NMR spektroskopija koristi zračenje opsega. NMR za lutke, ili deset osnovnih činjenica o nuklearnoj magnetnoj rezonanciji

NMR spektroskopija

Spektroskopija nuklearne magnetne rezonance, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje hemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetne rezonancije. Najvažnije za hemiju i praktične primene su spektroskopija protonske magnetne rezonance (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljeniku-13 (13 C NMR spektroskopija), fluoru-19 (infracrvena spektroskopija, NMR otkriva informacije o molekularnoj strukturi hemikalija Međutim, pruža potpuniju informaciju od IS, omogućavajući proučavanje dinamičkih procesa u uzorku - da se odredi konstanta brzine hemijskih reakcija i veličina energetskih barijera za intramolekularnu rotaciju. Ove karakteristike čine NMR spektroskopiju pogodnim alatom za teorijske organske hemije i biološke analize.

Osnovna NMR tehnika

Uzorak supstance za NMR stavlja se u staklenu epruvetu tankog zida (ampulu). Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivna jezgra (kao što je 1 H ili 13 C) apsorbuju elektromagnetnu energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitovanog signala proporcionalni su jačini magnetnog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.

Hemijski pomak

U zavisnosti od lokalnog elektronskog okruženja, različiti protoni u molekulu rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija direktno proporcionalni jačini magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu količinu neovisnu o magnetskom polju poznatu kao kemijski pomak. Hemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u poređenju sa glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se hemijski pomak često izražava u dijelovima na milion (ppm). Da bi se otkrila tako mala frekvencijska razlika, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.

Pošto hemijski pomak zavisi od hemijske strukture supstance, koristi se za dobijanje strukturnih informacija o molekulima u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 karakteristična signala, odnosno 3 hemijska pomaka: jedan za CH 3 grupu, drugi za CH 2 grupu i zadnji za OH. Tipični pomak za CH 3 grupu je približno 1 ppm, za CH 2 grupu vezanu za OH-4 ppm i OH je približno 2-3 ppm.

Zbog molekularnog kretanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona se usrednjavaju tokom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degenerišu i formiraju pikove pri istom hemijskom pomaku. Softver vam omogućava da analizirate veličinu pikova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.

Spin-spin interakcija

Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru daje takozvana spin-spin interakcija između aktivnih NMR jezgara. Ova interakcija je rezultat prijelaza između različitih spinskih stanja jezgara u kemijskim molekulima, što rezultira cijepanjem NMR signala. Ovo razdvajanje može biti jednostavno ili složeno i, kao posljedica toga, može biti ili lako za tumačenje ili može biti zbunjujuće za eksperimentatora.

Ovo vezivanje pruža detaljne informacije o vezama atoma u molekulu.

Interakcija drugog reda (jaka)

Jednostavno spin-spin spajanje pretpostavlja da je konstanta spajanja mala u poređenju s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje izobličen i postaje teže analizirati (naročito ako sistem sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućava da se povezani pikovi lako interpretiraju.

Efekti drugog reda se smanjuju kako se frekvencijska razlika između multipleta povećava, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.

Primjena NMR spektroskopije u proučavanju proteina

Većina najnovijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u takozvanoj NMR spektroskopiji proteina, koja postaje veoma važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Opšti cilj je dobiti 3-dimenzionalnu strukturu proteina u visokoj rezoluciji, slično slikama dobijenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisustva više atoma u proteinskoj molekuli u poređenju sa jednostavnim organskim jedinjenjem, osnovni 1D spektar je prepun signala koji se preklapaju, što onemogućava direktnu analizu spektra. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.

Da bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma, koristeći 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je predstavljalo proboj u modernoj farmaciji. Nedavno su postale široko rasprostranjene tehnike (koje imaju i prednosti i nedostatke) za dobijanje 4D spektra i spektra većih dimenzija, zasnovane na metodama nelinearnog uzorkovanja uz naknadnu restauraciju slobodnog indukcionog raspadnog signala upotrebom posebnih matematičkih tehnika.

Književnost

• Gunther X. Uvod u kurs NMR spektroskopije. - Per. sa engleskog - M., 1984.

Wikimedia fondacija. 2010.

Pogledajte šta je “NMR spektroskopija” u drugim rječnicima:

Spektroskopija nuklearne magnetne rezonance na jezgri ugljika 13, 13C NMR spektroskopija je jedna od metoda NMR spektroskopije koja koristi jezgra izotopa ugljika 13C. Jezgro 13C ima spin od 1/2 u svom osnovnom stanju, njegov sadržaj u prirodi... ... Wikipedia

Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetna rezonancija (NMR) rezonantna apsorpcija elektromagnetne energije supstancom koja sadrži jezgra sa spinom različitom od nule u vanjskom magnetskom polju, uzrokovana preorijentacijom ... ... Wikipedia

NMR spektroskopija

NMR spektroskopija

spektroskopija magnetne rezonance- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spektroskopija nuklearne magnetne rezonance- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetne rezonance vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopija nuklearne… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

nuklearna rezonantna spektroskopija- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetne rezonance vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopija nuklearne… Fizikos terminų žodynas

Skup istraživačkih metoda. u VA prema spektru apsorpcije njihovih atoma, jona i molekula. mag. radio talasi. Zračenje uključuje elektronske paramagnetske metode. rezonancija (EPR), nuklearno magnetna. rezonancija (NMR), ciklotronska rezonancija, itd... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) rezonantna apsorpcija ili emisija elektromagnetne energije od strane supstance koja sadrži jezgra sa spinom različitom od nule u vanjskom magnetskom polju, na frekvenciji ν ... ... Wikipedia

Alil cijepanje- ovisnost spin-spin interakcijske konstante između protona u alilnim sistemima ( 4 J ) što u velikoj mjeri zavisi od ugla torzije  između ravnina koje formiraju atomi HC 2 C 3 i C 1 C 2 C 3.

Annulens- ciklički konjugirani sistemi.

Atropni molekuli- molekule spojeva koji ne proizvode struju u prstenu.

Ugao veze (θ) - ugao između dvije veze na jednom atomu ugljika.

Vicinal interakcija - interakcija između jezgara koje su razdvojene trima vezama.

Odvajanje van rezonancije(isključeno rezonantno razdvajanje) - omogućava vam da razlikujete signale CH 3, CH 2, CH grupa i kvaternarnog atoma ugljika. Za posmatranje vanrezonantnog razdvajanja koristi se frekvencija koja je bliska hemijskom pomaku, ali ne odgovara rezonantnoj frekvenciji signala. Ovo potiskivanje dovodi do smanjenja broja interakcija, do te mjere da se bilježe samo direktne. J(C,H) interakcije.

Geminal interakcija - interakcija između jezgara koje su razdvojene dvije veze.

Heteronuklearna korelaciona spektroskopija (HETCOR)- u ovim eksperimentima, hemijski pomaci 1 H spektra su postavljeni na jednu osu, dok su hemijski pomaci 13 C postavljeni na drugu osu. HETCOR - heteronuklearna varijanta COSY, koja koristi indirektne heteronuklearne spin-spin interakcije između 1 H i 13 C.

HMQC - HETeronuclearMultyQuantumKorelacija- registracija 1 N sa odvajanjem od 13 C.

HSQC - HETeronuklearna multikvantna korelacija- HMQC opcija

COLOC - KOrelacija duga (veoma duga)

HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- varijanta HMQC eksperimenta za detekciju heteronuklearnih spin-spin interakcija velikog dometa. HMBC proizvodi veći omjer signala i šuma nego HMQC eksperiment.

Žiromagnetski odnos (γ ) - jedna od karakteristika magnetnih svojstava jezgra.

Homoalilna interakcija- interakcija preko 5 veza u alilnom sistemu.

Dalje interakcija - interakcija između jezgara koje su razdvojene sa više od 3 karike (obično preko 4-5 karika).

Senzor- uređaj koji obezbeđuje prenos impulsa do uzorka i registraciju rezonantnih signala. Senzori su širokopojasni i selektivno se podešavaju. Instaliraju se u aktivnom području magneta.

Diedarski (torzioni) ugao- ugao koji formiraju dvije ravni između spojeva koji se razmatraju.

DvodimenzionalnoJ-spektri. Dvodimenzionalnu J-spektroskopiju karakteriše prisustvo jedne frekvencijske koordinate povezane sa SSV i druge koordinate povezane sa hemijskim pomacima. Najrasprostranjeniji je konturni prikaz dvodimenzionalnih J-spektra u dvije međusobno okomite koordinate.

Dvodimenzionalna NMR spektroskopija - eksperimenti koristeći impulsne sekvence, što omogućava dobijanje NMR spektra u prikazu u kojem je informacija raspoređena na dvije frekvencijske koordinate i obogaćena informacijama o međuzavisnosti NMR parametara. Rezultat je kvadratni spektar sa dvije ortogonalne ose i signalom koji ima maksimum u frekvencijskoj predstavi u tački sa koordinatama (, ), odnosno na dijagonali.

Delta skala (δ -skala) - skala u kojoj se hemijski pomak TMS protona uzima kao nula.

Dijamagnetski pomak- pomeranje rezonantnog signala u oblast slabog polja (velike vrednosti δ ).

Diatropic molecules- otkazan od 4 n+2 π elektrona, koji su, prema Hückelovom pravilu, aromatični.

Doublet - signal dva interakciona jezgra, koji je predstavljen u 1H NMR spektru sa dve linije istog intenziteta.

Izohrona jezgra- jezgre koje imaju istu vrijednost hemijskog pomaka. Često su hemijski ekvivalentni, odnosno imaju isto hemijsko okruženje.

Integralni intenzitet signala(površina ispod krive) - mjereno integratorom i prikazano u obliku stepenica, čija je visina proporcionalna površini i pokazuje relativni broj protona.

pulsna spektroskopija - metoda pobuđivanja magnetnih jezgri - korištenjem kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Impuls sa nosećom frekvencijom ν o i trajanjem t p stvara pojas pobuđivanja u opsegu frekvencija +1/t p. Ako je dužina impulsa nekoliko mikrosekundi, a ν o približno odgovara centru područja rezonantne frekvencije za datu vrstu jezgara, tada će pojas pokriti cijeli frekvencijski raspon, osiguravajući istovremenu pobudu svih jezgara. Kao rezultat, bilježi se eksponencijalno opadajući sinusni val (ESW). Sadrži informacije i o frekvenciji, odnosno o kemijskom pomaku io obliku linije. Za nas poznatiji oblik - spektar u frekvencijskoj predstavi - dobija se iz SIS-a koristeći matematičku proceduru koja se zove Fourierova transformacija.

Pulsni NMR- metoda pobuđivanja magnetnih jezgara pomoću kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Tokom pulsa, sva jezgra istovremeno su pobuđene, a zatim, nakon što puls prestane, jezgre se vraćaju (opuštaju) u prvobitno osnovno stanje. Gubitak energije relaksirajućim jezgrima dovodi do pojave signala, koji je zbir signala svih jezgara i opisuje se velikim brojem prigušenih sinusoidne krive na vremenskoj skali, od kojih svaka odgovara određenoj rezonantnoj frekvenciji.

Konstanta spin-spin interakcije (SSIC)- kvantitativne karakteristike interakcije različitih jezgara.

Korelaciona spektroskopija (COSY) - eksperiment sa dva impulsa od 90 o. U ovoj vrsti dvodimenzionalne spektroskopije, hemijski pomaci spinsko spregnutih magnetnih jezgara su u korelaciji. Dvodimenzionalna COSY spektroskopija, pod određenim uslovima, pomaže da se otkrije prisustvo veoma malih konstanti koje su obično nevidljive u jednodimenzionalnim spektrima.

COSY- eksperimenti u kojima se varira trajanje pulsa. Ovo omogućava smanjenje veličine dijagonalnih vrhova koji otežavaju identifikaciju obližnjih poprečnih vrhova (COSY45, COSY60).

DQF-COSY - dvostruki kvantizirani filter - potiskuje singlete na dijagonali i interferenciju koja im odgovara.

COSYLR (dugi rang)- COZY eksperiment, koji vam omogućava da odredite dugotrajne interakcije.

TOCSY - UkupnoKorelacijaSpektroskopija- režim snimanja, koji vam omogućava da dobijete unakrsne vrhove između svih spinova sistema u spektru zasićenom signalima prenosom magnetizacije kroz veze u strukturnom fragmentu koji se proučava. Najčešće se koristi za proučavanje biomolekula.

Larmorova frekvencija- frekvencija precesije u NMR.

Magnetski ekvivalent su ona jezgra koja imaju istu rezonantnu frekvenciju i zajedničku karakterističnu vrijednost spin-spin interakcijske konstante sa jezgrima bilo koje susjedne grupe.

Multikvantne koherencije- stanja superpozicije, kada se dva ili više interakcijskih spina ½ preorijentišu istovremeno.

Multidimenzionalni NMR- registracija NMR spektra sa više od jedne frekvencijske skale.

Multiplet - signal jedne grupe koji se pojavljuje kao nekoliko linija.

Indirektna spin interakcija - interakcija između jezgara, koja se prenosi unutar molekula kroz sistem veza i ne usrednjuje se tokom brzog molekularnog kretanja.

Paramagnetne čestice - čestice koje sadrže nespareni elektron, koji ima veoma veliki magnetni moment.

Paramagnetski pomak- pomeranje rezonantnog signala u oblast jakog polja (velike vrednosti δ ).

Paratropni molekuli - poništeno sa brojem π elektrona jednakim 4 n.

Direktna spin-spin interakcijska konstanta je konstanta koja karakteriše interakciju između jezgara koje su razdvojene jednom vezom.

Direktna spin-spin interakcija- interakcija između jezgara, koja se prenosi kroz prostor.

Rezonantni signal - spektralna linija koja odgovara apsorpciji energije tokom prijelaza između vlastitih stanja uzrokovanih visokofrekventnim oscilatorom.

Procesi opuštanja - gubitak energije na gornjem nivou i povratak na niži energetski nivo usled neradijativnih procesa.

WITH viping- postepena promena magnetnog polja, usled čega se postižu uslovi rezonancije.

Spektri prvog reda- spektri u kojima je razlika u hemijskim pomacima pojedinih grupa magnetno ekvivalentnih jezgara ν o značajno veća od spin-spin interakcijske konstante J .

Relaksacija sa rotirajućim rešetkama - proces relaksacije (gubitak energije), čiji je mehanizam povezan sa interakcijom sa lokalnim elektromagnetnim poljima okoline.

Spin-spin relaksacija - proces relaksacije se odvija kao rezultat prijenosa energije iz jednog pobuđenog jezgra u drugo.

Spin-spin interakcija elektrona- interakcija nastala kao rezultat magnetske interakcije različitih jezgara, a koja se može prenijeti putem elektrona hemijskih veza direktno nevezanih jezgara.

Spin sistem- ovo je grupa jezgara koje međusobno djeluju, ali ne stupaju u interakciju s jezgrima koja nisu dio spin sistema.

Hemijski pomak - pomicanje signala jezgre koja se proučava u odnosu na signal jezgra standardne supstance.

Hemijski ekvivalentna jezgra- jezgra koja imaju istu rezonantnu frekvenciju i isto hemijsko okruženje.

Shimmy - u NMR spektroskopiji, ovo je naziv za elektromagnetne zavojnice koje stvaraju magnetna polja niskog intenziteta, koja ispravljaju nehomogenosti u jakom magnetnom polju.

Širokopojasna razmjena(1 N širokopojasno razdvajanje) - korištenje jakog zračenja, koje pokriva cijeli raspon kemijskih pomaka protona, kako bi se u potpunosti uklonile sve interakcije 13 C 1 H.

Zaštita - promjena položaja rezonantnog signala pod utjecajem induciranih magnetnih polja drugih jezgara.

Van der Waalsov efekat- efekat koji se javlja tokom jake prostorne interakcije između protona i susjedne grupe i uzrokuje smanjenje sferne simetrije elektronske distribucije i povećanje paramagnetnog doprinosa efektu screeninga, što zauzvrat dovodi do pomaka signala u slabije polje.

Zeemanov efekat- cijepanje energetskih nivoa u magnetskom polju.

Efekat krova- povećanje intenziteta centralnih linija i smanjenje intenziteta udaljenih linija u multipletu.

Efekat magnetne anizotropije(tzv. konus anizotropije) rezultat je izlaganja sekundarno induciranim magnetnim poljima.

Nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR) - uočeno za jezgra sa spin kvantnim brojem I > 1/2 zbog nesferične raspodjele nuklearnog naboja. Takva jezgra mogu komunicirati s gradijentima vanjskih električnih polja, posebno s gradijentima polja elektronskih omotača molekula u kojima se jezgro nalazi i imaju spinska stanja koja karakteriziraju različite energije čak i u odsustvu primijenjenog vanjskog magnetskog polja.

Nuklearni magneton Vrijednost nuklearnog magnetona izračunava se pomoću formule:

Nuklearna magnetna rezonanca(NMR) je fizički fenomen koji se koristi za proučavanje svojstava molekula kada su atomska jezgra ozračena radiotalasima u magnetskom polju.

Nuklearni faktor - odnos naboja jezgra i njegove mase.

Metoda NMR spektroskopije zasniva se na magnetskim svojstvima jezgara. Jezgra atoma nose pozitivan naboj i rotiraju oko svoje ose. Rotacija naboja dovodi do pojave magnetnog dipola.

Ugaoni moment rotacije, koji se može opisati spinskim kvantnim brojem (I). Numerička vrijednost spin kvantnog broja jednaka je zbiru spin kvantnih brojeva protona i neutrona uključenih u jezgro.

Spin kvantni broj može uzeti vrijednost

Ako je broj nukleona paran, tada je vrijednost I = 0, ili cijeli broj. To su jezgra C 12, H 2, N 14, takva jezgra ne apsorbuju radiofrekventno zračenje i ne proizvode signale u NMR spektroskopiji.

I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - apsorbuju radiofrekventno zračenje i proizvode signal NMR spektra.

I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - nesimetrična raspodela naelektrisanja po površini jezgra. Što dovodi do pojave kvadropolnog momenta. Takva jezgra se ne proučavaju NMR spektroskopijom.

PMR - spektroskopija

Numerička vrijednost I (I = ±1/2) određuje broj mogućih orijentacija jezgra u vanjskom magnetskom polju u skladu sa formulom:

Iz ove formule jasno je da je broj orijentacija 2.

Da bi se izvršio prijelaz protona koji se nalazi na nižem nivou na viši, potrebno mu je dati energiju jednaku razlici u energiji ovih nivoa, odnosno ozračiti zračenjem strogo određene čistoće. Razlika u nivoima energije (ΔΕ) zavisi od veličine nametnutog magnetnog polja (H 0) i magnetne prirode jezgara, opisane magnetnim momentom (μ). Ova vrijednost se određuje rotacijom:

, Gdje

h – Plankova konstanta

Magnituda vanjskog magnetnog polja

γ – koeficijent proporcionalnosti, nazvan žiromagnetski odnos, određuje odnos između spinskog kvantnog broja I i magnetnog momenta μ.

– osnovna NMR jednačina, povezuje veličinu vanjskog magnetskog polja, magnetsku prirodu jezgara i čistoću zračenja pri kojoj dolazi do apsorpcije energije zračenja i jezgra se kreću između nivoa.

Iz gornjeg zapisa jasno je da za iste jezgre, protone, postoji stroga veza između vrijednosti H 0 i μ.

Tako, na primjer, da bi se protonska jezgra u vanjskom magnetskom polju od 14000 Gausa pomaknula na viši magnetni nivo, potrebno ih je ozračiti frekvencijom od 60 MHz, ako je do 23000 Gausa, zatim zračenjem sa frekvencijom od; 100 MHz će biti potrebno.

Dakle, iz navedenog proizilazi da bi glavni dijelovi NMR spektrometra trebali biti moćni magnet i izvor radiofrekventnog zračenja.

Supstanca za analizu se stavlja u ampulu od specijalnih vrsta stakla debljine 5 mm. Ampulu postavljamo u procjep magneta, radi ravnomjernije raspodjele magnetnog polja unutar ampule, rotira oko svoje ose, uz pomoć zavojnice zračenje se generira kontinuirano radiofrekventnim zračenjem. Frekvencija ovog zračenja varira u malom opsegu. U nekom trenutku, kada frekvencija tačno odgovara jednadžbi NMR spektroskopije, uočava se apsorpcija energije zračenja i protoni preorijentišu svoj spin - ovu apsorpciju energije prijemni kalem bilježi u obliku uskog vrha.

U nekim modelima spektrometara μ=const, au malim prolazima vrijednost H 0 se mijenja. Za registraciju spektra potrebno je 0,4 ml supstance ako je čvrsta supstanca otopljena u odgovarajućem rastvoru, potrebno je uzeti 10-50 ml/g supstance.

Za dobivanje visokokvalitetnog spektra potrebno je koristiti otopine s koncentracijom od 10-20%. Granica NMR osjetljivosti odgovara 5%.

Da bi se povećala osjetljivost korištenjem kompjutera, koristi se mnogo sati akumulacije signala, dok se korisni signal povećava u intenzitetu.

U daljem usavršavanju tehnike NMR spektrodistribucije počela je upotreba Fourier-ove konverzije signala. U ovom slučaju uzorak nije zračen zračenjem sa sporo promjenjivom frekvencijom, već zračenjem koje povezuje sve frekvencije u jedan paket. U tom slučaju se apsorbira zračenje jedne frekvencije, a protoni prelaze na gornji energetski nivo, zatim se kratki impuls isključuje i nakon toga pobuđeni protoni počinju da gube apsorbiranu energiju i prelaze na niži nivo. Ovaj energetski fenomen sistem bilježi kao niz milisekundnih impulsa koji opadaju tokom vremena.

Idealno otapalo je supstanca koja ne sadrži protone, odnosno ugljik tetrahlorid i ugljik sumpor, ali se neke tvari u tim otopinama ne otapaju, pa su sva otapala u čijim molekulama atomi lakog izotopa H1 zamijenjena atomima. teškog izotopa deuterijuma. Frekvencija izotopa mora odgovarati 99%.

CDCl 3 – deuterijum

Deuterijum ne proizvodi signal u NMR spektrima. Daljnji razvoj metode bila je upotreba računara velike brzine i dalja konverzija signala. U ovom slučaju, umjesto posljednjeg skeniranja frekvencije zračenja, na uzorak se superponira trenutno zračenje koje sadrži sve moguće frekvencije. U tom slučaju dolazi do trenutne ekscitacije svih jezgara i preorijentacije njihovih spinova. Nakon što se zračenje isključi, jezgra počinju da oslobađaju energiju i prelaze na niži energetski nivo. Ovaj nalet energije traje nekoliko sekundi i sastoji se od niza mikrosekundnih impulsa, koje snima sistem u obliku viljuške.

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije jedna je od najčešćih i vrlo osjetljivih metoda za određivanje strukture organskih spojeva, koja omogućava da se dobiju informacije ne samo o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o položaju atoma u odnosu jedan prema drugom. Različite NMR tehnike imaju brojne mogućnosti za određivanje hemijske strukture supstanci, potvrdnih stanja molekula, efekata međusobnog uticaja i unutarmolekulskih transformacija.

Metoda nuklearne magnetne rezonancije ima niz karakterističnih karakteristika: za razliku od optičkih molekularnih spektra, apsorpcija elektromagnetskog zračenja tvari se događa u jakom uniformnom vanjskom magnetskom polju. Štaviše, da bi se sprovela NMR studija, eksperiment mora ispuniti niz uslova koji odražavaju opšte principe NMR spektroskopije:

1) snimanje NMR spektra moguće je samo za atomska jezgra sa sopstvenim magnetnim momentom ili takozvana magnetna jezgra, u kojima je broj protona i neutrona takav da je maseni broj jezgara izotopa neparan. Sva jezgra sa neparnim masenim brojem imaju spin I, čija je vrijednost 1/2. Tako je za jezgra 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R vrijednost spina jednaka 1/2, za jezgra 7 Li, 23 Na, 39 K i 4 l R spin je jednak 3/2 . Jezgra s parnim masenim brojem ili nemaju uopće spin ako je nuklearni naboj paran, ili imaju cjelobrojne spin vrijednosti ako je naboj neparan. Samo one jezgre čiji je spin I 0 mogu proizvesti NMR spektar.

Prisustvo spina je povezano s cirkulacijom atomskog naboja oko jezgra, stoga nastaje magnetni moment μ . Rotirajući naboj (na primjer, proton) sa ugaonim momentom J stvara magnetni moment μ=γ*J . Kutni nuklearni moment J i magnetni moment μ koji nastaju tijekom rotacije mogu se predstaviti kao vektori. Njihov konstantni odnos naziva se žiromagnetski odnos γ. Upravo ta konstanta određuje rezonantnu frekvenciju jezgra (slika 1.1).

Slika 1.1 - Rotirajući naboj sa ugaonim momentom J stvara magnetni moment μ=γ*J.

2) NMR metoda ispituje apsorpciju ili emisiju energije u neuobičajenim uslovima formiranja spektra: za razliku od drugih spektralnih metoda. NMR spektar se snima iz supstance koja se nalazi u jakom uniformnom magnetnom polju. Takva jezgra u vanjskom polju imaju različite vrijednosti potencijalne energije u zavisnosti od nekoliko mogućih (kvantiziranih) orijentacijskih uglova vektora μ u odnosu na vektor jakosti vanjskog magnetskog polja H 0 . U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetni momenti ili spinovi jezgara nemaju specifičnu orijentaciju. Ako se magnetna jezgra sa spinom 1/2 smjeste u magnetsko polje, tada će neki od nuklearnih spinova biti locirani paralelno sa linijama magnetskog polja, a drugi dio antiparalelni. Ove dvije orijentacije više nisu energetski ekvivalentne i kaže se da su spinovi raspoređeni na dva energetska nivoa.

Spinovi sa magnetnim momentom orijentisani duž +1/2 polja su označeni simbolom | α >, sa orijentacijom koja je antiparalelna sa spoljnim poljem -1/2 - simbol | β > (Sl. 1.2) .

Slika 1.2 – Formiranje energetskih nivoa pri primeni spoljašnjeg polja H 0.

1.2.1 NMR spektroskopija na jezgrima 1 H. Parametri PMR spektra.

Za dešifrovanje podataka 1H NMR spektra i dodeljivanje signala, koriste se glavne karakteristike spektra: hemijski pomak, konstanta spin-spin interakcije, integrisani intenzitet signala, širina signala [57].

A) Hemijski pomak (C.C). H.S Hemijski pomak je rastojanje između ovog signala i signala referentne supstance, izraženo u promilima jačine vanjskog polja.

Tetrametilsilan [TMS, Si(CH 3) 4], koji sadrži 12 strukturno ekvivalentnih, visoko zaštićenih protona, najčešće se koristi kao standard za mjerenje hemijskih pomaka protona.

B) Konstanta interakcije spin-spin. U NMR spektrima visoke rezolucije, uočeno je cijepanje signala. Ovo cijepanje ili fina struktura u spektrima visoke rezolucije rezultat je spin-spin interakcija između magnetnih jezgri. Ovaj fenomen, uz hemijski pomak, služi kao najvažniji izvor informacija o strukturi složenih organskih molekula i distribuciji elektronskog oblaka u njima. Ne zavisi od H0, već zavisi od elektronske strukture molekula. Signal magnetnog jezgra u interakciji sa drugim magnetnim jezgrom dijeli se na nekoliko linija ovisno o broju spinskih stanja, tj. zavisi od spinova jezgara I.

Udaljenost između ovih linija karakterizira energiju spin-spin sprezanja između jezgara i naziva se konstanta spin-spin sprezanja n J, gdje je n-broj veza koje razdvajaju jezgra u interakciji.

Postoje direktne konstante J HH, geminalne konstante 2 J HH , vicinalne konstante 3 J HH i neke konstante dugog dometa 4 J HH , 5 JHH.

- geminalne konstante 2 J HH mogu biti i pozitivne i negativne i zauzimati opseg od -30 Hz do +40 Hz.

Vicinalne konstante 3 J HH zauzimaju opseg 0 20 Hz; oni su skoro uvek pozitivni. Utvrđeno je da vicinalna interakcija u zasićenim sistemima jako zavisi od ugla između ugljenik-vodonik veza, odnosno od diedralnog ugla - (slika 1.3).

Slika 1.3 - Diedarski ugao φ između ugljik-vodonik veza.

Spin-spin interakcija velikog dometa (4 J HH , 5 J HH ) - interakcija dvaju jezgara razdvojenih sa četiri ili više veza; konstante takve interakcije su obično od 0 do +3 Hz.

Tabela 1.1 – Konstante spin-spin interakcije

B) Integrisani intenzitet signala. Površina signala je proporcionalna broju magnetnih jezgri koja rezoniraju pri datoj jačini polja, tako da omjer površina signala daje relativni broj protona svake strukturne varijante i naziva se integrirani intenzitet signala. Moderni spektrometri koriste posebne integratore, čija se očitanja bilježe u obliku krivulje, čija je visina koraka proporcionalna površini odgovarajućih signala.

D) Širina linija. Za karakterizaciju širine linija uobičajeno je mjeriti širinu na udaljenosti od polovine visine od nulte linije spektra. Eksperimentalno posmatrana širina linije sastoji se od prirodne širine linije, koja zavisi od strukture i pokretljivosti, i proširenja iz instrumentalnih razloga

Uobičajena širina linije u PMR-u je 0,1-0,3 Hz, ali se može povećati zbog preklapanja susjednih prijelaza, koji se ne poklapaju potpuno, ali nisu riješeni kao zasebne linije. Proširenje je moguće u prisustvu jezgara sa spinom većim od 1/2 i hemijskom razmjenom.

1.2.2 Primjena 1 H NMR podataka za određivanje strukture organskih molekula.

Prilikom rješavanja niza problema strukturalne analize, pored tabela empirijskih vrijednosti, Kh.S. Može biti korisno kvantificirati efekte susjednih supstituenata na Ch.S. prema pravilu aditivnosti efektivnog skrining doprinosa. U ovom slučaju obično se uzimaju u obzir supstituenti koji nisu udaljeni više od 2-3 veze od datog protona, a proračun se vrši pomoću formule:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

gdje je δ 0 hemijski pomak protona standardne grupe;

δi je doprinos skrininga od strane supstituenta.

1.3 NMR spektroskopija 13 C. Dobijanje i načini snimanja spektra.

Prvi izvještaji o posmatranju 13 C NMR pojavili su se 1957. godine, ali je transformacija 13 C NMR spektroskopije u praktično korištenu metodu analitičkog istraživanja počela mnogo kasnije.

Magnetna rezonanca 13 C i 1 H imaju mnogo toga zajedničkog, ali postoje i značajne razlike. Najčešći izotop ugljika 12 C ima I=0. Izotop 13 C ima I=1/2, ali njegov prirodni sadržaj je 1,1%. Ovo je zajedno sa činjenicom da je žiromagnetski odnos 13 C jezgara 1/4 žiromagnetnog odnosa za protone. Što smanjuje osjetljivost metode u eksperimentima na promatranju 13 C NMR za 6000 puta u odnosu na 1 H jezgra.

a) bez potiskivanja spin-spin interakcije sa protonima. 13 C NMR spektri dobijeni u odsustvu potpune supresije spin-spin rezonancije sa protonima nazvani su spektri visoke rezolucije. Ovi spektri sadrže potpune informacije o konstantama 13 C - 1 H. U relativno jednostavnim molekulima, obje vrste konstanti - direktne i dugotrajne - nalaze se vrlo jednostavno. Dakle, 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, međutim, spin-spin interakcija se može dogoditi i sa udaljenijim protonima sa konstantama manjim od 20 Hz.

b) potpuno suzbijanje spin-spin interakcije sa protonima. Prvi veliki napredak u oblasti 13 C NMR spektroskopije povezan je sa upotrebom potpune supresije spin-spin interakcije sa protonima. Korištenje potpune supresije spin-spin interakcije s protonima dovodi do spajanja multipleta sa formiranjem singletnih linija ako u molekuli nema drugih magnetnih jezgara, kao što su 19 F i 31 P.

c) nepotpuna supresija spin-spin interakcije sa protonima. Međutim, korištenje načina potpunog odvajanja od protona ima svoje nedostatke. Budući da su svi ugljični signali sada u obliku singleta, sve informacije o konstantama spin-spin interakcije 13 C-1 H se predlažu C- 1 H i istovremeno zadržati veći dio prednosti širokopojasnog razdvajanja. U tom slučaju će se u spektrima pojaviti cijepanje zbog direktnih konstanti spin-spin interakcije 13 C - 1 H. Ovaj postupak omogućava detekciju signala od neprotoniranih atoma ugljika, budući da potonji nemaju protone direktno povezane sa 13 C i pojavljuju se u spektrima sa nepotpunim razdvajanjem od protona kao singleti.

d) modulacija CH interakcijske konstante, JMODCH spektra. Tradicionalni problem u 13C NMR spektroskopiji je određivanje broja protona povezanih sa svakim atomom ugljika, tj. stepena protonacije atoma ugljika. Djelomično potiskivanje protonima omogućava da se ugljični signal razriješi iz višestrukosti uzrokovanih konstantama spin-spin interakcije velikog dometa i dobije se cijepanje signala zbog direktne 13 C-1 H konstanti spajanja, međutim, u slučaju snažno spregnutih spin sistema AB a preklapanje multipleta u OFFR modu otežava nedvosmislenu rezoluciju signala.

Spektroskopija nuklearne magnetne rezonance, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje hemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetne rezonancije. NMR fenomen su 1946. otkrili američki fizičari F. Bloch i E. Purcell. Najvažnije za hemiju i praktičnu primjenu su spektroskopija protonske magnetne rezonance (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljiku-13 ( 13 C NMR spektroskopija), fluoru-19 ( 19 F NMR spektroskopija), fosforu-31 ( 31 P NMR spektroskopija). Ako element ima neparan atomski broj ili izotop bilo kojeg (parnog) elementa ima neparan maseni broj, jezgro takvog elementa ima spin drugačiji od nule. Iz pobuđenog stanja u normalno stanje, jezgre se mogu vratiti, prenoseći energiju pobuđivanja na okolnu „rešetku“, što u ovom slučaju znači elektrone ili atome različitog tipa od onih koji se proučavaju. Ovaj mehanizam prijenosa energije naziva se relaksacija spin-rešetke, a njegova efikasnost se može okarakterizirati konstantom T1, koja se naziva vrijeme relaksacije spin-rešetke.

Ove karakteristike čine NMR spektroskopiju pogodnim alatom kako u teorijskoj organskoj hemiji tako i za analizu bioloških objekata.

Osnovna NMR tehnika

Uzorak supstance za NMR stavlja se u staklenu epruvetu tankog zida (ampulu). Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivna jezgra (kao što je 1 H ili 13 C) apsorbuju elektromagnetnu energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitovanog signala proporcionalni su jačini magnetnog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.

Hemijski pomak

U zavisnosti od lokalnog elektronskog okruženja, različiti protoni u molekulu rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija direktno proporcionalni veličini indukcije magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu količinu neovisnu o magnetskom polju, poznatu kao kemijski pomak. Hemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u poređenju sa glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se hemijski pomak često izražava u dijelovima na milion (ppm). Da bi se otkrila tako mala frekvencijska razlika, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.

Pošto hemijski pomak zavisi od hemijske strukture supstance, koristi se za dobijanje strukturnih informacija o molekulima u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 karakteristična signala, odnosno 3 hemijska pomaka: jedan za CH 3 grupu, drugi za CH 2 grupu i zadnji za OH. Tipični pomak za CH 3 grupu je približno 1 ppm, za CH 2 grupu vezanu za OH je 4 ppm, a za OH je približno 2-3 ppm.

Zbog molekularnog kretanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona se usrednjavaju tokom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degenerišu i formiraju pikove pri istom hemijskom pomaku. Softver vam omogućava da analizirate veličinu pikova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.

Spin-spin interakcija

Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru daje takozvana spin-spin interakcija između aktivnih NMR jezgara. Ova interakcija je rezultat prijelaza između različitih spinskih stanja jezgara u kemijskim molekulima, što rezultira cijepanjem NMR signala. Ovo razdvajanje može biti jednostavno ili složeno i, kao posljedica toga, može biti ili lako za tumačenje ili može biti zbunjujuće za eksperimentatora.

Ovo vezivanje pruža detaljne informacije o vezama atoma u molekulu.

Interakcija drugog reda (jaka)

Jednostavno spin-spin spajanje pretpostavlja da je konstanta spajanja mala u poređenju s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje izobličen i postaje teže analizirati (naročito ako sistem sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućava da se povezani pikovi lako interpretiraju.

Efekti drugog reda se smanjuju kako se frekvencijska razlika između multipleta povećava, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.

Primjena NMR spektroskopije u proučavanju proteina

Većina najnovijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u takozvanoj NMR spektroskopiji proteina, koja postaje veoma važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Uobičajeni cilj je dobiti 3-dimenzionalne proteinske strukture visoke rezolucije, slične slikama dobijenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisustva više atoma u proteinskom molekulu u poređenju sa jednostavnim organskim jedinjenjem, osnovni 1H spektar je prepun signala koji se preklapaju, što onemogućuje direktnu analizu spektra. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.

Da bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma pomoću 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je predstavljalo proboj u modernoj farmaciji. Nedavno su postale široko rasprostranjene tehnike (sa prednostima i nedostacima) za dobijanje 4D spektra i spektra većih dimenzija, zasnovane na metodama nelinearnog uzorkovanja uz naknadnu restauraciju slobodnog indukcionog raspadnog signala upotrebom posebnih matematičkih tehnika.

Kvantitativna NMR analiza

U kvantitativnoj analizi rastvora, površina pika se može koristiti kao mera koncentracije u metodi kalibracionog grafikona ili metodi dodavanja. Također su poznate metode u kojima graduirani graf odražava ovisnost o koncentraciji kemijskog pomaka. Upotreba NMR metode u anorganskoj analizi temelji se na činjenici da se u prisustvu paramagnetnih supstanci ubrzava vrijeme nuklearne relaksacije. Mjerenje brzine relaksacije može se izvesti pomoću nekoliko metoda. Pouzdana i univerzalna je, na primjer, pulsna verzija NMR metode, ili, kako se obično naziva, metoda spin eho. Prilikom mjerenja ovom metodom, kratkotrajni radiofrekventni impulsi se primjenjuju na ispitivani uzorak u magnetskom polju u određenim intervalima u području rezonantne apsorpcije u prijemnoj zavojnici, čija je maksimalna amplituda povezana do vremena opuštanja jednostavnim odnosom. Za izvođenje konvencionalnih analitičkih određivanja nema potrebe za pronalaženjem apsolutnih vrijednosti stopa relaksacije. U tim slučajevima možemo se ograničiti na mjerenje neke veličine proporcionalne njima, na primjer, amplitude rezonantnog apsorpcionog signala. Mjerenja amplitude mogu se izvršiti korištenjem jednostavne, pristupačnije opreme. Značajna prednost NMR metode je širok raspon vrijednosti mjerenog parametra. Koristeći podešavanje spin eho, vrijeme opuštanja može se odrediti od 0,00001 do 100 s. sa greškom od 3...5%. Ovo omogućava određivanje koncentracije otopine u vrlo širokom rasponu od 1...2 do 0,000001...0000001 mol/l. Najčešće korištena analitička tehnika je metoda kalibracionog grafa. Heberlen U., Mehring M. NMR visoke rezolucije u čvrstim materijama. - M.: Mir - 1980.