NMR spektroskopisi. NMR spektroskopisi NMR spektroskopisi optik yöntemleri ifade eder

Derinlemesine kimya eğitimi veren okullar için

Lise derslerinde organik kimya madde sınıflarına göre incelenir. İlk olarak, doymuş (doğrusal ve döngüsel) ve doymamış (aromatik dahil) hidrokarbonları C A H B olarak ele alıyoruz. Daha sonra iki tip C ve H atomuna oksijen O eklenir. Oksijen içeren bileşikler C A H B O C, alkoller ROH, eterler R – O – R, fenoller ArOH, aldehitler RCHO, karboksilik asitler RCOOH, karboksilik asitlerin bazı türevleri - esterler RCOOR" , yağlar - gliserol esterleri, karbonhidratlar (polihidroksialdehitler).Daha sonra (11. sınıf programı) organik bileşiklerin bileşiminde nitrojen atomu N görünür.Azotlu bileşiklerin molekülleri üç elementin atomlarını içerir - C, H ve N (aminler C A H B N C ) - veya dört - C, H, N ve O (amidler, amino asitler, proteinler; genel formül C A H B N C O D). “Nükleik asitler” konusunda pirimidin ve pürin nitrojen içeren heterosikllerden bahsedilir. Organik maddelerin diğer türevleri halojen-, sülfo- nitro bileşikleri sınıflar olarak ayrı ayrı değerlendirilmez.

Her sınıfın maddelerini inceleme şeması bir plana göre oluşturulmuştur:

1) bileşim (molekülde hangi atomlar bulunur ve her türden kaç tane bulunur);
2) yapı (bu atomların nasıl bağlandığı, izomerizm);
3) özellikler (fiziksel - erime ve kaynama noktaları, yoğunluk, çözünürlük vb.; kimyasal - başlangıç ​​maddesinin bileşiminde veya yapısında değişikliklerle birlikte çeşitli dönüşümler);
4) üretim (doğal hammaddeler - bu maddenin nerede ve hangi biçimde bulunduğu; diğer maddelerden hangi kimyasal yöntemlerle elde edilebileceği);
5) uygulama (doğa ve insan tarafından nasıl kullanıldığı);
6) ilk beş noktayı pekiştirme görevleri.

Kabul edilen şemaya biraz ekleme yapılmasını öneriyoruz. Maddeleri tanımlamak ve bileşimlerini ve yapılarını doğrulamak için spektroskopi yöntemini - proton manyetik rezonansını (PMR) kullanmak uygundur. Konunun teorisi, 29/1998 sayılı “Kimya” gazetesinde ve 2/1999 sayılı “Okulda Kimya” dergisinde kısaca özetlenmiştir. En basit PMR spektrumunun nasıl çözüleceğini öğrenmek için aşağıdaki özellikleri veya karakteristikleri anlamanız gerekir.

PMR spektrum resmindeki tepe noktaları, uygulanan harici manyetik alanın enerjisinin maddenin protonları tarafından emilmesinin sinyalleridir.

Sinyal gruplarının sayısı molekülde kaç farklı türde proton bulunduğunu gösterir. Kimyasal olarak eşdeğer protonlar (aynı ortamda) spektrumun aynı bölgesindeki enerjiyi emer. Örneğin, 3-kloropentanın PMR spektrumunda

üç eşdeğer proton grubundan gelen üç sinyal seti vardır:

Kimyasal kayma (d), protonun kimyasal ortamına bağlı olarak spektrum sinyalinin ölçek üzerindeki kaymasıdır. Elektron alıcı atomlar ve soğuran protonun yakınındaki atom grupları (bir veya iki kimyasal bağ yoluyla), emilimi zayıf alan bölgesine (büyük d değerleri) kaydırır. Tetrametilsilan (CH3)4Si (TMS), kimyasal kaymaların ölçüldüğü bir standart olarak kullanılır. Test maddesinin PMR sinyalleri, TMS sinyalinin solundaki spektrumda görünür.

Kimyasal kaymaların değerleri özel birimlerle ifade edilir - milyon başına parça (ppm). Kimyasal kaydırma ölçeğinde veya d ölçeğinde, TMS sinyalinin konumu 0 ppm olarak alınır ve Şekil 2'de gösterildiği gibi ölçeğin sağ tarafında gösterilir. 1. Nispeten büyük d değerleri zayıf manyetik alan bölgesine karşılık gelir ve bunun tersi de geçerlidir, bu değerin küçük değerleri güçlü manyetik alan bölgesine karşılık gelir.

Pirinç. 1. 1,2-dikloroetanın PMR spektrumu

Sinyal zirvesinin alanı (kaydedici tarafından özetlenen) -sinyal yoğunluğu- moleküldeki her proton tipinin göreceli bolluğunu gösterir.

Sinyalin birkaç zirveye bölünmesi, söz konusu protonun diğer eşdeğer olmayan protonlarla (farklı ortamlara sahip) veya tek kütle numaralı diğer bazı çekirdeklerle (19 F, 31 P, vb.) etkileşimini gösterir.

Farklı proton türlerinin kimyasal kayma aralığını gösteren referans tabloları vardır. Bunları kullanarak, belirli bir protonun spektrumun hangi bölgesinde sinyal (tablo) verdiğini belirleyebilirsiniz.

Farklı proton türlerinin kimyasal kaymaları
PMR spektrumunda

*Azot ve oksijen ile birleşen protonların kimyasal kaymaları çözeltinin sıcaklığına ve konsantrasyonuna bağlıdır.

Genellikle PMR spektrumlarında eşdeğer protonlardan gelen sinyal ayrı bir tepe noktası (tekli) olarak değil, bunların bir kümesi olarak görünür. Sinyal iki (ikili), üç (üçlü), dört (dörtlü) veya daha fazla zirveye bölünebilir. Sinyallerin bu bölünmesi, eşdeğer olmayan hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) etkileşiminden kaynaklanmaktadır. Bu, atomların çekirdeklerini birbirine bağlayan kimyasal bağların elektronları aracılığıyla meydana gelen bir spin-spin etkileşimidir.

Eşdeğer protonlardan gelen sinyalin bölündüğü tepe noktalarının sayısına çokluk denir. Basit durumlarda kural kullanılır: Eşdeğer protonlardan gelen sinyalin çokluğu n + 1'e eşittir; burada n, komşu karbon atomlarında bulunan protonların sayısıdır. Üç bağla ayrılan H–C–C–H tipindeki bu tür protonlara komşu protonlar denir. Sinyal çokluğuna dayanarak, belirli bir sinyalden sorumlu protonlara yakın protonların sayısı yargılanabilir.

Örnek 1. 1,1,2-Trikloroetan Cl2CH–CH2Cl, spektrumda karakterize edilen iki tür proton içerir - metilen (-CH2Cl grubunda) ve metin (-CHCl2 grubunda) iki sinyalle: d (CH2Cl) = 3,5 ppm ve d (CHCl2) = 5,5 ppm, Şekil 2'de gösterildiği gibi. 2. –CH2Cl'den gelen sinyalin iki tepe noktası (çift), –CHCl2'den gelen sinyalin üç tepe noktası (üçlü) vardır. Kuralı kullanalım: sinyal çokluğu n + 1'dir; burada n, komşu protonların sayısıdır.

Pirinç. 2. 1,1,2-trikloroetanın PMR spektrumu

Örnek 2. Şek. Şekil 3, 1,1-dikloroetanın PMR spektrumunu göstermektedir. Spektrumdaki metil protonlar, d = 2.0m merkezli bir ikili ile karakterize edilir. d., metin protonu d = 5,9 ppm merkezli bir dörtlü verir.

Pirinç. 3. 1,1-dikloroetanın PMR spektrumu

Spin-spin etkileşiminin önemli bir özelliği, aşağıdaki örneklerle kanıtlandığı gibi, aynı kimyasal kaymaya sahip protonların (eşdeğer protonlar), birbirlerinden sinyalleri ayırmamasıdır.

Örnek 3. 1,2-dikloroetan ClCH2CH2Cl'de tüm protonlar eşdeğerdir, spektrum tekli formunda bir sinyale sahip olacaktır. Kimyasal kayma değeri d (CH2Cl) = 3,69 ppm (bkz. Şekil 1).

Örnek 4. 2,3-dimetilbütan (CH3)2CHCH(CH3)2 maddesi iki izopropil gruptan oluşur. Dört CH3 grubunun eşdeğer protonlarından gelen sinyaller, metin gruplarının protonları tarafından bir ikiliye bölünür. Buna karşılık, metin protonunun sinyali, metil gruplarının altı komşu protonu tarafından bir yediliye bölünür (Şekil 4).

Pirinç. 4. 2,3-dimetilbütanın PMR spektrumu

PMR spektrumlarını kullanarak maddelerin izomerlerini (aynı moleküler formüle sahip) ayırt etmek mümkündür. Örneğin, 1,1-dikloroetan (bkz. Şekil 3) ve 1,2-dikloroetan (bkz. Şekil 1) izomerlerinin spektrumları tamamen farklıdır.

Örnek 5. 1,1,2-trikloroetana ait olan C2H3Cl3 bileşimine sahip bir maddenin spektrumu (bkz. Şekil 2), iki sinyal içerir: d (CH2Cl) = 3,5 ppm (çift) ve d (CHCl2) = 5,5 ppm (üçlü). İzomerik 1,1,1-trikloroetanın spektrumu, d (CH3) = 2,7 ppm metil grubunun eşdeğer protonlarından bir tekli içerir.

Dolayısıyla PMR spektrumları bir maddenin bileşimi ve yapısı hakkında çok net ve bilgilendirici bilgiler sağlar. Bunlar evrenseldir; tüm organik bileşik sınıflarına uygulanabilir. Spektrumları anlamayı öğrenmek o kadar da zor değil ve onları çözmek solitaire oynamaktan daha eğlenceli. NMR spektroskopisini kullanan tipik görevler şunlardır.

• Görev 1. Aşağıdaki alkolleri PMR spektrumlarına göre tanımlayın:

a) bileşik A – C14H14O (Şekil 5) ve bileşik B – C9H11 BrO (Şekil 6).

Pirinç. 5. Bileşik A'nın (C14H14O) PMR spektrumu

a) Çözümün anahtarı, 10 N'ye karşılık gelen yoğunlukta d = 7,2–7,4 ppm aromatik protonların kimyasal kaymasına sahip bir sinyal tarafından verilir (bkz. Şekil 5). A maddesinin bir molekülünde bulunan iki fenil grubu C6H5, spektrumdaki bu sinyalden sorumludur.D = 2.27 ppm'deki singlet, hidroksil grubunun protonundan kaynaklanır ve alkol karbonundaki diğer ikame ediciler C6'dır. H5 grupları (iki) ve CH3 (d = 1,89 ppm'de ortalanmış sinyal, tekli, 3H). Arzu edilen A maddesi 1,1-difeniletanol-1'dir

(C6H5)2CCH3.
AH

b) B Maddesi, d = 6,90–7,45 ppm (dörtlü, 4 H) sinyaliyle kanıtlandığı gibi, iki ikameli bir benzen halkası içerir.

Pirinç. 6. B bileşiğinin (C9H11BrO) PMR spektrumu

Kimyasal kaymalar d =0,82 ppm (üçlü, 3 H) ve d =1,60 ppm (dörtlü, 2 H), bu sinyallerin yoğunluğu CH3CH2 etil grubunu belirler. d = 2,75 ppm'deki sinyal (tekli, İH) hidroksil proton OH'ye karşılık gelir; d = 4,40 ppm'deki sinyal (üçlü, 1H), metilen grubuna (CHCH2) bitişik metin protonuna aittir. Ayrıca zayıf bir alanda bir sinyalin ortaya çıkması CH'nin hidroksil grubu ile bağlantısını gösterir.

Benzen halkasındaki brom atomunun konumunu belirlemek için kalır. Simetrik dörtlü (4H) formundaki sinyalin, n-ikame edilmiş benzen halkasının karakteristiği olduğu bilinmektedir.

Sonuç olarak yapısal formül elde edildi.

istenen maddeye 1-(4"-bromofenil)propanol-1 adı verilir.

• Problem 2. Diol C8H18O2 periyodik asitle reaksiyona girmez, PMR spektrumu (ppm) d = 1,2 (12 H), d = 1,6 (4 H) ve d =2,0 (2 H)'de üç singlet içerir . Diolün yapısı nedir?

Diolün periyodik asitle reaksiyona girmemesi, hidroksil grupları taşıyan karbon atomlarının en az bir metilen grubuyla ayrıldığı anlamına gelir. Tüm sinyallerin tekli şeklinde ortaya çıkması, karbon zincirinde proton içeren karbon atomlarının aprotik karbonlarla dönüşümlü olduğunu gösterir.

d = 1,2'deki (12 H) sinyal dört eşdeğer kenar CH3 grubunun protonlarından gelir; d = 2.0'da (2 H) sinyal - diolün iki hidroksil protonundan; d = 1,6'daki (4 H) sinyal iki eşdeğer metilen grubundandır (komşu protonlarda sinyalde bölünme yoktur!). Verilen madde aşağıdaki yapıya sahiptir

ve 2,5-dimetilheksandiol-2,5 olarak adlandırılır.

• Görev 3. C5H12O moleküler formülüne sahip izomerik esterlerin PMR spektrumlarıyla ilgili aşağıdaki soruları yanıtlayın.

a) Eterlerden hangisi PMR spektrumunda sadece singletlar içerir?
b) Diğer sinyallerin yanı sıra, belirli bir eter, bir ikili-heptet etkileşim sistemine sahiptir. Eteri adlandırın.
c) Diğer sinyallerle birlikte bu eterin PMR spektrumu nispeten zayıf bir alanda iki sinyal içerir; biri tekli, diğeri ikili. Bu eterin yapısı nedir?
d) Spektrumun bir özelliği, nispeten zayıf bir alandaki iki sinyaldir: biri üçlü, diğeri dörtlüdür. Eteri adlandırın.

a) Tert-bütil metil eter (CH3)3COCH3.
b) İzopropil etil eter (CH3)2CHOCH2CH3, çünkü ikili-heptet etkileşim sistemi izole edilmiş bir izopropil grubu içerir.
c) Nispeten zayıf bir alanda, eterik karbon atomlarında protonlar belirir. Geleneksel olarak, bir sinyal bir singlettır, bu CH30'dur. C5H120 moleküler formülüne sahip bir madde için spektrumdaki ikili, OCH2CH grubuna aittir.
Madde izobutil metil eter (CH3)2CHCH2OCH3'tür.
d) Örnek c)'ye benzer şekilde, doğrudan eterik oksijenle ilişkili karbon atomlarındaki protonlardan gelen sinyallerin özelliği belirtilmektedir. Üçlü ve dörtlü sinyaller sırasıyla CH2 ve CH3 gruplarına bitişik protonlar tarafından üretilir.
Madde n-propiletil eter CH3CH2OCH2CH2CH3'tür.

• Sorun 4. A – C 8 H 8 O – maddesinin PMR spektrumu, d = 5,1 ppm (keskin) ve d = 7,2 ppm (geniş) değerlerinde eşit yoğunlukta iki tekliden oluşur.

Fazla hidrojen bromür ile işlendiğinde bileşik A, dibromit C8H8Br2'ye (ayrı bileşik B, bir izomer) dönüştürülür. Dibromürün NMR spektrumu, A maddesinin spektrumuna benzer; d = 4,7 ppm (keskin) ve d = 7,3 ppm (geniş) değerlerinde iki eşdeğer (alan içinde) tekli sergiler.

Bileşik A ve onun dibromo türevi B'nin olası yapısal formüllerini önerin.

A – C8 H8O – maddesinin bileşimi bir benzen halkası (d = 7,2 ppm) ve –H2C–O–CH2 – türünde bir eter bağına sahip iki eşdeğer grup içerir. Fenilasetaldehit C6H5CH2CHO'nun problemin koşullarını karşılamadığına dikkat edin; PMR spektrumunda üç sinyal verir. Aynı sebepten dolayı toluen aldehit CH3C6H4CHO, stiren oksit, 2,3-dihidrobenzofuran

Asetofenon C6H5C(O)CH3 üç nedenden dolayı reddedilir: birincisi, HBr eklemez; ikincisi, d" 2,1 ppm asetil grubunun protonlarının kimyasal kaymasıdır ve d = 5,1 ppm durumunda; üçüncüsü "aynı yoğunluktaki" teklilerdir, oysa asetofenondaki oranları 5:3'tür.

Muhtemelen, şifrelenmiş A maddesi önerilen formüllerden biriyle tanımlanabilir: o-ksilen oksit veya n-ksilen oksit Bu bileşikler hidrojen bromür ile reaksiyona girerek B maddesi - dibromür oluşturur:

• Problem 5. C10H13BrО bileşiğinin PMR spektrumu, Şekil 2'de gösterilmektedir. 7. HBr ile ısıtıldığında bu bileşik iki reaksiyon ürünü oluşturur: benzil bromit C6H5CH2Br ve dibromopropan C3H6Br2. Kaynak bağlantısını belirleyin.

Pirinç. 7. C10H13BrО bileşiğinin PMR spektrumu. (Soldan sağa tepe noktalarındaki sayılar, sinyallerin entegre yoğunluğunu gösterir; 5:2:2:2:2'ye eşittir. d = 3,5 ppm ve d = 3,6 ppm'deki sinyaller iki üçlüyü temsil eder.)

Sorun koşullarının analizi: bileşik, PMR spektrumunun farklı bölgelerinde görünen, eşdeğer olmayan protonlara sahip dört CH2 grubu içerir ve bu, C6H5CH2OCH2CH2CH2Br - benzil-3 yapısal formülüne yol açar. -bromopropil eter. Yayın sinyallerinin önerilen ataması:

Eterin HBr ile reaksiyonu:

• Problem 6. C4H8O moleküler formülüne sahip bir bileşik, bir karbonil grubu içerir. Şekil 2'de gösterilen NMR spektrumuna dayanarak bileşiği tanımlayın. 8.

Pirinç. 8. C4H8O bileşiğinin NMR spektrumu. (d = 2,4 ppm'deki sinyal iki protondan gelir ve üçlülerin ayırt edilemez bir çiftidir. d = 9,8 ppm'deki sinyal, tek protonlu üçlü formdadır. tek bir zirvede birleşen çizgiler arasında çok küçük bir mesafe.)

Kimyasal kayma d =9,8 ppm, aldehit grubu –CHO'yu belirler. Diğer üç sinyal, integral yoğunluğu ve çokluğu açısından n-butanal'e karşılık gelir:

CH3CH2-CH2-CHO aldehitin a-metilen protonlarından gelen sinyalin CH2 grubunun komşu protonlarında üçlü olarak bölündüğüne dikkat edin. Aldehit protonu resmi ikiye katlayarak iki üçlünün birleşerek tek bir üçlü oluşturmasına neden olur.

• Problem 7. C7H14O bileşiği bir karbonil grubu içeriyor. NMR spektrumu 9:3:2 oranında (tepe alanına göre) üç singletten oluşur ve d sırasıyla 1,0, 2,1 ve 2,3 ppm'ye eşittir.

Söz konusu bileşik bir ketondur (bir aldehit, CHO protonlarından 10 ppm'lik bir d sinyali verecektir). Karbonil grubuna bağlı olanlar: metil –CH3, d = 2,1 ppm ve metilen –CH2, d = 2,3 ppm Geri kalan dokuz proton, tert-bütil grubuna (CH3)3C– aittir. Her tipteki protonlar izole edilmiştir (komşu C-H protonları yoktur) ve tekli olarak görünürler.

Dolayısıyla metil neopentil ketondur (4,4-dimetilpentanon-2)

• Problem 8. Bileşik A ve B, C6H1002 formülüne sahip izomerik diketonlardır. Bileşik A'nın NMR spektrumu, d = 2,2 ppm (6H) ve 2,8 ppm'de (4H) iki tek sinyalle temsil edilir. Bileşik B'nin PMR spektrumu ayrıca d = 1,3 ppm (üçlü, 6H) ve d = 2,8 ppm'de (dörtlü, 4H) iki sinyalle temsil edilir. A ve B bileşiklerinin yapısı nedir?

A maddesi için, proton taşıyan her karbonun bir aprotik karbona bağlandığı simetrik bir yapı varsaymak doğaldır: CH3C(O)CH2CH2C(O)CH3 asetonilasetondur (heksanedion-2.5). Bağlı iki metilen grubunun protonları eşdeğerdir.

B Maddesi, iki etil grubunun varlığıyla karakterize edilir (üçlü-dörtlü tip etkileşim), dolayısıyla CH3CH2C(O)C(O)CH2CH3 formülüne sahiptir. bu heksanedion-3,4'tür. Farklı türdeki protonların kimyasal kaymalarını atayalım:

• Problem 9. Butanon-2 (1 mol), sulu asit HBr içerisinde moleküler bromin Br2 (2 mol) ile işlendiğinde, C4H6Br20 maddesi oluşur.Bu reaksiyon ürününün PMR spektrumu, sinyallerle karakterize edilir d = 1,9 ppm'de (ikili, 3H), 4,6 ppm (tekli, 2H) ve 5,2 ppm'de (dörtlü, İH). Bu bağlantıyı tanımlayın.

Bütanon... bir C-H asididir. Karbonil grubu elektron yoğunluğunu emer ve k pozisyonundaki protonlar asidik hale gelir (C-H bağları en az kuvvetli olanlardır). ).

Olası yapıların oluşumunu yazalım - iki hidrojenin brom atomlarıyla değiştirilmesinin sonucu: Br 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) ve СH 3 C( O)СBr 2 СН 3 ( 3). Sinyallerin sayısı, kimyasal kaymaları, integral yoğunluğu ve çokluğu bakımından yapı (2) deneysel verileri (spektrum) karşılamaktadır:

• Problem 10. 3-metilbütanon-2'nin brominasyonu sırasında, her biri C5H9BrO moleküler formülüne sahip ve 95:5 oranında iki bileşik (izomer A ve B) oluşur. Ana izomer A'nın NMR spektrumu, d = 1,2 ppm'de (6 H) bir ikili, d = 3,0 ppm'de (1 H) bir heptet ve d = 4,1 ppm'de (2 N) bir tekli içerir. Minör izomer B'nin (bir safsızlık olarak) NMR spektrumu, d = 1,9 ppm ve d = 2,5 ppm'de iki singlet ile ifade edilir. d = 2,5 ppm'deki singlet, d = 1,9 ppm'deki pik alanı teklisinin yarısıdır. Bu iki bileşiğin yapısal formülleri.

3-metilbutanon-2'nin brominasyonu, karbonil grubunun a-pozisyonunda meydana gelir:

• Problem 11. Formik asitler HOOCH, maleik cis-HOOCCH=CHCOOH ve malonik asitler HOOCCH2COOH'nin NMR spektrumları ilginçtir, çünkü her biri eşit yoğunlukta iki singlet içerir. Bu bileşiklerin spektrumlarını aşağıdaki gibi gösterelim:

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

Her bir asitin hangi spektruma karşılık geldiğini belirleyin.

Kimyasal kaymalar bölgesinde d = 11–12,5 ppm, karboksil grubunun –COOH protonları ortaya çıkar. Her madde için ayrı ayrı karakteristik değerler d = 3,2–8,0 ppm olacaktır, yani. daha güçlü bir alanda. Malonik ve maleik asitlerde karboksil grupları arasında bulunan iç karbon atomları alifatiktir (yalnızca C ve H atomlarına bağlıdır).

Aksine, formik asitte moleküldeki tek karbon karboksildir (veya karbonildir), bu nedenle onunla ilişkili H-COCH protonu zayıf bir alanda görünür, d = 8 ppm.

Maleik asidin karbon zincirinde çift bağın varlığı, –CH=CH– protonlarından d =6,3 ppm'de bir kaymaya neden olurken, –CH2 – malonik asit için d =3,2 ppm'de bir kaymaya neden olur.

Yani A spektrumu malonik asite, B spektrumu maleik asite, C spektrumu formik asite aittir.

• Problem 12. Bileşik A ve B, C4H8O3 moleküler formülüne sahip izomerlerdir. A ve B'yi PMR spektrumlarından tanımlayın.

Bileşik A: d = 1,3 ppm (üçlü, 3H); 3,6 ppm (dörtlü, 2 N); 4,1 ppm (tekli, 2H); 11,1 ppm (tekli, 1 H).
Bileşik B: d, 2,6 ppm'dir (üçlü, 2H); 3,4 ppm (tekli, 3H); 3,7 ppm (üçlü, 2H); 11,3 ppm (tekli, 1 H).

A ve B maddeleri, karboksil proton –COOH'nin d"11 ppm'deki kimyasal kaymasıyla belirlenen karboksilik asitlerdir. İki oksijen karboksil grubunun bir parçasıdır. Üçüncü oksijen molekülde C–O–C eter bağı formunda bulunur. Sinyallerin integral yoğunluğuna, kimyasal değişimlerine ve çokluğuna dayanarak maddelerin formüllerini oluşturuyoruz:

• Problem 13. Bileşik A ve B karboksilik asitlerdir. PMR spektrum verilerine dayanarak her bir bileşiğin yapısal formülünü yazın:

a) bileşik A (C3H5ClO2) (Şekil 9);

Pirinç. 9. Bileşik A'nın PMR spektrumu (C3H5ClO2)

b) bileşik B (C9H9NO4) (Şekil 10).

Pirinç. 10. B bileşiğinin PMR spektrumu (C9H9NO4)

a) Madde A – b-kloropropiyonik asit ClCH2CH2COOH. Bitişik metilen grupları, spektrumun farklı bölgelerinde eşit yoğunlukta üçlü sinyaller oluşturur. Bu örnek, PMR spektrumları kullanılarak ikame edicilerin elektron çekme özelliklerinin nasıl değerlendirilebileceğini gösterir: d (CH2Cl) = 3,77 ppm, d (CH2COOH) = 2,85 ppm, yani klor, karboksilden daha güçlü bir elektron alıcısıdır grup.

b) Madde B, bir karboksil grubu (d" 12 ppm'de karboksil protonunun rezonansı), bir para-ikameli aromatik benzen halkası (d = 7,5-8,2 ppm'de dört çizgi spektrumu), bir nitro grubu ve iki bağlı alkil karbonu içerir. CH3CH (integral yoğunluk ve ikili-dörtlü bölünmenin doğasına göre).

Olası yapısal formüller:

a-(n-nitrofenil)propiyonik asit

4-(a-nitroetil)benzoik asit

Referanslar

Kazitsyna L.A., Kupletskaya N.B. Organik kimyada UV, IR, NMR ve kütle spektroskopisinin uygulamaları. M.: Moskova Devlet Üniversitesi Yayınevi, 1979, 238 s.; Silverstein R., Bassler G., Morrill T. Organik bileşiklerin spektrometrik tanımlanması. M.: Mir, 1977, 592 s.; Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. Organik kimyada NMR spektroskopisi. L.: Kimya, 1983, 269 s.; Deroume E. Kimyasal bileşikler için modern NMR yöntemleri. M.: Mir, 1992, 401 s.

RUSYA FEDERASYONU SAĞLIK BAKANLIĞI

GENEL FARMAKOPE MAKALE

Nükleer OFS spektroskopisi.1.2.1.1.0007.15
GF yerine manyetik rezonansXII, Bölüm 1,
OFS 42-0046-07

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR), sabit bir manyetik alana yerleştirilen sıfır olmayan manyetik momente sahip bir numunenin çekirdekleri tarafından radyo frekansı elektromanyetik radyasyonunun emilmesine dayanan bir yöntemdir ( B 0). Tek atom kütlesine (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P, vb.) sahip elementlerin çekirdeklerinin izotopları sıfır olmayan manyetik momentlere sahiptir.

Genel İlkeler

Kendi ekseni etrafında dönen bir çekirdeğin kendi açısal momentumu (açısal momentum veya spin) vardır. P. Çekirdeğin manyetik momenti μ spin ile doğru orantılıdır: μ = γ ∙P(γ – orantılılık katsayısı veya jiromanyetik oran). Açısal ve manyetik momentler kuantize edilmiştir; 2'sinden birinde olabilir BEN+ 1 döndürme durumu ( BEN – spin kuantum sayısı). Çekirdeklerin manyetik momentlerinin farklı durumları, eğer dış bir manyetik alan tarafından etkilenmiyorlarsa aynı enerjiye sahiptirler. Çekirdekleri harici bir manyetik alana yerleştirirken B 0 ile çekirdeklerin enerji dejenerasyonu ortadan kalkar ve bir seviyeden diğerine enerji geçişi olasılığı ortaya çıkar. Çekirdeklerin farklı enerji seviyeleri arasında dağılım süreci Boltzmann dağılım yasasına uygun olarak ilerler ve makroskobik denge boyuna mıknatıslanmanın ortaya çıkmasına yol açar. M z. Oluşturmak için gereken süre M z harici manyetik alanı açtıktan sonra İÇİNDE 0'a zaman denir uzunlamasına veya döndürmek—kafes gevşeme (T 1). Radyo frekansı manyetik alanının etkisi altında çekirdeklerin denge dağılımı bozulur ( B 1), dikey B 0, enerji seviyeleri arasında ek geçişlere neden olur ve buna enerji emilimi eşlik eder (bu olgu nükleer manyetik rezonans). Sıklık ν 0, çekirdekler tarafından enerji emiliminin gerçekleştiği yer ( Larmorova veya rezonans soğurma frekansı), sabit alanın büyüklüğüne bağlı olarak değişir B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. Rezonans anında bireysel nükleer manyetik momentler ile alan arasında etkileşim meydana gelir. İÇİNDE 1 bir vektörün çıktısını verir M z ekseni boyunca denge konumundan z. Sonuç olarak, görünen enine mıknatıslanma M xy. Spin sistemi içindeki değişimle ilişkili değişim, zamanla karakterize edilir. enine veya döndürme-döndürme gevşeme (T 2).

Bir tür çekirdekler tarafından enerji emiliminin yoğunluğunun sabit bir değerde radyo frekansı manyetik alanının frekansına bağımlılığı İÇİNDE 0 denir tek boyutlu spektrumnükleer manyetik rezonans Bu türden çekirdekler. Bir NMR spektrumu iki yolla elde edilebilir: NMR spektrumunun doğrudan kaydedilmesiyle sonuçlanan, değişen frekanstaki bir radyofrekans alanıyla bir numuneyi sürekli olarak ışınlayarak (sürekli ışınlama spektroskopisi) veya numuneyi kısa bir radyofrekans darbesine maruz bırakarak (sürekli ışınlama spektroskopisi). darbe spektroskopisi). Darbeli NMR spektroskopisi, çekirdeklerin orijinal dönüş durumlarına döndükten sonra yaydığı zamanla azalan tutarlı radyasyonu tespit eder ( serbest indüksiyon bozunma sinyali) ardından zaman ölçeğinin frekansa dönüştürülmesi ( Fourier dönüşümü).

Moleküllerde atomların elektronları, etkili dış manyetik alanın büyüklüğünü azaltır. BÇekirdeğin bulunduğu yerde 0, yani. Kendini gösterir diyamanyetik koruma:

B işte = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok – ortaya çıkan alanın gücü;

σ – tarama sabiti.

Nükleer sinyallerin rezonans frekansları arasındaki, tarama sabitleri arasındaki farka eşit olan farka denir. kimyasal kayma sembolüyle gösterilen sinyaller δ Milyon başına parça (ppm) cinsinden ölçülür. Çekirdeklerin manyetik momentlerinin kimyasal bağ elektronları yoluyla etkileşimi ( spin-spin etkileşimi) NMR sinyalinin bölünmesine neden olur ( çokluk, m). Çoklu bileşenlerdeki bileşenlerin sayısı, çekirdeğin dönüşü ve etkileşime giren çekirdeklerin sayısı tarafından belirlenir. Spin-spin etkileşiminin ölçüsü spin-spin etkileşimi sabiti (J, hertz, Hz cinsinden ölçülür). δ değerleri, M Ve J sabit manyetik alanın büyüklüğüne bağlı değildir.

Spektrumdaki bir çekirdeğin NMR sinyalinin yoğunluğu, enerji seviyelerinin popülasyonu tarafından belirlenir. Doğal izotop içeriğine sahip çekirdeklerden en yoğun sinyaller hidrojen çekirdekleri tarafından üretilir. NMR sinyallerinin yoğunluğu aynı zamanda boyuna-enine gevşeme süresinden de etkilenir (uzun T 1 sinyal yoğunluğunun azalmasına neden olur).

NMR sinyallerinin genişliği (sinyalin maksimum yarısındaki frekanslar arasındaki fark) şunlara bağlıdır: T 1 ve T 2. Küçük zamanlar T 1 ve T 2 geniş ve kötü yorumlanmış spektrum sinyallerine neden olur.

NMR yönteminin hassasiyeti (bir maddenin tespit edilebilir maksimum konsantrasyonu), nükleer sinyalin yoğunluğuna bağlıdır. 1 H çekirdeği için hassasiyet 10 -9 ÷ 10 -11 mol'dür.

Çeşitli spektral parametrelerin korelasyonları (örneğin, aynı moleküler sistem içindeki farklı çekirdeklerin kimyasal kaymaları), 2D veya 3D formatında homo ve heteronükleer yöntemlerle elde edilebilir.

Cihaz

Yüksek çözünürlüklü darbeli NMR spektrometresi (NMR spektrometresi) aşağıdakilerden oluşur:

• Sabit bir manyetik alan oluşturmak için mıknatıs B 0 ;
• bir radyo frekansı darbesi iletmek ve numunenin yaydığı radyasyonu belirlemek için bir numune tutucuya sahip sıcaklık kontrollü bir sensör;
• bir radyo frekansı darbesi oluşturmak, serbest indüksiyon bozulma sinyalini kaydetmek, yükseltmek ve dijital forma dönüştürmek için bir elektronik cihaz;
• elektronik devreleri kurmaya ve ayarlamaya yönelik cihazlar;
• veri toplama ve işleme cihazları (bilgisayar);

ve ayrıca şunları içerebilir:

sıvı kromatografisi nükleer manyetik rezonans veya akış enjeksiyon analizi için akış hücresi;

• Darbeli bir manyetik alan gradyanı oluşturmak için sistem.

Sıvı helyumla dolu bir Dewar şişesinde süper iletken bir bobin tarafından güçlü bir manyetik alan üretilir.

NMR spektrometresinin düzgün çalıştığı doğrulanmalıdır. Bunu doğrulamak için, genellikle belirli koşullar altında belirli tepe noktalarının maksimum yarısında spektral çizgi genişliğinin ölçülmesini içeren uygun testler gerçekleştirilir ( izin), sinyal konumu tekrarlanabilirliği ve sinyal-gürültü oranı (NMR spektrumundaki belirli bir sinyalin yoğunluğu ile spektrumun analitten gelen sinyalleri içermeyen bölgesindeki rastgele dalgalanmalar arasındaki ilişki, S/N) standart karışımlar için. Spektrometre yazılımı, belirlemek için algoritmalar içerir. G/G. Tüm cihaz üreticileri bu parametrelerin ölçümüne yönelik spesifikasyonlar ve protokoller sağlar.

Çözeltilerdeki numunelerin NMR spektroskopisi

Metodoloji

Test numunesi, düzenleyici belgelerde belirtildiği gibi kimyasal kaymayı kalibre etmek için uygun bir standardın eklenebileceği bir solvent içinde çözülür. Bir maddenin çekirdeğinin bağıl kimyasal kaymasının değeri (δ in) aşağıdaki ifadeyle belirlenir:

δ miktar = (ν miktar – ν standart)/ν cihaz,

ν in-in – maddenin çekirdeğinin rezonans frekansı, Hz;

ν standart – standart çekirdeğin rezonans frekansı, Hz;

Cihazın ν'si, NMR spektrometresinin çalışma frekansıdır (belirli bir zamanda hidrojen çekirdekleri için rezonans koşullarının karşılandığı frekans). B 0, MHz).

Organik çözücülerdeki çözeltiler için, 1H ve 13C spektrumlarındaki kimyasal kayma, konumu 0 ppm olarak alınan tetrametilsilan sinyaline göre ölçülür. Kimyasal kaymalar, tetrametilsilan sinyalinden (delta - kimyasal kayma ölçeği) zayıf alana doğru (sola doğru) sayılır. Sulu çözeltiler için, metil grubu protonlarının kimyasal kayması 0,015 ppm olan 1H NMR spektrumunda standart olarak sodyum 2,2-dimetil-2-silanpentan-5-sülfonat kullanılır. Sulu çözeltilerin 13 C spektrumları için standart olarak kimyasal kayması 67,4 ppm olan dioksan kullanılır.

19 F spektrumu kalibre edilirken, sıfır kimyasal kayma ile birincil standart olarak trifloroasetik asit veya trikloroflorometan kullanılır; spektrum 31 P – %85 ortofosforik asit veya trimetilfosfat çözeltisi; spektrum 15 N – nitrometan veya doymuş amonyak çözeltisi. 'H ve13C NMR tipik olarak doğrudan test numunesine eklenen bir dahili standart kullanır. 15 N, 19 F ve 31 P NMR genellikle koaksiyel silindirik bir tüp veya kılcalda ayrı olarak tutulan harici bir standart kullanır.

NMR spektrumlarını açıklarken maddenin çözündüğü çözücüyü ve konsantrasyonunu belirtmek gerekir. Çözücü sinyallerinin yoğunluğunu azaltmak için hidrojen atomlarının döteryum atomlarıyla değiştirildiği yüksek derecede hareketli sıvılar çözücü olarak kullanılır. Döteryumlanmış çözücü aşağıdaki kriterlere göre seçilir:

• 1) test bileşiğinin içindeki çözünürlüğü;
• 2) döteryumlanmış çözücünün artık protonlarının sinyallerinin test bileşiğinin sinyalleriyle örtüşmemesi;
• 3) aksi belirtilmediği sürece solvent ile test bileşiği arasında etkileşimin olmaması.

Çözücü atomları, kimyasal kaymalarıyla kolayca tanımlanan sinyaller üretir ve kimyasal kayma eksenini (ikincil standart) kalibre etmek için kullanılabilir. Döteryumlanmış çözücülerin artık protonlarının sinyallerinin kimyasal kaymaları aşağıdaki değerlere (ppm) sahiptir: kloroform - 7.26; benzen - 7.16; su - 4,7; metanol -3.35 ve 4.78; dimetil sülfoksit - 2,50; aseton - 2,05; Su sinyalinin konumu ve alkollerin hidroksil gruplarının protonları ortamın pH'ına ve sıcaklığa bağlıdır.

Kantitatif analiz için çözeltiler çözünmemiş parçacıklar içermemelidir. Bazı nicelik belirleme işlemleri, test numunesi ile standart numunenin yoğunluğunu karşılaştırmak için dahili bir standardın eklenmesini gerektirebilir. İlgili standart numuneler ve bunların konsantrasyonları düzenleyici belgelerde belirtilmelidir. Numuneyi bir test tüpüne yerleştirip kapağını kapattıktan sonra numune NMR spektrometresinin mıknatısına yerleştirilir, test parametreleri ayarlanır (ayarlar, kayıt parametreleri, serbest indüksiyon bozunma sinyalinin sayısallaştırılması). Düzenleyici belgelerde verilen ana test parametreleri bir bilgisayara kaydedilir veya saklanır.

Zaman içinde spektrum kaymasını önlemek için, aksi belirtilmedikçe, döteryumlu çözücülerin neden olduğu döteryum sinyalini kullanarak bir stabilizasyon prosedürü (döteryum kilidi) gerçekleştirin. Cihaz, en uygun rezonans koşullarını ve maksimum oranı elde edecek şekilde ayarlanmıştır. G/G(parıldayan).

Test sırasında, birden fazla "darbe - veri toplama - duraklatma" döngüsü dizisinin gerçekleştirilmesi ve ardından bireysel serbest indüksiyon zayıflama sinyallerinin toplanması ve gürültü seviyesinin ortalamasının alınması mümkündür. Nükleer spin sisteminin mıknatıslanmasını geri kazandığı darbe dizileri arasındaki gecikme süresi ( D 1), kantitatif ölçümler için boylamsal gevşeme süresini aşması gerekir T 1: D 1 ≥ 5 T 1. Spektrometre yazılımı, belirlemek için algoritmalar içerir. T 1. Eğer değer T 1 bilinmiyor, değerin kullanılması önerilir D 1 = 25 sn.

Fourier dönüşümünden sonra, frekans temsilindeki sinyaller seçilen standarda göre kalibre edilir ve rezonans sinyallerinin alanlarının oranı ölçülerek entegrasyon yoluyla göreceli yoğunlukları ölçülür. 13C spektrumunda yalnızca aynı türden sinyaller entegre edilir. Sinyal entegrasyon doğruluğu orana bağlıdır sinyal – gürültü (G/N):

Nerede sen(BEN) – standart entegrasyon belirsizliği.

Tatmin edici bir oran elde etmek için gereken serbest indüksiyon bozunum birikimlerinin sayısı S/ N, düzenleyici belgelerde verilmelidir.

Tek boyutlu olanların yanı sıra, belirli bir darbe dizisine (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INDEQUATE, vb.) dayalı homo ve heteronükleer iki boyutlu korelasyon spektrumları analitik amaçlar için kullanılır. İki boyutlu spektrumlarda çekirdekler arasındaki etkileşimler çapraz tepeler adı verilen sinyaller biçiminde görünür. Çapraz tepe noktalarının konumu, etkileşim halindeki iki çekirdeğin kimyasal değişimleri tarafından belirlenir. Karmaşık karışımların ve ekstraktların bileşimini belirlemek için iki boyutlu spektrumların kullanılması tercih edilir, çünkü iki boyutlu spektrumlarda sinyal örtüşme olasılığı (çapraz tepeler), tek boyutlu spektrumlarda sinyal örtüşme olasılığından önemli ölçüde düşüktür.

Heteronükleer spektrumları (13 C, 15 N, vb.) hızlı bir şekilde elde etmek için, heteronükleer etkileşim mekanizmalarını kullanarak 1 H çekirdekleri üzerindeki diğer çekirdeklerin spektrumlarını elde etmeyi mümkün kılan yöntemler (HSQC, HMBC) kullanılır.

Manyetik alan gradyanının etkisi altındaki moleküllerin translasyon hareketleri nedeniyle nükleer spinlerin faz tutarlılığı kaybının kaydedilmesine dayanan DOSY tekniği, fiziksel ayrılma olmadan bir karışımdaki ayrı ayrı bileşiklerin spektrumlarının (spektral ayırma) elde edilmesine olanak tanır ve Moleküler nesnelerin (moleküller, makromoleküller, moleküler kompleksler, supramoleküler sistemler) boyutlarını, toplanma derecelerini ve moleküler ağırlıklarını belirler.

Kullanım alanları

Nükleer manyetik rezonans spektrumlarında yer alan yapısal ve analitik bilgilerin çeşitliliği, nükleer manyetik rezonans yönteminin niteliksel ve niceliksel analiz için kullanılmasını mümkün kılar. Nükleer manyetik rezonans spektroskopisinin kantitatif analizde kullanımı, manyetik olarak aktif çekirdeklerin molar konsantrasyonunun, spektrumdaki karşılık gelen absorpsiyon sinyalinin integral yoğunluğuyla doğru orantılılığına dayanmaktadır.

1. Aktif maddenin orijinalliğinin belirlenmesi. Aktif maddenin kimliğinin belirlenmesi, test numunesinin spektrumunun standart bir numunenin spektrumu veya yayınlanmış bir referans spektrumu ile karşılaştırılması yoluyla gerçekleştirilir. Standart ve test numunelerinin spektrumları aynı teknikler ve koşullar kullanılarak elde edilmelidir. Karşılaştırılan spektrumlardaki tepe noktaları konum olarak çakışmalıdır (değerlerdeki sapmalar) δ ± 0,1 ppm dahilinde test ve standart numuneler. nükleer manyetik rezonans için 1 N ve ± 0,5 ppm. nükleer manyetik rezonans 13 C için), spektrumları açıklarken değerleri verilmesi gereken integral yoğunluk ve çokluk. Standart bir numunenin yokluğunda, kimliği spektral verilerin bağımsız yapısal yorumu ve alternatif yöntemlerle doğrulanan bir farmakope standart numunesi kullanılabilir.

Stokiyometrik olmayan bileşim numunelerinin (örneğin, değişken bileşime sahip doğal polimerler) orijinalliği doğrulanırken, testin tepe noktaları ile konum ve entegre sinyal yoğunluğundaki standart numuneler arasında bir tutarsızlığa izin verilir. Karşılaştırılan spektrumlar benzer olmalıdır; test ve standart örneklerin parça bileşiminin çakışmasını doğrulayan özdeş karakteristik sinyal alanlarını içerir.

Bir madde karışımının (ekstreler) orijinalliğini belirlemek için, tek boyutlu NMR spektrumlarını bir bütün olarak, bir nesnenin "parmak izleri" olarak, δ değerlerini ve bireysel sinyallerin çokluğunu detaylandırmadan kullanmak mümkündür. İki boyutlu NMR spektroskopisinin kullanılması durumunda, orijinallik iddia edilen spektrumları (spektrum parçaları) açıklarken çapraz tepe değerleri verilmelidir.

1. Yabancı kirleticilerin/artık organik solventlerin tanımlanması. Yabancı safsızlıkların/artık organik solventlerin tanımlanması, aktif maddenin orijinalliğinin belirlenmesine benzer şekilde gerçekleştirilir, hassasiyet ve dijital çözünürlük gereklilikleri sıkılaştırılır.
2. Aktif maddeye göre yabancı yabancı maddelerin/artık organik çözücülerin içeriğinin belirlenmesi. NMR yöntemi, aktif maddenin ve safsızlık bileşiğinin molar oranının belirlenmesine yönelik doğrudan mutlak bir yöntemdir ( N/N karışım):

Nerede S‘ Ve S‘ safsızlık - aktif maddenin ve safsızlığın integral sinyal yoğunluklarının normalleştirilmiş değerleri.

Normalleştirme, ölçülen sinyali belirleyen yapısal parçadaki çekirdek sayısına göre gerçekleştirilir.

Aktif maddeye göre safsızlık/artık organik çözücünün kütle fraksiyonu ( X vb) aşağıdaki formülle belirlenir:

M pr safsızlığın moleküler ağırlığıdır;

M– aktif maddenin moleküler ağırlığı;

S‘ pr – safsızlık sinyalinin entegre yoğunluğunun normalleştirilmiş değeri;

S'– aktif maddenin integral sinyal yoğunluğunun normalleştirilmiş değeri.

1. Farmasötik bir maddedeki bir maddenin içeriğinin (aktif madde, safsızlık/artık solvent) kantitatif tespiti. Mutlak madde içeriği farmasötik bir maddedeki sinyaller, belirlenen maddenin sinyallerine yakın olan ve bunlarla örtüşmeyen bir maddenin seçildiği dahili standart yöntemle belirlenir. Analitin ve standardın sinyal yoğunlukları önemli ölçüde farklı olmamalıdır.

Test örneğindeki analitin kuru madde cinsinden yüzdesi ( X,% kütle) aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

X,% kütle = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ A 0 /M 0 ∙ A) ∙ ,

S'– analitin integral sinyal yoğunluğunun normalleştirilmiş değeri;

S' 0 – standart sinyalin integral yoğunluğunun normalleştirilmiş değeri;

M– belirlenmekte olan maddenin moleküler ağırlığı;

M 0 – moleküler ağırlık;

A– test numunesinin tartılmış numunesi;

0– standart maddenin tartılmış kısmı;

K- nem içeriği, %.

Aşağıdaki bileşikler standart maddeler olarak kullanılabilir: maleik asit (2H; 6,60 ppm, M= 116.07), benzil benzoat (2H; 5.30 ppm, M= 212,25), malonik asit (2H; 3,30 ppm, M= 104.03), süksinimit (4H; 2.77 ppm, M= 99,09), asetanilid (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), ovalar-bütanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Bağıl madde içeriği farmasötik bir maddenin bileşenlerinin bir karışımındaki bir bileşenin oranının dahili normalizasyon yöntemiyle nasıl belirlendiği. Molnaya ( X mol) ve kütle ( X kütle) bileşen kesri Ben karışımda N maddeler aşağıdaki formüllerle belirlenir:

1. Proteinlerin ve polimerlerin moleküler ağırlığının belirlenmesi. Proteinlerin ve polimerlerin moleküler ağırlıkları, DOSY teknikleri kullanılarak bunların hareketliliği bilinen moleküler ağırlığa sahip standart bileşiklerin hareketliliğiyle karşılaştırılarak belirlenir. Kendi kendine yayılma katsayıları ölçülür ( D) test ve standart numuneler, standart bileşiklerin moleküler ağırlıklarının logaritmalarının logaritmalara bağımlılığının grafiğini çizin D. Bu şekilde elde edilen grafik kullanılarak test numunelerinin bilinmeyen moleküler ağırlıkları doğrusal regresyonla belirlenir. DOSY deneyinin tam açıklaması düzenleyici belgelerde verilmelidir.

Katıların NMR spektroskopisi

Katı hal örnekleri, özel donanımlı NMR spektrometreleri kullanılarak analiz edilir. Bazı teknik işlemler (toz haline getirilmiş bir numunenin manyetik alan eksenine sihirli bir açıyla (54,7°) eğimli bir rotorda döndürülmesi İÇİNDE 0, kuvvet eşleşmesi, polarizasyonun kolayca uyarılabilen çekirdeklerden daha az polarize olabilen çekirdeklere aktarılması - çapraz polarizasyon), organik ve inorganik bileşiklerin yüksek çözünürlüklü spektrumlarının elde edilmesini mümkün kılar. Prosedürün tam bir açıklaması düzenleyici belgelerde verilmelidir. Bu tip NMR spektroskopisinin ana uygulama alanı katı ilaçların polimorfizminin incelenmesidir.

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, organik bileşiklerin yapısını belirlemek için en yaygın ve çok hassas yöntemlerden biridir ve kişinin yalnızca niteliksel ve niceliksel bileşim hakkında değil aynı zamanda atomların birbirine göre konumu hakkında da bilgi edinmesine olanak tanır. Çeşitli NMR teknikleri, maddelerin kimyasal yapısını, moleküllerin onay durumlarını, karşılıklı etkinin etkilerini ve molekül içi dönüşümleri belirlemek için birçok olasılığa sahiptir.

Nükleer manyetik rezonans yönteminin bir dizi ayırt edici özelliği vardır: optik moleküler spektrumların aksine, elektromanyetik radyasyonun bir madde tarafından emilmesi, güçlü, düzgün bir dış manyetik alanda meydana gelir. Ayrıca, bir NMR çalışması yürütmek için deneyin, NMR spektroskopisinin genel ilkelerini yansıtan bir dizi koşulu karşılaması gerekir:

1) NMR spektrumlarının kaydedilmesi yalnızca kendi manyetik momentlerine sahip atom çekirdekleri veya proton ve nötron sayısının izotop çekirdeklerinin kütle sayısı tek olacak şekilde olduğu sözde manyetik çekirdekler için mümkündür. Kütle numarası tek olan tüm çekirdeklerin spin I değeri 1/2'dir. Yani 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R çekirdekleri için spin değeri 1/2'ye eşittir; 7 Li, 23 Na, 39 K ve 4 l R çekirdekleri için spin değeri 3/2'ye eşittir . Kütle numarası çift olan çekirdeklerin, nükleer yük çift ise ya hiç spini yoktur ya da yük tek ise tamsayı spin değerlerine sahiptir. Yalnızca spini I 0 olan çekirdekler bir NMR spektrumu üretebilir.

Spinin varlığı, atom yükünün çekirdek etrafındaki dolaşımıyla ilişkilidir, bu nedenle manyetik bir moment ortaya çıkar. μ . Açısal momentumu J olan dönen bir yük (örneğin bir proton), bir manyetik moment μ=γ*J yaratır . Açısal nükleer momentum J ve dönme sırasında ortaya çıkan manyetik moment μ vektörler olarak temsil edilebilir. Sabit oranlarına jiromanyetik oran γ denir. Çekirdeğin rezonans frekansını belirleyen bu sabittir (Şekil 1.1).

Şekil 1.1 - Açısal momenti J olan dönen bir yük, μ=γ*J manyetik momenti yaratır.

2) NMR yöntemi, diğer spektral yöntemlerin aksine, alışılmadık spektrum oluşumu koşulları altında enerjinin emilimini veya emisyonunu inceler. NMR spektrumu, güçlü ve düzgün bir manyetik alanda bulunan bir maddeden kaydedilir. Bir dış alandaki bu tür çekirdekler, harici manyetik alan kuvveti vektörüne H 0 göre vektörün birkaç olası (kuantize edilmiş) oryantasyon açısına bağlı olarak farklı potansiyel enerji değerlerine sahiptir. Harici bir manyetik alanın yokluğunda, çekirdeğin manyetik momentleri veya spinleri belirli bir yönelime sahip değildir. Eğer 1/2 spinli manyetik çekirdekler bir manyetik alana yerleştirilirse, nükleer spinlerin bir kısmı manyetik alan çizgilerine paralel, diğer kısmı antiparalel olacak şekilde yerleştirilecektir. Bu iki yönelim artık enerji açısından eşdeğer değildir ve spinlerin iki enerji seviyesinde dağıtıldığı söylenir.

+1/2 alanı boyunca yönlendirilmiş manyetik momentli dönüşler | sembolüyle gösterilir. α >, dış alana antiparalel yönelimli -1/2 - sembol | β > (Şek. 1.2) .

Şekil 1.2 - H 0 harici alanı uygulandığında enerji seviyelerinin oluşumu.

1.2.1 1H çekirdekleri üzerinde NMR spektroskopisi PMR spektrumunun parametreleri.

1H NMR spektrumunun verilerini çözmek ve sinyalleri atamak için spektrumun ana özellikleri kullanılır: kimyasal kayma, spin-spin etkileşim sabiti, entegre sinyal yoğunluğu, sinyal genişliği [57].

A) Kimyasal kayma (C.C). HS ölçeği Kimyasal kayma, bu sinyal ile referans maddenin sinyali arasındaki mesafedir ve dış alan kuvvetinin milyonda bir kısmı olarak ifade edilir.

Yapısal olarak eşdeğer, yüksek düzeyde korumalı 12 proton içeren tetrametilsilan [TMS, Si(CH3)4], çoğunlukla protonların kimyasal kaymalarını ölçmek için bir standart olarak kullanılır.

B) Spin-spin etkileşim sabiti. Yüksek çözünürlüklü NMR spektrumlarında sinyal bölünmesi gözlemlenir. Yüksek çözünürlüklü spektrumlardaki bu bölünme veya ince yapı, manyetik çekirdekler arasındaki spin-spin etkileşimlerinden kaynaklanır. Bu olay, kimyasal kaymayla birlikte, karmaşık organik moleküllerin yapısı ve elektron bulutunun içlerindeki dağılımı hakkında en önemli bilgi kaynağı olarak hizmet eder. H0'a bağlı değildir ancak molekülün elektronik yapısına bağlıdır. Başka bir manyetik çekirdekle etkileşime giren manyetik bir çekirdeğin sinyali, dönüş durumlarının sayısına bağlı olarak birkaç çizgiye bölünür; I. çekirdeklerin spinlerine bağlıdır.

Bu çizgiler arasındaki mesafe, çekirdekler arasındaki spin-spin bağlanma enerjisini karakterize eder ve spin-spin bağlanma sabiti n J olarak adlandırılır; burada N- Etkileşen çekirdekleri ayıran bağların sayısı.

Doğrudan sabitler J HH, geminal sabitler 2 J HH vardır , yakın sabitler 3 J HH ve bazı uzun menzilli sabitler 4 J HH , 5JHH.

- geminal sabitler 2 J HH hem pozitif hem de negatif olabilir ve -30 Hz ila +40 Hz aralığını kaplar.

Yakın sabitler 3 J HH 0 20 Hz aralığını kaplar; neredeyse her zaman olumludurlar. Doymuş sistemlerdeki komşu etkileşimin çok güçlü bir şekilde karbon-hidrojen bağları arasındaki açıya, yani dihedral açıya bağlı olduğu tespit edilmiştir - (Şekil 1.3).

Şekil 1.3 - Karbon-hidrojen bağları arasındaki dihedral açı φ.

Uzun menzilli döndürme-döndürme etkileşimi (4 J HH , 5 J HH ) - dört veya daha fazla bağla ayrılan iki çekirdeğin etkileşimi; bu tür etkileşimin sabitleri genellikle 0 ila +3 Hz arasındadır.

Tablo 1.1 – Spin-spin etkileşim sabitleri

B) Entegre sinyal yoğunluğu. Sinyallerin alanı, belirli bir alan gücünde rezonansa giren manyetik çekirdeklerin sayısıyla orantılıdır, böylece sinyallerin alanlarının oranı, her yapısal çeşitliliğin göreceli proton sayısını verir ve entegre sinyal yoğunluğu olarak adlandırılır. Modern spektrometreler, okumaları bir eğri şeklinde kaydedilen, adımlarının yüksekliği karşılık gelen sinyallerin alanıyla orantılı olan özel entegratörleri kullanır.

D) Çizgilerin genişliği. Çizgilerin genişliğini karakterize etmek için genişliği, spektrumun sıfır çizgisinin yüksekliğinin yarısı kadar bir mesafede ölçmek gelenekseldir. Deneysel olarak gözlemlenen çizgi genişliği, yapıya ve hareketliliğe bağlı olarak doğal çizgi genişliği ve araçsal nedenlerden kaynaklanan genişlemeden oluşur.

PMR'de normal çizgi genişliği 0,1-0,3 Hz'dir ancak tam olarak çakışmayan ancak ayrı çizgiler olarak çözümlenmeyen bitişik geçişlerin üst üste binmesi nedeniyle artabilir. Genişleme, spini 1/2'den büyük olan çekirdeklerin ve kimyasal değişimin olması durumunda mümkündür.

1.2.2 Organik moleküllerin yapısını belirlemek için 1H NMR verilerinin uygulanması.

Bir dizi yapısal analiz problemini çözerken, ampirik değer tablolarına ek olarak, Kh.S. Komşu ikame edicilerin Ch.S. üzerindeki etkilerini ölçmek faydalı olabilir. etkili tarama katkılarının toplanabilirlik kuralına göre. Bu durumda, belirli bir protondan en fazla 2-3 bağ uzakta olan ikame ediciler genellikle dikkate alınır ve hesaplama aşağıdaki formül kullanılarak yapılır:

δ=δ 0 +ε ben *δ ben (3)

burada δ 0 standart grubun protonlarının kimyasal kaymasıdır;

δi, ikame edicinin tarama katkısıdır.

1.3 NMR spektroskopisi 13 C. Spektrumların elde edilmesi ve kayıt modları.

13C NMR'nin gözlemlenmesine ilişkin ilk raporlar 1957'de ortaya çıktı, ancak 13C NMR spektroskopisinin pratik olarak kullanılan bir analitik araştırma yöntemine dönüştürülmesi çok daha sonra başladı.

Manyetik rezonans 13 C ve 1 H'nin pek çok ortak noktası vardır, ancak önemli farklılıklar da vardır. En yaygın karbon izotopu 12 C I=0'a sahiptir. 13C izotopu I=1/2'dir ancak doğal içeriği %1,1'dir. Bu, 13 C çekirdeğinin jiromanyetik oranının, protonların jiromanyetik oranının 1/4'ü olması gerçeğiyle birliktedir. Bu, 13C NMR'nin gözlemlendiği deneylerde yöntemin duyarlılığını, 1H çekirdeğine kıyasla 6000 kat azaltır.

a) protonlarla spin-spin etkileşimini bastırmadan. Protonlarla spin-spin rezonansının tamamen baskılanmasının yokluğunda elde edilen 13C NMR spektrumlarına yüksek çözünürlüklü spektrumlar adı verildi. Bu spektrumlar 13C - 1H sabitleri hakkında tam bilgi içerir. Nispeten basit moleküllerde, her iki sabit türü de (doğrudan ve uzun menzilli) oldukça basit bir şekilde bulunur. Yani 1 J (C-H) 125 - 250 Hz'dir, ancak sabitleri 20 Hz'den küçük olan daha uzak protonlarla da spin-spin etkileşimi meydana gelebilir.

b) protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen bastırılması. 13C NMR spektroskopisi alanındaki ilk büyük ilerleme, protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen baskılanmasının kullanılmasıyla ilişkilidir. Protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen bastırılmasının kullanılması, eğer molekülde 19 F ve 31 P gibi başka manyetik çekirdek yoksa, çoklu çizgilerin tekli çizgilerin oluşumuyla birleşmesine yol açar.

c) protonlarla spin-spin etkileşiminin eksik bastırılması. Ancak protonlardan tam ayırma modunu kullanmanın dezavantajları vardır. Tüm karbon sinyalleri artık tekli formda olduğundan, spin-spin etkileşim sabitleri 13 C-1H hakkındaki tüm bilgiler kaybolur.Doğrudan spin-spin etkileşim sabitleri 13 hakkındaki bilgilerin kısmen geri yüklenmesini mümkün kılan bir yöntem önerilmektedir. C-1H ve aynı zamanda geniş bant ayırmanın faydalarından daha fazlasını korur. Bu durumda, spin-spin etkileşimi 13 C - 1 H'nin doğrudan sabitleri nedeniyle spektrumda bölünmeler görünecektir. Bu prosedür, protonlanmamış karbon atomlarından gelen sinyallerin tespit edilmesini mümkün kılar, çünkü ikincisi doğrudan ilişkili protonlara sahip değildir. 13 C'de bulunur ve spektrumlarda protonlardan tam olarak ayrılmamış olarak tekli olarak görünür.

d) CH etkileşim sabitinin modülasyonu, JMODCH spektrumu. 13C NMR spektroskopisindeki geleneksel bir problem, her bir karbon atomuyla ilişkili proton sayısının, yani karbon atomunun protonasyon derecesinin belirlenmesidir. Protonlar tarafından kısmi baskılama, uzun menzilli spin-spin etkileşim sabitlerinin neden olduğu çokluktan karbon sinyalinin çözümlenmesini ve doğrudan 13C-1H bağlanma sabitleri nedeniyle sinyal bölünmesinin elde edilmesini mümkün kılar.Bununla birlikte, güçlü bir şekilde bağlanmış spin sistemleri AB durumunda ve OFFR modundaki çokluların örtüşmesi, sinyallerin kesin çözümlenmesini zorlaştırır.

1. Olayın özü

Öncelikle şunu belirtelim ki, bu olayın adı her ne kadar “nükleer” kelimesini içerse de, NMR'nin nükleer fizikle ve radyoaktiviteyle hiçbir ilgisi yoktur. Kesin bir tanımdan bahsedersek, kuantum mekaniği yasaları olmadan yapmanın yolu yoktur. Bu yasalara göre, manyetik çekirdeğin harici bir manyetik alanla etkileşiminin enerjisi yalnızca birkaç ayrı değer alabilir. Manyetik çekirdekler, frekansı, frekans birimleriyle ifade edilen bu ayrı enerji seviyeleri arasındaki farka karşılık gelen alternatif bir manyetik alanla ışınlanırsa, o zaman manyetik çekirdekler, alternatif enerjinin enerjisini emerken bir seviyeden diğerine hareket etmeye başlar. alan. Bu manyetik rezonans olgusudur. Bu açıklama resmi olarak doğrudur ancak çok net değildir. Kuantum mekaniği olmadan başka bir açıklama daha var. Manyetik çekirdek, kendi ekseni etrafında dönen elektrik yüklü bir top olarak hayal edilebilir (her ne kadar tam anlamıyla öyle olmasa da). Elektrodinamik yasalarına göre, bir yükün dönmesi, bir manyetik alanın, yani dönme ekseni boyunca yönlendirilen çekirdeğin manyetik momentinin ortaya çıkmasına neden olur. Bu manyetik moment sabit bir dış alana yerleştirilirse, o zaman bu anın vektörü, dış alanın yönü etrafında dönmeye, yani dönmeye başlar. Aynı şekilde, üst deliğin ekseni, kesinlikle dikey olarak bükülmemişse, ancak belirli bir açıda ise dikey etrafında döner (döner). Bu durumda manyetik alanın rolü yerçekimi kuvveti tarafından oynanır.

­

Devinim frekansı hem çekirdeğin özelliklerine hem de manyetik alanın gücüne göre belirlenir: alan ne kadar güçlü olursa frekans da o kadar yüksek olur. Daha sonra, sabit bir dış manyetik alana ek olarak, çekirdek alternatif bir manyetik alandan etkilenirse, o zaman çekirdek bu alanla etkileşime girmeye başlar - çekirdeği daha güçlü bir şekilde sallıyor gibi görünüyor, devinim genliği artıyor ve çekirdek Alternatif alanın enerjisini emer. Bununla birlikte, bu yalnızca rezonans koşulu altında, yani devinim frekansı ile harici alternatif alanın frekansının çakışması durumunda gerçekleşecektir. Bu, okul fiziğindeki klasik örneğe benzer: Askerlerin köprüden geçmesi. Adımın frekansı köprünün doğal frekansıyla çakışıyorsa köprü giderek daha fazla sallanır. Deneysel olarak, bu fenomen, alternatif bir alanın soğurulmasının frekansına bağımlılığıyla kendini gösterir. Rezonans anında emilim keskin bir şekilde artar ve en basit manyetik rezonans spektrumu şöyle görünür:

­

2. Fourier spektroskopisi

İlk NMR spektrometreleri tam olarak yukarıda anlatıldığı gibi çalışıyordu; numune sabit bir manyetik alana yerleştirildi ve ona sürekli olarak radyo frekansı radyasyonu uygulandı. Daha sonra ya alternatif alanın frekansı ya da sabit manyetik alanın yoğunluğu düzgün bir şekilde değişti. Alternatif alan enerjisinin emilimi, sinyalin bir kayıt cihazına veya osiloskopa gönderildiği bir radyo frekansı köprüsü tarafından kaydedildi. Ancak bu sinyal kaydetme yöntemi uzun süredir kullanılmamaktadır. Modern NMR spektrometrelerinde spektrum darbeler kullanılarak kaydedilir. Çekirdeklerin manyetik momentleri, kısa ve güçlü bir darbe ile uyarılır, ardından RF bobininde serbestçe ilerleyen manyetik momentler tarafından indüklenen sinyal kaydedilir. Manyetik momentler dengeye döndükçe bu sinyal yavaş yavaş sıfıra düşer (bu işleme manyetik gevşeme denir). NMR spektrumu bu sinyalden Fourier dönüşümü kullanılarak elde edilir. Bu, herhangi bir sinyali frekans harmoniklerine ayırmanıza ve böylece bu sinyalin frekans spektrumunu elde etmenize olanak tanıyan standart bir matematiksel prosedürdür. Bu spektrum kaydetme yöntemi, gürültü seviyesini önemli ölçüde azaltmanıza ve deneyleri çok daha hızlı yapmanıza olanak tanır.

­

Bir spektrumu kaydetmek için bir uyarma darbesi en basit NMR deneyidir. Bununla birlikte, bir deneyde, araştırmacının nükleer manyetik momentler sistemiyle ne tür manipülasyonlar yapması gerektiğine bağlı olarak, farklı sürelerde, genliklerde, aralarında farklı gecikmeler vb. olan bu tür birçok darbe olabilir. Bununla birlikte, bu darbe dizilerinin neredeyse tamamı aynı şeyle bitiyor; serbest bir devinim sinyalinin kaydedilmesi ve ardından bir Fourier dönüşümü.

3. Maddedeki manyetik etkileşimler

Çekirdeklerin birbirleriyle ve molekülün elektron kabuğuyla manyetik etkileşimleri olmasaydı, manyetik rezonansın kendisi ilginç bir fiziksel olaydan başka bir şey olarak kalmayacaktı. Bu etkileşimler rezonans parametrelerini etkiler ve bunların yardımıyla NMR yöntemi, moleküllerin özellikleri - bunların yönelimi, uzaysal yapısı (konformasyon), moleküller arası etkileşimler, kimyasal değişim, dönme ve öteleme dinamikleri - hakkında çeşitli bilgiler sağlayabilir. Bu sayede NMR, yalnızca fizikte değil, esas olarak kimya ve moleküler biyolojide de yaygın olarak kullanılan, moleküler düzeyde maddeleri incelemek için çok güçlü bir araç haline geldi. Böyle bir etkileşimin örneği kimyasal değişimdir. Özü şu şekildedir: Bir molekülün elektron kabuğu, harici bir manyetik alana tepki verir ve onu taramaya çalışır - tüm diyamanyetik maddelerde manyetik alanın kısmi taranması meydana gelir. Bu, moleküldeki manyetik alanın dış manyetik alandan çok küçük bir miktarda farklı olacağı anlamına gelir; buna kimyasal kayma denir. Ancak molekülün farklı kısımlarındaki elektron kabuğunun özellikleri farklıdır ve kimyasal kayma da farklıdır. Buna göre molekülün farklı kısımlarındaki çekirdeklerin rezonans koşulları da farklı olacaktır. Bu, spektrumdaki kimyasal olarak eşdeğer olmayan çekirdeklerin ayırt edilmesini mümkün kılar. Örneğin, saf suyun hidrojen çekirdeklerinin (protonlarının) spektrumunu alırsak, H2O molekülündeki her iki proton da tamamen aynı olduğundan yalnızca bir çizgi olacaktır. Ancak metil alkol CH3OH için spektrumda zaten iki çizgi olacaktır (diğer manyetik etkileşimleri ihmal edersek), çünkü iki tür proton vardır - metil grubu CH3'ün protonları ve oksijen atomuyla ilişkili proton. Moleküller karmaşıklaştıkça çizgi sayısı artacaktır ve eğer protein gibi bu kadar büyük ve karmaşık bir molekülü alırsak, bu durumda spektrum şöyle görünecektir:

­

4. Manyetik çekirdekler

NMR farklı çekirdeklerde gözlemlenebilir ancak tüm çekirdeklerin manyetik momente sahip olmadığını söylemek gerekir. Çoğu zaman bazı izotopların manyetik momenti vardır, ancak aynı çekirdeğin diğer izotoplarının yoktur. Toplamda, manyetik çekirdeğe sahip çeşitli kimyasal elementlerin yüzden fazla izotopu vardır, ancak araştırmalarda genellikle 1520'den fazla manyetik çekirdek kullanılmaz, geri kalan her şey egzotiktir. Her çekirdeğin, jiromanyetik oran adı verilen, kendi karakteristik manyetik alan ve devinim frekansı oranı vardır. Bütün çekirdekler için bu ilişkiler bilinmektedir. Bunları kullanarak, belirli bir manyetik alan altında araştırmacının ihtiyaç duyduğu çekirdeklerden gelen bir sinyalin gözlemleneceği frekansı seçebilirsiniz.

NMR için en önemli çekirdekler protonlardır. Doğada en çok bulunanlardır ve hassasiyetleri çok yüksektir. Karbon, nitrojen ve oksijen çekirdekleri kimya ve biyoloji için çok önemlidir, ancak bilim adamlarının onlarla pek şansı yaver gitmemiştir: Karbon ve oksijenin en yaygın izotopları olan 12 C ve 16 O'nun manyetik momenti yoktur, doğal Nitrojen 14N'nin izotopunun bir anı vardır, ancak çeşitli nedenlerden dolayı deneyler için çok sakıncalıdır. NMR deneylerine uygun 13 C, 15 N ve 17 O izotopları vardır ancak bunların doğal bolluğu çok azdır ve protonlara göre hassasiyetleri çok düşüktür. Bu nedenle, NMR çalışmaları için genellikle izotop bakımından zenginleştirilmiş özel numuneler hazırlanır; burada belirli bir çekirdeğin doğal izotopu, deneyler için gereken izotopla değiştirilir. Çoğu durumda bu prosedür çok zor ve pahalıdır, ancak bazen gerekli bilgiyi elde etmek için tek fırsattır.

5. Elektron paramanyetik ve dört kutuplu rezonans

NMR'den bahsederken, diğer iki ilgili fiziksel olaydan bahsetmek mümkün değildir: elektron paramanyetik rezonansı (EPR) ve nükleer dört kutuplu rezonansı (NQR). EPR esasen NMR'ye benzer, fark, rezonansın atom çekirdeğinin değil, atomun elektron kabuğunun manyetik momentlerinde gözlemlenmesidir. EPR yalnızca elektron kabuğu eşlenmemiş elektron olarak adlandırılan moleküller veya kimyasal gruplarda gözlemlenebilir, bu durumda kabuğun sıfır olmayan bir manyetik momenti vardır. Bu tür maddelere paramıknatıs denir. EPR, NMR gibi, maddelerin çeşitli yapısal ve dinamik özelliklerini moleküler düzeyde incelemek için de kullanılır, ancak kullanım kapsamı önemli ölçüde daha dardır. Bunun temel nedeni, özellikle canlı doğadaki çoğu molekülün eşlenmemiş elektron içermemesidir. Bazı durumlarda, paramanyetik prob adı verilen, yani incelenen moleküle bağlanan eşlenmemiş elektrona sahip bir kimyasal grup kullanabilirsiniz. Ancak bu yaklaşımın, bu yöntemin yeteneklerini sınırlayan bariz dezavantajları vardır. Ek olarak EPR, NMR'deki kadar yüksek bir spektral çözünürlüğe (yani spektrumdaki bir çizgiyi diğerinden ayırt etme yeteneğine) sahip değildir.

NQR'nin doğasını “parmaklarda” açıklamak çok zordur. Bazı çekirdekler elektriksel dört kutuplu moment olarak adlandırılan şeye sahiptir. Bu an, çekirdeğin elektrik yükünün dağılımının küresel simetriden sapmasını karakterize eder. Bu anın, maddenin kristal yapısının yarattığı elektrik alanının gradyanı ile etkileşimi, çekirdeğin enerji seviyelerinin bölünmesine yol açar. Bu durumda bu seviyeler arasındaki geçişlere karşılık gelen frekansta bir rezonans gözlemlenebilir. NMR ve EPR'den farklı olarak NQR, harici bir manyetik alan gerektirmez, çünkü seviye ayrımı bu olmadan gerçekleşir. NQR aynı zamanda maddeleri incelemek için de kullanılıyor ancak uygulama kapsamı EPR'den bile daha dar.

6. NMR'nin avantajları ve dezavantajları

NMR, molekülleri incelemek için en güçlü ve bilgilendirici yöntemdir. Açıkça söylemek gerekirse, bu tek bir yöntem değil, çok sayıda farklı deney türüdür, yani darbe dizileridir. Her ne kadar hepsi NMR olgusunu temel alsa da, bu deneylerin her biri belirli spesifik bilgilerin elde edilmesi için tasarlanmıştır. Bu deneylerin sayısı yüzlerce olmasa da onlarca olarak ölçülür. Teorik olarak NMR, her şeyi olmasa da, moleküllerin yapısını ve dinamiğini incelemek için diğer tüm deneysel yöntemlerin yapabileceği hemen hemen her şeyi yapabilir, ancak pratikte bu elbette her zaman mümkün değildir. NMR'nin temel avantajlarından biri, bir yandan doğal problarının yani manyetik çekirdeklerin molekül boyunca dağılmış olması, diğer yandan bu çekirdeklerin birbirinden ayırt edilmesine ve mekansal olarak seçici veriler elde edilmesine olanak sağlamasıdır. Molekülün özellikleri hakkında. Hemen hemen tüm diğer yöntemler, molekülün tamamı veya yalnızca bir kısmı hakkında ortalama bilgi sağlar.

NMR'nin iki ana dezavantajı vardır. İlk olarak, diğer deneysel yöntemlerin çoğuyla (optik spektroskopi, floresans, ESR vb.) karşılaştırıldığında duyarlılığı düşüktür. Bu, gürültüyü ortalamak için sinyalin uzun süre biriktirilmesi gerektiği gerçeğine yol açmaktadır. Bazı durumlarda, bir NMR deneyi birkaç hafta boyunca bile gerçekleştirilebilir. İkincisi pahalıdır. NMR spektrometreleri en pahalı bilimsel cihazlar arasındadır ve maliyeti en az yüzbinlerce dolar olup, en pahalı spektrometrelerin maliyeti birkaç milyondur. Özellikle Rusya'daki tüm laboratuvarların bu tür bilimsel donanıma sahip olması mümkün değildir.

7. NMR spektrometreleri için mıknatıslar

Spektrometrenin en önemli ve pahalı parçalarından biri sabit bir manyetik alan oluşturan mıknatıstır. Alan ne kadar güçlü olursa hassasiyet ve spektral çözünürlük de o kadar yüksek olur; bu nedenle bilim adamları ve mühendisler sürekli olarak alanları mümkün olduğunca yükseğe çıkarmaya çalışıyorlar. Manyetik alan, solenoiddeki elektrik akımı tarafından yaratılır; akım ne kadar güçlü olursa alan da o kadar büyük olur. Ancak akımı süresiz olarak artırmak imkansızdır; çok yüksek bir akımda solenoid tel erimeye başlayacaktır. Bu nedenle, çok uzun bir süredir, yüksek alanlı NMR spektrometreleri süper iletken mıknatıslar, yani solenoid telinin süper iletken durumda olduğu mıknatıslar kullanmıştır. Bu durumda telin elektriksel direnci sıfırdır ve hiçbir akım değerinde enerji açığa çıkmaz. Süperiletken duruma yalnızca çok düşük sıcaklıklarda, sıvı helyumun sıcaklığı olan birkaç Kelvin derecesinde ulaşılabilir. (Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik hala tamamen temel araştırmaların alanıdır.) Mıknatısların tasarımı ve üretimindeki tüm teknik zorluklar, onları pahalı hale getiren tam olarak bu kadar düşük bir sıcaklığın korunmasıyla ilişkilidir. Süper iletken bir mıknatıs, termos-matryoshka prensibi üzerine inşa edilmiştir. Solenoid vakum odasında merkezde bulunur. Sıvı helyum içeren bir kabukla çevrilidir. Bu kabuk, bir vakum tabakası boyunca sıvı nitrojenden oluşan bir kabuk ile çevrelenmiştir. Sıvı nitrojenin sıcaklığı eksi 196 santigrat derecedir; helyumun mümkün olduğunca yavaş buharlaşmasını sağlamak için nitrojene ihtiyaç vardır. Son olarak nitrojen kabuğu, harici bir vakum katmanıyla oda sıcaklığından izole edilir. Böyle bir sistem, süper iletken bir mıknatısın istenen sıcaklığını çok uzun bir süre boyunca koruma kapasitesine sahiptir, ancak bu, mıknatısa düzenli olarak sıvı nitrojen ve helyum eklenmesini gerektirir. Bu tür mıknatısların avantajı, yüksek manyetik alanlar elde etme yeteneğinin yanı sıra, aynı zamanda enerji tüketmemeleridir: Mıknatısı çalıştırdıktan sonra akım, uzun yıllar boyunca neredeyse hiç kayıp olmadan süper iletken tellerden geçer.

­

8. Tomografi

Geleneksel NMR spektrometrelerinde manyetik alanı mümkün olduğu kadar tek biçimli hale getirmeye çalışırlar; bu, spektral çözünürlüğü iyileştirmek için gereklidir. Ancak numunenin içindeki manyetik alan tam tersine çok homojen değilse, bu NMR'nin kullanımı için temelde yeni olasılıkların önünü açar. Alanın homojen olmaması, ana mıknatısla birlikte çalışan gradyan bobinleri adı verilen bobinler tarafından yaratılır. Bu durumda, numunenin farklı kısımlarındaki manyetik alanın büyüklüğü farklı olacaktır; bu, NMR sinyalinin, geleneksel bir spektrometrede olduğu gibi numunenin tamamından değil, yalnızca dar katmanından gözlemlenebileceği anlamına gelir; rezonans koşulları, yani manyetik alan ile frekans arasında istenen ilişki karşılanır. Manyetik alanın büyüklüğünü (veya aslında aynı şey olan sinyal gözlem sıklığını) değiştirerek, sinyali üretecek katmanı değiştirebilirsiniz. Bu sayede numuneyi tüm hacmi boyunca "taranmak" ve numuneye herhangi bir mekanik şekilde zarar vermeden iç üç boyutlu yapısını "görmek" mümkün olmaktadır. Bugüne kadar, numune içindeki uzaysal çözünürlükle çeşitli NMR parametrelerinin (spektral özellikler, manyetik gevşeme süreleri, kendi kendine yayılma hızı ve diğerleri) ölçülmesini mümkün kılan çok sayıda teknik geliştirilmiştir. Pratik açıdan en ilginç ve önemli olanı, NMR tomografisinin tıpta uygulanmasıydı. Bu durumda incelenen “örnek” insan vücududur. NMR görüntüleme, onkolojiden doğuma kadar tıbbın çeşitli alanlarında en etkili ve güvenli (aynı zamanda pahalı) tanı araçlarından biridir. İlginçtir ki, bazı hastalar bunu nükleer reaksiyonlarla ve atom bombasıyla ilişkilendirdiğinden doktorların bu yöntem adına “nükleer” kelimesini kullanmaması dikkat çekicidir.

9. Keşif tarihi

NMR'nin keşfedildiği yıl, Stanford'dan Amerikalı Felix Bloch ve ondan bağımsız olarak Harvard'dan Edward Purcell ve Robert Pound'un protonlar üzerindeki NMR sinyalini ilk kez gözlemlediği 1945 yılı olarak kabul edilir. O zamana kadar nükleer manyetizmanın doğası hakkında zaten çok şey biliniyordu; NMR etkisinin kendisi teorik olarak tahmin edilmişti ve onu deneysel olarak gözlemlemek için çeşitli girişimlerde bulunulmuştu. Bir yıl önce Sovyetler Birliği'nde Kazan'da EPR fenomeninin Evgeniy Zavoisky tarafından keşfedildiğini belirtmek önemlidir. Zavoisky'nin de NMR sinyalini gözlemlediği artık iyi biliniyor; bu, 1941'deki savaştan önceydi. Bununla birlikte, elinde zayıf alan bütünlüğüne sahip düşük kaliteli bir mıknatıs vardı; sonuçlar zayıf bir şekilde tekrarlanabiliyordu ve bu nedenle yayınlanmamıştı. Adil olmak gerekirse, NMR'yi "resmi" keşfinden önce gözlemleyen tek kişinin Zavoisky olmadığını belirtmek gerekir. Özellikle Amerikalı fizikçi Isidor Rabi (atom ve moleküler ışınlardaki çekirdeklerin manyetik özelliklerine ilişkin çalışmasıyla 1944'te Nobel Ödülü sahibi) de 30'ların sonlarında NMR'yi gözlemledi, ancak bunu araçsal bir eser olarak değerlendirdi. Öyle ya da böyle, ülkemiz manyetik rezonansın deneysel tespitinde önceliği koruyor. Her ne kadar Zavoisky savaştan kısa bir süre sonra başka sorunlarla bizzat ilgilenmeye başlasa da, keşfi Kazan'da bilimin gelişmesinde büyük rol oynadı. Kazan, EPR spektroskopisi alanında hâlâ dünyanın önde gelen bilimsel merkezlerinden biri olmaya devam ediyor.

10. Manyetik Rezonans Alanında Nobel Ödülleri

20. yüzyılın ilk yarısında, çalışmaları olmadan NMR'nin keşfinin gerçekleşemeyeceği bilim adamlarına birçok Nobel Ödülü verildi. Bunlar arasında Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli yer alıyor. Ancak doğrudan NMR ile ilgili dört Nobel Ödülü vardı. 1952'de ödül, nükleer manyetik rezonansın keşfi nedeniyle Felix Bloch ve Edward Purcell'e verildi. Bu, fizikteki tek “NMR” Nobel Ödülüdür. 1991 yılında kimya ödülünü Zürih'teki ünlü ETH'de çalışan İsviçreli Richard Ernst aldı. NMR deneylerinin bilgi içeriğini radikal bir şekilde artırmayı mümkün kılan çok boyutlu NMR spektroskopi yöntemlerinin geliştirilmesi nedeniyle bu ödüle layık görüldü. 2002 yılında kimya dalında da ödülün sahibi, Ernst ile aynı Teknik Okulun komşu binalarında çalışan Kurt Wüthrich oldu. Çözeltideki proteinlerin üç boyutlu yapısını belirlemeye yönelik yöntemler geliştirdiği için ödüle layık görüldü. Daha önce, büyük biyomakromoleküllerin uzaysal konformasyonunu belirlemenin tek yöntemi X-ışını kırınım analiziydi. Son olarak, 2003 yılında Amerikalı Paul Lauterbur ve İngiliz Peter Mansfield, NMR tomografisinin icadı nedeniyle tıp ödülünü aldılar. EPR'nin Sovyet kaşifi E.K. Zavoisky ne yazık ki Nobel Ödülü'nü alamadı.

NMR spektroskopisi

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, NMR spektroskopisi- nükleer manyetik rezonans olgusunu kullanarak kimyasal nesneleri incelemek için spektroskopik bir yöntem. Kimya ve pratik uygulamalar için en önemlileri proton manyetik rezonans spektroskopisi (PMR spektroskopisi) ve ayrıca karbon-13 NMR spektroskopisi (13C NMR spektroskopisi), florin-19'dur (kızılötesi spektroskopi, NMR, kimyasalların moleküler yapısı hakkında bilgi verir). IS'den daha eksiksiz bilgi sağlar ve bir numunedeki dinamik süreçlerin incelenmesine - kimyasal reaksiyonların hız sabitlerinin, molekül içi dönüşe karşı enerji bariyerlerinin değerinin belirlenmesine olanak tanır. Bu özellikler NMR spektroskopisini hem teorik organik kimyada uygun bir araç haline getirir ve biyolojik nesnelerin analizi için.

Temel NMR tekniği

NMR için bir madde numunesi ince duvarlı bir cam tüpe (ampul) yerleştirilir. NMR aktif çekirdekleri (1H veya 13C gibi) manyetik bir alana yerleştirildiğinde elektromanyetik enerjiyi emer. Yayılan sinyalin rezonans frekansı, soğurma enerjisi ve yoğunluğu, manyetik alanın gücüyle orantılıdır. Yani 21 Tesla'lık bir alanda bir proton 900 MHz frekansında rezonansa girer.

Kimyasal kayma

Yerel elektronik ortama bağlı olarak, bir moleküldeki farklı protonlar biraz farklı frekanslarda rezonansa girer. Hem bu frekans kayması hem de temel rezonans frekansı, manyetik alanın gücüyle doğru orantılı olduğundan, bu yer değiştirme, kimyasal kayma olarak bilinen, manyetik alandan bağımsız boyutsuz bir niceliğe dönüştürülür. Kimyasal kayma, bazı referans numunelerine göre göreceli bir değişiklik olarak tanımlanır. Frekans kayması, ana NMR frekansıyla karşılaştırıldığında son derece küçüktür. Tipik frekans kayması 100 Hz'dir, oysa temel NMR frekansı 100 MHz civarındadır. Bu nedenle, kimyasal kayma genellikle milyonda bir (ppm) olarak ifade edilir. Bu kadar küçük bir frekans farkını tespit etmek için uygulanan manyetik alanın numune hacmi içinde sabit olması gerekir.

Kimyasal kayma, bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olduğundan, bir numunedeki moleküller hakkında yapısal bilgi elde etmek için kullanılır. Örneğin, etanol (CH3CH2OH) spektrumu 3 farklı sinyal, yani 3 kimyasal kayma verir: biri CH3 grubu için, ikincisi CH2 grubu için ve sonuncusu OH için. Bir CH3 grubu için tipik kayma yaklaşık 1 ppm'dir, OH-4 ppm'ye ve OH'ye bağlı bir CH2 grubu için ise yaklaşık 2-3 ppm'dir.

Oda sıcaklığındaki moleküler hareket nedeniyle, yalnızca birkaç milisaniye süren NMR işlemi sırasında 3 metil protonun sinyallerinin ortalaması alınır. Bu protonlar aynı kimyasal kaymada dejenere olur ve zirveler oluşturur. Yazılım, bu zirvelere kaç protonun katkıda bulunduğunu anlamak için zirvelerin boyutunu analiz etmenize olanak tanır.

Spin-spin etkileşimi

Tek boyutlu bir NMR spektrumunda yapıyı belirlemek için en yararlı bilgi, aktif NMR çekirdekleri arasındaki spin-spin etkileşimi olarak adlandırılan etkileşim tarafından sağlanır. Bu etkileşim, kimyasal moleküllerdeki çekirdeklerin farklı dönüş durumları arasındaki geçişlerden kaynaklanır ve NMR sinyallerinin bölünmesiyle sonuçlanır. Bu bölme basit veya karmaşık olabilir ve sonuç olarak yorumlanması kolay olabilir veya deneyci için kafa karıştırıcı olabilir.

Bu bağlanma, moleküldeki atomların bağları hakkında ayrıntılı bilgi sağlar.

İkinci dereceden etkileşim (güçlü)

Basit döndürme-döndürme bağlantısı, bağlantı sabitinin, sinyaller arasındaki kimyasal kaymalardaki farkla karşılaştırıldığında küçük olduğunu varsayar. Kaydırma farkı azalırsa (veya etkileşim sabiti artarsa), numune çoklularının yoğunluğu bozulur ve analiz edilmesi daha zor hale gelir (özellikle sistem 2'den fazla spin içeriyorsa). Bununla birlikte, yüksek güçlü NMR spektrometrelerinde bozulma genellikle orta düzeydedir ve bu, ilgili tepe noktalarının kolayca yorumlanmasına olanak tanır.

Çoklular arasındaki frekans farkı arttıkça ikinci dereceden etkiler azalır, dolayısıyla yüksek frekanslı bir NMR spektrumu, düşük frekanslı bir spektruma göre daha az bozulma gösterir.

NMR spektroskopisinin protein çalışmalarına uygulanması

NMR spektroskopisindeki son yeniliklerin çoğu, modern biyoloji ve tıpta çok önemli bir teknik haline gelen, proteinlerin NMR spektroskopisi adı verilen yöntemle yapılmaktadır. Genel amaç, X-ışını kristalografisinde elde edilen görüntülere benzer şekilde, bir proteinin 3 boyutlu yapısını yüksek çözünürlükte elde etmektir. Basit bir organik bileşiğe kıyasla bir protein molekülünde daha fazla atom bulunması nedeniyle, temel 1D spektrumu örtüşen sinyallerle doludur ve spektrumun doğrudan analizini imkansız hale getirir. Bu nedenle bu sorunu çözmek için çok boyutlu teknikler geliştirilmiştir.

Bu deneylerin sonuçlarını iyileştirmek için 13C veya 15N kullanan etiketli atom yöntemi kullanılır. Bu şekilde, modern farmasötiklerde bir devrim haline gelen bir protein numunesinin 3 boyutlu spektrumunun elde edilmesi mümkün hale gelir. Son zamanlarda, özel matematiksel teknikler kullanılarak serbest indüksiyon bozunum sinyalinin daha sonra restorasyonu ile doğrusal olmayan örnekleme yöntemlerine dayanan 4D spektrumları ve daha yüksek boyutlarda spektrumlar elde etmeye yönelik teknikler (hem avantajları hem de dezavantajları olan) yaygınlaştı.

Edebiyat

• Gunther X. NMR spektroskopisi kursuna giriş. - Başına. İngilizceden - M., 1984.

Wikimedia Vakfı. 2010.

Diğer sözlüklerde “NMR spektroskopisi”nin ne olduğunu görün:

Karbon çekirdeği 13, 13C üzerinde nükleer manyetik rezonans spektroskopisi NMR spektroskopisi, karbon izotopu 13C'nin çekirdeklerini kullanan NMR spektroskopisi yöntemlerinden biridir. 13C çekirdeğinin temel durumundaki dönüşü 1/2'dir, içeriği doğadaki... ... Vikipedi

Tıbbi NMR tomografisinde insan beyninin görüntüsü Nükleer manyetik rezonans (NMR), harici bir manyetik alanda sıfır olmayan dönüşe sahip çekirdekler içeren bir madde tarafından elektromanyetik enerjinin rezonans emilimi, yeniden yönlendirmenin neden olduğu ... ... Vikipedi

NMR spektroskopisi

NMR spektroskopisi

manyetik rezonans spektroskopisi- Magnetinio markalı spektroskopi durumu T sritis Standart ve metrologija apibrėžtis Spektroskopi, pagrįsta kietųjų, skystųjų ve dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: ingilizce. NMR... ... Metrologijos terminų žodynas'ın kullanımı

nükleer manyetik rezonans Spektroskopisi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopisi; nükleer manyetik rezonans spektroskopisi vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nükleerin spektroskopisi… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio markalı spektroskopi durumu T sritis Standartlar ve metroloji apibrėžtis Spektroskopi, pagrįsta kietųjų, skystųjų ve dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonans. atitikmenys: ingilizce. NMR... ... Metrologijos terminų žodynas'ın kullanımı

nükleer rezonans spektroskopisi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopisi; nükleer manyetik rezonans spektroskopisi vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nükleerin spektroskopisi… Fizikos terminų žodynas

Bir dizi araştırma yöntemi. VA'da atomlarının, iyonlarının ve moleküllerinin absorpsiyon spektrumlarına göre. mag. Radyo dalgaları. Radyasyon elektron paramanyetik yöntemlerini içerir. rezonans (EPR), nükleer manyetik. rezonans (NMR), siklotron rezonansı vb. Doğal bilim. ansiklopedik sözlük