ТеорИмба

магнитными моментами. За счет малого содержания данных ядер в образце их сигналы при малом числе сканирований теряются в шумах. Если же переходить к ядрам 1Н, то накопление сигнала за счет многократного повторения сканирований позволяет исследовать очень разбавленные растворы или находить сигналы протонов веществ, присутствующих в незначительных количествах в многокомпонентных смесях.

В общем случае, при многократных сканированиях сигнал от каждого последующего сканирования суммируется с предыдущими. В результате амплитуда сигналов ядер исследуемого вещества растет пропорционально числу сканирований (N), а амплитуда шума меняется случайным образом, и при многократных записях она растет только как √N. Таким образом, интенсивность сигнала вещества растет в √N раз по отношению к шуму. При регистрации спектра с многократным сканированием необходимо учесть время релаксации, чтобы система успела вернуться в первоначальное состояние равновесия. Таким образом, задержка между импульсами должна быть не меньше шести времен релаксации. Суммарное время записи спектра с помощью импульсной методики при 100кратном накопление сигнала занимает в среднем несколько минут.

Разрешающая способность ЯМР спектроскопии

Разрешающую способность определяют как отношение минимальных разностей частот двух соседних спектральных линий, которые прибор еще фиксирует как отдельные, к его рабочей частоте. Две линии разрешаются в спектре, если разность частот, разделяющая их максимумы, больше, чем ширина каждой из линий на полувысоте.

По своей разрешающей способности ЯМР спектроскопия на несколько порядков превосходит все другие виды спектроскопического анализа и тем самым обеспечивает его высокую информативность.

Первый ЯМР-спектр был зарегистрирован в 1951 году. Объектом исследования был выбран этанол. Рабочая частота первого спектрометра была всего 30 МГц. Профессор Арнольд на экране осциллографа увидел не один, а три сигнала с соотношением интегральных интенсивностей 3:2:1. Очевидно, что эти сигналы принадлежат трем типам неэквивалентных атомов водорода в молекуле этанола, находящихся в группах СН3, СН2 и ОН, соответственно. Объяснением

8

этому служит то, что истинное значение напряженности поля в точке, где находится ядро, не равно напряженности поля магнита В0. Причиной этому является то, что ядра атомов окружены электронной оболочкой, а электроны под действием внешнего магнитного поля В0 порождают собственное магнитное поле.

Рис. 6. ЯМР спектр этанола, записанный на первом ЯМР-спектрометре (слева) и современном (справа)

В результате эффективное поле в точке расположения ядра оказывается отличным от приложенного поля В0. А так как электронные плотности в молекуле на атомах одного типа (например, на протонах) различны в зависимости от строения молекулы, то эффективные поля Вэфф, которые определяются соотношением Вэфф = В0 (1 – σ), у этих разных атомов также будут отличаться.

Здесь σ – «константа экранирования» данного ядра.

Распределение электронной плотности около протонов в органических молекулах близко к сферически симметричному, а поэтому создаваемое электронными циркуляциями вторичное магнитное поле направлено против поля В0. Возвращаясь к спектру этанола, электронная плотность на атомах водорода в молекуле будет наибольшей на протонах метильной группы, константа экранирования σ для них самая большая, и в результате сигнал протонов этой группы находится в самом сильном поле. И наоборот, сигнал наиболее дезэкранированного гидроксильного протона находится в наиболее слабом поле. Протон гидроксильной группы оказывается дезэкранированным в результате смешения электронной плотности к электроотрицательному атому кислороду.

Таким образом, различие резонансных частот ядер водорода, занимающих структурно неэквивалентные положения в молекуле, имеет чисто химическую природу. Это явление получило название «химического сдвига». Число сигналов в ЯМР спектре будет определяться числом неэквивалентных магнитных ядер.

9

Величины константы экранирования очень чувствительны даже к очень малым изменениям в структуре молекулы и чутко реагируют на любые факторы, оказывающие влияние на распределение электронной плотности в ней. Диапазон значения константы экранирования очень малы и составляет всего 35 миллионных долей.

При измерении констант экранирования в экспериментах ЯМР возникает проблема эталонирования, так как в природе не существует голых, лишенных всех электронов, ядер, для которых константа экранирования была бы равна 0. Еще одной проблемой является то, что поскольку резонансные частоты линий в спектре зависят от напряженности поля магнита В0, резонансные частоты различных ядер одного и того же соединения, снятые на приборах с различной напряженностью, будут отличаться, а это, в свою очередь, вызовет трудности в сравнении этих спектров.

Поэтому резонансные частоты измеряют относительно добавленного в образец стандарта. При измерении спектров 1Н- и 13С ЯМР в качестве эталона принят тетраметилсилан (TMS, ТМС, Si(СН3)4). Он устойчив, совершенно химически инертен, легко удаляется (т. кип. 27°С) и дает очень сильный и узкий сигнал на краю спектра в области сильного поля.

Химический сдвиг измеряют в так называемых миллионных долях - безразмерных величинах, которые определяются как разности частот сигнала эталона и исследуемого вещества, деленных на рабочую частоту прибора и умноженных для удобства на 106:

d = n вещество -nстандарт ×106 [м.д.]

n 0

Обозначать миллионные доли принято в виде сокращения м.д. (или ppm в англоязычной литературе). В этих единицах измеряемый химический сдвиг от напряженности поля и рабочей частоты прибора уже не зависит, и появляется возможность сравнивать спектры, записанные на разных приборах. Химический сдвиг ТМС в спектрах 1Н- и 13С-ЯМР принимают за 0. Химические сдвиги сигналов, расположенных в спектрах в более слабом поле (слева от сигнала ТМС), принято считать положительными. Если сигнал изучаемого соединения находится в более сильном поле (что встречается крайне редко), относительно сигнала ТМС,

10

то его химический сдвиг считают отрицательным. Для снятия спектров используют специальные дейтерированные растворители высокой чистоты, однако в них все же может содержаться до 0.1% атомов 1Н, сигналы которых можно использовать в качестве эталонного сигнала, Это позволяет исключить добавления в качестве стандарта ТМС. При этом за ноль все равно принимается химический сдвиг ТМС.

Значения химических сдвигов характеристичны. Это означает, что одни и те же структурные фрагменты различных молекул появляются в определенной близкой области. Это свойство делает ЯМР одним из основных методов установления структуры веществ.

Диапазоны изменения химических сдвигов ядер других атомов существенно больше, чем для протонов, так как у них гораздо больше число электронов.

Теоретические оценки показали, например, что экранирование ядер в нейтральных атомах увеличивается с ростом числа электронов таким образом: 1Н – 17,5 м.д., 13С – 261 м.д., 15N – 325 м.д., 17О – 395 м.д., 19F – 464 м.д.

Однако если рассматривать значения химических сдвигов только основываясь на распределении электронной плотности в молекуле, то возникают противоречия в понимании положения химических сдвигов протонов в таких молекулах, как этилен (δ = 5,25 м.д.), ацетилен (δ = 1,80 м.д.) и бензол (δ = 7,27 м.д.). В алкинах сигналы протонов C≡CH расположены при значении химических сдвигов ~2-3 м.д. В то же время в алкенах сигналы винильных протонов -CH= расположены в области 5-6 м.д., т.е. протоны, связанные с менее электроотрицательным атомом (sp2-гибридизованным), оказываются более дезэкранированными. Причиной такого необъяснимого и сильно различающегося положения химических сдвигов с точки зрения распределения электронной плотности на них служит так называемый фактор магнитной анизотропии соседних групп.

В общем случае, любой фрагмент в молекуле и любая химическая связь магнитно анизотропны, так как их магнитные восприимчивости в разных направлениях в пространстве различаются. Вторичные магнитные поля, создаваемые магнитными ядрами соседних молекул, при броуновском движении усредняются до нуля.

11

Рассмотрим, например, молекулу, в которой ядра a и b связаны с группой g. Эта группа g создает вторичные магнитные поля и оказывает эффект экранирования на ядра a и b. Так как все эти ядра находятся в одной молекуле, они жестко связаны, и поэтому при броуновском движении усреднения вторичного магнитного поля до нуля не происходит. В результате возникает «конус экранирования», в котором существует зона экранирования и зона дезэкранирования. На нашем примере ядро a при этом оказывается внутри зоны экранирования, где индуцированное магнитное поле направлено против приложенного поля В0. Его сигнал будет смещаться в сторону более сильного поля. Ядро b находится в зоне дезэкранирования и, следовательно, его сигнал будет смешен в сторону слабого поля (рис. 7).

Рис. 7. Зоны экранирования и дезэкранирования вокруг группировки g, обладающей цилиндрической симметрией. Два ядра a и b оказываются в разных областях экранирования: a – в области экранирования, а b – в области дезэкранирования.

В алкинах "в конусе" создаваемой связью С≡С находится область экранирования, в то время как в алкенах и карбонильных соединениях (и вообще в случае sp2-гибридизованного атома С) в плоскости sp2-гибридизованной системы расположена область дезэкранирования (рис. 8).

12

Химический сдвиг в таком случае будет определяться результирующим значением этих эффектов. Примером такого соединения может служить [2.2]парациклофан, сигналы его ароматических протонов расположены при 6.5 м.д. - т.е. они менее дезэкранированы, чем в бензоле, т.к. попадают одновременно в области дезэкранирования "своего" кольца и экранирования второй ароматической системы (рис.10).

Рис. 10. ЯМР спектр [2.2]парациклофана.

Также явлении магнитной анизотропии позволяет объяснить сильное дезэкранирование протонов альдегидной группы по сравнению с другими кислородсодержащими группами (спиртовыми, простыми эфирами).

Рис. 11. Области экранирования (+) и дезэкранирования (-) в альдегидной группе

Кроме перечисленных выше факторов, объясняющих положения химического сдвига, существуют и другие эффекты так же влияющие на его положение.

14

1. Водородные связи.

Протоны связей О-Н, N-H, S-H, а также некоторых высокополярных связей С-Н способны образовывать водородные связи с донорными группировками, содержащими неподеленные электронные пары. Такие связи имеют электростатическую природу, и их образование всегда сопровождается сильным смещением резонансного сигнала, участвующего в связывании протона, в слабое поле. Поэтому сигналы протонов карбоксильных групп СООН в прочных димерах карбоновых кислот, а также сигналы енольных протонов в циклических енольных формах β-дикарбонильных соединений всегда расположены в самых слабых полях (10 – 13 м.д.). А вот спирты, фенолы и амины образуют за счет межмолекулярных водородных связей менее прочные ассоциаты. Поэтому для этих соединений в растворах в равновесии с мономерами всегда сосуществует несколько типов ассоциатов (димеры, тримеры и т. д.). Соотношение между ними определяется типом растворителя, концентрацией раствора и температурой. Поскольку протонный обмен между ассоциатами и мономером осуществляется очень быстро, в спектре регистрируются усредненные сигналы. Их положение сильно зависит от температуры и концентрации. При понижении концентрации растворенного вещества и при повышении температуры равновесие смещается в сторону мономеров, что приводит к смещению сигнала протона, участвующего в образовании водородной связи в сторону сильного поля.

В качестве примера можно привести спектр салицилового альдегида и этанола в виде чистых жидкостей и в виде 5%-растворов в СCl4. Химический сдвиг фенольного протона салицилового альдегида при переходе к раствору остается практически неизменным, так как в его случае образуется внутримолекулярная водородная связь. В случае же этанола, образующего межмолекулярные водородные связи, при уменьшении его концентрации в растворе равновесие смещается в сторону мономера.

15

указывать, в каком растворителе он снимался. Особенно заметны изменения химического сдвига при разбавлении неполярным растворителем веществ, склонных к самоассоциации за счет межмолекулярных водородных связей. При этом сигналы протонов, непосредственно участвующих в образовании водородных связей, смещаются по мере разбавления раствора в сильное поле.

3. Температура.

Изменение температуры существенно влияет на положение сигнала протонов, связанных с гетероатомами (в группах ОН, NН2) и склонных к образованию водородных связей. По мере увеличения температуры водородные связи ослабляются, и сигналы этих протонов смещаются в сильное поле.

4. Кислотность среды.

Сигналы кислых протонов находятся в области самого слабого поля спектра ЯМР (10-14 м.д.). Съемку спектров соединений, содержащих протоны при гетероатомах, ведут в растворителе, обеспечивающем быстрый обмен подвижных протонов; все подвижные протоны будут давать в спектре один общий сигнала, а его химический сдвиг будет зависеть от значения рН среды: чем оно меньше, тем более слабопольным является сигнал.

Правила приготовления образцов и снятия спектров ЯМР

1.Следует использовать дейтерированные растворители или растворители, не содержащие протонов (ССl4).

2.Образец не должен содержать парамагнитных примесей.

3.Образец вещества не должен содержать нерастворимых примесей.

4.Однородность магнитного поля прибора должна быть тщательно настроена.

17