Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Основы метода. Область применения. Техника приготовления образцов. Условия регистрации ЯМР13С. Чувствительность в экспериментах ядерного магнитного резонанса. Растворители. Классы химических соединений и их химические сдвиги. Спин-решеточная релаксация. Рекомендации по расшифровке спектров ЯМР13С.

Основы метода. Область применения

Для структурного анализа большое значение имеет углеродный скелет, непосредственная информация о котором может быть получена с помощью спектроскопии ЯМР13С.

При регистрации спектров ЯМР13С с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами все сигналы являются синглетами, если только в молекуле нет других магнитно активных ядер (например, 2Н, 31Р или 19F). Сигналы ЯМР13С распределены по значительно большему диапазону химических сдвигов.

Интерпретация спектров ЯМР13С без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами весьма сложна, так как нужно выявить все возможные взаимодействия для каждого ядра углерода 13С с протонами этой системы. Для решения этой проблемы была предложена важная методика – регистрация спектров ЯМР13С с одновременным полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами.

Техника приготовления образцов.

Образец (в рутинных исследованиях – это раствор в дейтерированном растворителе в стеклянной ампуле с внешним диаметром 5 мм) помещают в датчик, который содержит передающую и приемную катушки и турбинку для вращения ампулы вокруг ее вертикальной оси, чтобы усреднить неоднородности поля.

Условия регистрации ЯМР13С

Для получения спектра ЯМР13С готовят 2 – 3 мл 20 – 60%-ного раствора вещества. Время съемки составляет от 0,5 до 2 ч. Спектр ЯМР13С получается в результате многократного прохождения определенной области радиочастотного поля и накопления наблюдаемых сигналов ЯМР. При этом сканируемый интервал химических сдвигов обычно не превышает 200 м.д.

Для целей структурного исследования спектры ЯМР13С снимают в следующих модификациях:

1) с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами;

2) с частичным подавлением взаимодействия;

3) без подавления взаимодействия.

Для облегчения и обеспечения наиболее полного и надежного установления структуры целесообразно иметь все три варианта спектра. В большинстве случаев получают спектр 1 типа, остальные используются редко поскольку время получения спектра во 2 и 3 типах намного превосходит 1 тип спектра.

При съемке с полным подавлением спин-спинового взаимодействия углерода с протонами спектр состоит из синглетных линий. Из такого спектра может быть получена только информация о числе химических неэквивалентных разновидностей углеродных атомов и о химических сдвигах атомов углерода.

При съемки с частичным подавлением спин-спинового взаимодействия вместо синглетных сигналов в том случае, когда по соседству с углеродом имеются водородные атомы, появляются мультиплетные сигналы (дублеты, триплеты и квартеты для СН-, СН2- и СН3-групп соответственно). Величина расщепления зависит от условий частичного подавления спин-спинового взаимодействия и пропорциональная константе JСН, но в 10 – 20 раз меньше ее. Наблюдаемое расщепление позволяет определить число взаимодействующих с углеродом протонов, но недостаточно для точного вычисления констант.

В тех случаях, когда необходима не только информация о ближайших соседях углерода, но и сведения о дальнем окружении и о типе гибридизации атома, связанного с протоном, необходимо иметь полный спектр 13С (без подавления спин-спинового взаимодействия). Из такого спектра можно получить как значения химических сдвигов, так и констант JСН.

Чувствительность в экспериментах ядерного магнитного резонанса

Ядра 13С характеризуется низким уровнем природного содержания (1,1 %), и они имеют существенно меньшую чувствительность, чем протоны. Поэтому для достижения достаточного высокого отношения сигнал/шум необходимо использовать большее количество образца и большие времена накопления. Метод ЯМР13С примерно в 6000 раз менее чувствителен, чем ЯМР1Н. Следовательно, для ЯМР13С требуется большее количество образца (N), более сильные магнитные поля (B0) (или даже другие, более чувствительные датчики ЯМР, например криодатчики) или большее число прохождений при накоплении сигнала.

Обычный (рутинный) спектр ЯМР13С на частоте 75,5 МГц, как правило, требует 10 мг образца, растворенного в 0,5 мл дейтерированного растворителя и перемещенного в ампулу внешним диаметром 5 мм. Образцы с массой порядка 100 мкн могут измеряться в более тонких ампулах (в частности, с диаметром 2,5 мм), в которых достигается существенно более высокая чувствительность.

Растворители

В качестве растворителя желательно применять такие вещества, которые содержать небольшое число связей СН в молекуле. Образцы для измерений спектров ЯМР13С обычно представляют собой растворы в CDCl3 (дейтерохлороформ), причем для обеспечения сигнала внутреннего стандарта используется добавка ТМС. Часто используемые растворители – метанол-d4 CD3OD (49,0 м.д.); бензол-d6 C6D6 (128,0 м.д.); нитрометан-d3 CD3NO2 (60,5 м.д.) и т.д.

В спектре ЯМР13С растворитель CDCl3 дает триплет вида 1:1:1 при 77 м.д. Триплет в спектре CDCl3 вызван спин-спиновым взаимодействием ядра 13С с одним ядром дейтерия, где возникают три проекции -1, 0 и +1 с одинаковыми вероятностями, отсюда и интенсивность компонентов.

Классы химических соединений и их химические сдвиги

Диапазон химических сдвигов 13С составляет около 220 м.д. Химические сдвиги 13С в основном зависят от типа гибридизации атома углерода, от электроотрицательности заместителе заместителей и диамагнитной анизотропии (в меньшей степени); сильное влияние оказывают различные эффекты от растворителей. На химический сдвиг 13С влияют даже заместители, расположенные достаточно далеко от изучаемого атома углерода (вплоть до δ-положения, т.е. через четыре σ-связи); в бензольном кольце химические сдвиги 13С зависят от положения заместителей в кольце (орто, мета или пара). Химические сдвиги 13С могут также значительно сместиться вправо (от отношения к исходному) под действием γ-гош-эффекта. При разбавлении исследуемого раствора также может произойти смещение сдвига вправо на несколько м.д. Напротив, при применении полярных растворителей химический сдвиг может сместиться влево (от исходного значения) в результате появления водородных связей.

Отнесение пиков проводят на основе сигнала эталонного соединения. В литературе приводятся разные эталоны для различных классов соединений. Начинают с того, что, используя таблицы химических сдвигов 13С, определяют класс, к которому относится данное органическое соединения; далее для изучаемого соединения по положению сигнала внутри этой области сдвигов определяют более частные детали в структуре вещества. Однако значениям для химических сдвигов из этих таблиц нельзя доверять абсолютно, так как на практике эти величины могут слегка отличаться вследствие применения разных растворителей и разных концентраций вещества. Например, сигнал группы С=0 ацетофенона при использовании в качестве растворителей СDCl3 появится на 2,4 м.д. левее, чем при применении ССl4; аналогичные эффекты будут наблюдаться и для других атомов углерода ацетофенона, но эти сигналы сместятся несколько меньше (на 0,0 – 1,1 м.д.). Более того во многих ранних работах использовали разные эталонные соединения, величины их сдвигов затем были скорректированы относительно ТМС (м.д.).

Спектры ЯМР13С могут использоваться для распознавания типа замещения в ароматических соединениях. Если, например, в кольце имеются два одинаковых (ахиральных) заместителя, то только на основе симметрии, при условии достаточно хорошего разрешения в спектре, можно различать орто-, мета- и пара-изомеры. Пара-изомер имеет две поворотные оси симметрии и две плоскости симметрии; орто- и мета-изомеры имеютодну поворотную ось и одну плоскость симметрии, но в мета-изомере элементы симметрии проходят через два атома. Существует также плоскость симметрии в плоскости кольца в каждом соединении, которая влияет на атомы углерода кольца.

Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - student2.ru Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - student2.ru Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - student2.ru

В спектре ЯМР13С для пара-изомера в ароматической области будут два пика, для орто-изомера – три, а для мета-изомера – четыре. Сигналы четвертичных атомов углерода будут намного меньше по интенсивности, чем сигналы незамещенных атомов углерода в кольце.

Спин-решеточная релаксация (время Т1)

Интегрирование сигналов 13С в рутинных спектрах не коррелирует с числом атомов углерода. (здесь под рутинными спектрами мы понимаем спектры, записанные в некоторой обобщенной манере, с минимальными релаксационными задержками (для ускорения эксперимента) и достаточно короткими временами выборки, приводящими к ограничениям по разрешению и к эффектам насыщения). Два главных фактора определяют проблему интенсивности в спектрах ЯМР13С:

1. Времена спин-решеточной релаксации (Т1) (время продольной релаксации) изменяются с широких пределах для различных атомов углерода.

2. Усиление сигналов за счет ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО) проявляется только для атомов углерода с непосредственным присоединенными протонами (т.е. для СН, СН2 и СН3-групп).

Для ядер 13С времена релаксации могут оказаться очень велики. Иногда необходимо измерить время релаксации Т1, чтобы правильно поставить эксперимент (т.е. ввести необходимые интервалы между импульсами и не потерять слабые сигналы в шуме и получить количественные данные). Для определения времени релаксации Т1 очень часто используют метод «инверсия – восстановление». В общем случае время Т1 уменьшается при увеличении числа протонов, непосредственно присоединенных к данному атому углероду. Другими словами, четвертичные атомы дают сигналы 13С минимальной интенсивности и одновременно сигналы этих углеродных ядер наиболее медленно восстанавливаются в экспериментах по методу «инверсия – восстановление». Впрочем, часто довольно трудно различить атомы углерода СН, СН2 и СН3 только лишь на основе их времен релаксации Т1, поскольку на последние влияют и другие факторы. Значения времен релаксации Т1 для групп СН3 занимают диапазон в несколько секунд, а для четвертичных атомов углерода они могут превышать минуту. Рекомендуется вводит задержку между импульсами, равную 5 Т11 – максимальное время релаксации для группы изучаемых ядер углерода), и этого правила следует придерживаться при проведении количественного анализа.

На рис. 1 показана последовательность импульсов, используемых в методике «инверсия – восстановление». Эта последовательность включает следующие шаги:

1) релаксационную задержку (для полного восстановления намагниченности);

2) 180º-ный импульс;

3) переменный временный интервал (Δτ);

4) 90º-ный импульс;

5) выборку (при одновременной «развязке» от протонов).

Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - student2.ru

Рис. 1. Импульсная последовательность метода «инверсия-восстановление» для измерения Т1

Рекомендации по расшифровке спектров ЯМР13С

Начинать расшифровку рекомендуется с анализа спектра, полученного с полным подавлением спин-спинового взаимодействия. При этом сначала сопоставляют число различных типов атомов углерода с ожидаемым для предположительных структур. Таким образом, сравнение числа линий в спектре 13С с числом химически неэквивалентных атомов углерода позволяет сделать предварительные выводы о структуре.

Спектр с полным подавлением, помимо числа типов С-атомов, дает информацию об относительной интенсивности сигналов в спектре. К сожалению, пропорциональность между площадью сигнала (или высотой его) и числом ядер 13С выполняется не всегда и затрудняет определение относительного числа химически неэквивалентных атомов углерода. Интенсивности линий от углеродных атомов групп СН, СН2 и СН3 при съемке с подавлением спин-спинового взаимодействия приблизительно одинаковы, хотя и имеют небольшую тенденцию к возрастанию в том же ряду. Однако атомы углерода, не связанные с атомами водорода (в группах R4C, R2C=X, RC≡Х, где R и X – углерод или гетероатом), дают в спектре ЯМР13С сигналы в 2 – 4 раза менее интенсивные, чем сигналы углерода в метильной группе.

Следующий этап заключается в анализе химических сдвигов сигнала 13С. При этом полезно учитывать перечисленные ниже общие закономерности спектров ЯМР13С:

1. В крайней сильнопольной области спектра, расположенного правее ТМС (с отрицательными значениями δс), располагаются сигналы некоторых углеводородов (циклопропан), а также иодпроизводных алканов.

2. В сильнопольной части спектра (с δс от 0 до 60 м.д.) располагаются сигналы относительно экранированных углеродов алкильных и циклоалкильных групп, а также сигналы алифатических углеродов с одним атомом азота, кислорода или хлора или с одним - тремя атомами брома.

3. В следующей области спектра (от 60 до 115 м.д.) наблюдается сигналы ацетиленовых и sp2-гибридизованных алленовых углеродов, а также =СН2-групп этиленов и =СН-групп циклопропенов.

4. В средней области спектра (от 115 до 160 м.д.) располагаются сигналы замещенных С-атомов этиленов и циклопроренов, углеродных атомов в ароматических соединениях, нитрильных и изонитрильных группах и азотистых производных альдегидов и некоторых кетонов, а также в эфирах угольной кислоты.

5. В области спектра δс от 160 до 190 м.д. находятся сигналы углеродов С=N-группы, азотистых производных кетонов, С=О-группы карбоновых кислот, лактонов, амидов, имидов, галогенангидридов и ангидридов. Эти сигналы имеют относительно низкую интенсивность.

6. В слабопольном конце спектра при δс>190 м.д. наблюдаются сигналы углерода в альдегидной или кетонной группах, а также центрального атома в алленах (=С=). Интенсивность сигнала углерода в альдегидах в 2 – 3 раза больше, чем в кетонах или алленах. Однако более точно решить какой именно сигнал в этой области спектра, можно при съемке без полного подавления спин-спинового взаимодействия, когда сигнал альдегидного углерода расщепляется в дублет, а другие сигналы остаются синглетными.

После отнесения сигналов по химическому сдвигу полезно проверить правильность расшифровки применением аддитивных соотношений химического сдвига и структуры.

Далее следует обратиться к спектру с частичным подавлением спин-спинового взаимодействия или без подавления. При этом мультиплетность сигналов дает возможность установить число протонов при углеродных атомах. Следует также иметь в виду, что интенсивности линий мультиплетов, наблюдаемых в спектре с неполным подавлением спин-спинового взаимодействия, не точно соответствуют тем, которые характерны для спектров первого порядка, а именно в триплетах и квартетах центральные линии имеют относительно более высокую интенсивность.

Если в распоряжении исследователя имеется спектр ЯМР13С, полученный без подавления спин-спинового взаимодействия, то прежде всего линии спектра соотносят с сигналами в спектре, снятом с частичным или полным подавлением взаимодействия с протонами, и таким образом выделяют линии, образующие мультиплетные сигналы. При этом руководствуются тем, что центры мультиплетов – дублеты, триплеты, квартеты – совпадают с положением сигналов в спектре с полным подавлением спин-спинового взаимодействия или с центрами мультиплетов в спектре с частичным подавлением взаимодействия.

Расстояния же между линиями мультиплетов соответствуют константам спин-спинового взаимодействия, а по интенсивности линии относятся как 1:1 для дублета, 1:2:1 для триплета и 1:3:3:1 для квартета. Кроме установления числа соседних с углеродом протонов из рассматриваемого спектра на основании геминальных и вициальных констант спин-спинового взаимодействия JСН можно оценить число протонов, находящихся через две или три связи. Из данных же JСН можно сделать заключение о гибридизации углерода, наличии напряженного цикла или о природе соседних с углеродом групп.

Таким образом, по окончании анализа спектров ЯМР13С получается набор структурных фрагментов, из которых может быть собрана одна или несколько молекул. Предполагаемые структуры вновь анализируют для выяснения специфических особенностей строения, которые должны появиться в спектре. На этом этапе полезно сопоставить наблюдаемые химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия JСН с рассчитанными по аддитивным соотношениям.


Наши рекомендации