Принцип отримання спектру ЯМР

Явище ЯМР полягає у поглинанні магнітними ядрами зразка, що вміщений у сильне зовнішнє магнітне поле, енергії коротких радіочастотних імпульсів. Короткий імпульс (його тривалість становить 5-20 мкс) містить компоненти частот у достатньо широкому діапазоні (2-20 кГц), тому він здатний збудити всі ядра певного ізотопу. Але поглинання енергії імпульсу відбувається виключно вибірково – поглинаються тільки ті компоненти частоти імпульсу, що відповідають частотам прецесії кожного з нееквівалентних типів магнітних ядер. Після закінчення збуджуючого імпульсу, ядра, що поглинули його енергію, знаходяться у збудженому стані, що можна представити як синхронну прецесію їхніх магнітних моментів навколо напрямку зовнішнього магнітного поля. Якщо навколо збудженого зразка розташована котушка, яка настроєна на частоту поглинання магнітних ядер, то після імпульсу в ній виникає струм, що містить ті компоненти частоти, що були поглинуті ядрами зразка. З часом цей струм поступово слабшає і врешті решт спадає до нуля. Цей процес називається ядерною релаксацією. Якщо на протязі процесу ядерної релаксації вимірювати величину струму в котушці, отримаємо криву, що зветься інтерферограмою, або спадом вільної індукції (СВІ). Це є залежність інтенсивності сигналу ЯМР від часу. Метою експерименту ЯМР є отримання спектру частот поглинання, тобто залежності інтенсивності поглинання від частоти. Від інтерферограми до спектру можна перейти за допомогою математичної процедури, що зветься Фур’є-перетворенням. Таким чином, весь експеримент ЯМР можна зобразити схемою, що наведена на Рис.1.

	Імпульс Інтерферограма
	Фур’є перетворення
	Процес релаксації

Рис. 1. Схема найпростішого експерименту ЯМР, що включає один збуджуючий імпульс

Це запис так званої імпульсної послідовності. Тут чорним прямокутником позначено збуджуючий імпульс, а синусоїдою – спад вільної індукції (інтерферограму). Аналогічним чином можна представити і всі інші експерименти ЯМР. Якщо експеримент включає два імпульси, їх зображують один за одним, а проміжок часу між ними позначають як D або t.

Процес Фур’є-перетворення (ФП) наочно представлено на Рис. 2 для випадків поглинання однієї, двох, або чотирьох частот.

Інтерферограма спектр

Рис. 2. Процес переходу від інтерферограми до спектру за допомогою Фур’є-перетворення. Показано реальний вигляд інтерферограм та спектрів, що можна з них отримати.

Як видно з Рис. 2, Спектр ЯМР являє собою сукупність сигналів, що міститься на шкалі частот. Кожний з сигналів характеризується частотою, інтенсивністю та кількістю компонентів (мультиплетною структурою). Ці характеристики, які стосуються спектрів на будь-яких магнітних ядрах, будемо надалі називати спектральними параметрами. Як вилучати зі спектрів спектральні параметри, ми розглянемо на прикладі ядер ¹Н. Але наведені міркування можуть бути поширені і на інші магнітні ядра, наприклад, ¹³С, ³¹Р, ¹⁹F.

2. Спектри на ядрах ¹Н

Спектроскопію на ядрах ¹Н використовують найчастіше, оскільки ці ядра є найбільш чутливими і зустрічаються практично в усіх органічних молекулах. Вимірювання спектрів на ядрах ¹Н потребує найменше часу – часто менше хвилини. Експеримент можна легко автоматизувати, а самі спектри досить легко обробляти на ПК за допомогою численних доступних програм (ADVASP, NUTS, MESTREC).

2.1. Що дає метод

Вимірювання спектрів на ядрах ¹Н дозволяє встановлювати будову органічних речовин, базуючись на кореляціях спектральних параметрів зі структурою молекул. Основних параметрів, що придатні для таких кореляцій, є два – хімічні зсуви (d) та константи спін-спінової взаємодії (КССВ). Використання ще одного параметра – інтегральних інтенсивностей сигналів – дає змогу, при виконанні певних умов вимірювання спектрів, проводити кількісний аналіз зразків. Нарешті, аналіз форми сигналів у деяких випадках дозволяє встановити кінетичні характеристики динамічних систем.

Хімічні зсуви є різницею між положеннями сигналів в спектрі з положенням сигналу стандартної речовини, що, як правило, додається до зразка. Найчастіше стандартом для ядер ¹Н служить тетраметилсилан (ТМС). Хімічний зсув стандарту вважають рівним нулю, а хімічні зсуви сигналів зразка визначають в безрозмірних одиницях, що звуться мільйонними частками (м.ч., англомовна абревіатура – p.p.m., parts per million). Оскільки спектри ЯМР вимірюються в дейтерованих розчинниках, сигнали їхніх залишкових протонованих форм також можна використовувати як стандарт хімічних зсувів. У цьому випадку їхнім сигналам слід присвоїти притаманні їм величини. Типовий спектр ¹Н-ЯМР зображений на Рис. 3.

слабке поле ß à сильне поле

Рис. 3. Приклад спектру ЯМР на ядрах ¹Н, де прийнята шкала хімічних зсувів в м.ч. (p.p.m.). Сигнал при 0 м.ч. відповідає сигналу еталонної сполуки, в даному випадку тетраметилсилану (ТМС).

Якщо поруч з протоном (або іншим магнітним ядром) знаходяться інші магнітні ядра, то сигнал протона розщеплюється на декілька компонентів. Константа спін-спінової взаємодії, КССВ – це відстань (в герцах) між компонентами, на які розщеплюється сигнал ЯМР під впливом розташованих поруч протонів (чи інших магнітних ядер). КССВ через 2 зв’язки називають гемінальними та позначають як ²J. КССВ через 3 зв’язки називають віцинальними та позначають як ³J. КССВ, що передаються через чотири і більше зв’язків називають далекими. Вони проявляються не завжди, найчастіше – в ароматичних сполуках, як взаємодія між протонами, що знаходяться в мета-положеннях один відносно одного. Кількість компонентів, на які розщеплюється сигнал під впливом ССВ з протонами, n_A, можна визначити за формулою:

n_A = N_B + 1

де N_B – кількість протонів у сусідній групі. В залежності від кількості компонентів мультиплету, його позначають: синглет (1 компонент), дублет (2 компоненти), триплет, квартет, квінтет, секстет, септет (3, 4, 5, 6, 7 комонент відповідно) і т.д. (для назв використовують грецькі числівники). Якщо взаємодія протона відбувається одночасно з двома сусідніми групами з різними КССВ, то кількість компонентів, на які розщеплюється сигнал обчислюють за формулою:

n_A = (N_B1 + 1)(N_B2 + 1)

В такому випадку в назві мультиплета відображається розщеплення на обох групах ядер, нариклад, дублет дублетів – це мультиплет, що утворився внаслідок розщеплення на двох неоднакових протонах з різними КССВ. Інколи спостерігаються розщеплення і на більших кількостях ядер з різними костантами, наприклад, дублети дублетів дублетів (розщелення на трьох протонах з різними КССВ). Приклад сигналів, що мають розщеплення завдяки ССВ, наведено на Рис. 4. Сукупність ядер, між якими існує ССВ, називається спіновою системою. Компоненти спінових систем (магнітні ядра) позначають латинськими літерами; кількість однакових ядер позначають нижнім індексом біля відповідної літери (наприклад, АВ, А₂Х₃, АВХ і т.п.).

Відносні інтенсивності сигналів пропорційні до кількості магнітних ядер, що утворюють кожний з сигналів, отже відношення інтегральних інтенсивностей корелюють з відношенням кількостей протонів.

Відносні інтенсивності компонентів в межах мультиплетів є досить характерними. Так, інтенсивності компонентів в триплетах, що є проявом взаємодії між протонами, відносяться як 1:2:1. Однак, якщо сигнали знаходяться близько один від одного, ідеальне розподілення інтенсивностей комонентів мультиплетів може спотворюватися за рахунок так званих ефектів другого (вищого) порядку.

Рис. 4. Спектр діетилового ефіру на ядрах ¹Н. Окремі мультиплети показано у збільшеному вигляді. Відстань між компонентами мультиплетів дорівнює константі спін-спінової взаємодії J, яка, відмітьте, є однаковою в обох мультиплетах даної спінової системи.