Лекция №7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Основы метода. Область применения. Техника приготовления образцов. Условия регистрации ЯМР¹³С. Чувствительность в экспериментах ядерного магнитного резонанса. Растворители. Классы химических соединений и их химические сдвиги. Спин-решеточная релаксация. Рекомендации по расшифровке спектров ЯМР¹³С.

Основы метода. Область применения

Для структурного анализа большое значение имеет углеродный скелет, непосредственная информация о котором может быть получена с помощью спектроскопии ЯМР¹³С.

При регистрации спектров ЯМР¹³С с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами все сигналы являются синглетами, если только в молекуле нет других магнитно активных ядер (например, ²Н, ³¹Р или ¹⁹F). Сигналы ЯМР¹³С распределены по значительно большему диапазону химических сдвигов.

Интерпретация спектров ЯМР¹³С без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами весьма сложна, так как нужно выявить все возможные взаимодействия для каждого ядра углерода ¹³С с протонами этой системы. Для решения этой проблемы была предложена важная методика – регистрация спектров ЯМР¹³С с одновременным полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами.

Техника приготовления образцов.

Образец (в рутинных исследованиях – это раствор в дейтерированном растворителе в стеклянной ампуле с внешним диаметром 5 мм) помещают в датчик, который содержит передающую и приемную катушки и турбинку для вращения ампулы вокруг ее вертикальной оси, чтобы усреднить неоднородности поля.

Условия регистрации ЯМР¹³С

Для получения спектра ЯМР¹³С готовят 2 – 3 мл 20 – 60%-ного раствора вещества. Время съемки составляет от 0,5 до 2 ч. Спектр ЯМР¹³С получается в результате многократного прохождения определенной области радиочастотного поля и накопления наблюдаемых сигналов ЯМР. При этом сканируемый интервал химических сдвигов обычно не превышает 200 м.д.

Для целей структурного исследования спектры ЯМР¹³С снимают в следующих модификациях:

1) с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами;

2) с частичным подавлением взаимодействия;

3) без подавления взаимодействия.

Для облегчения и обеспечения наиболее полного и надежного установления структуры целесообразно иметь все три варианта спектра. В большинстве случаев получают спектр 1 типа, остальные используются редко поскольку время получения спектра во 2 и 3 типах намного превосходит 1 тип спектра.

При съемке с полным подавлением спин-спинового взаимодействия углерода с протонами спектр состоит из синглетных линий. Из такого спектра может быть получена только информация о числе химических неэквивалентных разновидностей углеродных атомов и о химических сдвигах атомов углерода.

При съемки с частичным подавлением спин-спинового взаимодействия вместо синглетных сигналов в том случае, когда по соседству с углеродом имеются водородные атомы, появляются мультиплетные сигналы (дублеты, триплеты и квартеты для СН-, СН₂- и СН₃-групп соответственно). Величина расщепления зависит от условий частичного подавления спин-спинового взаимодействия и пропорциональная константе J_СН, но в 10 – 20 раз меньше ее. Наблюдаемое расщепление позволяет определить число взаимодействующих с углеродом протонов, но недостаточно для точного вычисления констант.

В тех случаях, когда необходима не только информация о ближайших соседях углерода, но и сведения о дальнем окружении и о типе гибридизации атома, связанного с протоном, необходимо иметь полный спектр ¹³С (без подавления спин-спинового взаимодействия). Из такого спектра можно получить как значения химических сдвигов, так и констант J_СН.

Чувствительность в экспериментах ядерного магнитного резонанса

Ядра ¹³С характеризуется низким уровнем природного содержания (1,1 %), и они имеют существенно меньшую чувствительность, чем протоны. Поэтому для достижения достаточного высокого отношения сигнал/шум необходимо использовать большее количество образца и большие времена накопления. Метод ЯМР¹³С примерно в 6000 раз менее чувствителен, чем ЯМР¹Н. Следовательно, для ЯМР¹³С требуется большее количество образца (N), более сильные магнитные поля (B₀) (или даже другие, более чувствительные датчики ЯМР, например криодатчики) или большее число прохождений при накоплении сигнала.

Обычный (рутинный) спектр ЯМР¹³С на частоте 75,5 МГц, как правило, требует 10 мг образца, растворенного в 0,5 мл дейтерированного растворителя и перемещенного в ампулу внешним диаметром 5 мм. Образцы с массой порядка 100 мкн могут измеряться в более тонких ампулах (в частности, с диаметром 2,5 мм), в которых достигается существенно более высокая чувствительность.

Растворители

В качестве растворителя желательно применять такие вещества, которые содержать небольшое число связей СН в молекуле. Образцы для измерений спектров ЯМР¹³С обычно представляют собой растворы в CDCl₃ (дейтерохлороформ), причем для обеспечения сигнала внутреннего стандарта используется добавка ТМС. Часто используемые растворители – метанол-d₄ CD₃OD (49,0 м.д.); бензол-d₆ C₆D₆ (128,0 м.д.); нитрометан-d₃ CD₃NO₂ (60,5 м.д.) и т.д.

В спектре ЯМР¹³С растворитель CDCl₃ дает триплет вида 1:1:1 при 77 м.д. Триплет в спектре CDCl₃ вызван спин-спиновым взаимодействием ядра ¹³С с одним ядром дейтерия, где возникают три проекции -1, 0 и +1 с одинаковыми вероятностями, отсюда и интенсивность компонентов.

Классы химических соединений и их химические сдвиги

Диапазон химических сдвигов ¹³С составляет около 220 м.д. Химические сдвиги ¹³С в основном зависят от типа гибридизации атома углерода, от электроотрицательности заместителе заместителей и диамагнитной анизотропии (в меньшей степени); сильное влияние оказывают различные эффекты от растворителей. На химический сдвиг ¹³С влияют даже заместители, расположенные достаточно далеко от изучаемого атома углерода (вплоть до δ-положения, т.е. через четыре σ-связи); в бензольном кольце химические сдвиги ¹³С зависят от положения заместителей в кольце (орто, мета или пара). Химические сдвиги ¹³С могут также значительно сместиться вправо (от отношения к исходному) под действием γ-гош-эффекта. При разбавлении исследуемого раствора также может произойти смещение сдвига вправо на несколько м.д. Напротив, при применении полярных растворителей химический сдвиг может сместиться влево (от исходного значения) в результате появления водородных связей.

Отнесение пиков проводят на основе сигнала эталонного соединения. В литературе приводятся разные эталоны для различных классов соединений. Начинают с того, что, используя таблицы химических сдвигов ¹³С, определяют класс, к которому относится данное органическое соединения; далее для изучаемого соединения по положению сигнала внутри этой области сдвигов определяют более частные детали в структуре вещества. Однако значениям для химических сдвигов из этих таблиц нельзя доверять абсолютно, так как на практике эти величины могут слегка отличаться вследствие применения разных растворителей и разных концентраций вещества. Например, сигнал группы С=0 ацетофенона при использовании в качестве растворителей СDCl₃ появится на 2,4 м.д. левее, чем при применении ССl₄; аналогичные эффекты будут наблюдаться и для других атомов углерода ацетофенона, но эти сигналы сместятся несколько меньше (на 0,0 – 1,1 м.д.). Более того во многих ранних работах использовали разные эталонные соединения, величины их сдвигов затем были скорректированы относительно ТМС (м.д.).

Спектры ЯМР¹³С могут использоваться для распознавания типа замещения в ароматических соединениях. Если, например, в кольце имеются два одинаковых (ахиральных) заместителя, то только на основе симметрии, при условии достаточно хорошего разрешения в спектре, можно различать орто-, мета- и пара-изомеры. Пара-изомер имеет две поворотные оси симметрии и две плоскости симметрии; орто- и мета-изомеры имеютодну поворотную ось и одну плоскость симметрии, но в мета-изомере элементы симметрии проходят через два атома. Существует также плоскость симметрии в плоскости кольца в каждом соединении, которая влияет на атомы углерода кольца.

В спектре ЯМР¹³С для пара-изомера в ароматической области будут два пика, для орто-изомера – три, а для мета-изомера – четыре. Сигналы четвертичных атомов углерода будут намного меньше по интенсивности, чем сигналы незамещенных атомов углерода в кольце.

Спин-решеточная релаксация (время Т₁)

Интегрирование сигналов ¹³С в рутинных спектрах не коррелирует с числом атомов углерода. (здесь под рутинными спектрами мы понимаем спектры, записанные в некоторой обобщенной манере, с минимальными релаксационными задержками (для ускорения эксперимента) и достаточно короткими временами выборки, приводящими к ограничениям по разрешению и к эффектам насыщения). Два главных фактора определяют проблему интенсивности в спектрах ЯМР¹³С:

1. Времена спин-решеточной релаксации (Т₁) (время продольной релаксации) изменяются с широких пределах для различных атомов углерода.

2. Усиление сигналов за счет ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО) проявляется только для атомов углерода с непосредственным присоединенными протонами (т.е. для СН, СН₂ и СН₃-групп).

Для ядер ¹³С времена релаксации могут оказаться очень велики. Иногда необходимо измерить время релаксации Т₁, чтобы правильно поставить эксперимент (т.е. ввести необходимые интервалы между импульсами и не потерять слабые сигналы в шуме и получить количественные данные). Для определения времени релаксации Т₁ очень часто используют метод «инверсия – восстановление». В общем случае время Т₁ уменьшается при увеличении числа протонов, непосредственно присоединенных к данному атому углероду. Другими словами, четвертичные атомы дают сигналы ¹³С минимальной интенсивности и одновременно сигналы этих углеродных ядер наиболее медленно восстанавливаются в экспериментах по методу «инверсия – восстановление». Впрочем, часто довольно трудно различить атомы углерода СН, СН₂ и СН₃ только лишь на основе их времен релаксации Т₁, поскольку на последние влияют и другие факторы. Значения времен релаксации Т₁ для групп СН₃ занимают диапазон в несколько секунд, а для четвертичных атомов углерода они могут превышать минуту. Рекомендуется вводит задержку между импульсами, равную 5 Т₁ (Т₁ – максимальное время релаксации для группы изучаемых ядер углерода), и этого правила следует придерживаться при проведении количественного анализа.

На рис. 1 показана последовательность импульсов, используемых в методике «инверсия – восстановление». Эта последовательность включает следующие шаги:

1) релаксационную задержку (для полного восстановления намагниченности);

2) 180º-ный импульс;

3) переменный временный интервал (Δτ);

4) 90º-ный импульс;

5) выборку (при одновременной «развязке» от протонов).

Рис. 1. Импульсная последовательность метода «инверсия-восстановление» для измерения Т₁

Рекомендации по расшифровке спектров ЯМР¹³С

Начинать расшифровку рекомендуется с анализа спектра, полученного с полным подавлением спин-спинового взаимодействия. При этом сначала сопоставляют число различных типов атомов углерода с ожидаемым для предположительных структур. Таким образом, сравнение числа линий в спектре ¹³С с числом химически неэквивалентных атомов углерода позволяет сделать предварительные выводы о структуре.

Спектр с полным подавлением, помимо числа типов С-атомов, дает информацию об относительной интенсивности сигналов в спектре. К сожалению, пропорциональность между площадью сигнала (или высотой его) и числом ядер ¹³С выполняется не всегда и затрудняет определение относительного числа химически неэквивалентных атомов углерода. Интенсивности линий от углеродных атомов групп СН, СН₂ и СН₃ при съемке с подавлением спин-спинового взаимодействия приблизительно одинаковы, хотя и имеют небольшую тенденцию к возрастанию в том же ряду. Однако атомы углерода, не связанные с атомами водорода (в группах R₄C, R₂C=X, RC≡Х, где R и X – углерод или гетероатом), дают в спектре ЯМР¹³С сигналы в 2 – 4 раза менее интенсивные, чем сигналы углерода в метильной группе.

Следующий этап заключается в анализе химических сдвигов сигнала ¹³С. При этом полезно учитывать перечисленные ниже общие закономерности спектров ЯМР¹³С:

1. В крайней сильнопольной области спектра, расположенного правее ТМС (с отрицательными значениями δ_с), располагаются сигналы некоторых углеводородов (циклопропан), а также иодпроизводных алканов.

2. В сильнопольной части спектра (с δ_с от 0 до 60 м.д.) располагаются сигналы относительно экранированных углеродов алкильных и циклоалкильных групп, а также сигналы алифатических углеродов с одним атомом азота, кислорода или хлора или с одним - тремя атомами брома.

3. В следующей области спектра (от 60 до 115 м.д.) наблюдается сигналы ацетиленовых и sp²-гибридизованных алленовых углеродов, а также =СН₂-групп этиленов и =СН-групп циклопропенов.

4. В средней области спектра (от 115 до 160 м.д.) располагаются сигналы замещенных С-атомов этиленов и циклопроренов, углеродных атомов в ароматических соединениях, нитрильных и изонитрильных группах и азотистых производных альдегидов и некоторых кетонов, а также в эфирах угольной кислоты.

5. В области спектра δ_с от 160 до 190 м.д. находятся сигналы углеродов С=N-группы, азотистых производных кетонов, С=О-группы карбоновых кислот, лактонов, амидов, имидов, галогенангидридов и ангидридов. Эти сигналы имеют относительно низкую интенсивность.

6. В слабопольном конце спектра при δ_с>190 м.д. наблюдаются сигналы углерода в альдегидной или кетонной группах, а также центрального атома в алленах (=С=). Интенсивность сигнала углерода в альдегидах в 2 – 3 раза больше, чем в кетонах или алленах. Однако более точно решить какой именно сигнал в этой области спектра, можно при съемке без полного подавления спин-спинового взаимодействия, когда сигнал альдегидного углерода расщепляется в дублет, а другие сигналы остаются синглетными.

После отнесения сигналов по химическому сдвигу полезно проверить правильность расшифровки применением аддитивных соотношений химического сдвига и структуры.

Далее следует обратиться к спектру с частичным подавлением спин-спинового взаимодействия или без подавления. При этом мультиплетность сигналов дает возможность установить число протонов при углеродных атомах. Следует также иметь в виду, что интенсивности линий мультиплетов, наблюдаемых в спектре с неполным подавлением спин-спинового взаимодействия, не точно соответствуют тем, которые характерны для спектров первого порядка, а именно в триплетах и квартетах центральные линии имеют относительно более высокую интенсивность.

Если в распоряжении исследователя имеется спектр ЯМР¹³С, полученный без подавления спин-спинового взаимодействия, то прежде всего линии спектра соотносят с сигналами в спектре, снятом с частичным или полным подавлением взаимодействия с протонами, и таким образом выделяют линии, образующие мультиплетные сигналы. При этом руководствуются тем, что центры мультиплетов – дублеты, триплеты, квартеты – совпадают с положением сигналов в спектре с полным подавлением спин-спинового взаимодействия или с центрами мультиплетов в спектре с частичным подавлением взаимодействия.

Расстояния же между линиями мультиплетов соответствуют константам спин-спинового взаимодействия, а по интенсивности линии относятся как 1:1 для дублета, 1:2:1 для триплета и 1:3:3:1 для квартета. Кроме установления числа соседних с углеродом протонов из рассматриваемого спектра на основании геминальных и вициальных констант спин-спинового взаимодействия J_СН можно оценить число протонов, находящихся через две или три связи. Из данных же J_СН можно сделать заключение о гибридизации углерода, наличии напряженного цикла или о природе соседних с углеродом групп.

Таким образом, по окончании анализа спектров ЯМР¹³С получается набор структурных фрагментов, из которых может быть собрана одна или несколько молекул. Предполагаемые структуры вновь анализируют для выяснения специфических особенностей строения, которые должны появиться в спектре. На этом этапе полезно сопоставить наблюдаемые химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия J_СН с рассчитанными по аддитивным соотношениям.