Материал: спектроскопические методы анализа

отстоящих друг от друга на J Гц, с соотношением интенсивности 1:2:1

(рис. 4.4).

Рис. 4.4. Типы мультиплетов

Аналогичное рассмотрение ситуации с большим числом соседних ядер приводит к общему случаю для n ядер, которые будут расщеплять сигнал данного ядра на n+1 пиков с соотношением интенсивностей, определяемым в соответствии с треугольником Паскаля (рис. 4.4). Величина спин-спинового взаимодействия, измеренная по расстоянию между двумя компонентами мультиплета, зависит от двугранного угла Ha–C–C–Hb. Таким образом, возможно получить информацию о стереохимии и конформации молекул в растворе. По причине зависимости констант J от геометрии молекулы часто наблюдается ситуация, в которой ядро взаимодействует с несколькими неэквивалентными протонами, причем константы взаимодействия различаются. В простейшем случае взаимодействия с двумя неэквивалентными протонами в спектре будут наблюдаться четыре пика с равной интенсивностью, т. е. дублет дублетов

(рис. 4.4).

116

4.5. Ядерный эффект Оверхаузера и двойной резонанс

Третий тип информации, предоставляемый спектроскопией ЯМР, связан с так называемым ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО, NOE, Nuclear Overhauser Effect). Данный эффект связан с взаимодействием двух ядер непосредственно через пространство (а не по цепочке связей, как это было в случае спин-спинового взаимодействия). Слабое радиочастотное облучение одного из ядер на его резонансной частоте способствует выравниванию заселенностей в двухуровневой системе, что приводит к изменению заселенностей уровней ядер, располагающихся вблизи облучаемого ядра. Эффект зависит исключительно от расстояния между двумя ядрами (интенсивность взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между взаимодействующими ядрами в шестой степени), даже если они удалены друг от друга по цепочке связей. Как правило, ЯЭО можно обнаружить в случае протонов, находящихся на расстоянии до 5Å. Измерение расстояний таким образом часто применяют для определения точных структур белков инуклеиновых кислот в растворе.

В спектрах первого порядка химический сдвиг ядра совпадает с центром мультиплета, а КССВ (в герцах) находят прямым измерением расстояния между компонентами мультиплета. В спиновых системах, дающих спектры первого порядка, неэквивалентные ядра принято обозначать буквами латинского алфавита, далеко отстоящими друг от друга, например, АР, АХ, АРх и т. д. Если в системе имеется несколько эквивалентных ядер, их число указывается цифровым индексом при соответствующей букве: А3Х, А3Х2, А2Р2Х и т.д.

Спектры высшего порядка дают спиновые системы, в которых разность химических сдвигов магнитных ядер сопоставима с константой спин-спинового взаимодействия между ними. Для обозначения ядер в спиновых системах высшего порядка используют соседние буквы латинского алфавита: АВ, ABC, А2В3С и т.д. Спектры высшего порядка дают также спиновые системы, для которых выполняется условие спектров первого порядка, но химически эквивалентные ядра не являются магнитно эквивалентными. Примером может служить 1,1-дифторэтилен, в молекуле которого протоны Н и Н' химически эквивалентны, а магнитно не

117

эквивалентны. Магнитно неэквивалентные атомы таких спиновых систем принято обозначать одинаковыми буквами с разным количеством штрихов при них, например АА'ХХ' для 1,1-дифторэтилена или АА'ВВ' для 1,2- дихлорбензола.

Для спектров высшего порядка характерно нарушение биномиального распределения интенсивностей линий в мультиплетах, появление дополнительных (комбинационных) линий и, в общем случае, несоответствие расстояний между двумя линиями константам спинспинового взаимодействия. В этих условиях определение химических сдвигов и КССВ является не тривиальной задачей и требует привлечения либо расчетных методов, либо дополнительных экспериментов. Расчетные методы основаны на определении полной схемы энергетических уровней для данной системы, которым соответствуют собственные значения квантово-механического гамильтониана. На практике предварительный расчет проводят с пробными значениями химических сдвигов и КССВ, взятыми из спектров аналогичных соединений, или исходя из теоретических соображений. Предварительный расчет позволяет соотнести экспериментальные пики и переходы в рассчитанном спектре. На следующем этапе при помощи метода итераций добиваются наилучшего совпадения линий в экспериментальном и рассчитанном спектре, варьируя ЯМР-параметры. Окончательными значениями химических сдвигов и КССВ считают те, которые относятся к оптимальному варианту.

Спектры не первого порядка сложны для интерпретации; впрочем, часто возникают трудности и при расшифровке некоторых спектров первого порядка. Превращение сложного спектра в спектр первого порядка может быть достигнуто увеличением соотношения (δНА–δНВ)/J.

Возрастание рабочей частоты прибора увеличивает расстояние между сигналами, сохраняя неизменным константы спин-спинового взаимодействия, и при достаточно высокой рабочей частоте все спектры могут стать спектрами первого порядка.

Большую помощь при расшифровке сложных спектров оказывают методы двойного резонанса. Чтобы подавить спин-спиновое взаимодействие между двумя взаимодействующими ядрами, образец облучают радиочастотой, соответствующей резонансной частоте одного из

118

ядер. При записи спектра в условиях двойного резонанса сигнал облучаемого протона не наблюдается, однако вследствие исчезновения спин-спинового взаимодействия с этим протоном упрощаются другие сигналы. Экспериментальные методы двойного резонанса различаются по величине напряженности возмущающего поля Н2.

Двойной магнитный резонанс при большой интенсивности поля Н2 называется методом полной спиновой развязки.

При полной спиновой развязке изменяются все энергетические уровни, связанные с данным ядром; в спектре пропадает сигнал облучаемого ядра и изменяются мультиплетности сигналов других связанных с ним ядер вследствие полного подавления спин-спинового взаимодействия с облученным ядром.

При методе селективной спиновой развязки изменяется лишь часть энергетических уровней системы, связанной с облученным ядром. При этом исчезают некоторые компоненты мультиплета облучаемого ядра и мультиплеты связанных с ним ядер упрощаются.

При действии еще более слабого поля Н2 происходит лишь возмущение энергетических уровней, в результате чего наблюдается дополнительное расщепление компонентов мультиплета, связанных с этими уровнями. Такой вид двойного резонанса получил название спинтиглинг.

К динамическим эффектам в ЯМР можно отнести: 1) заторможенное вращение вокруг ординарных и частично двойных связей в органических молекулах; 2) конформационные переходы в циклических системах; 3) стереодинамика производных трехвалентного азота; 4) вырожденные и невырожденные внутримолекулярные перегруппировки («валентная таутомерия») нежестких молекул; 5) межмолекулярны и внутримолекулярные реакции обмена, в том числе протонный обмен и обменные реакции с участием металлоорганических групп, прототропная таутомерия и металлотропия; 6) стереодинамика комплексных соединений

– перегруппировки координационных полиэдров и лигандный обмен.

119

4.6. Устройство ЯМР-спектрометра и техники экспериментов

ЯМР-переходы в аналитическом образце, продуцирующие сигнал в приемном канале спектрометра, имеют место при соблюдении условия резонанса:

Наиболее очевидные пути для достижения таких условий:

1.Варьирование плотности внешнего магнитного потока B0 при постоянной частоте передатчика ν1 (развертка по полю);

2.Варьирование частоты ν1 при постоянном поле B0 (развертка по частоте).

Записывающее устройство может быть напрямую связано с разверткой поля или частоты и тогда перо самописца прогрессивно записывает спектр. Этот способ называется continuous wave (CW) и использует непрерывную радиочастотную мощность, в отличие от

импульсного метода.

CW метод был основой всех ЯМР спектрометров до конца 60-х годов

ХХвека, затем полностью вытеснен импульсным методом (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Устройство ЯМР-спектрометра

120