Ядерный магнитный резонанс углерода-13
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( февраль 2024 г. ) |
Ядерный магнитный резонанс углерода-13 (C13) (наиболее известный как ЯМР-спектроскопия углерода-13 или 13 C ЯМР-спектроскопия или иногда просто называемый ЯМР углерода ) — это применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) к углероду . Это аналог протонного ЯМР ( 1
ЧАС
ЯМР) и позволяет идентифицировать атомы углерода в органической молекуле так же, как протонный ЯМР идентифицирует атомы водорода . 13 С ЯМР обнаруживает только 13
С
изотоп . Основной изотоп углерода, 12
С
не производит сигнал ЯМР. Хотя ок. 1 млн. раз менее чувствителен, чем 1 H ЯМР спектроскопия, 13 Спектроскопия ЯМР 1С широко используется для характеристики органических и металлоорганических соединений , прежде всего потому, что спектры ЯМР 13С, разделенные по 1Н, более просты, обладают большей чувствительностью к различиям в химической структуре и, таким образом, лучше подходят для идентификации молекул в сложных смесях. . [ 1 ] В то же время в таких спектрах отсутствует количественная информация об атомных соотношениях различных типов ядер углерода, поскольку ядерный эффект Оверхаузера, используемый в 1H-развязанной 13С-ЯМР-спектроскопии, усиливает сигналы от атомов углерода с большим количеством водорода присоединенных к ним атомов . больше, чем от атомов углерода с меньшим числом Н, и потому, что полная релаксация ядер 13С обычно не достигается (в целях сокращения времени эксперимента), а ядра с меньшим временем релаксации дают более интенсивные сигналы.
Основной изотоп углерода, 12 Изотоп C имеет нулевое спиновое квантовое число и поэтому не является магнитоактивным и, следовательно, не обнаруживается методом ЯМР. 13 C со спиновым квантовым числом 1/2 встречается нечасто (1,1%), тогда как другие популярные ядра встречаются на 100%, например 1 ЧАС, 19 Ф, 31 П.
Восприимчивость
[ редактировать ]13 Спектроскопия ЯМР 1С гораздо менее чувствительна (около 4 порядков) к углероду, чем 1 Спектроскопия ЯМР H относится к водороду из-за меньшего содержания (1,1%) 13 С по сравнению с 1 H (>99%), а также из-за меньшего (0,702 против 2,8) ядерного магнитного момента . Другими словами, гиромагнитное отношение (6,728284 10 7 рад Т −1 с −1 ) составляет лишь 1/4 от 1 ЧАС. [ 2 ]
С другой стороны, чувствительность 13 Спектроскопия ЯМР С в некоторой степени выигрывает от ядерного эффекта Оверхаузера , который увеличивает интенсивность сигнала для нечетвертичных 13 Атомы С.
Химические сдвиги
[ редактировать ]Недостатки в «восприимчивости» компенсируются высокой чувствительностью 13 ЯМР 1С сигнализирует о химическом окружении ядра, т.е. «дисперсия» химического сдвига велика и составляет почти 250 м.д. Эта дисперсия отражает тот факт, что 1 Ядра H находятся под сильным влиянием возбужденных состояний («парамагнитный» вклад в тензор экранирования. Этот парамагнитный вклад не связан с парамагнетизмом ). [ 3 ] Например, большинство 1 Сигналы H ЯМР для большинства органических соединений находятся в пределах 15 м.д.
Эталонный стандарт химического сдвига для 13 C — атомы углерода в тетраметилсилане (ТМС), [ 4 ] химический сдвиг которого равен 0,0 ppm при каждой температуре.
Типичные химические сдвиги в 13 С-ЯМР
Константы связи
[ редактировать ]гомоядерный 13 С- 13 Связь C обычно наблюдается только в образцах, обогащенных 13 C. Диапазон для одной связи 1 Дж( 13 С, 13 В) составляет 50–130 Гц. Двойная связь 2 Дж( 13 С, 13 в) около 10 Гц.
Тенденции в J( 1 ЧАС, 13 С) и J( 13 С, 13 C) аналогичны, за исключением того, что J( 1 ЧАС, 13 C меньше из-за скромного значения 13 C ядерный магнитный момент. Значения для 1 Дж( 1 ЧАС, 13 В) в диапазоне от 125 до 250 Гц. Значения для 2 Дж( 1 ЧАС, 13 C) имеют частоту около 5 Гц и часто отрицательны.
Выполнение
[ редактировать ]Чувствительность
[ редактировать ]В результате низкой восприимчивости 13 C-ЯМР-спектроскопия страдает от осложнений, которых нет при протонной ЯМР-спектроскопии. Многие меры могут быть реализованы, чтобы компенсировать низкую восприимчивость этого ядра. Например, магниты сильного поля с внутренними отверстиями способны принимать пробирки для проб большего размера (обычно диаметром 10 мм для 13 С ЯМР в сравнении с 5 мм для 1 Н ЯМР). Релаксационные реагенты обеспечивают более быструю пульсацию. [ 5 ] Типичным релаксирующим агентом является ацетилацетонат хрома (III) . Для типичного образца запись 13 Спектр ЯМР 1С может занять несколько часов по сравнению с 15–30 минутами для 1 Н ЯМР. Ядерный диполь слабее, разница в энергии между альфа- и бета-состояниями составляет четверть от энергии протонного ЯМР, а разница населенностей Больцмана соответственно меньше. [ 6 ] Последней мерой по компенсации низкой восприимчивости является изотопное обогащение.
Некоторые ЯМР-зонды, называемые криозондами, обеспечивают 20-кратное усиление сигнала по сравнению с обычными ЯМР-зондами. В криозондах генерирующая и принимающая электроника RF поддерживается при температуре ~ 25K с использованием газообразного гелия, что значительно повышает их чувствительность. [ 7 ] Компромисс заключается в том, что криозонды стоят дорого.
Режимы связи
[ редактировать ]Еще одно потенциальное осложнение возникает из-за наличия больших констант J-связи между углеродом и водородом (обычно от 100 до 250 Гц). Хотя эти связи потенциально информативны, они могут усложнить спектры и снизить чувствительность. По этим причинам, 13 Спектры С-ЯМР обычно записывают с развязкой протонов ЯМР . Связями между атомами углерода можно пренебречь из-за низкого естественного содержания углеродов. 13 C. Следовательно, в отличие от типичных спектров ЯМР протонов, которые показывают мультиплеты для каждого положения протона, спектры ЯМР углерода показывают один пик для каждого химически неэквивалентного атома углерода. [ 8 ]
В отличие от 1 H ЯМР, интенсивности сигналов часто не пропорциональны числу эквивалентных 13 Атомы С. Вместо этого интенсивность сигнала сильно зависит от (и пропорционально) количества окружающих спинов (обычно 1 ЧАС). Интегрирование является более количественным, если времена задержки велики, т. е. если времена задержки значительно превышают времена релаксации .
Наиболее распространенные режимы записи 13 Спектры C представляют собой протон-шумовую развязку (также известную как шумовая, протонная или широкополосная развязка), внерезонансную развязку и стробируемую развязку. Эти режимы предназначены для решения проблем с большими значениями J для 13 С – Ч (110–320 Гц), 13 C - C - H (5–60 Гц) и 13 C - C - C - H (5–25 Гц), что в противном случае обеспечивает полную протонную связь. 13 Спектры C трудно интерпретировать. [ 9 ]
При протонно-шумовой развязке, при которой обрабатывается большинство спектров, шумовой развязчик сильно облучает образец широким (приблизительно 1000 Гц) диапазоном радиочастот, охватывающим диапазон (например, 100 МГц для поля 23 486 гаусс), в котором протоны изменяются их ядерный спин. Быстрые изменения спина протона создают эффективную гетероядерную развязку, увеличивая силу сигнала углерода за счет ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) и упрощая спектр, так что каждый неэквивалентный углерод дает синглетный пик.
Оба атома, углерод и водород, обладают спинами и являются ЯМР-активными. Ядерный эффект Оверхаузера в целом проявляется, когда один из двух разных типов атомов облучается, в то время как определяется спектр ЯМР другого типа. Если интенсивности поглощения наблюдаемого (т. е. необлученного) атома изменяются, происходит усиление. Эффект может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, какие типы атомов задействованы. [ 10 ]
Относительные интенсивности ненадежны, поскольку некоторые атомы углерода имеют большее время спин-решеточной релаксации , а другие имеют более слабое усиление NOE. [ 9 ]
При стробированной развязке шумовой развязчик включается в начале задержки свободной индукции, но отключается во время задержки импульса. Это в значительной степени предотвращает усиление NOE, позволяя силам отдельных 13 Пики C необходимо значимо сравнивать путем интегрирования, затрачивая от половины до двух третей общей чувствительности. [ 9 ]
При внерезонансной развязке шумовой развязчик облучает образец с частотой 1000–2000 Гц в сильном поле или 2000–3000 Гц в нижнем поле резонансной частоты протонов. При этом сохраняются связи между протонами, непосредственно соседними с 13 Атомы C, но чаще всего удаляют остальные, позволяя визуализировать узкие мультиплеты с одним дополнительным пиком на связанный протон (если только связанные метиленовые протоны не являются неэквивалентными, и в этом случае можно наблюдать пару дублетов). [ 9 ]
Улучшение без искажений за счет спектров переноса поляризации
[ редактировать ]
Сверху вниз: 135°, 90° и 45°.
Улучшение без искажений за счет переноса поляризации (DEPT) [ 11 ] представляет собой метод ЯМР, используемый для определения присутствия первичных, вторичных и третичных атомов углерода. Эксперимент DEPT различает группы CH, CH 2 и CH 3 путем изменения параметра угла выбора (угол вершины конечного 1 H-импульс): угол 135° дает все CH и CH 3 в фазе, противоположной CH 2 ; Угол 90° дает только группы CH, остальные подавляются; Угол 45° дает все атомы углерода с присоединенными протонами (независимо от их количества) в фазе.
Сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода, не имеющих присоединенных протонов, всегда отсутствуют (из-за отсутствия присоединенных протонов).
Перенос поляризации от 1 Ч до 13 C имеет вторичное преимущество увеличения чувствительности по сравнению с обычным 13 С спектр (который имеет умеренное усиление по сравнению с ядерным эффектом Оверхаузера (NOE) из-за 1 H развязка).
Прикрепленные протонные тестовые спектры
[ редактировать ]Еще один полезный способ определить, со сколькими протонами связан углерод в молекуле, — использовать тест прикрепленных протонов (APT), который различает атомы углерода с четным или нечетным числом присоединенных атомов водорода . Правильная последовательность спинового эха способна различать спиновые системы S, I 2 S и I 1 S, I 3 S: первые будут проявляться в спектре как положительные пики, вторые - как отрицательные пики (направленные вниз), а сохраняя относительную простоту спектра, поскольку он по-прежнему широкополосен с развязкой протонов.
Несмотря на то, что этот метод не позволяет полностью различать группы CH n , он настолько прост и надежен, что его часто используют в качестве первой попытки определить пики в спектре и выяснить структуру. [ 12 ] Кроме того, сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов по-прежнему обнаруживаются, поэтому во многих случаях 13 Спектр C не требуется, что является преимуществом перед DEPT. Однако иногда возможно, что сигналы CH и CH 2 имеют случайно эквивалентные химические сдвиги, приводящие к аннулированию спектра APT из-за противоположных фаз. По этой причине традиционные 13 С{ 1 Иногда также можно получить H}-спектр или HSQC.
См. также
[ редактировать ]- Ядерный магнитный резонанс
- Гиперполяризованная МРТ углерода-13
- Тройная резонансная спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Брайан Э. Манн, Брайан Ф. Тейлор (1981). Данные ЯМР ¹³С металлоорганических соединений . Академическая пресса. ISBN 9780124691506 .
- ^ Р. М. Сильверстайн; Г. К. Басслер; TC Моррилл (1991). Спектрометрическая идентификация органических соединений . Уайли. ISBN 9780471634041 .
- ^ Питер Аткинс (2009). Физическая химия (5-е изд.). Фримен.
- ^ «Теория ЯМР – химический сдвиг» . Архивировано из оригинала 23 января 2015 г. Проверено 23 января 2014 г.
- ^ Кайтан Э., Ремо Г.С., Тенайо Э., Акока С. (2007). «Точный и точный количественный анализ». 13 ЯМР С с уменьшенным временем эксперимента». Talanta . 71 (3): 1016–1021. doi : 10.1016/j.talanta.2006.05.075 . PMID 19071407 .
- ^ «Измерение спектров ЯМР 13С» . Университет Висконсина .
- ^ Молинский, Тадеуш Ф. (2010). «ЯМР натуральных продуктов в наномольном масштабе» . Отчеты о натуральных продуктах . 27 (3): 321–9. дои : 10.1039/B920545B . ПМИД 20179874 .
- ^ «Введение в ЯМР углерода» . Университет Пьюджет-Саунд.
- ^ Перейти обратно: а б с д Лал Дхар Сингх Ядав (13 августа 2013 г.). Органическая спектроскопия . Спрингер. стр. 197–199. ISBN 9781402025754 .
- ^ Павиа, Дональд Л., изд. (2009). Введение в спектроскопию (4-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning. ISBN 978-0-495-11478-9 .
- ^ Доддрелл, DM; Пегг, DT; Бендалл, MR (1982). «Без искажений усиление сигналов ЯМР за счет переноса поляризации». Дж. Магн. Резон . 48 (2): 323–327. Бибкод : 1982JMagR..48..323D . дои : 10.1016/0022-2364(82)90286-4 .
- ^ Килер, Джеймс (2010). Понимание ЯМР-спектроскопии (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 457. ИСБН 978-0-470-74608-0 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Спектры ЯМР углерода , где присутствуют три спектра этилфталата, этилового эфира : ортофталевой кислоты полностью связанный, полностью развязанный и внерезонансный развязанный (в этом порядке).
- Для расширенной таблицы 13 C-сдвиги и константы связи .