ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе. Ямр – спектроскопия Ямр спектрометрия

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является наиболее мощным инструментом выяснения структуры органических веществ. В этом виде спектроскопии исследуемый образец помешают в магнитное поле и облучают радиочастотным электромагнитным

(кликните для просмотра скана)

Рис. 11-13. Протоны в магнитном поле: а - в отсутствие магнитного поля; б - во внешнем магнитном поле; в - во внешнем магнитном поле после поглощения радиочастотного излучения (спины занимают более высокий энергетический уровень)

излучением. Атомы водорода в разных частях молекулы поглощают излучение различной длины волны (частоты). В определенных условиях другие атомы также могут поглощать радиочастотное излучение, но мы ограничимся рассмотрением спектроскопии на атомах водорода как наиболее важного и распространенного вида спектроскопии ЯМР.

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Этот протон вращается вокруг своей оси и, как всякий вращающийся заряженный объект, представляет собой магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля спины протонов ориентированы беспорядочно, но в магнитном поле возможны лишь две ориентации спина (рис. 11-13), которые называются спиновыми состояниями. Спиновые состояния, в которых магнитный момент (показан стрелкой) ориентирован по полю, имеют несколько меньшую энергию, чем спиновые состояния, в которых магнитный момент ориентирован против поля. Энергетическая разница двух спиновых состояний соответствует энергии фотона радиочастотного излучения. При воздействии этого излучения на исследуемый образец протоны переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий, происходит поглощение энергии.

Атомы водорода в молекуле находятся в различном химическом окружении. Одни входят в состав метильных групп, другие соединены с атомами кислорода или бензольным кольцом, третьи находятся рядом с двойными связями и т. д. Этой небольшой разницы в электронном окружении оказывается достаточно для изменения разности энергий между спиновыми состояниями и, следовательно, частоты поглощаемого излучения.

Спектр ЯМР возникает как результат поглощения радиочастотного излучения веществом, находящимся в магнитном поле. Спектроскопия ЯМР позволяет различить атомы водорода в молекуле, находящиеся в различном химическом окружении.

Спектры ЯМР

При сканировании частоты излучения при некоторых значениях частот наблюдается поглощение излучения атомами водорода в молекуле, конкретное значение частоты поглощения зависит от окружения атомов

Рис. 11-14. Типичный спектр ЯМР: а - спектр; б - интегральная кривая, дающая площадь пиков

водорода. Зная, в какой области спектра находятся пики поглощения тех или иных типов атомов водорода, можно сдепать определенные заключения о структуре молекулы. На рис. 11-14 изображен типичный спектр ЯМР вещества, в котором имеется три типа атомов водорода. Положение сигналов в шкале химического сдвига 5 измеряется в миллионных долях (м. д.) от частоты радиоизлучения. Обычно все сигналы расположены в области На рис. 11-14 химические сдвиги сигналов равны 1,0, 3,5 и Правая часть спектра называется сильнопольной областью, а левая - слабопольной. В спектрах ЯМР по традиции пики изображают направленными вверх, а не вниз, как в ИК-спектрах.

Для интерпретации спектра и получения из него структурной информации имеют значение три типа спектральных параметров:

1) положение сигнала в -шкале (характеризует тип атома водорода);

2) площадь сигнала (характеризует число атомов водорода данного типа);

3) мультиплетность (форма) сигнала (характеризует число близкорасположенных атомов водорода других типов).

Познакомимся подробнее с этими параметрами на примере спектра хлорэтана (рис. 11-15). Прежде всего обратим внимание на положение сигналов в спектре, или, иначе говоря, на значения химических сдвигов. Сигнал а (протоны группы находится при 1,0 м. д., что

Рис. 11-15. Спектр ЯМР хлорэтана

(см. скан)

свидетельствует о том, что эти атомы водорода не расположены рядом с электроотрицательным атомом, тогда как сдвиг сигнала б (протоны группы ) составляет Значения химических сдвигов часто встречающихся групп необходимо запомнить так же, как частоты полос поглощения в ИК-спектрах. Важнейшие химические сдвиги приведены в табл. 11-2.

Затем проанализируем площадь пиков, которая пропорциональна числу атомов водорода данного типа. На рис. 11-15 относительные площади указаны цифрами в скобках. Они определены с помощью интегральной кривой, расположенной выше спектра. Площадь сигнала пропорциональна высоте "ступеньки" интегральной кривой. В обсуждаемом спектре отношение площадей сигналов составляет 2:3, что соответствует отношению числа метиленовых протонов к числу метильных

И наконец, рассмотрим форму или структуру сигналов, которую обычно называют мультыппетностью. Сигнал метильной группы представляет собой триплет (три пика), тогда как сигнал метиленовой группы состоит из четырех пиков (квартет). Мультиплетность дает информацию о том, сколько атомов водорода связано с соседним атомом углерода. Число пиков в мультиплете всегда на один больше числа атомов водорода у соседнего углеродного атома (табл. 11-3).

Таким образом, если в спектре имеется синглетный сигнал, это означает, что молекула вещества включает группу атомов водорода, по соседству с которой нет других водородных атомов. В спектре на рис. 11-15 сигнал мегильной группы представляет собой триплет. Это значит, что при соседнем углеродном атоме имеется два атома водорода.

Аналогично, сигнал метиленовой группы представляет собой квартет, потому что по соседству имеется три атома водорода.

Полезно научиться предсказывать ожидаемый спектр ЯМР, исходя из структурной формулы вещества. Освоив эту процедуру, легко перейти к решению обратной задачи - установлению структуры вещества по его спектру ЯМР. Ниже Вы увидите примеры предсказания спектров, исходя из структуры. Затем Вам будет предложено интерпретировать спектры с целью установления строения неизвестного вещества.

Предсказание спектров ЯМР, исходя из структурной формулы

Для предсказания спектров ЯМР проделайте следующие процедуры.

1. Изобразите полную структурную формулу вещества.

2. Обведите в рамку эквивалентные атомы водорода. Определите число атомов водорода каждого типа.

3. При помощи табл. 11-2 (или Вашей памяти) определите примерные значения химических сдвигов сигналов атомов водорода каждого типа.

(кликните для просмотра скана)

ЯМР-спектроскопия

Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия - спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса . Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 (инфракрасной спектроскопии, ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Однако, он обеспечивает более полную информацию, чем ИС, позволяя изучать динамические процессы в образце - определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов.

Базовая ЯМР техника

Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда ее помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота , энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля . Так в поле в 21 Тесла, протон резонирует при частоте 900 МГц.

Химический сдвиг

В зависимости от местного электронного окружения, разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты и основная резонансная частота прямо пропорциональны силе магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того что обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объема образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH 3 CH 2 OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH 3 , второй для СН 2 -группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH 3 -группы примерно равен 1 ppm, для CH 2 -группы присоединенной к OH-4 ppm и OH примерно 2-3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять как много протонов дает вклад в эти пики.

Спин-спиновое взаимодействие

Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР-спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах , что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.

Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.

Взаимодействие второго порядка (сильное)

Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР-спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.

Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение чем низкочастотный спектр.

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулы в сравнении с простым органическим соединением, базовый 1 D спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов применяют метод меченых атомов, используя 13 С или 15 N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современой фармацевтике. В последнее время получают распространение методики(имеющие как преимущества так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

Литература

• Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР. - Пер. с англ. - М ., 1984.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "ЯМР-спектроскопия" в других словарях:

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса на ядрах углерода 13, 13C ЯМР спектроскопия один из методов ЯМР спектроскопии, использующий ядра изотопа углерода 13C. Ядро 13C имеет в основном состоянии спин 1/2, его содержание в природе… … Википедия

Изображение мозга человека на медицинском ЯМР томографе Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией… … Википедия

спектроскопия ЯМР

спектроскопия ЯМР

спектроскопия магнитного резонанса - magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: angl. NMR… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

спектроскопия ядерного магнитного резонанса - branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. NMR spectroscopy; nuclear magnetic resonance spectroscopy vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. спектроскопия ядерного … 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: angl. NMR… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

ядерно-резонансная спектроскопия - branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. NMR spectroscopy; nuclear magnetic resonance spectroscopy vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. спектроскопия ядерного … Fizikos terminų žodynas

Совокупность методов иссл. в ва по спектрам поглощения их атомами, ионами и молекулами эл. магн. волн радиодиапазона. К Р. относятся методы электронного парамагн. резонанса (ЭПР), ядерного магн. резонанса (ЯМР), циклотронного резонанса и др … Естествознание. Энциклопедический словарь

Изображение мозга человека на медицинском ЯМР томографе Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν… … Википедия

Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. Совр. импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магн. ядрам. ЯМР спектроскопия - один из осн. физ.-хим. методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации как промежут. продуктов хим. р-ций, так и целевых в-в. Помимо структурных отнесений и количеств. анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутр. движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кето-енольной таутомерии, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции в-в, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. Спектроскопия ЯМР - источник информации о структуре биополимеров, в т. ч. белковых молекул в р-рах, сопоставимой по достоверности с данными рентгеноструктурного анализа. В 80-е гг. началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.
Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетич. каучуков, пластмасс, сланцев, углей, лекарств, препаратов, продукции хим. и фармацевтич. пром-сти и др.
Интенсивность и ширина линии ЯМР воды или масла позволяют с высокой точностью измерять влажность и масличность семян, сохранность зерна. При отстройке от сигналов воды можно регистрировать содержание клейковины в каждом зерне, что так же, как и анализ масличности, позволяет вести ускоренную селекцию с.-х. культур.
Применение все более сильных магн. полей (до 14 Тл в серийных приборах и до 19 Тл в эксперим. установках) обеспечивает возможность полного определения структуры белковых молекул в р-рах, экспресс-анализа биол. жидкостей (концентрации эндогенных метаболитов в крови, моче, лимфе, спинномозговой жидкости), контроля качества новых полимерных материалов. При этом применяют многочисленные варианты многоквантовых и многомерных фурье-спектроскопич. методик.
Явление ЯМР открыли Ф. Блох и Э. Пёрселл (1946), за что были удостоены Нобелевской премии (1952).

Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.
Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.
Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.
ЯМР-интроскопия, ЯМР-томография впервые в мире изобретены в 1960 г. В. А. Ивановым. Заявку на изобретение (способ и устройство) некомпетентный эксперт отклонил «… ввиду явной бесполезности предлагаемого решения», поэтому авторское свидетельство на это было выдано лишь более чем через 10 лет. Таким образом, официально признано, что автором ЯМР-томографии является не коллектив нижеуказанных нобелевских лауреатов, а российский учёный. Невзирая на этот юридический факт, Нобелевская премия была присуждена за ЯМР-томографию вовсе не В. А. Иванову.Спектральные аппараты

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Cуть метода

Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами. Электрон имеет спин и ассоциированный с ним магнитный момент.

Если поместить свободный радикал с результирующим моментом количества движения J в магнитном поле с напряжённостью B 0 , то для J, отличного от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает 2J+1 уровней, положение которых описывается выражением: W =gβB 0 M, (где М = +J, +J-1, …-J) и определяется Зеемановским взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом J. Расщепление энергетических уровней электрона показано на рисунке.

Энергетические уровни и разрешенные переходы для атома с ядерным спином 1 в постоянном (А) и переменном (В) поле.

Если теперь к парамагнитному центру приложить электромагнитное поле с частотой ν, поляризованное в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля B 0 , то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы, подчиняющиеся правилу отбора ΔМ = 1. При совпадении энергии электронного перехода с энергией фотонаэлектромагнитной волны будет происходить резонансное поглощение СВЧизлучения. Таким образом, условие резонанса определяются фундаментальным соотношением магнитного резонанса

Поглощение энергии СВЧ поля наблюдается в том случае, если между уровнями существует разность заселённостей.

При тепловом равновесии существует небольшая разность заселённостей зеемановских уровней, определяемая больцмановским распределением = exp(gβB 0 /kT). В такой системе при возбуждении переходов очень быстро должно наступить равенство заселённостей энергетических подуровней и исчезнуть поглощение СВЧ поля. Однако, в действительности существует много различных механизмов взаимодействия, в результате которых электрон безызлучательно переходит в первоначальное состояние. Эффект неизменности интенсивности поглощения при увеличении мощности возникает за счёт электронов, не успевающих релаксировать, и называется насыщением. Насыщение появляется при высокой мощности СВЧ излучения и может заметно исказить результаты измерения концентрации центров методом ЭПР.

Значение метода

Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой.

Но спектр ЭПР это не только характеристика иона в кристалле, но и самого кристалла, особенностей распределения электронной плотности, кристаллического поля, ионности-ковалентности в кристалле и наконец просто диагностическая характеристика минерала, так как каждый ион в каждом минерале имеет свои уникальные параметры. В этом случае парамагнитный центр является своеобразным зондом, дающим спектроскопические и структурные характеристики своего микроокружения.

Это свойство используется в т. н. методе спиновых меток и зондов, основанном на введении стабильного парамагнитного центра в исследуемую систему. В качестве такого парамагнитного центра, как правило, используют нитроксильный радикал, характеризующийся анизотропными g и A тензорами.