Jump to content

Химический сдвиг

(Перенаправлено из химического сдвига )

В спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) химический сдвиг представляет собой резонансную частоту атомного ядра относительно стандарта в магнитном поле . Часто положение и количество химических сдвигов являются диагностическими структурой молекулы . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Химические сдвиги также используются для описания сигналов в других формах спектроскопии, таких как фотоэмиссионная спектроскопия .

Некоторые атомные ядра обладают магнитным моментом ( ядерным спином ), который приводит к различным уровням энергии и резонансными частотами в магнитном поле. Общее магнитное поле, испытываемое ядром, включает в себя локальные магнитные поля, вызванные токами электронов на молекулярных орбиталях (электроны сами имеют магнитный момент). Распределение электронов того же типа ядра (например, 1 ЧАС, 13 В, 15 N ) обычно варьируется в зависимости от локальной геометрии (партнеры по связыванию, длины связей , углы между связями и т. Д.), А вместе с ней локальное магнитное поле в каждом ядре. Это отражается на уровнях энергии вращения (и частотах резонанса). Изменения частот ядерного резонанса одного и того же ядра из ядерного резонанса из -за изменений в распределении электронов называются химическим сдвигом. Размер химического сдвига приведен в отношении эталонной частоты или эталонного образца (см. Также ссылки на химический сдвиг ), обычно молекула с едва искаженным распределением электронов.

Рабочая частота

[ редактировать ]

Операционная (или лармор) частота магнита (обычно цитируемого как абсолютное значение в МГц) рассчитывается из уравнения Лармор [ 4 ]

где B 0 - индукция магнита (единицы Si Tesla ), и является магнетогическим соотношением ядра - эмпирически измеренной фундаментальной постоянной, определенной деталями структуры каждого ядра. Например, рабочая частота протона для магнита 1 Tesla рассчитывается как:

МРТ -сканеры часто упоминаются их сильными сторонами поля B 0 (например, «7 -T -сканер»), тогда как спектрометры ЯМР обычно упоминаются соответствующей частотой протона Лармор (например, «спектрометр 300 МГц», который имеет B 0 от 0 0 7 т). В то время как химический сдвиг ссылается на то, чтобы подразделения были эквивалентны для различных сил поля, фактическое разделение частоты в герце масштабирует с высокой силой поля ( B 0 ). В результате разница химического сдвига между двумя сигналами (ppm) представляет собой большее количество герц на машинах, которые имеют больше B 0, и, следовательно, сигналы с меньшей вероятностью будут перекрываться в полученном спектре. Это повышенное разрешение является значительным преимуществом для анализа. (Большие полевые машины также пользуются предпочтительными из -за того, что они по своей природе более высокого сигнала, возникающего в результате Больцмана распределения магнитных спиновых состояний .)

Химический сдвиг ссылки

[ редактировать ]

Химический сдвиг δ обычно экспрессируется в частях на миллион (ppm) по частоте , поскольку он рассчитывается из: [ 5 ]

где ν образец является абсолютной резонансной частотой образца, а ν Ref - это абсолютная частота резонанса стандартного эталонного соединения, измеренное в том же приложенном магнитном поле B 0 . Поскольку числитель обычно выражается в Герце , а знаменатель в Δ мегахерце экспрессируется в PPM.

Обнаруженные частоты (в Гц) для 1 ЧАС, 13 С и 29 Ядра Si обычно ссылаются на TMS ( тетраметилсилан ), TSP ( триметилсилилпропановая кислота ) или DSS , которые по определению выше имеют химический сдвиг нуля, если выбран в качестве ссылки. Другие стандартные материалы используются для установки химического сдвига для других ядер.

Таким образом, сигнал ЯМР, наблюдаемый на частоте на 300 Гц выше, чем сигнал от TMS, где частота резонанса TMS составляет 300 МГц, имеет химический сдвиг:

Хотя абсолютная частота резонанса зависит от приложенного магнитного поля, химическое смещение не зависит от внешнего магнитного поля. С другой стороны, разрешение ЯМР будет увеличиваться с приложенным магнитным полем.

Методы ссылки

[ редактировать ]

Практически говоря, различные методы могут использоваться для ссылки на химические сдвиги в эксперименте ЯМР, который может быть разделен на косвенные и прямые методы ссылки. [ 5 ] Косвенные ссылки используют канал, отличный от того, что представляют интерес для правильной регулировки шкалы химического сдвига, то есть сигнал растворителя в канале Deuterium (Lock) может использоваться для ссылки на A 1 H ЯМР спектр. [ 5 ] Как косвенные, так и прямые ссылки могут быть сделаны как три разных процедурах:

  1. Внутренние ссылки , где справочное соединение добавляется непосредственно в изучаемую систему ». [ 5 ] В этой общей практике пользователи настраивают остаточные сигналы растворителя 1 H или 13 C ЯМР Спектры с калиброванными спектральными таблицами. [ 6 ] [ 7 ] Если вещества, отличные от самого растворителя, используются для внутренних ссылок, образец должен быть объединен с эталонным соединением, что может повлиять на химические сдвиги.
  2. Внешние ссылки , с участием образца и эталона, содержащиеся отдельно в коаксиальных цилиндрических трубках ». [ 5 ] С помощью этой процедуры контрольный сигнал все еще видна в интересующем спектре, хотя эталон и образец физически разделены стеклянной стенкой. Различия в магнитной восприимчивости между образцом и эталонной фазой необходимо теоретически скорректировать, [ 5 ] который снижает практичность этой процедуры.
  3. Метод замены : использование отдельных цилиндрических труб для образца и эталонного соединения, со спектрами (в принципе), записанных индивидуально для каждого ». [ 5 ] Подобно внешним ссылкам, этот метод позволяет ссылаться без загрязнения образца. Если полевые/частотные блокировки через 2 H Сигнал дейтерированного растворителя используется, и растворители отсчета и аналита одинаковы, использование этих методов является простым. Проблемы могут возникнуть, если различные растворители используются для эталонного соединения, и выборка как (как и для внешних ссылок), необходимо теоретически скорректировать различия магнитной восприимчивости. [ 5 ] [ 8 ] Если этот метод используется без блокировки поля/частоты, необходимо избежать процедур переворота между образцом и эталоном, поскольку они изменяют приложенное магнитное поле (и, тем самым, влияют на химический сдвиг). [ 5 ]

Современные спектрометры ЯМР обычно используют абсолютную шкалу, [ 8 ] [ 5 ] который определяет 1 H сигнал TMS как 0 ч / млн в протонном ЯМР и центральных частотах всех других ядер в процентах от частоты резонанса TMS: [ 5 ] [ 8 ]

Использование канала Deuterium (Lock), поэтому 2 H Сигнал дейтерированного растворителя, и значение ξ абсолютной шкалы является формой внутренней ссылки и особенно полезно в спектроскопии гетероядерного ЯМР, поскольку локальные контрольные соединения не всегда могут быть доступны или легко используются (т.е. жидкость NH 3 для 15 N ЯМР -спектроскопия). Эта система, однако, опирается на точно определяющую 2 H ЯМР химические сдвиги зачислены в программное обеспечение Spectromome и правильно определили значения ξ с помощью IUPAC. [ 5 ] [ 8 ] Недавнее исследование для 19 F ЯМР-спектроскопия показала, что использование внутренних ссылок на основе абсолютных масштабов и на основе блокировки приводило к ошибкам в химических сдвигах. [ 9 ] [ 10 ] Они могут быть отрицательны путем включения калиброванных эталонных соединений. [ 9 ] [ 10 ]

Индуцированное магнитное поле

[ редактировать ]

Электроны вокруг ядра будут циркулировать в магнитном поле и создавать вторичное индуцированное магнитное поле . Это поле выступает против приложенного поля, предусмотренного законом Ленца и атомами с более высокими индуцированными полями (то есть более высокой плотностью электронов), называются экранированными по сравнению с тем, что с более низкой плотностью электронов. электронные алкильные группы Например, приводят к увеличению экранирования, тогда как электронно-гигинные заместители, такие как нитро-группы, приводят к дезикации ядра. Не только заместители вызывают локальные индуцированные поля. Электроны связывания также могут привести к экранированию и воздействию Deshielding. Поразительным примером этого являются связи PI в бензоле . Круговой ток через гиперконъюгированную систему вызывает экранирующий эффект в центре молекулы и эффект дегибиля на его краях. Тенденции в химическом сдвиге объясняются на основе степени экранирования или Deshielding.

Обнаружено, что ядра резонируют в широком диапазоне слева (или редко справа) внутреннего стандарта. Когда сигнал обнаружен с более высоким химическим сдвигом:

  • Приложенное эффективное магнитное поле ниже, если резонансная частота фиксирована (как в старых традиционных спектрометрах CW)
  • Частота выше, когда приложенное магнитное поле является статическим (нормальный случай в спектрометрах FT)
  • Ядро более Deshielded
  • Сигнал или сдвиг вниз или на низком поле или парамагнитном.

И наоборот, более низкий химический сдвиг называется диамагнитным сдвигом , и более экранирован .

Диамагнитное экранирование

[ редактировать ]

В реальных молекулах протоны окружены облаком заряда из -за соседних связей и атомов. В приложенном магнитном поле ( B 0 ) электроны циркулируют и создают индуцированное поле ( B i ), которое выступает против приложенного поля. Эффективное поле в ядре будет b = b 0 - b i . Говорят, что ядро ​​испытывает диамагнитное экранирование.

Факторы, вызывающие химические сдвиги

[ редактировать ]

Важными факторами, влияющими на химический сдвиг, являются электронная плотность, электроотрицательность соседних групп и анизотропные эффекты магнитного поля.

Электронная плотность защищает ядро ​​от внешнего поля. Например, в ЯМР Proton в электропиловом ионе с электронами имеет свои протоны ниже поля в 9,17 часах ч / млн, а также циклооктаттраниловых анионов , и его Дианион еще более высокий вверх до 5,56 ч / млн.

Ядро поблизости от электроотрицательного атома испытывает пониженную плотность электронов, и поэтому ядро ​​облетано. В протонном ЯМР метилгалогенидов от 2,16 м.д. до 4,26 ч / млн , (CH 3 x) химическое смещение метильных протонов увеличивается в порядке I <br <cl <f отражающего эту тенденцию. В Углеродном ЯМР химическое смещение ядра углерода увеличивается в том же порядке с примерно от -10 ч / млн до 70 ч / млн. Кроме того, когда электроотрицательный атом удаляется дальше, эффект уменьшается до тех пор, пока его больше не наблюдается.

Анизотропно -индуцированные эффекты магнитного поля являются результатом локального индуцированного магнитного поля, испытываемого ядром, возникающим в результате циркулирующих электронов, которые могут быть либо парамагнитными, когда оно параллельно применяемому полю или диамагнитике, когда оно противостоит ему. Это наблюдается в алкенах , где двойная связь ориентирована перпендикулярно внешнему полю с электронами PI, также циркулируют под прямым углом. Индуцированные линии магнитного поля параллельны внешнему полю в местоположении алкеновых протонов, которые, следовательно, смещаются вниз до диапазона от 4,5 частей на миллион до 7,5 ч / млн. Трехмерное пространство, где диамагнитный сдвиг называется зоной экранирования с конусоподобной формой, выровненной с внешним полем.

Индуцированное магнитное поле алкенов во внешних магнитных полках, поля серого.

Протоны в ароматических соединениях смещаются вниз поля еще дальше с сигналом для бензола при 7,73 ч / млн в результате диамагнитного тока кольца .

Алкинские протоны, напротив, резонируют на высоком поле в диапазоне 2–3 частей на миллион. Для алкинов наиболее эффективной ориентацией является внешнее поле параллельно с циркуляцией электронов вокруг тройной связи. Таким образом, ацетиленовые протоны расположены в зоне экранирования в форме конуса, отсюда и сдвиг поля.

Индуцированное магнитное поле алкинов во внешних магнитных полях, полевые линии серо.

Магнитные свойства наиболее распространенных ядер

[ редактировать ]

1 Рука 13 C не единственные ядра, подверженные экспериментам ЯМР. Также можно обнаружить ряд различных ядер, хотя использование таких методов, как правило, редко из -за небольшой относительной чувствительности в экспериментах ЯМР (по сравнению с 1 H) из рассматриваемых ядер, другим фактором для редкого использования является их стройное представление в природе и органических соединениях.

Магнитные свойства общих ядер [ 11 ]
Изотоп Возникновение
в природе

(%)
Спиновый номер i Магнитный момент μ
( μ n )
Электрический квадрупольный момент
( и × 10 −24 см 2 )
Рабочая частота при 7 т
(МГц)
Относительная чувствительность
1 ЧАС 0 99.984 1 / 2 2.79628 0 300.13 1
2 ЧАС 00 0.016 1 0.85739 0.0028 0 46.07 0.0964
10 Беременный 0 18.8 3 1.8005 0.074 0 32.25 0.0199
11 Беременный 0 81.2 3 / 2 2.6880 0.026 0 96.29 0.165
12 В 0 98.9 0 0 0 00 0 0
13 В 00 1.1 1 / 2 0.70220 0 0 75.47 0.0159
14 Не 0 99.64 1 0.40358 0.071 0 21.68 0.00101
15 Не 00 0.37 1 / 2 −0.28304 0 0 30.41 0.00104
16 А 0 99.76 0 0 0 00 0 0
17 А 00 0.0317 5 / 2 −1.8930 −0.0040 0 40.69 0.0291
19 Фон 100 1 / 2 2.6273 0 282.40 0.834
28 И 0 92.28 0 0 0 00 0 0
29 И 00 4.70 1 / 2 −0.5548 0 0 59.63 0.0785
31 П 100 1 / 2 1.1205 0 121.49 0.0664
35 Калькуляция 0 75.4 3 / 2 0.92091 −0.079 0 29.41 0.0047
37 Калькуляция 0 24.6 3 / 2 0.68330 −0.062 0 24.48 0.0027

1 ЧАС, 13 В, 15 N, 19 F и 31 P - пять ядер, которые имеют наибольшее значение в экспериментах ЯМР:

  • 1 H из -за высокой чувствительности и обширного возникновения в органических соединениях
  • 13 C из -за того, что является ключевым компонентом всех органических соединений, несмотря на то, что они происходят при низкой численности (1,1%) по сравнению с основным изотопом углерода 12 C, который имеет вращение 0 и, следовательно, является ЯМР-неактивным.
  • 15 N из -за ключевого компонента важных биомолекул, таких как белки и ДНК
  • 19 F из -за высокой относительной чувствительности
  • 31 P из -за частого возникновения в органических соединениях и умеренной относительной чувствительности

Химический сдвиг манипуляции

[ редактировать ]

В целом, связанный с этим увеличение сигнал / шум и разрешение привели к движению к все более высокой силе поля. В ограниченных случаях, однако, более низкие поля являются предпочтительными; Примеры предназначены для систем в химическом обмене, где скорость обмена относительно эксперимента ЯМР может вызвать дополнительное и смешанное расширение ширины линии. Точно так же, хотя избегание связи второго порядка обычно предпочтительнее, эта информация может быть полезна для выяснения химических структур. Используя переоборудование импульсов, размещенных между записи последовательных точек распада свободного индукции , аналогичным образом для метода спинового эха в МРТ, эволюция химического сдвига может быть масштабирована, чтобы обеспечить кажущиеся спектры низкого поля на спектрометре высокого поля. [ 12 ] Аналогичным образом, можно увеличить эффект J-связки по сравнению с химическим сдвигом с использованием последовательностей импульсов, которые включают в себя дополнительные периоды эволюции J-связки, перемежающиеся с обычными эволюциями спина. [ 13 ]

Другие химические сдвиги

[ редактировать ]

Рыцарь -сдвиг (впервые сообщается в 1949 году) и правление Шолерии наблюдаются с чистыми металлами и метиленовыми группами соответственно. Химический сдвиг ЯМР в его современном значении впервые появился в журналах в 1950 году. Химические сдвиги с другим значением появляются в рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии как сдвиг в энергии атомного уровня ядра из-за конкретной химической среды. Термин также используется в спектроскопии Mössbauer , где аналогично ЯМР он относится к сдвигу в положении пика из -за местной химической связи. Как и для ЯМР, химический сдвиг отражает электронную плотность в атомном ядре. [ 14 ]

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Silverstein; Басслер; Моррилл (1981). Спектрометрическая идентификация органических соединений (4 -е изд.). ISBN  978-0-471-09070-0 .
  2. ^ Кемп, Уильям (1987). Органическая спектроскопия (3 -е изд.). ISBN  978-0-333-41767-6 .
  3. ^ Balei, текст. Базовый 1 Рука 13 Спектроскопия C-ЯМР . ISBN  978-0-444-51811-8 .
  4. ^ «Химический сдвиг» . NMRCentral . Архивировано из оригинала 26 сентября 2011 года.
  5. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин час я Дж k л Харрис, RK; Беккер, Эд; Кабрал де Менес, С.М.; Goodfellow, R.; Грейнджер, П. (2001). «ЯМР -номенклатура. Свойства ядерного спина и соглашения для химических сдвигов (рекомендации IUPAC 2001)» . Чистое приложение. Химический 73 (11): 1795–1818. doi : 10.1351/pac200173111795 .
  6. ^ Gottlieb, Hugo E.; Котлайр, Вадим; Nudelman, Abraham (1997). «ЯМР -химические сдвиги общих лабораторных растворителей как следы примесей». Журнал органической химии . 62 (21): 7512–7515. doi : 10.1021/jo971176v . ISSN   0022-3263 . PMID   11671879 .
  7. ^ Фулмер, Грегори Р.; Миллер, Александр Дж. М.; Шерден, Натаниэль Х.; Gottlieb, Hugo E.; Нудельман, Авраам; Столц, Брайан М.; Bercaw, John E.; Голдберг, Карен И. (10 мая 2010 г.). «Химические сдвиги ЯМР следов следов: общие лабораторные растворители, органические данные и газы в дейтерированных растворителях, относящихся к органическому химику» (PDF) . Органометаллики . 29 (9): 2176–2179. doi : 10.1021/om100106e . ISSN   0276-7333 .
  8. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Харрис, Робин К.; Беккер, Эдвин Д.; Менес, Кабрал де; М, Соня; Грейнджер, Пьер; Хоффман, Рой Э.; Зилм, Курт В. (2008). «Дальнейшие соглашения для защиты ЯМР и химических сдвигов (рекомендации IUPAC 2008)» . Чистая и прикладная химия . 80 (1): 59–84. doi : 10.1351/pac200880010059 . ISSN   0033-4545 .
  9. ^ Jump up to: а беременный Розенау, Карл Филипп; Jelier, Benson J.; Госсерт, Альвар Д.; Тогни, Антонио (16 мая 2018 г.). «Выявляя происхождение необработанности при спектроскопии ЯМР фтора». Angewandte Chemie International Edition . 51 (30): 9528–9533. doi : 10.1002/anie.201802620 . ISSN   1433-7851 . PMID   29663671 .
  10. ^ Jump up to: а беременный Розенау, Карл Филипп; Jelier, Benson J.; Гозерт, Альвар Д.; Тогни, Антонио (16 мая 2018 г.). «Fluor-Imr-Spektroskopie rekalibiet». Angewandte Chemie (на немецком языке). 130 (30): 9672–9677. Bibcode : 2018angch.130.9672R . Doi : 10.1002/ange.201802620 . ISSN   0044-8249 .
  11. ^ Справочник по химии и физике CRC (65 -е изд.).
  12. ^ Моррис, Гарет А.; Джером, Нил П.; Лиан, Лу-Юн (17 февраля 2003 г.). «Масштабирование химического сдвига в реальном времени при спектроскопии ЯМР с высоким разрешением». Angewandte Chemie (на немецком языке). 115 (7): 847–849. doi : 10.1002/ange.200390189 .
  13. ^ Гланзер, Саймон; Занггер, Клаус (13 апреля 2015 г.). «Визуализация неразрешенных скалярных муфт с помощью ЯМР в реальном времени» . Журнал Американского химического общества . 137 (15): 5163–5169. doi : 10.1021/jacs.5b01687 . PMC   4415032 . PMID   25837306 .
  14. ^ Нагаока, Шин'Ичи (май 2007 г.). «Короткая история трех химических сдвигов». J. Chem. Образовательный 84 (5): 801. Bibcode : 2007jched..84..801n . doi : 10.1021/ed084p801 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: fd028a120d349f3e008f183eb82f12d5__1720979940
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/fd/d5/fd028a120d349f3e008f183eb82f12d5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Chemical shift - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)