Теоретические основы метода

Принципы, на которых основана ЯМР-спектроскопия весьма просты. Как известно, атомы состоят из атомных ядер и электронных оболочек. Каждое атомное ядро несет положительный заряд, кратный заряду ядра водорода (протона). Представим себе ядро в виде шарика, в котором более или менее равномерно распределен положительный заряд. Если предположить, что этот шарик вращается, то его заряд будет двигаться по круговой орбите вокруг оси вращения. Таким образом возникает круговой электрический ток. Известно, что электрический ток связан с магнитным полем. Следовательно, вращающееся ядро индуцирует магнитное поле, т.е. является магнитом. Ядра имеют собственный момент количества движения, который называется спином ядра (I). Магнетизм ядра количественно выражается магнитным моментом. Если атомное ядро имеет спин, то оно имеет также магнитный момент.

В ЯМР-спектроскопии определяют энергию, требующуюся для изменения направления магнитных ядер в магнитном поле. Экспериментально установлено, что не все атомные ядра имеют магнитный момент. Например, ядра ¹²С, ¹⁶О, ³²S и др. не обладают магнитными свойствами и не имеют спина - это ядра с четным числом нейтронов и протонов. Магнитными свойствами всегда обладают ядра с массой, выражаемой нечетным числом: ¹Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁷O, ¹⁹F, ³¹P и т.д., и ядра с массой, выражаемой четным числом, но с нечетным атомным номером (т.е. с нечетным числом протонов): ²H (²D), ¹⁰B, ¹⁴N и т.д. Спин ядра (I) с нечетным массовым числом равен нечетному целому числу, умноженному на 1/2. Спин ядра с четным массовым числом, но нечетным числом протонов равен (1, 2, 3), как правило, единице.

Пример:

Одним из распространенных ядер, сигналы которого применяются в методе ЯМР, является ядро водорода ¹Н, спин которого равен ½, и резонансные линии в спектрах растворов получаются узкими, что упрощает их интерпретацию. Ядро ¹Н имеет самый высокий магнитный момент среди всех других ядер. Именно величина магнитного момента определяет интенсивность сигнала при одном и том же магнитном поле. Кроме того, естественное содержание ¹Н в природе составляет почти 100 % (в отличие от ядер других атомов, способных к проявлению эффекта ЯМР). Мы будем рассматривать в основном ЯМР-спектры ядер водорода (¹H). Они называются спектрами ПМР (протонного магнитного резонанса). ПМР основан на переориентации осей вращения ядер водорода. Протон и нейтрон имеют спин, равный ½. Согласно квантовой механике, ядра, взаимодействующие с внешним магнитным полем имеют 2I+1 возможных ориентаций и, следовательно, столько же энергетических уровней. Таким образом, если ядра водорода помещены в постоянное магнитное поле с напряженностью Н₀ с направлением «Z», то они могут быть расположены только по направлению поля (I_Z = +1/2) или против него (I_Z = -1/2). Наиболее энергетически выгодным является направление, совпадающее с направлением поля (рис. 1).

Рис. 1. Уровни энергии протона в магнитном поле

(Е₀ - энергия ядра в отсутствие поля)

Таким образом, магнитные ядра во внешнем (постоянном) магнитном поле могут находиться на разных магнитных энергетических уровнях, переходы между которыми должны сопровождаться поглощением или излучением энергии. Разность энергий между этими двумя состояниями (ΔЕ) должна быть пропорциональна напряженности поля Н₀, действующего на ядро:

∆Е = ghH₀/2p,

где h - постоянная Планка,

Н0 - напряженность постоянного магнитного поля,

- константа пропорциональности, характерная для каждого типа ядра (¹Н, ¹³С, ¹⁵N и т.д.).

В ЯМР-спектроскопии определяется энергия, необходимая для изменения направления магнитных ядер в магнитном поле. При воздействии на систему ядер электромагнитного излучения (облучение радиоволнами, ΔЕ = hν), соответствующего разности энергий соседних уровней, происходит изменение ориентации магнитных ядер вещества относительно направления внешнего поля. Если перпендикулярно направлению силовых линий сильного постоянного поля приложить относительно небольшое вращающееся магнитное поле и изменять его частоту, то при совпадении частот вращения поля и ядра будет наблюдаться явление резонанса, выражающееся в переориентации осей вращения ядер.

Вероятность переходов на верхний и нижний уровни одинакова. Однако число магнитных ядер, находящихся на каждом из уровней, различно: заселенность нижнего уровня выше, поскольку система всегда стремится перейти в состояние с более низкой энергией. Такая переориентация может быть легко зарегистрирована. Прибор регистрирует сигнал ПМР. В результате кривая поглощения энергии в зависимости от напряженности (Н) имеет вид пика, максимум которого располагается в точке:

n = gH₀ / 2p (1)

Обнаружение индуцированных переходов между ядерными магнитными уровнями с помощью облучения образца переменным магнитным полем называется ядерныммагнитным резонансом.

Спектры ЯМР характеризуются следующими основными параметрами: химическим сдвигом, константой спин-спинового взаимодействия, шириной, формой и интегральной интенсивностью сигналов.

Химический сдвиг

Согласно уравнению (1), резонансный сдвиг протона должен иметь только одну характеристическую частоту для заданной напряженности поля. Однако в действительности резонансный сигнал протона наблюдается при разных частотах, в зависимости от того, в каком химическом окружении он находится.

Сдвиг резонансных сигналов обусловлен тем, что ядра водорода в органических молекулах окружены электронами. Вращение электронов создает свое поле, которое накладывается на внешнее поле (Н₀), действующее на ядро. Электроны экранируют ядро от внешнего магнитного поля, поэтому напряженность поля в непосредственной близости к ядру отличается от напряженности внешнего магнитного поля. В результате этого условие резонанса ядра выражается не уравнением (1), а уравнением (2):

n= gH₀ (1-s) / 2p. (2),

где σ - безразмерное число, называемое константой экранирования.

Расстояние между резонансными сигналами различных протонов называется химическим сдвигом. Абсолютный химический сдвиг (смещение сигнала по отношению к сигналу неэкранированного протона) экспериментально определить невозможно, поэтому химический сдвиг измеряется по отношению к сигналу эталонного вещества.

В качестве стандартов используют тетраметилсилан (ТМС) - или гексаметилдисилоксан (ГМДС), которые удобны тем, что дают узкие и сильные резонансные сигналы в области, где поглощают только очень немногие виды протонов. Вводимый в раствор вещества эталон должен обладать низкой реакционной способностью, хорошей растворимостью и давать один четкий сигнал в спектре. Преимуществом ТМС (СН₃)₄Si. является положение резонансного сигнала в более сильном поле, чем у подавляющего большинства органических веществ, а также большое количество протонов на единицу массы (12 структурно эквивалентных сильно экранированных протонов), что позволяет использовать эталон в минимальных количествах.

Расстояние между сигналами образца и эталона зависит от напряженности приложенного поля или частоты. Химический сдвиг выражается в миллионных долях величины напряженности внешнего поля или резонансной частоты. Обозначается δ (дельта):

δ = [(ν- ν_э) /ν₀ ]×10⁶ = [(H- H_э) / H₀] ×10⁶ [м.д.],

где ν - резонансная частота данного протона, [Гц - герц];

ν_{э -} резонансная частота протонов эталона, [Гц];

ν₀ – рабочая частота прибора [МГц - мегагерц].

Н - напряженность поля, при которой наблюдается резонанс данного протона, [Гс - гаусс];

Н_э - напряженность поля, при которой наблюдается резонанс эталона [Гс];

Н₀ - напряженность основного внешнего поля, [кГс - килогаусс];

Это отношение (безразмерная величина) имеет порядок 10^-6, поэтому для удобства умножают на 10⁶. Полученная единица измерения называется миллионная доля (м.д.). Химические сдвиги, выраженные в м.д. не зависят от условий съемки.

В протонном магнитном резонансе применяются две шкалы химических сдвигов: δ и τ. В шкале δ за нуль принимается сигнал тетраметилсилана и химические сдвиги увеличиваются в сторону слабого поля, т.е. в сторону уменьшения степени экранирования данного протона.

Спектр поглощения представляет собой зависимость интенсивности поглощения от величины δ. Обычно спектр выглядит как набор узких резонансных сигналов, соответствующих отдельным типам протонов. Важное значение имеет также интенсивность сигналов (площадь под сигналом), т.к. поглощение энергии при данной частоте пропорционально числу протонов, для которых при этой частоте наблюдается явление резонанса. Это позволяет установить, сколько протонов образуют каждый сигнал. Таким образом, спектр ПМР позволяет определить количество неэквивалентных типов протонов и число протонов данного типа. Для определения интенсивности сигналов современные приборы снабжены устройством для электронного интегрирования спектров, т.е. для записи интегральной кривой, преобразующей площади пиков в линейные отрезки.

Значения химических сдвигов относительно ТМС различных типов протонов приводятся в таблицах. Для ПМР, так же, как и для УФ- и ИК-спектроскопии, составлены атласы спектров.

Рассмотрим в качестве примера спектр ПМР уксусной кислоты (рис. 2). В спектре уксусной кислоты соотношение длин отрезков, соответствующих площади сигналов при δ = 2,0 и δ = 11,5 м.д., составляет 3:1. Это указывает на число атомов водорода: три эквивалентных протона метильной группы и один протон карбоксильной группы, сильно различающиеся по химическому сдвигу.

Рис. 2. ПМР-спектр уксусной кислоты

В шкале τ сигнал тетраметилсилана принят за 10: τ = 10 - δ. Значение химических сдвигов увеличивается в сторону сильного поля.

Химический сдвиг является основной характеристикой ПМР и зависит от структуры молекулы. На величину химического сдвига влияют: 1) электронная плотность у протона; 2) вторичные магнитные поля, возникающие в результате циркуляции электронов в соседних атомах и связях. Оба фактора непосредственно связаны со структурой молекулы. Электронная плотность у протонов определяется характером химической связи и индукционными эффектами окружающих групп, вследствие чего экранирование протонов будет различным и их сигналы появятся в разных областях спектра. Чем выше электронная плотность, тем больше её влияние на внешнее поле, и, следовательно, тем в более сильном поле проявится резонансный сигнал. Влияние этого фактора соответствует тому, что протон, обладающий более кислыми свойствами (с меньшей плотностью электронной оболочки) резонирует в более слабом поле.

Пример: сравним величины химических сдвигов протонов следующих группировок: >СН-, - СН₂ - и - СН₃ (из таблиц химических сдвигов протонов):

На электронную плотность вблизи ядра существенно влияет индукционный эффект заместителя и присутствие соседних непредельных группировок (эффект сопряжения). Например, атом хлора обладает отрицательным индукционным эффектом (- I_S). Галоген смещает электронную плотность на себя, что приводит к появлению резонансных сигналов протонов в более слабом поле: