NMR spektroskopia. Aplikácie NMR spektroskopie Magnety pre NMR spektrometre
Alylové štiepenie- závislosť spin-spin interakčné konštanty medzi protónmi v alylických systémoch ( 4 J ), ktorý do značnej miery závisí od uhla krútenia medzi rovinami tvorenými atómami HC 2 C 3 a C 1 C 2 C 3.
Annulens- cyklické konjugované systémy.
Atropické molekuly- molekuly zlúčenín, ktoré nevytvárajú kruhový prúd.
Uhol väzby (θ) - uhol medzi dvoma väzbami na jednom atóme uhlíka.
Vicinal interakcia - interakcia medzi jadrami, ktoré sú oddelené tromi väzbami.
Mimorezonančné oddelenie(vypnuté rezonančné oddelenie) - umožňuje rozlíšiť signály skupín CH 3, CH 2, CH a kvartérneho atómu uhlíka. Na pozorovanie mimorezonančného oddelenia sa používa frekvencia, ktorá je blízka chemickému posunu, ale nezodpovedá rezonančnej frekvencii signálu. Toto potlačenie vedie k zníženiu počtu interakcií až do tej miery, že sa zaznamenávajú iba priame. J(C,H) interakcie.
Geminálny interakcia - interakcia medzi jadrami, ktoré sú oddelené dvoma väzbami.
Heteronukleárna korelačná spektroskopia (HETCOR)- v týchto experimentoch sú chemické posuny spektier 1H umiestnené na jednej osi, zatiaľ čo chemické posuny 13C sú umiestnené na druhej osi. HETCOR - heteronukleárny variant COSY, ktorý využíva nepriame heteronukleárne spin-spinové interakcie medzi 1H a 13C.
HMQC - HEeronukleárneMultyQuantumKorelácia- registrácia 1 N s oddelením od 13 C.
HSQC - HEeronukleárna multikvantová korelácia- Možnosť HMQC
COLOC - CORrelation Long (veľmi dlhá)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- variant HMQC experimentu na detekciu heteronukleárnych spin-spin interakcií s dlhým dosahom. HMBC produkuje vyšší pomer signálu k šumu ako experiment HMQC.
Gyromagnetický pomer (γ ) - jedna z charakteristík magnetických vlastností jadra.
Homoallylová interakcia- interakcia prostredníctvom 5 väzieb v alylickom systéme.
Ďalej interakcia - interakcia medzi jadrami, ktoré sú oddelené viac ako 3 väzbami (zvyčajne 4-5 väzbami).
Senzor- zariadenie zabezpečujúce prenos impulzov do vzorky a registráciu rezonančných signálov. Senzory sú širokopásmové a selektívne vyladené. Sú inštalované v aktívnej oblasti magnetu.
Dihedrálny (torzný) uhol- uhol, ktorý zvierajú dve roviny medzi uvažovanými spojmi.
DvojrozmernýJ-spektrá. Dvojrozmerná J-spektroskopia je charakterizovaná prítomnosťou jednej frekvenčnej súradnice spojenej s SSV a druhej súradnice spojenej s chemickými posunmi. Najrozšírenejšie je vrstevnicové znázornenie dvojrozmerných J-spektier v dvoch na seba kolmých súradniciach.
Dvojrozmerná NMR spektroskopia - experimenty využívajúce pulzné sekvencie, čo umožňuje získať NMR spektrum v zobrazení, v ktorom je informácia rozložená cez dve frekvenčné súradnice a je obohatená o informácie o vzájomnej závislosti NMR parametrov. Výsledkom je štvorcové spektrum s dvoma ortogonálnymi osami a signálom, ktorý má maximum vo frekvenčnom zobrazení v bode so súradnicami (, ), teda na uhlopriečke.
Delta stupnica (δ -škála) - mierka, v ktorej sa chemický posun protónov TMS berie ako nula.
Diamagnetický posun- posun rezonančného signálu do oblasti slabého poľa (veľké hodnoty δ ).
Diatropné molekuly- zrušené od 4 n+2 π elektróny, ktoré sú podľa Hückelovho pravidla aromatické.
Dubleta - signál dvoch interagujúcich jadier, ktorý je v 1H NMR spektre reprezentovaný dvoma čiarami rovnakej intenzity.
Izochrónne jadrá- jadrá s rovnakou hodnotou chemického posunu. Často sú chemicky ekvivalentné, to znamená, že majú rovnaké chemické prostredie.
Integrálna intenzita signálu(plocha pod krivkou) - meraná integrátorom a zobrazená vo forme krokov, ktorých výška je úmerná ploche a ukazuje relatívne číslo protóny.
Pulzná spektroskopia - spôsob budenia magnetických jadier - pomocou krátkych a silných (stovky kilowattov) vysokofrekvenčných impulzov. Impulz s nosnou frekvenciou ν o a trvaním t p vytvára budiace pásmo vo frekvenčnom rozsahu +1/t p. Ak je dĺžka impulzu niekoľko mikrosekúnd a ν o približne zodpovedá stredu rezonančnej frekvenčnej oblasti pre daný typ jadier, potom pásmo pokryje celý frekvenčný rozsah a zabezpečí súčasné budenie všetkých jadier. V dôsledku toho sa zaznamená exponenciálne klesajúca sínusová vlna (ESW). Obsahuje informácie o frekvencii, teda vlastne o chemickom posune, aj o tvare čiary. Pre nás známejšia forma - spektrum vo frekvenčnom zobrazení - sa získava zo SIS pomocou matematického postupu nazývaného Fourierova transformácia.
Pulzné NMR- metóda budenia magnetických jadier pomocou krátkych a silných (stovky kilowattov) vysokofrekvenčných impulzov. Počas pulzu všetky jadrá súčasne sú excitované a potom, keď sa pulz zastaví, sa jadrá vrátia (uvoľnia sa) do pôvodného základného stavu. Strata energie relaxačnými jadrami vedie k vzniku signálu, ktorý je súčtom signálov zo všetkých jadier a je popísaný veľkým počtom tlmených sínusové krivky na časovej škále, z ktorých každá zodpovedá určitej rezonančnej frekvencii.
Interakčná konštanta spin-spin (SSIC)- kvantitatívne charakteristiky vzájomného pôsobenia rôznych jadier.
Korelačná spektroskopia (COSY) - experiment s dvoma 90 o impulzmi. Pri tomto type dvojrozmernej spektroskopie korelujú chemické posuny spinovo viazaných magnetických jadier. Dvojrozmerná COZY spektroskopia za určitých podmienok pomáha odhaliť prítomnosť veľmi malých konštánt, ktoré sú zvyčajne neviditeľné v jednorozmerných spektrách.
ÚTULNÝ- pokusy, pri ktorých sa mení trvanie impulzu. To umožňuje zmenšiť veľkosť diagonálnych vrcholov, ktoré sťažujú identifikáciu blízkych vrcholov (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - dvojitý kvantovaný filter - potláča singlety na diagonále a im zodpovedajúce interferencie.
COSYLR (dlhá hodnosť)- COZY experiment, ktorý vám umožňuje určiť interakcie na veľké vzdialenosti.
TOCSY - CelkomKoreláciaSpektroskopia- režim snímania, ktorý vám umožňuje získať krížové vrcholy medzi všetkými spinmi systému v spektre nasýtenom signálmi prenosom magnetizácie cez väzby v skúmanom štruktúrnom fragmente. Najčastejšie sa používa na štúdium biomolekúl.
Larmorova frekvencia- frekvencia precesie v NMR.
Magneticky ekvivalentné sú tie jadrá, ktoré majú rovnakú rezonančnú frekvenciu a spoločnú charakteristickú hodnotu konštanty spin-spin interakcie s jadrami ktorejkoľvek susednej skupiny.
Multikvantové koherencie- stavy superpozície, keď sú súčasne preorientované dva alebo viac interagujúcich spinov ½.
Multidimenzionálna NMR- registrácia NMR spektier s viac ako jednou frekvenčnou stupnicou.
Multiplet - signál jednej skupiny, ktorý sa javí ako niekoľko čiar.
Nepriama spinová interakcia - interakcia medzi jadrami, ktorá sa prenáša v rámci molekuly cez systém väzieb a nie je spriemerovaná počas rýchleho pohybu molekúl.
Paramagnetické častice - častice obsahujúce nepárový elektrón, ktorý má veľmi veľký magnetický moment.
Paramagnetický posun- posun rezonančného signálu do oblasti silného poľa (veľké hodnoty δ ).
Paratropné molekuly - zrušené s počtom π elektrónov rovným 4 n.
Priama interakčná konštanta spin-spin je konštanta charakterizujúca interakciu medzi jadrami, ktoré sú oddelené jednou väzbou.
Priama interakcia spin-spin- interakcia medzi jadrami, ktorá sa prenáša priestorom.
Rezonančný signál - spektrálna čiara zodpovedajúca absorpcii energie pri prechode medzi vlastnými stavmi spôsobenej vysokofrekvenčným oscilátorom.
Relaxačné procesy - strata energie na hornej úrovni a návrat na nižšiu energetickú hladinu v dôsledku neradiačných procesov.
S viping- postupná zmena magnetického poľa, v dôsledku ktorej sa dosahujú rezonančné podmienky.
Spektrá prvého rádu- spektrá, v ktorých je rozdiel v chemických posunoch jednotlivých skupín magneticky ekvivalentných jadier ν o významne väčšia ako konštanta spin-spin interakcie J .
Spin-mriežková relaxácia - proces relaxácie (strata energie), ktorého mechanizmus je spojený s interakciou s lokálnymi elektromagnetickými poľami prostredia.
Spin-spin relax - relaxačný proces sa uskutočňuje ako výsledok prenosu energie z jedného excitovaného jadra do druhého.
Spin-spinová interakcia elektrónov- interakcia vyplývajúca z magnetickej interakcie rôznych jadier, ktorá sa môže prenášať prostredníctvom elektrónov chemických väzieb priamo neviazaných jadier.
Spin systém- ide o skupinu jadier, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, ale neinteragujú s jadrami, ktoré nie sú súčasťou spinového systému.
Chemický posun - posunutie signálu študovaného jadra vzhľadom na signál jadier štandardnej látky.
Chemicky ekvivalentné jadrá- jadrá, ktoré majú rovnakú rezonančnú frekvenciu a rovnaké chemické prostredie.
Shimmy - v NMR spektroskopii je to názov pre elektromagnetické cievky, ktoré vytvárajú magnetické polia nízkej intenzity, ktoré korigujú nehomogenity v silnom magnetickom poli.
Širokopásmová výmena(1 N širokopásmové oddelenie) - použitie silného ožiarenia, ktoré pokrýva celý rozsah protónových chemických posunov, aby sa úplne odstránili všetky 13 C 1 H interakcie.
Tienenie - zmena polohy rezonančného signálu vplyvom indukovaných magnetických polí iných jadier.
Van der Waalsov efekt- efekt, ktorý nastáva počas silnej priestorovej interakcie medzi protónom a susednou skupinou a spôsobuje zníženie sférickej symetrie elektrónovej distribúcie a zvýšenie paramagnetického príspevku k tieniacemu efektu, čo zase vedie k posunu signálu do slabšieho poľa.
Zeemanov efekt- štiepenie energetických hladín v magnetickom poli.
Strešný efekt- zvýšenie intenzity centrálnych čiar a zníženie intenzity vzdialených čiar v multiplete.
Efekt magnetickej anizotropie(tzv. kužeľ anizotropie) je výsledkom pôsobenia sekundárne indukovaných magnetických polí.
Nukleárna kvadrupólová rezonancia (NQR) - pozorované pre jadrá so spinovým kvantovým číslom ja > 1/2 v dôsledku nesférického rozloženia jadrového náboja. Takéto jadrá môžu interagovať s gradientmi vonkajších elektrických polí, najmä s gradientmi polí elektrónových obalov molekuly, v ktorej sa jadro nachádza, a majú spinové stavy charakterizované rôznymi energiami aj v neprítomnosti aplikovaného vonkajšieho magnetického poľa.
Jadrový magnetón Hodnota jadrového magnetónu sa vypočíta podľa vzorca:
Nukleárna magnetická rezonancia(NMR) je fyzikálny jav používaný na štúdium vlastností molekúl, keď sú atómové jadrá ožiarené rádiovými vlnami v magnetickom poli.
Jadrový faktor - pomer náboja jadra k jeho hmotnosti.
NMR spektroskopia je metóda nedeštruktívnej analýzy. Moderné pulzná NMR Fourierova spektroskopia umožňuje analýzu pri 80 mag. jadrá. NMR spektroskopia je jednou z hlavných. Phys.-Chem. metódy analýzy, jej údaje slúžia na jednoznačnú identifikáciu ako intervaly. chemické produkty r-tions, a target in-in. Okrem štrukturálnych zadaní a veličín. analýza, NMR spektroskopia prináša informácie o konformačných rovnováhách, difúzii atómov a molekúl v tuhých látkach, vnútorných. pohyby, vodíkové väzby a asociácia v kvapalinách, keto-enol tautoméria, metalo- a prototropia, usporiadanie a rozloženie jednotiek v polymérnych reťazcoch, adsorpcia látok, elektrónová štruktúra iónových kryštálov, tekuté kryštály a pod.NMR spektroskopia je zdrojom informácií o štruktúre biopolymérov, vrátane proteínových molekúl v roztokoch, porovnateľných v spoľahlivosti s údajmi röntgenovej difrakčnej analýzy. V 80. rokoch Začalo sa rýchle zavádzanie metód NMR spektroskopie a tomografie do medicíny na diagnostiku zložitých chorôb a na lekárske vyšetrenie populácie.
Počet a poloha čiar v NMR spektrách jednoznačne charakterizuje všetky frakcie ropy, syntetické. gumy, plasty, bridlica, uhlie, lieky, lieky, chemické produkty. a farmaceutický prom-sti atď.
Intenzita a šírka NMR čiary vody alebo oleja umožňuje presne merať vlhkosť a obsah oleja v semene a bezpečnosť zrna. Pri odladení od vodných signálov je možné zaznamenať obsah lepku v každom zrne, čo podobne ako analýza obsahu oleja umožňuje zrýchlený poľnohospodársky výber. plodiny
Používanie čoraz silnejších magnetov. poli (do 14 T v sériových zariadeniach a do 19 T v experimentálnych inštaláciách) poskytuje možnosť úplne určiť štruktúru molekúl proteínov v roztokoch, expresnú analýzu biol. tekutín (koncentrácie endogénnych metabolitov v krvi, moči, lymfe, mozgovomiechovom moku), kontrola kvality nových polymérnych materiálov. V tomto prípade sa používajú početné varianty multikvantovej a viacrozmernej Fourierovej spektroskopickej spektroskopie. techniky.
Fenomén NMR objavili F. Bloch a E. Purcell (1946), za čo im bola udelená Nobelova cena (1952).
Fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie možno využiť nielen vo fyzike a chémii, ale aj v medicíne: ľudské telo je zbierkou rovnakých organických a anorganických molekúl.
Na pozorovanie tohto javu sa objekt umiestni do konštantného magnetického poľa a vystaví sa vysokofrekvenčným a gradientovým magnetickým poliam. V cievke induktora obklopujúcej skúmaný objekt vzniká striedavá elektromotorická sila (EMF), ktorej amplitúdovo-frekvenčné spektrum a časovo prechodové charakteristiky nesú informáciu o priestorovej hustote rezonujúcich atómových jadier, ako aj ďalšie parametre špecifické len pre nukleárna magnetická rezonancia. Počítačové spracovanie týchto informácií vytvára trojrozmerný obraz, ktorý charakterizuje hustotu chemicky ekvivalentných jadier, relaxačné časy nukleárnej magnetickej rezonancie, distribúciu rýchlostí prietoku tekutín, difúziu molekúl a biochemické metabolické procesy v živých tkanivách.
Podstatou NMR introskopie (alebo zobrazovania magnetickou rezonanciou) je v skutočnosti implementácia špeciálneho druhu kvantitatívnej analýzy amplitúdy signálu nukleárnej magnetickej rezonancie. Pri konvenčnej NMR spektroskopii sa človek usiluje dosiahnuť čo najlepšie rozlíšenie spektrálnych čiar. Aby sa to dosiahlo, magnetické systémy sú nastavené tak, aby sa vytvorila najlepšia možná rovnomernosť poľa vo vzorke. Pri metódach NMR introskopie je naopak vytvorené magnetické pole zjavne nerovnomerné. Potom je dôvod očakávať, že frekvencia nukleárnej magnetickej rezonancie v každom bode vzorky má svoju vlastnú hodnotu, ktorá sa líši od hodnôt v iných častiach. Nastavením ľubovoľného kódu pre gradácie amplitúdy NMR signálov (jas alebo farba na obrazovke monitora) môžete získať konvenčný obraz (tomogram) rezov vnútornej štruktúry objektu.
NMR introskopia a NMR tomografia boli prvýkrát vynájdené vo svete v roku 1960 V. A. Ivanovom. Nekompetentný odborník zamietol prihlášku vynálezu (metódy a zariadenia) „... pre zjavnú zbytočnosť navrhovaného riešenia“, takže autorské osvedčenie na to bolo vydané až po viac ako 10 rokoch. Oficiálne sa teda uznáva, že autorom NMR tomografie nie je tím nižšie uvedených laureátov Nobelovej ceny, ale ruský vedec. Napriek tejto právnej skutočnosti bola Nobelova cena za NMR tomografiu udelená nie V. A. Ivanovovi. Spektrálne prístroje
Na presné štúdium spektier už nestačia také jednoduché zariadenia ako úzka štrbina obmedzujúca svetelný lúč a hranol. Sú potrebné prístroje, ktoré poskytujú čisté spektrum, teda prístroje, ktoré dokážu dobre oddeliť vlny rôznych dĺžok a nedovoľujú, aby sa jednotlivé časti spektra prekrývali. Takéto zariadenia sa nazývajú spektrálne zariadenia. Najčastejšie je hlavnou súčasťou spektrálneho aparátu hranol alebo difrakčná mriežka.
ELEKTRONICKÁ PARAMAGNETICKÁ REZONANCIA
Podstata metódy
Podstatou fenoménu elektrónovej paramagnetickej rezonancie je rezonančná absorpcia elektromagnetického žiarenia nespárovanými elektrónmi. Elektrón má rotáciu a súvisiaci magnetický moment.
Ak do magnetického poľa so silou B 0 umiestnime voľný radikál s výsledným momentom hybnosti J, potom pre J nenulové sa degenerácia v magnetickom poli odstráni a v dôsledku interakcie s magnetickým poľom je 2J+1 vznikajú hladiny, ktorých poloha je opísaná výrazom: W =gβB 0 M, (kde M = +J, +J-1, …-J) a je určená Zeemanovou interakciou magnetického poľa s magnetickým momentom J. Rozdelenie energetických hladín elektrónov je znázornené na obrázku.
Energetické hladiny a povolené prechody pre atóm s jadrovým spinom 1 v konštantnom (A) a striedavom (B) poli.
Ak teraz aplikujeme elektromagnetické pole s frekvenciou ν, polarizované v rovine kolmej na vektor magnetického poľa B 0 , na paramagnetický stred, potom to spôsobí prechody magnetického dipólu, ktoré sa riadia výberovým pravidlom ΔM = 1. Keď energia Elektronický prechod sa zhoduje s energiou fotoelektromagnetickej vlny, dôjde k rezonančnej reakcii absorpcie mikrovlnného žiarenia. Rezonančná podmienka je teda určená základným vzťahom magnetickej rezonancie
Absorpcia energie mikrovlnného poľa sa pozoruje, ak medzi úrovňami existuje populačný rozdiel.
Pri tepelnej rovnováhe je malý rozdiel v populáciách Zeemanových hladín, určený Boltzmannovým rozdelením = exp(gβB 0 /kT). V takomto systéme, keď sú prechody excitované, by mala veľmi rýchlo nastať rovnosť populácií energetických podúrovní a absorpcia mikrovlnného poľa by mala zaniknúť. V skutočnosti však existuje veľa rôznych interakčných mechanizmov, v dôsledku ktorých elektrón nežiarivo prechádza do pôvodného stavu. Účinok konštantnej intenzity absorpcie so zvyšujúcim sa výkonom nastáva v dôsledku elektrónov, ktoré sa nestihnú uvoľniť, a nazýva sa saturácia. Saturácia sa objavuje pri vysokom výkone mikrovlnného žiarenia a môže výrazne skresliť výsledky merania koncentrácie centier metódou EPR.
Hodnota metódy
Metóda EPR poskytuje jedinečné informácie o paramagnetických centrách. Jasne rozlišuje ióny nečistôt izomorfne zahrnuté v mriežke od mikroinklúzií. V tomto prípade sa získajú kompletné informácie o danom ióne v kryštáli: valencia, koordinácia, lokálna symetria, hybridizácia elektrónov, koľko a v akých štruktúrnych polohách elektrónov je zaradený, orientácia osí kryštálového poľa pri. umiestnenie tohto iónu, úplná charakteristika kryštálového poľa a podrobné informácie o chemickej väzbe. A čo je veľmi dôležité, metóda umožňuje určiť koncentráciu paramagnetických centier v oblastiach kryštálu s rôznymi štruktúrami.
Spektrum EPR však nie je len charakteristikou iónu v kryštáli, ale aj samotného kryštálu, charakteristikou distribúcie hustoty elektrónov, kryštálového poľa, iónovej kovalencie v kryštáli a nakoniec jednoducho diagnostickou charakteristikou kryštálu. minerál, pretože každý ión v každom minerále má svoje vlastné jedinečné parametre. V tomto prípade je paramagnetické centrum akýmsi druhom sondy, poskytujúcej spektroskopické a štrukturálne charakteristiky jeho mikroprostredia.
Táto vlastnosť sa využíva pri tzv. metóda spinových značiek a sond, založená na zavedení stabilného paramagnetického centra do skúmaného systému. Ako také paramagnetické centrum sa spravidla používa nitroxylový radikál, ktorý je charakterizovaný anizotropným g A A tenzory.
Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia je jednou z najbežnejších a veľmi citlivých metód na určovanie štruktúry organických zlúčenín, ktorá umožňuje získať informácie nielen o kvalitatívnom a kvantitatívnom zložení, ale aj o umiestnení atómov voči sebe navzájom. Rôzne NMR techniky majú veľa možností na určenie chemickej štruktúry látok, konfirmačných stavov molekúl, efektov vzájomného ovplyvňovania a intramolekulárnych premien.
Metóda nukleárnej magnetickej rezonancie má množstvo charakteristických čŕt: na rozdiel od optických molekulových spektier dochádza k absorpcii elektromagnetického žiarenia látkou v silnom rovnomernom vonkajšom magnetickom poli. Okrem toho, aby bolo možné vykonať NMR štúdiu, musí experiment spĺňať niekoľko podmienok odrážajúcich všeobecné princípy NMR spektroskopie:
1) záznam NMR spektier je možný len pre atómové jadrá s vlastným magnetickým momentom alebo takzvané magnetické jadrá, v ktorých je počet protónov a neutrónov taký, že hmotnostný počet jadier izotopov je nepárny. Všetky jadrá s nepárnym hmotnostným číslom majú spin I, ktorého hodnota je 1/2. Takže pre jadrá 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R sa hodnota spinu rovná 1/2, pre jadrá 7 Li, 23 Na, 39 K a 4 l R sa spin rovná 3/2. . Jadrá s párnym hmotnostným číslom buď nemajú vôbec žiadny spin, ak je jadrový náboj párny, alebo majú celočíselné hodnoty spinu, ak je náboj nepárny. Iba tie jadrá, ktorých spin je 10, môžu produkovať NMR spektrum.
Prítomnosť spinu je spojená s cirkuláciou atómového náboja okolo jadra, preto vzniká magnetický moment μ . Rotujúci náboj (napríklad protón) s momentom hybnosti J vytvára magnetický moment μ=γ*J . Uhlovú jadrovú hybnosť J a magnetický moment μ vznikajúci pri rotácii možno znázorniť ako vektory. Ich konštantný pomer sa nazýva gyromagnetický pomer γ. Práve táto konštanta určuje rezonančnú frekvenciu jadra (obr. 1.1).
Obrázok 1.1 - Rotujúci náboj s uhlovým momentom J vytvára magnetický moment μ=γ*J.
2) metóda NMR skúma absorpciu alebo emisiu energie za neobvyklých podmienok tvorby spektra: na rozdiel od iných spektrálnych metód. NMR spektrum sa zaznamenáva z látky nachádzajúcej sa v silnom rovnomernom magnetickom poli. Takéto jadrá vo vonkajšom poli majú rôzne hodnoty potenciálnej energie v závislosti od niekoľkých možných (kvantovaných) uhlov orientácie vektora μ vo vzťahu k vektoru intenzity vonkajšieho magnetického poľa H 0 . Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa nemajú magnetické momenty alebo spiny jadier špecifickú orientáciu. Ak sú magnetické jadrá so spinom 1/2 umiestnené v magnetickom poli, potom niektoré z jadrových spinov budú umiestnené rovnobežne s magnetickými siločiarami, druhá časť bude antiparalelná. Tieto dve orientácie už nie sú energeticky ekvivalentné a rotácie sú údajne rozdelené na dvoch energetických úrovniach.
Spiny s magnetickým momentom orientovaným pozdĺž +1/2 poľa sú označené symbolom | α >, s orientáciou antiparalelnou k vonkajšiemu poľu -1/2 - symbol | β > (obr. 1.2) .
Obrázok 1.2 - Tvorba energetických hladín pri pôsobení vonkajšieho poľa H 0 .
1.2.1 NMR spektroskopia na 1H jadrách Parametre PMR spektier.
Na dešifrovanie údajov 1H NMR spektier a priradenie signálov sa využívajú hlavné charakteristiky spektier: chemický posun, spin-spinová interakčná konštanta, integrovaná intenzita signálu, šírka signálu [57].
A) Chemický posun (C.C). H.S. stupnica Chemický posun je vzdialenosť medzi týmto signálom a signálom referenčnej látky, vyjadrená v dieloch na milión sily vonkajšieho poľa.
Ako štandard na meranie chemických posunov protónov sa najčastejšie používa tetrametylsilán [TMS, Si(CH 3) 4], obsahujúci 12 štruktúrne ekvivalentných, vysoko tienených protónov.
B) Interakčná konštanta spin-spin. V NMR spektrách s vysokým rozlíšením sa pozoruje štiepenie signálu. Toto štiepenie alebo jemná štruktúra v spektrách s vysokým rozlíšením je výsledkom interakcií spin-spin medzi magnetickými jadrami. Tento jav spolu s chemickým posunom slúži ako najdôležitejší zdroj informácií o štruktúre zložitých organických molekúl a distribúcii elektrónového oblaku v nich. Nezávisí od H0, ale závisí od elektrónovej štruktúry molekuly. Signál magnetického jadra interagujúceho s iným magnetickým jadrom je rozdelený do niekoľkých čiar v závislosti od počtu spinových stavov, t.j. závisí od spinov jadier I.
Vzdialenosť medzi týmito čiarami charakterizuje spin-spin väzbovú energiu medzi jadrami a nazýva sa spin-spin väzbová konštanta n J, kde n-počet väzieb, ktoré oddeľujú interagujúce jadrá.
Existujú priame konštanty J HH, geminálne konštanty 2 J HH , vicinálne konštanty 3 J HH a niektoré dlhodosahové konštanty 4 J HH , 5 J HH .
- geminálne konštanty 2 J HH môžu byť kladné aj záporné a môžu zaberať rozsah od -30 Hz do +40 Hz.
Vicinálne konštanty 3 J HH zaberajú rozsah 0 20 Hz; sú takmer vždy pozitívne. Zistilo sa, že vicinálna interakcia v nasýtených systémoch veľmi silne závisí od uhla medzi väzbami uhlík-vodík, teda od dihedrálneho uhla - (obr. 1.3).
Obrázok 1.3 - Dihedrálny uhol φ medzi väzbami uhlík-vodík.
Interakcia spin-spin na veľké vzdialenosti (4 J HH , 5 J HH ) - interakcia dvoch jadier oddelených štyrmi alebo viacerými väzbami; konštanty takejto interakcie sú zvyčajne od 0 do +3 Hz.
Tabuľka 1.1 – Spin-spin interakčné konštanty
B) Integrovaná intenzita signálu. Plocha signálov je úmerná počtu magnetických jadier rezonujúcich pri danej intenzite poľa, takže pomer plôch signálov udáva relatívny počet protónov každej štruktúrnej odrody a nazýva sa integrovaná intenzita signálu. Moderné spektrometre používajú špeciálne integrátory, ktorých hodnoty sa zaznamenávajú vo forme krivky, ktorej výška krokov je úmerná ploche zodpovedajúcich signálov.
D) Šírka čiar. Na charakterizáciu šírky čiar je zvykom merať šírku vo vzdialenosti polovice výšky od nulovej čiary spektra. Experimentálne pozorovaná šírka čiary pozostáva z prirodzenej šírky čiary, ktorá závisí od štruktúry a mobility, a rozšírenia z inštrumentálnych dôvodov
Bežná šírka čiary v PMR je 0,1-0,3 Hz, ale môže sa zväčšiť v dôsledku prekrývania susedných prechodov, ktoré sa presne nezhodujú, ale nie sú riešené ako samostatné čiary. Rozšírenie je možné v prítomnosti jadier so spinom väčším ako 1/2 a chemickou výmenou.
1.2.2 Aplikácia 1H NMR údajov na určenie štruktúry organických molekúl.
Pri riešení množstva problémov štrukturálnej analýzy, okrem tabuliek empirických hodnôt, Kh.S. Môže byť užitočné kvantifikovať účinky susedných substituentov na Ch.S. podľa pravidla aditivity efektívnych skríningových príspevkov. V tomto prípade sa zvyčajne berú do úvahy substituenty, ktoré nie sú vzdialené viac ako 2-3 väzby od daného protónu, a výpočet sa robí pomocou vzorca:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
kde 50 je chemický posun protónov štandardnej skupiny;
5i je príspevok skríningu substituentom.
1.3 NMR spektroskopia 13C. Získavanie a spôsoby zaznamenávania spektier.
Prvé správy o pozorovaní 13C NMR sa objavili v roku 1957, no transformácia 13C NMR spektroskopie na prakticky používanú metódu analytického výskumu sa začala oveľa neskôr.
Magnetická rezonancia 13 C a 1 H majú veľa spoločného, ale existujú aj významné rozdiely. Najbežnejší izotop uhlíka 12C má I=0. Izotop 13C má I=1/2, ale jeho prirodzený obsah je 1,1 %. Je to spolu so skutočnosťou, že gyromagnetický pomer jadier 13C je 1/4 gyromagnetického pomeru pre protóny. Čo znižuje citlivosť metódy pri experimentoch na pozorovaní13C NMR 6000-krát v porovnaní s 1H jadrami.
a) bez potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. 13C NMR spektrá získané v neprítomnosti úplného potlačenia spin-spin rezonancie protónmi sa nazývali spektrá s vysokým rozlíšením. Tieto spektrá obsahujú kompletné informácie o 13C - 1H konštantách. V relatívne jednoduchých molekulách sa obidva typy konštánt - priame a dlhé - nachádzajú celkom jednoducho. Takže 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, avšak spin-spinová interakcia môže nastať aj so vzdialenejšími protónmi s konštantami menšími ako 20 Hz.
b) úplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Prvý veľký pokrok v oblasti 13C NMR spektroskopie je spojený s využitím úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. Použitie úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi vedie k zlúčeniu multipletov s tvorbou singletových čiar, ak v molekule nie sú žiadne iné magnetické jadrá, ako napríklad 19F a 31P.
c) neúplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Avšak použitie režimu úplného oddelenia od protónov má svoje nevýhody. Pretože všetky uhlíkové signály sú teraz vo forme singletov, stratia sa všetky informácie o interakčných konštantách spin-spin 13C-1H. Navrhuje sa metóda, ktorá umožňuje čiastočne obnoviť informácie o konštantách priamej spin-spin interakcie 13 C-1H a zároveň si zachovať väčšiu časť výhod širokopásmového oddelenia. V tomto prípade sa v spektrách objavia štiepenia v dôsledku priamych konštánt spin-spin interakcie 13C - 1H. Tento postup umožňuje detekovať signály z neprotónovaných atómov uhlíka, pretože tieto nemajú protóny priamo spojené s 13 C a objavujú sa v spektrách s neúplným oddelením od protónov ako singlety.
d) modulácia CH interakčnej konštanty, JMODCH spektrum. Tradičným problémom v 13C NMR spektroskopii je určenie počtu protónov spojených s každým atómom uhlíka, t.j. stupeň protonizácie atómu uhlíka. Čiastočné potlačenie protónmi umožňuje rozlíšiť uhlíkový signál od multiplicity spôsobenej dlhodosahovými spin-spin interakčnými konštantami a získať štiepenie signálu vďaka priamym 13 C-1 H väzbovým konštantám. Avšak v prípade silne viazaných spinových systémov AB a prekrývanie multipletov v režime OFFR sťažuje jednoznačné rozlíšenie signálov.
Spektroskopia nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) je najmocnejším nástrojom na objasnenie štruktúry organických látok. Pri tomto type spektroskopie sa skúmaná vzorka umiestni do magnetického poľa a ožiari rádiofrekvenčným elektromagnetickým žiarením.
(kliknutím zobrazíte sken)
Ryža. 11-13. Protóny v magnetickom poli: a - v neprítomnosti magnetického poľa; b - vo vonkajšom magnetickom poli; c - vo vonkajšom magnetickom poli po absorpcii rádiofrekvenčného žiarenia (spiny zaberajú vyššiu energetickú hladinu)
žiarenia. Atómy vodíka v rôznych častiach molekuly pohlcujú žiarenie rôznych vlnových dĺžok (frekvencií). Za určitých podmienok môžu rádiofrekvenčné žiarenie absorbovať aj iné atómy, my sa však obmedzíme na zváženie spektroskopie na atómoch vodíka ako najdôležitejšieho a najbežnejšieho typu NMR spektroskopie.
Jadro atómu vodíka pozostáva z jedného protónu. Tento protón sa otáča okolo svojej osi a ako každý rotujúci nabitý objekt je magnetom. Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú spiny protónov náhodne orientované, ale v magnetickom poli sú možné len dve orientácie spinov (obr. 11-13), ktoré sa nazývajú spinové stavy. Spinové stavy, v ktorých je magnetický moment (znázornený šípkou) orientovaný pozdĺž poľa, majú o niečo nižšiu energiu ako spinové stavy, v ktorých je magnetický moment orientovaný proti poľu. Energetický rozdiel medzi dvoma spinovými stavmi zodpovedá energii fotónu rádiofrekvenčného žiarenia. Keď toto žiarenie ovplyvní skúmanú vzorku, protóny sa presunú z nižšej energetickej hladiny na vyššiu a energia sa absorbuje.
Atómy vodíka v molekule sú v rôznych chemických prostrediach. Niektoré sú súčasťou metylových skupín, iné sú spojené s atómami kyslíka alebo benzénovým kruhom, iné sa nachádzajú vedľa dvojitých väzieb atď. Tento malý rozdiel v elektronickom prostredí stačí na zmenu energetického rozdielu medzi spinovými stavmi, a preto frekvencia absorbovaného žiarenia.
NMR spektrum vzniká v dôsledku absorpcie rádiofrekvenčného žiarenia látkou nachádzajúcou sa v magnetickom poli. NMR spektroskopia umožňuje rozlišovať medzi atómami vodíka v molekule, ktoré sú v rôznych chemických prostrediach.
NMR spektrá
Pri snímaní frekvencie žiarenia pri určitých hodnotách frekvencie sa pozoruje absorpcia žiarenia atómami vodíka v molekule, konkrétna hodnota frekvencie absorpcie závisí od prostredia atómov
Ryža. 11-14. Typické NMR spektrum: a - spektrum; b - integrálna krivka udávajúca plochu píku
vodík. Keď vieme, v ktorej oblasti spektra sa nachádzajú absorpčné vrcholy určitých typov atómov vodíka, je možné vyvodiť určité závery o štruktúre molekuly. Na obr. Obrázky 11-14 ukazujú typické NMR spektrum látky, v ktorej sú tri typy atómov vodíka. Poloha signálov na stupnici 5 chemického posunu sa meria v dieloch na milión (ppm) rádiovej frekvencie. Zvyčajne sa všetky signály nachádzajú v oblasti na obr. 11-14, chemické posuny signálov sú 1,0, 3,5 a Pravá časť spektra sa nazýva oblasť s vysokým poľom a ľavá oblasť sa nazýva oblasť s nízkym poľom. V NMR spektrách sú píky tradične zobrazené skôr smerom hore ako dole, ako v IR spektrách.
Na interpretáciu spektra a získanie štrukturálnych informácií z neho sú dôležité tri typy spektrálnych parametrov:
1) poloha signálu na stupnici (charakterizuje typ atómu vodíka);
2) oblasť signálu (charakterizuje počet atómov vodíka daného typu);
3) multiplicita (tvar) signálu (charakterizuje počet blízko umiestnených atómov vodíka iných typov).
Pozrime sa bližšie na tieto parametre na príklade spektra chlóretánu (obr. 11-15). V prvom rade si dajme pozor na polohu signálov v spektre, alebo inak povedané na hodnoty chemických posunov. Signál a (protóny skupiny sú 1,0 ppm, čo
Ryža. 11-15. NMR spektrum chlóretánu
(pozri sken)
znamená, že tieto atómy vodíka sa nenachádzajú vedľa elektronegatívneho atómu, zatiaľ čo posun signálu b (protóny skupiny ) je Hodnoty chemických posunov často sa vyskytujúcich skupín sa musia pamätať rovnakým spôsobom ako frekvencie absorpčné pásy v IČ spektrách. Najdôležitejšie chemické posuny sú uvedené v tabuľke. 11-2.
Potom analyzujeme plochu píkov, ktorá je úmerná počtu atómov vodíka daného typu. Na obr. 11-15 relatívnych oblastí je označených číslami v zátvorkách. Sú definované pomocou integrálnej krivky umiestnenej nad spektrom. Plocha signálu je úmerná výške „kroku“ integrálnej krivky. V diskutovanom spektre je pomer signálnych plôch 2:3, čo zodpovedá pomeru počtu metylénových protónov k počtu metylových protónov.
Nakoniec zvážte tvar alebo štruktúru signálov, ktoré sa zvyčajne nazývajú multiplicita. Signál metylovej skupiny je triplet (tri vrcholy), zatiaľ čo signál metylénovej skupiny sú štyri vrcholy (kvartet). Multiplicita poskytuje informácie o tom, koľko atómov vodíka je viazaných na susedný atóm uhlíka. Počet píkov v multiplete je vždy o jeden väčší ako počet atómov vodíka susedného atómu uhlíka (tabuľka 11-3).
Ak je teda v spektre singletový signál, znamená to, že molekula látky obsahuje skupinu atómov vodíka, v blízkosti ktorej sa nenachádzajú žiadne ďalšie atómy vodíka. V spektre na obr. 11-15 je signál megylovej skupiny triplet. To znamená, že k atómu uhlíka susedia dva atómy vodíka.
Podobne je signál metylénovej skupiny kvartetom, pretože v susedstve sú tri atómy vodíka.
Je užitočné naučiť sa predpovedať očakávané spektrum NMR na základe štruktúrneho vzorca látky. Po zvládnutí tohto postupu je ľahké prejsť k riešeniu inverzného problému - stanovenie štruktúry látky z jej NMR spektra. Nižšie uvidíte príklady predpovedania spektier na základe štruktúry. Potom budete požiadaní o interpretáciu spektier na určenie štruktúry neznámej látky.
Predikcia NMR spektier na základe štruktúrneho vzorca
Ak chcete predpovedať NMR spektrá, postupujte podľa týchto postupov.
1. Nakreslite úplný štruktúrny vzorec látky.
2. Zakrúžkujte ekvivalentné atómy vodíka. Určte počet atómov vodíka každého typu.
3. Pomocou tabuľky. 11-2 (alebo vaša pamäť), určite približné hodnoty chemických posunov signálov každého typu atómu vodíka.
(kliknutím zobrazíte sken)
Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia, NMR spektroskopia- spektroskopická metóda na štúdium chemických objektov, využívajúca jav nukleárnej magnetickej rezonancie. Fenomén NMR objavili v roku 1946 americkí fyzici F. Bloch a E. Purcell. Najdôležitejšie pre chémiu a praktické aplikácie sú protónová magnetická rezonančná spektroskopia (PMR spektroskopia), ako aj NMR spektroskopia na uhlík-13 (13C NMR spektroskopia), fluór-19 (19F NMR spektroskopia), fosfor-31 ( 31 P NMR spektroskopia).Ak má prvok nepárne atómové číslo alebo izotop ktoréhokoľvek (párneho) prvku má nepárne hmotnostné číslo, jadro takéhoto prvku má spin odlišný od nuly. Z excitovaného stavu do normálneho stavu sa jadrá môžu vrátiť a preniesť excitačnú energiu do okolitej „mriežky“, čo v tomto prípade znamená elektróny alebo atómy iného typu ako tie, ktoré sa skúmajú. Tento mechanizmus prenosu energie sa nazýva relaxácia spinovej mriežky a jeho účinnosť môže byť charakterizovaná konštantou T1, nazývanou relaxačný čas spinovej mriežky.
Vďaka týmto vlastnostiam je NMR spektroskopia vhodným nástrojom v teoretickej organickej chémii, ako aj pri analýze biologických objektov.
Základná technika NMR
Vzorka látky pre NMR sa umiestni do tenkostennej sklenenej skúmavky (ampule). Keď sa umiestni do magnetického poľa, aktívne jadrá NMR (napríklad 1H alebo 13C) absorbujú elektromagnetickú energiu. Rezonančná frekvencia, absorpčná energia a intenzita emitovaného signálu sú úmerné sile magnetického poľa. Takže v poli 21 Tesla rezonuje protón na frekvencii 900 MHz.
Chemický posun
V závislosti od miestneho elektronického prostredia rôzne protóny v molekule rezonujú na mierne odlišných frekvenciách. Pretože tento frekvenčný posun aj základná rezonančná frekvencia sú priamo úmerné veľkosti indukcie magnetického poľa, toto posunutie sa premení na bezrozmernú veličinu nezávislú od magnetického poľa, známu ako chemický posun. Chemický posun je definovaný ako relatívna zmena vo vzťahu k niektorým referenčným vzorkám. Posun frekvencie je extrémne malý v porovnaní s hlavnou frekvenciou NMR. Typický frekvenčný posun je 100 Hz, zatiaľ čo základná frekvencia NMR je rádovo 100 MHz. Chemický posun sa teda často vyjadruje v častiach na milión (ppm). Aby sa zistil taký malý frekvenčný rozdiel, aplikované magnetické pole musí byť vo vnútri objemu vzorky konštantné.
Pretože chemický posun závisí od chemickej štruktúry látky, používa sa na získanie štruktúrnych informácií o molekulách vo vzorke. Napríklad spektrum pre etanol (CH3CH2OH) dáva 3 charakteristické signály, to znamená 3 chemické posuny: jeden pre skupinu CH3, druhý pre skupinu CH2 a posledný pre OH. Typický posun pre skupinu CH3 je približne 1 ppm, pre skupinu CH2 pripojenú k OH je 4 ppm a pre OH je približne 2-3 ppm.
V dôsledku pohybu molekúl pri izbovej teplote sa signály 3 metylových protónov spriemerujú počas procesu NMR, ktorý trvá len niekoľko milisekúnd. Tieto protóny degenerujú a tvoria vrcholy pri rovnakom chemickom posune. Softvér vám umožňuje analyzovať veľkosť vrcholov, aby ste pochopili, koľko protónov prispieva k týmto vrcholom.
Interakcia spin-spin
Najužitočnejšie informácie na určenie štruktúry v jednorozmernom NMR spektre poskytuje takzvaná spin-spin interakcia medzi aktívnymi NMR jadrami. Táto interakcia je výsledkom prechodov medzi rôznymi spinovými stavmi jadier v chemických molekulách, čo vedie k štiepeniu NMR signálov. Toto rozdelenie môže byť jednoduché alebo zložité a v dôsledku toho sa môže buď ľahko interpretovať, alebo môže byť pre experimentátora mätúce.
Táto väzba poskytuje podrobné informácie o väzbách atómov v molekule.
Interakcia druhého rádu (silná)
Jednoduchá spin-spinová väzba predpokladá, že väzbová konštanta je malá v porovnaní s rozdielom v chemických posunoch medzi signálmi. Ak sa posunový rozdiel zníži (alebo sa zvýši interakčná konštanta), intenzita multipletov vzoriek sa skreslí a bude ťažšie analyzovať (najmä ak systém obsahuje viac ako 2 rotácie). Avšak vo vysokovýkonných NMR spektrometroch je skreslenie zvyčajne mierne, čo umožňuje ľahko interpretovať súvisiace píky.
Účinky druhého rádu sa znižujú, keď sa frekvenčný rozdiel medzi multipletmi zvyšuje, takže vysokofrekvenčné NMR spektrum vykazuje menšie skreslenie ako nízkofrekvenčné spektrum.
Aplikácia NMR spektroskopie na štúdium proteínov
Väčšina najnovších inovácií v NMR spektroskopii sa uskutočňuje v takzvanej NMR spektroskopii proteínov, ktorá sa stáva veľmi dôležitou technikou v modernej biológii a medicíne. Spoločným cieľom je získať trojrozmerné proteínové štruktúry s vysokým rozlíšením, podobné obrazom získaným v röntgenovej kryštalografii. V dôsledku prítomnosti väčšieho počtu atómov v molekule proteínu v porovnaní s jednoduchou organickou zlúčeninou je základné 1H spektrum preplnené prekrývajúcimi sa signálmi, čo znemožňuje priamu analýzu spektra. Preto boli vyvinuté multidimenzionálne techniky na vyriešenie tohto problému.
Na zlepšenie výsledkov týchto experimentov sa používa metóda označených atómov s použitím 13 C alebo 15 N. Týmto spôsobom je možné získať 3D spektrum proteínovej vzorky, čo sa stalo prelomovým v moderných farmaceutických výrobkoch. V poslednej dobe sa rozšírili techniky (s výhodami aj nevýhodami) na získanie 4D spektier a spektier vyšších rozmerov, založené na nelineárnych vzorkovacích metódach s následnou obnovou voľného indukčného rozpadového signálu pomocou špeciálnych matematických techník.
Kvantitatívna NMR analýza
Pri kvantitatívnej analýze roztokov môže byť plocha píku použitá ako miera koncentrácie v metóde kalibračného grafu alebo adičnej metódy. Sú známe aj metódy, v ktorých graduovaný graf odráža koncentračnú závislosť chemického posunu. Použitie metódy NMR v anorganickej analýze je založené na skutočnosti, že v prítomnosti paramagnetických látok sa čas jadrovej relaxácie zrýchľuje. Meranie relaxačnej frekvencie je možné vykonávať viacerými metódami, spoľahlivou a univerzálnou je napríklad pulzná verzia metódy NMR, alebo, ako sa zvykne nazývať, metóda spinového ozveny. Pri meraní touto metódou sú na skúmanú vzorku v určitých intervaloch v oblasti rezonančnej absorpcie aplikované krátkodobé rádiofrekvenčné impulzy v magnetickom poli.V prijímacej cievke sa objaví spinový echo signál, ktorého maximálna amplitúda súvisí na oddychový čas jednoduchým vzťahom. Na uskutočnenie konvenčných analytických stanovení nie je potrebné nájsť absolútne hodnoty relaxačných rýchlostí. V týchto prípadoch sa môžeme obmedziť na meranie nejakej veličiny im úmernej, napríklad amplitúdy rezonančného absorpčného signálu. Meranie amplitúdy je možné vykonávať pomocou jednoduchého a dostupnejšieho zariadenia. Významnou výhodou metódy NMR je široký rozsah hodnôt meraného parametra. Pomocou nastavenia spin echo možno čas relaxácie určiť od 0,00001 do 100 s. s chybou 3...5%. To umožňuje stanoviť koncentráciu roztoku vo veľmi širokom rozmedzí od 1...2 do 0,000001...0000001 mol/l Najbežnejšie používanou analytickou technikou je metóda kalibračného grafu.
