NMR spektroskopia. NMR spektroskopia NMR spektroskopia označuje optické metódy


Pre školy s hĺbkovým štúdiom chémie

Na stredoškolských kurzoch sa organická chémia študuje podľa tried látok. Najprv uvažujeme uhľovodíky C A H B - nasýtené (lineárne a cyklické) a nenasýtené (vrátane aromatických). Potom sa k atómom dvoch typov C a H pridáva kyslík O. Zlúčeniny obsahujúce kyslík C A H B O C sú alkoholy ROH, étery R–O–R, fenoly ArOH, aldehydy RCHO, karboxylové kyseliny RCOOH, niektoré deriváty karboxylových kyselín - estery RCOOR“ , tuky - glycerolestery, sacharidy (polyhydroxyaldehydy).Neskôr (program 11. ročníka) sa v zložení organických zlúčenín objavuje atóm dusíka N. Molekuly dusíkatých zlúčenín obsahujú atómy troch prvkov - C, H a N (amíny C A H B N C ) - príp. štyri - C, H, N a O (amidy, aminokyseliny, proteíny; všeobecný vzorec C A H B N C O D). V téme „Nukleové kyseliny“ sú uvedené pyrimidínové a purínové dusíkaté heterocykly. Ďalšími derivátmi organických látok sú halogén-, sulfo- nitrozlúčeniny sa nepovažujú samostatne za triedy.

Schéma na štúdium látok každej triedy je zostavená podľa jedného plánu:

1) zloženie (aké atómy sú obsiahnuté v molekule a koľko z každého typu);
2) štruktúra (ako sú tieto atómy spojené, izoméria);
3) vlastnosti (fyzikálne - teploty topenia a varu, hustota, rozpustnosť atď.; chemické - rôzne premeny so zmenami v zložení alebo štruktúre východiskovej látky);
4) výroba (prírodné suroviny – kde a v akej forme sa táto látka nachádza; akými chemickými metódami ju možno získať z iných látok);
5) aplikácia (ako ju využíva príroda a človek);
6) úlohy na upevnenie prvých piatich bodov.

Navrhujeme mierne doplniť prijatú schému. Na identifikáciu látok a potvrdenie ich zloženia a štruktúry je vhodné použiť metódu spektroskopie – protónovú magnetickú rezonanciu (PMR). Teória problematiky je stručne načrtnutá v novinách „Chémia“, č. 29/1998 a časopise „Chémia v škole“, č. 2/1999. Aby ste sa naučili dešifrovať najjednoduchšie PMR spektrá, musíte pochopiť ich nasledujúce vlastnosti alebo charakteristiky.

Vrcholy v obraze spektra PMR sú signály absorpcie energie vonkajšieho aplikovaného magnetického poľa protónmi látky.

Počet signálnych skupín udáva, koľko protónov rôznych typov je v molekule. Chemicky ekvivalentné protóny (s rovnakým prostredím) absorbujú energiu v rovnakej oblasti spektra. Napríklad v PMR spektre 3-chlórpentánu

existujú tri sady signálov z troch skupín ekvivalentných protónov:

Chemický posun (d) je posun spektrálneho signálu na stupnici v závislosti od chemického prostredia protónu. Elektrón-akceptorové atómy a skupiny atómov v blízkosti absorbujúceho protónu (cez jednu alebo dve chemické väzby) posúvajú absorpciu do oblasti slabého poľa (veľké hodnoty d). Tetrametylsilán (CH 3) 4 Si (TMS) sa používa ako štandard, voči ktorému sa merajú chemické posuny. Signály PMR testovanej látky sa objavujú v spektre naľavo od signálu TMS.

Hodnoty chemických posunov sú vyjadrené v špeciálnych jednotkách - častice na milión (ppm). Na stupnici chemického posunu alebo na stupnici d sa umiestnenie signálu TMS berie ako 0 ppm a je označené na pravej strane stupnice, ako je znázornené na obr. 1. Relatívne veľké hodnoty d zodpovedajú oblasti slabého magnetického poľa a naopak malé hodnoty tejto hodnoty zodpovedajú oblasti silného magnetického poľa.

Ryža. 1. PMR spektrum 1,2-dichlóretánu

Oblasť vrcholu signálu (naznačená zapisovačom) - intenzita signálu - ukazuje relatívne zastúpenie každého typu protónu v molekule.

Rozdelenie signálu do niekoľkých píkov indikuje interakciu príslušného protónu s inými neekvivalentnými protónmi (s rôznymi prostrediami) alebo niektorými inými jadrami s nepárnymi hmotnostnými číslami (19 F, 31 P atď.).

Existujú referenčné tabuľky, ktoré uvádzajú rozsah chemických posunov rôznych typov protónov. Pomocou nich môžete určiť, v ktorej oblasti spektra konkrétny protón dáva signál (tabuľka).

Chemické posuny rôznych typov protónov
v PMR spektrách

*Chemické posuny protónov v kombinácii s dusíkom a kyslíkom závisia od teploty a koncentrácie roztoku.

V PMR spektrách sa signál z ekvivalentných protónov často javí nie ako samostatný vrchol (singlet), ale ako ich súbor. Signál je možné rozdeliť na dva (dublet), tri (triplet), štyri (kvarteto) alebo viac vrcholov. Toto rozdelenie signálov je spôsobené interakciou neekvivalentných vodíkových jadier (protónov). Ide o spin-spinovú interakciu, ku ktorej dochádza prostredníctvom elektrónov chemických väzieb spájajúcich jadrá atómov.

Počet vrcholov, do ktorých je rozdelený signál z ekvivalentných protónov, sa nazýva multiplicita. V jednoduchých prípadoch sa používa pravidlo: násobnosť signálu z ekvivalentných protónov sa rovná n + 1, kde n je počet protónov nachádzajúcich sa na susedných atómoch uhlíka. Takéto protóny typu H–C–C–H oddelené tromi väzbami sa nazývajú vicinálne protóny. Na základe multiplicity signálu je možné posúdiť počet protónov susediacich s protónmi zodpovednými za konkrétny signál.

Príklad 1. 1,1,2-Trichlóretán Cl 2 CH–CH 2 Cl obsahuje dva typy protónov – metylén (v skupine –CH 2 Cl) a metín (v skupine –CHCl 2), ktoré sú charakterizované v spektre dvoma signálmi: d (CH2CI) = 3,5 ppm a d (CHCI2) = 5,5 ppm, ako je znázornené na obr. 2. Signál z –CH 2 Cl má dva píky (dublet), signál z –CHCl 2 má tri píky (triplet). Použime pravidlo: multiplicita signálu je n + 1, kde n je počet susedných protónov.

Ryža. 2. PMR spektrum 1,1,2-trichlóretánu

Príklad 2. Na obr. Obrázok 3 ukazuje PMR spektrum 1,1-dichlóretánu. Metylové protóny v spektre sú charakterizované dubletom so stredom d = 2,0 m. d., metínový protón poskytuje kvarteto so stredom d = 5,9 ppm.

Ryža. 3. PMR spektrum 1,1-dichlóretánu

Dôležitým znakom spin-spin interakcie je, že protóny s rovnakým chemickým posunom (ekvivalentné protóny) navzájom neštiepia signály, ako dokazujú nasledujúce príklady.

Príklad 3. V 1,2-dichlóretáne ClCH2CH2CI sú všetky protóny ekvivalentné, spektrum bude mať jeden signál vo forme singletu. Hodnota chemického posunu d (CH2CI) = 3,69 ppm (pozri obr. 1).

Príklad 4. Látka 2,3-dimetylbután (CH3)2CHCH(CH3)2 pozostáva z dvoch izopropylových skupín. Signály z ekvivalentných protónov štyroch CH3 skupín sú rozdelené protónmi metínových skupín do dubletu. Signál metínového protónu je zase rozdelený šiestimi vicinálnymi protónmi metylových skupín na heptet (obr. 4).

Ryža. 4. PMR spektrum 2,3-dimetylbutánu

Pomocou PMR spektier je možné rozlíšiť medzi izomérmi látok (s rovnakým molekulovým vzorcom). Napríklad spektrá izomérov 1,1-dichlóretánu (pozri obr. 3) a 1,2-dichlóretánu (pozri obr. 1) sú úplne odlišné.

Príklad 5. Spektrum látky so zložením C 2 H 3 Cl 3, patriacej 1,1,2-trichlóretánu (pozri obr. 2), obsahuje dva signály: d (CH 2 Cl) = 3,5 ppm (dublet) a d (CHCI2) = 5,5 ppm (triplet). Spektrum jeho izomérneho 1,1,1-trichlóretánu obsahuje jeden singlet z ekvivalentných protónov metylovej skupiny d (CH 3) = 2,7 ppm.

Takže PMR spektrá poskytujú veľmi jasné a informatívne informácie o zložení a štruktúre látky. Sú univerzálne - použiteľné pre všetky triedy organických zlúčenín. Naučiť sa porozumieť spektrám nie je také ťažké a ich riešenie je zábavnejšie ako hranie solitaire. Tu sú typické úlohy využívajúce NMR spektroskopiu.

  • Úloha 1. Identifikujte nasledujúce alkoholy podľa ich PMR spektier:

a) zlúčenina A – C 14 H 14 O (obr. 5) a zlúčenina B – C 9 H 11 BrO (obr. 6).

Ryža. 5. PMR spektrum zlúčeniny A (C14H14O)

a) Kľúč k riešeniu je daný signálom s chemickým posunom aromatických protónov d = 7,2–7,4 ppm s intenzitou zodpovedajúcou 10 N (pozri obr. 5). Za tento signál v spektre sú zodpovedné dve fenylové skupiny C 6 H 5 obsiahnuté v jednej molekule látky A. Singlet pri d = 2,27 ppm je spôsobený protónom hydroxylovej skupiny a ďalšie substituenty na uhlíku alkoholu sú C 6 H5 skupiny (dve) a CH3 (signál so stredom d = 1,89 ppm, singlet, 3H). Požadovaná látka A je 1,1-difenyletanol-1

(C6H5)2CCH3.
OH

b) Látka B obsahuje disubstituovaný benzénový kruh, o čom svedčí signál d = 6,90–7,45 ppm (kvarteto, 4 H).

Ryža. 6. PMR spektrum zlúčeniny B (C9H11BrO)

Chemické posuny d = 0,82 ppm (triplet, 3 H) a d = 1,60 ppm (kvartet, 2 H), intenzita týchto signálov určuje etylovú skupinu CH3CH2. Signál pri d = 2,75 ppm (singlet, 1 H) zodpovedá hydroxylovému protónu OH; signál pri d = 4,40 ppm (triplet, 1 H) patrí metínovému protónu susediacemu s metylénovou skupinou (CHCH 2). Okrem toho výskyt signálu v slabom poli naznačuje spojenie CH s hydroxylovou skupinou.

Zostáva určiť polohu atómu brómu v benzénovom kruhu. Je známe, že signál vo forme symetrického kvartetu (4H) je charakteristický pre n-substituovaný benzénový kruh.

V dôsledku toho sa získal štruktúrny vzorec

požadovaná látka sa nazýva 1-(4"-brómfenyl)propanol-1.

  • Úloha 2. Diol C 8 H 18 O 2 nereaguje s kyselinou jodistou, jeho PMR spektrum obsahuje tri singlety pri (ppm) d = 1,2 (12 H), d = 1,6 (4 H) a d = 2,0 (2 H) . Aká je štruktúra diolu?

Ak diol nereaguje s kyselinou jodistou, znamená to, že atómy uhlíka nesúce hydroxylové skupiny sú oddelené aspoň jednou metylénovou skupinou. Výskyt všetkých signálov vo forme singletov naznačuje, že v uhlíkovom reťazci sa atómy uhlíka obsahujúce protón striedajú s aprotickými uhlíkmi.

Signál pri d = 1,2 (12 H) pochádza z protónov štyroch ekvivalentných okrajových skupín CH 3; signál pri d = 2,0 (2 H) – z dvoch hydroxylových protónov diolu; signál pri d = 1,6 (4 H) je z dvoch ekvivalentných metylénových skupín (nedochádza k štiepeniu signálu na susedných protónoch!). Daná látka má štruktúru


a nazýva sa 2,5-dimetylhexándiol-2,5.

  • Úloha 3. Odpovedzte na nasledujúce otázky týkajúce sa PMR spektier izomérnych esterov s molekulovým vzorcom C 5 H 12 O.

a) Ktorý z éterov obsahuje v PMR spektre iba singlety?
b) Okrem iných signálov má daný éter interakčný systém dublet-heptet. Pomenujte éter.
c) Spolu s ostatnými signálmi obsahuje PMR spektrum tohto éteru dva signály v relatívne slabom poli, jeden je singlet, druhý je dublet. Aká je štruktúra tohto éteru?
d) Charakteristickým znakom spektra sú dva signály v relatívne slabom poli: jeden je triplet, druhý je kvarteto. Pomenujte éter.

a) terc-butylmetyléter (CH3)3COCH3.
b) Izopropyletyléter (CH3)2CHOCH2CH3, pretože interakčný systém dublet-heptet obsahuje izolovanú izopropylovú skupinu.
c) V relatívne slabom poli sa na éterických atómoch uhlíka objavujú protóny. Podľa konvencie je jeden signál singlet, to je CH30. Pre látku s molekulovým vzorcom C5H12O patrí dublet v spektre do skupiny OCH2CH.
Látka je izobutylmetyléter (CH3)2CHCH2OCH3.
d) Podobne ako v príklade c) je naznačená zvláštnosť signálov z protónov na atómoch uhlíka priamo spojených s éterickým kyslíkom. Tripletové a kvartetové signály sú produkované protónmi susediacimi so skupinami CH2 a CH3.
Látka je n-propyletyléter CH3CH2OCH2CH2CH3.

  • Úloha 4. PMR spektrum látky A – C 8 H 8 O – pozostáva z dvoch singletov rovnakej intenzity pri d = 5,1 ppm (ostré) a d = 7,2 ppm (široké).

Pri reakcii s prebytkom bromovodíka sa zlúčenina A premení na dibromid C8H8Br2 (individuálna zlúčenina B, jeden izomér). NMR spektrum dibromidu je podobné spektru látky A, vykazuje dva ekvivalentné (plošné) singlety pri d = 4,7 ppm (ostré) a d = 7,3 ppm (široké).

Navrhnite možné štruktúrne vzorce zlúčeniny A a jej dibrómderivátu B.

Zloženie látky A – C 8 H 8 O – zahŕňa benzénový kruh (d = 7,2 ppm) a dve ekvivalentné skupiny s éterovou väzbou typu –H 2 C–O–CH 2 –. Všimnite si, že fenylacetaldehyd C 6 H 5 CH 2 CHO nespĺňa podmienky problému, dáva tri signály v PMR spektre. Z rovnakého dôvodu toluénaldehyd CH 3 C 6 H 4 CHO, oxid styrénu, 2,3-dihydrobenzofurán

Acetofenón C6H5C(0)CH3 je odmietnutý z troch dôvodov: po prvé, nepridáva HBr; druhý je chemický posun protónov acetylovej skupiny d" 2,1 ppm a v podmienkach d = 5,1 ppm; tretí sú singlety „rovnakej intenzity“, zatiaľ čo v acetofenóne je ich pomer 5:3.

Šifrovanú látku A možno pravdepodobne opísať jedným z navrhovaných vzorcov: o-xylénoxid alebo n-xylénoxid Tieto zlúčeniny reagujú s bromovodíkom za vzniku látky B - dibromid:

  • Úloha 5. PMR spektrum zlúčeniny C 10 H 13 BrО je znázornené na obr. 7. Pri zahrievaní s HBr táto zlúčenina vytvára dva reakčné produkty: benzylbromid C6H5CH2Br a dibrómpropán C3H6Br2. Určite zdrojové pripojenie.

Ryža. 7. PMR spektrum zlúčeniny C10H13BrО. (Čísla vo vrcholoch zľava doprava označujú integrovanú intenzitu signálov, ktorá sa rovná 5:2:2:2:2. Signály pri d = 3,5 ppm a d = 3,6 ppm predstavujú dva triplety.)

Analýza problémových podmienok: zlúčenina obsahuje štyri CH2 skupiny s neekvivalentnými protónmi, ktoré sa objavujú v rôznych oblastiach PMR spektra, čo vedie k štruktúrnemu vzorcu C 6 H 5 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 2 Br - benzyl-3 -brómpropyléter. Navrhované priradenie vysielaných signálov:

Reakcia éteru s HBr:

  • Úloha 6. Zlúčenina s molekulovým vzorcom C 4 H 8 O obsahuje karbonylovú skupinu. Identifikujte zlúčeninu na základe jej NMR spektra znázorneného na obr. 8.

Ryža. 8. NMR spektrum zlúčeniny C 4 H 8 O. (Signál pri d = 2,4 ppm pochádza z dvoch protónov a je nerozoznateľným dubletom tripletov. Signál s d = 9,8 ppm má formu jednoprotónového tripletu s veľmi malá vzdialenosť medzi čiarami spájajúcimi sa do jedného vrcholu.)

Chemický posun d = 9,8 ppm určuje aldehydovú skupinu –CHO. Ďalšie tri signály zodpovedajú n-butanalu z hľadiska integrálnej intenzity a multiplicity:

Všimnite si, že signál z a-metylénových protónov aldehydu CH3CH2-CH2-CHO je rozdelený na susedných protónoch skupiny CH2 na triplet. Aldehydový protón zdvojnásobuje obraz, čo vedie k tomu, že dva triplety sa zlúčia do jedného tripletu.

  • Úloha 7. Zlúčenina C 7 H 14 O obsahuje karbonylovú skupinu. Jeho NMR spektrum pozostáva z troch singletov v pomere 9 : 3 : 2 (podľa plochy piku), pričom d sa rovná 1,0, 2,1 a 2,3 ppm Identifikujte zlúčeninu.

Dotknutá zlúčenina je ketón (aldehyd by dával signál d 10 ppm z protónov CHO). Ku karbonylovej skupine sú pripojené: metyl –CH 3, d = 2,1 ppm a metylén –CH 2, d = 2,3 ppm Zvyšných deväť protónov patrí terc-butylovej skupine (CH 3) 3 C–. Protóny každého typu sú izolované (nemajú susedné C–H protóny) a javia sa ako singlety.

Ide teda o metylneopentylketón (4,4-dimetylpentanón-2)

  • Úloha 8. Zlúčeniny A a B sú izomérne diketóny vzorca C6H1002. NMR spektrum zlúčeniny A predstavuje dva jednotlivé signály pri d = 2,2 ppm (6H) a 2,8 ppm (4H). PMR spektrum zlúčeniny B je tiež reprezentované dvoma signálmi pri d = 1,3 ppm (triplet, 6H) a d = 2,8 ppm (kvartet, 4H). Aká je štruktúra zlúčenín A a B?

Pre látku A je prirodzené predpokladať symetrickú štruktúru, kde každý uhlík nesúci protón je pripojený k aprotickému uhlíku: CH3C(0)CH2CH2C(0)CH3 je acetonylacetón (hexándión-2,5). Protóny dvoch viazaných metylénových skupín sú ekvivalentné.

Látka B je charakterizovaná prítomnosťou dvoch etylových skupín (interakcia typu triplet – kvartet), preto má vzorec CH 3 CH 2 C (O) C (O) CH 2 CH 3 . toto je hexándión-3,4. Priraďme chemické posuny protónov rôznych typov:

  • Úloha 9. Pri reakcii butanónu-2 (1 mol) s molekulárnym brómom Br 2 (2 mol) vo vodnej kyseline HBr vzniká látka C 4 H 6 Br 2 O. PMR spektrum tohto reakčného produktu je charakterizované signálmi pri d = 1,9 ppm (dublet, 3H), 4,6 ppm (singlet, 2H) a 5,2 ppm (kvartet, 1H). Definujte toto spojenie.

butanón- je C-H kyselina. Karbonylová skupina absorbuje elektrónovú hustotu a protóny v polohe a k sa stanú kyslými (väzby C–H sú najmenej silné v ).

Zapíšme si vznik možných štruktúr - výsledok nahradenia dvoch vodíkov atómami brómu: Br 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) a СH 3 C( 0) СBr2 СН 3 (3). Pokiaľ ide o počet signálov, ich chemické posuny, integrálnu intenzitu a multiplicitu, štruktúra (2) vyhovuje experimentálnym údajom (spektrum):

  • Úloha 10. Pri bromácii 3-metylbutanónu-2 vznikajú dve zlúčeniny (izoméry A a B), každá s molekulovým vzorcom C5H9BrO a v pomere 95:5. NMR spektrum hlavného izoméru A obsahuje dublet pri d = 1,2 ppm (6H), heptet pri d = 3,0 ppm (1H) a singlet pri d = 4,1 ppm (2N). NMR spektrum minoritného izoméru B (ako nečistoty) je vyjadrené dvoma singletmi pri d = 1,9 ppm a d = 2,5 ppm. Singlet pri d = 2,5 ppm je polovicou singletu plochy píku pri d = 1,9 ppm. štruktúrne vzorce týchto dvoch zlúčenín.

Bromácia 3-metylbutanónu-2 prebieha v a-polohe ku karbonylovej skupine:

  • Úloha 11. NMR spektrá kyselín mravčej HOOCH, maleínovej cis-HOOCCH=CHCOOH a malónových kyselín HOOCCH 2 COOH sú zaujímavé tým, že každé obsahuje dva singlety rovnakej intenzity. Označme spektrá týchto zlúčenín takto:

spektrum A: d = 3,2 a d = 12,1 ppm;
spektrum B: d = 6,3 a d = 12,4 ppm;
spektrum B: d = 8,0 a d = 11,4 ppm.

Určte, ktoré spektrum zodpovedá každej kyseline.

V oblasti chemických posunov d = 11–12,5 ppm sa objavujú protóny karboxylovej skupiny –COOH. Charakteristické hodnoty pre každú látku samostatne budú d = 3,2–8,0 ppm, t.j. v silnejšom poli. V kyselinách malónových a maleínových sú vnútorné atómy uhlíka umiestnené medzi karboxylovými skupinami alifatické (viazané iba na atómy C a H).

Naopak, v kyseline mravčej je jediným uhlíkom v molekule karboxyl (alebo karbonyl), preto sa s ním spojený protón H–COCH objavuje v slabom poli, d = 8 ppm.

Prítomnosť dvojitej väzby v uhlíkovom reťazci kyseliny maleínovej spôsobuje posun pri d = 6,3 ppm od protónov –CH=CH– v porovnaní s d = 3,2 ppm pre kyselinu –CH2 – malónovú.

Takže spektrum A patrí kyseline malónovej, spektrum B kyseline maleínovej, spektrum C kyseline mravčej.

  • Úloha 12. Zlúčeniny A a B sú izoméry s molekulovým vzorcom C4H8O3. Identifikujte A a B z ich PMR spektier.

Zlúčenina A: d = 1,3 ppm (triplet, 3 H); 3,6 ppm (kvartet, 2 N); 4,1 ppm (singlet, 2 H); 11,1 ppm (singlet, 1H).
Zlúčenina B: d je 2,6 ppm (triplet, 2 H); 3,4 ppm (singlet, 3 H); 3,7 ppm (triplet, 2 H); 11,3 ppm (singlet, 1H).

Látky A a B sú karboxylové kyseliny, čo je určené chemickým posunom pri d" 11 ppm karboxylového protónu – COOH. Dva kyslíky sú súčasťou karboxylovej skupiny. Tretí kyslík je obsiahnutý v molekule vo forme éterovej väzby C–O–C. Na základe integrálnej intenzity signálov, ich chemických posunov a multiplicity skladáme vzorce látok:

  • Úloha 13. Zlúčeniny A a B sú karboxylové kyseliny. Napíšte štruktúrny vzorec každej zlúčeniny na základe spektier PMR:

a) zlúčenina A (C3H5C102) (obr. 9);

Ryža. 9. PMR spektrum zlúčeniny A (C3H5C102)

b) zlúčenina B (C9H9NO4) (obr. 10).

Ryža. 10. PMR spektrum zlúčeniny B (C9H9NO4)

a) Látka A – kyselina b-chlórpropiónová ClCH 2 CH 2 COOH. Susedné metylénové skupiny tvoria tripletové signály rovnakej intenzity v rôznych oblastiach spektra. Tento príklad ukazuje, ako je možné pomocou PMR spektier vyhodnotiť vlastnosti substituentov priťahujúcich elektróny: d (CH2CI) = 3,77 ppm, d (CH2COOH) = 2,85 ppm, t.j. chlór je silnejší akceptor elektrónov ako karboxyl skupina.

b) Látka B obsahuje karboxylovú skupinu (rezonancia karboxylového protónu pri d" 12 ppm), para-substituovaný aromatický benzénový kruh (štvorčiarové spektrum pri d = 7,5–8,2 ppm), nitroskupinu a dva spojené alkylové uhlíky. CH 3 CH (podľa integrálnej intenzity a charakteru štiepenia dublet-kvartet).

Možné štruktúrne vzorce:

kyselina a-(n-nitrofenyl)propiónová

kyselina 4-(a-nitroetyl)benzoová

Referencie

Kazitsyna L.A., Kupletskaya N.B. Aplikácia UV, IR, NMR a hmotnostnej spektroskopie v organickej chémii. M.: Vydavateľstvo Moskovskej štátnej univerzity, 1979, 238 s.; Silverstein R., Bassler G., Morrill T. Spektrometrická identifikácia organických zlúčenín. M.: Mir, 1977, 592 s.; Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. NMR spektroskopia v organickej chémii. L.: Chemistry, 1983, 269 s.; Deroume E. Moderné NMR metódy pre chemické zlúčeniny. M.: Mir, 1992, 401 s.

MINISTERSTVO ZDRAVOTNÍCTVA RUSKEJ FEDERÁCIE

VŠEOBECNÝ FARMAKOPOESKÝ ČLÁNOK

Spektroskopia jadrových OFS.1.2.1.1.0007.15
magnetická rezonancia namiesto GFXII, časť 1,
OFS 42-0046-07

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia (NMR) je metóda založená na absorpcii rádiofrekvenčného elektromagnetického žiarenia jadrami vzorky s nenulovým magnetickým momentom umiestneným v konštantnom magnetickom poli ( B 0). Izotopy jadier prvkov s nepárnou atómovou hmotnosťou (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P atď.) majú nenulové magnetické momenty.

Všeobecné zásady

Jadro rotujúce okolo svojej osi má svoj vlastný moment hybnosti (uhlový moment alebo spin) P. Magnetický moment jadra μ je priamo úmerný spinu: μ = γ ∙P(γ – koeficient proporcionality alebo gyromagnetický pomer). Uhlové a magnetické momenty sú kvantované, t.j. môže byť v jednom z 2 ja+ 1 stavy otáčania ( ja – spinové kvantové číslo). Rôzne stavy magnetických momentov jadier majú rovnakú energiu, ak na ne nepôsobí vonkajšie magnetické pole. Pri umiestnení jadier do vonkajšieho magnetického poľa B 0, energetická degenerácia jadier je odstránená a vzniká možnosť energetického prechodu z jednej úrovne do druhej. Proces distribúcie jadier medzi rôznymi energetickými hladinami prebieha v súlade s Boltzmannovým distribučným zákonom a vedie k vzniku makroskopickej rovnovážnej pozdĺžnej magnetizácie M z. Čas potrebný na vytvorenie M z po zapnutí vonkajšieho magnetického poľa IN 0 sa nazýva čas pozdĺžne alebo točiť—mriežka relaxácia (T 1). Rovnovážne rozloženie jadier je narušené vplyvom vysokofrekvenčného magnetického poľa ( B 1), kolmo B 0, čo spôsobuje ďalšie prechody medzi energetickými hladinami sprevádzané absorpciou energie (fenomén nukleárna magnetická rezonancia). Frekvencia ν 0, pri ktorej dochádza k absorpcii energie jadrami ( Larmorová alebo rezonančná absorpčná frekvencia), sa mení v závislosti od veľkosti konštantného poľa B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. V momente rezonancie dochádza k interakcii medzi jednotlivými nukleárnymi magnetickými momentmi a poľom IN 1, ktorý vypíše vektor M z rovnovážnej polohy pozdĺž osi z. V dôsledku toho sa objaví priečna magnetizácia M xy. Jeho zmena, spojená s výmenou v rámci spinového systému, je charakterizovaná časom priečne alebo spin-spin relaxácia (T 2).

Závislosť intenzity absorpcie energie jadrami jedného typu od frekvencie rádiofrekvenčného magnetického poľa na pevnej hodnote IN Volá sa 0 jednorozmerné spektrumnukleárna magnetická rezonancia jadrá tohto typu. NMR spektrum je možné získať dvoma spôsobmi: kontinuálnym ožarovaním vzorky rádiofrekvenčným poľom s rôznou frekvenciou, výsledkom čoho je priame zaznamenanie NMR spektra (kontinuálna radiačná spektroskopia), alebo vystavením vzorky krátkemu rádiofrekvenčnému impulzu ( pulzná spektroskopia). Pulzná NMR spektroskopia deteguje časovo upadajúce koherentné žiarenie emitované jadrami po návrate do pôvodného spinového stavu ( voľný indukčný rozpadový signál), po ktorej nasleduje konverzia časovej stupnice na frekvenciu ( Fourierova transformácia).

V molekulách elektróny atómov znižujú veľkosť efektívneho vonkajšieho magnetického poľa B 0 v mieste jadra, t.j. sa prejavuje diamagnetické tienenie:

B lok = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok – sila výsledného poľa;

σ – skríningová konštanta.

Rozdiel v rezonančných frekvenciách jadrových signálov, ktorý sa rovná rozdielu ich skríningových konštánt, sa nazýva chemický posun signálov označených symbolom δ merané v častiach na milión (ppm). Interakcia magnetických momentov jadier prostredníctvom elektrónov chemickej väzby ( spin-spin interakcia) spôsobuje štiepenie NMR signálu ( mnohosť, m). Počet komponentov v multipletoch je určený spinom jadra a počtom interagujúcich jadier. Miera interakcie spin-spin je konštanta spin-spin interakcie (J merané v hertzoch, Hz). hodnoty δ, m A J nezávisia od veľkosti konštantného magnetického poľa.

Intenzita NMR signálu jadra v spektre je určená populáciou jeho energetických hladín. Z jadier s prirodzeným obsahom izotopov produkujú najintenzívnejšie signály jadrá vodíka. Intenzitu NMR signálov ovplyvňuje aj pozdĺžna a priečna relaxačná doba (dlhá T 1 viesť k zníženiu intenzity signálu).

Šírka NMR signálov (rozdiel medzi frekvenciami v polovici maxima signálu) závisí od T 1 a T 2. Malé časy T 1 a T 2 spôsobujú široké a zle interpretované spektrálne signály.

Citlivosť metódy NMR (maximálna detekovateľná koncentrácia látky) závisí od intenzity jadrového signálu. Pre 1H jadrá je citlivosť 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Korelácie rôznych spektrálnych parametrov (napríklad chemické posuny rôznych jadier v rámci toho istého molekulárneho systému) možno získať homo- a heteronukleárnymi metódami v 2D alebo 3D formáte.

Zariadenie

Pulzný NMR spektrometer (NMR spektrometer) s vysokým rozlíšením pozostáva z:

  • magnet na vytvorenie konštantného magnetického poľa B 0 ;
  • teplotne riadený snímač s držiakom vzorky na dodávanie vysokofrekvenčného impulzu a určenie žiarenia emitovaného vzorkou;
  • elektronické zariadenie na vytváranie vysokofrekvenčného impulzu, zaznamenávanie, zosilňovanie a prevod voľného indukčného rozpadového signálu do digitálnej formy;
  • Zariadenia na nastavovanie a nastavovanie elektronických obvodov;
  • zariadenia na zber a spracovanie údajov (počítač);

a môže zahŕňať aj:

prietoková kyveta pre kvapalinovú chromatografiu, nukleárnu magnetickú rezonanciu alebo prietokovú injekčnú analýzu;

  • systém na vytváranie pulzného gradientu magnetického poľa.

Silné magnetické pole vytvára supravodivá cievka v Dewarovej banke naplnenej tekutým héliom.

Mala by sa overiť správna funkcia NMR spektrometra. Aby sa to overilo, vykonajú sa vhodné testy, zvyčajne vrátane merania šírky spektrálnej čiary v polovici maxima určitých píkov za určitých podmienok ( povolenie), reprodukovateľnosť polohy signálu a pomer signálu k šumu (vzťah medzi intenzitou špecifického signálu v NMR spektre a náhodnými fluktuáciami v oblasti spektra, ktorá neobsahuje signály z analytu, S/N) pre štandardné zmesi. Softvér spektrometra obsahuje algoritmy na stanovenie S/N. Všetci výrobcovia prístrojov poskytujú špecifikácie a protokoly na meranie týchto parametrov.

NMR spektroskopia vzoriek v roztokoch

Metodológia

Testovaná vzorka sa rozpustí v rozpúšťadle, do ktorého sa môže pridať vhodný štandard na kalibráciu chemického posunu, ako je uvedené v regulačnej dokumentácii. Hodnota relatívneho chemického posunu jadra látky (δ in) je určená nasledujúcim výrazom:

δ množstvo = (ν množstvo – ν štandard)/ν prístroj,

ν in-in – rezonančná frekvencia jadra látky, Hz;

ν štandard – rezonančná frekvencia štandardného jadra, Hz;

ν prístroja je pracovná frekvencia NMR spektrometra (frekvencia, pri ktorej sú splnené rezonančné podmienky pre vodíkové jadrá pri danom B 0, MHz).

Pre roztoky v organických rozpúšťadlách sa chemický posun v spektrách1H a13C meria vzhľadom na signál tetrametylsilánu, ktorého poloha sa považuje za 0 ppm. Chemické posuny sa počítajú smerom k slabému poľu (vľavo) od signálu tetrametylsilánu (delta - stupnica chemického posunu). Pre vodné roztoky sa ako štandard v1H NMR spektrách používa 2,2-dimetyl-2-silánpentán-5-sulfonát sodný, ktorého chemický posun protónov metylovej skupiny je 0,015 ppm. Pre 13 C spektrá vodných roztokov sa ako štandard používa dioxán, ktorého chemický posun je 67,4 ppm.

Pri kalibrácii spektier 19 F sa ako primárny štandard používa kyselina trifluóroctová alebo trichlórfluórmetán s nulovým chemickým posunom; spektrá 31 P – 85 % roztok kyseliny ortofosforečnej alebo trimetylfosfátu; spektrá 15 N – nitrometán alebo nasýtený roztok amoniaku. 1H a13C NMR typicky používa vnútorný štandard, ktorý sa priamo pridáva do testovanej vzorky. 15N, 19F a 31P NMR často používa externý štandard, ktorý sa uchováva oddelene v koaxiálnej valcovej trubici alebo kapiláre.

Pri popise NMR spektier je potrebné uviesť rozpúšťadlo, v ktorom je látka rozpustená a jej koncentráciu. Ako rozpúšťadlá sa používajú vysoko mobilné kvapaliny, v ktorých sú atómy vodíka nahradené atómami deutéria, aby sa znížila intenzita signálov rozpúšťadla. Deuterované rozpúšťadlo sa vyberá na základe nasledujúcich kritérií:

  • 1) rozpustnosť testovanej zlúčeniny v nej;
  • 2) absencia prekrývania signálov reziduálnych protónov deuterovaného rozpúšťadla so signálmi testovanej zlúčeniny;
  • 3) neprítomnosť interakcie medzi rozpúšťadlom a testovanou zlúčeninou, pokiaľ nie je uvedené inak.

Atómy rozpúšťadla produkujú signály, ktoré sa dajú ľahko identifikovať podľa ich chemického posunu a možno ich použiť na kalibráciu osi chemického posunu (sekundárny štandard). Chemické posuny signálov zvyškových protónov deuterovaných rozpúšťadiel majú nasledujúce hodnoty (ppm): chloroform - 7,26; benzén - 7,16; voda - 4,7; metanol -3,35 a 4,78; dimetylsulfoxid - 2,50; acetón - 2,05; Poloha signálu vody a protónov hydroxylových skupín alkoholov závisí od pH prostredia a teploty.

Na kvantitatívnu analýzu nesmú roztoky obsahovať nerozpustené častice. Niektoré kvantifikácie môžu vyžadovať pridanie vnútorného štandardu na porovnanie intenzity testovanej vzorky a štandardnej vzorky. Zodpovedajúce štandardné vzorky a ich koncentrácie musia byť špecifikované v regulačnej dokumentácii. Po umiestnení vzorky do skúmavky a uzatvorení sa vzorka vloží do magnetu NMR spektrometra, nastavia sa parametre testu (nastavenia, registračné parametre, digitalizácia voľného indukčného rozpadového signálu). Hlavné testovacie parametre uvedené v regulačnej dokumentácii sú zaznamenané alebo uložené v počítači.

Aby ste zabránili posunu spektra v priebehu času, vykonajte stabilizačný postup (zámok deutéria) s použitím signálu deutéria spôsobeného deuterovanými rozpúšťadlami, pokiaľ nie je uvedené inak. Prístroj je nastavený tak, aby získal najoptimálnejšie rezonančné podmienky a maximálny pomer S/N(shimming).

Počas testu je možné vykonať viacero sekvencií cyklov „pulz – zber dát – pauza“, po ktorých nasleduje sčítanie jednotlivých voľných indukčných signálov útlmu a priemerovanie úrovne šumu. Čas oneskorenia medzi pulznými sekvenciami, počas ktorého systém jadrových spinov obnovuje svoju magnetizáciu ( D 1), pre kvantitatívne merania musí presiahnuť čas pozdĺžnej relaxácie T 1: D 1 ≥ 5 T 1. Softvér spektrometra obsahuje algoritmy na stanovenie T 1. Ak je hodnota T 1 neznáma, odporúča sa použiť hodnotu D 1 = 25 s.

Po Fourierovej transformácii sú signály vo frekvenčnom znázornení kalibrované na zvolený štandard a ich relatívna intenzita je meraná integráciou - meraním pomeru plôch rezonančných signálov. V 13C spektrách sú integrované iba signály rovnakého typu. Presnosť integrácie signálu závisí od pomeru signál – hluk (S/N):

Kde u(ja) – štandardná integračná neistota.

Počet voľných akumulácií indukčného rozpadu potrebných na dosiahnutie uspokojivého pomeru S/ N, musia byť uvedené v regulačnej dokumentácii.

Spolu s jednorozmernými sa na analytické účely používajú homo- a heteronukleárne dvojrozmerné korelačné spektrá založené na určitej pulznej sekvencii (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE atď.). V dvojrozmerných spektrách sa interakcie medzi jadrami objavujú vo forme signálov nazývaných krížové vrcholy. Poloha krížových píkov je určená chemickými posunmi dvoch interagujúcich jadier. Na stanovenie zloženia komplexných zmesí a extraktov je výhodné použiť dvojrozmerné spektrá, pretože pravdepodobnosť prekrytia signálu (cross-peaks) v dvojrozmerných spektrách je výrazne nižšia ako pravdepodobnosť prekrytia signálu v jednorozmerných spektrách.

Na rýchle získanie spektier heterojadier (13 C, 15 N atď.) sa využívajú metódy (HSQC, HMBC), ktoré umožňujú získať spektrá iných jadier na 1H jadrách pomocou mechanizmov heteronukleárnej interakcie.

Technika DOSY, založená na zaznamenávaní straty fázovej koherencie jadrových spinov v dôsledku translačných pohybov molekúl pod vplyvom gradientu magnetického poľa, umožňuje získať spektrá jednotlivých zlúčenín (spektrálna separácia) v zmesi bez ich fyzikálnej separácie a určiť veľkosti, stupne agregácie a molekulové hmotnosti molekulárnych objektov (molekuly, makromolekuly, molekulárne komplexy, supramolekulové systémy).

Oblasti použitia

Rozmanitosť štruktúrnych a analytických informácií obsiahnutých v spektrách nukleárnej magnetickej rezonancie umožňuje použiť metódu nukleárnej magnetickej rezonancie na kvalitatívnu a kvantitatívnu analýzu. Použitie nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie v kvantitatívnej analýze je založené na priamej úmernosti molárnej koncentrácie magneticky aktívnych jadier k integrálnej intenzite zodpovedajúceho absorpčného signálu v spektre.

  1. Stanovenie pravosti účinnej látky. Stanovenie identity účinnej látky sa uskutočňuje porovnaním spektra testovanej vzorky so spektrom štandardnej vzorky alebo s publikovaným referenčným spektrom. Spektrá štandardných a skúšobných vzoriek sa musia získať použitím rovnakých techník a podmienok. Píky v porovnávaných spektrách sa musia polohovo zhodovať (odchýlky v hodnotách δ skúšobné a štandardné vzorky v rozmedzí ± 0,1 ppm. pre nukleárnu magnetickú rezonanciu 1 N a ± 0,5 ppm. pre nukleárnu magnetickú rezonanciu 13 C), integrálnu intenzitu a multiplicitu, ktorých hodnoty by sa mali uviesť pri popise spektier. V prípade absencie štandardnej vzorky možno použiť liekopisnú štandardnú vzorku, ktorej identita je potvrdená nezávislou štrukturálnou interpretáciou spektrálnych údajov a alternatívnymi metódami.

Pri potvrdení pravosti vzoriek nestechiometrického zloženia (napríklad prírodných polymérov s premenlivým zložením) je povolený nesúlad medzi vrcholmi testovaných a štandardných vzoriek v polohe a integrovanej intenzite signálu. Porovnávané spektrá musia byť podobné, t.j. obsahujú identické charakteristické signálne oblasti potvrdzujúce zhodu zloženia fragmentov testovanej a štandardnej vzorky.

Na stanovenie autenticity zmesi látok (extraktov) je možné použiť jednorozmerné NMR spektrá ako celok, ako „odtlačky prstov“ objektu, bez toho, aby sa upresňovali hodnoty δ a multiplicita jednotlivých signálov. V prípade použitia dvojrozmernej NMR spektroskopie by sa pri popise spektier (fragmentov spektra) nárokovaných na pravosť mali uviesť hodnoty krížových píkov.

  1. Identifikácia cudzích kontaminantov/reziduálnych organických rozpúšťadiel. Identifikácia cudzích nečistôt/reziduálnych organických rozpúšťadiel sa vykonáva podobne ako overenie pravosti účinnej látky, sprísnenie požiadaviek na citlivosť a digitálne rozlíšenie.
  2. Stanovenie obsahu cudzích nečistôt/zvyškových organických rozpúšťadiel vo vzťahu k účinnej látke. Metóda NMR je priama absolútna metóda na stanovenie molárneho pomeru účinnej látky a prímesovej zlúčeniny ( n/n prímes):

Kde S‘ A S‘ nečistota – normalizované hodnoty integrálnych intenzít signálu účinnej látky a nečistoty.

Normalizácia sa uskutočňuje podľa počtu jadier v štruktúrnom fragmente, ktoré určujú meraný signál.

Hmotnostný podiel nečistoty/zvyškového organického rozpúšťadla vzhľadom na účinnú látku ( X atď.) sa určujú podľa vzorca:

M pr je molekulová hmotnosť nečistoty;

M– molekulová hmotnosť účinnej látky;

S‘ pr – normalizovaná hodnota integrovanej intenzity signálu nečistoty;

S'– normalizovaná hodnota integrálnej intenzity signálu účinnej látky.

  1. Kvantitatívne stanovenie obsahu látky (účinná látka, nečistota/zvyškové rozpúšťadlo) vo farmaceutickej látke. Absolútny obsah látky vo farmaceutickej látke sa určuje metódou vnútorného štandardu, pri ktorej sa vyberie látka, ktorej signály sú blízke signálom stanovovanej látky bez toho, aby sa s nimi prekrývali. Intenzity signálu analytu a štandardu by sa nemali výrazne líšiť.

Percento analytu v testovanej vzorke vyjadrené v sušine ( X,% hmotnosti) sa vypočíta podľa vzorca:

X,% hmotnosti = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ a 0 /M 0 ∙ a) ∙ ,

S'– normalizovaná hodnota integrálnej intenzity signálu analytu;

S‘ 0 – normalizovaná hodnota integrálnej intenzity štandardného signálu;

M– molekulová hmotnosť stanovovanej látky;

M 0 – molekulová hmotnosť;

a– odvážená vzorka skúšobnej vzorky;

0– odvážená časť štandardnej látky;

W- obsah vlhkosti, %.

Nasledujúce zlúčeniny môžu byť použité ako štandardné látky: kyselina maleínová (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzylbenzoát (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), kyselina malónová (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), sukcínimid (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), acetanilid (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), drhne-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Relatívny obsah látky ako sa zisťuje podiel zložky v zmesi zložiek farmaceutickej látky metódou vnútornej normalizácie. Molnaya ( X mol) a hmotnosť ( X hmotnosť) zložkový zlomok i v zmesi n látky sa určujú podľa vzorcov:

  1. Stanovenie molekulovej hmotnosti proteínov a polymérov. Molekulové hmotnosti proteínov a polymérov sa určujú porovnaním ich mobility s mobilitou štandardných zlúčenín so známou molekulovou hmotnosťou pomocou techník DOSY. Meria sa koeficienty samodifúzie ( D) testovacie a štandardné vzorky, vykreslite závislosť logaritmov molekulových hmotností štandardných zlúčenín na logaritmoch D. Pomocou takto získaného grafu sa pomocou lineárnej regresie určia neznáme molekulové hmotnosti testovaných vzoriek. Úplný popis experimentu DOSY musí byť uvedený v regulačnej dokumentácii.

NMR spektroskopia pevných látok

Vzorky v tuhom stave sa analyzujú pomocou špeciálne vybavených NMR spektrometrov. Niektoré technické operácie (rotácia práškovej vzorky v rotore naklonenom v magickom uhle (54,7°) k osi magnetického poľa IN 0, silové párovanie, prenos polarizácie z ľahko excitovateľných jadier na menej polarizovateľné jadrá - krížová polarizácia) umožňujú získať spektrá organických a anorganických zlúčenín s vysokým rozlíšením. Úplný popis postupu musí byť uvedený v regulačnej dokumentácii. Hlavnou oblasťou použitia tohto typu NMR spektroskopie je štúdium polymorfizmu tuhých liečiv.

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia je jednou z najbežnejších a veľmi citlivých metód na určovanie štruktúry organických zlúčenín, ktorá umožňuje získať informácie nielen o kvalitatívnom a kvantitatívnom zložení, ale aj o umiestnení atómov voči sebe navzájom. Rôzne NMR techniky majú veľa možností na určenie chemickej štruktúry látok, konfirmačných stavov molekúl, efektov vzájomného ovplyvňovania a intramolekulárnych premien.

Metóda nukleárnej magnetickej rezonancie má množstvo charakteristických čŕt: na rozdiel od optických molekulových spektier dochádza k absorpcii elektromagnetického žiarenia látkou v silnom rovnomernom vonkajšom magnetickom poli. Okrem toho, aby bolo možné vykonať NMR štúdiu, musí experiment spĺňať niekoľko podmienok odrážajúcich všeobecné princípy NMR spektroskopie:

1) záznam NMR spektier je možný len pre atómové jadrá s vlastným magnetickým momentom alebo takzvané magnetické jadrá, v ktorých je počet protónov a neutrónov taký, že hmotnostný počet jadier izotopov je nepárny. Všetky jadrá s nepárnym hmotnostným číslom majú spin I, ktorého hodnota je 1/2. Takže pre jadrá 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R sa hodnota spinu rovná 1/2, pre jadrá 7 Li, 23 Na, 39 K a 4 l R sa spin rovná 3/2. . Jadrá s párnym hmotnostným číslom buď nemajú vôbec žiadny spin, ak je jadrový náboj párny, alebo majú celočíselné hodnoty spinu, ak je náboj nepárny. Iba tie jadrá, ktorých spin je 10, môžu produkovať NMR spektrum.

Prítomnosť spinu je spojená s cirkuláciou atómového náboja okolo jadra, preto vzniká magnetický moment μ . Rotujúci náboj (napríklad protón) s momentom hybnosti J vytvára magnetický moment μ=γ*J . Uhlovú jadrovú hybnosť J a magnetický moment μ vznikajúci pri rotácii možno znázorniť ako vektory. Ich konštantný pomer sa nazýva gyromagnetický pomer γ. Práve táto konštanta určuje rezonančnú frekvenciu jadra (obr. 1.1).


Obrázok 1.1 - Rotujúci náboj s uhlovým momentom J vytvára magnetický moment μ=γ*J.

2) metóda NMR skúma absorpciu alebo emisiu energie za neobvyklých podmienok tvorby spektra: na rozdiel od iných spektrálnych metód. NMR spektrum sa zaznamenáva z látky nachádzajúcej sa v silnom rovnomernom magnetickom poli. Takéto jadrá vo vonkajšom poli majú rôzne hodnoty potenciálnej energie v závislosti od niekoľkých možných (kvantovaných) uhlov orientácie vektora μ vo vzťahu k vektoru intenzity vonkajšieho magnetického poľa H 0 . Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa nemajú magnetické momenty alebo spiny jadier špecifickú orientáciu. Ak sú magnetické jadrá so spinom 1/2 umiestnené v magnetickom poli, potom niektoré z jadrových spinov budú rovnobežné s magnetickými siločiarami a druhá časť bude antiparalelná. Tieto dve orientácie už nie sú energeticky ekvivalentné a rotácie sú údajne rozdelené na dvoch energetických úrovniach.

Spiny s magnetickým momentom orientovaným pozdĺž +1/2 poľa sú označené symbolom | α >, s orientáciou antiparalelnou k vonkajšiemu poľu -1/2 - symbol | β > (obr. 1.2) .

Obrázok 1.2 - Tvorba energetických hladín pri pôsobení vonkajšieho poľa H 0 .

1.2.1 NMR spektroskopia na 1H jadrách Parametre PMR spektier.

Na dešifrovanie údajov 1H NMR spektier a priradenie signálov sa využívajú hlavné charakteristiky spektier: chemický posun, spin-spinová interakčná konštanta, integrovaná intenzita signálu, šírka signálu [57].

A) Chemický posun (C.C). H.S. stupnica Chemický posun je vzdialenosť medzi týmto signálom a signálom referenčnej látky, vyjadrená v dieloch na milión sily vonkajšieho poľa.

Ako štandard na meranie chemických posunov protónov sa najčastejšie používa tetrametylsilán [TMS, Si(CH 3) 4], obsahujúci 12 štruktúrne ekvivalentných, vysoko tienených protónov.

B) Interakčná konštanta spin-spin. V NMR spektrách s vysokým rozlíšením sa pozoruje štiepenie signálu. Toto štiepenie alebo jemná štruktúra v spektrách s vysokým rozlíšením je výsledkom interakcií spin-spin medzi magnetickými jadrami. Tento jav spolu s chemickým posunom slúži ako najdôležitejší zdroj informácií o štruktúre zložitých organických molekúl a distribúcii elektrónového oblaku v nich. Nezávisí od H0, ale závisí od elektrónovej štruktúry molekuly. Signál magnetického jadra interagujúceho s iným magnetickým jadrom je rozdelený do niekoľkých čiar v závislosti od počtu spinových stavov, t.j. závisí od spinov jadier I.

Vzdialenosť medzi týmito čiarami charakterizuje spin-spin väzbovú energiu medzi jadrami a nazýva sa spin-spin väzbová konštanta n J, kde n-počet väzieb, ktoré oddeľujú interagujúce jadrá.

Existujú priame konštanty J HH, geminálne konštanty 2 J HH , vicinálne konštanty 3 J HH a niektoré dlhodosahové konštanty 4 J HH , 5 J HH .

- geminálne konštanty 2 J HH môžu byť kladné aj záporné a môžu zaberať rozsah od -30 Hz do +40 Hz.



Vicinálne konštanty 3 J HH zaberajú rozsah 0 20 Hz; sú takmer vždy pozitívne. Zistilo sa, že vicinálna interakcia v nasýtených systémoch veľmi silne závisí od uhla medzi väzbami uhlík-vodík, teda od dihedrálneho uhla - (obr. 1.3).


Obrázok 1.3 - Dihedrálny uhol φ medzi väzbami uhlík-vodík.

Interakcia spin-spin na veľké vzdialenosti (4 J HH , 5 J HH ) - interakcia dvoch jadier oddelených štyrmi alebo viacerými väzbami; konštanty takejto interakcie sú zvyčajne od 0 do +3 Hz.

Tabuľka 1.1 – Spin-spin interakčné konštanty

B) Integrovaná intenzita signálu. Plocha signálov je úmerná počtu magnetických jadier rezonujúcich pri danej intenzite poľa, takže pomer plôch signálov udáva relatívny počet protónov každej štruktúrnej odrody a nazýva sa integrovaná intenzita signálu. Moderné spektrometre používajú špeciálne integrátory, ktorých hodnoty sa zaznamenávajú vo forme krivky, ktorej výška krokov je úmerná ploche zodpovedajúcich signálov.

D) Šírka čiar. Na charakterizáciu šírky čiar je zvykom merať šírku vo vzdialenosti polovice výšky od nulovej čiary spektra. Experimentálne pozorovaná šírka čiary pozostáva z prirodzenej šírky čiary, ktorá závisí od štruktúry a mobility, a rozšírenia z inštrumentálnych dôvodov

Bežná šírka čiary v PMR je 0,1-0,3 Hz, ale môže sa zväčšiť v dôsledku prekrývania susedných prechodov, ktoré sa presne nezhodujú, ale nie sú riešené ako samostatné čiary. Rozšírenie je možné v prítomnosti jadier so spinom väčším ako 1/2 a chemickou výmenou.

1.2.2 Aplikácia 1H NMR údajov na určenie štruktúry organických molekúl.

Pri riešení množstva problémov štrukturálnej analýzy, okrem tabuliek empirických hodnôt, Kh.S. Môže byť užitočné kvantifikovať účinky susedných substituentov na Ch.S. podľa pravidla aditivity efektívnych skríningových príspevkov. V tomto prípade sa zvyčajne berú do úvahy substituenty, ktoré nie sú vzdialené viac ako 2-3 väzby od daného protónu, a výpočet sa robí pomocou vzorca:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

kde 50 je chemický posun protónov štandardnej skupiny;

5i je príspevok skríningu substituentom.

1.3 NMR spektroskopia 13C. Získavanie a spôsoby zaznamenávania spektier.

Prvé správy o pozorovaní 13C NMR sa objavili v roku 1957, ale transformácia 13C NMR spektroskopie na prakticky používanú metódu analytického výskumu sa začala oveľa neskôr.

Magnetická rezonancia 13 C a 1 H majú veľa spoločného, ​​ale existujú aj významné rozdiely. Najbežnejší izotop uhlíka 12C má I=0. Izotop 13C má I=1/2, ale jeho prirodzený obsah je 1,1 %. Je to spolu so skutočnosťou, že gyromagnetický pomer jadier 13C je 1/4 gyromagnetického pomeru pre protóny. Čo znižuje citlivosť metódy pri experimentoch na pozorovaní13C NMR 6000-krát v porovnaní s 1H jadrami.

a) bez potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. 13C NMR spektrá získané v neprítomnosti úplného potlačenia spin-spin rezonancie protónmi sa nazývali spektrá s vysokým rozlíšením. Tieto spektrá obsahujú kompletné informácie o 13C - 1H konštantách. V relatívne jednoduchých molekulách sa obidva typy konštánt - priame a dlhé - nachádzajú celkom jednoducho. Takže 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, avšak spin-spinová interakcia môže nastať aj so vzdialenejšími protónmi s konštantami menšími ako 20 Hz.

b) úplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Prvý veľký pokrok v oblasti 13C NMR spektroskopie je spojený s využitím úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. Použitie úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi vedie k zlúčeniu multipletov s tvorbou singletových čiar, ak v molekule nie sú žiadne iné magnetické jadrá, ako napríklad 19F a 31P.

c) neúplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Avšak použitie režimu úplného oddelenia od protónov má svoje nevýhody. Pretože všetky uhlíkové signály sú teraz vo forme singletov, stratia sa všetky informácie o interakčných konštantách spin-spin 13C-1H. Navrhuje sa metóda, ktorá umožňuje čiastočne obnoviť informácie o konštantách priamej spin-spin interakcie 13 C-1H a zároveň si zachovať väčšiu časť výhod širokopásmového oddelenia. V tomto prípade sa v spektrách objavia štiepenia v dôsledku priamych konštánt spin-spin interakcie 13C - 1H. Tento postup umožňuje detekovať signály z neprotónovaných atómov uhlíka, pretože tieto nemajú protóny priamo spojené s 13 C a objavujú sa v spektrách s neúplným oddelením od protónov ako singlety.

d) modulácia CH interakčnej konštanty, JMODCH spektrum. Tradičným problémom v 13C NMR spektroskopii je určenie počtu protónov spojených s každým atómom uhlíka, t.j. stupeň protonizácie atómu uhlíka. Čiastočné potlačenie protónmi umožňuje rozlíšiť uhlíkový signál od multiplicity spôsobenej dlhodosahovými spin-spin interakčnými konštantami a získať štiepenie signálu vďaka priamym 13 C-1 H väzbovým konštantám. Avšak v prípade silne viazaných spinových systémov AB a prekrývanie multipletov v režime OFFR sťažuje jednoznačné rozlíšenie signálov.

1.Podstata javu

V prvom rade treba poznamenať, že hoci názov tohto javu obsahuje slovo „jadrový“, NMR nemá nič spoločné s jadrovou fyzikou a v žiadnom prípade nesúvisí s rádioaktivitou. Ak hovoríme o prísnom popise, potom sa bez zákonov kvantovej mechaniky nezaobídeme. Podľa týchto zákonov môže energia interakcie magnetického jadra s vonkajším magnetickým poľom nadobúdať len niekoľko diskrétnych hodnôt. Ak sú magnetické jadrá ožiarené striedavým magnetickým poľom, ktorého frekvencia zodpovedá rozdielu medzi týmito diskrétnymi energetickými úrovňami, vyjadrenými vo frekvenčných jednotkách, potom sa magnetické jadrá začnú pohybovať z jednej úrovne do druhej, pričom absorbujú energiu striedavého prúdu. lúka. Ide o fenomén magnetickej rezonancie. Toto vysvetlenie je formálne správne, ale nie veľmi jasné. Existuje ďalšie vysvetlenie, bez kvantovej mechaniky. Magnetické jadro si možno predstaviť ako elektricky nabitú guľu otáčajúcu sa okolo svojej osi (aj keď to tak nie je). Podľa zákonov elektrodynamiky rotácia náboja vedie k vzniku magnetického poľa, t.j. magnetického momentu jadra, ktorý je nasmerovaný pozdĺž osi otáčania. Ak je tento magnetický moment umiestnený v konštantnom vonkajšom poli, potom sa vektor tohto momentu začne precesovať, t.j. otáčať sa okolo smeru vonkajšieho poľa. Rovnakým spôsobom sa os horných precesov (rotuje) okolo vertikály, ak nie je rozkrútená striktne vertikálne, ale pod určitým uhlom. V tomto prípade úlohu magnetického poľa zohráva gravitačná sila.

­

Frekvencia precesie je určená vlastnosťami jadra a silou magnetického poľa: čím silnejšie je pole, tým vyššia je frekvencia. Potom, ak okrem konštantného vonkajšieho magnetického poľa je jadro ovplyvnené aj striedavým magnetickým poľom, jadro začne s týmto poľom interagovať - ​​zdá sa, že jadro silnejšie rozkýva, amplitúda precesie sa zvýši a jadro absorbuje energiu striedavého poľa. To sa však stane len za podmienky rezonancie, t.j. zhody frekvencie precesie a frekvencie vonkajšieho striedavého poľa. Ide o podobný klasický príklad zo školskej fyziky – vojaci pochodujúci cez most. Ak sa frekvencia kroku zhoduje s prirodzenou frekvenciou mosta, most sa hojdá stále viac a viac. Experimentálne sa tento jav prejavuje v závislosti absorpcie striedavého poľa od jeho frekvencie. V momente rezonancie sa absorpcia prudko zvyšuje a najjednoduchšie spektrum magnetickej rezonancie vyzerá takto:

­

2. Fourierova spektroskopia

Prvé NMR spektrometre fungovali presne tak, ako je opísané vyššie – vzorka bola umiestnená v konštantnom magnetickom poli a nepretržite na ňu bolo aplikované rádiofrekvenčné žiarenie. Potom sa plynulo menila buď frekvencia striedavého poľa, alebo intenzita konštantného magnetického poľa. Absorpcia energie striedavého poľa bola zaznamenaná rádiofrekvenčným mostíkom, z ktorého bol signál vyvedený do záznamníka alebo osciloskopu. Ale tento spôsob záznamu signálu sa už dlho nepoužíva. V moderných NMR spektrometroch sa spektrum zaznamenáva pomocou impulzov. Magnetické momenty jadier sú vybudené krátkym silným impulzom, po ktorom sa zaznamená signál indukovaný vo RF cievke voľne precesnými magnetickými momentmi. Tento signál postupne klesá na nulu, keď sa magnetické momenty vracajú do rovnováhy (tento proces sa nazýva magnetická relaxácia). NMR spektrum sa získa z tohto signálu pomocou Fourierovej transformácie. Ide o štandardný matematický postup, ktorý umožňuje rozložiť akýkoľvek signál na frekvenčné harmonické a získať tak frekvenčné spektrum tohto signálu. Tento spôsob záznamu spektra umožňuje výrazne znížiť hladinu hluku a vykonávať experimenty oveľa rýchlejšie.


­

Jeden excitačný impulz na zaznamenanie spektra je najjednoduchším NMR experimentom. V experimente však môže byť veľa takýchto impulzov rôzneho trvania, amplitúd, s rôznym oneskorením atď., v závislosti od toho, aké manipulácie výskumník potrebuje vykonať so systémom nukleárnych magnetických momentov. Takmer všetky tieto pulzné sekvencie však končia tým istým – záznamom signálu voľnej precesie, po ktorom nasleduje Fourierova transformácia.

3. Magnetické interakcie v hmote

Samotná magnetická rezonancia by zostala len zaujímavým fyzikálnym javom, keby nebolo magnetických interakcií jadier medzi sebou a s elektrónovým obalom molekuly. Tieto interakcie ovplyvňujú rezonančné parametre a s ich pomocou môže NMR metóda poskytnúť rôzne informácie o vlastnostiach molekúl - ich orientácii, priestorovej štruktúre (konformácii), medzimolekulových interakciách, chemickej výmene, rotačnej a translačnej dynamike. Vďaka tomu sa NMR stalo veľmi silným nástrojom na štúdium látok na molekulárnej úrovni, ktorý má široké využitie nielen vo fyzike, ale hlavne v chémii a molekulárnej biológii. Príkladom takejto interakcie je takzvaný chemický posun. Jeho podstata je nasledovná: elektrónový obal molekuly reaguje na vonkajšie magnetické pole a snaží sa ho tieniť – čiastočné tienenie magnetického poľa sa vyskytuje vo všetkých diamagnetických látkach. To znamená, že magnetické pole v molekule sa bude líšiť od vonkajšieho magnetického poľa o veľmi malé množstvo, čo sa nazýva chemický posun. Vlastnosti elektrónového obalu v rôznych častiach molekuly sú však rozdielne a odlišný je aj chemický posun. V súlade s tým sa budú tiež líšiť rezonančné podmienky pre jadrá v rôznych častiach molekuly. To umožňuje rozlíšiť chemicky neekvivalentné jadrá v spektre. Napríklad, ak vezmeme spektrum vodíkových jadier (protónov) čistej vody, potom bude existovať iba jedna čiara, pretože oba protóny v molekule H 2 O sú úplne rovnaké. Ale pre metylalkohol CH 3 OH už budú v spektre dve čiary (ak zanedbáme iné magnetické interakcie), keďže existujú dva typy protónov - protóny metylovej skupiny CH 3 a protón spojený s atómom kyslíka. Keď sa molekuly stanú zložitejšími, počet riadkov sa zvýši a ak vezmeme takú veľkú a zložitú molekulu ako proteín, potom v tomto prípade bude spektrum vyzerať asi takto:


­

4. Magnetické jadrá

NMR je možné pozorovať na rôznych jadrách, no treba povedať, že nie všetky jadrá majú magnetický moment. Často sa stáva, že niektoré izotopy majú magnetický moment, ale iné izotopy toho istého jadra nie. Celkovo existuje viac ako sto izotopov rôznych chemických prvkov, ktoré majú magnetické jadrá, no pri výskume sa zvyčajne nepoužíva viac ako 1520 magnetických jadier, všetko ostatné je exotické. Každé jadro má svoj vlastný charakteristický pomer magnetického poľa a frekvencie precesie, ktorý sa nazýva gyromagnetický pomer. Pre všetky jadrá sú tieto vzťahy známe. Pomocou nich môžete vybrať frekvenciu, pri ktorej bude pod daným magnetickým poľom pozorovaný signál z jadier, ktoré výskumník potrebuje.

Najdôležitejšími jadrami pre NMR sú protóny. V prírode sú najhojnejšie a majú veľmi vysokú citlivosť. Jadrá uhlíka, dusíka a kyslíka sú pre chémiu a biológiu veľmi dôležité, no vedci na ne veľa šťastia nemali: najčastejšie izotopy uhlíka a kyslíka 12 C a 16 O nemajú magnetický moment, prirodzený izotop dusíka 14N má chvíľu, ale je z viacerých dôvodov veľmi nepohodlný na experimenty. Existujú izotopy 13 C, 15 N a 17 O, ktoré sú vhodné na NMR experimenty, ale ich prirodzený výskyt je veľmi nízky a ich citlivosť je v porovnaní s protónmi veľmi nízka. Na NMR štúdie sa preto často pripravujú špeciálne vzorky obohatené o izotopy, v ktorých sa prirodzený izotop konkrétneho jadra nahrádza izotopom potrebným na experimenty. Vo väčšine prípadov je tento postup veľmi náročný a nákladný, no niekedy je to jediná možnosť, ako získať potrebné informácie.

5. Elektrónová paramagnetická a kvadrupólová rezonancia

Keď už hovoríme o NMR, nemožno nespomenúť dva ďalšie súvisiace fyzikálne javy – elektrónovú paramagnetickú rezonanciu (EPR) a jadrovú kvadrupólovú rezonanciu (NQR). EPR je v podstate podobná NMR, rozdiel je v tom, že rezonancia nie je pozorovaná v magnetických momentoch atómových jadier, ale elektrónového obalu atómu. EPR možno pozorovať len v tých molekulách alebo chemických skupinách, ktorých elektrónový obal obsahuje takzvaný nepárový elektrón, vtedy má obal nenulový magnetický moment. Takéto látky sa nazývajú paramagnety. EPR, podobne ako NMR, sa používa aj na štúdium rôznych štruktúrnych a dynamických vlastností látok na molekulárnej úrovni, no rozsah jej použitia je podstatne užší. Je to spôsobené najmä tým, že väčšina molekúl, najmä v živej prírode, neobsahuje nepárové elektróny. V niektorých prípadoch môžete použiť takzvanú paramagnetickú sondu, teda chemickú skupinu s nespárovaným elektrónom, ktorý sa viaže na skúmanú molekulu. Tento prístup má však zjavné nevýhody, ktoré obmedzujú možnosti tejto metódy. Navyše EPR nemá také vysoké spektrálne rozlíšenie (t.j. schopnosť rozlíšiť jednu čiaru od druhej v spektre) ako pri NMR.

Najťažšie je vysvetliť povahu NQR „na prstoch“. Niektoré jadrá majú takzvaný elektrický štvorpólový moment. Tento moment charakterizuje odchýlku rozloženia elektrického náboja jadra od sférickej symetrie. Interakcia tohto momentu s gradientom elektrického poľa vytvoreného kryštalickou štruktúrou látky vedie k rozštiepeniu energetických hladín jadra. V tomto prípade je možné pozorovať rezonanciu na frekvencii zodpovedajúcej prechodom medzi týmito úrovňami. Na rozdiel od NMR a EPR, NQR nevyžaduje vonkajšie magnetické pole, pretože k rozdeleniu hladiny dochádza bez neho. NQR sa používa aj na štúdium látok, ale jeho rozsah použitia je ešte užší ako v prípade EPR.

6. Výhody a nevýhody NMR

NMR je najvýkonnejšia a najinformatívnejšia metóda na štúdium molekúl. Presne povedané, toto nie je jedna metóda, je to veľké množstvo rôznych typov experimentov, t.j. pulzných sekvencií. Hoci sú všetky založené na fenoméne NMR, každý z týchto experimentov je navrhnutý tak, aby získal nejaké špecifické špecifické informácie. Počet týchto experimentov sa meria v desiatkach, ak nie stovkách. Teoreticky môže NMR, ak nie všetko, tak takmer všetko, čo všetky ostatné experimentálne metódy na štúdium štruktúry a dynamiky molekúl, aj keď v praxi je to možné, samozrejme, nie vždy. Jednou z hlavných výhod NMR je, že na jednej strane sú jeho prirodzené sondy, teda magnetické jadrá, rozmiestnené po celej molekule, a na druhej strane umožňuje tieto jadrá od seba odlíšiť a získať tak priestorovo selektívne údaje. na vlastnostiach molekuly. Takmer všetky ostatné metódy poskytujú informácie buď spriemerované pre celú molekulu alebo len o jednej jej časti.

NMR má dve hlavné nevýhody. Po prvé, je to nízka citlivosť v porovnaní s väčšinou ostatných experimentálnych metód (optická spektroskopia, fluorescencia, EPR atď.). To vedie k tomu, že na spriemerovanie šumu musí byť signál dlho akumulovaný. V niektorých prípadoch môže byť NMR experiment uskutočňovaný aj niekoľko týždňov. Po druhé, je to drahé. NMR spektrometre patria medzi najdrahšie vedecké prístroje, stoja minimálne státisíce dolárov, pričom najdrahšie spektrometre stoja niekoľko miliónov. Nie všetky laboratóriá, najmä v Rusku, si môžu dovoliť mať takéto vedecké vybavenie.

7. Magnety pre NMR spektrometre

Jednou z najdôležitejších a najdrahších častí spektrometra je magnet, ktorý vytvára konštantné magnetické pole. Čím silnejšie pole, tým vyššia je citlivosť a spektrálne rozlíšenie, takže vedci a inžinieri sa neustále snažia dostať polia čo najvyššie. Magnetické pole je vytvárané elektrickým prúdom v solenoide - čím silnejší je prúd, tým väčšie je pole. Nie je však možné zvyšovať prúd donekonečna, pri veľmi vysokom prúde sa solenoidový drôt jednoducho začne topiť. Preto spektrometre NMR s vysokým poľom už veľmi dlho používajú supravodivé magnety, t.j. magnety, v ktorých je solenoidový drôt v supravodivom stave. V tomto prípade je elektrický odpor drôtu nulový a pri žiadnej aktuálnej hodnote sa neuvoľňuje žiadna energia. Supravodivý stav je možné dosiahnuť len pri veľmi nízkych teplotách, len niekoľko stupňov Kelvina, čo je teplota tekutého hélia. (Vysokoteplotná supravodivosť je stále doménou čisto fundamentálneho výskumu.) Práve s udržiavaním tak nízkej teploty sú spojené všetky technické ťažkosti pri návrhu a výrobe magnetov, ktoré ich predražujú. Supravodivý magnet je postavený na princípe termosky-matriošky. Solenoid je umiestnený v strede, vo vákuovej komore. Je obklopený plášťom obsahujúcim tekuté hélium. Tento obal je cez vákuovú vrstvu obklopený obalom z tekutého dusíka. Teplota tekutého dusíka je mínus 196 stupňov Celzia, dusík je potrebný na to, aby sa hélium odparovalo čo najpomalšie. Nakoniec sa dusíkový obal izoluje od teploty miestnosti vonkajšou vákuovou vrstvou. Takýto systém je schopný udržiavať požadovanú teplotu supravodivého magnetu po veľmi dlhú dobu, hoci to vyžaduje pravidelné pridávanie tekutého dusíka a hélia do magnetu. Výhodou takýchto magnetov je okrem schopnosti získať vysoké magnetické polia aj to, že nespotrebúvajú energiu: po naštartovaní magnetu prechádza prúd supravodivými drôtmi prakticky bez strát dlhé roky.


­

8. Tomografia

V bežných NMR spektrometroch sa snažia čo najviac zjednotiť magnetické pole, je to potrebné na zlepšenie spektrálneho rozlíšenia. Ale ak je magnetické pole vo vzorke, naopak, veľmi nehomogénne, otvára to zásadne nové možnosti pre použitie NMR. Nehomogenitu poľa vytvárajú takzvané gradientné cievky, ktoré pracujú v tandeme s hlavným magnetom. V tomto prípade bude veľkosť magnetického poľa v rôznych častiach vzorky odlišná, čo znamená, že signál NMR nie je možné pozorovať z celej vzorky, ako v bežnom spektrometri, ale len z jej úzkej vrstvy, pre ktorú sú splnené podmienky rezonancie, t.j. požadovaný vzťah medzi magnetickým poľom a frekvenciou. Zmenou veľkosti magnetického poľa (alebo, čo je v podstate to isté, frekvencie pozorovania signálu) môžete zmeniť vrstvu, ktorá bude produkovať signál. Týmto spôsobom je možné vzorku „naskenovať“ v celom jej objeme a „vidieť“ jej vnútornú trojrozmernú štruktúru bez toho, aby sa vzorka akýmkoľvek mechanickým spôsobom zničila. Doposiaľ bolo vyvinutých veľké množstvo techník, ktoré umožňujú merať rôzne parametre NMR (spektrálne charakteristiky, magnetické relaxačné časy, rýchlosť vlastnej difúzie a niektoré ďalšie) s priestorovým rozlíšením vo vnútri vzorky. Z praktického hľadiska najzaujímavejšie a najdôležitejšie uplatnenie NMR tomografie bolo nájdené v medicíne. V tomto prípade je skúmaným „vzorkom“ ľudské telo. NMR zobrazovanie je jedným z najúčinnejších a najbezpečnejších (ale aj drahých) diagnostických nástrojov v rôznych oblastiach medicíny, od onkológie až po pôrodníctvo. Je zaujímavé, že lekári nepoužívajú slovo „jadrový“ v názve tejto metódy, pretože niektorí pacienti si to spájajú s jadrovými reakciami a atómovou bombou.

9. História objavovania

Za rok objavu NMR sa považuje rok 1945, keď Američania Felix Bloch zo Stanfordu a nezávisle od neho Edward Purcell a Robert Pound z Harvardu prvýkrát pozorovali NMR signál na protónoch. V tom čase sa už vedelo veľa o povahe jadrového magnetizmu, samotný NMR efekt bol teoreticky predpovedaný a bolo urobených niekoľko pokusov o jeho experimentálne pozorovanie. Je dôležité poznamenať, že o rok skôr v Sovietskom zväze, v Kazani, objavil fenomén EPR Evgeniy Zavoisky. Teraz je dobre známe, že Zavoisky tiež pozoroval NMR signál, to bolo pred vojnou, v roku 1941. Mal však k dispozícii nekvalitný magnet so zlou rovnomernosťou poľa, výsledky boli zle reprodukovateľné a preto zostali nepublikované. Aby sme boli spravodliví, treba poznamenať, že Zavoisky nebol jediný, kto pozoroval NMR pred jeho „oficiálnym“ objavom. Najmä americký fyzik Isidor Rabi (nositeľ Nobelovej ceny z roku 1944 za štúdium magnetických vlastností jadier v atómových a molekulárnych lúčoch) tiež pozoroval NMR koncom 30. rokov, ale považoval ho za inštrumentálny artefakt. Tak či onak, naša krajina si zachováva prioritu v experimentálnej detekcii magnetickej rezonancie. Aj keď sa sám Zavoisky začal čoskoro po vojne zaoberať inými problémami, jeho objav zohral obrovskú úlohu v rozvoji vedy v Kazani. Kazaň stále zostáva jedným z popredných svetových vedeckých centier pre EPR spektroskopiu.

10. Nobelove ceny za magnetickú rezonanciu

V prvej polovici 20. storočia bolo udelených niekoľko Nobelových cien vedcom, bez ktorých práce by sa objav NMR nemohol uskutočniť. Medzi nimi Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ale boli tam štyri Nobelove ceny priamo súvisiace s NMR. V roku 1952 bola cena udelená Felixovi Blochovi a Edwardovi Purcellovi za objav nukleárnej magnetickej rezonancie. Toto je jediná „NMR“ Nobelova cena za fyziku. V roku 1991 dostal cenu za chémiu Švajčiar Richard Ernst, ktorý pôsobil na slávnom ETH v Zürichu. Získal ju za vývoj metód viacrozmernej NMR spektroskopie, ktoré umožnili radikálne zvýšiť informačný obsah NMR experimentov. V roku 2002 sa víťazom ceny za chémiu stal Kurt Wüthrich, ktorý pracoval s Ernstom v susedných budovách tej istej technickej školy. Cenu získal za vývoj metód na určenie trojrozmernej štruktúry bielkovín v roztoku. Predtým bola jedinou metódou na určenie priestorovej konformácie veľkých biomakromolekúl röntgenová difrakčná analýza. Napokon v roku 2003 dostali lekársku cenu za vynález NMR tomografie Američan Paul Lauterbur a Angličan Peter Mansfield. Sovietsky objaviteľ EPR, E.K. Zavoisky, bohužiaľ, nedostal Nobelovu cenu.

NMR spektroskopia

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia, NMR spektroskopia- spektroskopická metóda na štúdium chemických objektov, využívajúca jav nukleárnej magnetickej rezonancie. Najdôležitejšie pre chémiu a praktické aplikácie sú protónová magnetická rezonančná spektroskopia (PMR spektroskopia), ako aj NMR spektroskopia na uhlík-13 (13 C NMR spektroskopia), fluór-19 (infračervená spektroskopia, NMR odhaľuje informácie o molekulárnej štruktúre chemikálií Poskytuje však úplnejšie informácie ako IS, čo umožňuje študovať dynamické procesy vo vzorke - určiť rýchlostné konštanty chemických reakcií, hodnotu energetických bariér pre intramolekulárnu rotáciu. Tieto vlastnosti robia NMR spektroskopiu vhodným nástrojom v teoretickej organickej chémiu a na analýzu biologických objektov.

Základná technika NMR

Vzorka látky pre NMR sa umiestni do tenkostennej sklenenej skúmavky (ampule). Keď sa umiestni do magnetického poľa, aktívne jadrá NMR (napríklad 1H alebo 13C) absorbujú elektromagnetickú energiu. Rezonančná frekvencia, absorpčná energia a intenzita emitovaného signálu sú úmerné sile magnetického poľa. Takže v poli 21 Tesla rezonuje protón na frekvencii 900 MHz.

Chemický posun

V závislosti od miestneho elektronického prostredia rôzne protóny v molekule rezonujú na mierne odlišných frekvenciách. Pretože tento frekvenčný posun aj základná rezonančná frekvencia sú priamo úmerné sile magnetického poľa, toto posunutie sa premení na bezrozmernú veličinu nezávislú od magnetického poľa známej ako chemický posun. Chemický posun je definovaný ako relatívna zmena vo vzťahu k niektorým referenčným vzorkám. Posun frekvencie je extrémne malý v porovnaní s hlavnou frekvenciou NMR. Typický frekvenčný posun je 100 Hz, zatiaľ čo základná frekvencia NMR je rádovo 100 MHz. Chemický posun sa teda často vyjadruje v častiach na milión (ppm). Aby sa zistil taký malý frekvenčný rozdiel, aplikované magnetické pole musí byť vo vnútri objemu vzorky konštantné.

Pretože chemický posun závisí od chemickej štruktúry látky, používa sa na získanie štruktúrnych informácií o molekulách vo vzorke. Napríklad spektrum pre etanol (CH3CH2OH) dáva 3 charakteristické signály, to znamená 3 chemické posuny: jeden pre skupinu CH3, druhý pre skupinu CH2 a posledný pre OH. Typický posun pre skupinu CH3 je približne 1 ppm, pre skupinu CH2 pripojenú k OH-4 ppm a OH je približne 2-3 ppm.

V dôsledku pohybu molekúl pri izbovej teplote sa signály 3 metylových protónov spriemerujú počas procesu NMR, ktorý trvá len niekoľko milisekúnd. Tieto protóny degenerujú a tvoria vrcholy pri rovnakom chemickom posune. Softvér vám umožňuje analyzovať veľkosť vrcholov, aby ste pochopili, koľko protónov prispieva k týmto vrcholom.

Interakcia spin-spin

Najužitočnejšie informácie na určenie štruktúry v jednorozmernom NMR spektre poskytuje takzvaná spin-spin interakcia medzi aktívnymi NMR jadrami. Táto interakcia je výsledkom prechodov medzi rôznymi spinovými stavmi jadier v chemických molekulách, čo vedie k štiepeniu NMR signálov. Toto rozdelenie môže byť jednoduché alebo zložité a v dôsledku toho sa môže buď ľahko interpretovať, alebo môže byť pre experimentátora mätúce.

Táto väzba poskytuje podrobné informácie o väzbách atómov v molekule.

Interakcia druhého rádu (silná)

Jednoduchá spin-spinová väzba predpokladá, že väzbová konštanta je malá v porovnaní s rozdielom v chemických posunoch medzi signálmi. Ak sa posunový rozdiel zníži (alebo sa zvýši interakčná konštanta), intenzita multipletov vzoriek sa skreslí a bude ťažšie analyzovať (najmä ak systém obsahuje viac ako 2 rotácie). Avšak vo vysokovýkonných NMR spektrometroch je skreslenie zvyčajne mierne, čo umožňuje ľahko interpretovať súvisiace píky.

Účinky druhého rádu sa znižujú, keď sa frekvenčný rozdiel medzi multipletmi zvyšuje, takže vysokofrekvenčné NMR spektrum vykazuje menšie skreslenie ako nízkofrekvenčné spektrum.

Aplikácia NMR spektroskopie na štúdium proteínov

Väčšina najnovších inovácií v NMR spektroskopii sa uskutočňuje v takzvanej NMR spektroskopii proteínov, ktorá sa stáva veľmi dôležitou technikou v modernej biológii a medicíne. Celkovým cieľom je získať 3-rozmernú štruktúru proteínu vo vysokom rozlíšení, podobne ako obrázky získané v röntgenovej kryštalografii. V dôsledku prítomnosti väčšieho počtu atómov v molekule proteínu v porovnaní s jednoduchou organickou zlúčeninou je základné 1D spektrum preplnené prekrývajúcimi sa signálmi, čo znemožňuje priamu analýzu spektra. Preto boli vyvinuté multidimenzionálne techniky na vyriešenie tohto problému.

Na zlepšenie výsledkov týchto experimentov sa používa metóda označených atómov s použitím 13 C alebo 15 N. Týmto spôsobom je možné získať 3D spektrum proteínovej vzorky, čo sa stalo prelomovým v moderných farmaceutických výrobkoch. V poslednej dobe sa rozšírili techniky (ktoré majú výhody aj nevýhody) na získanie 4D spektier a spektier vyšších rozmerov, založené na nelineárnych vzorkovacích metódach s následnou obnovou voľného indukčného rozpadového signálu pomocou špeciálnych matematických techník.

Literatúra

  • Gunther X.Úvod do kurzu NMR spektroskopie. - Za. z angličtiny - M., 1984.

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite si, čo je „NMR spektroskopia“ v iných slovníkoch:

    Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia na uhlíkových jadrách 13, 13C NMR spektroskopia je jednou z metód NMR spektroskopie s využitím jadier izotopu uhlíka 13C. Jadro 13C má v základnom stave spin 1/2, jeho obsah je v prírode... ... Wikipedia

    Obrázok ľudského mozgu na lekárskom NMR tomografe Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) rezonančná absorpcia elektromagnetickej energie látkou obsahujúcou jadrá s nenulovým spinom vo vonkajšom magnetickom poli, spôsobená reorientáciou ... ... Wikipedia

    NMR spektroskopia

    NMR spektroskopia

    magnetická rezonančná spektroskopia- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškin atitikmenys: angl. NMR ...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

    nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopia; nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopia jadrovej… Fizikos terminų žodynas

    Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: angl. NMR ...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

    jadrová rezonančná spektroskopia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopia; nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopia jadrovej… Fizikos terminų žodynas

    Súbor výskumných metód. vo VA podľa absorpčných spektier ich atómov, iónov a molekúl. mag. rádiové vlny. Žiarenie zahŕňa elektrónové paramagnetické metódy. rezonancia (EPR), nukleárna magnetická. rezonancia (NMR), cyklotrónová rezonancia atď... Prírodná veda. encyklopedický slovník