Развязка ядерного магнитного резонанса ( сокращенно развязка ЯМР ) — это специальный метод, используемый в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), при котором анализируемый образец облучается на определенной частоте или в частотном диапазоне, чтобы устранить или частично устранить эффект связи между определенными ядрами . ЯМР-связь относится к влиянию ядер друг на друга в атомах на расстоянии пары связей друг от друга в молекулах. Этот эффект приводит к тому, что сигналы ЯМР в спектре разделяются на несколько пиков. Развязка полностью или частично устраняет расщепление сигнала между облученными ядрами и другими ядрами, например анализируемыми ядрами в определенном спектре. ЯМР-спектроскопия и иногда развязка могут помочь определить структуру химических соединений .
ЯМР-спектроскопия образца дает спектр ЯМР, который по сути представляет собой график зависимости интенсивности сигнала по вертикальной оси от химического сдвига для определенного изотопа по горизонтальной оси. Интенсивность сигнала зависит от количества точно эквивалентных ядер в образце при этом химическом сдвиге. Спектры ЯМР снимаются для одновременного анализа одного изотопа ядер. В спектрах ЯМР проявляются только определенные типы изотопов определенных элементов . Только эти изотопы вызывают ЯМР-связь. Ядра атомов, имеющие одинаковые эквивалентные положения внутри молекулы, также не соединяются друг с другом. 1 H (протонная) ЯМР-спектроскопия и 13 C ЯМР-спектроскопия анализируют ядра 1 H и 13 C соответственно и являются наиболее распространенными типами (наиболее распространенные изотопы аналитов, которые показывают сигналы) ЯМР-спектроскопии.
Гомоядерная развязка - это когда ядра, подвергающиеся радиочастотному (РЧ) облучению, имеют тот же изотоп, что и ядра, наблюдаемые (анализируемые) в спектре. Гетероядерная развязка - это когда ядра, подвергающиеся радиочастотному облучению, имеют другой изотоп, чем ядра, наблюдаемые в спектре. [1] Для данного изотопа можно облучать весь диапазон для всех ядер этого изотопа при широкозонной развязке , [2] или можно облучать только выбранный диапазон для определенных ядер этого изотопа.
Практически все встречающиеся в природе атомы водорода (H) имеют ядра 1 H, которые проявляются в спектрах 1 H ЯМР. Эти ядра 1 H часто связаны с близлежащими неэквивалентными атомными ядрами 1 H внутри той же молекулы. Атомы H чаще всего связаны с атомами углерода (C) в органических соединениях . Около 99% встречающихся в природе атомов C имеют 12 ядер C, которые не обнаруживаются в ЯМР-спектроскопии и не соединяются с другими ядрами, которые действительно дают сигналы. Около 1% встречающихся в природе атомов C имеют ядра 13 C, которые действительно демонстрируют сигналы в спектроскопии ЯМР 13 C и взаимодействуют с другими активными ядрами, такими как 1 H. Поскольку процентное содержание 13 C в образцах с естественным изотопным содержанием очень низкое , Эффекты взаимодействия 13 C с другими атомами углерода и с 1 H обычно незначительны, и для всех практических целей расщепление сигналов 1 H из-за взаимодействия с природным изотопным углеродом не проявляется в спектрах 1 H ЯМР. В реальной жизни, однако, эффект связи 13 C действительно проявляется в несвязанных 13 C спектрах других магнитных ядер, вызывая спутниковые сигналы .
Точно так же для всех практических целей расщепление сигнала 13 C из-за взаимодействия с ближайшими природными изотопными углеродами незначительно в спектрах ЯМР 13 C. Однако практически весь водород, связанный с атомами углерода, представляет собой 1 H в образцах с естественным изотопным содержанием, включая любые ядра 13 C, связанные с атомами H. В спектре 13 C без какой-либо развязки каждый из сигналов 13 C разделяется в зависимости от того, со сколькими атомами H находится рядом этот атом C. Чтобы упростить спектр, спектроскопию ЯМР 13 C чаще всего проводят с полной развязкой протонов , что означает, что ядра 1 H в образце подвергаются широкому облучению, чтобы полностью отделить их от анализируемых ядер 13 C. Эта полная развязка протонов устраняет все связи с атомами H и, следовательно, расщепление из-за атомов H в природных соединениях с изотопным содержанием. Поскольку связь между другими атомами углерода в образцах с естественным содержанием изотопов незначительна, сигналы в спектрах 13 C с полной развязкой протонов в углеводородах и большинство сигналов от других органических соединений представляют собой одиночные пики. Таким образом, количество эквивалентных наборов атомов углерода в химической структуре можно подсчитать путем подсчета синглетных пиков, которые в спектрах 13 C имеют тенденцию быть очень узкими (тонкими). Другая информация об атомах углерода обычно может быть определена по химическому сдвигу , например, является ли атом частью карбонильной группы или ароматического кольца и т. д. Такое полное разделение протонов также может помочь увеличить интенсивность сигналов 13 C.
В ЯМР - спектроскопии 13 С также может происходить внерезонансная развязка 1 H от ядер 13 C, где более слабое радиочастотное облучение приводит к тому, что можно рассматривать как частичную развязку. В таком внерезонансном развязанном спектре только 1 атом H, связанный с атомом углерода, будет расщеплять его сигнал 13 C. Константа связи, указывающая на небольшую разницу частот между пиками разделенного сигнала, будет меньше, чем в несвязанном спектре. [1] Глядя на нерезонансный спектр 13 C с развязкой протонов, можно увидеть, сколько атомов водорода связано с атомами углерода, что поможет в дальнейшем объяснить химическую структуру . Для большинства органических соединений углероды, связанные с 3 атомами водорода ( метилами ), будут выглядеть как квартеты (4-пиковые сигналы), углероды, связанные с 2 эквивалентными водородами, будут выглядеть как триплеты (3-пиковые сигналы), углероды, связанные с 1 водородом, будут дублетами ( 2-пиковые сигналы), а атомы углерода, не связанные непосредственно с какими-либо водородами, будут синглетами (1-пиковые сигналы). [2]
Другой метод развязки - это специфическая протонная развязка (также называемая полосно-селективной или узкополосной). Здесь выбранная «узкая» полоса частот 1 H (мягкого) развязывающего РЧ-импульса охватывает лишь определенную часть всех сигналов 1 H, присутствующих в спектре. Это может служить двум целям: (1) уменьшить выделяемую энергию за счет дополнительной настройки формы радиочастотных импульсов/использования составных импульсов, (2) выяснения связности ядер ЯМР (применимо как с гетероядерной, так и с гомоядерной развязкой). Точка 2 может быть достигнута путем разделения, например, одного сигнала 1 H, что затем приводит к коллапсу J-паттерна связи только для тех наблюдаемых гетероядерных или неразвязанных сигналов 1 H, которые J связаны с облученным сигналом 1 H. Другие части спектра остаются незатронутыми. Другими словами, этот конкретный метод разделения полезен для присвоения сигналов, что является решающим шагом для дальнейшего анализа, например, с целью определения молекулярной структуры. Обратите внимание, что более сложные явления могут наблюдаться, когда, например, разделенные ядра 1 H обмениваются с несвязанными ядрами 1 H в образце, причем процесс обмена происходит во временной шкале ЯМР. Это используется, например, с контрастными веществами с химическим обменным переносом насыщения (CEST) в магнитно-резонансной спектроскопии in vivo . [3]