Вигляд спектру

Нижче на рисунку наведений приклад спектру ЯМР на ядрах ¹Н і вказано основні його компоненти:

Рис. 5. Основні компоненти спектру ЯМР

Правильно записаний спектр ЯМР повинен містити оглядовий спектр, що включає всі наявні у спектрі сигнали. Над піками мають бути позначені хімічні зсуви всіх компонентів сигналів (найчастіше за все в м.ч.). Крім того, на спектрі повинні міститися відомості про інтегральні інтенсивності сигналів, що пропорційні до кількості протонів, які утворюють даний сигнал. Якщо інтенсивність сигналу, який відповідає одному протону, присвоєно значення 1 (позначається 1Н), то інтенсивності всіх інших сигналів відповідатимуть кількості протонів, що їх утворюють (1Н, 2Н і т.д.). Фрагменти спектру, що містять складні сигнали, розписують у вигляді додаткових підспектрів. Масштаб підспектрів повинен бути таким, щоб мультиплетна структура сигналів була ясно видимою. Звичайно як оглядовий спектр, так і підспектри містять шкалу хімічних зсувів в м.ч. Крім того, на спектрі може міститися (але не обов’язково) таблиця деяких параметрів спектрометра, що були використані при вимірюванні спектру.

2.4. Обробка спектрів ЯМР

Перше питання, яке виникає після вимірювання спектру ЯМР - це його відповідність передбачуваній будові молекули. Для того, щоб з упевненістю відповісти на це питання, слід віднести сигнали в спектрі до конкретних магнітних ядер, що містяться в досліджуваній молекулі. Найбільш доцільно для проведення цієї роботи прямо на спектрі зобразити структурну формулу сполуки. Перш за все, слід пересвідчитись, що кількість протонів в молекулі відповідає відносним інтегральним інтенсивностям сигналів у спектрі. Так, молекула, що зображена на спектрі (Рис. 5), містить 6 ароматичних протонів, групу NH, ізольовану метильну групу (3 протони) та бутильну групу, що складається з трьох нееквівалентних метиленових груп та метильної групи. Таким чином, загальна кількість протонів в молекулі становить 19Н. Підсумовуючи інтегральні інтенсивності сигналів, що містяться в спектрі (з округленням величин до цілого числа протонів), доходимо висновку, що сумарна інтегральна інтенсивність сигналів узгоджується з формулою сполуки. Наступний етап розгляду спектру полягає в ідентифікації спінових систем. Для цього на формулі сполуки слід виділити ізольовані спінові системи і подумки уявити, який вигляд повинні мати відповідні фрагменти спектру, виходячи з правил розщеплення сигналів. Якщо ви нечасто користуєтесь методом ЯМР, то можна знайти вигляд спектрів окремих спінових систем у табл. 6. Хід міркувань пояснимо на прикладі сигналів, що містяться у спектрі. Так, молекула сполуки містить фенільний радикал, що має у своєму складі 2 еквівалентних орто-протони, що розщеплені на сусідньому з ними мета-протоні в дублет. Крім того, в молекулі присутні 2 еквівалентних мета-протони, що розщеплюються у триплет на орто- та пара-протонах та один пара-протон, що розщеплюється в триплет на еквівалентних мета-протонах. Таким чином, фенільний замісник має три сигнали – дублет (2Н) орто-протонів, триплет (2Н) мета-протонів та триплет (1Н) пара-протону. Протон, що міститься у фурановому циклі, не має поруч інших протонів, тому його сигнал буде синглетом. Саме такі сигнали ми і маємо в області 7-7,6 м.ч. Всі сигнали бутильного замісника повинні розщеплюватися, оскільки вони містять інші протони на відcстані 3 хімічних зв’язків. Отже мультиплети при 3,2, 1,5, 1,3 та 0,9 м.ч. відповідають сигналам бутильної групи. В міру віддалення від атому азоту, хімічні зсуви сигналів метиленових протонів зменшуються. Сигнал протонів NH здебільшого поглинає у слабкому полі. Дійсно, в спектрі міститься триплет (1Н) при 7,8 м.ч., що відповідає цьому сигналу. Синглет ізольованої метильної групи (3Н) ми бачимо при 2,6 м.ч. Таким чином, спектр повністю узгоджується з формулою сполуки.

Як свідчить проведений вище аналіз спектру, точні величини хімічних зсувів та КССВ не завжди використовуються для з’ясування природи сполуки. Для цього цілком достатньо знати приблизні області поглинання сигналів та кількість компонентів у мультиплетах. У більш складних випадках величини d та КССВ також слід долучати до аналізу спектру.

2.5. Визначення спектральних параметрів

Вилучення зі спектру спектроскопічних параметрів є другим кроком обробки спектру. Розглянемо процес повної обробки протонного спектру. Для цього розглянемо спектр гетероциклічної сполуки 1, яка має формулу

Її спектр, що зображений на Рис. 6, записаний у такому вигляді, щоб спектроскопічні параметри було максимально зручно знаходити. Якщо величини КССВ потрібно знайти зі спектра, де положення піків наведено лише в м.ч., то необхідно, щоб точність визначення хімічних зсувів компонентів мультиплетів була 0,001 м.ч. У такому разі якщо різницю між положеннями компонентів мультиплету (виражену в м.ч.) помножити на робочу частоту приладу (виражену в МГц, у нашому випадку 400 МГц), отримаємо величину КССВ у Гц з точністю до 0,1 Гц. Положення синглетів та триплетів визначають як хімічний зсув середньої лінії сигналу. Положення дублетів та квартетів – як середнє значення між центральними компонентами.

Як і раніше, проведемо спочатку віднесення сигналів. Для цього використовуємо таблиці хімічних зсувів у поширених фрагментах органічних молекул та наявні в спектрі розщеплення сигналів під впливом ССВ (див. Табл. 2-6). Так, сигнал у найбільш слабкому полі відноситься до протону NH. Цей сигнал є синглетом, оскільки інші протони в молекулі розташовані від нього на відстані, що перевищує 3 хімічних зв’язки. З огляду на будову молекули, це очевидно, оскільки ніякий інший протон не може мати сигналу у такому слабкому полі. Сигнали при 8,80 та 8,74 м.ч. відповідають поглинанню протонів Н2’ та Н3’. Мотиви для даного віднесення такі: по-перше, ці сигнали повинні мати близькі хімічні зсуви, оскільки дані протони мають схоже хімічне оточення; по-друге, для даних протонів повинні спостерігатися аномально маленькі віцинальні КССВ, оскільки обидва вони знаходяться в a-положенні піридинового кільця. Синглет при 8,43 м.ч. відповідає поглинанню протона Н5’. Хоча для цього протона може спостерігатися КССВ через 4 хімічних зв’язки, але проявляється в спектрах вона далеко не завжди. Інші сигнали в ароматичній частині спектра треба аналізувати одночасно. Так, згідно з формулою, сполука містить ароматичне кільце зі спіновою системою АMRX, що відповідає протонам Н4-Н7. Два з цих сигналів повинні бути дублетами, а два – триплетами. В спектрі ми бачимо дублет при 7,38 м.ч. та триплети при 7,42 та 7,58 м.ч. Найбільш логічно віднести їх відповідно до сигналів протонів Н4, Н6 та Н5. Про те, що поруч з дублетом протона Н7 знаходиться триплет протона Н6 свідчить те, що ці сигнали майже не спотворені ефектами другого порядку – компоненти мультиплетів не мають значних аномалій інтенсивності. Таким чином, ще не віднесені сигнали утворюють трипротонний синглет при 7,96 м.ч. Хоча насправді цей сигнал є мультиплетом, але його тонка структура не виявялється через перекривання сигналів.

Рис. 6. Спектр ¹Н гетероциклічної сполуки

У більш сильному полі ми спостерігаємо три дублети дублетів, що відповідають спіновій системі АВХ, яка утворюється протонами Н2 (Х) та Н3a,b (АВ). Очевидно, що в більш слабкому полі, при 5,34 м.ч. міститься сигнал протона Н2, який має хімічний зв’язок з атомом кисню. Для аналізу мультиплетної структури даних сигналів корисно, як це наведено на Рис. 7, будувати „дерева мультиплетів”, що показують, як саме відбувається розщеплення сигналів.

Рис. 7. Принцип побудови „дерева мультиплетів”

При побудові таких „дерев” вважають, що розщеплення сигналу відбувається спочатку на одому партнерові по ССВ, а потім – на іншому. Таким чином, досить просто показати приналежність тих чи інших КССВ та порівнювати їхні значення у зв’язаних мультиплетах. Правила позначення КССВ зрозумілі з Рис. 7. Кількість зв’язків, через які передається спінова взаємодія, позначається як верхній індекс перед символом “J”, а протони, між якими відбувається взаємодія, позначаються як нижній індекс після символу “J”.Для знаходження числового значення КССВ від частоти поглинання більш слабопольного компоненту мультиплету на „дереві” віднімають частоту компонента, що знаходиться у більш сильному полі. Різницю помножують на робочу частоту приладу (в нашому випадку 400 МГц). Значення КССВ можуть дещо відрізнятися для зв’язаних мультиплетів. Відмінності можуть сягати 0,1-0,2 Гц. Це пов’язано з дискретністю оцифровки сигналів. Якщо спектр виміряний зі стандартною цифровою роздільною здатністю, то точність визначення КССВ не перевищує 0,2 Гц. Тому, якщо потрібне більш точне визначення величин КССВ, спектр вимірюється зі збільшенням кількості точок оцифровки сигналу. Для цього при записі спектру достатньо збільшити час збору даних(АТ) при незмінній ширині спектру (SW).

2.6. Подання результатів

Після проведення віднесень сигналів та знаходження значень хімічних зсувів та КССВ, спектроскопічні параметри описують відповідним чином. В описі спектру для кожного з сигналів вказується його хімічний зсув, кількість протонів, що утворює сигнал, знайдені величини КССВ та віднесення сигналу до конкретного протону. Опис є своєрідним паспортом синтезованої речовини, що розміщується в експериментальній частині наукової роботи поруч з аналітичними даними та фізико-хімічними характеристиками речовини. Пояснимо це на прикладі розглянутого на Рис. 6 спектру.

Спектр ¹Н-ЯМР, розчинник – ДМСО-D₆, хімічні зсуви в м.ч. відносно ТМС, КССВ – в Гц: 10,68, с, 1Н, NH; 8,80, с, 1Н, Н3’; 8,74, с, 1Н, H2’; 8,43, с,1Н, H5’; 7,96, с, 3Н, Н7, H7’, H8’; 7,56, т, 1Н, ³J=7,5, Н5; 7,42, т, 1Н, ³J=7,6, Н6; 7,38, д, 1Н, ³J=7,5, Н4; 5,34, 1Н, дд, ³J=5,2, 7,2, Н2; 3,49, дд, 1Н, ²J=17,0, ³J=5,0, Н3b; 3,37, дд, 1Н, ²J=17,0, ³J=7,5, Н3a.

В таких описах мультиплетність подається у скороченому вигляді: с.-синглет, д-дублет, т-триплет, дд-дублет дублетів, кв-квартет, м-мультиплет. Кількість протонів, що утворюють сигнал, позначається для одного протона – 1Н, для двох протонів – 2Н і т.д. Саме так найчастіше подають результати обробки спектра в дисертаціях, наукових журналах і т.п. Але, хоча таке подання результатів і є загальновизнаним, воно недостатньо наочне і спряжене з можливістю виникнення помилок. Якщо Ви відносите сигнали не для публікації, а „для себе”, найкраще, на наш погляд, підписувати величини хімічних зсувів на структурній формулі молекули біля відповідних атомів. Так, поданий вище опис хімічних зсувів може мати вигляд:

Тут при необхідності можна також вказати і величини КССВ. Саме так слід подавати результати віднесення сигналів при вирішенні задач, які вміщені в даний посібник. Аналогічно результати подаються і при вимірюванні спектрів на інших магнітних ядрах.

Як витікає з попереднього обговорення, запис спектру у тому вигляді, як це потрібно для знаходження спектроскопічних параметрів, потребує набагато більше часу, ніж стандартний оглядовий спектр, що надає хіміку оператор спектрометра ЯМР. Тому кожний хімік, що використовує спектроскопію ЯМР для структурних досліджень, має сам вміти обробляти спектри за допомогою програм для ПК.