Ямр-спектроскопия. Ядерный магнитный резонанс. Области применения ЯМР Ядерная резонансная спектроскопия
Аллильное расщепление - зависимость константы спин-спинового взаимодействия между протонами в аллильных системах (4 J ) которая в значительной степени зависит от торсионного угла между плоскостями, образованными атомами НС 2 С 3 и С 1 С 2 С 3 .
Аннулены - циклические сопряженные системы.
Атропные молекулы - молекулы соединений, которые не дают кольцевого тока.
Валентный угол (θ) - угол между двумя связями у одного атома углерода.
Вицинальное взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены тремя связями.
Внерезонансная развязка (off resonance decoupling) - позволяет установить различие между сигналами СН 3 , СН 2 , СН групп и четвертичным атомом углерода. Для наблюдения внерезонансной развязки используется частота, находящаяся рядом с химическим сдвигом, но не соответствующая резонансной частоте сигнала. Такое подавление ведет к уменьшению количества взаимодействий, до такой степени, что регистрируются только прямые J (C,H) взаимодействия.
Геминальное взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены двумя связями.
Гетероядерная корреляционная спектроскопия (Heteronuclear correlation spectroscopy - HETCOR) - в этих экспериментах на одной оси размещены химические сдвиги 1 Н спектров, тогда как на другой оси размещаются 13 С химические сдвиги.HETCOR - гетероядерный вариантCOSY, в котором используются непрямые гетероядерные спин-спиновые взаимодействия между 1 Н и 13 С.
HMQC - HETeronuclear MultyQuantum Correlation - регистрация 1 Н с развязкой от 13 С.
HSQC - HETeronuclear MultyQuantum Correlation - вариант HMQC
COLOC - CORrelation Long (очень затяжной)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation) - вариант эксперимента HMQC для обнаружения дальних гетероядерных спин-спиновых взаимодействий. HMBC дает более высокое соотношение сигнал/шум, чем эксперимент HMQC.
Гиромагнитное отношение (γ ) - одна из характеристик магнитных свойств ядра.
Гомоаллильное взаимодействие - взаимодействие через 5 связей в аллильной системе.
Дальнее взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которые разделены более чем 3 связи (обычно через 4-5 связей).
Датчик - прибор, который обеспечивает передачу импульсов к образцу и регистрацию сигналов резонанса. Датчики бывают широкополосные и селективно-настроенные. Они устанавливаются в активную область магнита.
Двугранный (торсионный) угол - угол, который образован двумя плоскостями между рассматриваемыми связями.
Двумерные J -спектры. Для двумерной J-спектроскопии характерно наличие одной частотной координаты, связанной с КССВ и второй координаты, связанной с химическими сдвигами. Наибольшее распространение получило контурное представление двумерных J-спектров в двух взаимно-перпендикулярных координатах.
Двумерная ЯМР-спектроскопия - эксперименты с использованием импульсных последовательностей, что позволяет получить спектр ЯМР в таком представлении, при котором информация разнесена по двум частотным координатам и обогащена сведениями о взаимозависимости параметров ЯМР. В результате получается квадратный спектр с двумя ортогональными осями и с сигналом, имеющим в частотном представлении максимум в точке с координатами (, ), т. е. на диагонали.
Дельта-шкала (δ -шкала) - шкала, в которой химический сдвиг протонов ТМС принимается за нулевое значение.
Диамагнитный сдвиг - смещение резонансного сигнала в область слабого поля (больших значений δ ).
Диатропные молекулы - аннулены с 4n +2 π-электронами, которые в соответствии с правилом Хюккеля обладают ароматическим характером.
Дублет - сигнал двух взаимодействующих ядер, который представлен в спектре ЯМР 1 Н двумя линиями одной интенсивности.
Изохронные ядра - ядра, имеющие одну и ту же величину химического сдвига. Часто они химически эквивалентны, т. е. имеют одинаковое химическое окружение.
Интегральная интенсивность сигнала (площадь под кривой) - измеряется интегратором и показывается в виде ступенек, высота которых пропорциональна площади и показывает относительное число протонов.
Импульсная спектроскопия - способ возбуждения магнитных ядер - с помощью коротких и мощных (сотни киловатт) высокочастотных импульсов. Импульс с несущей частотой ν о и длительностью t p создает полосу возбуждения в диапазоне частот +1/t p . Если длина импульса исчисляется несколькими микросекундами, а ν о примерно соответствует центру области частот резонанса для данного вида ядер, то полоса перекроет весь диапазон частот, обеспечивая одновременное возбуждение всех ядер. В результате записывается экспоненциально затухающая синусоида (СИС). Она содержит информацию как о частоте, т. е фактически о химическом сдвиге, так и о форме линии. Более привычная для нас форма - спектр в частотном представлении - получается из СИС с помощью математической процедуры, называемой преобразованием Фурье.
Импульсный ЯМР - способ возбуждения магнитных ядер с помощью коротких и мощных (сотни киловатт) высокочастотных импульсов. Во время импульса все ядра одновременно возбуждаются, а затем, после того как импульс прекращается, ядра возвращаются (релаксируют) в исходное основное состояние. Потеря энергии релаксирующими ядрами приводит к возникновению сигнала, который представляет собой сумму сигналов от всех ядер описывается большим числом затухающих синусоидальных кривых во временной шкале, каждая из которых соответствует некоей резонансной частоте.
Константа спин-спинового взаимодействия (КССВ) - количественная характеристика взаимодействия разных ядер.
Корреляционная спектроскопия (COSY) - эксперимент с двумя 90 о импульсами. В этом виде двумерной спектроскопии коррелируются химические сдвиги спиново-связанных магнитных ядер. Двумерная спектроскопия COSY, при определенных условиях, помогает выявить наличие очень малых констант, обычно невидных в одномерных спектрах.
СOSY - эксперименты, в которых варьируется длительность импульса. Это позволяет уменьшить размер диагональных пиков, затрудяющих идентификацию близлежащих кросс-пиков (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - двухквантованный фильтр - подавляет синглеты на диагонали и помехи, соответствующие им.
COSYLR (long rang) - эксперимент COSY, который позволяет определить дальние взаимодействия.
Т OCSY - Total Correlation Spectroscopy - режим съемки, который позволяет в насыщенном сигналами спектре получить кросс-пики между всеми спинами системы путем передачи намагниченности по связям в исследуемом структурном фрагменте. Чаще всего используется для изучения биомолекул.
Ларморова частота - частота прецессии в ЯМР.
Магнитно-эквивалентными называют такие ядра, которые имеют одну и ту же резонансную частоту и общее для всех характеристическое значение константы спин-спинового взаимодействия с ядрами любой соседней группы.
Многоквантовые когерентности - состояния суперпозиции, когда два или более взаимодействующих спина ½ переориентируются одновременно.
Многомерный ЯМР - регистрация спектров ЯМР с более чем одной частотной шкалой.
Мультиплет - сигнал одной группы, проявляющийся в виде нескольких линий.
Непрямое спиновое взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которое передается в пределах молекулы по системе связей и не усредняется при быстром молекулярном движении.
Парамагнитные частицы - частицы, содержащие неспаренный электрон, который обладает очень большим магнитным моментом.
Парамагнитный сдвиг - смещение резонансного сигнала в область сильного поля (больших значений δ ).
Паратропные молекулы - аннулены с числом π-электронов равным 4n.
Прямая константа спин-спинового взаимодействия - константа, характеризующаявзаимодействие между ядрами, которые разделены одной связью.
Прямое спин-спиновое взаимодействие - взаимодействие между ядрами, которое передается через пространство.
Резонансный сигнал - спектральная линия, соответствующая поглощению энергии при переходе между собственными состояниями, вызванная высокочастотным генератором.
Релаксационные процессы - потеря энергии на верхнем уровне и возвращение на нижний энергетический уровень благодаря безызлучательным процессам.
Свипирование - постепенное изменение магнитного поля, в результате которого достигаются условия резонанса.
Спектры первого порядка - спектры, в которых разница в химических сдвигах отдельных групп магнитно-эквивалентных ядер ν o значительно больше константы спин-спинового взаимодействия J .
Спин-решеточная релаксация - процесс релаксации (потери энергии), механизм которой связан с взаимодействием с локальными электромагнитными полями окружающей среды.
Спин-спиновая релаксация - процесс релаксации осуществляется в результате передачи энергии от одного возбужденного ядра к другому.
Спин-спиновое взаимодействие электронов - взаимодействие, возникающее в результате магнитного взаимодействия разных ядер, которое может передаваться через электроны химических связей непосредственно несвязанных ядер.
Спиновая система - это группа ядер, взаимодействующих между собой, но не взаимодействуют с ядрами, не входящими в спиновую систему.
Химический сдвиг - смещение сигнала исследуемого ядра по отношению к сигналу ядер стандартного вещества.
Химически эквивалентные ядра - ядра, которые имеют одну и ту же резонансную частоту и одинаковое химическое окружение.
Шиммы - в спектроскопии ЯМР так называют электромагнитные катушки, создающие магнитные поля небольшой напряженности, которыми исправляют неоднородности сильного магнитного поля.
Широкополосная развязка (1 Н broadband decoupling) - использование сильного облучения, которое покрывает всю область протонных химических сдвигов, для того, чтобы полностью удалить все 13 С 1 Н взаимодействия.
Экранирование - изменение положения резонансного сигнала под воздействием индуцированных магнитных полей других ядер.
Эффект Ван-дер-Ваальса - эффект, который возникает при сильном пространственном взаимодействии между протоном и соседней группой и вызывает понижение сферической симметрии электронного распределения и увеличение парамагнитного вклада в эффект экранирования, который, в свою очередь, приводит к смещению сигнала в более слабое поле.
Эффект Зеемана - расщепление энергетических уровней в магнитном поле.
Эффект крыши - увеличение интенсивности центральных лини и уменьшение интенсивности удаленных линий в мультиплете.
Эффект магнитной анизотропии (так называемый конус анизотропии) - результат воздействия вторичных индуцированных магнитный полей.
Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) - наблюдается для ядер со спиновым квантовым числом I > 1/2 вследствие несферического распределения ядерного заряда. Такие ядра могут взаимодействовать с градиентами внешних электрических полей, в особенности с градиентами полей электронных оболочек молекулы, в которой находится ядро и обладают спиновыми состояниями, характеризующими различными энергиями даже в отсутствие приложенного внешнего магнитного поля.
Ядерный магнетон Значение ядерного магнетона рассчитывается по формуле:
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) − это физическое явление, используемое для изучения свойств молекул при облучении ядер атомов радиоволнами в магнитном поле.
Ядерный фактор - отношение заряда ядра к его массе.
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ
Спектроскопия ядерного ОФС.1.2.1.1.0007.15
магнитного резонанса Взамен ГФ
XII
, ч.1,
ОФС 42-0046-07
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – метод, основанный на поглощении радиочастотного электромагнитного излучения ядрами образца с ненулевым магнитным моментом, помещенного в постоянное магнитное поле (B 0). Ненулевые магнитные моменты имеют изотопы ядер элементов с нечетной атомной массой (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P и др.).
Общие принципы
Вращающееся вокруг своей оси ядро имеет собственный момент количества движения (угловой момент, или спин) P . Магнитный момент ядра μ прямо пропорционален спину: μ = γ ∙ P (γ – коэффициент пропорциональности или гиромагнитное отношение). Угловой и магнитный моменты являются квантованными, т.е. могут находиться в одном из 2I + 1 спиновых состояний (I – спиновое квантовое число ). Различные состояния магнитных моментов ядер обладают одинаковой энергией, если на них не действует внешнее магнитное поле. При помещении ядер во внешнее магнитное поле B 0 энергетическое вырождение ядер снимается и возникает возможность энергетического перехода с одного уровня на другой. Процесс распределения ядер между различными энергетическими уровнями протекает в соответствии с законом распределения Больцмана и приводит к появлению макроскопической равновесной продольной намагниченности М z . Время, которое требуется для создания М z после включения внешнего магнитного поля В 0 , называется временем продольной или спин —решеточной релаксации (Т 1). Нарушение равновесного распределения ядер происходит под действием радиочастотного магнитного поля (B 1), перпендикулярного B 0 , которое вызывает дополнительные переходы между энергетическими уровнями, сопровождающиеся поглощением энергии (явление ядерного магнитного резонанса) . Частота ν 0 , при которой возникает поглощение энергии ядрами (Ларморова или резонансная частота поглощения ), изменяется в зависимости от величины постоянного поля B 0: ν 0 = γB 0 /2π. В момент резонанса происходит взаимодействие между индивидуальными ядерными магнитными моментами и полем В 1 , которое выводит вектор М z из его равновесного положения вдоль оси z . В результате появляется поперечная намагниченность М xy . Ее изменение, связанное с обменом внутри спиновой системы, характеризуется временем поперечной или спин-спиновой релаксации (Т 2).
Зависимость интенсивности поглощения энергии ядрами одного типа от частоты радиочастотного магнитного поля при фиксированном значении В 0 называется одномерным спектром ядерного магнитного резонанса ядра данного типа. Спектр ЯМР может быть получен двумя способами: при непрерывном облучении образца радиочастотным полем с изменяющейся частотой, в результате чего регистрируется непосредственно спектр ЯМР (спектроскопия с непрерывным облучением), или при воздействии на образец короткого радиочастотного импульса (импульсная спектроскопия ). В импульсной спектроскопии ЯМР регистрируется затухающее во времени когерентное излучение, испускаемое ядрами при возвращении в исходное спиновое состояние (сигнал спада свободной индукции ) с последующим преобразованием временной шкалы в частотную (Фурье-преобразование ).
В молекулах электроны атомов уменьшают величину действующего внешнего магнитного поля B 0 в месте нахождения ядра, т.е. проявляется диамагнитное экранирование :
B лок = B 0 ∙ (1 – σ),
B лок – напряженность результирующего поля;
σ – константа экранирования.
Разница в резонансных частотах сигналов ядер, равная разнице в их константах экранирования, называется химическим сдвигом сигналов, обозначается символом δ , измеряется в миллионных долях (м.д.). Взаимодействие магнитных моментов ядер через посредство электронов химической связи (спин-спиновое взаимодействие ) вызывает расщепление сигнала ЯМР (мультиплетность, m ). Количество компонент в мультиплетах определяется спином ядра и количеством взаимодействующих ядер. Мерой спин-спинового взаимодействия является константа спин-спинового взаимодействия (J , измеряется в герцах, Гц). Значения δ, m и J не зависят от величины постоянного магнитного поля.
Интенсивность сигнала ЯМР ядра в спектре определяется заселенностью его энергетических уровней. Из ядер с естественным содержанием изотопов наиболее интенсивные сигналы дают ядра водорода. На интенсивность сигналов ЯМР также влияет время продольно-поперечной релаксации (большие Т 1 ведут к уменьшению интенсивности сигнала).
Ширина сигналов ЯМР (разница между частотами на полувысоте сигнала) зависит от Т 1 и Т 2 . Малые времена T 1 и Т 2 обуславливают широкие и мало интерпретируемые сигналы спектра.
Чувствительность метода ЯМР (предельно обнаруживаемая концентрация вещества) зависит от интенсивности сигнала ядра. Для ядер 1 Н чувствительность составляет 10 -9 ÷ 10 -11 моль.
Корреляции различных спектральных параметров (например, химических сдвигов различных ядер в пределах одной молекулярной системы) могут быть получены гомо- и гетероядерными методами в формате 2D или 3D.
Прибор
Импульсный спектрометр ЯМР (ЯМР-спектрометр) с высокой разрешающей способностью состоит из:
- магнита для создания постоянного магнитного поля B 0 ;
- термостатируемого датчика с держателем образца для подачи радиочастотного импульса и определения излучения, испускаемого образцом;
- электронного устройства для создания радиочастотного импульса, регистрации, усиления и преобразования сигнала спада свободной индукции в цифровую форму;
- устройства для настройки и регулировки электронных контуров;
- устройства сбора и обработки данных (компьютер);
и может также включать:
проточную кювету для проведения жидкостной хроматографии ядерного магнитного резонанса или проточно-инъекционного анализа;
- систему для создания импульсного градиента магнитного поля.
Сильное магнитное поле генерируется катушкой сверхпроводимости в сосуде Дьюара, заполненном жидким гелием.
Следует проверять надлежащее функционирование ЯМР-спектрометра. Для проверки проводят соответствующие испытания, включающие, как правило, измерение ширины спектральной линии на полувысоте определенных пиков при определенных условиях (разрешение ), воспроизводимость положения сигнала и отношение сигнал/шум (отношение между интенсивностью определенного сигнала в спектре ЯМР и случайных колебаний в области спектра, не содержащего сигналов от анализируемого вещества, S /N ) для стандартных смесей. В программном обеспечении спектрометров имеются алгоритмы по определению S/N . Все изготовители приборов предоставляют спецификации и протоколы измерения этих параметров.
Спектроскопия ЯМР образцов в растворах
Методика
Испытуемый образец растворяют в растворителе, к которому может быть добавлен соответствующий эталон для калибровки химического сдвига, как указано в нормативной документации. Величина относительного химического сдвига ядра вещества (δ в-во) определяется следующим выражением:
δ в-во = (ν в-во – ν эталон)/ν прибора,
ν в-во – частота резонанса ядра вещества, Гц;
ν эталон – частота резонанса ядра эталона, Гц;
ν прибора – рабочая частота ЯМР-спектрометра (частота, на которой выполняются условия резонанса для ядер водорода при данном B 0 , МГц).
Для растворов в органических растворителях химический сдвиг в спектрах 1 H и 13 C измеряется относительно сигнала тетраметилсилана, положение которого принято за 0 м.д. Отсчет химических сдвигов ведется в сторону слабого поля (влево) от сигнала тетраметилсилана (дельта – шкала химических сдвигов). Для водных растворов в качестве эталона в спектрах ЯМР 1 H используется 2,2-диметил-2-силанпентан-5-сульфонат натрия, химический сдвиг протонов метильной группы которого равен 0,015 м.д. Для спектров 13 C водных растворов в качестве эталона используют диоксан, химический сдвиг которого равен 67,4 м.д.
При калибровке спектров 19 F в качестве первичного эталона с нулевым значением химического сдвига используют трифторуксусную кислоту или трихлорфторметан; спектров 31 P – 85 % раствор ортофосфорной кислоты или триметилфосфат; спектров 15 N – нитрометан либо насыщенный раствор аммиака. В 1 Н и 13 С ЯМР, как правило, используют внутренний эталон, который непосредственно прибавляют к испытуемому образцу. В 15 N, 19 F и 31 Р ЯМР часто используют внешний эталон, который находится отдельно в коаксиальной цилиндрической пробирке или капилляре.
При описании спектров ЯМР необходимо указывать растворитель, в котором растворено вещество, и его концентрацию. В качестве растворителей используют легкоподвижные жидкости, в которых для уменьшения интенсивности сигналов растворителей атомы водорода заменены атомами дейтерия. Дейтерированный растворитель выбирают, исходя из следующих критериев:
- 1) растворимости в нем испытуемого соединения;
- 2) отсутствия перекрывания сигналов остаточных протонов дейтерированного растворителя с сигналами испытуемого соединения;
- 3) отсутствия взаимодействия между растворителем и испытуемым соединением, если не указано иначе.
Атомы растворителя дают сигналы, которые легко идентифицируются по их химическому сдвигу и могут использоваться для калибровки оси химического сдвига (вторичный эталон). Химические сдвиги сигналов остаточных протонов дейтерированных растворителей имеют следующие значения (м.д.): хлороформ — 7,26; бензол — 7,16; вода — 4,7; метанол -3,35 и 4,78; диметилсульфоксид — 2,50; ацетон — 2,05; положение сигнала воды и протонов гидроксильных групп спиртов зависит от pH среды и температуры.
Для количественного анализа растворы не должны содержать нерастворенных частиц. При некоторых количественных определениях может потребоваться добавление внутреннего стандарта для сравнения интенсивности испытуемого и стандартного образцов. Соответствующие стандартные образцы и их концентрации должны быть указаны в нормативной документации. После помещения образца в пробирку и укупорки образец вводят в магнит ЯМР-спектрометра, устанавливают параметры испытания (параметры настройки, регистрации, оцифровки сигнала спада свободной индукции). Основные параметры испытания, приводимые в нормативной документации, записывают или сохраняют в компьютере.
Для предотвращения дрейфа спектра во времени выполняют стабилизационную процедуру (дейтериевый лок), используя сигнал дейтерия, вызываемый дейтерированными растворителями, если не указано иначе. Прибор регулируют для получения наиболее оптимальных условий резонанса и максимального соотношения S/N (шиммирование ).
В ходе испытания возможно выполнение многократных последовательностей циклов «импульс – сбор данных – пауза» с последующим суммированием отдельных сигналов спада свободной индукции и усреднением уровня шума. Время задержки между импульсными последовательностями, в течение которого система ядерных спинов восстанавливает свою намагниченность (D 1), для количественных измерений должно превышать время продольной релаксации T 1: D 1 ≥ 5 T 1 . В программном обеспечении спектрометров имеются алгоритмы по определению T 1 . Если величина T 1 неизвестна, рекомендуется использовать значение D 1 = 25 c.
После проведения Фурье-преобразования сигналы в частотном представлении калибруют под выбранный эталон и измеряют их относительную интенсивность путем интегрирования – измерения отношения площадей резонансных сигналов. В спектрах 13 С интегрируют только однотипные сигналы. Точность интегрирования сигнала зависит от соотношения сигнал – шум (S/N) :
где u (I ) – стандартная неопределенность интегрирования.
Число накоплений спада свободной индукции, необходимое для достижения удовлетворительного соотношения S / N , должно быть приведено в нормативной документации.
Наряду с одномерными в аналитических целях используют гомо- и гетероядерные двумерные корреляционные спектры, основанные на определенной последовательности импульсов (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE и др.). В двумерных спектрах взаимодействие между ядрами проявляется в виде сигналов, называемых кросс-пиками. Положение кросс-пиков определяется значениями химических сдвигов двух взаимодействующих ядер. Двумерные спектры предпочтительно использовать для определения состава сложных смесей и экстрактов, т.к. вероятность наложения сигналов (кросс-пиков) в двумерных спектрах существенно ниже, чем вероятность наложения сигналов в одномерных спектрах.
Для быстрого получения спектров гетероядер (13 C, 15 N и др.) применяют методики (HSQC, HMBC), которые позволяют получать на ядрах 1 H спектры других ядер, используя механизмы гетероядерного взаимодействия.
Методика DOSY, основанная на регистрации потери фазовой когерентности ядерных спинов за счет трансляционных перемещений молекул под действием градиента магнитного поля, позволяет получать спектры индивидуальных соединений (спектральное разделение) в смеси без их физического разделения и определять размеры, степени агрегированности и молекулярные массы молекулярных объектов (молекул, макромолекул, молекулярных комплексов, супрамолекулярных систем).
Области применения
Многообразие структурной и аналитической информации, содержащейся в спектрах ядерного магнитного резонанса, позволяет использовать метод ядерного магнитного резонанса для проведения качественного и количественного анализа. Применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса в количественном анализе основано на прямой пропорциональности молярной концентрации магнитно-активных ядер интегральной интенсивности соответствующего сигнала поглощения в спектре.
- Установление подлинности действующего вещества . Установление подлинности действующего вещества осуществляют путем сравнения спектра испытуемого образца со спектром стандартного образца или с опубликованным эталонным спектром. Спектры стандартных и испытуемых образцов должны быть получены с использованием одних и тех же методик и условий. Пики в сравниваемых спектрах должны совпадать по положению (отклонения значений δ испытуемого и стандартных образцов в пределах ± 0,1 м.д. для ядерного магнитного резонанса 1 Н и ± 0,5 м.д. для ядерного магнитного резонанса 13 С), интегральной интенсивности и мультиплетности, значения которых следует приводить при описании спектров. При отсутствии стандартного образца можно использовать фармакопейный стандартный образец, идентичность которого подтверждают самостоятельной структурной интерпретацией спектральных данных и альтернативными методами.
При подтверждении подлинности образцов нестехиометрического состава (например, природных полимеров переменного состава) допускают несовпадение пиков испытуемого и стандартных образцов по положению и интегральной интенсивности сигналов. Сравниваемые спектры должны быть подобны, т.е. содержать одинаковые характеристические области сигналов, подтверждающие совпадение фрагментного состава испытуемого и стандартных образцов.
Для установления подлинности смеси веществ (экстрактов) допускают использование одномерных спектров ЯМР целиком, как «отпечатков пальца» объекта, без детализации значений δ и мультиплетности отдельных сигналов. В случае использования двумерной спектроскопии ЯМР при описании спектров (фрагментов спектра), заявленных на подлинность, следует приводить значения кросс-пиков.
- Идентификация посторонних примесей/остаточных органических растворителей . Идентификацию посторонних примесей/остаточных органических растворителей осуществляют аналогично установлению подлинности действующего вещества, ужесточая требования к чувствительности и цифровому разрешению.
- Определение содержания посторонних примесей/остаточных органических растворителей относительно действующего вещества . Метод ЯМР является прямым абсолютным методом определения мольного соотношения действующего вещества и примесного соединения (n /n примесь):
где S ‘ и S ‘ примесь – нормированные значения интегральных интенсивностей сигналов действующего вещества и примеси.
Нормирование проводят по числу ядер в структурном фрагменте, обуславливающих измеряемый сигнал.
Массовую долю примеси/остаточного органического растворителя относительно действующего вещества (X пр) определяют по формуле:
M пр – молекулярная масса примеси;
M – молекулярная масса действующего вещества;
S ‘ пр – нормированное значение интегральной интенсивности сигнала примеси;
S’ – нормированное значение интегральной интенсивности сигнала действующего вещества.
- Количественное определение содержания вещества (действующего вещества, примеси/остаточного растворителя) в фармацевтической субстанции . Абсолютное содержание вещества в фармацевтической субстанции определяется методом внутреннего стандарта, в качестве которого выбирается вещество, сигналы которого находятся вблизи сигналов определяемого вещества, не перекрываясь с ними. Интенсивности сигналов определяемого вещества и стандарта не должны существенно различаться.
Процентное содержание определяемого вещества в испытуемом образце в пересчете на сухое вещество (X, % масс) вычисляют по формуле:
X, % масс = 100 ∙ (S ‘ /S ‘ 0) ∙ (M ∙ a 0 /M 0 ∙ a ) ∙ ,
S’ – нормированное значение интегральной интенсивности сигнала определяемого вещества;
S ‘ 0 – нормированное значение интегральной интенсивности сигнала стандарта;
M – молекулярная масса определяемого вещества;
M 0 – молекулярная масса;
a – навеска испытуемого образца;
a 0 – навеска вещества-стандарта;
W – содержание влаги, %.
В качестве веществ-стандартов можно использовать следующие соединения: малеиновая кислота (2H; 6,60 м.д., M = 116,07), бензилбензоат (2H; 5,30 м.д., M = 212,25), малоновая кислота (2H; 3,30 м.д., M = 104,03), сукцинимид (4H; 2,77 м.д., M = 99,09), ацетанилид (3H; 2,12 м.д., M = 135,16), трет -бутанол (9H; 1,30 м.д., M = 74,12).
Относительное содержание вещества как доля компонента в смеси компонентов фармацевтической субстанции определяется методом внутренней нормализации. Мольная (X моль) и массовая (X масс) доля компонента i в смеси n веществ определяется по формулам:
- Определение молекулярной массы белков и полимеров . Молекулярные массы белков и полимеров определяют сравнением их подвижности с подвижностью соединений-стандартов с известной молекулярной массой, используя методики DOSY. Измеряют коэффициенты самодиффузии (D ) испытуемых и стандартных образцов, строят график зависимости логарифмов молекулярных масс соединений-стандартов от логарифмов D . По полученному таким образом графику методом линейной регрессии определяют неизвестные молекулярные массы испытуемых образцов. Полное описание DOSY-эксперимента должно быть приведено в нормативной документации.
Спектроскопия ЯМР твердых веществ
Образцы в твердом состоянии анализируют с помощью специально оборудованных ЯМР-спектрометров. Определенные технические операции (вращение порошкообразного образца в роторе, наклоненном под магическим углом (54,7°) к оси магнитного поля В 0 , силовое распаривание, перенос поляризации от легковозбудимых ядер к менее поляризуемым ядрам – кросс-поляризация) позволяют получать спектры органических и неорганических соединений с высокой разрешающей способностью. Полное описание процедуры должно быть приведено в нормативной документации. Основная область применения данной разновидности спектроскопии ЯМР – изучение полиморфизма твёрдых лекарственных средств.
Метод ЯМР – спектроскопии основан на магнитных свойствах ядер. Ядра атомов несут на себе положительный заряд и вращаясь вокруг своей оси. Вращение заряда приводит к возникновению магнитного диполя.
Угловой момент вращения, которого может быть описан спиновым квантовым числом (I). Численное значение спинового квантового числа, равно сумме спиновых квантовых чисел протонов и нейтронов входящих в состав ядра.
Спиновое квантовое число может принимать значение
Если количество нуклонов чётное, то величина I = 0, либо целому числу. Это такие ядра С 12 , Н 2 , N 14 , такие ядра не поглощают радиочастотного излучения и не дают сигналов в ЯМР – спектроскопии.
I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - поглощают радиочастотное излучение, дают сиг нал ЯМР спектра.
I = ± 1 1 / 2 CL 35 , Br 79 - не симметричное распределение зарядов по поверхности ядра. Что приводит к возникновению квадропольного момента. Такие ядра методами ЯМР спектроскопии не изучают.
Пмр – спектроскопия
Численное значение I (I = ± 1 / 2) определяет количество возможных ориентаций ядра во внешнем магнитном поле в соответствии с формулой:
Из этой формулы видно, что количество ориентаций равно 2.
Для того, что бы осуществить переход протона, находящегося на нижнем уровне, на более высокий ему нужно сообщить энергию равную разности энергии этих уровней, то есть облучить излучением строго определённой чистотой. Разница в энергии уровней (ΔΕ) зависит от величины наложенного магнитного поля (H 0) и магнитной природы ядер, описывающимся магнитным моментом (μ). Это величина определяется вращением:
,
где
h – постоянная Планка
Величина внешнего магнитного поля
γ – коэффициент пропорциональности, называется гиромагнитным соотношением, определяет зависимость между спиновым квантовым числом I и магнитным моментом μ.
– основное уравнение ЯМР , оно связывает величину внешнего магнитного поля, магнитную природу ядер и чистоту излучения при котором происходит поглощение энергии излучений и ядра переходят междууровнями.
Из приведенной записи видно, что для одних и тех же ядер, протонов, существует строгая зависимость между величиной Н 0 и μ.
Так, например для того, чтобы ядра протонов находились во внешнем магнитном поле 14000 Гс перешли на более высокий магнитны уровень их нужно облучить с частотой 60 МГц, если до 23000Гс, то потребуется излучение с частой 100МГц.
Таким образом из выше сказанного следует, что основными частями ЯМР спектрометра должен быть, мощный магнит и источник радиочастотного излучения.
Анализирующее вещество помещаем в ампулу из специальных сортов стекла толщиной 5 мм. Ампулу помещаем в зазор магнита, для более равномерного распределения магнитного поля внутри ампулы, она вращается вокруг своей оси, с помощью катушки излучение генерируется радиочастотным излучением не прерывно. Частота этого излучения изменяется в небольшом диапазоне. В какой-то момент времени, когда частота в точности соответствует уравнению ЯМР спектроскопии, наблюдается поглощение энергии излучения и протоны переориентируют свой спин – это поглощение энергии регистрируется приёмной катушкой виде узкого пика.
В некоторых моделях спектрометра μ=const, а в небольших приделах изменяется величина H 0 . Для регистрации спектра необходимо 0,4 мл вещества, если вещество твёрдое его растворяют в подходящем растворе, необходимо взять 10-50 мл/г вещества.
Для получения качественного спектра необходимо использовать растворы концентрации 10 – 20 %. Предел чувствительности ЯМР соответствует 5%.
Для увеличения чувствительности с использованием ЭВМ применяют многочасовое накопление сигнала при этом полезный сигнал увеличивается в интенсивности.
В дальнейшем совершенствовании методики ЯМР спектрораспределения стало, применение Фурье – преобразование сигнала. В этом случае образец облучается не излучением с медленно изменяющейся частотой, а излучением соединяющие все частоты в одном пакете. При этом происходит поглощения излучения одной частоты, и протоны переходят на верхний энергетический уровень, затем короткий импульс выключается и после этого возбуждённые протоны начинают терять поглощённую энергию и переходить на нижний уровень. Это явление энергии регистрируется системой в виде серии миллисекундных импульсов, которые затухают во времени.
Идеальным растворителем является вещество не содержащие протонов, то есть четырёх хлористый углерод и серный углерод, однако некоторые вещества в этих растворах не растворяются, поэтому используют любые растворители в молекулах которых атомы легкого изотопа H 1 замещены на атомы тяжелого изотопа дейтерия. Изотопная частота должна соответствовать 99%.
СDCl 3 – дейтерий
Дейтерий в ЯМР спектрах сигнала не даёт. Дальнейшим развитием метода явилось использование быстродействующего компьютера и фурипреобразование сигнала. В этом случаи вместо последнего сканирования частоты излучения на образец накладывается мгновенное излучение, содержащие все возможные частоты. При этом происходит мгновенное возбуждение всех ядер и переориентация их спинов. После выключения излучения ядра начинают выбрасывать энергию и переходить на более низкий энергетический уровень. Этот выброс энергии длится несколько секунд и состоит из ряда микросекундных импульсов, которые системой регистрации, регистрируют в виде вилки.
Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия - спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса . Явление ЯМР открыли в 1946 году американские физики Ф. Блох и Е.Персел. Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 ( 19 F ЯМР-спектроскопия), фосфора-31 ( 31 P ЯМР-спектроскопия).Если элемент обладает нечетным порядковым номером или изотоп какого-либо (даже четного) элемента имеет нечетное массовое число,ядро такого элемента обладает спином, отличным от нуля. Из возбужденного состояния в нормальное, ядра могут возвращаться, передавая энергию возбуждения окружающей среде-«решетке», под которой в данном случае понимаются электроны или атомы другого сорта, чем исследуемые. Этот механизм передачи энергии называют спин-решеточной релаксацией, его эффективность может быть охарактеризована постоянной T1, называемой временем спин-решеточной релаксации.
Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов .
Базовая ЯМР техника
Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда её помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота , энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля . Так, в поле в 21 Тесла протон резонирует при частоте 900 МГц.
Химический сдвиг
В зависимости от локального электронного окружения разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты, и основная резонансная частота прямо пропорциональны величине индукции магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину, известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом, химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того чтобы обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объёма образца.
Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH 3 CH 2 OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH 3 , второй для СН 2 -группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH 3 -группы примерно равен 1 ppm, для CH 2 -группы присоединенной к OH - 4 ppm и OH примерно 2-3 ppm.
Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять, как много протонов дает вклад в эти пики.
Спин-спиновое взаимодействие
Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР-спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах , что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.
Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.
Взаимодействие второго порядка (сильное)
Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР-спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.
Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение, чем низкочастотный спектр.
Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков
Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям, получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулe в сравнении с простым органическим соединением, базовый 1 H спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.
Чтобы улучшить результаты этих экспериментов, применяют метод меченых атомов, используя 13 С или 15 N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современной фармацевтике. В последнее время получают распространение методики (имеющие как преимущества, так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.
Количественный анализ методом ЯМР
При количественном анализе растворов площадь пика может быть использована как мера концентрации в методе градуировочного графика или методе добавок. Известны также методики,в которых градуированный график отражает концентрационную зависимость химического сдвига. Применение метода ЯМР в неорганическом анализе основано на том,что в присутствии парамагнитных веществ происходит ускорение времени ядерной релаксации. Измерение скорости релаксации может быть выполнено несколькими методами.Надежным и универсальным является, например, импульсивный вариант метода ЯМР, или, как его обычно называют, метод спинового эха. При измерениях по этому методу на исследуемый образец в магнитном поле через определенные промежутки времени накладывают кратковременные радиочастотные импульсы в области резонансного поглощения.В приемной катушке появляется сигнал спинового эха, максимальная амплитуда которого связана с временем релаксации простым соотношением. Для проведения обычных аналитических определений нет необходимости находить абсолютные значения скоростей релаксаци. В этих случаях можно ограничиться измерением какой-либо пропорциональной им величины, например амплитуды сигнала резонансного поглощения. Измерение амплитуды может быть выполнено на простой, более доступной аппаратуре. Существенным достоинством метода ЯМР является широкий интервал значений измеряемого параметра. С помощью установки спинового эха можно определять время релаксации от 0,00001 до 100 с. с погрешностью 3...5%. Это позволяет определять концентрацию раствора в очень широком интервале от 1...2 до 0,000001...0000001 моль/л.Наиболее часто используемым аналитическим приемом является метод градуировочного графика.
Для школ с углубленным изучением химии
В курсе средней школы органическую химию изучают по классам веществ. Сначала рассматривают углеводороды С А Н В – предельные (линейные и циклические) и непредельные (в том числе ароматические). Затем к атомам двух видов С и Н добавляется кислород О. Кислородсодержащие соединения С А Н В О С – это спирты RОН, простые эфиры R–O–R, фенолы АrОН, альдегиды RСНО, карбоновые кислоты RСООН, некоторые производные карбоновых кислот – сложные эфиры RСООR", жиры – сложные эфиры глицерина, углеводы (полигидроксиальдегиды). Позже (программа 11-го класса) в составе органических соединений появляется атом азота N. Молекулы азотистых соединений содержат атомы трех элементов – С, Н и N (амины С A Н B N C) – или же четырех – С, Н, N и О (амиды, аминокислоты, белки; общая формула С A Н B N C О D). В теме «Нуклеиновые кислоты» упоминаются пиримидиновые и пуриновые азотсодержащие гетероциклы. Другие производные органических веществ – галогено-, сульфо-, нитросоединения отдельно как классы не рассматриваются.
Схема изучения веществ каждого класса строится по одному плану:
1) состав (какие атомы содержатся в молекуле и сколько их каждого вида);
2) строение (каким образом эти атомы соединены, изомерия);
3) свойства (физические – температуры плавления и кипения, плотность, растворимость и т. п.; химические – различные превращения с изменением состава или строения исходного вещества);
4) получение (природное сырье – где и в какой форме это вещество встречается; какими химическими способами его можно получить из других веществ);
5) применение (как используется природой и человеком);
6) задачи на закрепление первых пяти пунктов.
Предлагаем несколько дополнить принятую схему. Для идентификации веществ и подтверждения их состава и строения удобно использовать метод спектроскопии – протонный магнитный резонанс (ПМР). Теория вопроса коротко изложена в газете «Химия», № 29/1998 и журнале «Химия в школе», № 2/1999. Чтобы научиться расшифровывать простейшие спектры ПМР, необходимо иметь понятие о следующих их особенностях или характеристиках.
Пики на картинке спектра ПМР – это сигналы поглощения энергии внешнего прикладываемого магнитного поля протонами вещества.
Число групп сигналов говорит о том, сколько протонов разных видов в молекуле. Химически эквивалентные протоны (с одинаковым окружением) поглощают энергию в одной области спектра. Например, в спектре ПМР 3-хлорпентана
имеется три набора сигналов от трех групп эквивалентных протонов:
Химическим cдвигом (d) называют смещение сигнала спектра на шкале в зависимости от химического окружения протона. Электроноакцепторные атомы и группы атомов вблизи поглощающего протона (через одну-две химические связи) сдвигают поглощение в область слабого поля (большие значения d). В качестве эталона, относительно которого измеряют химические сдвиги, используют тетраметилсилан (СН 3) 4 Si (ТМС). Сигналы ПМР исследуемого вещества в спектре проявляются слева от сигнала ТМС.
Значения химических сдвигов выражают в специальных единицах – миллионных долях (м. д.). На шкале химических сдвигов, или d -шкале, место положения сигнала ТМС принимают за 0 м. д. и обозначают его в правой части шкалы, что показано на рис. 1. Относительно большим значениям величины d соответствует область слабого магнитного поля, и наоборот, малым значениям этой величины – область сильного магнитного поля.
Рис. 1. Спектр ПМР 1,2-дихлорэтана
Площадь пика сигнала (очерченная самописцем) – интенсивность сигнала – показывает относительное содержание протонов каждого вида в молекуле.
Расщепление сигнала на несколько пиков свидетельствует о взаимодействии рассматриваемого протона с другими неэквивалентными протонами (с разным окружением) или некоторыми другими ядрами с нечетными массовыми числами (19 F, 31 P и др.).
Существуют справочные таблицы, в которых указан диапазон химических сдвигов протонов разных видов. По ним можно определить, в какой области спектра дает сигнал тот или иной протон (табл.).
Химические сдвиги протонов разных
видов
в спектрах ПМР
*Химические сдвиги протонов, соединенных с азотом и кислородом, зависят от температуры и концентрации раствора.
Часто в спектрах ПМР сигнал от эквивалентных протонов проявляется не отдельным пиком (синглет), а их набором. Сигнал может расщепляться на два (дублет), три (триплет), четыре (квартет) и большее число пиков. Подобное расщепление сигналов обусловлено взаимодействием неэквивалентных ядер водорода (протонов). Это спин-спиновое взаимодействие, которое осуществляется через электроны химических связей, соединяющих ядра атомов.
Число пиков, на которые расщепляется сигнал от эквивалентных протонов, называют мультиплетностью. В простых случаях пользуются правилом: мультиплетность сигнала от эквивалентных протонов равна n + 1, где n – число протонов, находящихся при соседних атомах углерода. Такие протоны вида Н–С–С–Н, разделенные тремя связями, называют вицинальными протонами. По мультиплетности сигнала можно судить о числе протонов, вицинальных по отношению к протонам, ответственным за конкретный сигнал.
Пример 1. 1,1,2-Трихлорэтан Сl 2 СН–СН 2 Сl содержит два типа протонов – метиленовые (в группе –СН 2 Сl) и метиновый (в группе –СНСl 2), которые характеризуются в спектре двумя сигналами: d (СН 2 Сl) = 3,5 м. д. и d (СНСl 2) = 5,5 м. д., как показано на рис. 2. Сигнал от –СН 2 Сl имеет два пика (дублет), сигнал от –СНСl 2 – три пика (триплет). Воспользуемся правилом: мультиплетность сигнала равна n + 1, где n – число вицинальных протонов.
Рис. 2. Спектр ПМР 1,1,2-трихлорэтана
Пример 2. На рис. 3 приведен спектр ПМР 1,1-дихлорэтана. Метильные протоны в спектре характеризуются дублетом с центром при d =2,0м. д., метиновый протон дает квартет с центром при d =5,9 м. д.
Рис. 3. Спектр ПМР 1,1-дихлорэтана
Важной особенностью спин-спинового взаимодействия является то, что протоны с одинаковым химическим сдвигом (эквивалентные протоны) не расщепляют сигналы друг от друга, что подтверждается следующими примерами.
Пример 3. В 1,2-дихлорэтане СlCH 2 CH 2 Сl все протоны эквивалентны, в спектре будет один сигнал в виде синглета. Значение химического сдвига d (СН2Сl)=3,69 м. д. (см. рис. 1).
Пример 4. Вещество 2,3-диметилбутан (СН 3) 2 СНСН(СН 3) 2 состоит из двух изопропильных групп. Сигналы эквивалентных протонов четырех СН 3 -групп расщепляются протонами метиновых групп в дублет. В свою очередь сигнал метинового протона расщепляется шестью вицинальными протонами метильных групп в гептет (рис. 4).
Рис. 4. Спектр ПМР 2,3-диметилбутана
С помощью спектров ПМР можно различать изомеры веществ (имеющих одинаковую молекулярную формулу). Например, спектры изомеров 1,1-дихлорэтана (см. рис. 3) и 1,2-дихлорэтана (см. рис. 1) совершенно различны.
Пример 5. Спектр вещества состава С 2 Н 3 Сl 3 , принадлежащий 1,1,2-трихлорэтану (см. рис. 2), содержит два сигнала: d (СН 2 Сl)=3,5 м. д. (дублет) и d (СHCl 2)=5,5 м. д. (триплет). Спектр изомерного ему 1,1,1-трихлорэтана содержит один синглет от эквивалентных протонов метильной группы d (СH 3)=2,7 м. д.
Итак, спектры ПМР предоставляют весьма наглядные и информативные сведения о составе и строении вещества. Они универсальны – применимы ко всем классам органических соединений. Научиться разбираться в спектрах не так уж сложно, а их разгадывание увлекательней раскладывания пасьянса. Вот типичные задачи с использованием спектроскопии ПМР.
- Задача 1. Идентифицируйте следующие спирты по их спектрам ПМР:
а) соединение А – С 14 Н 14 О (рис. 5) и соединение Б – С 9 Н 11 BrO (рис. 6).
Рис. 5. Спектр ПМР соединения А (С 14 Н 14 О)
а) Ключ к решению дает сигнал с химическим сдвигом ароматических протонов d = 7,2–7,4 м. д. интенсивностью, отвечающей 10 Н (см. рис. 5). За этот сигнал в спектре ответственны две фенильные группы С 6 Н 5 , содержащиеся в одной молекуле вещества А. Синглет при d =2,27 м. д. обусловлен протоном гидроксильной группы, причем другими заместителями при спиртовом углероде служат группы С 6 Н 5 (две) и СН 3 (сигнал с центром при d =1,89 м. д., синглет, 3 Н). Искомое вещество А – 1,1-дифенилэтанол-1
(С 6 Н 5) 2 ССН 3 .
OH
б) Вещество Б содержит дизамещенное бензольное кольцо, о чем свидетельствует сигнал d = 6,90–7,45 м. д. (квартет, 4 Н).
Рис. 6. Спектр ПМР соединения Б (С 9 Н 11 BrO)
Химические сдвиги d =0,82 м. д. (триплет, 3 Н) и d =1,60 м. д. (квартет, 2 Н), интенсивность этих сигналов определяют этильную группу СН 3 СН 2 . Сигнал при d =2,75 м. д. (синглет, 1 Н) соответствует гидроксильному протону ОН; сигнал при d =4,40 м. д. (триплет, 1 Н) принадлежит метиновому протону, соседствующему с метиленовой группой (СНСН 2). Причем появление сигнала в слабом поле свидетельствует о связи СН с гидроксильной группой.
Остается определить положение атома брома в бензольном кольце. Известно, что сигнал в виде симметричного квартета (4 Н) характерен для n-замещенного бензольного кольца.
В результате получена структурная формула
искомое вещество называется 1-(4"-бромфенил)пропанол-1.
- Задача 2. Диол С 8 Н 18 О 2 не реагирует с перйодной кислотой, его спектр ПМР содержит три синглета при (м. д.) d =1,2 (12 H), d =1,6 (4 H) и d =2,0 (2 H). Какое строение имеет диол?
Если диол не реагирует с перйодной кислотой, значит, атомы углерода, несущие гидроксильные группы, разделены хотя бы одной метиленовой группой. Проявление всех сигналов в виде синглетов говорит о том, что в углеродной цепи протонсодержащие атомы углерода чередуются с апротонными углеродами.
Сигнал при d =1,2 (12 Н) происходит от протонов четырех эквивалентных краевых СН 3 -групп; сигнал при d =2,0 (2 Н) – от двух гидроксильных протонов диола; сигнал при d = 1,6 (4 Н) – от двух эквивалентных метиленовых групп (при этом отсутствует расщепление сигнала на соседних протонах!). Заданное вещество имеет строение
и называется 2,5-диметилгександиол-2,5.
- Задача 3. Ответьте на следующие вопросы, касающиеся спектров ПМР изомерных эфиров с молекулярной формулой С 5 Н 12 О.
а) Какой из эфиров содержит только синглеты в спектре ПМР?
б) Среди других сигналов заданный эфир имеет систему взаимодействия дублет–гептет. Назовите эфир.
в) Наряду с другими сигналами в спектре ПМР этого эфира имеется два сигнала в относительно слабом поле, причем один – синглет, другой – дублет. Какое строение у этого эфира?
г) Особенностью спектра являются два сигнала в относительно слабом поле: один – триплет, другой – квартет. Назовите эфир.
а) Трет-бутилметиловый эфир (СН 3) 3 СОСН 3 .
б) Изопропилэтиловый эфир (СН 3) 2 СНОСН 2 СН 3 , т. к. систему взаимодействия дублет–гептет содержит изолированная изопропильная группа.
в) В относительно слабом поле проявляются протоны при эфирных атомах углерода. По условию один сигнал – синглет, это СН 3 О. Для вещества молекулярной формулы С 5 Н 12 О дублет в спектре принадлежит группе ОСН 2 СН.
Вещество – изобутилметиловый эфир (СН 3) 2 СНСН 2 ОСН 3 .
г) Подобно примеру в) указана особенность сигналов от протонов при атомах углерода, непосредственно связанных с эфирным кислородом. Сигналы в виде триплета и квартета дают протоны, соседствующие с СН 2 - и СН 3 -группами соответственно.
Вещество – н-пропилэтиловый эфир СН 3 СН 2 ОСН 2 СН 2 СН 3 .
- Задача 4. Спектр ПМР вещества А – С 8 Н 8 О – состоит из двух синглетов одинаковой интенсивности при d =5,1 м. д. (острый) и d =7,2 м. д. (широкий).
При обработке избытком бромистого водорода соединение А превращается в дибромид С 8 Н 8 Br 2 (индивидуальное соединение Б, один изомер). Спектр ПМР дибромида подобен спектру вещества А, в нем проявляются два равноценных (по площади) синглета при d =4,7 м. д. (острый) и d =7,3 м. д. (уширенный).
Предложите возможные структурные формулы соединения А и его дибромпроизводного Б.
В состав вещества А – С 8 Н 8 О – входят
бензольное кольцо (d
=7,2 м. д.) и две
эквивалентные группы с эфирной связью типа –Н 2 С–О–СН 2 –.
Заметим, что фенилацетальдегид С 6 Н 5 СН 2 СНО
не отвечает условию задачи, он дает три сигнала в
спектре ПМР. По той же причине не подходят
толуолальдегид СН 3 С 6 Н 4 СНО,
стиролоксид ,
2,3-дигидробензофуран 
Ацетофенон С 6 Н 5 С(О)СН 3 отклоняется по трем причинам: первая – он не присоединяет НBr; вторая – химический сдвиг протонов ацетилгруппы d» 2,1 м. д., а в условии d =5,1 м. д.; третья – синглеты «одинаковой интенсивности», тогда как в ацетофеноне их соотношение 5:3.
Вероятно, зашифрованное вещество А можно
описать одной из предложенных формул:
о-ксиленоксид 
или n-ксиленоксид 
Эти соединения реагируют с бромистым
водородом, образуя вещество Б – дибромид:
- Задача 5. Спектр ПМР соединения С 10 Н 13 BrО показан на рис. 7. Это соединение при нагревании с HBr образует два продукта реакции: бензилбромид С 6 Н 5 СН 2 Br и дибромпропан С 3 Н 6 Br 2 . Определите исходное соединение.
Рис. 7. Спектр ПМР соединения С 10 Н 13 BrО. (Цифрами при пиках слева направо указана интегральная интенсивность сигналов, равная 5:2:2:2:2. Сигналы при d =3,5 м. д. и d =3,6 м. д. представляют два триплета.)
Анализ условия задачи: в соединении четыре группы СН 2 с неэквивалентными протонами, которые проявляются в разных областях спектра ПМР, что приводит к структурной формуле С 6 Н 5 СН 2 ОСН 2 СН 2 СН 2 Br – бензил-3-бромпропиловый эфир. Предлагаемое отнесение сигналов эфира:
Реакция эфира с HBr:
- Задача 6. Соединение с молекулярной формулой С 4 Н 8 О содержит карбонильную группу. Идентифицируйте соединение на основании его спектра ПМР, приведенного на рис. 8.
Рис. 8. Спектр ПМР соединения С 4 Н 8 О. (Сигнал при d =2,4 м. д. происходит от двух протонов и представляет собой неразличимый дуплет триплетов. Сигнал с d =9,8м.д. имеет форму однопротонного триплета с очень маленьким расстоянием между линиями, сливающимися в один пик.)
Химический сдвиг d =9,8 м. д. определяет альдегидную группу –СНО. Другие три сигнала по интегральной интенсивности и мультиплетности соответствуют н-бутаналю:
Отметим, что сигнал от a-метиленовых протонов альдегида СН 3 СН 2 –СН 2 –СНО расщепляется на соседних протонах СН 2 -группы в триплет. Альдегидный протон удваивает картинку, получается два триплета, сливающихся в один триплет.
- Задача 7. Соединение С 7 Н 14 О содержит карбонильную группу. Его спектр ПМР состоит из трех синглетов в соотношении 9:3:2 (по площади пиков) при d соответственно равных 1,0, 2,1 и 2,3 м. д. Определите соединение.
Искомое соединение является кетоном (альдегид дал бы сигнал d» 10 м. д. от протонов СНО). К карбонильной группе присоединены: метил –СH 3 , d =2,1 м. д. и метилен –СН 2 , d =2,3 м. д. Остальные девять протонов приходятся на трет-бутильную группу (СН 3) 3 С–. Протоны каждого вида изолированы (не имеют соседних С–Н-протонов) и проявляются синглетами.
Таким образом, это – метилнеопентилкетон
(4,4-диметилпентанон-2) 
- Задача 8. Соединения А и Б являются изомерными дикетонами формулы С 6 Н 10 О 2 . Спектр ПМР соединения А представлен двумя одиночными сигналами при d =2,2 м. д. (6 Н) и 2,8 м. д. (4 Н). Спектр ПМР соединения Б представлен тоже двумя сигналами при d =1,3 м. д. (триплет, 6 Н) и d =2,8 м. д. (квартет, 4 Н). Какое строение имеют соединения А и Б?
Для вещества А естественно предположить симметричное строение, где каждый углерод, несущий протоны, соединен с апротонным углеродом: СН 3 С(О)СН 2 СН 2 С(О)СН 3 – это ацетонилацетон (гександион-2,5). Протоны двух связанных метиленовых групп эквивалентные.
Для вещества Б характерно наличие двух этильных групп (взаимодействие типа триплет–квартет), поэтому оно имеет формулу СН 3 СН 2 С(О)С(О)СН 2 СН 3 . это – гександион-3,4. Проведем отнесение химических сдвигов протонов разных типов:
- Задача 9. При обработке бутанона-2 (1 моль) молекулярным бромом Вr 2 (2 моль) в водной кислоте HBr образуется вещество С 4 Н 6 Br 2 O. Спектр ПМР этого продукта реакции характеризуется сигналами при d =1,9 м. д. (дублет, 3 Н), 4,6 м. д. (синглет, 2 Н) и 5,2 м. д. (квартет, 1 Н). Определите это соединение.
Бутанон-
является С–Н-кислотой. Карбонильная группа
оттягивает на себя электронную плотность, и
протоны в a
-положении к становятся
кислыми (связи С–Н наименее прочные в 
).
Запишем образование возможных структур – результат замещения двух водородов на атомы брома: Вr 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) и СH 3 C(O)СBr 2 СН 3 (3). По числу сигналов, по их химическим сдвигам, интегральной интенсивности и мультиплетности экспериментальным данным (спектру) удовлетворяет структура (2):
- Задача 10. При бромировании 3-метилбутанона-2 образуются два соединения (изомеры А и Б), каждое с молекулярной формулой С 5 Н 9 BrО и в соотношении 95:5. Спектр ПМР главного изомера А содержит дублет при d =1,2 м. д. (6 Н), гептет при d =3,0 м. д. (1 Н) и синглет при d =4,1 м. д. (2 Н). Спектр ПМР минорного изомера Б (в качестве примеси) выражен двумя синглетами при d =1,9 м. д. и d =2,5 м. д. Синглет при d =2,5 м. д. по площади пика составляет половину от синглета при d =1,9 м. д. Предложите структурные формулы двух этих соединений.
Бромирование 3-метилбутанона-2 происходит в a -положении к карбонильной группе:
- Задача 11. Спектры ПМР кислот муравьиной НООСН, малеиновой цис-НООССН=СНСООН и малоновой НООССН 2 СООН интересны тем, что в каждом содержатся два синглета равной интенсивности. Обозначим спектры этих соединений следующим образом:
спектр А: d =3,2 и d =12,1 м. д.;
спектр Б: d =6,3 и d =12,4 м. д.;
спектр В: d =8,0 и d =11,4 м. д.
Определите, какой спектр соответствует каждой кислоте.
В области химических сдвигов d =11–12,5 м. д. проявляются протоны карбоксильной группы –СООН. Характерными для каждого вещества в отдельности будут значения d =3,2–8,0 м. д., т. е. в более сильном поле. В малоновой и малеиновой кислотах внутренние атомы углерода, находящиеся между карбоксильными группами, являются алифатическими (связаны только с атомами С и Н).
Напротив, в муравьиной кислоте единственный в молекуле углерод – карбоксильный (или карбонильный), поэтому связанный с ним протон Н–СОСН проявляется в слабом поле, d =8 м. д.
Наличие двойной связи в углеродной цепи малеиновой кислоты обусловливает сдвиг при d =6,3 м. д. от протонов –СН=СН– по сравнению с d =3,2 м. д. для –СН 2 – малоновой кислоты.
Итак, спектр А принадлежит малоновой, спектр Б – малеиновой, спектр В – муравьиной кислотам.
- Задача 12. Соединения А и Б являются изомерами с молекулярной формулой С4Н8О3. Определите А и Б по их спектрам ПМР.
Соединение А: d равно 1,3 м. д. (триплет, 3 Н); 3,6 м. д. (квартет, 2 Н); 4,1 м. д. (синглет, 2 Н); 11,1 м. д. (синглет, 1 Н).
Соединение Б: d равно 2,6 м. д. (триплет, 2 Н); 3,4 м. д. (синглет, 3 Н); 3,7 м. д. (триплет, 2 Н); 11,3 м. д. (синглет, 1 Н).
Вещества А и Б являются карбоновыми кислотами, что устанавливается по химическому сдвигу при d» 11 м. д. карбоксильного протона –СООН. Два кислорода входят в состав карбоксильной группы. Третий кислород содержится в молекуле в виде простой эфирной связи С–О–С. По интегральной интенсивности сигналов, их химическим сдвигам и мультиплетности составляем формулы веществ:
- Задача 13. Соединения А и Б – карбоновые кислоты. Напишите структурную формулу каждого соединения по данным спектров ПМР:
а) соединение А (С 3 Н 5 ClO 2) (рис. 9);
Рис. 9. Спектр ПМР соединения А (С 3 Н 5 ClO 2)
б) соединение Б (С 9 Н 9 NO 4) (рис. 10).
Рис. 10. Спектр ПМР соединения Б (С 9 Н 9 NO 4)
а) Вещество А – b -хлорпропионовая кислота ClCH 2 CH 2 COOH. Соседствующие метиленовые группы образуют триплетные сигналы равной интенсивности в разных областях спектра. На этом примере видно, как с помощью спектров ПМР можно оценить электроноакцепторные свойства заместителей: d (СН 2 Cl)=3,77 м. д., d (СН 2 COOH)=2,85 м. д., т. е. хлор более сильный акцептор электронов, чем карбоксильная группа.
б) Вещество Б содержит карбоксильную группу (резонанс карбоксильного протона при d» 12 м. д.), паразамещенное ароматическое бензольное кольцо (четырехлинейчатый спектр при d =7,5–8,2 м. д.), нитрогруппу и два связанных алкильных углерода СН 3 СН (по интегральной интенсивности и характеру расщепления дублет–квартет).
Возможные структурные формулы:
a -(n-нитрофенил)пропионовая кислота
4-(a -нитроэтил)бензойная кислота
Использованная литература
Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во МГУ, 1979, 238 с.; Сильверстейн Р., Басслер Г., Моррил Т. Спектрометрическая идентификация органических соединений. М.: Мир, 1977, 592 с.; Ионин Б.И., Ершов Б.А., Кольцов А.И. ЯМР-спектроскопия в органической химии. Л.: Химия, 1983, 269 с.; Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических соединений. М.: Мир, 1992, 401 с.
