ЯМР- спектроскопия (9.6)

ЗАПОМНИТЕ!!! Этот метод (метод спектров ядерного магнитного резонанса) применяется для структурных и стереохимических исследований природных соединений.

Метод ЯМР представляет собой, по сути, еще один спектроскопический метод, с помощью которого можно получить информацию о количестве атомов и пространственном расположении атомов некоторых элементов в сложных молекулах.

Поскольку метод ЯМР дает информацию о ядрах, которые обладают магнитным моментом, то потенциально этот метод может быть использован для решения целого ряда химических проблем. Однако в области химии природных соединений его применение ограничивается почти исключительно спектрами протонов, так как атомы ¹²С и ¹⁶О не обладают магнитными моментами.

В этом разделе речь идет главным образом о использовании протонного магнитного резонанса. Изотопы ¹³С и ¹⁷О имеют магнитный момент, однако их магнитный резонанс происходит в другой области спектра. В спектре протонного резонанса существуют и эффекты другого порядка, связанные с ¹³С–¹Н – взаимодействиями, но для их наблюдения нужны довольно специфические методики. Эти эффекты использовались для получения очень ценной информации.

ВНИМАНИЕ!!! Обзор данных по ЯМР четко показывает потенциальные возможности этого метода в установлении структуры соединений. Позже были опубликованны более точные данные по протонным ЯМР, которые были получены в строго контролируемых условиях. Именно эти величины положены к основе структурных корреляций.

Исследования соединения неизвестной структуры методом ЯМР должно включать также изучение наиболее подходящих модельных соединений в идентичных условиях. Это наиболее надежный путь установления структуры.

ЗАПОМНИТЕ!!! Эксперимент по ядерному магнитному резонансу состоит в том, что образец помещают в сильное однородное магнитное поле и подвергают облучению в радиочастотной области спектра. Если ядра внутри молекулы обладают магнитными моментами, то их потенциальная энергия равна:

μ_ZН₀, (10)

где: μ_Z – слагаемая ядерного момента в направления поля Н₀.

Ядро, в котором спин равен I (в единицах h/2π), будет иметь (2ℓ + 1) значений для μ_Z или (2ℓ + 1) энергетических уровней. При этом радиочастотное поле создает осцилирующее поле Н, которое ориентировано под прямым углом к направлению приложенного поля Н₀, и обуславливает переходы между разными направлениями ядерного спина. Частоты перехода линейно зависят от напряженности поля в соответствии с уравнением:

ν = μН₀/ Ih, (11)

где: h – постоянная Планка.

Энергетические уровни расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и правило отбора разрешает переходы только между соседними уровнями. Поэтому для данного ядра и данного поля есть только одна частота перехода. Подстановка соответствующих величин в приведенное выше уравнение показывает, что для протона в поле напряженностью приблизительно 14000гс (гаус.) необходимая частота генератора равна 60 Мгц.

Поглощение радиочастотной энергии происходит при переходе ядра с более низкого энергетического уровня на более высокий; в случае протона переход происходит с +1/2 в – 1/2. Чтобы сигнал ЯМР можно было реально наблюдать, на более низком уровне должно находиться больше ядер, чем на более высоком, и сначала это условие обеспечивает сильное однородное магнитное поле. Если сигнал должен сохраняться, то на более низком уровне всегда должен находиться избыток ядер и поглощение не должно быть равным спиновым состояниям. Поэтому факторы, которые влияют на продолжительность пребывания данного ядра на более высоком уровне, имеют большое значение для сохранения сигнала. Процессы, в результате которых ядра возвращаются из более высоких спиновых состояний на более низкие, называют процессами релаксации.

ВНИМАНИЕ!!! Известны два важных типа релаксации. Первый из них, так называемая спин–решетчатая, или продольная, релаксация, которая включает процесс, отвечающий за небольшой избыток обитаемости соответственно закону Больцмана в более низком спиновом состоянии. Энергия, которая теряется при переходе с более высокого на более низкий энергетический уровень, превращается в поступательную или вращательную энергию молекулярной системы или решетки. В твердых телах или вязких жидкостях время продольной релаксации Т₁ большое (часы), в то время как в жидкостях и газах оно мало (от 10^-2 до 10² сек). В этих случаях Т₁ отвечает полупериоду продолжительности процесса.

Второй тип релаксаци – спин–спиновая релаксация – относится к обмену спиновыми состояниями между соседними ядрами. Этот процесс определяется характеристическим полупериодом жизни, который обозначается Т₂. Поскольку чистой потери энергии при этом не происходит, спин–спиновая релаксация не оказывает влияния на относительное распределение ядер в данном спиновом состоянии, но частично влияет на ширину полосы.

Если процессы релаксации неэффективны, то продолжающееся облучение образца может привести к уравниванию обитаемости спиновых энергетических уровней, и сигналы, обусловленные поглощением энергии радиочастотного излучения, исчезнут. Если это происходит, то говорят, что образец находится в состоянии насыщения. Каждый заданный образец имеет свой фактор насыщения, который является функцией Т₁, Т₂ и Н₁.

Каждое ядро имеет при заданной напряженности поля только одну характеристическую резонансную частоту. Однако это относится к напряженности поля именно у этого ядра. Тот факт, что напряженность поля у данного ядра может отличаться от напряженности наложенного поля, делает спектроскопию ядерного магнитного резонанса важным инструментом. Наложенное поле Н₀ стремится нарушить распределение электронов вокруг ядра и таким образом индуцирует слабые магнитные моменты, которые противодействуют наложенному полю. Поле у ядра определяется таким уравнением:

Н = Н₀ (1 – σ), (12)

Где: σ – изменения, обусловленные индуцированными моментами.

Чтобы описать эффект влияния электронов на поле у ядра, было введено определение магнитное экранирование поскольку различия в химической связи отражаются на величине фактора экранирования, то резонансная частота данного ядра будет зависеть от его химического окружения. Эти различия известны как химические сдвиги, которые в случае протонов охватывают интервал приблизительно 1800 гц при рабочей частоте 60 Мгц, что соответствует интервалу 30 м.ч. (миллионных частей). Для некоторых других ядер общий интервал значительно больший, так, например, для ¹⁹F и ¹³С он составляет приблизительно 400 м.ч. Чаще всего типы протонов, которые встречаются, поглощают в узкий области приблизительно 10 м.ч. (600 гц при рабочей частоте 60 Мгц). Для точного измерения химического сдвига необходимо, чтобы ширина полос в спектре ЯМР была бы намного меньше интервала химических сдвигов, то есть полосы должны быть тонкими. Во многих случаях сдвиги можно измерять с точностью до 0,003 м.ч.

ЗАПОМНИТЕ!!! Полосы ЯМР твердых образцов распространяются вследствие дипольного и электрического квадрупольного взаимодействия, в результате чего ширина полос часто превышает химические сдвиги ядер, которые входят в состав молекулы. Что касается жидкостей и газов, то здесь быстрое молекулярное движение приводит к полной компенсации этих взаимодействий, полосы получаются более узкими, и возникает возможность оценить химические сдвиги. Итак, спектры ЯМР высокого разрешения могут быть получены только при исследовании жидких и газообразных веществ.

Протонный спектр соединения будет содержать в разнообразных полях отдельные группы полос. Каждую из этих групп (полос) можно отнести к протонам, которые находятся в специфическом окружении. Интенсивность полосы является непосредственной мерой числа ядер, которые вносят свой вклад в образование этой полосы, и таким образом можно определить число протонов, которые находятся в разнообразном химическом окружении. С тех пор, как были проведены многочисленные исследования, посвященные корреляции между положением полосы и наличием соответствующих функциональных групп в молекулах, метод ЯМР стал мощным инструментом для прояснения молекулярной структуры.

Сигналы ЯМР можно регистрировать разнообразными средствами. Чаще всего в спектроскопии ЯМР высокого разрешения применяют хорошо стабилизированный радиочастотный генератор и переменное магнитное поле. Полюса магнитов имеют в диаметре приблизительно 30 см; они расположены друг от друга на расстоянии приблизительно 4,5 см и способны образовывать поле напряженностью больше 14000 гс с однородностью 10^-8. Катушки, намотанные на полюса или расположенные в зазоре между полюсами, позволяют модулировать поле, образуя при данной частоте генератора условия для резонансного поглощения данным видом ядер. С помощью немагнитного держателя для проб ампулу с образцом устанавливают между двумя взаимно перпендикулярными катушками. Держатель довольно маленький и может быть расположен между полюсами магнита так, что обе катушки будут перпендикулярны налагаемому полю. Одна из маленьких катушек питается радиочастотным генератором, а вторая благодаря электромагнитной связи с образцом служит детектором сигнала. При поглощении энергии радиочастотного излучения сигнал воспринимается приемной катушкой, усиливается и регистрируется осциллографом или самописцем. Таким образом, спектр представляет собой кривую, которая выявляет зависимость сигнала детектора от поля при постоянной частоте генератора.

В некоторых случаях определение местонахождения полосы и ее интенсивности дает достаточную информацию, которая разрешает однозначно установить исследуемую структуру.