Протонный ядерный магнитный резонанс ( протонный ЯМР , водородный-1 ЯМР или 1 H ЯМР ) — это применение ядерного магнитного резонанса в ЯМР-спектроскопии по отношению к ядрам водорода-1 в молекулах вещества с целью определения структуры его молекул. [1] В образцах, где используется природный водород (H), практически весь водород состоит из изотопа 1 H (водород-1; т.е. имеющий протон в качестве ядра).
Простые спектры ЯМР регистрируются в растворе , и протоны растворителя не должны мешать. Предпочтительны дейтерированные (дейтерий = 2 H, часто обозначаемый как D) растворители, особенно для использования в ЯМР, например, дейтерированная вода , D 2 O, дейтерированный ацетон , (CD 3 ) 2 CO, дейтерированный метанол , CD 3 OD, дейтерированный диметилсульфоксид , (CD 3 ) 2 SO, и дейтерированный хлороформ , CDCl 3 . Однако также можно использовать растворитель без водорода, такой как четыреххлористый углерод , CCl 4 или дисульфид углерода , CS 2 .
Исторически дейтерированные растворители поставлялись с небольшим количеством (обычно 0,1%) тетраметилсилана (ТМС) в качестве внутреннего стандарта для сравнения химических сдвигов каждого протона аналита. ТМС представляет собой тетраэдрическую молекулу, в которой все протоны химически эквивалентны, что дает один единственный сигнал, используемый для определения химического сдвига = 0 ppm. [2] Он летуч , что также упрощает извлечение образца. Современные спектрометры способны сравнивать спектры на основе остаточного протона в растворителе (например, CHCl 3 , 0,01% в 99,99% CDCl 3 ). Дейтерированные растворители теперь обычно поставляются без ТМС.
Дейтерированные растворители позволяют использовать дейтериевую частотно-полевую блокировку (также известную как дейтериевая блокировка или полевая блокировка) для компенсации эффекта естественного дрейфа магнитного поля ЯМР . Для обеспечения дейтериевой блокировки ЯМР постоянно отслеживает резонансную частоту сигнала дейтерия от растворителя и вносит изменения в , чтобы поддерживать постоянную резонансную частоту. [3] Кроме того, дейтериевый сигнал может быть использован для точного определения 0 ppm, поскольку резонансная частота блокирующего растворителя, а разница между блокирующим растворителем и 0 ppm (TMS) хорошо известна.
Спектры протонного ЯМР большинства органических соединений характеризуются химическими сдвигами в диапазоне от +14 до -4 ppm и спин-спиновой связью между протонами. Интегральная кривая для каждого протона отражает распространенность отдельных протонов.
Простые молекулы имеют простые спектры. Спектр этилхлорида состоит из триплета при 1,5 ppm и квартета при 3,5 ppm в соотношении 3:2. Спектр бензола состоит из одного пика при 7,2 ppm из-за диамагнитного кольцевого тока .
Вместе с ЯМР-спектроскопией углерода-13 протонный ЯМР является мощным инструментом для характеристики молекулярной структуры.
Значения химического сдвига , обозначаемые δ , не являются точными, но типичными – поэтому их следует рассматривать в основном как справочные. Отклонения находятся в диапазоне ±0,2 ppm , иногда больше. Точное значение химического сдвига зависит от молекулярной структуры и растворителя , температуры , магнитного поля , в котором регистрируется спектр, и других соседних функциональных групп . Ядра водорода чувствительны к гибридизации атома, к которому присоединен атом водорода, и к электронным эффектам . Ядра имеют тенденцию деэкранироваться группами, которые оттягивают электронную плотность. Деэкранированные ядра резонируют при более высоких значениях δ, тогда как экранированные ядра резонируют при более низких значениях δ.
Примерами электроноакцепторных заместителей являются −OH , −OCOR , −OR , −NO 2 и галогены . Они вызывают сдвиг в сторону слабого поля приблизительно на 2–4 ppm для атомов H на C α ( алифатический атом C, непосредственно связанный с рассматриваемым заместителем) и менее 1–2 ppm для атомов H на C β (алифатический атом C, связанный с C α ). Карбонильные группы , олефиновые фрагменты и ароматические кольца вносят sp 2 гибридизированные атомы углерода в алифатическую цепь. Это вызывает сдвиг в сторону слабого поля на 1–2 ppm при C α .
Обратите внимание, что лабильные протоны (−OH, −NH 2 , −SH ) не имеют характерного химического сдвига. Однако такие резонансы можно идентифицировать по исчезновению пика при реакции с D 2 O , поскольку дейтерий заменит атом протия . Этот метод называется встряхиванием D 2 O . Кислотные протоны также могут быть подавлены при использовании растворителя, содержащего кислотные ионы дейтерия (например, метанол - d 4 ). Альтернативным методом идентификации протонов, которые не присоединены к углеродам, является эксперимент по гетероядерной одноквантовой когерентности (HSQC), который сопоставляет протоны и углероды, которые находятся на расстоянии одной связи друг от друга. Водород, который не присоединен к углероду, можно идентифицировать, поскольку у него нет кросс-пика в спектре HSQC.
Интегрированные интенсивности сигналов ЯМР в идеале пропорциональны соотношению ядер в молекуле. [4] Вместе с химическим сдвигом и константами связи интегрированные интенсивности позволяют выполнять структурные назначения. Для смесей интенсивности сигналов можно использовать для определения молярных соотношений. Эти соображения справедливы только тогда, когда достаточно времени для полной релаксации затронутых сигналов, определяемой их значениями T 1. Еще одно осложнение возникает из-за трудности интегрирования сигналов с очень разными формами линий.
В дополнение к химическому сдвигу , спектры ЯМР позволяют структурные назначения в силу спин-спиновой связи (и интегрированных интенсивностей). Поскольку сами ядра обладают небольшим магнитным полем, они влияют друг на друга, изменяя энергию и, следовательно, частоту соседних ядер, когда они резонируют — это известно как спин-спиновая связь . Наиболее важным типом в базовом ЯМР является скалярная связь . Это взаимодействие между двумя ядрами происходит через химические связи и обычно может быть видно на расстоянии до трех связей (связь 3-J), хотя иногда оно может быть видно на расстоянии от четырех до пяти связей, хотя они, как правило, значительно слабее.
Эффект скалярной связи можно понять, изучив протон, который имеет сигнал при 1 ppm. Этот протон находится в гипотетической молекуле, где на расстоянии трех связей существует другой протон (например, в группе CH−CH), соседняя группа ( магнитное поле ) заставляет сигнал при 1 ppm разделяться на два, причем один пик на несколько герц выше 1 ppm, а другой пик на ту же величину ниже 1 ppm. Каждый из этих пиков имеет половину площади бывшего синглетного пика. Величина этого расщепления (разница в частоте между пиками) известна как константа связи . Типичное значение константы связи для алифатических протонов будет составлять 7 Гц.
Константа связи не зависит от напряженности магнитного поля, поскольку она вызвана магнитным полем другого ядра, а не магнитом спектрометра. Поэтому она указывается в герцах (частота), а не в ppm ( химический сдвиг ).
В другой молекуле протон резонирует при 2,5 ppm, и этот протон также будет расщеплен на два протоном при 1 ppm. Поскольку величина взаимодействия одинакова, расщепление будет иметь ту же константу связи с разницей в 7 Гц. Спектр будет иметь два сигнала, каждый из которых является дублетом . Каждый дублет будет иметь одинаковую площадь, поскольку оба дублета производятся одним протоном каждый.
Два дублета при 1 ppm и 2,5 ppm из вымышленной молекулы CH−CH теперь изменены на CH 2 −CH:
В результате пик CH при 2,5 ppm будет разделен дважды каждым протоном из CH 2 . Первый протон разделит пик на две равные интенсивности и перейдет от одного пика при 2,5 ppm к двум пикам, одному при 2,5 ppm + 3,5 Гц и другому при 2,5 ppm − 3,5 Гц — каждый с равной интенсивностью. Однако они будут разделены снова вторым протоном. Частоты изменятся соответственно:
Конечный результат — это сигнал, состоящий не из 4 пиков, а из трех: один сигнал на 7 Гц выше 2,5 ppm, два сигнала возникают на 2,5 ppm и последний на 7 Гц ниже 2,5 ppm. Соотношение высот между ними составляет 1:2:1. Это известно как триплет и является показателем того, что протон имеет три связи из группы CH 2 .
Это можно распространить на любую группу CH n . Когда группа CH 2 −CH изменяется на CH 3 −CH 2 , сохраняя химический сдвиг и константы связи идентичными, наблюдаются следующие изменения:
Нечто, разделенное тремя идентичными протонами, принимает форму, известную как квартет , где каждый пик имеет относительную интенсивность 1:3:3:1.
Пик расщепляется n одинаковыми протонами на компоненты, размеры которых находятся в соотношении n- й строки треугольника Паскаля :
Поскольку n -я строка имеет n + 1 компонент, говорят, что этот тип расщепления следует « правилу n + 1»: протон с n соседями появляется как кластер из n + 1 пиков.
С 2-метилпропаном, (CH 3 ) 3 CH, в качестве другого примера: протон CH присоединен к трем идентичным метильным группам, содержащим в общей сложности 9 идентичных протонов. Сигнал C−H в спектре будет разделен на 10 пиков в соответствии с правилом множественности n + 1. Ниже приведены сигналы ЯМР, соответствующие нескольким простым мультиплетам этого типа. Обратите внимание, что внешние линии нонета (которые всего на 1/8 выше, чем у второго пика) едва видны, что дает поверхностное сходство с септетом.
Когда протон связан с двумя разными протонами, то константы связи, скорее всего, будут разными, и вместо триплета будет виден дублет дублетов. Аналогично, если протон связан с двумя другими протонами одного типа и третьим другого типа с другой, меньшей константой связи, то будет виден триплет дублетов. В приведенном ниже примере константа связи триплета больше, чем дублетная. По соглашению, шаблон, созданный наибольшей константой связи, указывается первым, а шаблоны расщепления меньших констант называются по очереди. В приведенном ниже случае было бы ошибочно называть квартет триплетов триплетом квартетов. Анализ таких мультиплетов (который может быть намного сложнее, чем показанные здесь) дает важные подсказки о структуре изучаемой молекулы.
Простые правила спин-спинового расщепления сигналов ЯМР, описанные выше, применяются только в том случае, если химические сдвиги партнеров по сопряжению существенно больше константы связи между ними. В противном случае пиков может быть больше, а интенсивности отдельных пиков будут искажены (эффекты второго порядка).
Если в молекуле присутствуют другие ЯМР-активные ядра, то спин-спиновая связь будет наблюдаться между гетероатомами и протонами. Чаще всего это происходит в соединениях, содержащих фосфор или фтор , поскольку они оба являются ядрами со спином 1/2 и 100% распространенностью. Например, сигналы 1H для протонов во фторметане расщепляются на дублет атомом фтора; наоборот, спектр ЯМР фтора-19 этого соединения показывает квартет из-за расщепления тремя протонами. Типичные константы связи 2J между фтором и протонами составляют 48 Гц или около того; сила связи снижается до 2 Гц в 4J связи. [5]
Еще большие константы связи можно увидеть в фосфинах, особенно если протон напрямую связан с фосфором. Константы связи для этих протонов часто достигают 200 Гц, например, в диэтилфосфине, где константа связи 1J P−H составляет 190 Гц. [6] Эти константы связи настолько велики, что они могут охватывать расстояния, превышающие 1 ppm (в зависимости от спектрометра), что делает их склонными к перекрытию с другими протонными сигналами в молекуле.
Иногда можно увидеть небольшие пики, перекрывающие основные пики ЯМР 1 H. Эти пики не являются результатом протон-протонной связи, а возникают в результате связи атомов 1 H с соседним атомом углерода-13 ( 13 C). Эти небольшие пики известны как углеродные спутники , поскольку они малы и появляются вокруг основного пика 1 H, т.е. спутника (вокруг) них. Углеродные спутники малы, поскольку только очень немногие молекулы в образце имеют этот углерод в качестве редкого ЯМР-активного изотопа 13 C. Как всегда для связи из-за одного ядра со спином 1/2, расщепление сигнала для H, присоединенного к 13 C, представляет собой дублет. H, присоединенный к более распространенному 12 C, не расщепляется, поэтому это большой синглет. Конечный результат представляет собой пару равномерно распределенных небольших сигналов вокруг основного. Если сигнал H уже был бы расщеплен из-за связи H–H или других эффектов, каждый из сателлитов также отражал бы эту связь (как обычно для сложных моделей расщепления из-за разнородных партнеров связи). Другие ЯМР-активные ядра также могут вызывать эти сателлиты, но углерод является наиболее распространенным виновником в протонных ЯМР-спектрах органических соединений.
Иногда вокруг пиков 1 H можно увидеть другие пики , известные как спиннинговые боковые полосы, которые связаны со скоростью вращения ЯМР-трубки . Это экспериментальные артефакты самого спектроскопического анализа, а не внутренняя особенность спектра химического вещества и даже не связанная конкретно с химическим веществом или его структурой.
Углеродные спутники и вращающиеся боковые полосы не следует путать с пиками примесей. [7]
