obratimo pozornost na položaj signala u spektru, odnosno, drugim riječima, na vrijednosti kemijskih pomaka. Signal a (protoni skupine su 1,0 ppm, što
Riža. 11-15 (prikaz, stručni). NMR spektar kloroetana
(vidi sken)
označava da se ti atomi vodika ne nalaze pokraj elektronegativnog atoma, dok je pomak signala b (protona skupine ) Vrijednosti kemijskih pomaka skupina koje se često pojavljuju moraju se zapamtiti na isti način kao i frekvencije apsorpcijske trake u IR spektru. Najvažniji kemijski pomaci dati su u tablici. 11-2.
Zatim analiziramo površinu vrhova, koja je proporcionalna broju vodikovih atoma određene vrste. Na sl. 11-15 relativna područja označena su brojevima u zagradama. Oni su definirani pomoću integralne krivulje koja se nalazi iznad spektra. Područje signala proporcionalno je visini "koraka" integralne krivulje. U spektru o kojem se raspravlja, omjer površina signala je 2:3, što odgovara omjeru broja protona metilena prema broju protona metila.
Na kraju, razmotrite oblik ili strukturu signala, što se obično naziva višestrukost. Signal metilne skupine je triplet (tri pika), dok je signal metilenske skupine četiri pika (kvartet). Višestrukost pruža informacije o tome koliko je atoma vodika vezano na susjedni atom ugljika. Broj vrhova u multipletu uvijek je za jedan veći od broja vodikovih atoma susjednog ugljikovog atoma (Tablica 11-3).
Dakle, ako u spektru postoji singletni signal, to znači da molekula tvari uključuje skupinu vodikovih atoma, u čijoj blizini nema drugih vodikovih atoma. U spektru na Sl. 11-15 signal megilne skupine je triplet. To znači da se uz ugljikov atom nalaze dva atoma vodika.
Isto tako, signal metilenske skupine je kvartet jer se u susjedstvu nalaze tri atoma vodika.
Korisno je naučiti kako predvidjeti očekivani NMR spektar na temelju strukturne formule tvari. Nakon savladavanja ovog postupka, lako je prijeći na rješavanje obrnutog problema - utvrđivanja strukture tvari iz njenog NMR spektra. U nastavku ćete vidjeti primjere predviđanja spektra na temelju strukture. Zatim ćete biti zamoljeni da protumačite spektre kako biste odredili strukturu nepoznate tvari.
Predviđanje NMR spektara na temelju strukturne formule
Za predviđanje NMR spektra, slijedite ove postupke.
1. Nacrtajte potpunu strukturnu formulu tvari.
2. Zaokružite ekvivalentne atome vodika. Odredite broj vodikovih atoma svake vrste.
3. Korištenje tablice. 11-2 (ili vaše pamćenje), odredite približne vrijednosti kemijskih pomaka signala svake vrste atoma vodika.
(kliknite za prikaz skeniranog)
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje kemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetske rezonancije. Fenomen NMR otkrili su 1946. američki fizičari F. Bloch i E. Purcell. Najvažnije za kemiju i praktičnu primjenu su spektroskopija protonske magnetske rezonancije (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljiku-13 ( 13 C NMR spektroskopija), fluoru-19 ( 19 F NMR spektroskopija), fosforu-31 ( 31 P NMR spektroskopija).Ako element ima neparan atomski broj ili izotop bilo kojeg (parnog parnog) elementa ima neparan maseni broj, jezgra takvog elementa ima spin različit od nule. Iz pobuđenog stanja u normalno stanje, jezgre se mogu vratiti, prenoseći energiju pobuđenja na okolnu "rešetku", što u ovom slučaju znači elektrone ili atome drugačijeg tipa od onih koji se proučavaju. Ovaj mehanizam prijenosa energije naziva se spin-rešetkasta relaksacija, a njegova se učinkovitost može karakterizirati konstantom T1, koja se naziva spin-rešetkasto vrijeme relaksacije.
Ove značajke čine NMR spektroskopiju prikladnim alatom kako u teorijskoj organskoj kemiji tako i za analizu bioloških objekata.
Osnovna NMR tehnika
Uzorak tvari za NMR stavlja se u staklenu cijev (ampulu) tankih stijenki. Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivne jezgre (kao što su 1 H ili 13 C) apsorbiraju elektromagnetsku energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitiranog signala proporcionalni su jakosti magnetskog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.
Kemijski pomak
Ovisno o lokalnom elektroničkom okruženju, različiti protoni u molekuli rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija izravno proporcionalni veličini indukcije magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu veličinu neovisnu o magnetskom polju, poznatu kao kemijski pomak. Kemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u usporedbi s glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se kemijski pomak često izražava u dijelovima na milijun (ppm). Kako bi se otkrila tako mala razlika frekvencija, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.
Budući da kemijski pomak ovisi o kemijskoj strukturi tvari, koristi se za dobivanje strukturnih informacija o molekulama u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 različita signala, odnosno 3 kemijska pomaka: jedan za CH 3 skupinu, drugi za CH 2 skupinu i posljednji za OH. Tipični pomak za CH 3 skupinu je približno 1 ppm, za CH 2 skupinu vezanu na OH je 4 ppm, a za OH je približno 2-3 ppm.
Zbog molekularnog gibanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona su prosječni tijekom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i formiraju vrhove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućuje analizu veličine vrhova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.
Spin-spin interakcija
Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru pružaju takozvane spin-spin interakcije između aktivnih NMR jezgri. Ova interakcija proizlazi iz prijelaza između različitih stanja spina jezgri u kemijskim molekulama, što rezultira razdvajanjem NMR signala. Ovo razdvajanje može biti jednostavno ili složeno i, kao posljedica toga, može biti ili lako za tumačenje ili može biti zbunjujuće za eksperimentatora.
Ovo vezanje daje detaljne informacije o vezama atoma u molekuli.
Interakcija drugog reda (jaka)
Jednostavna spin-spin sprega pretpostavlja da je konstanta sprege mala u usporedbi s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje iskrivljen i postaje ga teže analizirati (posebno ako sustav sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućuje jednostavno tumačenje povezanih vrhova.
Učinci drugog reda smanjuju se kako se povećava frekvencijska razlika između multipleta, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.
Primjena NMR spektroskopije u istraživanju proteina
Većina novijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u tzv. NMR spektroskopiji proteina, koja postaje vrlo važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Uobičajeni cilj je dobiti trodimenzionalne proteinske strukture visoke rezolucije, slične slikama dobivenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisutnosti više atoma u molekuli proteina u usporedbi s jednostavnim organskim spojem, osnovni 1H spektar prepun je signala koji se preklapaju, što izravnu analizu spektra čini nemogućom. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.
Kako bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma pomoću 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je postalo otkriće u modernoj farmaciji. Nedavno su se raširile tehnike (s prednostima i nedostacima) za dobivanje 4D spektra i spektara viših dimenzija, koje se temelje na nelinearnim metodama uzorkovanja s naknadnom restauracijom signala opadanja slobodne indukcije pomoću posebnih matematičkih tehnika.
Kvantitativna NMR analiza
U kvantitativnoj analizi otopina, područje vrha može se koristiti kao mjera koncentracije u metodi kalibracijske krivulje ili metodi dodavanja. Također su poznate metode u kojima stupnjevani graf odražava ovisnost o koncentraciji kemijskog pomaka. Korištenje NMR metode u anorganskoj analizi temelji se na činjenici da se u prisutnosti paramagnetskih tvari vrijeme nuklearne relaksacije ubrzava. Mjerenje brzine relaksacije može se izvesti na više metoda, a pouzdana i univerzalna je npr. pulsna inačica NMR metode ili, kako se obično naziva, spin echo metoda. Kod mjerenja ovom metodom, kratkotrajni radiofrekvencijski impulsi se primjenjuju na uzorak koji se proučava u magnetskom polju u određenim intervalima u području rezonantne apsorpcije. Signal spinske jeke pojavljuje se u prijemnoj zavojnici, čija je najveća amplituda povezana na vrijeme opuštanja jednostavnim odnosom. Za izvođenje konvencionalnih analitičkih određivanja nema potrebe za pronalaženjem apsolutnih vrijednosti stopa relaksacije. U tim slučajevima možemo se ograničiti na mjerenje neke veličine proporcionalne njima, na primjer, amplitude rezonantnog apsorpcijskog signala. Mjerenja amplitude mogu se izvesti pomoću jednostavne, pristupačnije opreme. Značajna prednost NMR metode je širok raspon vrijednosti mjerenog parametra. Koristeći postavku spinskog odjeka, vrijeme opuštanja može se odrediti od 0,00001 do 100 s. s pogreškom od 3...5%. To omogućuje određivanje koncentracije otopine u vrlo širokom rasponu od 1...2 do 0,000001...0000001 mol/l.Najčešće korištena analitička tehnika je metoda kalibracijskog grafikona.
