ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС . Спектроскопия ЯМР в сочетании

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС . Спектроскопия ЯМР в сочетании с другими физическими методами является эффективным методом исследования химического строения молекул, стереохимической конфигурации и конформации 1

ЯМР-спектроскопия • – метод исследования молекулярной структуры и динамики молекул, межмолекулярных взаимодействий, механизмов химических реакций и количественного анализа веществ в различных агрегатных состояниях 2

ЯМР-спектроскопию • применяют для количественного анализа сложных смесей: продуктов реакции, стереоизомеров, таутомеров и др. Все это обусловлено простотой получения спектров и их высокой информативностью. 3

Спектры ЯМР • индивидуальны, т. к. их вид и характеристики зависят от взаимодействия ядер и электронов, т. е. определяются всей структурой молекулы 4

Физические основы метода ЯМР • Этот вид спектроскопии основан на простых принципах. Ядра некоторых атомов действуют как магниты, которые в отсутствии магнитного поля ориентированы случайным образом. 5

Физические основы метода ЯМР • Ядра этих атомов в магнитном поле поворачиваются в направлении магнитного поля или против него. 6

7

В ЯМР-спектроскопии • помещают образец одновременно в два магнитных поля – одно постоянное, а другое – радиочастотное. Исследуемое вещество помещают в датчик спектрометра между полюсами магнита. 8

Возбуждение образца • Образец подвергают воздействию электромагнитного излучения, частоту которого можно менять , так что ядра возбуждаются, когда накладываются соответствующие резонансные частоты. 9

• Получение ЯМР - спектра при наложении двух магнитных полей: постоянного и переменного 10

11

Описание схемы • В качестве источника возбуждающего излучения используется радиочастотный генератор, или передатчик, а поглощение ядрами энергии передатчика можно зарегистрировать с помощью радиочастотного моста. 12

ЯМР-сигнал • При определенном сочетании полей образец поглощает энергию, что приводит к получению ЯМР- сигнала на выходе высокочастотного усилителя. Сигнал, выделенный мостом, усиливается и записывается самописцем. 13

• С помощью высокочастотного электромагнитного излучения можно вызвать переходы между собственными состояниями на диаграмме энергетических уровней. 14

резонансный сигнал • При переходе с нижнего уровня на верхний происходит поглощение энергии. Поглощение энергии можно обнаружить, усилить и записать как спектральную линию, или так называемый резонансный сигнал 15

16

ядро водорода 1 Н • Одним из распространенных ядер, сигналы которого применяются в методе ЯМР, является ядро водорода 1 Н. Ядро 1 Н имеет самый высокий магнитный момент среди всех других ядер. 17

Выбор 1 Н • Именно величина магнитного момента определяет интенсивность сигнала при одном и том же магнитном поле. Кроме того, естественное содержание 1 Н в природе составляет почти 100 % 18

магнитные свойства • Магнитными свойствами всегда обладают ядра с массой, выражаемой нечетным числом: 1 Н, 13 С, 15 N, 31 Р и т. д. (ядра, имеющие полуцелочисленный спин. 19

Спектры ЯМР • этих атомов получили большое распространение в органической химии (это атомы с ненулевыми ядерными магнитными моментами). 20

Магнитный момент и момент импульса • взаимосвязаны: • = P • где - магнитный момент, Р – угловой момент, который в свою очередь обусловливает появление у этого ядра магнитного момента , • Р-это момент импульса или ядерный спин 21

Гиромагнитное отношение • - константа пропорциональности или гиромагнитное отношение. Гиромагнитное отношение есть основная постоянная, характерная для любого ядра (размерность Тл/c) 22

Свойства важных для спектроскопии ядер • (1 Н ) = 26, 752 Тс/с • (13 С ) = 6, 728 Тс/с 23

В присутствии магнитного поля • происходит расщепление энергетического уровня на два. • Разность энергии между двумя энергетическими уровнями равна • E= ( *h / 2 ) Bo • Bo – плотность магнитного потока 24

Соотношение между частотой излучения и плотностью магнитного потока • Энергия поглощения или выделения в виде кванта электромагнитного излучения равна • E= h*vo , и тогда: • vo = * Bo/2 25

ядра 1 Н и 13 С • Существуют таблицы соотношений между наиболее часто используемыми в спектрометрах частотами излучения и соответствующими величинами плотности магнитного потока для ядер 1 Н и 13 С 26

для явления ядерного магнитного резонанса • необходимо воздействовать на ядро магнитным потоком Вo и переменным электромагнитным полем с частотой, удовлетворяющей условию резонанса по формуле • vo = * Bo/2 • 27

Частота излучения • точно соответствует энергетической щели. В случае отсутствия магнитного поля уровни энергий сливаются и резонанса не наблюдается. 28

ЯМР-спектр • Зависимость поглощенной энергии от частоты и представляет собой ЯМР-спектр 29

Характеристики ЯМР- спектроскопии • Важнейшими характеристиками ЯМР-спектроскопии являются химический сдвиг, мультиплетность сигнала, связанная с числом взаимодействующих ядер и их спинами, константы спин- спинового взаимодействия JAB ядер, 30

Характеристики ЯМР- спектроскопии • интегральная интенсивность сигналов (мультиплетов), отношение интенсивностей компонент мультиплета 31

Химический сдвиг • Для различных групп ядер, находящихся в определенном окружении в молекуле, можно зафиксировать целый набор линий поглощения или ЯМР-сигналов 32

Пример • В ЯМР-спектре 1 Н этанола (С 2 Н 5 ОН) присутствуют три различных сигнала. Этот эффект вызван различным химическим окружением протонов в молекуле 33

Химический сдвиг • Это химический сдвиг резонансной частоты или просто химический сдвиг. Химический сдвиг (δ) пропорционален постоянному магнитному полю Н и резонансной частоте 34

Химические сдвиги • Химические сдвиги ЯМР обусловлены электронным экранированием ядер, а величина химического сдвига зависит от наличия тех или иных заместителей 35

Химический сдвиг • Химический сдвиг (δ) есть отношение изменения силы поля, необходимого для появления резонанса, к силе поля, при которой наблюдается резонанс для эталона: • δ = (Hобр. – Hэт. )/Hэт. 36

Химические сдвиги (δ ) • измеряют в безразмерных единицах – миллионных долях (м. д. ) от приложенного магнитного поля Нo (или рабочей частоты спектрометра v 0): δ = (∆v/vo )· 106 = (∆Н/Нo)· 106 , где ∆v (или ∆Н) – расстояние от резонансной линии до эталонной линии спектра, измеренное в Гц. 37

Химические сдвиги • всегда измеряют относительно какого- либо стандарта. В качестве стандартов используют тетраметилсилан (ТМС) – или гексаметилдисилоксан (ГМДС), которые удобны тем, что дают узкие и сильные резонансные сигналы в области, где поглощают только очень немногие виды протонов. 38

- шкала • В ЯМР-спектроскопии 1 Н распространена так называемая - шкала химических сдвигов, по которой химические сдвиги измеряются в м. д. относительно эталонной линии ТМС или ГМДС 39

- шкала • По этой шкале химический сдвиг ТМС или ГМДС принят равным нулю, а сдвигам ЯМР- сигналов приписывается положительный знак 40

Шкала • Также в ЯМР-спектроскопии используют шкалу . В этой шкале химический сдвиг эталона принят равным • 10 м. д. Формула связи двух шкал следующая: • =10 - 41

Правило Шулери • Для алифатических соединений существует правило Шулери, которое показывает влияние последовательного замещения атомов водорода в метане на резонансную частоту протона: • =0, 23 + Σ S ( ) 42

таблица постоянных заместителей • где Σ S ( ) - берется из таблицы постоянных заместителей для спектров протонного резонанса замещенных метанов. 43

Правило Шулери • Например, для хлороформа (СНCl 3), метиленхлорида (CH 2 Cl 2) и метилхлорида (CH 3 Cl) правило Шулери дает следующие значения : 7, 82 ; 5, 29 и 2, 76 м. д. , которые сопоставимы с экспериментальными данными: 7, 27; 5, 3 и 3, 1. 44

Для замещенных этиленов • Для олефиновых систем (для замещенных этиленов) химические сдвиги рассчитываются по уравнению: δ =5, 28 + Σ S (δ) 45

Зависимость химического сдвига от внешних факторов • Химический сдвиг зависит от внешних факторов: растворителя, концентрации и температуры образца. Особенно сильна эта зависимость химического сдвига от перечисленных факторов для функциональных групп, содержащих гетероатомы NH, OH, SH и др. 46

Влияние температуры на химические сдвиги протонов. • Для неполярных групп в инертных растворителях δ мало зависит от температуры 47

Уменьшение с увеличением температуры • Для полярных же групп происходит смещение сигналов в более сильное поле (уменьшение δ) с увеличением температуры. Это особенно заметно для гидроксильных групп. Положение гидроксильной группы меняется в зависимости от температуры и концентрации. 48

Интегральная интенсивность сигналов (мультиплетов) • Соблюдается материальный баланс по протонам 49

ПМР-спектр этилформиата 50

• ЯМР-спектры низкого и высокого разрешения 51

ХАРАКТЕРИСТИКА • РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ 52

Распределение Вид сигнала Число линий интенсивносте й Синглет 1 Дублет 2 1: 1 Триплет 3 1: 2: 1 Квартет 4 1: 3: 3: 1 (квадруплет) Квинтет 5 1: 4: 6: 4: 1 Секстет 6 1 : 5 : 10 : 5 : 1 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : Септет 7 6: 1 53

Спектральные ПМР-характеристики ароматических и гетероароматических соединений • Химические сдвиги 1 Н полизамещенных бензолов можно вычислять по аддитивной схеме с высокой точностью. Для определения теоретических значений химических сдвигов полизамещенных бензолов можно пользоваться инкрементами заместителей, приведенных в таблицах 54

55

• Для вычисления химического сдвига ароматического протона к химическому сдвигу протонов бензола (7, 27 м. д. ) прибавляют соответствующие инкременты. Одни инкременты имеют положительный знак - это электронодонорные группы, другие - отрицательный знак - это электроноакцепторные группы. 56

“о-взаимодействия“ • Расчеты совпадают с экспериментальными данными, если нет существенных “о- взаимодействий“ заместителей 57

Типичные спин-спиновые мультиплеты • Для ароматических протонов приведем типичные спин- спиновые мультиплеты 58

ДУБЛЕТ, ТРИПЛЕТ, КВАРТЕТ 59

60

• Указанный подход распространяется и на гетероароматичес кие системы 61

КЛАССИФИКАЦИЯ СПИНОВЫХ СИСТЕМ • ядра химически эквивалентные и химически неэквивалентные • Два ядра любой спиновой системы, дающие сигналы с разными значениями химических сдвигов, называют химически неэквивалентными; при одинаковых химических сдвигах ядра называют химически эквивалентными. 62

Гомоядерные и гетероядерные системы • Система является гомоядерной спиновой системой, если она образована только протонами, или гетероядерной, если она образована не только протонами. 63

Системы А В С • Если разность химического сдвига сравнима с величиной расщепления сигналов взаимодействующих ядер, то ядра обозначают буквами алфавита • А В С 64

Системы АВ • Системы АВ часто встречаются в органических соединениях. Например, для ароматических протонов соединения 1 -амино-3, 6 - диметил-2 -нитробензола характерна система АВ-типа 65

66

67

А В Х • В случае разности химического сдвига много больше величины расщепления сигналов взаимодействующих ядер, то ядра обозначают: • А В Х 68

АВХ-система • Для АВХ-системы ядра А и В сильно связаны друг с другом, а ядро Х в такой системе слабо связано. Системы такого типа характеризуются химическими сдвигами ( A , B и X ) и тремя константами спин- спинового взаимодействия (JAB, JAX и JBX ). • Такие структуры обнаруживаются в 2 -фтор- 4, 6 -дихлорфеноле, 1, 2, 4 -трихлорбензоле, 2 - йодтиофене: 69

70

Выбор растворителя • Вещество, в первую очередь, должно растворяться в выбранном растворителе. Растворители для ЯМР-спектроскопии не должны содержать протонов, это, может быть четыреххлористый углерод или дейтерированные растворители 71

РАСТВОРИТЕЛИ • Для неполярных соединений почти всегда можно использовать тетрахлорид углерода, а для полярных соединений подходит хлороформ (резонансный сигнал =7, 23 м. д. ). 72

продажный дейтерохлороформ • лучше использовать продажный дейтерохлороформ для избежания наложения сигнала обычного хлороформа на ароматические протоны химических соединений. 73

74

75

Расшифровка • Методом ЯМР 1 H исследованы особенности строения данного соединения: • В спектре ЯМР 1 Н этого соединения, снятом в растворе дейтеродиметилсульфоксида, наблюдаются двухдублетные сигналы с о- константами в более слабом поле от протонов 2 и 6 с химическим сдвигом 7, 97 м. д. (J = 8, 74 Гц) и от протонов 3 и 5 с химическим сдвигом 7, 2 м. д. ( J = 8, 76 Гц) в более сильном поле. 76

Расшифровка • Кроме указанных, в спектре обнаружены двухдублетные сигналы с п-константами с центрами дублетов, соответствующих протонам 6' – 7, 13 м. д. , 3' – 8, 2 м. д. , 6''- 7, 8 м. д и 3'' – 8, 5 м. д. • В спектре ЯМР 1 Н исследуемого соединения наблюдаем синглеты от протонов группы NH при 9, 4 м. д. , группы NHCOCH 3 с химическим сдвигом 10, 3 м. д. , отличающиеся хорошо сопоставимой интегральной интенсивностью с ароматическими протонами. 77

Одномерный спектр • Пик от протона группы СOOH при значении химического сдвига 13 м. д. сильно уширен, что характерно при наличии в структуре соединения ароматического амина и карбоксильной группы. 78

Двумерный спектр • Идентификация структуры синтезированного продукта была проведена с использованием спектра NOESY. Анализ спектра NOESY показал контакты NH/COCH 3 и NH/6'' , а также соответственно CHCO/NH и 6''/NH, что позволяет полностью подтвердить предложенную структуру, т. к. протон 6’находится в более сильном поле 7, 13 м. д. в о-положении к O- 79