01.11.2019
NMR-spektroskopi bruger rækkeviddestråling. NMR for dummies eller ti grundlæggende fakta om kernemagnetisk resonans
NMR-spektroskopi
Kernemagnetisk resonansspektroskopi, NMR-spektroskopi- en spektroskopisk metode til undersøgelse af kemiske objekter ved hjælp af fænomenet kernemagnetisk resonans. De vigtigste for kemi og praktiske anvendelser er protonmagnetisk resonansspektroskopi (PMR-spektroskopi), såvel som kulstof-13 NMR-spektroskopi (13 C NMR-spektroskopi), fluor-19 (infrarød spektroskopi, NMR afslører information om kemikaliers molekylære struktur. , det giver mere fuldstændig information end IS, hvilket gør det muligt at studere dynamiske processer i en prøve - for at bestemme hastighedskonstanter for kemiske reaktioner, værdien af energibarrierer for intramolekylær rotation. Disse funktioner gør NMR-spektroskopi til et praktisk værktøj i både teoretisk organisk kemi og til analyse af biologiske objekter.
Grundlæggende NMR-teknik
En prøve af et stof til NMR anbringes i et tyndvægget glasrør (ampul). Når de placeres i et magnetfelt, absorberer aktive NMR-kerner (såsom 1 H eller 13 C) elektromagnetisk energi. Resonansfrekvensen, absorptionsenergien og intensiteten af det udsendte signal er proportional med styrken af magnetfeltet. Så i et felt på 21 Tesla resonerer en proton med en frekvens på 900 MHz.
kemisk skift
Afhængigt af det lokale elektroniske miljø resonerer forskellige protoner i et molekyle ved lidt forskellige frekvenser. Da både denne frekvensforskydning og den grundlæggende resonansfrekvens er direkte proportional med styrken af magnetfeltet, omdannes dette skift til en magnetfeltuafhængig dimensionsløs størrelse kendt som det kemiske skift. Kemisk skift er defineret som en relativ ændring i forhold til nogle referenceprøver. Frekvensskiftet er ekstremt lille sammenlignet med hoved-NMR-frekvensen. Et typisk frekvensskift er 100 Hz, mens basis-NMR-frekvensen er i størrelsesordenen 100 MHz. Det kemiske skift udtrykkes således ofte i dele pr. million (ppm). For at detektere en så lille frekvensforskel skal det påførte magnetfelt være konstant inden for prøvevolumenet.
Da det kemiske skift afhænger af stoffets kemiske struktur, bruges det til at opnå strukturel information om molekylerne i prøven. For eksempel giver spektret for ethanol (CH 3 CH 2 OH) 3 karakteristiske signaler, det vil sige 3 kemiske skift: et for CH 3-gruppen, det andet for CH 2-gruppen og det sidste for OH. Et typisk skift for en CH3-gruppe er ca. 1 ppm, for en CH2-gruppe bundet til OH-4 ppm og OH ca. 2-3 ppm.
På grund af molekylær bevægelse ved stuetemperatur bliver signalerne fra de 3 methylprotoner gennemsnittet under NMR-processen, som kun varer et par millisekunder. Disse protoner degenererer og danner toppe ved det samme kemiske skift. Softwaren giver dig mulighed for at analysere størrelsen af toppene for at forstå, hvor mange protoner der bidrager til disse toppe.
Spin-spin interaktion
Den mest nyttige information til at bestemme strukturen i et endimensionelt NMR-spektrum er tilvejebragt af den såkaldte spin-spin-interaktion mellem aktive NMR-kerner. Denne interaktion skyldes overgange mellem forskellige nukleare spin-tilstande i kemiske molekyler, hvilket resulterer i spaltning af NMR-signaler. Denne opdeling kan være enkel eller kompleks, og som et resultat er den enten let at fortolke eller kan forvirre forsøgslederen.
Denne binding giver detaljerede oplysninger om bindingerne af atomer i et molekyle.
Anden ordens interaktion (stærk)
Den simple spin-spin-interaktion antager, at koblingskonstanten er lille sammenlignet med forskellen i kemiske skift mellem signalerne. Hvis skiftforskellen falder (eller koblingskonstanten stiger), bliver intensiteten af prøvemultipletterne forvrænget, hvilket bliver sværere at analysere (især hvis systemet indeholder mere end 2 spins). Men i højeffekt NMR-spektrometre er forvrængning normalt moderat, og det gør det nemt at fortolke de tilhørende toppe.
Anden ordens effekter falder med stigende frekvensforskel mellem multipletterne, så højfrekvens-NMR-spektret viser mindre forvrængning end lavfrekvensspektret.
Anvendelse af NMR-spektroskopi til undersøgelse af proteiner
De fleste af de seneste innovationer inden for NMR-spektroskopi er lavet i den såkaldte protein-NMR-spektroskopi, som er ved at blive en meget vigtig teknik i moderne biologi og medicin. Et fælles mål er at opnå en høj opløsning 3-dimensionel struktur af et protein, svarende til billeder opnået i røntgenkrystallografi. På grund af tilstedeværelsen af flere atomer i et proteinmolekyle sammenlignet med en simpel organisk forbindelse, flyder det underliggende 1D-spektrum over med overlappende signaler, hvilket gør direkte spektrumanalyse umulig. Derfor er der udviklet multidimensionelle teknikker til at løse dette problem.
For at forbedre resultaterne af disse eksperimenter bruges metoden med mærkede atomer ved at bruge 13 C eller 15 N. Det bliver således muligt at opnå et 3D-spektrum af en proteinprøve, som er blevet et gennembrud i moderne lægemidler. For nylig er metoder (der har både fordele og ulemper) til at opnå 4D-spektre og spektre af højere dimensioner, baseret på ikke-lineære samplingmetoder med efterfølgende restaurering af det frie induktions-henfaldssignal ved hjælp af specielle matematiske teknikker, blevet udbredt.
Litteratur
- Gunter X. Introduktion til forløbet af NMR-spektroskopi. - Per. fra engelsk. - M., 1984.
Wikimedia Foundation. 2010 .
Se, hvad "NMR-spektroskopi" er i andre ordbøger:
Kernemagnetisk resonansspektroskopi på carbonkerner 13, 13C NMR-spektroskopi er en af metoderne til NMR-spektroskopi ved hjælp af kerner af 13C-carbonisotopen. 13C-kernen har spin 1/2 i grundtilstanden, dens indhold i naturen ... ... Wikipedia
Billede af den menneskelige hjerne på en medicinsk NMR tomograf Kernemagnetisk resonans (NMR) resonansabsorption af elektromagnetisk energi af et stof, der indeholder kerner med ikke-nul spin i et eksternt magnetfelt, på grund af reorientering ... ... Wikipedia
NMR-spektroskopi
NMR-spektroskopi
magnetisk resonansspektroskopi- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių reiš rezonino. atitikmenys: engl. NMR … … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
kernemagnetisk resonansspektroskopi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR-spektroskopi; kernemagnetisk resonansspektroskopi vok. magnetisk Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nuklear spektroskopi … Fizikos terminų žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonino. atitikmenys: engl. NMR … … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
nuklear resonansspektroskopi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR-spektroskopi; kernemagnetisk resonansspektroskopi vok. magnetisk Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nuklear spektroskopi … Fizikos terminų žodynas
Sættet af forskningsmetoder. i VA i henhold til absorptionsspektrene for deres atomer, ioner og molekyler el. magn. radiobølger. Metoder til elektronisk paramagnet tilhører R. resonans (EPR), nuklear magn. resonans (NMR), cyklotronresonans osv ... Naturvidenskab. encyklopædisk ordbog
Billede af den menneskelige hjerne på en medicinsk NMR-tomograf Kernemagnetisk resonans (NMR) resonansabsorption eller emission af elektromagnetisk energi fra et stof, der indeholder kerner med ikke-nul spin i et eksternt magnetfelt, med en frekvens ν ... ... Wikipedia
allyl spaltning- afhængighed spin-spin interaktionskonstanter mellem protoner i allylsystemer ( 4 J ) hvilket i høj grad afhænger af torsionsvinklen mellem planerne dannet af atomerne HC 2 C 3 og C 1 C 2 C 3 .
Annulens- cykliske konjugatsystemer.
atropiske molekyler- Molekyler af forbindelser, der ikke giver ringstrøm.
Valens vinkel (θ) er vinklen mellem to bindinger på et kulstofatom.
nærliggende interaktion - interaktion mellem kerner, der er adskilt af tre bindinger.
Off-resonans afkobling(off resonans afkobling) - giver dig mulighed for at skelne mellem signalerne fra CH 3 , CH 2 , CH-grupper og det kvartære carbonatom. For at observere off-resonans-afkoblingen bruges en frekvens, der er tæt på det kemiske skift, men som ikke svarer til signalets resonansfrekvens. En sådan undertrykkelse fører til en reduktion i antallet af interaktioner, i en sådan grad, at kun direkte J(C,H) interaktioner.
geminal interaktion - interaktion mellem kerner, der er adskilt af to bindinger.
Heteronukleær korrelationsspektroskopi (HETCOR)- i disse forsøg placeres kemiske skift af 1 H spektre på den ene akse, mens 13 C kemiske skift er placeret på den anden akse. HETCOR - heteronukleær variant COZY, som bruger indirekte heteronukleære spin-spin-interaktioner mellem 1H og 13C.
HMQC - HETeronuklearMultiQuantumkorrelation- registrering 1 H med afkobling fra 13 C.
HSQC - HETeronuclear MultiQuantum Correlation- HMQC variant
COLOC - Korrelation Lang (meget lang)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- en variant af HMQC-eksperimentet til påvisning af langtrækkende heteronukleære spin-spin-interaktioner. HMBC giver et højere signal/støjforhold end HMQC-eksperimentet.
Gyromagnetisk forhold (γ ) - en af kendetegnene ved kernens magnetiske egenskaber.
Homoallylisk interaktion- interaktion gennem 5 bindinger i allylsystemet.
yderligere interaktion - interaktion mellem kerner, der er adskilt af mere end 3 bindinger (normalt efter 4-5 bindinger).
Sensor- en enhed, der sørger for transmission af impulser til prøven og registrering af resonanssignaler. Sensorer er bredbånd og selektivt indstillet. De er installeret i det aktive område af magneten.
Dihedral (torsion) vinkel- den vinkel, der dannes af to planer mellem de betragtede bindinger.
2DJ-spektre. Todimensionel J-spektroskopi er karakteriseret ved tilstedeværelsen af en frekvenskoordinat forbundet med SSCC og den anden koordinat forbundet med kemiske skift. Konturrepræsentationen af todimensionelle J-spektre i to indbyrdes vinkelrette koordinater har fået den største fordeling.
2D NMR spektroskopi - eksperimenter ved hjælp af pulssekvenser, som gør det muligt at opnå NMR-spektret i en sådan repræsentation, hvor informationen er adskilt af to frekvenskoordinater og beriget med information om den indbyrdes afhængighed af NMR-parametrene. Resultatet er et kvadratisk spektrum med to ortogonale akser og med et signal, der har et maksimum i frekvensrepræsentationen i punktet med koordinater (, ), altså på diagonalen.
delta skala (δ -skala) - en skala, hvor det kemiske skift af TMS-protoner tages som en nulværdi.
Diamagnetisk skift- skift af resonanssignalet til området for et svagt felt (store værdier δ ).
Diatropiske molekyler- aflyst fra 4 n+2 π-elektroner, som i overensstemmelse med Hückels regel har en aromatisk karakter.
dublet - signalet fra to interagerende kerner, som er repræsenteret i 1H NMR-spektret af to linjer med samme intensitet.
Isokrone kerner- kerner med samme kemiske skiftværdi. Ofte er de kemisk ækvivalente, det vil sige, at de har det samme kemiske miljø.
Integral signalintensitet(areal under kurven) - målt af integratoren og vist som trin, hvis højde er proportional med arealet og viser relative antal protoner.
Pulsspektroskopi - metoden til excitation af magnetiske kerner er ved hjælp af korte og kraftige (hundredevis af kilowatt) højfrekvente impulser. En impuls med en bærefrekvens ν o og en varighed t p skaber et excitationsbånd i frekvensområdet +1/t p . Hvis pulslængden beregnes i flere mikrosekunder, og ν o svarer omtrent til midten af resonansfrekvensområdet for en given type kerner, så vil båndet dække hele frekvensområdet, hvilket sikrer samtidig excitation af alle kerner. Som følge heraf registreres en eksponentielt henfaldende sinusoid (SIS). Den indeholder information både om frekvensen, det vil sige faktisk om det kemiske skift, og om linjens form. Den mere velkendte form for os - spektret i frekvensrepræsentation - fås fra SIS ved hjælp af en matematisk procedure kaldet Fourier-transformationen.
Puls NMR- en metode til excitation af magnetiske kerner ved hjælp af korte og kraftige (hundredevis af kilowatt) højfrekvente impulser. Under pulsen, alle kerner samtidigt exciteres, og derefter, efter at impulsen stopper, vender kernerne tilbage (afslapper) til deres oprindelige grundtilstand. Tabet af energi ved afslappende kerner fører til fremkomsten af et signal, som er summen af signaler fra alle kerner beskrevet af et stort antal dæmpede sinusformede kurver i tidsskalaen, som hver svarer til en vis resonansfrekvens.
Spin-spin koblingskonstant (SSCC)- kvantitative karakteristika for samspillet mellem forskellige kerner.
Korrelationsspektroskopi (COSY) - eksperimentere med to 90 o pulser. I denne form for todimensionel spektroskopi er de kemiske skift af spin-bundne magnetiske kerner korreleret. Todimensionel COSY-spektroskopi hjælper under visse betingelser med at afsløre tilstedeværelsen af meget små konstanter, normalt usynlige i endimensionelle spektre.
HYGGELIG- forsøg, hvor pulsvarigheden varieres. Dette reducerer størrelsen af diagonale toppe, der gør det vanskeligt at identificere nærliggende krydstoppe (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - dobbelt kvantiseret filter - undertrykker singletter på diagonalen og støj svarende til dem.
COSYLR (lang rækkevidde)- COSY eksperiment, som gør det muligt at bestemme langdistanceinteraktioner.
TOCSY - i altkorrelationSpektroskopi- skydetilstand, som gør det muligt at opnå krydstoppe mellem alle spins af systemet i et signalmættet spektrum ved at overføre magnetisering langs bindingerne i det strukturelle fragment, der undersøges. Oftest brugt til at studere biomolekyler.
Larmor frekvens er præcessionshyppigheden i NMR.
magnetisk ækvivalent kaldet sådanne kerner, der har den samme resonansfrekvens og en fælles karakteristisk værdi af spin-spin-interaktionskonstanten for alle med kernerne i enhver nabogruppe.
Multikvante sammenhænge- superpositionstilstande, når to eller flere interagerende spins ½ reorienterer samtidigt.
Multidimensionel NMR- registrering af NMR-spektre med mere end én frekvensskala.
Multiplet - signal fra en gruppe, manifesteret i form af flere linjer.
Indirekte spin-interaktion - interaktion mellem kerner, som overføres inden for et molekyle gennem et system af bindinger og ikke beregnes i gennemsnit under hurtig molekylær bevægelse.
Paramagnetiske partikler - partikler indeholdende en uparret elektron, som har et meget stort magnetisk moment.
Paramagnetisk skift- skift af resonanssignalet til området for et stærkt felt (store værdier δ ).
paratropiske molekyler - annulleres med antallet af π-elektroner lig med 4 n.
Direkte spin-spin interaktionskonstant - en konstant, der karakteriserer interaktionen mellem kerner, der er adskilt af én binding.
Direkte spin-spin interaktion- interaktion mellem kernerne, som transmitteres gennem rummet.
Resonanssignal - en spektrallinje svarende til absorptionen af energi under overgangen mellem egentilstande, forårsaget af en højfrekvent generator.
Afspændingsprocesser - tab af energi på det øvre niveau og tilbagevenden til det lavere energiniveau på grund af ikke-strålingsprocesser.
FRA vip- en gradvis ændring i magnetfeltet, som et resultat af hvilket resonansforhold opnås.
Første ordens spektre- spektre, hvori forskellen i kemiske skift af individuelle grupper af magnetisk ækvivalente kerner ν o meget større end spin-spin-koblingskonstanten J .
Spin-gitter afslapning - processen med afslapning (energitab), hvis mekanisme er forbundet med interaktion med lokale elektromagnetiske felter i miljøet.
Spin-spin afslapning - afslapningsprocessen udføres som et resultat af overførsel af energi fra en exciteret kerne til en anden.
Spin-spin interaktion af elektroner- vekselvirkning som følge af den magnetiske vekselvirkning mellem forskellige kerner, som kan overføres gennem elektronerne af kemiske bindinger af direkte ubundne kerner.
spin system- dette er en gruppe kerner, der interagerer med hinanden, men som ikke interagerer med kerner, der ikke indgår i spin-systemet.
Kemisk skift - skift af signalet fra den undersøgte kerne i forhold til signalet fra kernerne af standardstoffet.
Kemisk ækvivalente kerner- kerner, der har samme resonansfrekvens og samme kemiske miljø.
Shimmy - i NMR-spektroskopi er dette navnet på elektromagnetiske spoler, der skaber magnetiske felter med lav styrke, som korrigerer inhomogeniteter i et stærkt magnetfelt.
Bredbåndsisolering(1N bredbåndsafkobling) - brugen af stærk bestråling, som dækker hele regionen af protonkemiske skift, for fuldstændigt at fjerne alle 13 C 1 H interaktioner.
Afskærmning - ændring i positionen af resonanssignalet under påvirkning af inducerede magnetfelter fra andre kerner.
Van der Waals effekt- en effekt, der opstår med en stærk rumlig interaktion mellem en proton og en nabogruppe og forårsager et fald i den sfæriske symmetri af den elektroniske fordeling og en stigning i det paramagnetiske bidrag til screeningseffekten, hvilket igen fører til et signal skifte til et svagere felt.
Zeeman effekt- spaltning af energiniveauer i et magnetfelt.
tageffekt- en stigning i intensiteten af de centrale linjer og et fald i intensiteten af fjerntliggende linjer i multipletten.
Effekt af magnetisk anisotropi(den såkaldte anisotropi-kegle) - resultatet af eksponering for sekundære inducerede magnetfelter.
Nuklear quadrupole resonance (NQR) - observeret for kerner med spin-kvantetal jeg > 1/2 på grund af den ikke-sfæriske fordeling af kerneladningen. Sådanne kerner kan interagere med gradienterne af eksterne elektriske felter, især med gradienterne af felterne i elektronskallene i molekylet, hvori kernen er placeret, og har spin-tilstande, der karakteriserer forskellige energier, selv i fravær af et påført eksternt magnetfelt.
atommagneton Værdien af kernemagnetonen beregnes med formlen:
Kernemagnetisk resonans(NMR) er et fysisk fænomen, der bruges til at studere molekylers egenskaber, når atomkerner bestråles med radiobølger i et magnetfelt.
nuklear faktor - forholdet mellem kerneladningen og dens masse.
NMR-spektroskopimetoden er baseret på kerners magnetiske egenskaber. Atomkernerne bærer en positiv ladning og roterer rundt om deres akse. Ladningens rotation fører til udseendet af en magnetisk dipol.
Rotationsvinkelmomentet, som kan beskrives ved spin-kvantetallet (I). Den numeriske værdi af spin-kvantetallet er lig med summen af spin-kvantetallet af protoner og neutroner, der udgør kernen.
Spin-kvantetallet kan antage værdien
Hvis antallet af nukleoner er lige, så er værdien I = 0 eller et heltal. Disse er sådanne kerner C 12, H 2, N 14, sådanne kerner absorberer ikke radiofrekvensstråling og giver ikke signaler i NMR-spektroskopi.
I = ± 1/2 H 1 , P 31 , F 19 - absorberer radiofrekvensstråling, giver et NMR-spektrumsignal.
I = ± 1 1 / 2 CL 35 , Br 79 - asymmetrisk fordeling af ladninger over overfladen af kernen. Dette resulterer i et quadrupol moment. Sådanne kerner studeres ikke ved NMR-spektroskopi.
PMR - spektroskopi
Den numeriske værdi af I (I = ± 1/2) bestemmer antallet af mulige orienteringer af kernen i et eksternt magnetfelt i overensstemmelse med formlen:
Denne formel viser, at antallet af orienteringer er 2.
For at udføre overgangen af en proton placeret på et lavere niveau til et højere, skal den gives en energi svarende til forskellen i energien af disse niveauer, det vil sige at blive bestrålet med stråling af en strengt defineret renhed. Forskellen i energiniveauer (ΔΕ) afhænger af størrelsen af det påførte magnetfelt (H 0) og kernernes magnetiske natur, som beskrives ved det magnetiske moment (μ). Denne værdi bestemmes af rotation:
, hvor
h er Plancks konstant
Størrelsen af det eksterne magnetfelt
γ er proportionalitetskoefficienten, kaldet det gyromagnetiske forhold, bestemmer forholdet mellem spin-kvantetallet I og det magnetiske moment μ.
– grundlæggende NMR-ligning, den relaterer størrelsen af det ydre magnetfelt, kernernes magnetiske natur og renheden af strålingen, ved hvilken absorptionen af strålingsenergi sker, og kernerne passerer mellem niveauer.
Det kan ses fra ovenstående indgang, at for de samme kerner, protoner, er der et strengt forhold mellem værdien af H 0 og μ.
Så for eksempel, for at protonkernerne kan være i et eksternt magnetfelt på 14.000 gauss, skal de bestråles med en frekvens på 60 MHz, hvis op til 23.000 gauss, så vil stråling med en frekvens på 100 MHz være påkrævet.
Af ovenstående følger det således, at hoveddelene af NMR-spektrometeret bør være en kraftig magnet og en kilde til radiofrekvent stråling.
Analytten anbringes i en ampul lavet af specielle glaskvaliteter med en tykkelse på 5 mm. Ampullen placeres i magnetens spalte, for en mere ensartet fordeling af magnetfeltet inde i ampullen, roterer den rundt om sin akse, ved hjælp af en spole genereres strålingen af radiofrekvent stråling kontinuerligt. Frekvensen af denne stråling varierer i et lille område. På et tidspunkt, hvor frekvensen nøjagtigt svarer til ligningen for NMR-spektroskopi, observeres absorption af strålingsenergi, og protonerne omorienterer deres spin - denne absorption af energi registreres af den modtagende spole i form af en smal top.
I nogle modeller af spektrometeret er μ=const, og i små gange ændres værdien af H 0. For at registrere spektret skal der 0,4 ml af et stof, hvis stoffet er et fast stof, opløses det i en passende opløsning, der skal tages 10-50 ml/g af stoffet.
For at opnå et spektrum af høj kvalitet er det nødvendigt at bruge opløsninger med en koncentration på 10 - 20%. NMR-følsomhedsgrænsen svarer til 5 %.
For at øge følsomheden ved hjælp af en computer, bruges mange timers signalakkumulering, mens det nyttige signal øges i intensitet.
Med den yderligere forbedring af teknikken til NMR-spektrumfordeling er blevet, brugen af Fourier - signaltransformation. I dette tilfælde bestråles prøven ikke med stråling med en langsomt skiftende frekvens, men med stråling, der kombinerer alle frekvenser i én pakke. I dette tilfælde absorberes stråling af en frekvens, og protonerne går til det øvre energiniveau, derefter slukkes en kort puls, og derefter begynder de exciterede protoner at miste den absorberede energi og gå til det lavere niveau. Dette energifænomen registreres af systemet i form af en række millisekundimpulser, der henfalder med tiden.
Det ideelle opløsningsmiddel er et stof, der ikke indeholder protoner, det vil sige carbontetrachlorid og svovlholdigt carbon, men nogle stoffer opløses ikke i disse opløsninger, derfor opløses eventuelle opløsningsmidler i molekylerne, hvis atomer i den lette isotop H 1 er erstattet af atomer af den tunge deuteriumisotop anvendes. Den isotopiske frekvens skal svare til 99 %.
СDCl 3 - deuterium
Deuterium i NMR-spektrene giver ikke et signal. En videreudvikling af metoden var brugen af en højhastighedscomputer og signalfury-konvertering. I dette tilfælde, i stedet for den sidste scanning af strålingsfrekvensen, overlejres øjeblikkelig stråling indeholdende alle mulige frekvenser på prøven. I dette tilfælde forekommer øjeblikkelig excitation af alle kerner og reorientering af deres spins. Efter at strålingen er slukket, begynder kernerne at udsende energi og bevæger sig til et lavere energiniveau. Dette energiudbrud varer i flere sekunder og består af en række mikrosekundimpulser, som registreres af registreringssystemet i form af en gaffel.
Kernemagnetisk resonansspektroskopi er en af de mest almindelige og meget følsomme metoder til at bestemme strukturen af organiske forbindelser, hvilket gør det muligt at opnå information ikke kun om den kvalitative og kvantitative sammensætning, men også om arrangementet af atomer i forhold til hinanden. I forskellige NMR-teknikker er der mange muligheder for at bestemme stoffers kemiske struktur, molekylers bekræftelsestilstande, virkningerne af gensidig påvirkning og intramolekylære transformationer.
Metoden til nuklear magnetisk resonans har en række karakteristiske træk: i modsætning til optiske molekylspektre sker absorptionen af elektromagnetisk stråling af et stof i et stærkt ensartet eksternt magnetfelt. For at udføre en NMR-undersøgelse skal eksperimentet desuden opfylde en række betingelser, der afspejler de generelle principper for NMR-spektroskopi:
1) registrering af NMR-spektre er kun mulig for atomkerner med deres eget magnetiske moment eller de såkaldte magnetiske kerner, hvor antallet af protoner og neutroner er sådan, at masseantallet af isotopkerner er ulige. Alle kerner med et ulige massetal har spin I, hvis værdi er 1/2. Så for kernerne 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 P er spinværdien 1/2, for kernerne 7 Li, 23 Na, 39 K og 4 l R - spindet er 3/2. Kerner med et lige massetal har enten slet ingen spin, hvis kerneladningen er lige, eller har heltals spin-værdier, hvis ladningen er ulige. Kun de kerner, hvis spin er I 0, kan give et NMR-spektrum.
Tilstedeværelsen af spin er forbundet med cirkulationen af en atomladning omkring kernen, derfor opstår et magnetisk moment μ . En roterende ladning (for eksempel en proton) med et vinkelmoment J skaber et magnetisk moment μ=γ*J . Det vinkelmæssige kernemoment J og det magnetiske moment μ, der opstår under rotation, kan repræsenteres som vektorer. Deres konstante forhold kaldes det gyromagnetiske forhold γ. Det er denne konstant, der bestemmer kernens resonansfrekvens (fig. 1.1).
Figur 1.1 - En roterende ladning med et vinkelmoment J skaber et magnetisk moment μ=γ*J .
2) NMR-metoden undersøger absorption eller emission af energi under usædvanlige forhold for dannelsen af spektret: i modsætning til andre spektrale metoder. NMR-spektret optages fra et stof i et stærkt ensartet magnetfelt. Sådanne kerner i et eksternt felt har forskellige værdier af potentiel energi afhængigt af flere mulige (kvantiserede) orienteringsvinkler af vektoren μ i forhold til vektoren for den eksterne magnetfeltstyrke H 0 . I fravær af et eksternt magnetfelt har de magnetiske momenter eller spins af kerner ikke en bestemt orientering. Hvis magnetkerner med spin 1/2 placeres i et magnetfelt, så vil en del af kernespindene være parallelle med magnetfeltlinjerne, den anden del vil være antiparallel. Disse to orienteringer er ikke længere energisk ækvivalente, og spindene siges at være fordelt over to energiniveauer.
Spins med et magnetisk moment orienteret langs +1/2-feltet er angivet med symbolet | α >, med orientering antiparallel til det eksterne felt -1/2 - symbol | β > (Fig. 1.2).
Figur 1.2 - Dannelsen af energiniveauer, når et eksternt felt H 0 påføres.
1.2.1 NMR-spektroskopi på 1H-kerner Parametre for PMR-spektrene.
For at fortolke dataene fra 1H NMR-spektre og tildele signaler bruges spektrenes hovedkarakteristika: kemisk skift, spin-spin interaktionskonstant, integreret signalintensitet og signalbredde [57].
A) Kemisk skift (X.C). H.S. skala Kemisk skift er afstanden mellem dette signal og signalet fra referencestoffet, udtrykt i ppm af størrelsen af den eksterne feltstyrke.
Tetramethylsilan [TMS, Si(CH 3) 4 ] indeholdende 12 strukturelt ækvivalente stærkt screenede protoner bruges oftest som standard til måling af protonernes kemiske skift.
B) Spin-spin interaktionskonstant. Signalopsplitning observeres i NMR-spektre med høj opløsning. Denne opsplitning eller fine struktur i højopløsningsspektre er resultatet af spin-spin-interaktionen mellem magnetiske kerner. Dette fænomen er sammen med det kemiske skift den vigtigste kilde til information om strukturen af komplekse organiske molekyler og fordelingen af elektronskyen i dem. Det afhænger ikke af H 0 , men afhænger af molekylets elektroniske struktur. Signalet fra en magnetisk kerne, der interagerer med en anden magnetisk kerne, opdeles i flere linjer afhængigt af antallet af spintilstande, dvs. afhænger af spins af kernerne I.
Afstanden mellem disse linjer karakteriserer energien af spin-spin-bindingen mellem kernerne og kaldes spin-spin-koblingskonstanten n J, hvor n er antallet af bindinger, der adskiller de interagerende kerner.
Der er direkte konstanter J HH , geminale konstanter 2 J HH , vicinale konstanter 3 J HH og nogle fjerne konstanter 4 J HH , 5J HH.
- geminale konstanter 2 J HH kan være både positive og negative og optage området fra -30Hz til +40Hz.
De vicinale konstanter 3 J HH optager området 0–20 Hz; de er næsten altid positive. Det er blevet fastslået, at den vicinale vekselvirkning i mættede systemer afhænger meget af vinklen mellem carbon-hydrogen-bindinger, det vil sige af den dihedrale vinkel - (Fig. 1.3).
Figur 1.3 - Dihedral vinkel φ mellem carbon-hydrogen-bindinger.
Langdistance spin-spin interaktion (4 J HH , 5J HH ) - interaktionen af to kerner adskilt af fire eller flere bindinger; konstanterne for en sådan interaktion er sædvanligvis fra 0 til +3 Hz.
Tabel 1.1 - Spin-spin interaktionskonstanter
C) Integral signalintensitet. Signalarealet er proportionalt med antallet af magnetiske kerner, der resonerer ved en given feltstyrke, så signalarealforholdet giver det relative antal protoner af hver strukturel variant og kaldes den integrerede signalintensitet. Moderne spektrometre bruger specielle integratorer, hvis aflæsninger registreres som en kurve, hvis højde er proportional med arealet af de tilsvarende signaler.
D) Linjebredde. For at karakterisere linjebredden er det sædvanligt at måle bredden i en afstand af halvdelen af højden fra spektrets nullinje. Den eksperimentelt observerede linjebredde er summen af den naturlige linjebredde, som afhænger af strukturen og mobiliteten, og udvidelsen af instrumentelle årsager
Den sædvanlige linjebredde i PMR er 0,1-0,3 Hz, men den kan stige på grund af overlapningen af tilstødende overgange, som ikke matcher nøjagtigt, men som ikke løses som separate linjer. Udvidelse er mulig i nærværelse af kerner med et spin større end 1/2 og kemisk udveksling.
1.2.2 Anvendelse af 1H NMR-data til at fastslå strukturen af organiske molekyler.
Ved løsning af en række problemer med strukturanalyse, udover tabeller med empiriske værdier, vil Kh.S. det kan være nyttigt at kvantificere virkningerne af nabosubstituenter på C.C. ved reglen om additivitet af effektive screeningsbidrag. I dette tilfælde tages der normalt hensyn til substituenter, der fjernes fra en given proton med højst 2-3 bindinger, og beregningen udføres i henhold til formlen:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
hvor δ 0 er det kemiske skift af protoner i standardgruppen;
δi er substituentscreeningsbidraget.
1.3 13 C NMR-spektroskopi. Opsamlings- og optagelsesmåder af spektre.
De første rapporter om observation af 13C NMR dukkede op i 1957, men transformationen af 13C NMR spektroskopi til en praktisk anvendt metode til analytisk forskning blev meget senere.
Magnetisk resonans 13 C og 1 H har meget til fælles, men der er også betydelige forskelle. Den mest almindelige isotop af kulstof 12 C har I=0. 13 C isotopen har I=1/2, men dens naturlige overflod er 1,1%. Dette er sammen med det faktum, at det gyromagnetiske forhold for 13 C kerner er 1/4 af det gyromagnetiske forhold for protoner. Dette reducerer følsomheden af metoden i eksperimenter med observation af 13C NMR med 6000 gange sammenlignet med 1H kerner.
a) uden undertrykkelse af spin-spin-interaktionen med protoner. 13C NMR-spektrene opnået i fravær af fuldstændig undertrykkelse af spin-spin-resonans med protoner blev kaldt højopløsningsspektre. Disse spektre indeholder fuldstændig information om konstanterne 13C-1H. I relativt simple molekyler findes begge typer konstanter - fremad og fjern - ganske enkelt. Så 1 J (С-Н) er 125 - 250 Hz, dog kan spin-spin interaktion også forekomme med fjernere protoner med konstanter mindre end 20 Hz.
b) fuldstændig undertrykkelse af spin-spin-interaktionen med protoner. Det første store fremskridt inden for 13C NMR-spektroskopi er forbundet med brugen af fuldstændig undertrykkelse af spin-spin-interaktionen med protoner. Brugen af fuldstændig undertrykkelse af spin-spin-interaktionen med protoner fører til sammensmeltning af multipletter med dannelsen af singlet-linjer, hvis der ikke er andre magnetiske kerner såsom 19 F og 31 P i molekylet.
c) ufuldstændig undertrykkelse af spin-spin-interaktionen med protoner. Imidlertid har brugen af metoden til fuldstændig afkobling fra protoner sine ulemper. Da alle kulstofsignaler nu er i form af singletter, går al information om 13C-1H spin-spin interaktionskonstanter tabt, hvilket er en del af fordelene ved bredbåndsforbindelse. I dette tilfælde vil spektrene vise spaltninger på grund af de direkte konstanter af 13C-1H spin-spin interaktionen Denne procedure gør det muligt at detektere signaler fra ikke-protonerede carbonatomer, da sidstnævnte ikke har protoner direkte bundet til 13C og optræder i spektrene med ufuldstændig afkobling fra protoner som singletter.
d) modulering af CH-interaktionskonstanten, JMODCH-spektrum. Et traditionelt problem i 13C NMR-spektroskopi er at bestemme antallet af protoner forbundet med hvert carbonatom, dvs. graden af protonering af carbonatomet. Delvis undertrykkelse af protoner gør det muligt at opløse kulstofsignalet fra multipliciteten forårsaget af langrækkende spin-spin-interaktionskonstanter og opnå signalopsplitning på grund af direkte 13C-1H SSCC'er. Men i tilfælde af stærkt koblede AB-spinsystemer og overlappende af multipletter i OFFR-tilstand, gør det entydig signalopløsning vanskelig.
Kernemagnetisk resonansspektroskopi, NMR-spektroskopi- en spektroskopisk metode til undersøgelse af kemiske objekter ved hjælp af fænomenet kernemagnetisk resonans. NMR-fænomenet blev opdaget i 1946 af de amerikanske fysikere F. Bloch og E. Purcell. De vigtigste for kemi og praktiske anvendelser er protonmagnetisk resonansspektroskopi (PMR-spektroskopi), samt kulstof-13 NMR-spektroskopi (13 C NMR-spektroskopi), fluor-19 (19 F NMR-spektroskopi), fosfor-31 (31 P NMR). spektroskopi). Hvis et grundstof har et ulige atomnummer eller en isotop af et hvilket som helst (lige lige) grundstof har et ulige massetal, har kernen af et sådant grundstof et spin andet end nul. Fra den exciterede tilstand til den normale tilstand kan kernerne vende tilbage og overføre excitationsenergien til miljøet - "gitteret", som i dette tilfælde betyder elektroner eller atomer af en anden slags end dem, der er undersøgt. Denne energioverførselsmekanisme kaldes spin-gitter-relaksation, og dens effektivitet kan karakteriseres ved en konstant T1, kaldet spin-gitter-relaksationstiden.
Disse funktioner gør NMR-spektroskopi til et praktisk værktøj både i teoretisk organisk kemi og i analyse af biologiske objekter.
Grundlæggende NMR-teknik
En prøve af et stof til NMR anbringes i et tyndvægget glasrør (ampul). Når de placeres i et magnetfelt, absorberer aktive NMR-kerner (såsom 1 H eller 13 C) elektromagnetisk energi. Resonansfrekvensen, absorptionsenergien og intensiteten af det udsendte signal er proportional med styrken af magnetfeltet. Så i et felt på 21 Tesla resonerer en proton med en frekvens på 900 MHz.
kemisk skift
Afhængigt af det lokale elektroniske miljø resonerer forskellige protoner i et molekyle ved lidt forskellige frekvenser. Da både denne frekvensforskydning og den fundamentale resonansfrekvens er direkte proportional med størrelsen af magnetfeltinduktionen, omdannes denne forskydning til en dimensionsløs størrelse uafhængig af magnetfeltet, kendt som det kemiske skift. Kemisk skift er defineret som en relativ ændring i forhold til nogle referenceprøver. Frekvensskiftet er ekstremt lille sammenlignet med hoved-NMR-frekvensen. Et typisk frekvensskift er 100 Hz, mens basis-NMR-frekvensen er i størrelsesordenen 100 MHz. Kemisk skift er således ofte udtrykt i dele per million (ppm). For at detektere en så lille frekvensforskel skal det påførte magnetfelt være konstant inden for prøvevolumenet.
Da det kemiske skift afhænger af stoffets kemiske struktur, bruges det til at opnå strukturel information om molekylerne i prøven. For eksempel giver spektret for ethanol (CH 3 CH 2 OH) 3 karakteristiske signaler, det vil sige 3 kemiske skift: et for CH 3-gruppen, det andet for CH 2-gruppen og det sidste for OH. Et typisk skift for en CH3-gruppe er ca. 1 ppm, for en CH2-gruppe bundet til OH er 4 ppm, og OH er ca. 2-3 ppm.
På grund af molekylær bevægelse ved stuetemperatur bliver signalerne fra de 3 methylprotoner gennemsnittet under NMR-processen, som kun varer et par millisekunder. Disse protoner degenererer og danner toppe ved det samme kemiske skift. Softwaren giver dig mulighed for at analysere størrelsen af toppene for at forstå, hvor mange protoner der bidrager til disse toppe.
Spin-spin interaktion
Den mest nyttige information til at bestemme strukturen i et endimensionelt NMR-spektrum er tilvejebragt af den såkaldte spin-spin-interaktion mellem aktive NMR-kerner. Denne interaktion skyldes overgange mellem forskellige nukleare spin-tilstande i kemiske molekyler, hvilket resulterer i spaltning af NMR-signaler. Denne opdeling kan være enkel eller kompleks, og som et resultat er den enten let at fortolke eller kan forvirre forsøgslederen.
Denne binding giver detaljerede oplysninger om bindingerne af atomer i et molekyle.
Anden ordens interaktion (stærk)
Den simple spin-spin-interaktion antager, at koblingskonstanten er lille sammenlignet med forskellen i kemiske skift mellem signalerne. Hvis skiftforskellen falder (eller koblingskonstanten stiger), bliver intensiteten af prøvemultipletterne forvrænget, hvilket bliver sværere at analysere (især hvis systemet indeholder mere end 2 spins). Men i højeffekt NMR-spektrometre er forvrængning normalt moderat, og det gør det nemt at fortolke de tilhørende toppe.
Anden ordens effekter falder med stigende frekvensforskel mellem multipletterne, så højfrekvens-NMR-spektret viser mindre forvrængning end lavfrekvensspektret.
Anvendelse af NMR-spektroskopi til undersøgelse af proteiner
De fleste af de seneste innovationer inden for NMR-spektroskopi er lavet i den såkaldte protein-NMR-spektroskopi, som er ved at blive en meget vigtig teknik i moderne biologi og medicin. Et fælles mål er at opnå en høj opløsning 3-dimensionel struktur af et protein, svarende til billeder opnået i røntgenkrystallografi. På grund af tilstedeværelsen af flere atomer i et proteinmolekyle sammenlignet med en simpel organisk forbindelse, er det underliggende 1H-spektrum fuld af overlappende signaler, hvilket gør direkte spektrumanalyse umulig. Derfor er der udviklet multidimensionelle teknikker til at løse dette problem.
For at forbedre resultaterne af disse eksperimenter anvendes metoden med mærkede atomer ved hjælp af 13 C eller 15 N. Det bliver således muligt at opnå et 3D-spektrum af en proteinprøve, som er blevet et gennembrud i moderne lægemidler. For nylig er metoder (der har både fordele og ulemper) til at opnå 4D-spektre og spektre af højere dimensioner, baseret på ikke-lineære samplingmetoder med efterfølgende restaurering af det frie induktions-henfaldssignal ved hjælp af specielle matematiske teknikker, blevet udbredt.
Kvantitativ analyse ved NMR
I den kvantitative analyse af opløsninger kan topareal anvendes som et mål for koncentration i kalibreringskurvemetoden eller additionsmetoden. Der kendes også metoder, hvor en gradueret graf afspejler koncentrationsafhængigheden af det kemiske skift. Anvendelsen af NMR-metoden i uorganisk analyse er baseret på, at i nærvær af paramagnetiske stoffer accelereres den nukleare afslapningstid. Måling af afslapningshastigheden kan udføres ved flere metoder.Plidelig og alsidig er for eksempel den impulsive udgave af NMR-metoden, eller som det plejer at kaldes spinekko-metoden. Ved målinger ved hjælp af denne metode påføres kortvarige radiofrekvensimpulser til prøven under undersøgelse i et magnetisk felt med bestemte tidsintervaller i området for resonansabsorption Et spin-ekkosignal fremkommer i modtagespolen, hvis maksimale amplitude er relateret til afslapningstiden ved et simpelt forhold. Det er ikke nødvendigt at finde de absolutte værdier af afslapningshastighederne for at udføre de sædvanlige analytiske bestemmelser. I disse tilfælde kan man nøjes med at måle en eller anden mængde, der er proportional med dem, for eksempel amplituden af resonansabsorptionssignalet. Amplitudemåling kan udføres med enkelt, mere overkommeligt udstyr. En væsentlig fordel ved NMR-metoden er en bred vifte af målte parameterværdier. Ved hjælp af spin-ekko-indstillingen kan du bestemme afslapningstiden fra 0,00001 til 100 s. med en fejl på 3...5%. Dette giver dig mulighed for at bestemme koncentrationen af opløsningen i et meget bredt område fra 1 ... 2 til 0,000001 ... 0000001 mol / l. Den mest almindeligt anvendte analytiske teknik er kalibreringskurvemetoden. Heberlen W., Mehring M. Høj opløsning NMR i faste stoffer. - M.: Mir. - 1980.
