книги / Методы УФ, ИК, и ЯМР спектроскопии и их применение в органической химии

Возможности метода: определение числа типов протонов в мо­

лекуле; определение числа протонов каждого данного типа; определение положения протона в молекуле относительно непредельных группиро­ вок и гетероатомов; в простейших случаях определение числа протонов при соседних углеродных атомах; количественный анализ смесей, вклю­ чая кинетические измерения; исследование быстрых перегруппировок и реакций обмена.

Ограничения метода: возможность перекрывания сигналов от

близких по типу протонов; относительно низкая чувствительность.

3.12.Аппаратурное оформление и техника эксперимента

3.12.1.Блок-схема ЯМР спектрометра и его

характеристики

В твердых и жидких телах магнитные ядра распределены по энер­ гетическим состояниям, заселенность которых между основным (N^j и

возбужденным (NJ состоянием соответствует закону Больцмана:

где АЕ - разность энергий между состояниями Np и Na, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

Поскольку АЕ в рассматриваемом случае очень мала, то число ядер

в возбужденном (Л^ состоянии лишь очень ненамного превышает их число в невозбужденном (Nq) состоянии (N > NJ. При напряженности магнитного поля l Т (Тесла) и комнатной температуре АЕ для протона

составляет около 0,021 Дж/моль. Тогда избыток протонов на верхнем уровне, который определяет вероятность перехода, а, следовательно, и интенсивность регистрируемого сигнала, составляет только 0 ,0 0 1 %.

В опытах по ядерному магнитному резонансу помещают ампулы (0 5 мм) с образцом в датчик (ячейку) спектрометра между полюсными

наконечниками магнита (рис. 46).

На образец действуют электромагнитным излучением, частоту которого можно менять, и когда частота излучения совпадает с резонан­ сной частотой ядра, оно возбуждается. Источником возбуждающего из­ лучения является радиочастотный генератор (передатчик), а поглощен­ ная образцом энергия измеряется радиочастотным мостом, после кото­ рого сигнал усиливается и записывается самописцем. Так получается спектр, по которому методом калибровки можно определить резонансую частоту. Таким образом, ЯМР спектрометр включает все элементы, кото-

ка), или изменяя напряженность поля при постоянной частоте облуче­ ния полевая развертка), непрерывно меняя ее с помощью катушек раз­

вертки, укрепленных на полюсных наконечниках магнита. На практике используют оба метода.

При полевой развертке спектры записывают так, что напряжен­ ность поля в спектре возрастает слева направо, при частотной развертке при движении слева направо частота понижается, поэтому при обычном движении пера самописца слева направо первыми записывают сигналы ядер с большими резонансными частотами.

Кроме упоминавшихся электромагнитов в ЯМР спектрометрах используются и постоянные магниты, недостатком которых является боль­ шая чувствительность к изменениям температуры и внешних магнитных полей. Но они не требуют специальной аппаратуры для охлаждения воды, отводящей тепло от электромагнитов.

В последние годы сконструированы ЯМР спектрометры, в кото­ рых магнитное поле создается сверхпроводящими соленоидами, созда­ ющими поля значительно большей напряженности (до 10 Т), чем элект­ ромагниты или постоянные магниты, что резко увеличивает чувствитель­ ность метода (см. ниже). Однако стоимость и затраты на эксплуатацию таких приборов значительно выше, чем обычных спектрометров, посколь­ ку соленоид должен постоянно охлаждаться жидким гелием.

Такие высокие напряженности полей соответствуют рабочим час­ тотам для протонов в интервале 100-500 (и выше) МГц.

Каждый ЯМР спектрометр характеризуется его разрешающей спо­ собностью (Р: сп.), под которой понимают возможность различить в спек­

тре линии, расположенные очень близко одна к другой. Она определяет­ ся по формуле

Р.сп. = А у(Гц)/у0(Гц),

где А у - ширина сигнала на его полувысоте, vQ- рабочая частота спект­

рометра.

Р.сп. современных приборов имеет величину 10~9-10-12 (при диа­

метре ампулы 5 мм). Таким образом, чем выше разрешение спектромет­ ра, тем меньше разность частот двух резонансных сигналов, которые могут быть записаны раздельно, т.е. разрешены.

Тестом на Р.сп. обычно являются линии спектра ПМР ацетальде­

гида (одна из внешних линий квартета) или о-дихлорбензола, в спектре которого между второй парой линий должно быть 0 ,4 5 Гц (при v0 = 60

МГц).

М ерой чувствительности прибора является отнош ение сигнал/шум (SIR) в полученном спектре, определяемое по формуле

S/R = 2,5 -А/ Я,

где А - высота самого высокого пика от его вершины до середины «шу­ мовой» линии, В - высота «шумовой» линии (от самого нижнего уровня

«шума» до самого высокого).

Отношение SIR в современных приборах для ампул в 5 мм нахо­

дится в интервале 20-50.

3.12.2. Дополнительные приспособления ЯМР спектрометров

Современные приборы высокого разрешения снабжаются нако­ пителем, представляющим собой компьютер, в котором спектры могут

когерентно накапливаться, причем накапливаются и шумы, но не коге­ рентно. Это приводит ктому, что интенсивности полезных сигналов после каждого прохождения спектра (п) складываются, увеличиваясь в л/я раз,

а интенсивность шумов увеличивается в значительно меньшей степени вследствие их некогерентности, суммируясь не после каждого прохож­ дения. Таким образом, интенсивность полезных сигналов при многократ­ ном прохождении спектра возрастает значительно быстрее, чем случай­ ных шумов.

Необходимым условием для применения накопителя является точ­ ное совпадение резонансных шумов при каждом прохождении спектра, т.е. высокая стабильность магнитного поля и рабочей частоты. Спектро­ метры, снабженные приспособлением для стабилизации Н0 и vQ, позво­

ляют производить накопление в течение нескольких часов и даже дней, так что можно накопить тысячи спектров. По окончании накопления за­ писывают усиленный спектр.

Накопитель незаменим для записи спектров веществ, труднора­ створимых или содержащих небольшие количества магнитного изотопа в природном элементе (например, |3С, l5N, 33S и др.), а также веществ,

количества которых измеряются долями миллиграммов.

При регистрации спектра при частотной развертке частота в каж­ дое данное мгновение времени соответствует данной точке спектра и позволяет получить информацию только об этой точке. Если бы можно было ввести сразу все частоты спектра, то за очень короткий промежу­ ток времени получили бы гораздо больше информации.

Это достигается применением импульсной спектроскопии с фу- рье-преобразованием, в результате чего получают фурье-преобразован-

ный спектр, соответствующий обычному ЯМР спектру. Время, необхо­ димое для регистрации такого спектра, на два порядка величины мень-

ше обычного.

При сочетании данного метода и накопителя удается за один и тот же интервал времени улучшить отношение S/ R в 100 раз. Расшифровка накопленного фурье-преобразованного спектра производится с помощью компьютера.

В зависимости от области применения спектрометры ЯМР высо­ кого разрешения могут быть снабжены другими приборами:

-температурной головкой для записи спектров при низких или высоких температурах и для термостатирования образца;

-оборудованием для записи ЯМР спектров различных магнитных ядер;

-стабилизатором условий резонанса по иным магнитным ядрам (не тем, по которым записывается спектр);

-приспособлением для наблюдения двойного, тройного и т.д. резонанса (гомо- и гетероядерного);

-приборами для шумового подавления спин-спинового взаимодействия;

-ампулами различного диаметра и вида (микроампулы, сферические, с вкладышами и т.д.).

3.12.3. Требования к образцу и подготовка к записи спектра

Первое необходимое условие для получения ЯМР спектра - при­ сутствие в образце магнитных ядер. Наиболее часто встречающиеся в органической химии магнитные ядра и их характеристики приведены в табл. 5.

Чтобы в спектре получился заметный сигнал, образец должен со­ держать достаточное количество магнитных ядер.

Для ЯМР спектроскопии требуется значительно больше вещества, чем для УФ- и ИК-спектроскопии или масс-спектрометрии. Необходи­ мое количество вещества определяется

-видом ядер, по которым необходимо записать спектр (их относитель­ ная чувствительность к магнитному полю приведена в табл. 4; чем мень­ ше чувствительность, тем больше вещества необходимо для записи спектра);

-природным (см. табл. 4) или искусственно повышенным содержанием соответствующих ядер в молекуле (для записи ЯМР спектров ацетона

на ядрах ,3С требуется больше вещества, чем на 'Н);

-количеством исследуемых ядер в молекуле (хлороформа необходимо больше, чем хлорметана);

-напряженностью магнитного поля, рабочей частотой и чувствительно­ стью прибора (чем они выше, тем меньше вещества необходимо).

Для записи спектра ПМР с vQ= 100 МГц при однократной съемке требуется 1 -2 0 мг вещества (при работе с накопителем требуется значи­

тельно меньше).

Для записи спектров ЯМР высокого разрешения образец должен находиться в газообразном или жидком с малой вязкостью состоянии. Твердые и подавляющее большинство жидких веществ должны быть ра­ створены в таком растворителе, который по возможности не закрывал бы спектр растворенного вещества.

Приготовление раствора образца для измерения спектров ПМР довольно просто. Предпочтительнее использовать растворители, не со­ держащие протонов, однако это ограничение не очень существенно, так как сравнительно легко доступны дейтерированные растворители. Для полярных или слабополярных соединений наиболее подходящим раство­ рителем является СС14, а для полярных - СНС13. Во избежание наложе­ ния резонансного сигнала протона хлороформа используется дейтерированный хлороформ (CDC13 с содержанием дейтерия 99,8%). Эти два ра­

створителя используются в 90% случаев. Для слаборастворимых в них образцов используются другие дейтерированные растворители: диметил- сульфоксид-б6, ацетон-с!6, ацетонитрил-с!3, бензол-с!6, D20 . Свойства наи­

более часто используемых растворителей приведены в табл. 16.

В некоторых дейтерированных растворителях присутствуют не­ большие (не более 0,5%) количества недейтерированного вещества, да­ ющие, как правило, слабые сигналы с теми же химическими сдвигами, что и сигналы недейтерированных веществ.

Интенсивность сигнала можно повысить, работая при высоких температурах, когда растворимость существенно увеличивается. Но при более высокой температуре, согласно закону распределения Больцмана, ядерные уровни сближаются в большей мере, чем при низкой. В резуль­ тате этого чувствительность метода при 150°С составляет приблизительно половину от чувствительности при 40°С, а при -100°С почти вдвое пре­ вышает ее.

При выборе растворителя следует учитывать и тот факт, что иног­ да исследуемое вещество получают в ЯМР-ампуле путем реакции исход­ ного вещества с растворителем или вторым компонентом. Так, протонированные кетоны получаются в трифторуксусной кислоте, а простые карбокатионы впервые непосредственно наблюдались при взаимодействии арилфторидов с SbF5 с образованием соответствующих алкилгексафторантимонатов: R-F+SbF5->R+[SbFJ". Аналогичные результаты наблюда­

ются при использовании и других суперкислот, в том числе и «магичес­ кой» кислоты - H 0 S 0 2F SbF5. В этих случаях выбор растворителя - это не просто стандартная процедура, поскольку в подобных примерах ЯМРампулы используются в качестве «реакционного сосуда».

Сигналы труднорастворимых веществ часто лишь едва заметны, так как в образце содержится недостаточное количество магнитных ядер. В таких случаях полезно увеличить объем образца, т.е. использовать ам­ пулы большего, чем 5 мм диаметра; если допустима небольшая в таких случаях потеря разрешения, работать с расплавами или использовать накопитель.

Чтобы приготовить образец для съемки, 20-30 мг или около 50 мкл вещества помещают в ампулу с внешним диаметром 5 мм, растворя­

3.12.4. Измерение спектров при различных температурах

По ряду причин бывает необходимо регистрировать спектры ЯМР при различных температурах. Основные приложения этих эксперимен­ тов состоят в изучении зависимости формы линий от температуры, в ре­ зультате чего получают информацию о константах скоростей внутри- и межмолекулярных перегруппировок (раздел 3.9) и детектируют стабиль­ ные интермедиаты. С повышением температуры можно улучшить раство­ римость плохо растворяющихся веществ (см. раздел 3 .1 2 .3 ).

Современные спектрометры, как правило, оборудованы датчиком с возможностью варьирования температуры от -170 до +220°С.

Для проведения этих измерений образец, охлажденный в проточ­ ной камере, охлаждаемой жидким азотом или нагретый с помощью элек­ трической печи, подается в датчик. Температура потока газа проверяется с помощью термопары и регулируется автоматически. Другая система охлаждения для низкотемпературных измерений основана на использо­ вании газового потока испаряющегося жидкого азота, охлаждающего образец, и температура измеряется путем варьирования потока газа. Пред­ ложена и методика, основанная на эффекте Джоуля-Томпсона, когда ох­ лаждение осуществляется за счет внезапного расширения газа, находя­ щегося под давлением. Теплообменник, где газ предварительно (до рас­ ширения) охлаждается газом, уходящим из камеры, допускает возмож­ ность понижения температуры до -1 10°С.

В идеальном случае измерение температуры можно было бы про­ водить в самой ампуле, но из-за технических трудностей это не всегда возможно. На практике температуру измеряют термопарой, находящей­ ся в потоке азота у нижнего конца ампулы, или с помощью регистрации спектров стандартных образцов метанола или этиленгликоля до и после записи спектра образца. Для этих соединений различия в химических сдвигах A V (B Г ц) сигналов протонов СН3или СН2-групп и ОН-групп

являются температурно-зависимыми. Точные измерения привели к соот­ ношениям, справедливым для спектрометров с vQ= 60 МГц.

Низкие температуры, метанол:

175-225 К: Т = 537,4 - 2,380 А и, 220-270 К: Т = 498,4 - 2,038 zlц

265-313 К: Т = 468Л - 1,810-4 к Высокие температуры, этиленгликоль:

310-410 К: Т = 466,0 - 1,694 А к

Эти уравнения дают ошибку, не превышающую ±0,5°С для чис­ тых образцов обоих веществ, в которых расщепления, обусловленные

спин-спиновым взаимодействием, исключались путем добавления сле­ дов (0,03%) концентрированной соляной кислоты.

Если сигналы протонов метанола или этиленгликоля не перекры­ ваются с сигналами протонов образца, то наиболее точные температур­ ные измерения в области от - 1 10 до +140°С проводятся с помощью ампу­ лы в (рис. 4 7 ), когда капилляр содержит метанол или этиленгликоль. При

этом температура измеряется одновременно с записью спектра.

Выбор растворителя при проведении температурных измерений

представляет собой специальную проблему. Для высоких температур используют диметилсульфоксид (т.кип. 189°С), гексахлорбутадиен-1,3 (т.кип. 214-216°С), декалин (декагидронафталин, т.кип. 195-196°С), нит­ робензол (т.кип. 210-211°С). В этих экспериментах тетраметилсилан как эталонное вещество, заменяют другим эталоном, например 1,3,5-гекса­ кис (тридейтерометил)-1,3 ,5 -трисилациклогексаном (т.кип. 208°С, S =

0,327 м.д., с). При низких температурах в качестве растворителей ис­ пользуют ацетон-с!6 или сероуглерод (возможно в смеси с хлороформом),

что позволяет получать температуры до -100°С. Ниже -100°С применя­ ют бромтрифторметан (т.кип. -58-н-57°С) или дифтордихлорметан (т. кип. -28°С), диметиловый эфир (т.кип. -138,5°С) или сероокись углерода (т.кип. -138°С). Часто удовлетворительных результатов можно добиться только с помощью смеси нескольких растворителей.

3.13. Примеры задач, реш аем ы х с пом ощ ью

ЯМ Р спект роскопии

3.13.1. Задачи с решениями

Пример 20. Сделать отнесение сигналов в спектре ПМР 2-нитро­ бутана, имеющих химические сдвиги (S\ТМС) при 0,95; 1,50; 1,95 и 4,70

м.д. и рассчитать их мультиплетность (здесь и далее учитывается взаи­ модействие через две или три связи).

d e b a

В 2-нитробутане - СН3—СН2— CH(N02)— СН3 в самых силь­

ных полях (0,95 м.д.) резонируют протоны <7, сигнал которых расщеплен в триплет от протонов соседней СН2-группы (N = n+ I). Протоны другой метильной группы (a), чуть более деэкранированные, чем протоны d, в

спектре дают дублет (расщепление от СН-группы) при 1,50 м.д. Прото­ ны СН2-группы резонируют при 1,95 м.д. и их сигнал прописывается в виде мультиплета, содержащего 8 линий [(3+1)х(1 + 1)]. Наиболее деэкранированным протоном (4,70 м.д.) является протон b (действие элект­

роноакцепторной нитрогруппы), который взаимодействует с двумя по­