Спектроскопия ядерного магнитного резонансаNMR Spectroscopy

Как и электроны, которые характеризуются наличием магнитных свойств, так и ядра большинства изотопов элементов обладают собственными магнитными свойствами, иначе говоря, магнитным моментом, наличие которого является результатом движения зарядов, связанных с этими ядрами.

Магнитными свойствами обладают ядра, имеющие нечетное число протонов (¹H, ¹⁵N, ¹⁹F, ¹¹B, ⁷⁹Br) либо нечетное число нейтронов (¹³C, ¹²⁷I). Магнитные свойства ядра могут быть охарактеризованы спиновым числом I. Под действием магнитного поля спины ядер принимают дискретные ориентации, каждой из которых соответствует свое квантовое число

В ряде случаев , и тогда могут реализоваться две ориентации ядра: по полю и против поля. Когда магнитный момент располагается вдоль внешнего магнитного поля, то энергия взаимодействия ядра с полем составляет или, если против поля. В итоге, энергетический уровень расщепляется на два, причем при данной напряженности магнитного поля величина расщепления составляет .

Разница по энергии невелика и близка к . При комнатной температуре разница заселенностей этих уровней невелика, и её оценки с использованием распределения Больцмана показывают, что разница в заселенности составляет 1-2 ядра на миллион. Несмотря на это, мы можем на указанной основе создать очень чувствительный спектроскопический метод, базирующийся на поглощении молекулярной системой, помещенной в магнитное поле, электромагнитного поглощения, вызывающего переход из нижнего состояния в верхнее, которое сопровождается переориентацией спина ядра.

Частота ЭМИ, вызывающего переход такого рода, может быть найдена следующим образом:

– гиромагнитное соотношение, которое является индивидуальной характеристикой ядра данного элемента и непосредственно связано с присущим ему магнитным моментом.

Переход из нижнего в верхнее состояние будет соответствовать поглощению молекулярной системой электромагнитного излучения, а необходимость совпадения частоты электромагнитного излучения и характеристической частоты для данного ядра позволяет рассматривать поглощение как процесс резонансный. Если мы облучаем электромагнитным излучением и меняем магнитное поле, то при выполнении условий резонанса мы будем наблюдать пик поглощения ядрами данного типа. Это и есть спектр ЯМР.

Если спектрометр ЯМР создает магнитное поле напряженностью 15 кГс (килогаус) то частота, при которой будет происходит переориентация ядер протонов, составит 60 МГц. Если мы сдвинемся до 50 кГс, то 200 МГц. Ясно, что это соответствует радиочастотному диапазону.

Факт поглощения радиоизлучения образцом удобно регистрировать, используя эффект изменения индуктивности колебательного контура.

Напряженность магнитного поля непосредственно в образце меняется при помощи дополнительных катушек 4, которые управляются генератором G₂. Это позволяет развернуть спектр ЯМР по напряженности магнитного поля и следить за изменением сопротивления измерительного контура, который начинает уменьшаться при поглощении электромагнитного излучения образцом.

Исследуемое вещество растворяют в соответствующем растворителе, который, очевидно, не должен содержать магнитные ядра, для которых исследуется резонансное поглощение. Для неполярных веществ это, как правило, тетрахлорметан, дисульфид углерода. При изучении полярных соединений широко используются полностью дейтерированные аналоги ацетонитрила и ДМСО. В силу высокой чувствительности метода количество раствора, которое помещается в тонкостенную стеклянную ампулу, не превышает 0,2 мл.

За время свое существования спектрометры ЯМР прошли большой путь совершенствования от приборов, работающих на частоте 60 МГц, до приборов на 500 МГц. Таким образом, мерилом совершенства спектрометров ЯМР является мощность магнита, причем мощность магнита выражается в той частоте, в которой работает спектрометр.

Частоты, соответствующие резонансу на протонах и используются в качестве характеристики приборов. Очевидно, что резонанс для других магнитных ядер будет наблюдаться при других частотах. Так, прибор на 100 МГц дает резонанс для тяжелого углерода на частоте 25,14 МГц и т.д.

В спектрах ЯМР можно наблюдать только один выбранный элемент. Переход от одного элемента к другому осуществляется за счет замены источника радиоизлучения.

Магнитное поле, которое создает спектрометр, действует не только на ядро, но и вызывает круговой ток в окружающей его оболочке. Эта циркуляция приводит к появлению слабого магнитного поля, направленного противоположно приложенному, причем его величина пропорциональна величине накладываемого магнитного поля. Этот эффект приводит к тому, что резонансы в реальных молекулярных системах начинают наблюдаться при бо́льших напряженностях магнитного поля.

Чем больше ЭО окружения, тем меньше электронная плотность на ядре и тем меньше величина (константы экранирования). Вследствие этого, магнитные ядра в составе различных функциональных групп будут наблюдаться при разных величинах магнитного поля, что открывает возможность идентификации указанных групп.

Соотношение интенсивностей этих пиков будет пропорционально содержанию этих протонов, т.е. 3:1.

Очевидно, что химический сдвиг, т.е. расстояние между резонансами для ядер, входящих в состав различных функциональных групп, зависит от напряженности магнитного поля, поэтому желательно для его характеристики располагать величиной, которая будет зависеть от окружения ядра, а не от условий эксперимента. Для этого необходимо принять некоторое значение за точку отсчёта. В качестве эталона было выбрано соединение тетраметилсилан SiMe₄ (ТМС) с максимально экранированными протонами. В спектре пик ТМС располагается справа в нулевой точке. Это соединение инертно и может быть введено непосредственно в пробу как внутренний эталон.

Химический сдвиг выражается следующим образом:

Его выражают в миллионных долях, чтобы не оперировать степенями.

Существует и вторая, прямо связанная с таким определением химического сдвига шкала – так называемая тау-шкала, где ТМС имеет позицию 10, а нумерация идет в обратную сторону.

Таким образом, химический сдвиг является индивидуальной характеристикой ядра в определенном окружении и не зависит от того, на каком спектрометре выполнено данное измерение.

Если эффект экранирования представить в элементах диаграммы,

то наличие такой реакции на приложение внешнего магнитного поля будет выражаться в сужении расщепления, причем величина этого сдвига составит .

Этиловый спирт

Наряду с эффектами экранирования, связанными с наведением круговых токов непосредственно в оболочке ядра, имеется возможность наведения токов в некоторых функциональных группах, в первую очередь, тех, которые имеют кратные связи.

В данной системе возникают кольцевые токи, которые приводят к появлению сопряженного магнитного поля. Данный факт приводит к ещё большей индивидуальности протонов в таких системах.

В спектрах ПМР можно выделить три основных участка:

1. Сильнопольная часть спектра, в которой проявляются характеристические экранированные протоны алкильных радикалов, не имеющие вблизи атомов и групп с высокой электроотрицательностью, а также кратных связей, ароматических ядер.

2. Слабопольная часть: сильно разэкранированные протоны карбоксильной группы (), альдегидные протоны (9 – 10), протоны ароматических систем (7 – 8).

3. Средняя часть спектра (2 – 6 ppm): протоны алкильных радикалов, разэкранированные электроотрицательными атомами или имеющие рядом кратные связи, протоны метиленовой группы.

Такие группы, как -ОН, -SH, -NH₂, следует выделить в особый класс, т.к. их положение в шкале химических сдвигов определяется в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями. Так, протон гидроксильной группы в алифатических спиртах проявляется при больших значениях химического сдвига, чем в случае разбавления тетрахлорметаном.

Тонкая структура спектров ЯМР

Тонкая структура определяется наличием спин-спинового взаимодействия. Наличие у ядер собственного магнитного момента влияет на эффективное магнитное поле, действующее на соседние ядра. Если магнитный момент ядра ориентирован по внешнему магнитному полю, то внешнее магнитное поле и слабое магнитное поле, созданное ядром, складываются, и резонанс для соседнего ядра наблюдается при меньших напряженностях прикладываемого магнитного поля. И наоборот.