Дисциплина Физико химические методы экспертного исследования Тема

Дисциплина «Физико химические методы экспертного исследования» Тема № 24. 2. «Радиоспектроскопия»

Учебные вопросы: 1. Применение спектроскопии ЯМР 1 Н 2. Применение спектроскопии ЯМР 13 С 3. Двумерная и другие виды спектроскопии ЯМР

Основная литература Аналитическая химия. В 3 т. Т. 1. Методы идентификации и определения веществ/ Под ред. Л. Н. Москвина. – М. : Издательский центр «Академия» , 2008. 567 с. Дополнительная литература Васильев В. П. Аналитическая химия. В 2 книгах. Кн 1: Титриметрический и гравиметрический методы анализа М. : Дрофа, 2009. 367 с. Отто М. Современные методы аналитической химии. Изд. 2 е, исправленное. – М. : Техносфера, 2006. – 416 с

С помощью ЯМР спектроскопии при определенных условиях можно регист рироватьвзаимодействие между атомными ядрами через электромагнитное излу чение от них, возникающее в сильном однородном магнитном поле. При этом наблюдаются переходы между разными энергетическими состояниями опреде ленных атомных ядер, которые у свободных молекул вырождены, и только во внешнем однородном магнитном поле происходит расщепление пропорционально напряженности поля.

Так как приложенное к ядру атома магнитное поле может быть усилено либо ослаблено под влиянием индуцированных магнитных вторичных полей электронов, то протоны последовательно вступают в резонансное взаимодействие с разным электронным окружением, если приложенное поле непрерывно изменять при постоянной радиочастоте.

Спектроскопия ЯМР развивалась как один из самых эффективных и много сторонних методов определения строения химических соединений. На основе двух параметров: • химического сдвига и • спинового взаимодействия можно с очень высокой точностью определять химическое окружение отдель ных атомов в молекуле.

• С точки зрения чувствительности ЯМР спектроскопия несколько уступает другим спектроскопическим методам, что объясняется очень малой разницей энергий между параллельной (по полю) и антипараллельной (против поля) ори ентацией спинов ядер в магнитном поле, что приводит к чрезвычайно низкой раз ности заселенностей, определяющей чувствительность.

Магнитный момент и спин ядра взаимно пропорциональны. Константа пропорциональности называется гиромагнитным отношением: где магнитный момент, — спин ядра, — гиромагнитное отношение.

Все ядра с четным числом протонов и четным числом нейтронов, так называемые четно четные ядра, имеют спин равный 0 и поэтому не годятся для ядерного магнитного резонанса. Лишь те ядра, у которых либо прото ны, либо нейтроны, либо оба этих структурных элемента ядра являются нечетны ми, обладают магнитными моментами.

Ядра атомов с нечетным количеством про тонов и нейтронов, так называемые нечетно нечетные ядра, имеют, как и четно четные ядра, четное массовое число и целочисленные спины. Полуцелые же спины ядер имеют место у четно нечетных и нечетно четных ядер, обладающих нечет ным массовым числом. Все эти ядра способны к ядерному магнитному резонанс ному поглощению.

• Феномен ядерного магнитного резонанса поддается наблюдению, поскольку оп ределенные ядра атомов ведут себя как крошечные стержневые магниты. Каждый элемент, или, точнее, любой из разных изотопов элемента с одним спи ном ядра, имеет при установленном магнитном поле определенную резонансную частоту.

Важнейшими среди этих ядер являются 1 Н, 13 С, 19 F и 31 Р, и все они обладают спином 1/2. Некоторые другие ядра имеют спин 0 и поэтому не подают сигнала ядерного резонанса: к таковым относятся 12 С и 16 О. Но магнитные моменты ядер примерно в 103 раз меньше спиновых и орбитальных моментов электронов, так что вызванная моментами ядра макроскопическая

Химический сдвиг вызывается в первую очередь электронами соответствующей связи. Чем больше концентрация электронов вблизи протона, тем сильнее экранирование и, значит, тем больше напряженность полей, при которой наблюдается явление резонанса.

Абсолютное определение химического сдвига представляется достаточно слож ным, поэтому прибегают к относительным измерениям с помощью стандартного вещества. За международный стандарт принято положение резонансного сигнала тетраметилсилана (CH 3)4 Si (ТМС).

Протоны большинства органических соединений вступают в резонансное взаимодействие при наличии поля меньшей напряженности, чем протоны тетраметилсилана. =резонансная частота вещества, Гц/ рабочая частота прибора МГц Химический сдвиг указывается в единицах ррm, или в миллионных долях (м. д. ).

• Так как химические сдвиги зависят от постоянных экранирования, а те, в свою очередь, зависят от распределения электронов и их геометрии в молекуле, то по положению сигналов можно судить о структуре исследуемых молекул.

Области химических сдвигов ядер 1 Н в органических соединениях в составе различных структурных фрагментов (согласно Фриболину)

В органической химии нашла широкое применение именно спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР), так как угле род и кислород как важные структурные элементы органических соединений не оказывают мешающего влияния на магнитные свойства ядер водорода.

ЯМР спектр этанола

ЯМР спектр ацетальдегида

1 Н ЯМР спектры органических соединений должны регистрироваться в апротонных (не содержащих собственных протонов) или пердейтерированных раствори телях. Для этой цели годится, например, СС 1 4 либо дейтерированный раствори тель дейтерохлороформ CDC 13.

При всех измерениях ЯМР измерительная ячейка с помощью небольшой воз душной турбины быстро вращается вокруг своей продольной оси. Так как вели чина магнитного поля варьирует в определенных пределах по объему пробы, вра щение дает эффективное улучшение однородности поля, ибо отдельные ядра в результате такого макроскопического движения пробы чувствуют усредненное внешнее поля.

Для протонного резонанса достаточно пробы вещества в объеме от 50 до 100 мкг. При еще меньших объе мах пробы, например 100 нг, общее время измерения с учетом накопления спект ров составляет 1— 2 дня. Более долгие периоды измерения обычно себя не оправ дывают.

Накопление спектров Так как спектроскопия ЯМР в силу меньшей разницы энергий между основным и возбужденным состояниями не столь чувствительна, как оптические спектроскопические методы, то при однократной регистрации спектра сигналы нередко просто исчезают на фоне шумов. При накоплении или суммировании спектров спиновые системы многократно возбуждаются последовательно друг за другом, а сигналы суммируются и записываются затем в виде единого спектра.

В то время как положение резонансного сигнала в ЯМР спектре позволяет по лучить информацию об электронном окружении протонов, площадь сигна ла дает сведения о числе протонов. ЯМР спектр этанола с графической характеристикой интегрирования

2. Применение спектроскопии ЯМР 13 С Природное содержание изотопа 13 С составляет 1, 1%. Ядра 13 С обладают меньшим гиромагнитным отношением по сравнению с 1 Н. В силу этих причин чувствительность в спектроскопии ЯМР 13 С в 6000 раз ниже, чем в спектроскопии 1 Н. Только развитие производства приборов с фурье преобразованием позволило сделать спектроскопию ЯМР 13 С повседневным методом исследования.

Поскольку магнитный момент 13 С составляет лишь четверть маг нитного момента 1 Н, то чувствительность для ядер 13 С при равной концентрации в пробе будет примерно в 64 раза ниже чувствительности к ядрам 1 Н. Если при нять во внимание еще и природную распространенность, то у ядер 13 С таковая составит только 1, 1% против 99, 99% у ядер 1 Н, так что по сравнению с протонным резонансом чувствительность ЯМР 13 С будет ниже в 5700 раз.

Кроме того, 13 С ЯМР спектр показывает сильное сверхтонкое расщепление резонансных сигналов вследствие спинового взаимодействия с протонами, что также дает определенную потерю чувствительности.

• При такой тех нике двойного резонанса резонансная частота для протонов поглощается вплоть до насыщения. В этом случае между ядрами 13 С и 1 Н уже не будет спинового взаимодействия, то есть распределенная интенсивность мультиплета объединя ется в синглет.

Области химических сдвигов ядер 13 С в органических соединениях в составе различных структурных фрагментов (согласно Фриболину)

3. Двумерная спектроскопия ЯМР Под двумерной спектроскопией ЯМР понимают метод исследования, результатом которого являются зависимости интенсивностей сигналов ЯМР от двух частотных переменных. Графически двумерные спектры ЯМР представляют в виде трехмерных диаграмм.

При двух или многомерной ЯМР спектроскопии поглощается множество радио частотных сигналов, так что весь эксперимент естественным образом делится на три периода: 1. подготовительный период, 2. период эволюции и 3. период регистрации.

ЯМР томография Применение ЯМР спектроскопии в медицине открывает замечательные перспек тивы — уже хотя бы в связи с тем, что в этом случае пациент не подвергается дей ствию опасного излучения, так что контрольные исследования на стадии лечения можно повторять сколь угодно часто. Используемые радиочастоты обла дают энергией на пять десятичных порядков меньше, чем у химических соедине ний, поэтому нагревания тканей не происходит. В отличие от рентгенографии данный метод не инвазивен и не деструктивен.

Известное ограничение метода связано с его низкой чувствительностью, по этому на живых организмах обычно допускается лишь измерение основных ком понентов молекул, участвующих в обмене веществ. Но, с другой стороны, иссле дуемые метаболиты не обязательно должны быть заранее известны, поскольку ЯМР спектры, как правило, содержат достаточно информации для идентификации вещества. Пробы не нуждаются ни в какой лабораторно клинической подготовке.