Ядерный магнитный резонанс углерода-13 (C13) (чаще всего известный как спектроскопия ЯМР углерода-13 или спектроскопия ЯМР 13 C или иногда просто называемый углеродным ЯМР ) — это применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) к углероду . Он аналогичен протонному ЯМР (1ЧАСЯМР) и позволяет идентифицировать атомы углерода в органической молекуле так же, как протонный ЯМР идентифицирует атомы водорода . 13 C ЯМР обнаруживает только13С изотоп . Основной изотоп углерода,12Сне производит сигнал ЯМР. Хотя спектроскопия ЯМР 13С примерно в 1 млн. раз менее чувствительна, чем спектроскопия ЯМР 1Н , спектроскопия ЯМР 13С широко используется для характеристики органических и металлоорганических соединений , в первую очередь потому, что спектры ЯМР 13С с развязкой 1Н более просты, обладают большей чувствительностью к различиям в химической структуре и, таким образом, лучше подходят для идентификации молекул в сложных смесях. [1] В то же время такие спектры не содержат количественной информации об атомных соотношениях различных типов ядер углерода, поскольку ядерный эффект Оверхаузера, используемый в спектроскопии ЯМР 13С с развязкой 1Н, усиливает сигналы от атомов углерода с большим числом присоединенных к ним атомов водорода больше, чем от атомов углерода с меньшим числом атомов H, и поскольку полная релаксация ядер 13С обычно не достигается (в целях сокращения времени эксперимента), а ядра с меньшим временем релаксации производят более интенсивные сигналы.
Основной изотоп углерода, изотоп 12 C, имеет спиновое квантовое число, равное нулю, поэтому он не является магнитно-активным и, следовательно, не обнаруживается методом ЯМР. 13 C, имеющий спиновое квантовое число 1/2, встречается нечасто (1,1%), тогда как другие популярные ядра встречаются на 100%, например, 1 H, 19 F, 31 P.
Спектроскопия ЯМР 13 C гораздо менее чувствительна (примерно на 4 порядка) к углероду, чем спектроскопия ЯМР 1 H к водороду, из-за более низкого содержания (1,1%) 13 C по сравнению с 1 H (>99%), и из-за более низкого (0,702 против 2,8) ядерного магнитного момента . Эквивалентно выраженное, гиромагнитное отношение (6,728284 10 7 рад Тл −1 с −1 ) составляет всего 1/4 от 1 H. [2]
С другой стороны, чувствительность спектроскопии ЯМР 13С в некоторой степени повышается за счет ядерного эффекта Оверхаузера , который увеличивает интенсивность сигнала для нечетвертичных атомов 13С .
Недостатки в «восприимчивости» компенсируются высокой чувствительностью сигналов ЯМР 13 С к химическому окружению ядра, т. е. «дисперсия» химического сдвига велика, охватывая почти 250 ppm. Эта дисперсия отражает тот факт, что не- 1 H ядра сильно подвержены влиянию возбужденных состояний («парамагнитный» вклад в тензор экранирования. Этот парамагнитный вклад не связан с парамагнетизмом ). [3] Например, большинство сигналов ЯМР 1 H для большинства органических соединений находятся в пределах 15 ppm.
Эталоном химического сдвига для 13 C является углерод в тетраметилсилане (TMS) [4] , химический сдвиг которого установлен на уровне 0,0 ppm при каждой температуре.
Типичные химические сдвиги в 13 C-ЯМР
Гомоядерная связь 13 C- 13 C обычно наблюдается только в образцах, обогащенных 13 C. Диапазон для односвязного 1 J ( 13 C, 13 C) составляет 50–130 Гц. Двухсвязный 2 J ( 13 C, 13 C) составляет около 10 Гц.
Тенденции в J( 1 H, 13 C) и J( 13 C, 13 C) схожи, за исключением того, что J( 1 H, 13 C меньше из-за скромного значения ядерного магнитного момента 13 C. Значения для 1 J ( 1 H, 13 C) варьируются от 125 до 250 Гц. Значения для 2 J( 1 H, 13 C) близки к 5 Гц и часто отрицательны.
Вследствие низкой восприимчивости спектроскопия ЯМР 13 C страдает от осложнений, не встречающихся в спектроскопии ЯМР протонов. Можно реализовать множество мер для компенсации низкой восприимчивости этого ядра. Например, магниты с высоким полем и внутренними отверстиями способны принимать более крупные пробирки для образцов (обычно диаметром 10 мм для ЯМР 13 C по сравнению с 5 мм для ЯМР 1 H). Релаксационные реагенты позволяют производить более быструю импульсацию. [5] Типичным релаксационным агентом является ацетилацетонат хрома (III) . Для типичного образца регистрация спектра ЯМР 13 C может занять несколько часов по сравнению с 15–30 минутами для ЯМР 1 H. Ядерный диполь слабее, разница в энергии между альфа- и бета-состояниями составляет одну четверть от протонного ЯМР, а разница в заселенности Больцмана соответственно меньше. [6] Еще одной последней мерой для компенсации низкой восприимчивости является изотопное обогащение.
Некоторые зонды ЯМР, называемые криозондами, обеспечивают 20-кратное усиление сигнала по сравнению с обычными зондами ЯМР. В криозондах генерирующая и принимающая электроника RF поддерживается на уровне ~ 25K с использованием газообразного гелия, что значительно повышает их чувствительность. [7] Компромисс заключается в том, что криозонды дороги.
Другое потенциальное осложнение возникает из-за наличия больших констант связи J между углеродом и водородом (обычно от 100 до 250 Гц). Хотя эти связи потенциально информативны, они могут усложнить спектры и снизить чувствительность. По этим причинам спектры 13 C-ЯМР обычно регистрируются с развязкой протонного ЯМР . Связи между углеродами можно игнорировать из-за низкого естественного содержания 13 C. Следовательно, в отличие от типичных спектров протонного ЯМР, которые показывают мультиплеты для каждого положения протона, спектры углеродного ЯМР показывают один пик для каждого химически неэквивалентного атома углерода. [8]
В дальнейшем в отличие от 1 H ЯМР, интенсивности сигналов часто не пропорциональны числу эквивалентных атомов 13 C. Вместо этого интенсивность сигнала сильно зависит от (и пропорциональна) числа окружающих спинов (обычно 1 H). Интеграции более количественны, если время задержки велико, т. е. если время задержки значительно превышает время релаксации .
Наиболее распространенными режимами записи спектров 13 C являются протонно-шумовая развязка (также известная как шумовая, протонная или широкополосная развязка), внерезонансная развязка и стробируемая развязка. Эти режимы предназначены для решения больших значений J для 13 C - H (110–320 Гц), 13 C - C - H (5–60 Гц) и 13 C - C - C - H (5–25 Гц), которые в противном случае затрудняют интерпретацию полностью протонно-связанных спектров 13 C. [9]
При развязке протонного шума, при которой запускается большинство спектров, шумовой развязчик интенсивно облучает образец широким (приблизительно 1000 Гц) диапазоном радиочастот, охватывающим диапазон (например, 100 МГц для поля 23 486 гаусс), в котором протоны изменяют свой ядерный спин. Быстрые изменения в спине протона создают эффективную гетероядерную развязку, увеличивая силу сигнала углерода за счет ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) и упрощая спектр таким образом, что каждый неэквивалентный углерод производит синглетный пик.
Оба атома, углерод и водород, проявляют спины и активны в ЯМР. Ядерный эффект Оверхаузера, как правило, проявляется, когда один из двух различных типов атомов облучается, в то время как спектр ЯМР другого типа определяется. Если интенсивность поглощения наблюдаемого (т.е. необлученного) атома изменяется, происходит усиление. Эффект может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, какие типы атомов задействованы. [10]
Относительные интенсивности ненадежны, поскольку некоторые атомы углерода имеют большее время релаксации спин-решетки , а другие имеют более слабое усиление NOE. [9]
При стробируемой развязке шумовой развязчик стробируется на ранней стадии задержки свободной индукции, но стробируется на время задержки импульса. Это в значительной степени предотвращает усиление NOE, позволяя осмысленно сравнивать силу отдельных пиков 13 C путем интегрирования, за счет от половины до двух третей общей чувствительности. [9]
При нерезонансной развязке шумовой развязчик облучает образец на 1000–2000 Гц выше или на 2000–3000 Гц ниже частоты резонанса протона. Это сохраняет связи между протонами, непосредственно соседствующими с атомами 13 C, но чаще всего удаляет другие, позволяя визуализировать узкие мультиплеты с одним дополнительным пиком на связанный протон (если только связанные протоны метиленовой группы не являются неэквивалентными, в этом случае может наблюдаться пара дублетов). [9]
Усиление без искажений путем переноса поляризации (DEPT) [11] — это метод ЯМР, используемый для определения наличия первичных, вторичных и третичных атомов углерода. Эксперимент DEPT различает группы CH, CH 2 и CH 3 путем изменения параметра угла выбора (угла наклона конечного импульса 1 H): угол 135° дает все CH и CH 3 в фазе, противоположной CH 2 ; угол 90° дает только группы CH, остальные подавляются; угол 45° дает все атомы углерода с присоединенными протонами (независимо от числа) в фазе.
Сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов всегда отсутствуют (из-за отсутствия присоединенных протонов).
Перенос поляризации от 1 H к 13 C имеет дополнительное преимущество, заключающееся в повышении чувствительности по сравнению с обычным спектром 13 C (который имеет скромное усиление за счет ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) из-за развязки 1 H).
Другой полезный способ определения того, сколько протонов связано с углеродом в молекуле, — это использование теста присоединенных протонов (APT), который различает атомы углерода с четным или нечетным числом присоединенных водородов . Правильная последовательность спин-эхо способна различать спиновые системы S, I 2 S и I 1 S, I 3 S: первые будут отображаться в виде положительных пиков в спектре, а вторые — в виде отрицательных пиков (направленных вниз), сохраняя при этом относительную простоту спектра, поскольку он по-прежнему является широкополосным протонным разъединителем.
Несмотря на то, что этот метод не позволяет полностью различить группы CH n , он настолько прост и надежен, что его часто используют в качестве первой попытки присвоить пики в спектре и выяснить структуру. [12] Кроме того, сигналы от четвертичных углеродов и других углеродов без присоединенных протонов все еще можно обнаружить, поэтому во многих случаях дополнительный обычный спектр 13 C не требуется, что является преимуществом по сравнению с DEPT. Однако иногда возможно, что сигнал CH и CH 2 имеет совпадающие эквивалентные химические сдвиги, что приводит к аннулированию в спектре APT из-за противоположных фаз. По этой причине обычный спектр 13 C{ 1 H} или HSQC иногда также получают.