Протонный ядерный магнитный резонанс

**Пример ¹Спектр ЯМР Н** (1-мерный) смеси ментола энантиомеров представлен как зависимость интенсивности сигнала (вертикальная ось) от химического сдвига (в м.д. на горизонтальной оси). Сигналам спектра были присвоены группы атомов водорода (от a до j) из структуры, показанной вверху слева.

Протонный ядерный магнитный резонанс ( протонный ЯМР , ЯМР водорода-1 или ¹H NMR ) — применение ядерного магнитного резонанса в ЯМР-спектроскопии по отношению к водорода-1 ядрам внутри молекул вещества с целью определения структуры его молекул. ^[1] природный водород В образцах, где используется (H), практически весь водород состоит из изотопа ¹H (водород-1; т.е. имеющий протон вместо ядра).

Простые спектры ЯМР регистрируются в растворе , и протонам растворителя нельзя допускать вмешательства. Дейтерированный (дейтерий = ²H, часто обозначаемый как D) растворители, особенно для использования в ЯМР, являются предпочтительными, например, дейтерированная вода , D ₂ O, дейтерированный ацетон , (CD ₃ ) ₂ CO, дейтерированный метанол , CD ₃ OD, дейтерированный диметилсульфоксид , (CD ₃ ) ₂ SO и дейтерированный хлороформ CDCl ₃ . растворитель без водорода, такой как четыреххлористый углерод CCl ₄ или сероуглерод CS ₂ Однако также можно использовать .

Исторически дейтерированные растворители поставлялись с небольшим количеством (обычно 0,1%) тетраметилсилана (ТМС) в качестве внутреннего стандарта для определения химических сдвигов каждого протона аналита. ТМС представляет собой тетраэдрическую молекулу, в которой все протоны химически эквивалентны и дают один сигнал, используемый для определения химического сдвига = 0 частей на миллион. ^[2] Он летуч , что также упрощает восстановление проб. Современные спектрометры могут определять спектры, основанные на остаточном протоне в растворителе (например, CHCl ₃ , 0,01% в 99,99% CDCl ₃ ). Дейтерированные растворители сейчас обычно поставляются без ТМС.

Дейтерированные растворители позволяют использовать блокировку частотного поля дейтерия (также известную как блокировка дейтерия или блокировка поля), чтобы компенсировать эффект естественного дрейфа магнитного поля ЯМР. $B_{0}$ . Чтобы обеспечить блокировку дейтерия, ЯМР постоянно контролирует резонансную частоту сигнала дейтерия от растворителя и вносит изменения в $B_{0}$ поддерживать постоянную резонансную частоту. ^[3] Кроме того, сигнал дейтерия можно использовать для точного определения 0 ppm, поскольку резонансная частота фиксирующего растворителя, а разница между фиксирующим растворителем и 0 ppm (TMS) хорошо известна.

Спектры ЯМР протонов большинства органических соединений характеризуются химическими сдвигами в диапазоне от +14 до -4 м.д. и спин-спиновым взаимодействием между протонами. Кривая интегрирования для каждого протона отражает содержание отдельных протонов.

Простые молекулы имеют простые спектры. Спектр этилхлорида состоит из триплета при 1,5 м.д. и квартета при 3,5 м.д. в соотношении 3:2. Спектр бензола состоит из единственного пика при 7,2 м.д., обусловленного диамагнитным кольцевым током .

Вместе с ЯМР углерода-13 протонный ЯМР является мощным инструментом для определения характеристик молекулярной структуры.

Химические сдвиги

Значения химического сдвига , обозначаемые δ , не являются точными, но типичными, поэтому их следует рассматривать главным образом как справочные. Отклонения находятся в пределах ±0,2 ppm , иногда больше. Точная величина химического сдвига зависит от структуры молекулы и растворителя , температуры , магнитного поля , в котором регистрируется спектр, и других соседних функциональных групп . Ядра водорода чувствительны к гибридизации атома, к которому присоединен атом водорода, и к электронным эффектам . Ядра имеют тенденцию быть лишенными защиты группами, которые уменьшают электронную плотность. Деэкранированные ядра резонируют при более высоких значениях δ, тогда как экранированные ядра резонируют при более низких значениях δ.

Примерами электроноакцепторных заместителей являются -OH , -OCOR , -OR , -NO ₂ и галогены . Это вызывает сдвиг в слабое поле примерно на 2–4 м.д. для атомов H на _Cα и менее чем на 1–2 м.д. для атомов H на _Cβ . Cα _, представляет собой алифатический атом C непосредственно связанный с рассматриваемым заместителем, а Cβ _{представляет} собой алифатический атом C, связанный с _Cα . Карбонильные группы , олефиновые фрагменты и ароматические кольца вносят вклад sp. ² гибридизованные атомы углерода в алифатическую цепь. Это вызывает сдвиг в сторону слабого поля на 1–2 ppm при _Cα .

Обратите внимание, что лабильные протоны (-OH, -NH ₂ , -SH ) не имеют характерного химического сдвига. Однако такие резонансы можно идентифицировать по исчезновению пика при реакции с D ₂ O , поскольку дейтерий заменяет атом протия . Этот метод называется D ₂ O. встряхиванием Кислотные растворителя, содержащего кислые ионы дейтерия (например, метанол - d ₄ протоны также могут быть подавлены при использовании ). Альтернативным методом идентификации протонов, не связанных с атомами углерода, является эксперимент гетероядерной одноквантовой когерентности (HSQC), который сопоставляет протоны и атомы углерода, находящиеся на расстоянии одной связи друг от друга. Водород, не связанный с углеродом, можно идентифицировать, поскольку он не имеет перекрестного пика в спектре HSQC.

Функциональная группа	CH_CH3	СН ₂	СН
Ч ₂ Р	0.8	1.3	1.6
С=С	1.6	2.0	2.6
C≡C	1.7	2.2	2.8
С ₆ Ч ₅	2.3	2.6	2.9
Ф	4.3	4.4	4.8
кл.	3.0	3.4	4.0
Бр	2.7	3.4	4.1
я	2.2	3.2	4.2
ОЙ	3.3	3.5	3.8
ИЛИ	3.3	3.4	3.7
ОС ₆ Ч ₅	3.8	4.0	4.3
ОЦОР	3.6	4.1	5.0
ОКОК ₆ Ч ₅	3.9	4.2	5.1
ОКОКФ ₃	4.0	4.4	—
ДАВАТЬ	2.2	2.4	2.5
КОР	2.1	2.2	2.6
COOH	2.1	2.3	2.6
КООР	2.0	2.3	2.5
КОНР ₂	2.0	2.1	2.4
Китай	2.1	2.5	3.0
НХ ₂	2.5	2.7	3.0
НЕТ ₂	2.2	2.4	2.8
НРК ₆ Ч ₅	2.6	3.0	3.6
NR_№3⁺	3.0	3.1	3.6
НВКОР	2.9	3.3	3.7
НЕТ ₂	4.1	4.2	4.4
СР	2.1	2.5	3.1
ПИВО	2.6	3.1	—
=O (алифатический альдегид)	—	—	9.5
=O (ароматический альдегид)	—	—	10
МГ (металлогидрид)	—	—	от −5 до −15

Интенсивность сигнала

Интегральные интенсивности сигналов ЯМР в идеале пропорциональны соотношению ядер внутри молекулы. ^[4] Вместе с химическим сдвигом и константами взаимодействия интегрированные интенсивности позволяют выполнять структурные определения. Для смесей интенсивность сигналов можно использовать для определения молярных соотношений. Эти соображения действительны только тогда, когда имеется достаточно времени для полной релаксации затронутых сигналов, что определяется их значениями T ₁ . Еще одна сложность возникает из-за сложности интеграции сигналов очень разных форм линий.

Спин-спиновые муфты

В дополнение к химическому сдвигу спектры ЯМР допускают структурные определения на основе спин-спинового взаимодействия (и интегральных интенсивностей). Поскольку ядра сами по себе обладают небольшим магнитным полем, они влияют друг на друга, изменяя энергию и, следовательно, частоту соседних ядер во время резонанса — это известно как спин-спиновая связь . Наиболее важным типом основного ЯМР является скалярная связь . Это взаимодействие между двумя ядрами происходит посредством химических связей и обычно можно увидеть на расстоянии до трех связей (3-J-связь), хотя иногда его можно увидеть и на расстоянии от четырех до пяти связей, хотя они, как правило, значительно слабее.

Спектр ЯМР 1Н раствора HD (помечены красными столбиками) и H ₂ (синие столбцы). Триплет 1:1:1 для HD возникает в результате гетероядерного (разные изотопы) взаимодействия.

Эффект скалярной связи можно понять, исследуя протон, имеющий сигнал при 1 ppm. Этот протон находится в гипотетической молекуле, где за три связи существует другой протон (например, в группе CH-CH), соседняя группа ( магнитное поле ) заставляет сигнал при 1 ppm разделяться на два, причем один пик составляет несколько герц выше 1 ppm, а другой пик соответствует тому же числу герц ниже 1 ppm. Каждый из этих пиков имеет половину площади бывшего синглетного пика. Величина этого расщепления (разница в частоте между пиками) известна как константа связи . Типичное значение константы связи для алифатических протонов составляет 7 Гц.

Константа связи не зависит от напряженности магнитного поля, поскольку она вызвана магнитным полем другого ядра, а не магнитом спектрометра. Поэтому оно указывается в герцах (частота), а не в ppm ( химический сдвиг ).

В другой молекуле протон резонирует при 2,5 ppm, и этот протон также будет разделен на две части протоном при 1 ppm. Поскольку величина взаимодействия одинакова, расщепление будет иметь одну и ту же константу связи с разницей в 7 Гц. Спектр будет иметь два сигнала, каждый из которых будет дублетом . Каждый дублет будет иметь одинаковую площадь, поскольку оба дублета производятся одним протоном каждый.

Два дублета при 1 ppm и 2,5 ppm вымышленной молекулы CH-CH теперь заменены на CH ₂ -CH:

Общая площадь пика CH ₂ при концентрации 1 ppm будет в два раза больше площади пика CH 2 при концентрации 2,5 ppm.
Пик CH ₂ будет разделен на дублет пиком CH - с одним пиком при 1 ppm + 3,5 Гц и одним при 1 ppm - 3,5 Гц (общая константа расщепления или связи составляет 7 Гц).

В результате пик CH при 2,5 м.д. будет расщеплен дважды каждым протоном CH ₂ . Первый протон разделит пик на две равные интенсивности и перейдет от одного пика при 2,5 м.д. к двум пикам: одному при 2,5 м.д. + 3,5 Гц, а другому при 2,5 м.д. - 3,5 Гц, каждый из которых имеет одинаковую интенсивность. Однако они снова будут разделены вторым протоном. Соответственно изменятся частоты:

Сигнал 2,5 ppm + 3,5 Гц будет разделен на 2,5 ppm + 7 Гц и 2,5 ppm.
Сигнал 2,5 ppm – 3,5 Гц будет разделен на 2,5 ppm и 2,5 ppm – 7 Гц.

Конечным результатом является сигнал, состоящий не из 4 пиков, а из трех: один сигнал на частоте 7 Гц выше 2,5 м.д., два сигнала возникают на частоте 2,5 м.д. и последний на частоте 7 Гц ниже 2,5 м.д. Соотношение высот между ними 1:2:1. Это известно как триплет и является индикатором того, что протон состоит из трех связей из группы CH ₂ .

Это можно распространить на любую группу CH _n . Когда группу CH ₂ -CH заменяют на CH ₃ -CH ₂ , сохраняя химический сдвиг и константы взаимодействия одинаковыми, наблюдаются следующие изменения:

Относительные площади между субъединицами CH ₃ и CH ₂ будут составлять 3:2.
CH ₃ связан с двумя протонами в триплет 1:2:1 около 1 ppm.
CH ₂ связан с тремя протонами.

Нечто, разделенное тремя одинаковыми протонами, принимает форму, известную как квартет , где каждый пик имеет относительную интенсивность 1:3:3:1.

Пик разбивается n одинаковыми протонами на компоненты, размеры которых находятся в соотношении n- й строки треугольника Паскаля :

н	Имя	Ряд
0	майка	1
1	дублет	1 1
2	триплет	1 2 1
3	квартет	1 3 3 1
4	квинтет	1 4 6 4 1
5	секстет	1 5 10 10 5 1
6	септет	1 6 15 20 15 6 1
7	октет	1 7 21 35 35 21 7 1
8	не знает	1 8 28 56 70 56 28 8 1

Поскольку n- я строка имеет n +1 компонент, говорят, что этот тип расщепления соответствует « правилу n +1»: протон с n соседями появляется как кластер из n +1 пиков.

Другой пример: 2-метилпропан (CH ₃ ) ₃ CH: протон CH присоединен к трем идентичным метильным группам, содержащим в общей сложности 9 идентичных протонов. Сигнал CH в спектре будет разделен на десять пиков в соответствии с правилом множественности (n + 1). Ниже приведены сигналы ЯМР, соответствующие нескольким простым мультиплетам этого типа. Обратите внимание, что внешние линии нонета (которые составляют всего 1/8 высоты второй вершины) едва различимы, что придает поверхностное сходство с септетом.

Когда протон соединяется с двумя разными протонами, константы связи, вероятно, будут разными, и вместо триплета будет виден дублет дублетов. Аналогично, если протон связан с двумя другими протонами одного типа и третьим протоном другого типа с другой, меньшей константой связи, то будет виден тройка дублетов. В приведенном ниже примере триплетная константа связи больше дублетной. По соглашению, шаблон, созданный наибольшей константой связи, указывается первым, а шаблоны расщепления меньших констант называются по очереди. В приведенном ниже случае было бы ошибочно называть квартет троек тройкой квартетов. Анализ таких мультиплетов (который может быть намного сложнее показанных здесь) дает важные ключи к пониманию структуры изучаемой молекулы.

Описанные выше простые правила спин-спинового расщепления сигналов ЯМР применимы только в том случае, если химические сдвиги партнеров взаимодействия существенно превышают константу связи между ними. В противном случае пиков может быть больше, и интенсивность отдельных пиков будет искажена (эффекты второго порядка).

Гетероядерная связь

Если в молекуле присутствуют другие ЯМР-активные ядра, между гетероатомами и протонами будет наблюдаться спин-спиновая связь. Чаще всего это происходит в соединениях, содержащих фосфор или фтор, поскольку оба они представляют собой ядра со спином 1/2 со 100%-ным содержанием. Например, сигналы 1H протонов во фторметане расщепляются на дублет атомом фтора; и наоборот, спектр ЯМР фтора-19 этого соединения показывает квартет из-за разделения тремя протонами. Типичные константы связи 2J между фтором и протонами составляют 48 Гц или около того; сила связи снижается до 2 Гц при 4J-связи. ^[5]

Еще большие константы связи можно увидеть в фосфинах, особенно если протон напрямую связан с фосфором. Константы взаимодействия этих протонов часто достигают 200 Гц, например, в диэтилфосфине, где константа взаимодействия 1J PH составляет 190 Гц. ^[6] Эти константы связи настолько велики, что могут охватывать расстояния, превышающие 1 ppm (в зависимости от спектрометра), что делает их склонными к перекрытию с сигналами других протонов в молекуле.

Углеродные спутники и вращающиеся боковые полосы

Иногда можно увидеть небольшие пики, выступающие над основной ¹Пики H ЯМР. Эти пики не являются результатом протон-протонного взаимодействия, а являются результатом взаимодействия ¹Атомы H к соседнему углероду-13 ( ¹³В) атом. Эти небольшие пики известны как углеродные спутники , поскольку они малы и появляются вокруг основных ¹H пик т.е. спутник (вокруг) к ним. Углеродные сателлиты малы, потому что лишь очень немногие молекулы в образце содержат этот углерод в виде редкого ЯМР-активного вещества. ¹³Изотоп С. Как всегда для связи, обусловленной одним ядром со спином 1/2, расщепление сигнала для H, присоединенного к ¹³С – дублет. Буква H связана с более обильным ¹²C не расщеплен, поэтому представляет собой большой синглет. Конечным результатом является пара равномерно расположенных небольших сигналов вокруг основного. Если бы сигнал H уже был разделен из-за связи H – H или других эффектов, каждый из спутников также отражал бы эту связь (как обычно для сложных моделей разделения из-за разных партнеров связи). Другие ЯМР-активные ядра также могут вызывать появление этих сателлитов, но наиболее частым виновником протонных спектров ЯМР органических соединений является углерод.

Иногда вокруг можно увидеть и другие вершины. ¹Пики H, известные как вращающиеся боковые полосы , связаны со скоростью вращения трубки ЯМР . Это экспериментальные артефакты самого спектроскопического анализа, а не внутренняя особенность спектра химического вещества и даже не связанные конкретно с химическим веществом или его структурой.

Углеродные сателлиты и вращающиеся боковые полосы не следует путать с пиками примесей. ^[7]

См. также

Масс-спектрометрия
Нотация Попла - буквенные обозначения связанных спин-систем.
Спектроскопия ядерно-магнитного резонанса белков

Ссылки

^ Р.М. Сильверстайн, Г.К. Басслер и Т.К. Моррилл, Спектрометрическая идентификация органических соединений , 5-е изд., Wiley, 1991 .
^ «Химический сдвиг» . Архивировано из оригинала 6 марта 2016 г.
^ патент США 4110681 , Дональд К. Хофер; Винсент Н. Кавати; Карл Р. Кавати, «Система блокировки частоты поля ЯМР», выпущено 29 августа 1978 г.
^ Балчи, М., в "Basic ¹Рука ¹³С-ЯМР-спектроскопия» (1-е издание, Elsevier), ISBN 978-0444518118 .
^ «Страница взаимодействия протонов со фтором» (PDF) .
^ Бакколини, Грациано; Бога, Карла; Маццакурати, Марция; Сангирарди, Федерико (1 апреля 2006 г.). «Высокоатомный экономичный однореакторный синтез вторичных фосфинов и их борановых комплексов с использованием перерабатываемого донорного реагента фосфора». Органические письма . 8 (8): 1677–1680. дои : 10.1021/ol060284d . ISSN 1523-7060 . ПМИД 16597139 .
^ Готлиб Х.Э.; Котляр В; Нудельман А. (октябрь 1997 г.). «Химические сдвиги ЯМР обычных лабораторных растворителей в виде следовых примесей». Дж. Орг. Хим . 62 (21): 7512–7515. дои : 10.1021/jo971176v . ПМИД 11671879 .

Внешние ссылки

¹Учебное пособие по интерпретации H-ЯМР
Спектральная база данных органических соединений
Протонные химические сдвиги
Обширный набор образовательных примеров
[1] 1D Протонный ЯМР эксперимент 1D ЯМР

[1] Р.М. Сильверстайн, Г.К. Басслер и Т.К. Моррилл, Спектрометрическая идентификация органических соединений , 5-е изд., Wiley, 1991 .

[2] «Химический сдвиг» . Архивировано из оригинала 6 марта 2016 г.

[3] патент США 4110681 , Дональд К. Хофер; Винсент Н. Кавати; Карл Р. Кавати, «Система блокировки частоты поля ЯМР», выпущено 29 августа 1978 г.

[4] Балчи, М., в "Basic ¹Рука ¹³С-ЯМР-спектроскопия» (1-е издание, Elsevier), ISBN 978-0444518118 .

[5] «Страница взаимодействия протонов со фтором» (PDF) .

[6] Бакколини, Грациано; Бога, Карла; Маццакурати, Марция; Сангирарди, Федерико (1 апреля 2006 г.). «Высокоатомный экономичный однореакторный синтез вторичных фосфинов и их борановых комплексов с использованием перерабатываемого донорного реагента фосфора». Органические письма . 8 (8): 1677–1680. дои : 10.1021/ol060284d . ISSN 1523-7060 . ПМИД 16597139 .

[7] Готлиб Х.Э.; Котляр В; Нудельман А. (октябрь 1997 г.). «Химические сдвиги ЯМР обычных лабораторных растворителей в виде следовых примесей». Дж. Орг. Хим . 62 (21): 7512–7515. дои : 10.1021/jo971176v . ПМИД 11671879 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]