ЯМР как аналитический метод

Как внешний, так и внутренний стандарты обладают рядом преимуществ и недостатков. Внутренний стандарт может вступать во взаимодействие с другими молекулами, присутствующими в растворе, что приводит к сдвигу сигнала стандарта, т.е. к сдвигу нулевой точки. Взаимодействие стандарта с исследуемым веществом также может привести к изменению вида его спектра. Поэтому основным требованием, предъявляемым к внутреннему стандарту, является уменьшение этого эффекта. Очевидно, что внутренний стандарт должен быть химически стабильным соединением и хорошо растворимым в используемом растворителе. Всем этим условиям вполне удовлетворяют такие вещества, как тетраметилсилан, 2,2 – диметил‑2‑силапентан‑5‑сульфоновая кислота и триметилсилилпропионовая кислота, положение сигнала метальной группы для которых используется в качестве нулевой точки в шкале химических сдвигов и м.д. Эти вещества используются в качестве стандартов в спектрах как 1H, так и 13C Для других ядер, спектры которых представляют интерес с точки зрения биологических приложений ЯМР таких, как 15N и 31P, пока не установлен единый стандарт.

Внешний стандарт отделен от исследуемого вещества. Как правило, его запаивают в капилляр и помещают в измерительную ампулу. Очевидным преимуществом использования внешнего стандарта является то, что молекулы стандартного вещества и исследуемого не взаимодействуют. Однако здесь возникает другая проблема, связанная с тем, что магнитные восприимчивости растворителя внутри капилляра и в образе различаются. Величина магнитного поля в точке расположения ядра определяется не только экранирующим влиянием электронных оболочек, но и внешним магнитным полем B0, величина которого зависит от магнитной восприимчивости окружения. Если используется внутренний стандарт, то изменение магнитного поля за счет восприимчивости окружения одинаково и для молекул стандарта, и для молекул исследуемого вещества. При использовании внешнего стандарта это условие не выполняется. В зависимости от магнитных восприимчивостей исследуемого вещества и стандарта их ядра находятся в различных магнитных полях, причем это различие в величине полей зависит не только от магнитных восприимчивостейисследуемого вещества и вещества-стандарта, но и геометрических факторов. В ЯМР высокого разрешения образец и стандарт

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.

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 Im 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

X со спинами I= 1/2, при условии, что константа косвенного спин-спинового взаимодействия Jax остается неизменной, а разность значений химических сдвигов уменьшается. В пределе достаточно сильного

 Скачать реферат