Протонный ядерный магнитный резонанс ( протонный ЯМР , ЯМР водорода-1 или ЯМР 1 Н ) — это применение ядерного магнитного резонанса в ЯМР-спектроскопии по отношению к ядрам водорода-1 внутри молекул вещества с целью определения структуры его молекулы. [1] В образцах, в которых используется природный водород (H), практически весь водород состоит из изотопа 1 H (водород-1; т.е. имеет протон в качестве ядра).
Простые спектры ЯМР регистрируются в растворе , и протонам растворителя нельзя допускать вмешательства. Предпочтительны дейтерированные (дейтерий = 2 H, часто обозначаемые 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 сероуглерод CS 2 .
Исторически дейтерированные растворители поставлялись с небольшим количеством (обычно 0,1%) тетраметилсилана (ТМС) в качестве внутреннего стандарта для определения химических сдвигов каждого протона аналита. ТМС представляет собой тетраэдрическую молекулу, в которой все протоны химически эквивалентны и дают один сигнал, используемый для определения химического сдвига = 0 частей на миллион. [2] Он летуч , что упрощает восстановление проб. Современные спектрометры могут определять спектры, основанные на остаточном протоне в растворителе (например, CHCl 3 , 0,01% в 99,99% CDCl 3 ). Дейтерированные растворители сейчас обычно поставляются без ТМС.
Дейтерированные растворители позволяют использовать блокировку частотного поля дейтерия (также известную как блокировка дейтерия или блокировка поля), чтобы компенсировать эффект естественного дрейфа магнитного поля ЯМР . Чтобы обеспечить блокировку дейтерия, ЯМР постоянно контролирует резонансную частоту сигнала дейтерия от растворителя и вносит изменения в сигнал, чтобы поддерживать постоянную резонансную частоту. [3] Кроме того, сигнал дейтерия можно использовать для точного определения 0 ppm, поскольку резонансная частота фиксирующего растворителя, а разница между фиксирующим растворителем и 0 ppm (TMS) хорошо известна.
Спектры ЯМР протонов большинства органических соединений характеризуются химическими сдвигами в диапазоне от +14 до -4 м.д. и спин-спиновым взаимодействием между протонами. Кривая интегрирования для каждого протона отражает содержание отдельных протонов.
Простые молекулы имеют простые спектры. Спектр этилхлорида состоит из триплета при 1,5 м.д. и квартета при 3,5 м.д. в соотношении 3:2. Спектр бензола состоит из одного пика при 7,2 м.д., обусловленного диамагнитным кольцевым током .
Вместе с ЯМР углерода-13 протонный ЯМР является мощным инструментом для определения характеристик молекулярной структуры.
Значения химического сдвига , обозначаемые δ , не являются точными, но типичными, поэтому их следует рассматривать главным образом как справочные. Отклонения находятся в пределах ±0,2 ppm , иногда больше. Точная величина 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 быть лишенными защиты группами, которые уменьшают 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 . Это вызывает сдвиг в слабое поле примерно на 2–4 м.д. для атомов H на Cα и менее чем на 1–2 м.д. для атомов H на Cβ . Cα представляет собой алифатический атом C , непосредственно связанный с рассматриваемым заместителем, а Cβ представляет собой алифатический атом C, связанный с Cα . Карбонильные группы , олефиновые фрагменты и ароматические кольца вносят sp 2 гибридизованные атомы углерода в алифатическую цепь. Это вызывает сдвиг в сторону слабого поля на 1–2 ppm при Cα .
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 заменяет атом протия . Этот метод называется встряхиванием D 2 O. Кислотные протоны также могут быть подавлены при использовании растворителя, содержащего кислые ионы дейтерия (например, метанол - d 4 ). Альтернативным методом идентификации протонов, не связанных с атомами углерода, является эксперимент гетероядерной одноквантовой когерентности (HSQC), который сопоставляет протоны и атомы углерода, находящиеся на расстоянии одной связи друг от друга. Водород, не связанный с углеродом, можно идентифицировать, поскольку он не имеет перекрестного пика в спектре HSQC.
Интегральные интенсивности сигналов ЯМР в идеале пропорциональны соотношению ядер внутри молекулы. [4] Вместе с химическим сдвигом и константами взаимодействия интегрированные интенсивности позволяют выполнять структурные определения. Для смесей интенсивности сигналов можно использовать для определения молярных соотношений. Эти соображения действительны только тогда, когда имеется достаточно времени для полной релаксации затронутых сигналов, что определяется их значениями T 1 . Еще одна сложность возникает из-за сложности интеграции сигналов очень разных форм линий.
В дополнение к химическому сдвигу спектры ЯМР допускают структурные определения на основе спин-спинового взаимодействия (и интегральных интенсивностей). Поскольку ядра сами по себе обладают небольшим магнитным полем, они влияют друг на друга, изменяя энергию и, следовательно, частоту соседних ядер в процессе резонанса — это известно как спин-спиновая связь . Наиболее важным типом основного ЯМР является скалярная связь . Это взаимодействие между двумя ядрами происходит посредством химических связей и обычно можно увидеть на расстоянии до трех связей (3-J-связь), хотя иногда его можно увидеть и на расстоянии от четырех до пяти связей, хотя они, как правило, значительно слабее.
Эффект скалярной связи можно понять, исследуя протон, имеющий сигнал при 1 ppm. Этот протон находится в гипотетической молекуле, где за три связи существует другой протон (например, в группе CH-CH), соседняя группа ( магнитное поле ) заставляет сигнал при 1 ppm разделяться на два, причем один пик составляет несколько герц выше 1 ppm, а другой пик соответствует тому же числу герц 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 составляет 7 Гц.
Константа связи не зависит от напряженности магнитного поля, поскольку она вызвана магнитным полем другого ядра, а не магнитом спектрометра. Поэтому оно указывается в герцах (частота), а не в ppm ( химический сдвиг ).
В другой молекуле протон резонирует при 2,5 ppm, и этот протон также будет разделен на две части протоном при 1 ppm. Поскольку величина взаимодействия одинакова, расщепление будет иметь одну и ту же константу связи с разницей в 7 Гц. Спектр будет иметь два сигнала, каждый из которых будет дублетом . Каждый дублет будет иметь одинаковую площадь, поскольку оба дублета производятся одним протоном каждый.
Два дублета при 1 ppm и 2,5 ppm вымышленной молекулы CH-CH теперь заменены на CH 2 -CH:
В результате пик CH при 2,5 м.д. будет расщеплен дважды каждым протоном CH 2 . Первый протон разделит пик на две равные интенсивности и перейдет от одного пика при 2,5 м.д. к двум пикам: одному при 2,5 м.д. + 3,5 Гц, а другому при 2,5 м.д. - 3,5 Гц, каждый из которых имеет равную интенсивность. Однако они снова будут разделены вторым протоном. Соответственно изменятся частоты:
Конечным результатом является сигнал, состоящий не из 4 пиков, а из трех: один сигнал на частоте 7 Гц выше 2,5 м.д., два сигнала возникают на частоте 2,5 м.д. и последний на частоте 7 Гц ниже 2,5 м.д. Соотношение высот между ними 1:2:1. Это известно как триплет и является индикатором того, что протон состоит из трех связей из группы CH 2 .
Это можно распространить на любую группу CH n . Когда группу CH 2 -CH заменяют на CH 3 -CH 2 , сохраняя химический сдвиг и константы взаимодействия одинаковыми, наблюдаются следующие изменения:
Нечто, разделенное тремя одинаковыми протонами, принимает форму, известную как квартет , где каждый пик имеет относительную интенсивность 1:3:3:1.
Пик разбивается 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 соответствует « правилу n +1»: протон с n соседями появляется как кластер из n +1 пиков.
Другой пример: 2-метилпропан (CH 3 ) 3 CH: протон CH присоединен к трем идентичным метильным группам, содержащим в общей сложности 9 идентичных протонов. Сигнал CH в спектре будет разделен на десять 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 составляют всего 1/8 высоты второй вершины) едва различимы, что придает поверхностное сходство с септетом.
Когда протон соединяется с двумя разными протонами, константы связи, вероятно, будут разными, и вместо триплета будет виден дублет дублетов. Аналогично, если протон связан с двумя другими протонами одного типа и третьим протоном другого типа с другой, меньшей константой связи, то будет виден тройка дублетов. В приведенном ниже примере триплетная константа связи больше дублетной. По соглашению первым указывается шаблон, созданный наибольшей константой связи, а шаблоны расщепления меньших констант называются по очереди. В приведенном ниже случае было бы ошибочно называть квартет троек тройкой квартетов. Анализ таких мультиплетов (который может быть намного сложнее показанных здесь) дает важные ключи к пониманию структуры изучаемой молекулы.
Описанные выше простые правила спин-спинового расщепления сигналов ЯМР применимы только в том случае, если химические сдвиги партнеров взаимодействия существенно превышают константу связи между ними. В противном случае пиков может быть больше, и интенсивность отдельных пиков будет искажена (эффекты второго порядка).
Если в молекуле присутствуют другие ЯМР-активные ядра, между гетероатомами и протонами будет наблюдаться спин-спиновая связь. Чаще всего это происходит в соединениях, содержащих фосфор или фтор, поскольку оба они представляют собой ядра со спином 1/2 со 100%-ным содержанием. Например, сигналы 1H протонов во фторметане расщепляются на дублет атомом фтора; и наоборот, спектр ЯМР фтора-19 этого соединения показывает квартет из-за разделения тремя протонами. Типичные константы связи 2J между фтором и протонами составляют 48 Гц или около того; сила связи снижается до 2 Гц при 4J-связи. [5]
Еще большие константы связи можно увидеть в фосфинах, особенно если протон напрямую связан с фосфором. Константы взаимодействия этих протонов часто достигают 200 Гц, например, в диэтилфосфине, где константа взаимодействия 1J PH составляет 190 Гц. [6] Эти константы связи настолько велики, что могут охватывать расстояния, превышающие 1 ppm (в зависимости от спектрометра), что делает их склонными к перекрытию с сигналами других протонов в молекуле.
Иногда можно увидеть небольшие пики, прилегающие к основным пикам 1 Н ЯМР. Эти пики не являются результатом протон-протонного взаимодействия, а являются результатом взаимодействия атомов 1 H с соседним атомом углерода-13 ( 13 C). Эти небольшие пики известны как углеродные сателлиты, поскольку они малы и появляются вокруг основного пика 1 H, т.е. спутника (вокруг) его. Углеродные спутники малы, потому что лишь очень немногие молекулы в образце содержат этот углерод в виде редкого ЯМР-активного изотопа 13 C. Как всегда для связи, обусловленной одним ядром 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 представляет собой большой синглет. Конечным результатом является пара равномерно расположенных небольших сигналов вокруг основного. Если бы сигнал H уже был разделен из-за связи H-H или других эффектов, каждый из спутников также отражал бы эту связь (как обычно для сложных моделей разделения из-за разных партнеров связи). Другие ЯМР-активные ядра также могут вызывать появление этих сателлитов, но наиболее частым виновником протонных спектров ЯМР органических соединений является углерод.
Иногда вокруг пиков 1 H можно увидеть другие пики , известные как вращающиеся боковые полосы, которые связаны со скоростью вращения трубки ЯМР . Это экспериментальные артефакты самого спектроскопического анализа, а не внутренняя особенность спектра химического вещества и даже не связанные конкретно с химическим веществом или его структурой.
Углеродные сателлиты и вращающиеся боковые полосы не следует путать с пиками примесей. [7]
