Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия)

ЯМР-спектроскопия является одним из наиболее современных методов исследования строения органических соединений. В дополнение к электронной и колебательной спектроскопии ЯМР-метод, относящийся к резонансной спектроскопии, позволяет решать наиболее тонкие вопросы структурной химии, в частности вопросы электронного состояния атомов в молекуле. Метод пригоден для исследования молекул, в состав которых входят атомы с нечетным числом протонов или нейтронов. Такие ядра обладают ядерным спином и являются парамагнитными. В табл. 4.3 приведены свойства ядер некоторых атомов.

Таблица 4.3. Магнитные свойства ядер атомов.

ЯМР-спектры чаще всего снимаются на ядрах Н (метод называется протонным магнитным резонансом, ПМР), ^I3C, ^{, 9}F и ^3|Р. Однако в настоящее время ЯМР-метод развит для всех элементов периодической системы, которые в составе природных изотопов имеют ядра с ненулевым спином. Ядра атомов, имеющие спин — очень слабый ядерный магнитик, в постоянном магнитном поле с высокой напряженностью поля Я₀, взаимодействуют с ним и ориентируются в направлении магнитных силовых линий (рис. 4.10). Переориентация ядерного спина против магнитных силовых линий требует затраты энергии. Эту энергию ядро может получить при поглощении кванта электромагнитного излучения /*v_p с низкой энергией, отвечающей радиочастотному излучению. Если образец вещества, спектр ЯМР которого нужно измерить, поместить в ампуле между полюсами мощного магнита (с Н₀ = 60 — 300 МГц), а перпендикулярно полю Н₀ создать высокочастотное электромагнитное излучение v с помощью индукционной катушки, то может возникнуть резонансное взаимодействие магнитных полей.

Состояние резонанса наступает тогда, когда постоянное магнитное поле создает такую разность энергий АЕ двух спиновых состояний ядра атома (например, +/₂ и -/_2у как на рис. 4.10), которая равна поглощаемому кванту высокочастотного электромагнитного излучения:

где v_p — резонансная частота высокочастотного излучения, поглощаемая ядром; ji, — магнитный момент (магнетон Бора); /— спин ядра.

Рис. 4.11. Простейший спектр протона.

Рнс. 4.10. Спин атомного ядра в магнитном поле Н₀. Энергетические уровни ядра со спином Ц/ = ½.

Уравнение (4.6) содержит две переменные величины (Н₀ и v), поэтому на практике добиваются состояния резонанса, изменяя Н₀ при постоянной частоте v или же частоту при постоянном Н₀. В большинстве современных спектрометров изменяют #о, оставляя постоянной частоту (v = 60, 100, 300, 500 МГц). В состоянии резонанса на ядрах водорода — протона (например, СНСЬ) возникает простейший ПМР-спектр в виде единичного сигнала (рис. 4.11).

Рис. 4.12. Спектр ПМР wpem-бутанола.

Протоны неодинаковых по природе молекул имеют резонансные сигналы при различных значениях Я₀. Это различие возникает у протонов в одной и той же молекуле, содержащей несколько протонов, если только эти протоны связаны с неодинаковыми по природе атомами (рис. 4.12), входящими в состав функциональных групп.

На энергетическое состояние спина протона (и любого другого магнитного ядра атома в методе ЯМР) сильное влияние оказывает электронная плотность взаимодействующей с ним его собственной 15-орбитали. И электронная плотность, и энергия расщепления спина протона в постоянном магнитном поле зависят от природы химической связи этого протона с другим атомом, с которым он контактирует (атом К), а также от атомного окружения этого контактного атома (состава и природы групп Xи Y-).

Электронная плотность связи Н-К в результате взаимного влияния атомов (электронных эффектов) является функцией состава молекулы. Протон, как элементарная частица ничтожного размера, внедряется в электронную оболочку атома, с которым он связан. На рис. 4.13 представлены модели рас;

Рис. 4.13. Контурные карты электронной плотности молекул гидридов: а — LiH; б — NH пределения электронной плотности на «чистых» связях, без наличия какихлибо заместителей. На практике же пульсирующая вокруг протона электронная материя изменяет свою плотность в зависимости от природы К, X и Y. Принято говорить, что изменяется электронное экранирование протона (или ядра другого атома).

По этой причине резонансный сигнал в протонсодержащей молекуле появляется не при значении поля Н₀, а при другом эффективном его значении Н^

которое ниже на величину, связанную с постоянной диамагнитного экранирования, или просто константой экранирования а. Значения, а очень малы и составляют для протона около КГ⁶ и немного больше для других ядер. Эти значения зависят от электронной плотности вблизи ядра.

В остатках углеводородов электроноакцепторные группы, напримерN0₂, -СООН, -SOjOH, уменьшают электронную плотность вокруг протона, а вместе с ней и постоянную экранирования. В этом случае резонанс (появление пика протона в ПМР-спектре) наступает при меньшей напряженности поля. Электронодонорные группы, связанные с атомом, несущим при себе протон, наоборот, увеличивают электронное экранирование ядра 'Н или другого атома и большую величину напряженности внешнего поля. Примером может служить ПМР-спектр ряда соединений (рис. 4.14). Из рис. 4.14 видно, что по спектрам ПМР легко различаются как природа функциональных групп, так и их число в молекуле. В качестве эталона, относительно которого измеряется положение сигнала протона, так называемый химический сдвиг б сигнала протона, выбирается чаще всего тетраметилсилан (ТМС) — химически инертное вещество, добавляемое в ампулу вместе с исследуемым соединением и имеющее единичный интенсивный сигнал протонов в силь;

Рис. 4.14. Действие электроакцепторных групп на сигнал протона в ПМРспектрах

ном поле. Все другие вещества, приведенные на рис. 4.14, такие, как циклогексан, ацетон, трихлорэтан, 1,4-диоксан, дихлорметан и хлороформ, имеют сигнал в более слабом поле.

Химический сдвиг сигнала протона измеряют чаще всего в миллионных долях (м.д.) от напряженности постоянного магнитного поля Я₀. Тогда химический сдвиг 5 будет равен для любого протона:

где Я_ст и v_CT — соответственно, напряженность и частота, при которой появляется сигнал стандарта (чаще всего ТМС); Я и v — сигналы исследуемого вещества; Я₀ и v₀ — соответственно, напряженность внешнего магнитного поля и рабочая частота генератора. Иногда удобно измерять химический сдвиг сигнала не в миллионных долях, а в герцах. С этой целью б умножается на частоту генератора: Л = 8v₀.

Ранее химический сдвиг измерялся в единицах т (тау). Принималось для ТМС х_тмс = ¹0; 6 = 10 — х.

В молекулах неорганических соединений атом водорода связан с более электроотрицательными атомами, чем атом углерода. Поэтому протоны в них менее экранированы, чем на связи Н-С, и сигналы протонов О-Н, N-H, S-H, Р-Н появляются в более слабых полях. Так, группаОН спиртов имеет сигнал около 5 м.д., тогда как С-Н при насыщенном атоме углерода (углерод без л-связей) имеет б ® 1 м.д.

Появление при атоме углерода л-связи (простой, сопряженной, ароматической) понижает электронное экранирование и повышает электроотрицательность атома С и величину б. В табл. 4.4 приведено положение простых сигналов типичных протонов. Как видно из табл. 4.4, особенно сильное дезэкранирование наблюдается у NH-протонов, находящихся по соседству с кетогруппой и одновременно с бензольным ядром, у С-Н-протонов альдегидной группы, независимо от того, связана она с алкилом или бензольным ядром. Максимальное дезэкранирование протона происходит у сульфогруппы вследствие сдвига электронной плотности сО-Н-связи на атом серы, несущий высокий положительный заряд. Аналогичная причина наблюдается и у альдегидов. У них один из протонов связан с атомом углерода, на котором дробный (+)-заряд достигает большого значения (+0,4). Сдвиг сигнала протона в сильное поле у металлоорганических соединений также обусловлен накоплением отрицательного заряда на метилрадикалах. В этих случаях значения 5_{М д} отрицательные.

Особенно сильное экранирующее и дезэкранирующее действие на протоны оказывают кольцевые токи в ароматических циклах (бензол и арены, порфирины и фталоцианины и т. д.). В ароматических циклах, отличающихся высокой делокализацией я-электронов, при действии на них сильного магнитного поля возникает кольцевой ток. Чем больше размер ароматического цикла, тем больше кольцевой ток (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Кольцевые токи и индукция собственного магнитного поля в ароматических циклах.

Как видно из рис. 4.15, кольцевой ток в магнитном поле создает собственное магнитное поле, направленное против внешнего магнитного поля Н₀ внутри кольца и вдоль магнитного поля снаружи кольца.

Таблица 4.4. Химические сдвиги в спектрах ПМР относительно ТМС.

Тип соединения.	Химический сдвиг, м.д.	Тип соединения.	Химический сдвиг, м.д.
	0,8—1,2.		2,1−3,1.
	1,1—1,5.		3,3−4,3.
	1*4—1,6.		7,1−7,7.
	4,6−5,5.		8*5−9,5.
	5,5—5,8.		5,0—8,0.
	2,3—3,0.		8,7—9,0.
	7,27.		4.7- 5,0(a) 5.8— 5,6 (б)
	(6,5−8,5).		5,3−5,7.
	3*0—4,2.		1,2−1,5.
	4*3.		3,0—4,0.

Тип соединения.	Химический сдвиг, М.Д.	Тип соединения.	Химический сдвиг, м.д.
	3,05.		9,72 (а).
	2,7.		9,965 (а).
	2,15.		11—12.
	2,00.		8,50.
	3,0—6,0.		6,09 (р).
	15—16.		— 2.
	8,8—10,2.		— 1,4.
	6,0—8,0.		— 0,6.
	7,0−9,7.
	3,3−4,0.
	3,6.

Это собственное магнитное поле понижает напряженность внешнего поля и поэтому сигнал протонов, находящихся внутри контура цикла (как это имеет место в аннуленах), расположен в более сильном магнитном поле, которое следует приложить, чтобы подавить еще и противодействующее собственное поле. Напротив, как видно из рис. 4.15, на протоны, находящиеся вне контура цикла, действует собственное магнитное поле цикла, которое совпадает по направлению с Я₀. Поэтому собственное поле вычитается из Я₀, и сигналы этих протонов располагаются в более слабом поле. В [18]-аннулене для внутренних протонов б = -1,9 м.д., для внешних 6 = 9,8 м.д.:

Кроме положения в спектрах ПМР сигналы протонов характеризуются интенсивностью и формой. Интенсивность пика сигнала определяется числом протонов данного сорта в молекуле, т. е. протонов, способных взаимодействовать с внешним полем одинаковой силы. Из рис. 4.12 следует, что интенсивность сигнала, измеряемого площадью, которую он занимает на графике, для протонов СН₃-групп wpew-бутанола в 9 раз выше, чем интенсивность сигнала О-Н-протона. Таким образом, по интенсивности пика определяется число различного сорта протонов в молекуле.

Не всегда сигналы в спектре ПМР являются одиночными, простыми, как на рис. 4.14. Если в молекуле, а к такому типу молекул относится большинство, имеются неидентичные по электронному окружению протоны, то единичные сигналы могут расщепляться на 2 (дублет), 3 (триплет), 4 (квартет, или квадруплет), 5 (квинтет), 6 (секстет) и более компонент, т. е. может возникать тонкая структура полос спектра ПМР. Подобное расщепление происходит в результате спин-спинового взаимодействия протонов и проявляется в спектрах ПМР при высоких напряженностях магнитного поля, т. е. на приборах с высоким разрешением. Разрешение прибора определяется величиной химического сдвига сигнала протона. Так, на приборах с рабочей частотой v₀ = 60 МГц абсолютное значение (не в величинах 6) химического сдвига Av = 300 Гц, тогда как на приборе в 100 МГц Av = 500 Гц.

Спин — спиновое взаимодействие (ССВ) возникает в результате воздействия на энергию спинового состояния протона магнитных полей соседних протонов или других магнитных ядер. Этот тип взаимодействия проявляется только при наличии в молекуле протонов с различными химическими сдвигами. Если протоны эквивалентны, как, например, в CHj, СН₂=СН₂ и т. д., то ССВ не наблюдается. Отсутствует оно также в молекулах с неидентичными протонами, если они располагаются на достаточном удалении друг от друга (через За-связи и более).

Мерой ССВ является константа спинового взаимодействия J. Это расстояние между компонентами расщепления, выраженное в герцах. Так как константа спинового взаимодействия в отличие от химического сдвига не зависит от напряженности внешнего магнита Н_0у то ее выражают не в относительных, а в абсолютных единицах. Число компонентов расщепления сигнала М рассчитывается по формуле М = 2nJ +1, которая для протона с J -Уг превращается в М — п +1, где п — число протонов, находящихся по соседству с подвергающимся их действию протоном. Рассмотрим конкретный пример этанола. В слабом магнитном поле в ПМР-спектре появляются три простых сигнала протонов СН₃— (1,11 м.д.), СН₂— (3,6 м.д.) и ОН- (5,2 м.д.). Мультиплетного расщепления не наблюдается. При повышении напряженности поля Н₀ возрастает также и рабочая частота индукционной катушки v₀. При частоте 60 МГц и высоком разрешении сигнал протонов СН₃— группы расщепляется на 3 компоненты с соотношением интенсивности 1:2:1 в магнитном поле двух протонов соседней СН₂-группы в соответствии с А/ = 2 + 1 = 3. Магнитное поле протона ОН-группы на СН₃ не действует. На протоны СН₂-групиы одновременно действуют магнитные поля протонов СН₃— и ОН-групп. При этом в поле ОН-протона сигнал протонов СН₂ расщепляется на дублет в соответствии с М= п +1 = 1 +1 = 2.

Каждый из сигналов дублета под действием протонов СН₃ расщепляется еще на 4 компоненты в соответствии с М = п +1 = 3 + 1 = 4. Итак, сигнал протонов СН₂ расщепляется на октет с соотношением интенсивности полос 1:3:3:3:3:3:3:1. Сигнал протонаОН расщепляется в поле СН₂-протонов на триплет с соотношением интенсивностей пиков 1:2:1 (рис. 4.16). Четкое соотношение интенсивностей компонент в спектре выполняется не всегда.

Наличие тонкой структуры ПМР-спектров высокого разрешения и измерение констант спинового взаимодействия J позволяет для сложных молекул органических соединений более уверенно устанавливать положение атомов водорода. Для еще более сложных молекул используется замещение известного атома водорода на дейтерий. Исчезновение сигнала протона, которое при этом происходит, позволяет окончательно убедиться в правильности их отнесения к тому или иному месторасположению. С целью ориентировки в.

Рис. 4.16. ПМР (спектр высокого разрешения для этанола, снятый на частоте 60 МГц W.2 «Л.1 ⁼ 4,5 Гц) У₂, з⁼ J-i.i — 7 Гц решении ряда структурных задач в табл. 4.5 приведены некоторые значения констант спин-спинового взаимодействия некоторых протонов.

Таблица 4.5. Константы спин-спинового взаимодействия протонов

Структура	J, T ц	Структура	У, Гц	Структура	У, Гц
	10—20.		5—12		1,3
	2—9		0—3,5		2—3
	2—4		il ls		7—10 {орто) 2—3 {мета) 1 {пара)
	6,7— 7,2		6—14		8—10 (акс-акс) 2—3 (экв-экв) 2—3 (акс.-экв.)

Кроме вопросов статической структурной химии, таких как идентификация протонов, группировок атомов и молекул в целом, ЯМР-методом решаются вопросы динамики молекул — конформационной химии, кинетики и механизмов химических реакций, свойств переходных состояний и др.

Из практических вопросов ПМР-спектроскопии, как одного из самых обширных разделов ЯМР, важным является выбор растворителя для снятия спектров. Растворитель должен быть инертным, прозрачным в диапазоне — 5-ь15 м.д. и доступным, но не должен взаимодействовать с веществом. К таким растворителям относятся тяжелая вода D₂0, СС1₄, дейтерохлороформ CDC1₃, дейтеробензол СбЕ)₆ и др. Их важнейшие свойства приведены в табл. 4.6.

Растворитель следует выбирать такой, в котором вещество растворяется достаточно хорошо, чтобы насыщенный раствор имел концентрацию не ниже ИГ² моль/л, а разрешение спектров, в том числе тонкой структуры, было достаточным.