Spectroscopie RMN. Aplicații ale magneților de spectroscopie RMN pentru spectrometrele RMN
Scindarea alilului- dependenta constantele interacțiunii spin-spin între protoni în sistemele alilice ( 4 J ) care depinde în mare măsură de unghiul de torsiune între planurile formate de atomii HC 2 C 3 şi C 1 C 2 C 3.
Annulens- sisteme conjugate ciclice.
Molecule atropice- molecule de compuși care nu produc curent inelar.
Unghiul de legătură (θ) - unghiul dintre două legături pe un atom de carbon.
Vicinal interacțiune - interacțiunea dintre nuclee care sunt separate prin trei legături.
Decuplare în afara rezonanței(decuplare prin rezonanță oprită) - vă permite să distingeți între semnalele grupărilor CH 3, CH 2, CH și atomul de carbon cuaternar. Pentru a observa decuplarea în afara rezonanței, se folosește o frecvență care este apropiată de deplasarea chimică, dar nu corespunde frecvenței de rezonanță a semnalului. Această suprimare duce la o reducere a numărului de interacțiuni, până la punctul în care sunt înregistrate doar cele directe. J(C,H) interacțiuni.
Geminal interacțiune - interacțiunea dintre nuclee care sunt separate prin două legături.
Spectroscopie de corelație heteronucleară (HETCOR)- în aceste experimente, deplasările chimice ale spectrelor 1 H sunt plasate pe o axă, în timp ce deplasările chimice 13 C sunt plasate pe cealaltă axă. HETCOR - Varianta heteronucleară a COSY, care utilizează interacțiuni heteronucleare indirecte spin-spin între 1 H și 13 C.
HMQC - HEteronucleareMultyQuantumCorelație- inmatriculare 1 N cu decuplare de la 13 C.
HSQC - Corelație multicuantică HEteronucleară- Opțiunea HMQC
COLOC - CORrelation Long (foarte lung)
HMBC (corelație HEteronuclear MultiplBond)- o variantă a experimentului HMQC pentru detectarea interacțiunilor heteronucleare spin-spin pe distanță lungă. HMBC produce un raport semnal-zgomot mai mare decât experimentul HMQC.
Raportul giromagnetic (γ ) - una dintre caracteristicile proprietăților magnetice ale nucleului.
Interacțiune homoalilica- interacţiunea prin 5 legături în sistemul alilic.
Mai departe interacțiune - interacțiunea între nuclee care sunt separate prin mai mult de 3 legături (de obicei prin 4-5 legături).
Senzor- un dispozitiv care asigură transmiterea impulsurilor către eșantion și înregistrarea semnalelor de rezonanță. Senzorii sunt în bandă largă și reglați selectiv. Sunt instalate în regiunea activă a magnetului.
Unghiul diedric (de torsiune).- unghiul format din două plane între legăturile luate în considerare.
BidimensionalJ-spectre. Spectroscopia J bidimensională este caracterizată prin prezența unei coordonate de frecvență asociată cu SSV și a unei a doua coordonate asociate deplasărilor chimice. Cea mai răspândită este reprezentarea de contur a spectrelor J bidimensionale în două coordonate reciproc perpendiculare.
Spectroscopie RMN bidimensională - experimente folosind secvențe de impulsuri, ceea ce face posibilă obținerea spectrului RMN într-o reprezentare în care informația este distribuită pe două coordonate de frecvență și este îmbogățită cu informații despre interdependența parametrilor RMN. Rezultă un spectru pătrat cu două axe ortogonale și un semnal care are un maxim în reprezentarea frecvenței în punctul cu coordonatele (, ), adică pe diagonală.
Scara Delta (δ -scale) - o scară în care deplasarea chimică a protonilor TMS este luată ca zero.
Deplasare diamagnetică- deplasarea semnalului rezonant în regiunea câmpului slab (valori mari δ ).
Molecule diatropice- anulat de la 4 n+2 electroni π, care, conform regulii lui Hückel, sunt aromatici.
Dublet - un semnal de două nuclee care interacționează, care este reprezentat în spectrul 1H RMN prin două linii de aceeași intensitate.
Nuclee izocrone- nuclee având aceeași valoare a deplasării chimice. Adesea sunt echivalente din punct de vedere chimic, adică au același mediu chimic.
Intensitatea semnalului integral(aria de sub curbă) - măsurată de un integrator și prezentată sub formă de trepte, a căror înălțime este proporțională cu suprafața și arată număr relativ protoni.
spectroscopie pulsata - o metodă de excitare a nucleelor magnetice - folosind impulsuri de înaltă frecvență scurte și puternice (sute de kilowați). Un impuls cu o frecvență purtătoare ν o și durata t p creează o bandă de excitație în domeniul de frecvență +1/t p. Dacă lungimea impulsului este de câteva microsecunde și ν o corespunde aproximativ cu centrul regiunii de frecvență de rezonanță pentru un anumit tip de nuclee, atunci banda va acoperi întregul interval de frecvență, asigurând excitarea simultană a tuturor nucleelor. Ca rezultat, este înregistrată o undă sinusoidală (ESW) cu descompunere exponențială. Conține informații atât despre frecvență, adică, de fapt, deplasarea chimică, cât și despre forma liniei. Forma mai familiară pentru noi - spectrul în reprezentarea frecvenței - este obținută din SIS folosind o procedură matematică numită transformată Fourier.
RMN pulsat- o metodă de excitare a nucleelor magnetice folosind impulsuri scurte și puternice (sute de kilowați) de înaltă frecvență. În timpul pulsului, toate nucleele simultan sunt excitați și apoi, după ce pulsul se oprește, nucleii revin (se relaxează) la starea lor fundamentală inițială. Pierderea de energie prin relaxarea nucleelor duce la apariția unui semnal, care este suma semnalelor de la toate nucleele și este descrisă de un număr mare de amortizare. curbe sinusoidale pe o scară de timp, fiecare dintre acestea corespunde unei anumite frecvențe de rezonanță.
Constanta de interacțiune spin-spin (SSIC)- caracteristicile cantitative ale interacţiunii diferitelor nuclee.
Spectroscopie de corelație (COSY) - experimentează cu două impulsuri de 90 o. În acest tip de spectroscopie bidimensională, deplasările chimice ale nucleelor magnetice cuplate cu spin sunt corelate. Spectroscopia COZY bidimensională, în anumite condiții, ajută la dezvăluirea prezenței unor constante foarte mici care sunt de obicei invizibile în spectrele unidimensionale.
CONFORTABIL- experimente în care durata pulsului este variată. Acest lucru face posibilă reducerea dimensiunii vârfurilor diagonale care fac dificilă identificarea vârfurilor încrucișate din apropiere (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - filtru dublu cuantificat - suprimă singletele pe diagonală și interferența corespunzătoare acestora.
COSYLR (rang lung)- Experiment COSY, care vă permite să determinați interacțiuni pe distanță lungă.
TOCSY - TotalCorelațieSpectroscopie- modul de fotografiere, care vă permite să obțineți vârfuri încrucișate între toate roțile sistemului într-un spectru saturat de semnale prin transferarea magnetizării prin legături în fragmentul structural studiat. Cel mai adesea folosit pentru a studia biomolecule.
Frecvența Larmor- frecvența precesiei în RMN.
Echivalent magnetic sunt acele nuclee care au aceeași frecvență de rezonanță și o valoare caracteristică comună a constantei de interacțiune spin-spin cu nucleele oricărui grup vecin.
Coerențe multicuantice- stări de suprapunere, când doi sau mai mulți spin ½ care interacționează sunt reorientați simultan.
RMN multidimensională- înregistrarea spectrelor RMN cu mai mult de o scară de frecvență.
Multiplet - un semnal al unui grup care apare ca mai multe linii.
Interacțiune indirectă de spin - interacțiunea dintre nuclee, care este transmisă în interiorul moleculei printr-un sistem de legături și nu este mediată în timpul mișcării moleculare rapide.
Particule paramagnetice - particule care conțin un electron nepereche, care are un moment magnetic foarte mare.
Deplasare paramagnetică- deplasarea semnalului rezonant către regiunea unui câmp puternic (valori mari δ ).
Molecule paratropice - anulat cu un număr de electroni π egal cu 4 n.
Constanta de interacțiune directă spin-spin este o constantă care caracterizează interacțiunea dintre nucleele care sunt separate printr-o legătură.
Interacțiune directă spin-spin- interacțiunea dintre nuclee, care se transmite prin spațiu.
Semnal rezonant - linia spectrală corespunzătoare absorbției de energie în timpul tranziției între stările proprii cauzată de un oscilator de înaltă frecvență.
Procese de relaxare - pierderea energiei la nivelul superior și revenirea la nivelul energetic inferior din cauza proceselor neradiative.
CU viping- o modificare treptată a câmpului magnetic, în urma căreia se realizează condiții de rezonanță.
Spectre de ordinul întâi- spectre în care diferența de deplasări chimice ale grupurilor individuale de nuclee echivalente magnetic ν o semnificativ mai mare decât constanta de interacțiune spin-spin J .
Relaxare spin-latice - procesul de relaxare (pierderea de energie), al cărui mecanism este asociat cu interacțiunea cu câmpurile electromagnetice locale ale mediului.
Relaxare spin-spin - procesul de relaxare se realizează ca urmare a transferului de energie de la un nucleu excitat la altul.
Interacțiunea spin-spin a electronilor- interacțiunea rezultată din interacțiunea magnetică a diferitelor nuclee, care pot fi transmise prin electronii legăturilor chimice ale nucleelor nelegate direct.
Sistem de rotire- acesta este un grup de nuclee care interacționează între ele, dar nu interacționează cu nucleele care nu fac parte din sistemul de spin.
Deplasare chimică - deplasarea semnalului nucleului studiat în raport cu semnalul nucleelor substanței standard.
Nuclee echivalente chimic- nuclee care au aceeași frecvență de rezonanță și același mediu chimic.
Tremur - în spectroscopie RMN, acesta este denumirea bobinelor electromagnetice care creează câmpuri magnetice de intensitate scăzută, care corectează neomogenitățile într-un câmp magnetic puternic.
Schimb de bandă largă(1 N decuplare în bandă largă) - utilizarea iradierii puternice, care acoperă întreaga gamă de deplasări chimice a protonilor, pentru a elimina complet toate interacțiunile 13 C 1 H.
Ecranarea - modificarea poziţiei semnalului rezonant sub influenţa câmpurilor magnetice induse ale altor nuclee.
Efectul Van der Waals- efect care apare în timpul unei interacțiuni spațiale puternice între un proton și un grup învecinat și determină o scădere a simetriei sferice a distribuției electronice și o creștere a contribuției paramagnetice la efectul de ecranare, care, la rândul său, duce la o deplasare a semnalului către un câmp mai slab.
Efectul Zeeman- divizarea nivelurilor de energie într-un câmp magnetic.
Efect de acoperiș- creşterea intensităţii liniilor centrale şi scăderea intensităţii liniilor îndepărtate în multiplet.
Efect de anizotropie magnetică(așa-numitul con de anizotropie) este rezultatul expunerii la câmpuri magnetice induse secundare.
Rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR) - observat pentru nucleele cu număr cuantic de spin eu > 1/2 datorită distribuţiei nesferice a sarcinii nucleare. Astfel de nuclee pot interacționa cu gradienții câmpurilor electrice externe, în special cu gradienții câmpurilor învelișurilor de electroni ale moleculei în care se află nucleul și au stări de spin caracterizate prin energii diferite chiar și în absența unui câmp magnetic extern aplicat.
Magneton nuclear Valoarea magnetonului nuclear se calculează folosind formula:
Rezonanță magnetică nucleară(RMN) este un fenomen fizic folosit pentru a studia proprietățile moleculelor atunci când nucleele atomice sunt iradiate cu unde radio într-un câmp magnetic.
Factorul nuclear - raportul dintre sarcina unui nucleu și masa acestuia.
Spectroscopia RMN este o metodă de analiză nedistructivă. Modern spectroscopia Fourier RMN pulsată permite analiza la 80 mag. miezuri. Spectroscopia RMN este una dintre principalele. Fiz.-Chim. metode de analiză, datele sale sunt folosite pentru identificarea fără ambiguitate ca intervale. produse chimice r-tions și țintă in-in. Pe lângă sarcinile structurale și cantitățile. analiză, spectroscopia RMN aduce informații despre echilibrele conformaționale, difuzia atomilor și moleculelor în solide, interne. mișcări, legături de hidrogen și asociere în lichide, tautomerism ceto-enol, metalo- și prototropie, ordinea și distribuția unităților în lanțuri polimerice, adsorbția substanțelor, structura electronică a cristalelor ionice, cristalelor lichide etc. Spectroscopia RMN este o sursă de informații. privind structura biopolimerilor, inclusiv moleculele de proteine în soluții, comparabile ca fiabilitate cu datele analizei de difracție cu raze X. În anii 80 Introducerea rapidă a metodelor de spectroscopie și tomografie RMN în medicină a început pentru diagnosticarea bolilor complexe și pentru examinarea medicală a populației.
Numărul și poziția liniilor în spectrele RMN caracterizează fără ambiguitate toate fracțiile de țiței sintetice. cauciucuri, materiale plastice, șisturi, cărbune, medicamente, medicamente, produse chimice. și farmaceutice prom-sti, etc.
Intensitatea și lățimea liniei RMN de apă sau ulei fac posibilă măsurarea cu precizie a conținutului de umiditate și ulei al semințelor și a siguranței cerealelor. La detonarea de la semnalele de apă, este posibil să se înregistreze conținutul de gluten din fiecare bob, ceea ce, la fel ca analiza conținutului de ulei, permite o selecție agricolă accelerată. culturi
Utilizarea magneților din ce în ce mai puternici. câmpuri (până la 14 T în dispozitive seriale și până la 19 T în instalații experimentale) oferă capacitatea de a determina complet structura moleculelor de proteine în soluții, analiză expresă a biolului. fluide (concentrații de metaboliți endogeni în sânge, urină, limfă, lichid cefalorahidian), controlul calității noilor materiale polimerice. În acest caz, sunt utilizate numeroase variante de spectroscopie spectroscopică Fourier multicuantică și multidimensională. tehnici.
Fenomenul RMN a fost descoperit de F. Bloch și E. Purcell (1946), pentru care au fost distinși cu Premiul Nobel (1952).
Fenomenul rezonanței magnetice nucleare poate fi folosit nu numai în fizică și chimie, ci și în medicină: corpul uman este o colecție din aceleași molecule organice și anorganice.
Pentru a observa acest fenomen, un obiect este plasat într-un câmp magnetic constant și expus la frecvență radio și câmpuri magnetice în gradient. În bobina inductoare care înconjoară obiectul studiat, apare o forță electromotoare alternativă (EMF), al cărei spectru amplitudine-frecvență și caracteristicile tranzitorii în timp transportă informații despre densitatea spațială a nucleelor atomice rezonante, precum și alți parametri specifici doar pentru rezonanță magnetică nucleară. Prelucrarea computerizată a acestor informații generează o imagine tridimensională care caracterizează densitatea nucleelor echivalente chimic, timpii de relaxare a rezonanței magnetice nucleare, distribuția debitelor fluidelor, difuzia moleculelor și procesele metabolice biochimice în țesuturile vii.
Esența introscopiei RMN (sau imagistica prin rezonanță magnetică) este, de fapt, implementarea unui tip special de analiză cantitativă a amplitudinii semnalului de rezonanță magnetică nucleară. În spectroscopia RMN convențională, cineva se străduiește să obțină cea mai bună rezoluție posibilă a liniilor spectrale. Pentru a realiza acest lucru, sistemele magnetice sunt reglate astfel încât să creeze cea mai bună uniformitate posibilă a câmpului în cadrul probei. În metodele de introscopie RMN, dimpotrivă, câmpul magnetic creat este în mod evident neuniform. Atunci există motive să ne așteptăm ca frecvența rezonanței magnetice nucleare în fiecare punct al probei să aibă propria sa valoare, diferită de valorile din alte părți. Prin setarea oricărui cod pentru gradările amplitudinii semnalelor RMN (luminozitate sau culoare pe ecranul monitorului), puteți obține o imagine convențională (tomogramă) a secțiunilor structurii interne a obiectului.
Introscopia RMN și tomografia RMN au fost inventate pentru prima dată în lume în 1960 de V. A. Ivanov. Un expert incompetent a respins cererea pentru o invenție (metodă și dispozitiv) „... din cauza inutilității evidente a soluției propuse”, așa că certificatul de drepturi de autor pentru aceasta a fost eliberat abia peste 10 ani mai târziu. Astfel, este recunoscut oficial că autorul tomografiei RMN nu este echipa laureaților Nobel enumerați mai jos, ci un om de știință rus. În ciuda acestui fapt legal, Premiul Nobel a fost acordat pentru tomografia RMN nu lui V. A. Ivanov. Dispozitive spectrale
Pentru studiul precis al spectrelor, dispozitive simple precum o fantă îngustă care limitează fasciculul de lumină și o prismă nu mai sunt suficiente. Sunt necesare instrumente care să ofere un spectru clar, adică instrumente care pot separa bine undele de lungimi diferite și nu permit suprapunerea unor părți individuale ale spectrului. Astfel de dispozitive sunt numite dispozitive spectrale. Cel mai adesea, partea principală a aparatului spectral este o prismă sau o rețea de difracție.
REZONANȚA PARAMAGNETICĂ ELECTRONICĂ
Esența metodei
Esența fenomenului de rezonanță paramagnetică electronică este absorbția rezonantă a radiației electromagnetice de către electronii nepereche. Un electron are un spin și un moment magnetic asociat.
Dacă plasăm un radical liber cu un moment unghiular rezultat J într-un câmp magnetic cu o putere B 0 , atunci pentru J non-zero, degenerarea câmpului magnetic este eliminată, iar ca urmare a interacțiunii cu câmpul magnetic, 2J+1 apar niveluri, a căror poziție este descrisă prin expresia: W =gβB 0 M, (unde M = +J, +J-1, …-J) și este determinată de interacțiunea Zeeman a câmpului magnetic cu momentul magnetic J. Împărțirea nivelurilor de energie a electronilor este prezentată în figură.
Niveluri de energie și tranziții permise pentru un atom cu spin nuclear 1 într-un câmp constant (A) și alternant (B).
Dacă acum aplicăm un câmp electromagnetic cu frecvența ν, polarizat într-un plan perpendicular pe vectorul câmp magnetic B 0 , la centrul paramagnetic, atunci acesta va provoca tranziții dipol magnetice care respectă regula de selecție ΔM = 1. Când energia tranziția electronică coincide cu energia undei fotoelectromagnetice, va avea loc o reacție rezonantă de absorbție a radiației cu microunde. Astfel, starea de rezonanță este determinată de relația de rezonanță magnetică fundamentală
Absorbția energiei câmpului cu microunde este observată dacă există o diferență de populație între niveluri.
La echilibru termic, există o mică diferență în populațiile nivelurilor Zeeman, determinată de distribuția Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). Într-un astfel de sistem, atunci când tranzițiile sunt excitate, egalitatea populațiilor de subniveluri energetice ar trebui să apară foarte repede și absorbția câmpului de microunde ar trebui să dispară. Cu toate acestea, în realitate există multe mecanisme de interacțiune diferite, în urma cărora electronul trece neradiativ în starea sa originală. Efectul intensității constante de absorbție cu creșterea puterii se produce datorită electronilor care nu au timp să se relaxeze și se numește saturație. Saturația apare la putere mare de radiație a microundelor și poate distorsiona semnificativ rezultatele măsurării concentrației de centre prin metoda EPR.
Valoarea metodei
Metoda EPR oferă informații unice despre centrii paramagnetici. Ea distinge clar ionii de impurități incluși izomorf în rețea de microincluzii. În acest caz, se obține informații complete despre un ion dat din cristal: valență, coordonare, simetrie locală, hibridizare a electronilor, câți și în ce poziții structurale ale electronilor este inclus, orientarea axelor câmpului cristalin la locația acestui ion, o caracteristică completă a câmpului cristalin și informații detaliate despre legătura chimică. Și, ceea ce este foarte important, metoda vă permite să determinați concentrația centrilor paramagnetici în regiuni ale cristalului cu structuri diferite.
Dar spectrul EPR nu este doar o caracteristică a unui ion dintr-un cristal, ci și a cristalului însuși, caracteristici ale distribuției densității electronilor, câmpului cristalin, ionic-covalență într-un cristal și, în sfârșit, pur și simplu o caracteristică de diagnosticare a unui cristal. mineral, deoarece fiecare ion din fiecare mineral are propriii parametri unici. În acest caz, centrul paramagnetic este un fel de sondă, care oferă caracteristici spectroscopice și structurale ale micromediului său.
Această proprietate este folosită în așa-numitul. metoda etichetelor de spin și a sondelor, bazată pe introducerea unui centru paramagnetic stabil în sistemul studiat. Ca un astfel de centru paramagnetic, de regulă, se utilizează un radical nitroxil, caracterizat prin anizotrop gȘi A tensori.
Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară este una dintre cele mai comune și foarte sensibile metode de determinare a structurii compușilor organici, permițând obținerea de informații nu numai despre compoziția calitativă și cantitativă, ci și despre localizarea atomilor unul față de celălalt. Diverse tehnici RMN au multe posibilități pentru a determina structura chimică a substanțelor, stările de confirmare ale moleculelor, efectele influenței reciproce și transformările intramoleculare.
Metoda rezonanței magnetice nucleare are o serie de caracteristici distinctive: spre deosebire de spectrele moleculare optice, absorbția radiației electromagnetice de către o substanță are loc într-un câmp magnetic extern puternic și uniform. Mai mult, pentru a efectua un studiu RMN, experimentul trebuie să îndeplinească o serie de condiții care reflectă principiile generale ale spectroscopiei RMN:
1) înregistrarea spectrelor RMN este posibilă numai pentru nucleele atomice cu propriul moment magnetic sau așa-numitele nuclee magnetice, în care numărul de protoni și neutroni este astfel încât numărul de masă al nucleelor izotopice este impar. Toate nucleele cu un număr de masă impar au spin I, a cărui valoare este 1/2. Deci pentru nucleele 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R valoarea spinului este egală cu 1/2, pentru nucleele 7 Li, 23 Na, 39 K și 4 l R spinul este egal cu 3/2 . Nucleele cu un număr de masă par fie nu au spin deloc dacă sarcina nucleară este pară, fie au valori întregi de spin dacă sarcina este impară. Numai acele nuclee al căror spin este I 0 pot produce un spectru RMN.
Prezența spinului este asociată cu circulația sarcinii atomice în jurul nucleului, prin urmare, apare un moment magnetic μ . O sarcină rotativă (de exemplu, un proton) cu moment unghiular J creează un moment magnetic μ=γ*J . Momentul nuclear unghiular J și momentul magnetic μ care apar în timpul rotației pot fi reprezentate ca vectori. Raportul lor constant se numește raportul giromagnetic γ. Această constantă determină frecvența de rezonanță a miezului (Fig. 1.1).
Figura 1.1 - O sarcină rotativă cu un moment unghiular J creează un moment magnetic μ=γ*J.
2) metoda RMN examinează absorbția sau emisia de energie în condiții neobișnuite de formare a spectrului: spre deosebire de alte metode spectrale. Spectrul RMN este înregistrat dintr-o substanță situată într-un câmp magnetic uniform puternic. Astfel de nuclee dintr-un câmp extern au valori diferite de energie potențială în funcție de mai multe unghiuri de orientare posibile (cuantificate) ale vectorului μ în raport cu vectorul de intensitate a câmpului magnetic extern H 0 . În absența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice sau spinurile nucleelor nu au o orientare specifică. Dacă nucleele magnetice cu spin 1/2 sunt plasate într-un câmp magnetic, atunci o parte dintre spinurile nucleare vor fi amplasate paralel cu liniile câmpului magnetic, cealaltă parte antiparalelă. Aceste două orientări nu mai sunt echivalente energetic și se spune că spinurile sunt distribuite la două niveluri de energie.
Învârtirile cu un moment magnetic orientat de-a lungul câmpului +1/2 sunt desemnate prin simbolul | α >, cu o orientare antiparalelă cu câmpul exterior -1/2 - simbol | β > (Fig. 1.2) .
Figura 1.2 - Formarea nivelurilor de energie atunci când se aplică un câmp extern H 0.
1.2.1 Spectroscopie RMN pe nuclee 1 H. Parametrii spectrelor PMR.
Pentru a descifra datele spectrelor 1H RMN și a atribui semnale, se folosesc principalele caracteristici ale spectrelor: deplasarea chimică, constanta de interacțiune spin-spin, intensitatea semnalului integrat, lățimea semnalului [57].
A) Deplasarea chimică (C.C). scara H.S Deplasarea chimică este distanța dintre acest semnal și semnalul substanței de referință, exprimată în părți per milion din intensitatea câmpului extern.
Tetrametilsilanul [TMS, Si(CH3)4], care conține 12 protoni echivalenti din punct de vedere structural, înalt ecranați, este cel mai adesea utilizat ca standard pentru măsurarea deplasărilor chimice ale protonilor.
B) Constanta interacțiunii spin-spin. În spectrele RMN de înaltă rezoluție, se observă divizarea semnalului. Această divizare sau structură fină în spectre de înaltă rezoluție rezultă din interacțiunile spin-spin dintre nucleele magnetice. Acest fenomen, împreună cu schimbarea chimică, servește drept cea mai importantă sursă de informații despre structura moleculelor organice complexe și distribuția norului de electroni în ele. Nu depinde de H0, ci depinde de structura electronică a moleculei. Semnalul unui nucleu magnetic care interacționează cu un alt nucleu magnetic este împărțit în mai multe linii în funcție de numărul de stări de spin, adică. depinde de spinurile nucleelor I.
Distanța dintre aceste linii caracterizează energia de cuplare spin-spin dintre nuclee și se numește constanta de cuplare spin-spin n J, unde n-numărul de legături care separă nucleele care interacționează.
Există constante directe J HH, constante geminale 2 J HH , constante vicinale 3 J HH și unele constante cu rază lungă 4 J HH , 5 J HH .
- constantele geminale 2 J HH pot fi atât pozitive, cât și negative și ocupă intervalul de la -30 Hz la +40 Hz.
Constantele vicinale 3 J HH ocupă domeniul 0 20 Hz; sunt aproape întotdeauna pozitive. S-a stabilit că interacțiunea vicinală în sistemele saturate depinde foarte mult de unghiul dintre legăturile carbon-hidrogen, adică de unghiul diedric - (Fig. 1.3).
Figura 1.3 - Unghiul diedric φ între legăturile carbon-hidrogen.
Interacțiune spin-spin pe distanță lungă (4 J HH , 5 J HH ) - interacțiunea a două nuclee separate prin patru sau mai multe legături; constantele unei astfel de interacțiuni sunt de obicei de la 0 la +3 Hz.
Tabelul 1.1 – Constantele interacțiunii spin-spin
B) Intensitatea semnalului integrat. Aria semnalelor este proporțională cu numărul de nuclee magnetice care rezonează la o anumită intensitate a câmpului, astfel încât raportul dintre zonele semnalelor oferă numărul relativ de protoni din fiecare varietate structurală și se numește intensitatea semnalului integrat. Spectrometrele moderne folosesc integratori speciali, ale căror citiri sunt înregistrate sub forma unei curbe, a căror înălțime a pașilor este proporțională cu aria semnalelor corespunzătoare.
D) Lățimea liniilor. Pentru a caracteriza lățimea liniilor, se obișnuiește să se măsoare lățimea la o distanță de jumătate din înălțime față de linia zero a spectrului. Lățimea liniei observată experimental constă în lățimea naturală a liniei, care depinde de structură și mobilitate, și lărgirea din motive instrumentale
Lățimea obișnuită a liniei în PMR este de 0,1-0,3 Hz, dar poate crește din cauza suprapunerii tranzițiilor adiacente, care nu coincid exact, dar nu sunt rezolvate ca linii separate. Lărgirea este posibilă în prezența nucleelor cu un spin mai mare de 1/2 și schimb chimic.
1.2.2 Aplicarea datelor 1H RMN pentru a determina structura moleculelor organice.
La rezolvarea unui număr de probleme de analiză structurală, pe lângă tabelele de valori empirice, Kh.S. Poate fi utilă cuantificarea efectelor substituenților vecini asupra Ch.S. conform regulii aditivităţii contribuţiilor efective de screening. În acest caz, substituenții care sunt la cel mult 2-3 legături distanță de un proton dat sunt de obicei luați în considerare, iar calculul se face folosind formula:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
unde δ 0 este deplasarea chimică a protonilor din grupul standard;
δi este contribuția de screening de către substituent.
1.3 Spectroscopie RMN 13 C. Obținerea și modurile de înregistrare a spectrelor.
Primele rapoarte ale observării 13C RMN au apărut în 1957, dar transformarea spectroscopiei 13C RMN într-o metodă de cercetare analitică utilizată practic a început mult mai târziu.
Rezonanța magnetică 13 C și 1 H au multe în comun, dar există și diferențe semnificative. Cel mai comun izotop de carbon 12 C are I=0. Izotopul 13C are I=1/2, dar conținutul său natural este de 1,1%. Acest lucru este împreună cu faptul că raportul giromagnetic al 13 nuclee C este 1/4 din raportul giromagnetic pentru protoni. Ceea ce reduce sensibilitatea metodei în experimentele privind observarea 13 C RMN de 6000 de ori comparativ cu nucleele 1 H.
a) fără a suprima interacțiunea spin-spin cu protonii. Spectrele 13C RMN obținute în absența suprimării complete a rezonanței spin-spin cu protoni au fost numite spectre de înaltă rezoluție. Aceste spectre conțin informații complete despre constantele 13 C - 1 H. În moleculele relativ simple, ambele tipuri de constante - directe și cu rază lungă - se găsesc destul de simplu. Deci 1 J (C-H) este 125 - 250 Hz, cu toate acestea, interacțiunea spin-spin poate apărea și cu protoni mai îndepărtați cu constante mai mici de 20 Hz.
b) suprimarea completă a interacțiunii spin-spin cu protonii. Primul progres major în domeniul spectroscopiei 13C RMN este asociat cu utilizarea suprimării complete a interacțiunii spin-spin cu protonii. Utilizarea suprimării complete a interacțiunii spin-spin cu protonii duce la fuziunea multipleților cu formarea liniilor singlet dacă nu există alți nuclei magnetici în moleculă, cum ar fi 19 F și 31 P.
c) suprimarea incompletă a interacțiunii spin-spin cu protonii. Cu toate acestea, utilizarea modului de decuplare completă de protoni are dezavantajele sale. Deoarece toate semnalele de carbon sunt acum sub formă de singlete, se pierd toate informațiile despre constantele interacțiunii spin-spin 13 C- 1 H. Se propune o metodă care face posibilă restabilirea parțială a informațiilor despre constantele interacțiunii directe spin-spin 13 C-1 H și, în același timp, păstrează mai multă parte din beneficiile decuplării în bandă largă. În acest caz, divizările vor apărea în spectre datorită constantelor directe ale interacțiunii spin-spin 13 C - 1 H. Această procedură face posibilă detectarea semnalelor de la atomii de carbon neprotonați, deoarece aceștia din urmă nu au protoni direct asociați cu 13 C și apar în spectre cu decuplare incompletă de protoni ca singlete.
d) modularea constantei de interacțiune CH, spectru JMODCH. O problemă tradițională în spectroscopia 13C RMN este determinarea numărului de protoni asociați cu fiecare atom de carbon, adică gradul de protonare a atomului de carbon. Suprimarea parțială de către protoni face posibilă rezolvarea semnalului de carbon din multiplicitatea cauzată de constantele interacțiunii spin-spin pe distanță lungă și obținerea divizării semnalului datorită constantelor directe de cuplare 13 C-1 H. Cu toate acestea, în cazul sistemelor de spin puternic cuplate AB iar suprapunerea multipletelor în modul OFFR face dificilă rezoluția clară a semnalelor.
Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) este cel mai puternic instrument pentru elucidarea structurii substanțelor organice. În acest tip de spectroscopie, proba studiată este plasată într-un câmp magnetic și iradiată cu radiații electromagnetice de radiofrecvență.
(click pentru a vizualiza scanarea)
Orez. 11-13. Protoni în câmp magnetic: a - în absenţa unui câmp magnetic; b - într-un câmp magnetic extern; c - într-un câmp magnetic extern după absorbția radiației de radiofrecvență (spinurile ocupă un nivel de energie mai mare)
radiatii. Atomii de hidrogen din diferite părți ale moleculei absorb radiații de diferite lungimi de undă (frecvențe). În anumite condiții, alți atomi pot absorbi și radiații cu frecvență radio, dar ne vom limita la a considera spectroscopia pe atomii de hidrogen drept cel mai important și comun tip de spectroscopie RMN.
Nucleul unui atom de hidrogen este format dintr-un proton. Acest proton se rotește în jurul axei sale și, ca orice obiect încărcat rotativ, este un magnet. În absența unui câmp magnetic extern, spinurile protonilor sunt orientate aleatoriu, dar într-un câmp magnetic sunt posibile doar două orientări de spin (Fig. 11-13), care se numesc stări de spin. Stările de spin în care momentul magnetic (indicat de săgeată) este orientat de-a lungul câmpului au o energie puțin mai mică decât stările de spin în care momentul magnetic este orientat față de câmp. Diferența de energie dintre cele două stări de spin corespunde energiei unui foton de radiație de radiofrecvență. Atunci când această radiație afectează proba studiată, protonii se mută de la un nivel de energie mai scăzut la unul mai ridicat, iar energia este absorbită.
Atomii de hidrogen dintr-o moleculă se află în medii chimice diferite. Unele fac parte din grupări metil, altele sunt conectate la atomi de oxigen sau un inel benzenic, altele sunt situate lângă legături duble etc. Această mică diferență în mediul electronic este suficientă pentru a modifica diferența de energie dintre stările de spin și, prin urmare, frecvența radiațiilor absorbite.
Spectrul RMN apare ca urmare a absorbției radiațiilor de radiofrecvență de către o substanță situată într-un câmp magnetic. Spectroscopia RMN permite să se facă distincția între atomii de hidrogen dintr-o moleculă care se află în medii chimice diferite.
Spectrele RMN
La scanarea frecvenței radiațiilor la anumite valori de frecvență, se observă absorbția radiației de către atomii de hidrogen din moleculă; valoarea specifică a frecvenței de absorbție depinde de mediul în care se află atomii.
Orez. 11-14. Spectru RMN tipic: a - spectru; b - curba integrală care dă aria vârfului
hidrogen. Știind în ce regiune a spectrului sunt situate vârfurile de absorbție ale anumitor tipuri de atomi de hidrogen, se pot trage anumite concluzii despre structura moleculei. În fig. Figurile 11-14 prezintă un spectru RMN tipic al unei substanțe în care există trei tipuri de atomi de hidrogen. Poziția semnalelor pe scara de deplasare chimică 5 este măsurată în părți per milion (ppm) de frecvență radio. De obicei, toate semnalele sunt situate în zona din Fig. 11-14, deplasările chimice ale semnalelor sunt de 1,0, 3,5 și partea dreaptă a spectrului se numește regiunea cu câmp înalt, iar cea din stânga este numită regiunea cu câmp scăzut. În spectrele RMN, vârfurile sunt în mod tradițional arătate îndreptate mai degrabă în sus decât în jos, ca în spectrele IR.
Pentru a interpreta spectrul și a obține informații structurale din acesta, sunt importante trei tipuri de parametri spectrale:
1) pozitia semnalului pe scara -(caracterizeaza tipul de atom de hidrogen);
2) aria semnalului (caracterizează numărul de atomi de hidrogen de un anumit tip);
3) multiplicitatea (forma) semnalului (caracterizează numărul de atomi de hidrogen apropiat de alte tipuri).
Să aruncăm o privire mai atentă la acești parametri folosind exemplul spectrului de cloroetan (Fig. 11-15). În primul rând, să fim atenți la poziția semnalelor în spectru sau, cu alte cuvinte, la valorile deplasărilor chimice. Semnalul a (protonii grupului sunt la 1,0 ppm, ceea ce
Orez. 11-15. Spectrul RMN al cloretanului
(vezi scanare)
indică faptul că acești atomi de hidrogen nu sunt localizați lângă un atom electronegativ, în timp ce deplasarea semnalului b (protonii grupului) este. Valorile deplasărilor chimice ale grupurilor care apar frecvent trebuie reținute în același mod ca și frecvențele de benzi de absorbție în spectre IR. Cele mai importante schimbări chimice sunt date în tabel. 11-2.
Apoi analizăm aria vârfurilor, care este proporțională cu numărul de atomi de hidrogen de un anumit tip. În fig. 11-15 zone relative sunt indicate prin numere între paranteze. Ele sunt definite folosind curba integrală situată deasupra spectrului. Aria semnalului este proporțională cu înălțimea „treptei” curbei integrale. În spectrul în discuție, raportul zonelor semnalului este de 2:3, ceea ce corespunde raportului dintre numărul de protoni de metilen și numărul de protoni de metil.
În cele din urmă, luați în considerare forma sau structura semnalelor, care se numește de obicei multiplicitate. Semnalul grupului metil este un triplet (trei vârfuri), în timp ce semnalul grupării metilenului este de patru vârfuri (cvartet). Multiplicitatea oferă informații despre câți atomi de hidrogen sunt legați de un atom de carbon adiacent. Numărul de vârfuri dintr-un multiplet este întotdeauna cu unul mai mare decât numărul de atomi de hidrogen ai atomului de carbon vecin (Tabelul 11-3).
Astfel, dacă există un semnal singlet în spectru, aceasta înseamnă că molecula substanței include un grup de atomi de hidrogen, în vecinătatea cărora nu există alți atomi de hidrogen. În spectrul din Fig. 11-15 semnalul grupării megil este un triplet. Aceasta înseamnă că există doi atomi de hidrogen adiacenți atomului de carbon.
De asemenea, semnalul grupării metilen este un cvartet deoarece există trei atomi de hidrogen în vecinătate.
Este util să învățați cum să preziceți spectrul RMN așteptat pe baza formulei structurale a unei substanțe. După ce stăpânește această procedură, este ușor să treci la rezolvarea problemei inverse - stabilirea structurii unei substanțe din spectrul său RMN. Mai jos veți vedea exemple de predicție a spectrelor bazate pe structură. Apoi vi se va cere să interpretați spectrele pentru a determina structura substanței necunoscute.
Predicția spectrelor RMN pe baza formulei structurale
Pentru a prezice spectrele RMN, urmați aceste proceduri.
1. Desenați formula structurală completă a substanței.
2. Încercuiește atomii de hidrogen echivalenti. Determinați numărul de atomi de hidrogen de fiecare tip.
3. Folosirea tabelului. 11-2 (sau memoria dvs.), determinați valorile aproximative ale deplasărilor chimice ale semnalelor fiecărui tip de atom de hidrogen.
(click pentru a vizualiza scanarea)
Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopie RMN- o metodă spectroscopică de studiere a obiectelor chimice, folosind fenomenul de rezonanță magnetică nucleară. Fenomenul RMN a fost descoperit în 1946 de către fizicienii americani F. Bloch și E. Purcell. Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică de protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN pe carbon-13 (spectroscopie 13 C RMN), fluor-19 (spectroscopie 19 F RMN), fosfor-31 ( 31 P). Spectroscopie RMN). Dacă un element are un număr atomic impar sau un izotop al oricărui element (par par) are un număr de masă impar, nucleul unui astfel de element are un spin diferit de zero. Dintr-o stare excitată la o stare normală, nucleele se pot întoarce, transferând energia de excitație în „rețeaua” înconjurătoare, ceea ce înseamnă în acest caz electroni sau atomi de alt tip decât cei studiati. Acest mecanism de transfer de energie se numește relaxare spin-latice, iar eficiența lui poate fi caracterizată printr-o constantă T1, numită timp de relaxare spin-latice.
Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în chimia organică teoretică, cât și pentru analiza obiectelor biologice.
Tehnica de bază RMN
O probă dintr-o substanță pentru RMN este plasată într-un tub de sticlă cu pereți subțiri (fiolă). Când este plasat într-un câmp magnetic, nucleele active RMN (cum ar fi 1 H sau 13 C) absorb energie electromagnetică. Frecvența de rezonanță, energia de absorbție și intensitatea semnalului emis sunt proporționale cu puterea câmpului magnetic. Deci, într-un câmp de 21 Tesla, un proton rezonează la o frecvență de 900 MHz.
Deplasare chimică
În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe ușor diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu mărimea inducției câmpului magnetic, această deplasare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic, cunoscută sub numele de deplasare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o modificare relativă față de unele probe de referință. Deplasarea de frecvență este extrem de mică în comparație cu frecvența RMN principală. Deplasarea de frecvență tipică este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, schimbarea chimică este adesea exprimată în părți per milion (ppm). Pentru a detecta o diferență de frecvență atât de mică, câmpul magnetic aplicat trebuie să fie constant în interiorul volumului probei.
Deoarece o schimbare chimică depinde de structura chimică a unei substanțe, este utilizată pentru a obține informații structurale despre moleculele dintr-o probă. De exemplu, spectrul pentru etanol (CH 3 CH 2 OH) dă 3 semnale distinctive, adică 3 deplasări chimice: unul pentru grupul CH 3, al doilea pentru grupul CH 2 și ultimul pentru OH. Deplasarea tipică pentru o grupare CH3 este de aproximativ 1 ppm, pentru o grupare CH2 atașată la OH este de 4 ppm și pentru OH este de aproximativ 2-3 ppm.
Datorită mișcării moleculare la temperatura camerei, semnalele celor 3 protoni metil sunt mediate în timpul procesului RMN, care durează doar câteva milisecunde. Acești protoni degenerează și formează vârfuri la aceeași schimbare chimică. Software-ul vă permite să analizați dimensiunea vârfurilor pentru a înțelege câți protoni contribuie la aceste vârfuri.
Interacțiune spin-spin
Cele mai utile informații pentru determinarea structurii într-un spectru RMN unidimensional este furnizată de așa-numita interacțiune spin-spin între nucleele active RMN. Această interacțiune rezultă din tranzițiile între diferitele stări de spin ale nucleelor din moleculele chimice, ducând la divizarea semnalelor RMN. Această divizare poate fi simplă sau complexă și, în consecință, poate fi fie ușor de interpretat, fie poate fi confuză pentru experimentator.
Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor din moleculă.
Interacțiune de ordinul doi (puternic)
Cuplarea simplă spin-spin presupune că constanta de cuplare este mică în comparație cu diferența de deplasări chimice dintre semnale. Dacă diferența de deplasare scade (sau constanta de interacțiune crește), intensitatea multipleților de probă devine distorsionată și devine mai dificil de analizat (mai ales dacă sistemul conține mai mult de 2 rotiri). Cu toate acestea, în spectrometrele RMN de mare putere, distorsiunea este de obicei moderată și acest lucru permite interpretarea cu ușurință a vârfurilor asociate.
Efectele de ordinul doi scad pe măsură ce diferența de frecvență între multipleți crește, astfel încât un spectru RMN de înaltă frecvență prezintă mai puțină distorsiune decât un spectru de frecvență joasă.
Aplicarea spectroscopiei RMN la studiul proteinelor
Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt făcute în așa-numita spectroscopie RMN a proteinelor, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Un obiectiv comun este obținerea de structuri de proteine tridimensionale de înaltă rezoluție, similare imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul de bază 1H este aglomerat cu semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.
Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente, metoda atomului marcat este utilizată folosind 13 C sau 15 N. În acest fel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit tehnici (atât cu avantaje, cât și cu dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.
Analiza RMN cantitativă
În analiza cantitativă a soluțiilor, aria vârfului poate fi utilizată ca măsură a concentrației în metoda grafică de calibrare sau metoda de adăugare. Există, de asemenea, metode cunoscute în care un grafic gradat reflectă dependența de concentrație a deplasării chimice. Utilizarea metodei RMN în analiza anorganică se bazează pe faptul că în prezența substanțelor paramagnetice, timpul de relaxare nucleară se accelerează. Măsurarea ratei de relaxare poate fi efectuată prin mai multe metode, una fiabilă și universală este, de exemplu, versiunea în impulsuri a metodei RMN sau, așa cum se numește de obicei, metoda spin echo. Atunci când se măsoară prin această metodă, probei studiate sunt aplicate impulsuri de radiofrecvență de scurtă durată într-un câmp magnetic la anumite intervale în regiunea de absorbție rezonantă.În bobina receptoare apare un semnal ecou de spin, a cărui amplitudine maximă este legată la timpul de relaxare printr-o relație simplă. Pentru a efectua determinări analitice convenționale nu este nevoie să găsiți valorile absolute ale ratelor de relaxare. În aceste cazuri, ne putem limita la măsurarea unei cantități proporționale cu acestea, de exemplu, amplitudinea semnalului de absorbție rezonantă. Măsurătorile de amplitudine pot fi efectuate folosind un echipament simplu, mai accesibil. Un avantaj semnificativ al metodei RMN este gama largă de valori ale parametrului măsurat. Folosind setarea ecoului de spin, timpul de relaxare poate fi determinat de la 0,00001 la 100 s. cu o eroare de 3...5%. Acest lucru face posibilă determinarea concentrației unei soluții într-un interval foarte larg de la 1...2 la 0,000001...0000001 mol/l.Tehnica analitică cea mai frecvent utilizată este metoda graficului de calibrare.
