Ямр – спектроскопия. Применение спектроскопии ямр Ямр спектроскопия применение

Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия - спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса . Явление ЯМР открыли в 1946 году американские физики Ф. Блох и Е.Персел. Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 ( 19 F ЯМР-спектроскопия), фосфора-31 ( 31 P ЯМР-спектроскопия).Если элемент обладает нечетным порядковым номером или изотоп какого-либо (даже четного) элемента имеет нечетное массовое число,ядро такого элемента обладает спином, отличным от нуля. Из возбужденного состояния в нормальное, ядра могут возвращаться, передавая энергию возбуждения окружающей среде-«решетке», под которой в данном случае понимаются электроны или атомы другого сорта, чем исследуемые. Этот механизм передачи энергии называют спин-решеточной релаксацией, его эффективность может быть охарактеризована постоянной T1, называемой временем спин-решеточной релаксации.

Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов .

Базовая ЯМР техника

Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда её помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота , энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля . Так, в поле в 21 Тесла протон резонирует при частоте 900 МГц.

Химический сдвиг

В зависимости от локального электронного окружения разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты, и основная резонансная частота прямо пропорциональны величине индукции магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину, известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом, химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того чтобы обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объёма образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH 3 CH 2 OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH 3 , второй для СН 2 -группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH 3 -группы примерно равен 1 ppm, для CH 2 -группы присоединенной к OH - 4 ppm и OH примерно 2-3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять, как много протонов дает вклад в эти пики.

Спин-спиновое взаимодействие

Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР-спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах , что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.

Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.

Взаимодействие второго порядка (сильное)

Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР-спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.

Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение, чем низкочастотный спектр.

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям, получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулe в сравнении с простым органическим соединением, базовый 1 H спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов, применяют метод меченых атомов, используя 13 С или 15 N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современной фармацевтике. В последнее время получают распространение методики (имеющие как преимущества, так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

Количественный анализ методом ЯМР

При количественном анализе растворов площадь пика может быть использована как мера концентрации в методе градуировочного графика или методе добавок. Известны также методики,в которых градуированный график отражает концентрационную зависимость химического сдвига. Применение метода ЯМР в неорганическом анализе основано на том,что в присутствии парамагнитных веществ происходит ускорение времени ядерной релаксации. Измерение скорости релаксации может быть выполнено несколькими методами.Надежным и универсальным является, например, импульсивный вариант метода ЯМР, или, как его обычно называют, метод спинового эха. При измерениях по этому методу на исследуемый образец в магнитном поле через определенные промежутки времени накладывают кратковременные радиочастотные импульсы в области резонансного поглощения.В приемной катушке появляется сигнал спинового эха, максимальная амплитуда которого связана с временем релаксации простым соотношением. Для проведения обычных аналитических определений нет необходимости находить абсолютные значения скоростей релаксаци. В этих случаях можно ограничиться измерением какой-либо пропорциональной им величины, например амплитуды сигнала резонансного поглощения. Измерение амплитуды может быть выполнено на простой, более доступной аппаратуре. Существенным достоинством метода ЯМР является широкий интервал значений измеряемого параметра. С помощью установки спинового эха можно определять время релаксации от 0,00001 до 100 с. с погрешностью 3...5%. Это позволяет определять концентрацию раствора в очень широком интервале от 1...2 до 0,000001...0000001 моль/л.Наиболее часто используемым аналитическим приемом является метод градуировочного графика.

Хеберлен У., Меринг М. ЯМР высокого разрешения в твердых телах. - М.: Мир.- 1980.

Лундин А. Г., Федин Э. И. ЯМР-спектроскопия. - М.: Наука.- 1980.

Габуда С. П., Плетнев Р. Н., Федотов М. А. Ядерный магнитный резонанс в неорганической химии.- М: Наука.- 1988.- 214 с.

Габуда С. П., Лундин А. Г. Внутренняя подвижность в твердом теле. - Новосибирск: Наука.- 1986. - 176 с.

Габуда С. П., Ржавин А. Ф. Ядерный магнитный резонанс в кристаллогидратах и гидратированных белках. - Из-во: Наука. Новосибирск. - 1978.- 160 с.

Сергеев Н. А., Рябушкин Д. С. Основы квантовой теории ядерного магнитного резонанса.- М.: Логос.- 2013.- 270 с.

Ершов Б. А., Спектроскопия ЯМР в органической химии. - Учебное пособие для вузов. - Из-во: СПбГу - 1995. - 263с.

Ионин Б. И., Ершов Б. А., Кольцов А. И., ЯМР-спектроскопия в органической химии: научное издание. - 2-е изд., Из-во: ЛГу, Химия, Ленингр. отд-ние.- 1983. - 269 с.

В.П.Васильев. Аналитическая химия. - «Высшая школа». - М. , 1989. - 384 с.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса один из самых распространенных и очень чувствительных методов для определения структуры органических соединений, позволяющий получать информацию не только о качественном и количественном составе, но и расположении атомов относительно друг друга. В различных методиках ЯМР есть много возможностей определения химического строения веществ, конфирмационных состояний молекул, эффектов взаимного влияния, внутримолекулярных превращений .

Метод ядерного магнитного резонанса имеет ряд отличительных черт: в отличие от оптических молекулярных спектров поглощение электромагнитного излучения веществом происходит в сильном однородном внешнем магнитном поле . Причем для проведения исследования ЯМР эксперимент должен отвечать ряду условий, отражающих общие принципы ЯМР - спектроскопии:

1) запись ЯМР - спектров возможна только для атомных ядер с собственным магнитным моментом или так называемых магнитных ядер, у которых число протонов и нейтронов таково, что массовое число ядер изотопов является нечетным. Все ядра с нечетным массовым числом имеют спин I, значение которого равно 1/2. Так для ядер 1 H, 13 С, l 5 N, 19 F, 31 Р значение спина равно 1/2, для ядер 7 Li, 23 Na, 39 К и 4 l R - спин равен 3/2. Ядра с четным массовым числом либо вообще не имеют спина, если заряд ядра четный, либо имеют целочисленные значения спина, если заряд нечетный. Давать спектр ЯМР могут только те ядра, спин которых I 0 .

Наличие спина связано с циркуляцией атомного заряда вокруг ядра, следовательно, возникает магнитный момент μ . Вращающийся заряд (например, протон) с угловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J. Возникающий при вращении угловой ядерный моментJ и магнитный моментом μ могут быть представлены в виде векторов. Их постоянное отношение называется гиромагнитным отношением γ. Именно эта константа определяет резонансную частоту ядра (рис. 1.1) .

Рисунок 1.1 - Вращающийся заряд сугловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J .

2) метод ЯМР исследует поглощение или излучение энергии в необычных условиях формирования спектра: в отличии от других спектральных методов. Спектр ЯМР записывают с вещества находящегося в сильном однородном магнитном поле. Такие ядра во внешнем поле имеют разные значения потенциальной энергии в зависимости от нескольких возможных (квантованных) углов ориентации вектора μ относительно вектора напряженности внешнего магнитного поля H 0 . В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты или спины ядер не имеют определенной ориентации. Если магнитные ядра со спином 1/2 поместить в магнитное поле, то часть ядерных спинов расположится параллельно магнитным силовым линиям, другая часть антипараллельно. Эти две ориентации энергетически уже не эквивалентны и говорят, что спины распределены на двух энергетических уровнях.

Спины с ориентацией магнитного момента по полю +1/2 обозначаются символом |α >, с ориентацией антипараллельно внешнему полю -1/2 - символом |β > (рис. 1.2) .

Рисунок 1.2 - Образование энергетических уровней при наложении внешнего поля Н 0 .

1.2.1 Спектроскопия ЯМР на ядрах 1 Н. Параметры спектров ПМР.

Для расшифровки данных спектров ЯМР 1 Н и отнесения сигналов служат основные характеристики спектров: химический сдвиг, константа спин - спинового взаимодействия, интегральная интенсивность сигнала, ширина сигнала [ 57].

А) Химический сдвиг (Х.С). Шкала Х.С. Химический сдвиг-расстояние между этим сигналом и сигналом эталонного вещества, выраженное в миллионных долях величины напряженности внешнего поля.

В качестве эталона для измерения химических сдвигов протонов чаще всего используют тетраметилсилан [ТМС, Si(CH 3) 4 ], содержащий 12 структурно эквивалентных сильно экранированных протонов .

Б) Константа спин-спинового взаимодействия. В спектрах ЯМР высокого разрешения наблюдается расщепление сигналов. Такое расщепление или тонкая структура в спектрах высокого разрешения возникает в результате спин-спинового взаимодействия между магнитными ядрами. Это явление, наряду с химическим сдвигом, служит важнейшим источником информации о строении сложных органических молекул и распределении в них электронного облака . Оно не зависит от Н 0 , но зависит от электронного строения молекулы. Сигнал магнитного ядра взаимодействующего с другим магнитным ядром расщепляется на несколько линий в зависимости от количества спиновых состояний, т.е. зависит от спинов ядер I.

Расстояние между этими линиями характеризует энергию спин-спиновой связи между ядрами и носит название константы спин-спиновой связи n J, где n -число связей, которыми отделены взаимодействующие ядра .

Различают прямые константы J HH , геминальные константы 2 J HH , вицинальные константы 3 J HH и некоторые дальние константы 4 J HH , 5 J HH .

- геминальные константы 2 J HH могут быть как положительными, так и отрицательными и занимают диапазон от -30Гц до +40 Гц.

Вицинальные константы 3 J HH занимают диапазон0 20 Гц; они практически всегда положительны. Установлено, что вицинальное взаимодействие в насыщенных системах очень сильно зависит от угла между углерод-водородными связями, то есть от диэдрального угла - (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Диэдральный угол φ между углерод-водородными связями .

Дальнее спин-спиновое взаимодействие (4 J HH , 5 J HH ) - взаимодействие двух ядер, разделенных четырьмя или большим числом связей; константы такого взаимодействия обычно составляют от 0 до +3 Гц.

Таблица 1.1 – Константы спин-спинового взаимодействия

В) Интегральная интенсивность сигнала. Площадь сигналов пропорциональна числу магнитных ядер, резонирующих при данной напряженности поля, так что отношение площадей сигналов даёт относительное число протонов каждой структурной разновидности и называется интегральной интенсивностью сигнала . На современных спектрометрах используются специальные интеграторы, показания которых регистрируются в виде кривой, высота ступенек которой пропорциональна площади соответствующих сигналов .

Г) Ширина линий. Для характеристики ширины линий принято измерять ширину на расстоянии половины высоты от нулевой линии спектра. Экспериментально наблюдаемая ширина линии складывается из естественной ширины линии, зависящей от строения и подвижности, и уширения, обусловленного аппаратурными причинами

Обычная ширина линий в ПМР 0,1-0,3 Гц, однако она может увеличиваться вследствие перекрывания соседних переходов, которые точно не совпадают, но и не разрешаются в виде отдельных линий. Уширение возможно при наличие ядер со спином больше 1/2 и химический обмен .

1.2.2 Применение данных ЯМР 1 Н для установления структуры органических молекул.

При решении ряда задач структурного анализа кроме таблиц эмпирических значений Х.С. может оказаться полезной количественная оценка влияний соседних заместителей на Х.С. по правилу аддитивности эффективных вкладов экранирования. При этом обычно учитываются заместители, удаленные от данного протона не более чем на 2-3 связи, и расчет производят по формуле:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

гдеδ 0 -химический сдвиг протонов стандартной группы;

δ i - вклад экранирования заместителем .

1.3 Спектроскопия ЯМР 13 С. Получение и режимы съемки спектров.

Первые сообщения о наблюдении ЯМР 13 С появились в 1957 г. однако превращение спектроскопии ЯМР 13 С в практически используемый метод аналитического исследования стало много позже .

Магнитный резонанс 13 С и 1 Н имеют много общего, однако есть и существенные различия. Наиболее распространенный изотоп углерода 12 С имеет I=0. Изотоп 13 С имеет I=1/2, однако его естественное содержание составляет 1,1%. Это наряду с тем фактом, что гиромагнитное отношение ядер 13 С составляет 1/4 от гиромагнитного отношения для протонов. Что уменьшает чувствительность метода в экспериментах по наблюдению ЯМР 13 С в 6000 раз по сравнению с ядрами 1 Н .

а) без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами. Спектры ЯМР 13 С, полученные в отсутствие полного подавления спин- спинового резонанса с протонами, были названы спектрами высокого разрешения. Эти спектры содержат полную информацию о константах 13 С - 1 Н . В относительно простых молекулах оба типа констант - прямые и дальние - обнаруживается довольно просто. Так 1 J (С-Н) составляет 125 - 250 Гц, однако спин-спиновое взаимодействие может происходить и с более удаленными протонами с константами менее 20 Гц .

б) полное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Первый серьёзный прогресс в области спектроскопии ЯМР 13 С связан с применением полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами . Применение полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами приводит к слиянию мультиплетов с образованием синглетных линий, если в молекуле отсутствуют другие магнитные ядра такие, как 19 F и 31 Р.

в) неполное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Однако использование режима полной развязки от протонов имеет свои недостатки. Поскольку все сигналы углерода имеют теперь вид синглетов, то теряется вся информация о константах спин-спинового взаимодействиях 13 C- 1 H. Предложен способ, который позволяет частично восстановить информацию о прямых константах спин-спинового взаимодействия 13 С- 1 Н и при этом сохранить большую часть преимуществ широкополосной развязки. В этом случае в спектрах будут проявляться расщепления, обусловленные прямыми константами спин-спинового взаимодействия 13 С- 1 Н. Эта процедура позволяет обнаружить сигналы от непротонированных атомов углерода, поскольку последние не имеют непосредственно связанных с 13 С протонов и проявляются в спектрах при неполной развязке от протонов как синглеты .

г) модуляция константы С-Н взаимодействия, спектр JMODCH. Традиционной проблемой в спектроскопии ЯМР 13 С является определение числа протонов, связанных с каждым атомом углерода, т. е. степени протонирования атома углерода . Частичное подавление по протонам позволяет разрешить сигнал углерода от мультиплетности вызванной дальними константами спин-спинового взаимодействия и получить расщепление сигнала обусловленное прямыми КССВ 13 С- 1 Н. Однако в случае сильно связанных спиновых систем АВ и наложения мультиплетов в режиме OFFR делает однозначное разрешение сигналов затруднительным .

Аллильное расщепление - зависимость константы спин-спинового взаимодействия между протонами в аллильных системах (4 J ) которая в значительной степени зависит от торсионного угла  между плоскостями, образованными атомами НС 2 С 3 и С 1 С 2 С 3 .

Аннулены - циклические сопряженные системы.

Атропные молекулы - молекулы соединений, которые не дают кольцевого тока.

Валентный угол (θ) - угол между двумя связями у одного атома углерода.

Вицинальное взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены тремя связями.

Внерезонансная развязка (off resonance decoupling) - позволяет установить различие между сигналами СН 3 , СН 2 , СН групп и четвертичным атомом углерода. Для наблюдения внерезонансной развязки используется частота, находящаяся рядом с химическим сдвигом, но не соответствующая резонансной частоте сигнала. Такое подавление ведет к уменьшению количества взаимодействий, до такой степени, что регистрируются только прямые J (C,H) взаимодействия.

Геминальное взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены двумя связями.

Гетероядерная корреляционная спектроскопия (Heteronuclear correlation spectroscopy - HETCOR) - в этих экспериментах на одной оси размещены химические сдвиги 1 Н спектров, тогда как на другой оси размещаются 13 С химические сдвиги.HETCOR - гетероядерный вариантCOSY, в котором используются непрямые гетероядерные спин-спиновые взаимодействия между 1 Н и 13 С.

HMQC - HETeronuclear MultyQuantum Correlation - регистрация 1 Н с развязкой от 13 С.

HSQC - HETeronuclear MultyQuantum Correlation - вариант HMQC

COLOC - CORrelation Long (очень затяжной)

HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation) - вариант эксперимента HMQC для обнаружения дальних гетероядерных спин-спиновых взаимодействий. HMBC дает более высокое соотношение сигнал/шум, чем эксперимент HMQC.

Гиромагнитное отношение (γ ) - одна из характеристик магнитных свойств ядра.

Гомоаллильное взаимодействие - взаимодействие через 5 связей в аллильной системе.

Дальнее взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены более чем 3 связи (обычно через 4-5 связей).

Датчик - прибор, который обеспечивает передачу импульсов к образцу и регистрацию сигналов резонанса. Датчики бывают широкополосные и селективно-настроенные. Они устанавливаются в активную область магнита.

Двугранный (торсионный) угол - угол, который образован двумя плоскостями между рассматриваемыми связями.

Двумерные J -спектры. Для двумерной J-спектроскопии характерно наличие одной частотной координаты, связанной с КССВ и второй координаты, связанной с химическими сдвигами. Наибольшее распространение получило контурное представление двумерных J-спектров в двух взаимно-перпендикулярных координатах.

Двумерная ЯМР-спектроскопия - эксперименты с использованием импульсных последовательностей, что позволяет получить спектр ЯМР в таком представлении, при котором информация разнесена по двум частотным координатам и обогащена сведениями о взаимозависимости параметров ЯМР. В результате получается квадратный спектр с двумя ортогональными осями и с сигналом, имеющим в частотном представлении максимум в точке с координатами (, ), т. е. на диагонали.

Дельта-шкала (δ -шкала) - шкала, в которой химический сдвиг протонов ТМС принимается за нулевое значение.

Диамагнитный сдвиг - смещение резонансного сигнала в область слабого поля (больших значений δ ).

Диатропные молекулы - аннулены с 4n +2 π-электронами, которые в соответствии с правилом Хюккеля обладают ароматическим характером.

Дублет - сигнал двух взаимодействующих ядер, который представлен в спектре ЯМР 1 Н двумя линиями одной интенсивности.

Изохронные ядра - ядра, имеющие одну и ту же величину химического сдвига. Часто они химически эквивалентны, т. е. имеют одинаковое химическое окружение.

Интегральная интенсивность сигнала (площадь под кривой) - измеряется интегратором и показывается в виде ступенек, высота которых пропорциональна площади и показывает относительное число протонов.

Импульсная спектроскопия - способ возбуждения магнитных ядер - с помощью коротких и мощных (сотни киловатт) высокочастотных импульсов. Импульс с несущей частотой ν о и длительностью t p создает полосу возбуждения в диапазоне частот +1/t p . Если длина импульса исчисляется несколькими микросекундами, а ν о примерно соответствует центру области частот резонанса для данного вида ядер, то полоса перекроет весь диапазон частот, обеспечивая одновременное возбуждение всех ядер. В результате записывается экспоненциально затухающая синусоида (СИС). Она содержит информацию как о частоте, т. е фактически о химическом сдвиге, так и о форме линии. Более привычная для нас форма - спектр в частотном представлении - получается из СИС с помощью математической процедуры, называемой преобразованием Фурье.

Импульсный ЯМР - способ возбуждения магнитных ядер с помощью коротких и мощных (сотни киловатт) высокочастотных импульсов. Во время импульса все ядра одновременно возбуждаются, а затем, после того как импульс прекращается, ядра возвращаются (релаксируют) в исходное основное состояние. Потеря энергии релаксирующими ядрами приводит к возникновению сигнала, который представляет собой сумму сигналов от всех ядер описывается большим числом затухающих синусоидальных кривых во временной шкале, каждая из которых соответствует некоей резонансной частоте.

Константа спин-спинового взаимодействия (КССВ) - количественная характеристика взаимодействия разных ядер.

Корреляционная спектроскопия (COSY) - эксперимент с двумя 90 о импульсами. В этом виде двумерной спектроскопии коррелируются химические сдвиги спиново-связанных магнитных ядер. Двумерная спектроскопия COSY, при определенных условиях, помогает выявить наличие очень малых констант, обычно невидных в одномерных спектрах.

СOSY - эксперименты, в которых варьируется длительность импульса. Это позволяет уменьшить размер диагональных пиков, затрудяющих идентификацию близлежащих кросс-пиков (COSY45, COSY60).

DQF-COSY - двухквантованный фильтр - подавляет синглеты на диагонали и помехи, соответствующие им.

COSYLR (long rang) - эксперимент COSY, который позволяет определить дальние взаимодействия.

Т OCSY - Total Correlation Spectroscopy - режим съемки, который позволяет в насыщенном сигналами спектре получить кросс-пики между всеми спинами системы путем передачи намагниченности по связям в исследуемом структурном фрагменте. Чаще всего используется для изучения биомолекул.

Ларморова частота - частота прецессии в ЯМР.

Магнитно-эквивалентными называют такие ядра, которые имеют одну и ту же резонансную частоту и общее для всех характеристическое значение константы спин-спинового взаимодействия с ядрами любой соседней группы.

Многоквантовые когерентности - состояния суперпозиции, когда два или более взаимодействующих спина ½ переориентируются одновременно.

Многомерный ЯМР - регистрация спектров ЯМР с более чем одной частотной шкалой.

Мультиплет - сигнал одной группы, проявляющийся в виде нескольких линий.

Непрямое спиновое взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которое передается в пределах молекулы по системе связей и не усредняется при быстром молекулярном движении.

Парамагнитные частицы - частицы, содержащие неспаренный электрон, который обладает очень большим магнитным моментом.

Парамагнитный сдвиг - смещение резонансного сигнала в область сильного поля (больших значений δ ).

Паратропные молекулы - аннулены с числом π-электронов равным 4n.

Прямая константа спин-спинового взаимодействия - константа, характеризующаявзаимодействие между ядрами, которые разделены одной связью.

Прямое спин-спиновое взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которое передается через пространство.

Резонансный сигнал - спектральная линия, соответствующая поглощению энергии при переходе между собственными состояниями, вызванная высокочастотным генератором.

Релаксационные процессы - потеря энергии на верхнем уровне и возвращение на нижний энергетический уровень благодаря безызлучательным процессам.

Свипирование - постепенное изменение магнитного поля, в результате которого достигаются условия резонанса.

Спектры первого порядка - спектры, в которых разница в химических сдвигах отдельных групп магнитно-эквивалентных ядер ν o значительно больше константы спин-спинового взаимодействия J .

Спин-решеточная релаксация - процесс релаксации (потери энергии), механизм которой связан с взаимодействием с локальными электромагнитными полями окружающей среды.

Спин-спиновая релаксация - процесс релаксации осуществляется в результате передачи энергии от одного возбужденного ядра к другому.

Спин-спиновое взаимодействие электронов - взаимодействие, возникающее в результате магнитного взаимодействия разных ядер, которое может передаваться через электроны химических связей непосредственно несвязанных ядер.

Спиновая система - это группа ядер, взаимодействующих между собой, но не взаимодействуют с ядрами, не входящими в спиновую систему.

Химический сдвиг - смещение сигнала исследуемого ядра по отношению к сигналу ядер стандартного вещества.

Химически эквивалентные ядра - ядра, которые имеют одну и ту же резонансную частоту и одинаковое химическое окружение.

Шиммы - в спектроскопии ЯМР так называют электромагнитные катушки, создающие магнитные поля небольшой напряженности, которыми исправляют неоднородности сильного магнитного поля.

Широкополосная развязка (1 Н broadband decoupling) - использование сильного облучения, которое покрывает всю область протонных химических сдвигов, для того, чтобы полностью удалить все 13 С 1 Н взаимодействия.

Экранирование - изменение положения резонансного сигнала под воздействием индуцированных магнитных полей других ядер.

Эффект Ван-дер-Ваальса - эффект, который возникает при сильном пространственном взаимодействии между протоном и соседней группой и вызывает понижение сферической симметрии электронного распределения и увеличение парамагнитного вклада в эффект экранирования, который, в свою очередь, приводит к смещению сигнала в более слабое поле.

Эффект Зеемана - расщепление энергетических уровней в магнитном поле.

Эффект крыши - увеличение интенсивности центральных лини и уменьшение интенсивности удаленных линий в мультиплете.

Эффект магнитной анизотропии (так называемый конус анизотропии) - результат воздействия вторичных индуцированных магнитный полей.

Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) - наблюдается для ядер со спиновым квантовым числом I > 1/2 вследствие несферического распределения ядерного заряда. Такие ядра могут взаимодействовать с градиентами внешних электрических полей, в особенности с градиентами полей электронных оболочек молекулы, в которой находится ядро и обладают спиновыми состояниями, характеризующими различными энергиями даже в отсутствие приложенного внешнего магнитного поля.

Ядерный магнетон Значение ядерного магнетона рассчитывается по формуле:

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) − это физическое явление, используемое для изучения свойств молекул при облучении ядер атомов радиоволнами в магнитном поле.

Ядерный фактор - отношение заряда ядра к его массе.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага. поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра 1 Н, 2 Н, 13 С, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В 0 , на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В 1 перпендикулярное полю В 0 . Для в-в, у к-рых ядерный спин I= 1 / 2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P и др.), в поле В 0 возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра "по полю" и "против поля". Возникающие два уровня энергии Е за счет взаимод. магн. момента ядра с полем В 0 разделены интервалом
При условии, что илигде h - постоянная Планка , v 0 - частота радиочастотного поля В 1 , - круговая частота,- т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B 1 , названное ЯМР. Для нуклидов 1 H, 13 C, 31 Р частоты ЯМР в поле В 0 = 11,7 Тл равны соотв. (в МГц): 500, 160,42 и 202,4; значения (в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В 0 возникает 2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при где т - магн. квантовое число.

Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР . Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B 1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В 0 так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1-12 Тл. Область спектра, в к-рой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР - миним. ширина линии ЯМР, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения - скорость (в Гц/с), с к-рой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.

Схема спектрометра ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 - полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушки модуляции поля В 0 ; 7 - осциллограф.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация ; характеристич. время Т 2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация , время релаксации Т 1). Времена Т 1 и Т 2 несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т 1 и Т 2 от т-ры и частоты v 0 дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях , фазовых переходах и др. В твердых телах с жесткой решеткой Т 2 = 10 мкс, а Т 1 > 10 3 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за малости Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях малой вязкости Т 1 T 2 и измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10 -1 Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.
Основной параметр спектра ЯМР - хим. сдвиг- взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим. сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте v 0 , то В зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР, и ЯМР 13 С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах тома),. ЯМР 19 F (см. Фторорганические соединения), ЯМР 31 Р (см. Фосфорорганические соединения)и т. д. Величины обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим. сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также заносятся в базы данных, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной плотности на соответствующих ядрах.
Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР 13 С - тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр. эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители - те, что не содержат протонов (СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 , D 2 O и др.).
В многоатомных молекулах ядра одинаковых атомов , занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра где- постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный интервал изменений- до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.
Важный параметр спектров ЯМР - константа спин-спинового взаимод. (константа ССВ) - мера непрямого ССВ между разл. магн. ядрами одной молекулы (см. Спин-спиновое взаимодействие); выражается в Гц.
Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов , содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной ориентации этих ядер в поле В 0 (ССВ). При достаточном разрешении ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным значениям хим. сдвигов: где J ij - константы ССВ; F ij - величины, значения к-рых определяются спинами ядер i и j, симметрией соответствующего мол. фрагмента, диэдральными углами между хим. связями и числом этих связей между ядрами, участвующими в ССВ.
Если хим. сдвиги достаточно велики, т. е. min max (J ij), то ССВ проявляются в виде простых мультиплетов с биномиальным распределением интенсивностей (спектры первого порядка). Так в этильной группе сигнал метильных протонов проявляется в виде триплета с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых протонов - в виде квадруплета с соотношением интенсивностей 1:3:3:1. В спектрах ЯМР 13 С метиновые группы - дублеты (1:1), а метиленовые и метильные - соотв. триплеты и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями констант ССВ. Хим. сдвиги в спектрах первого порядка равны интервалам между центрами мультиплетов, а J ij - расстояниям между соседними пиками мультиплета. Если условие первого порядка не выполняется, то спектры становятся сложными: в них ни один интервал, вообще говоря, не равен ни ни J ij . Точные значения параметров спектров получают из квантовомех. расчетов. Соответствующие программы входят в мат. обеспечение совр. спектрометров ЯМР. Информативность хим. сдвигов и констант ССВ превратила спектроскопию ЯМР высокого разрешения в один из важнейших методов качеств. и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а также исследования строения и реакц. способности молекул . При изучении конформаций , вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых молекул в р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.

Ядерная намагниченность в-ва. В соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из N спинов отношение числа спинов N + на нижнем уровне к числу спинов N - на верхнем уровне равно где k - постоянная Больцмана ; Т - т-ра. При В 0 = 1 Тл и Т=300 К для протонов отношение N + /N - .= 1,00005. Это отношение и определяет величину ядерной намагниченности в-ва, помещенного в поле B 0 . Магн. момент m каждого ядра совершает прецессионное движение относительно оси z, вдоль к-рой направлено поле B 0 ; частота этого движения равна частоте ЯМР. Сумма проекций прецессирующих ядерных моментов на ось z образует макроскопич. намагниченность в-ва M z = 10 18 В плоскости ху, перпендикулярной оси z, проекции векторов из-за случайности фаз прецессии равны нулю: М xy = 0. Поглощение энергии при ЯМР означает, что в единицу времени с нижнего уровня на верхний переходит больше спинов , чем в обратном направлении, т. е. разность населенностей N + - N - убывает (нагрев спин-системы, насыщение ЯМР). При насыщении в стационарном режиме намагниченность системы может сильно возрасти. Это - т. наз. эффект Оверхаузера, для ядер обозначаемый NOE (Nuclear Overhauser effect), к-рый широко применяется для повышения чувствительности, а также для оценки межъядерных расстояний при изучении мол. геометрии методами спектроскопии ЯМР .

Векторная модель ЯМР. При регистрации ЯМР на образец накладывают радиочастотное поле , действующее в плоскости ху. В этой плоскости поле В 1 можно рассматривать как два вектора с амплитудами В 1т/ 2, вращающихся с частотой в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x"y"z, ось х" к-рой совпадает с вектором В 1т/ 2, вращающимся в том же направлении, что и векторы Его воздействие вызывает изменение угла при вершине конуса прецессии ядерных магн. моментов; ядерная намагниченность М z начинает зависеть от времени, а в плоскости х"у" появляется отличная от нуля проекция ядерной намагниченности. В неподвижной системе координат эта проекция вращается с частотой т. е. в катушке индуктивности наводится радиочастотное напряжение, к-рое после детектирования и дает сигнал ЯМР - ф-цию ядерной намагниченности от частоты различают медленное изменение (свип-режим) и импульсный ЯМР. Реальное сложное движение вектора ядерной намагниченности создает в плоскости х"у" два независимых сигнала: М х, (синфазный с радиочастотным напряжением В 1)и М у" (сдвинутый относительно B 1 по фазе на 90 °С). Одновременная регистрация М х" и M y" (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В 1т проекции М z = М х" =М у" =0(насыщение ЯМР). Поэтому при непрерывном действии поля В 1 его амплитуда должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия наблюдения.
В импульсном ЯМР величина В 1 ,наоборот, выбирается настолько большой, чтобы за время t и Т 2 отклонить во вращающейся системе координат вектор M z от оси z на угол . При= 90° импульс называют 90°-ным (/2-импульс); под его воздействием вектор ядерной намагниченности оказывается в плоскости х"у", т. е. После окончания импульса вектор M y" начинает убывать по амплитуде со временем Т 2 благодаря расхождению по фазе составляющих его элементарных векторов (спин-спиновая релаксация). Восстановление равновесной ядерной намагниченности М z происходит со временем спин-решеточной релаксации T 1 . При= 180° (импульс) вектор M z укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания импульса к своему равновесному положению. Комбинации иимпульсов широко используются в совр. многоимпульсных вариантах спектроскопии ЯМР .
Важной особенностью вращающейся системы координат является различие резонансных частот в ней и в неподвижной системе координат: если B 1 В лок (статич. локальное поле), то вектор М прецессирует во вращающейся системе координат относительно поля При точной настройке в резонанс частота ЯМР во вращающейся системе координат Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных процессов в в-ве.

Хим. обмен и спектры ЯМР (динамич. ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А В служат времена пребывания и а также вероятности пребывания иПри низкой т-ре спектр ЯМР состоит из двух узких линий, отстоящих на Гц; затем при уменьшении и линии начинают уширяться, оставаясь на своих местах. Когда частота обмена начинает превышать исходное расстояние между линиями, линии начинают сближаться, а при 10-кратном превышении образуется одна широкая линия в центре интервала (v A , v B), если При дальнейшем росте т-ры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой т-ры указать точную частоту хим. обмена, по этим данным вычисляют термодинамич. характеристики процесса. При многопозиционном обмене в сложном спектре ЯМР теоретич. спектр получают из квантовомех. расчета. Динамич. ЯМР - один из осн. методов изучения стереохим. нежесткости, конформационных равновесий и т. п.

Вращение под магическим углом. Выражение для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители где - угол между В 0 и межъядерным вектором r ij . При=arccos 3 -1/2 = 54°44" ("магический" угол) эти множители обращаются в нуль, т. е. исчезают соответствующие вклады в ширину линии. Если закрутить твердый образец с очень большой скоростью вокруг оси, наклоненной под магич. углом к В 0 , то в твердом теле можно получить спектры высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в жидкости .

Широкие линии в твердых телах . В кристаллах с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением кластера , в трансляционно-инвариантном объеме V 0 вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v 2 /2a 2), где v - расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V 0 и V 1 ,причем V 1 характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V 0 концентрация магн. ядер больше средней, и ближние ядра благодаря диполь-дипольному взаимод. и хим. сдвигам создают спектр, ограниченный на интервале (-b, b), где b примерно вдвое больше а. В первом приближении спектр

ЯМР-спектроскопия

Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия - спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса . Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 (инфракрасной спектроскопии, ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Однако, он обеспечивает более полную информацию, чем ИС, позволяя изучать динамические процессы в образце - определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов.

Базовая ЯМР техника

Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда ее помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота , энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля . Так в поле в 21 Тесла, протон резонирует при частоте 900 МГц.