СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА Среди всех используемых

СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Среди всех используемых в настоящее время методов идентификации органических соединений спектроскопия ЯМР является одним из наиболее информативных методов • ЯМР резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. • Явление магнитного резонанса было открыто в 1945 — 1946 гг. Связано с именами Ф. Блоха и Э. Пёрселла (Ноб. премия по физике 1952 г. ). • Этот метод позволяет определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения. 2

• Cпектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на магнитных свойствах ядер, имеющих спиновое квантовое число I 0. • Магнитные свойства ядер обусловлены тем, что ядра атомов, вращающиеся вокруг собственной оси, имеют момент количества движения, который называют спином ядра. Спин характеризуется ядерным спиновым квантовым числом I , которое может принимать значения 0, 1/2, 3/2 … и определяется числом протонов и нейтронов, составляющих ядро. • Спиновое квантовое число как протона, так и нейтрона равно 1/2, и в зависимости от того, спарены в ядре спины этих частиц или нет, ядро может характеризоваться нулевым или ненулевым числом I. 3

• Ядра элементов с четным числом протонов и нейтронов имеют суммарный спиновый момент I = 0 (126 C, 168 О и 3216 S). Такие ядра не являются объектами исследования спектроскопии ЯМР. • Ядра с нечетным числом протонов и нейтронов обладают целочисленнным спином ядра. Так, I = 1 для 147 N , 21 H. • Наиболее пригодными для спектроскопии ЯМР органических соединений являются ядра изотопов с нечетной суммой протонов и нейтронов, имеющие суммарный спин I = 1/2. К ним относятся 1 H, 13 C, 15 N, 17 О, 19 F, 31 Р и др. 4

• Если поместить вещество, ядро которого обладает магнитным моментом, в сильное магнитное поле произойдет определенная ориентация ядер. Для протонов возможны два варианта ориентации вдоль силовых линий поля, различающиеся энергетическими уровнями: по направлению поля и против поля. • Энергетически более выгодной является ориентация по направлению поля. Ей соответствует низший энергетический уровень, на котором будет находиться несколько больше ядер. 5

6

7

Разность энергий уровней зависит от величины магнитного момента ядра и напряженности магнитного поля Но 8

• Магнитное поле в 4, 7 Тл, которое примерно в 100000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли, разделяет два спиновых состояния 1 Н только на 8*10 5 к. Дж/моль. • Спектроскопия ЯМР основана на поглощении энергии при возбуждении ядер атомов из более низкого энергетического спинового состояния до следующего более высокого. • Из уравнения Планка ΔЕ = hν, этот энергетический интервал соответствует излучению с частотой 2*108 Гц (200 МГц), которое лежит в радиочастотной области электромагнитного спектра 9

• Если перпендикулярно направлению силовых линий сильного поля приложить относительно слабое переменное магнитное поле и изменять его частоту, то при совпадении частот вращения поля и ядра будет наблюдается явление резонанса, выражающееся в переориентации спинов (осей вращения) ядер. Такая переориентация связана с поглощением энергии электромагнитного излучения и регистрируется в виде резонансного сигнала. • Переориентация спинов ядер требует относительно небольших затрат энергии и соответствует поглощению квантов электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне. Такое поглощение и лежит в основе спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). 10

• Отклик атома на силу внешнего магнитного поля различен для разных элементов, и для разных изотопов одних и тех же элементов. • Резонансные частоты большинства ядер достаточно отличаются, так что ЯМР эксперимент чувствителен только к отдельному изотопу одного элемента. • Частота для 1 Н – 200 МГц при 4, 7 Тл, для 13 С – это 50, 4 МГц. 1 Н и 13 С ЯМР спектры записывают в разных экспериментах с различными настройками прибора Спектр протонного ядерного магнитного резонанса (1 Н ЯМР) «рассказывает» об окружении различных водородов в молекуле; 11 13 С ЯМР – атомов углерода. спектр

12

• Импульсные спектрометры ЯМР с фурье преобразованием (фурье-спектрометры ЯМР). В этих приборах образец находится в постоянном магнитном поле. Образец подвергают воздействию кратковременного повторяющегося мощного радиочастотного импульса (1 -50 мкс). Это вызывает одновременный резонанс ядер данного типа. По завершении импульса индуцированная намагниченность ядер быстро исчезает за счет спин-решеточной релаксации с восстановлением обычного больцмановского распределения ( «спад свободной индукции» ). Этот процесс описывается во временной шкале большим числом затухающих синусоидальных кривых, каждая из которых соответствует некоей резонансной частоте. Его анализируют с помощью ЭВМ на базе математической операции, называемой фурье-преобразованием; при этом в результате преобразования временной шкалы в 13 частотную получается обычная спектральная картина.

Красным показан исходный временной спектр (интенсивность время) синим — частотный (интенсивность частота) полученный Фурье преобразованием 14

Основные понятия метода спектроскопии ПМР В органической химии наибольшее распространение получила спектроскопия 1 Н ЯМР иначе называемая спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР), так как атомы Н присутствуют в большинстве органических соединений, а изотоп 1 Н является самым распространенным изотопом этого элемента. Данный метод является наиболее информативным при установлении строения органических молекул, т. к. в отличие от ИК спектроскопии, позволяет получать информацию о строении углеродного скелета. 15

• Спектры протонного магнитного резонанса записывают, как правило, для растворов соединений в растворителях, не содержащих собственных протонов, чаще всего это дейтерированные растворители (CDCl 3, CD 3 COCD 3, CD 3 SOCD 3). • Спектр ПМР представляет собой график зависимости интенсивности поглощения энергии в радиочастотной области от частоты излучения или чаще всего от химического сдвига – безразмерной величины, которая определяется положением сигнала в спектре и характеризующей химическое окружение протона. 16

• В реальных молекулах помимо наложенного внешнего поля на протоны воздействуют электромагнитные поля молекулы – диамагнитное экранирование. Напряженнность результирующего поля Нлок описывается выражением: Нлок = Но (1 σ) , где σ – константа экранирования. • В результате экранирования резонансный сигнал протона наблюдается в более сильном поле (при меньшей частоте) по сравнению с сигналом изолированного ядра. 17

• В зависимости от степени экранирования каждый протон исследуемой молекулы будет поглощать электромагнитное излучение при определенной частоте, которая зависит от его химического окружения. Такое изменение резонансной частоты называют химическим сдвигом резонансной частоты или просто химическим сдвигом. • Единая относительная шкала химических сдвигов (δ шкала), выражается в миллионных долях (м. д. ; ррm): за « 0» шкалы принимают сигнал протонов Si(CH 3)4 (ТМС), шкала растет в направлении ослабления поля или увеличения чаастоты. 18

• Величина относительного химического сдвига δ определяется выражением: δ = (νобразец νэталон )/ νприбора • Химический сдвиг показывает, насколько сдвинут данный резонансный сигнал в слабое поле относительно сигнала протонов ТМС. • ТМС – тетраметилсилан – широко применяется в качестве внутреннего стандарта: химически инертен, его спектр имеет только один узкий синглетный сигнал, расположенный в более сильном поле, чем протоны большинства органических соединений. 19

20

Спектр ПМР 1 (4 аминофенил)пропан 1 она 21

• Основными параметрами спектра ПМР являются: • 1) число сигналов в спектре, • 2) относительная интенсивность сигналов, • 3) химический сдвиг, • 4) число линий в сигнале, • 5) константа спин-спинового взаимодействия (КССВ). • На основании этих 5 параметров, определяемых из спектра ПМР, можно определить 5 структурных характеристик анализируемого соединения. 22

1. Общее число сигналов в спектре равно числу групп эквивалентных протонов в соединении. Сигнал может состоять из одного или более пиков (линий). В данном примере имеется 5 групп протонов (а, б, в, г, д). По форме сигналов иногда можно определить с каким атомом связан соответствующий протон. Например, уширенная форма сигнала, как правило, свидетельствует, что данный протон связан с гетероатомами (N, O, S). На спектре это сигнал протонов группы в. 23

• 2. Интенсивность сигнала • (площадь, ограниченная сигналом и базовой линией) пропорциональна числу протонов в каждой группе эквивалентных протонов. В нашем случае отношение интенсивностей (площадей) сигналов а: б: в: г: д = 2: 2: 3. 24

• 3. Химический сдвиг, т. е. положение сигнала протона в спектре, которое определяется окружающими протон группами в молекуле. Химический сдвиг измеряется относительной величиной и выражается в миллионных долях (м. д. ). Значение 0, 00 м. д. соответствует резонансному сигналу протонов тетраметилсилана, принятого за стандарт. Значение химического сдвига для симметричных сигналов определяется как центр сигнала, для несимметричных – центр «массы» сигнала. В данном случае • а = 7, 67 м. д. , б = 6, 75 м. д. , в = 5, 15 м. д. , г = 2, 91 м. д. , д =1, 17 м. д. 25

• На положение сигнала в спектре влияют индуктивные, мезомерные и анизотропные эффекты соседних групп, тип гибридизации атомов, стерические эффекты, наличие водородных связей, природа растворителя. Группы, увеличивающие электронную плотность вокруг данного протона, сдвигают его сигнал в более сильное поле, т. е. в сторону меньших значений м. д. , а группы, снижающие электронную плотность – в противоположную сторону, т. е. в слабое поле. Вследствие сложности точного учета влияния всех этих эффектов значения химических сдвигов протонов в реальных спектрах соединений могут отличаться на ~0, 1– 0, 6 м. д. от усредненных данных, приведенных в 26 справочных таблицах

• Щербина А. Э. и др. Органическая химия. Идентификация и системный структурный анализ органических соединений. Минск, 2005. ( Таблицы с. 226 234; применение – с. 127 130; разбор задач –с. 130 135. ). 27

28

Экранирование ядер и 1 Н химические сдвиги. 29

С увеличением расстояния влияние заместителя нивелируется. Обычно индуктивное воздействие ощущается не дальше трех-четырех связей. 30

Если имеется несколько электроотрицательных атомов или групп, то часто (но не всегда) их эффекты суммируются. 31

Спектр ПМР 1, 1, 2 трихлорэтана 32

Влияние алкильных заместителей не столь значительно. 33

34

Эффект гибридизации – частный случай индуктивного эффекта (электроотрицательность атома углерода возрастает за счет усиления его s-характера). 35

• Анизотропные эффекты – могут приводить к сдвигам резонансных сигналов как в сильное поле (экранирование), так и в слабое поле (дезэкранирование). В общем случае sp 2 -системы приводят к экранированию протонов, расположенных над плоскостью этой системы или под ней, и к дезэкранированию протонов, лежащих в плоскости этой системы. 36

экранирования (+) – сдвиг в сильное поле и дезэкранирования ( ) – сдвиг в слабое поле связаны с анизотропией различных π систем. 37

Критерий ароматичности 38

39

Водородные связи • Чем прочнее водородная связь, в которой участвует данный протон, тем в большей мере он дезэкранирован. В карбоновых кислотах протоны карбоксильных групп подвергнаются очень сильному дезэкранированию и их хим. сдвиги смещены в слабое поле до 10 -12 м. д. • Такие протоны легко идентифицировать при добавлении дейтерированной воды – сигналы кислотных протонов уменьшаются или исчезают, но появляется сигнал при 4, 8 м. д. , отвечающий протону НОD. 40

41

• 4. Число линий (пиков, полос) в сигнале. • Характер расщепления сигнала мультиплетность зависит от числа протонов при соседних атомах. • Взаимодействие протона с неэквивалентными ему «n» соседними протонами, приводит к резонансному сигналу, состоящему из n+1 пиков. Одновременное взаимодействие с «n» и «n » протонами приводит к сигналу, содержащему n+n +1 или (n+1)*(n +1) пиков. 42

43

44

• Расщепление сигналов происходит в случае, если неэквивалентные протоны находятся на расстоянии не более 2– 3 связей. При отсутствии таких соседних протонов взаимодействие не наблюдается (n=0) и сигнал представляет собой одну линию, называемую синглетом. Сигнал, состоящий из двух линий с соотношением интенсивностей 1: 1 называют дублет. Соотношение интенсивностей линий в триплете составляет 1: 2: 1, в квартете (квадруплете) 1: 3: 3: 1, в квинтете 1: 4: 6: 4: 1 и определяется по треугольнику Паскаля: 45

Относительные интенсивности линий в мультиплете можно выразить коэффициентами разложения в ряд бинома (1+х)n или с помощью треугольника Паскаля: 46

Наиболее распространенные спиновые системы. • На практике часто выявляют характеристические группы сигналов, ассоциируемые с определенного типа структурами. • Взаимодействующие ядра с сильно различающимися хим. сдвигами обозначают буквами, далеко отстоящими друг от друга в латинском алфавите, при этом протоны сигналы которых расположены в относительно слабом поле обозначают начальными буквами алфавита, а протоны, сигналы которых сдвинуты в сильное поле – последними буквами. 47

• Для них характерно большое отношение Δν/J, так как только при этом условии удается наблюдать взаимодействие первого порядка. • По мере уменьшения отношения Δν/J возрастает отклонение реальной интенсивности линий от рассчитанной по треугольнику Паскаля. • Интенсивность крайних линий уменьшается, а центральных возрастает. Линии резонансных сигналов взаимодействующей спиновой системы как бы «указывают друг на друга» . 48

49

Одним из классических примеров яляется этильная группа. • В спектре соединения типа СН 3 СН 2 Х, особенно если Х электроотрицательный атом или группа, видна система сигналов триплет-квартет. • Сигнал метиленовых протонов расщепляется в квартет из-за взаимодействия с метильными протонами. • Сигнал метильных протонов расщепляется в триплет из-за вицинального взаимодействия с двумя протонами соседней метиленовой группы. 50

51

Изопропильная группа • Сигнал метинового протона расщепляется в септет из-за взаимодействия с метильными протонами. • Сигнал метильных протонов расщепляется в дублет из-за вицинального взаимодействия с протоном соседней метиновой группы. 52

53

Протоны в цис- и транс-положениях при двойной связи не являются эквивалентными и различаются хим. сдвигами и КССВ. 54

• Если между взаимодействующими протонами, расположенными на расстоянии менее 4 связей находятся гетероатомы, например, во фрагментах H–С–O–H, H–C–N–H, то расщепление сигнала может наблюдаться не всегда. Это зависит от конкретных условий записи спектров и, поэтому, надо принимать во внимание обе возможные ситуации при расшифровке или предсказании спектров ПМР. 55

• В спектре ПМР 1 (4 аминофенил)пропан 1 она в виде дублетов проявляются протоны групп а и б, в виде уширенного синглета – протоны в, в виде квартета – протоны г и в виде триплета – протоны группы д. • При этом можно заметить, что дублеты а и б несимметричные и их ближайшие друг к другу линии немного увеличены, а удаленные – уменьшены. Эта форма сигналов называется «эффектом крыши» и свидетельствует о соседнем расположении в молекуле именно протонов а и б. В меньшей степени «эффект крыши» наблюдается и для протонов г и д. Они также находятся на расстоянии не более 3 -связей, однако из-за большей разности их химических сдвигов в спектре ( г– д=1, 74 м. д. ) по сравнению с протонами а и б ( а– б=0, 92 м. д. ) «эффект крыши» менее выражен. 56

• 5. Константой спинового взаи модействия (КССВ) называется расстояние между отдельными линиями в каждой группе сигналов. • По величине J можно судить об электронном состоянии (гибридизации) атомов углерода, несущих данные протоны, и о расположении взаимодействующих протонов в пространстве. • КССВ измеряется в Гц. Она не зависит от напряженности внешнего поля, ее определяют по шкале химических сдвигов, которая калибруется не только в миллионных долях, но и в герцах. В спектре, зарегистрированном при 100 МГц – 1 м. д. = 100 Гц, при 600 МГц – 1 м. д. = 600 Гц. Значения КССВ находятся в интервале J=0– 20 Гц. 57

• В спектре ПМР 1 (4 аминофенил)пропан 1 она величина КССВ между протонами а и б, находящимися на расстоянии 3 -х -связей, является общей и равна 3 Jаб=8, 5 Гц. Значение ее свидетельствует о том, что протоны ароматического кольца находятся в ортоположении друг к другу и, соответственно, в молекуле имеется пара-дизамещенное кольцо. Величина КССВ между протонами групп г и д равна 3 Jгд=7, 0 Гц. Это свидетельствует о том, что протоны находятся в вицинальном (соседнем) положении друг к другу и каждый из них связан с sp 3 -гибридным атомом углерода. 58

• Часто информацию, извлекаемую из спектров ПМР, представляют в виде краткой формы записи спектра, где указывают все 5 параметров для каждого сигнала в спектре ПМР в строгой последовательности: химический сдвиг, истинное число протонов, вид мультиплета, КССВ (для синглета данный пункт опускают), фрагмент, к которому принадлежит рассматриваемая группа протонов. 59

Пример краткой формы записи сигнала в спектре ПМР При описании вида мультиплета необходимо придерживаться следующих сокращений: с. – синглет, д. – дублет, т. – триплет, кв. – квартет, квин. – квинтет, секст. – секстет, септ. – септет, д. д. – дублетов, уш. с. – уширенный синглет. 60

Краткая форма записи для спектра ПМР 1 (4 аминофенил)пропан 1 она • Спектр ПМР ( , м. д. ): 7, 67 (2 Н, д. , J=8, 5 Гц, HAr орто к C=O); 6, 75 (2 Н, д. , J=8, 5 Гц, HAr орто к NH 2); 5, 15 (2 Н, уш. с. , NH 2); 2, 91 (2 Н, кв. , J=7, 0 Гц, СH 2); 1, 17 (3 Н, кв. , J=7, 0 Гц, СH 3). 61

Спектр ПМР 1 нитропропана 62

63

64

65

66

67

Соединение С 7 Н 7 Br не реагирует с Ag. NO 3 и имеет спектр ПМР, представленный ниже. Установите строение. 68

69

Спектр ПМР соединения С 4 Н 9 ОН. Какое строение имеет спирт? 70

• 1 Н ЯМР 1 -хлорпентана 71

13 С ЯМР спектры с одной стороны очень простые: отдельные, отчетливые пики видны для каждого атома. Такие важные в ПМР характеристики как интегральная интенсивность и ССВ – 72 не важны в 13 С ЯМР.

73

74

75

76

77

Сое дине ние 53 ИК спектр, 1 Н ЯМР cпектр, , м. д. (интегральная интенсивность, max, см-1 мультиплетность сигнала, КССВ, Гц, отнесение сигнала) 1596 (аром. ), 1378 (S=Oпир. ), 1301 (S=O), 1192 (S=Oпир. ), 1141 (S=O) 1, 86 (3 H, д, J = 1, 0, CH 3), 2, 36 (3 H, c. , CH 3), 2, 37 (3 H, c. , CH 3), 3, 36 (1 H, дд, J = 11, 7, J = 15, 4, CH 2 -CH), 3, 59 (1 H, дд, J = 3, 9, J = 15, 4, CH 2 -CH), 4, 64 (1 H, дд, J = 11, 7, J = 3, 9, CH-CH 2), 7, 03– 7, 39 (11 H, м, аром. ), 7, 54 (2 H, д, J = 8, 3, С 6 Н 4), 7, 56 (1 H, уш. с, С(5)-H) 78