ЯМР как аналитический метод (стр. 2 из 4)

помещают, как правило, в цилиндрические ампулы-капилляры, длинные оси которых параллельны внешнему магнитному полю. Различие в значениях внешнего магнитного поля для образца и стандарта можно рассчитать по следующей формуле:

Поправка на восприимчивость оказывается особенно существенной, если проводится сравнение спектров, полученных на спектрометре со сверхпроводящим магнитом и с обычным электромагнитом. В последнем случае образцы обычно располагают перпендикулярно внешнему магнитному полю; согласно теоретическим расчетам коэффициент –4/3 в уравнении следует заменить на 2/3. Таким образом, даже для одинаковых образцов без учета поправки на магнитную восприимчивость значения химических сдвигов будут отличаться.

Для образца сферической формы магнитное поле внутри и вне его одинаково, так что проблему, связанную с внешним стандартом, можно частично обойти, если поместить стандарт в сферический капилляр.

3. Мультиплетная структура

Вторым важным свойством спектров ЯМР, позволяющим получить более полную их характеристику, является мультиплетная структура линий. Параметр J, количественно характеризующий расщепление резонансных линий, называется константой связи. Величина / называется константой гомоядерного взаимодействия, если рассматривается взаимодействие между ядрами одного сорта, и константой гетероядерного взаимодействия, если взаимодействующие ядра принадлежат ядрам различных элементов. Расщепление резонансных линий, показанное на рис. 1, отражает гомоядерное взаимодействие между протонами, которые входят в состав различных химических групп в этаноле. Этанол состоит не только из атомов водорода, но и атомов углерода и кислорода, однако константа гетероядерного взаимодействия не может быть обнаружена по спектрам ЯМР, поскольку изотопы ¹²C и ¹⁶O обладают нулевым спином. При более детальном рассмотрении спектра можно наблюдать очень слабые дополнительные линии по обе стороны от основной – так называемые сателлиты С. Эти линии возникают за счет взаимодействия протонов с изотопом углерода С, естественное содержание которого составляет порядка 1% и спин 7=1/2.

Мультиплетная структура спектров ЯМР может быть рассчитана теоретически. Разработан ряд достаточно совершенных программ построения спектров, которые позволяют по известным значениям констант спин-спинового взаимодействия и химических сдвигов провести расчет теоретического спектра. В случае слабой связи характер расщепления можно описать достаточно просто, и наоборот, исходя из характера расщепления резонансных линий, можно рассчитать, сколько спинов участвует во взаимодействии и какова структура данного химического соединения. При смешивании этанола с дейтерированной водой протоны гидроксильной группы этанола замещаются на ядра дейтерия. В спектре исчезает сигнал, соответствующий протонам гидроксильной группы и одновременно исчезает взаимодействие протонов гидроксильной группы и протонов CH₂-группы. Протоны, входящие в состав CH₂- и СН₃-групп в пределах группы магнитно эквивалентны. Это соответствует спиновой системе A₂X₃, спектр которой приведен на рис. 2: расщепление резонансных линий CH₂-группы – квартет, а СН₃-группы – триплет.

Интенсивность компонент мультиплета также можно рассчитать по простым правилам, аналогичным правилам расчета мультиплетной структуры. В принципе с помощью итеративной процедуры можно получить соотношение интенсивностей линий внутри мультиплета для каждой резонансной линии. Взаимодействие данного спина с п эквивалентными ядрами со спином 1/2 вызывает расщепление резонансной линии на компоненту, интенсивность каждой из компонент описывается

биномиальными коэффициентами

. Интенсивность I_m т-н компоненты в этом случае можно рассчитать по формуле

В этом случае для СН₃-группы этанола получим мультиплет с отношением интенсивностей 1:2:1.

Ситуация существенно усложняется, если не выполняется приближение слабой связи. На рис. 3 показано изменение вида спектра для случая простой спиновой системы АХ, состоящей из двух взаимодействующих ядер А и

Xсо спинами I= 1/2, при условии, что константа косвенного спин-спинового взаимодействия J_axостается неизменной, а разность значений химических сдвигов

уменьшается. В пределе достаточно сильного

уменьшения разности химических сдвигов реализуется приближение сильной связи. В соответствии с общепринятой номенклатурой использование букв, следующих одна за другой в алфавитном порядке, для обозначения спиновой системы означает наличие сильной связи, например, ABвместо АХ, соответствующего слабой связи. Если химический сдвиг, как обычно, измерять в м.д., то величина химического сдвига не зависит от напряженности магнитного поля. Именно на этом основано использование такой шкалы. Однако если химический сдвиг измерять в Гц, то эта величина возрастает с увеличением напряженности внешнего магнитного поля. Разность химических сдвигов, выраженная в единицах частоты, возрастает с увеличением напряженности магнитного поля, а константа спин-спинового взаимодействия не зависит от этой напряженности. Следовательно, при увеличении поля мы от приближения сильной связи переходим к приближению слабой связи. Следует отметить, однако, что именно зависимость химического сдвига от поля осложняет сравнение спектров, снятых при различных значениях напряженности магнитного поля.

4. Константы скалярного взаимодействия и структура молекул

Косвенное взаимодействие двух ядерных спинов осуществляется через электроны связи. В первом приближении можно отметить, что величина этого взаимодействия убывает с ростом числа связей между ядрами. Из анализа мультиплетности резонансных линий можно попытаться построить альтернативную структуру для неизвестного вещества и даже выбрать наиболее вероятную пространственную структуру.

Строго говоря, константа спин-спинового взаимодействия / определяется не только числом связей между взаимодействующими ядрами, но также зависит от особенностей пространственного распределения электронов. Поскольку пространственное распределение электронов в свою очередь зависит от диэдрального угла

т.е. угла на который повернуты друг относительно друга две соседние группы ядерных спинов, связанные между собой косвенным спин-спиновым взаимодействием, то и константа / зависит от угла Вследствие этого даже если число связей между взаимодействующими спинами невелико, константа косвенного спин-спинового взаимодействия в ряде случаев уменьшается до нуля. В дальнейшем убедимся, что наличие зависимости константы / от угла дает возможность решать достаточно сложные задачи структурной химии. Это, в частности, позволило определить структуру такой сложной молекулы, как протеин.

5. Определение партнера по взаимодействию

Информация о химической структуре молекулы может быть получена после того, как определено, какие из ядер данной молекулы связаны между собой скалярным спин-спиновым взаимодействием. Величина этого взаимодействия позволяет сделать вывод о том, какие из ядер являются соседними в данной химической структуре.

В рассмотренном ранее простом спектре этанола видно, что CH₂- и СНз-группы соседствуют одна с другой. В более сложном спектре ЯМР, состоящем из большого числа линий, достаточно сложно сделать вывод о том, какие из взаимодействий вызывают наблюдаемое расщепление спектральных линий. В этом случае стремятся упростить спектр, применяя метод двойного резонанса или развязку. Если в процессе детектирования на систему взаимодействующих спинов подается еще одно РЧ поле, воздействующее селективно на резонансной частоте одного из ядерных спинов, например А, то мультиплетная структура резонансной линии, соответствующей спину ядра X, при условии, что расщепление этой линии обусловлено спин-спиновой связью между спинами А и X, исчезает. Для этанола развязка на частоте, соответствующей метиленовым протонам, приводит к исчезновению расщепления в метильной группе. На рис. 2.5 приведена схема проведения этого эксперимента. Одновременно с возбуждающим импульсом дополнительно подается импульс второго РЧ поля B₂, воздействующего на частоте

в течение сбора данных. Для эффективной развязки величина поля JS₂ должна удовлетворять условию Очевидно, что напряженность поля развязки должна превышать напряженность поля, создаваемого возбужденным спином. В гетероядерном случае при проведении этого эксперимента не возникает каких-либо дополнительных проблем, поскольку разность значений частот возбуждающего поля и поля развязки

достаточно велика. В гомоядерном случае при непрерывном облучении полем JS₂ возникают сложности с регистрацией слабого сигнала ЯМР, поскольку трудно избежать воздействия поля развязки на приемник, настроенный на частоту детектируемого сигнала. Поэтому спиновую систему облучают второй частотой не непрерывно, а в импульсном режиме, причем это облучение синхронизировано со сбором данных. Во время действия импульса канал приемника остается закрытым, сбор данных осуществляется во время интервала между импульсами, поэтому, во время сбора данных значительных искажений не возникает. Несмотря на то, что облучение проводится полем Ti₂ с напряженностью, усредненной по всему циклу, приведенное выше условие выполняется.