Spectroscopie RMN. Rezonanță magnetică nucleară. Aplicații ale spectroscopiei de rezonanță nucleară RMN
Scindarea alilului- dependenta constantele interacțiunii spin-spin între protoni în sistemele alilice ( 4 J ) care depinde în mare măsură de unghiul de torsiune între planurile formate de atomii HC 2 C 3 şi C 1 C 2 C 3.
Annulens- sisteme conjugate ciclice.
Molecule atropice- molecule de compuși care nu produc curent inelar.
Unghiul de legătură (θ) - unghiul dintre două legături pe un atom de carbon.
Vicinal interacțiune - interacțiunea dintre nuclee care sunt separate prin trei legături.
Decuplare în afara rezonanței(decuplare prin rezonanță oprită) - vă permite să distingeți între semnalele grupărilor CH 3, CH 2, CH și atomul de carbon cuaternar. Pentru a observa decuplarea în afara rezonanței, se folosește o frecvență care este apropiată de deplasarea chimică, dar nu corespunde frecvenței de rezonanță a semnalului. Această suprimare duce la o reducere a numărului de interacțiuni, până la punctul în care sunt înregistrate doar cele directe. J(C,H) interacțiuni.
Geminal interacțiune - interacțiunea dintre nuclee care sunt separate prin două legături.
Spectroscopie de corelație heteronucleară (HETCOR)- în aceste experimente, deplasările chimice ale spectrelor 1 H sunt plasate pe o axă, în timp ce deplasările chimice 13 C sunt plasate pe cealaltă axă. HETCOR - Varianta heteronucleară a COSY, care utilizează interacțiuni heteronucleare indirecte spin-spin între 1 H și 13 C.
HMQC - HEteronucleareMultyQuantumCorelație- inmatriculare 1 N cu decuplare de la 13 C.
HSQC - Corelație multicuantică HEteronucleară- Opțiunea HMQC
COLOC - CORrelation Long (foarte lung)
HMBC (corelație HEteronuclear MultiplBond)- o variantă a experimentului HMQC pentru detectarea interacțiunilor heteronucleare spin-spin pe distanță lungă. HMBC produce un raport semnal-zgomot mai mare decât experimentul HMQC.
Raportul giromagnetic (γ ) - una dintre caracteristicile proprietăților magnetice ale nucleului.
Interacțiune homoalilica- interacţiunea prin 5 legături în sistemul alilic.
Mai departe interacțiune - interacțiunea între nuclee care sunt separate prin mai mult de 3 legături (de obicei prin 4-5 legături).
Senzor- un dispozitiv care asigură transmiterea impulsurilor către eșantion și înregistrarea semnalelor de rezonanță. Senzorii sunt în bandă largă și reglați selectiv. Sunt instalate în regiunea activă a magnetului.
Unghiul diedric (de torsiune).- unghiul format din două plane între legăturile luate în considerare.
BidimensionalJ-spectre. Spectroscopia J bidimensională este caracterizată prin prezența unei coordonate de frecvență asociată cu SSV și a unei a doua coordonate asociate deplasărilor chimice. Cea mai răspândită este reprezentarea de contur a spectrelor J bidimensionale în două coordonate reciproc perpendiculare.
Spectroscopie RMN bidimensională - experimente folosind secvențe de impulsuri, ceea ce face posibilă obținerea spectrului RMN într-o reprezentare în care informația este distribuită pe două coordonate de frecvență și este îmbogățită cu informații despre interdependența parametrilor RMN. Rezultă un spectru pătrat cu două axe ortogonale și un semnal care are un maxim în reprezentarea frecvenței în punctul cu coordonatele (, ), adică pe diagonală.
Scara Delta (δ -scale) - o scară în care deplasarea chimică a protonilor TMS este luată ca zero.
Deplasare diamagnetică- deplasarea semnalului rezonant în regiunea câmpului slab (valori mari δ ).
Molecule diatropice- anulat de la 4 n+2 electroni π, care, conform regulii lui Hückel, sunt aromatici.
Dublet - un semnal de două nuclee care interacționează, care este reprezentat în spectrul 1H RMN prin două linii de aceeași intensitate.
Nuclee izocrone- nuclee având aceeași valoare a deplasării chimice. Adesea sunt echivalente din punct de vedere chimic, adică au același mediu chimic.
Intensitatea semnalului integral(aria de sub curbă) - măsurată de un integrator și prezentată sub formă de trepte, a căror înălțime este proporțională cu suprafața și arată număr relativ protoni.
spectroscopie pulsata - o metodă de excitare a nucleelor magnetice - folosind impulsuri de înaltă frecvență scurte și puternice (sute de kilowați). Un impuls cu o frecvență purtătoare ν o și durata t p creează o bandă de excitație în domeniul de frecvență +1/t p. Dacă lungimea impulsului este de câteva microsecunde și ν o corespunde aproximativ cu centrul regiunii de frecvență de rezonanță pentru un anumit tip de nuclee, atunci banda va acoperi întregul interval de frecvență, asigurând excitarea simultană a tuturor nucleelor. Ca rezultat, este înregistrată o undă sinusoidală (ESW) cu descompunere exponențială. Conține informații atât despre frecvență, adică, de fapt, deplasarea chimică, cât și despre forma liniei. Forma mai familiară pentru noi - spectrul în reprezentarea frecvenței - este obținută din SIS folosind o procedură matematică numită transformată Fourier.
RMN pulsat- o metodă de excitare a nucleelor magnetice folosind impulsuri scurte și puternice (sute de kilowați) de înaltă frecvență. În timpul pulsului, toate nucleele simultan sunt excitați și apoi, după ce pulsul se oprește, nucleii revin (se relaxează) la starea lor fundamentală inițială. Pierderea de energie prin relaxarea nucleelor duce la apariția unui semnal, care este suma semnalelor de la toate nucleele și este descrisă de un număr mare de amortizare. curbe sinusoidale pe o scară de timp, fiecare dintre acestea corespunde unei anumite frecvențe de rezonanță.
Constanta de interacțiune spin-spin (SSIC)- caracteristicile cantitative ale interacţiunii diferitelor nuclee.
Spectroscopie de corelație (COSY) - experimentează cu două impulsuri de 90 o. În acest tip de spectroscopie bidimensională, deplasările chimice ale nucleelor magnetice cuplate cu spin sunt corelate. Spectroscopia COZY bidimensională, în anumite condiții, ajută la dezvăluirea prezenței unor constante foarte mici care sunt de obicei invizibile în spectrele unidimensionale.
CONFORTABIL- experimente în care durata pulsului este variată. Acest lucru face posibilă reducerea dimensiunii vârfurilor diagonale care fac dificilă identificarea vârfurilor încrucișate din apropiere (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - filtru dublu cuantificat - suprimă singletele pe diagonală și interferența corespunzătoare acestora.
COSYLR (rang lung)- Experiment COSY, care vă permite să determinați interacțiuni pe distanță lungă.
TOCSY - TotalCorelațieSpectroscopie- modul de fotografiere, care vă permite să obțineți vârfuri încrucișate între toate roțile sistemului într-un spectru saturat de semnale prin transferarea magnetizării prin legături în fragmentul structural studiat. Cel mai adesea folosit pentru a studia biomolecule.
Frecvența Larmor- frecvența precesiei în RMN.
Echivalent magnetic sunt acele nuclee care au aceeași frecvență de rezonanță și o valoare caracteristică comună a constantei de interacțiune spin-spin cu nucleele oricărui grup vecin.
Coerențe multicuantice- stări de suprapunere, când doi sau mai mulți spin ½ care interacționează sunt reorientați simultan.
RMN multidimensională- înregistrarea spectrelor RMN cu mai mult de o scară de frecvență.
Multiplet - un semnal al unui grup care apare ca mai multe linii.
Interacțiune indirectă de spin - interacțiunea dintre nuclee, care este transmisă în interiorul moleculei printr-un sistem de legături și nu este mediată în timpul mișcării moleculare rapide.
Particule paramagnetice - particule care conțin un electron nepereche, care are un moment magnetic foarte mare.
Deplasare paramagnetică- deplasarea semnalului rezonant către regiunea unui câmp puternic (valori mari δ ).
Molecule paratropice - anulat cu un număr de electroni π egal cu 4 n.
Constanta de interacțiune directă spin-spin este o constantă care caracterizează interacțiunea dintre nucleele care sunt separate printr-o legătură.
Interacțiune directă spin-spin- interacțiunea dintre nuclee, care se transmite prin spațiu.
Semnal rezonant - linia spectrală corespunzătoare absorbției de energie în timpul tranziției între stările proprii cauzată de un oscilator de înaltă frecvență.
Procese de relaxare - pierderea energiei la nivelul superior și revenirea la nivelul energetic inferior din cauza proceselor neradiative.
CU viping- o modificare treptată a câmpului magnetic, în urma căreia se realizează condiții de rezonanță.
Spectre de ordinul întâi- spectre în care diferența de deplasări chimice ale grupurilor individuale de nuclee echivalente magnetic ν o semnificativ mai mare decât constanta de interacțiune spin-spin J .
Relaxare spin-latice - procesul de relaxare (pierderea de energie), al cărui mecanism este asociat cu interacțiunea cu câmpurile electromagnetice locale ale mediului.
Relaxare spin-spin - procesul de relaxare se realizează ca urmare a transferului de energie de la un nucleu excitat la altul.
Interacțiunea spin-spin a electronilor- interacțiunea rezultată din interacțiunea magnetică a diferitelor nuclee, care pot fi transmise prin electronii legăturilor chimice ale nucleelor nelegate direct.
Sistem de rotire- acesta este un grup de nuclee care interacționează între ele, dar nu interacționează cu nucleele care nu fac parte din sistemul de spin.
deplasare chimică - deplasarea semnalului nucleului studiat în raport cu semnalul nucleelor substanței standard.
Nuclee echivalente chimic- nuclee care au aceeași frecvență de rezonanță și același mediu chimic.
Tremur - în spectroscopie RMN, acesta este denumirea bobinelor electromagnetice care creează câmpuri magnetice de intensitate scăzută, care corectează neomogenitățile într-un câmp magnetic puternic.
Schimb de bandă largă(1 N decuplare în bandă largă) - utilizarea iradierii puternice, care acoperă întreaga gamă de deplasări chimice a protonilor, pentru a elimina complet toate interacțiunile 13 C 1 H.
Ecranarea - modificarea poziţiei semnalului rezonant sub influenţa câmpurilor magnetice induse ale altor nuclee.
Efectul Van der Waals- efect care apare în timpul unei interacțiuni spațiale puternice între un proton și un grup învecinat și determină o scădere a simetriei sferice a distribuției electronice și o creștere a contribuției paramagnetice la efectul de ecranare, care, la rândul său, duce la o deplasare a semnalului către un câmp mai slab.
Efectul Zeeman- divizarea nivelurilor de energie într-un câmp magnetic.
Efect de acoperiș- creşterea intensităţii liniilor centrale şi scăderea intensităţii liniilor îndepărtate în multiplet.
Efect de anizotropie magnetică(așa-numitul con de anizotropie) este rezultatul expunerii la câmpuri magnetice induse secundare.
Rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR) - observat pentru nucleele cu număr cuantic de spin eu > 1/2 datorită distribuţiei nesferice a sarcinii nucleare. Astfel de nuclee pot interacționa cu gradienții câmpurilor electrice externe, în special cu gradienții câmpurilor învelișurilor de electroni ale moleculei în care se află nucleul și au stări de spin caracterizate prin energii diferite chiar și în absența unui câmp magnetic extern aplicat.
Magneton nuclear Valoarea magnetonului nuclear se calculează folosind formula:
Rezonanță magnetică nucleară(RMN) este un fenomen fizic folosit pentru a studia proprietățile moleculelor atunci când nucleele atomice sunt iradiate cu unde radio într-un câmp magnetic.
Factorul nuclear - raportul dintre sarcina unui nucleu și masa acestuia.
MINISTERUL SĂNĂTĂȚII AL FEDERĂȚIA RUSĂ
ARTICOL FARMACOPEIAN GENERAL
Spectroscopia OFS nuclear.1.2.1.1.0007.15
rezonanță magnetică în loc de GFXII, partea 1,
OFS 42-0046-07
Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) este o metodă bazată pe absorbția radiației electromagnetice de radiofrecvență de către nucleele unei probe cu un moment magnetic diferit de zero plasate într-un câmp magnetic constant ( B 0). Izotopii nucleelor elementelor cu masă atomică impară (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P etc.) au momente magnetice diferite de zero.
Principii generale
Un nucleu care se rotește în jurul axei sale are propriul său moment unghiular (moment unghiular sau spin) P. Momentul magnetic al nucleului μ este direct proporțional cu spinul: μ = γ ∙P(γ – coeficientul de proporționalitate sau raportul giromagnetic). Momentele unghiulare și magnetice sunt cuantificate, adică poate fi în unul din 2 eu+ 1 stări de rotire ( eu – număr cuantic de spin). Diferitele stări ale momentelor magnetice ale nucleelor au aceeași energie dacă nu sunt acționate de un câmp magnetic extern. La plasarea nucleelor într-un câmp magnetic extern B 0, degenerarea energetică a nucleelor este eliminată și apare posibilitatea unei tranziții energetice de la un nivel la altul. Procesul de distribuție a nucleelor între diferite niveluri de energie decurge în conformitate cu legea distribuției Boltzmann și duce la apariția magnetizării longitudinale de echilibru macroscopic. M z. Timpul necesar pentru a crea M z după pornirea câmpului magnetic extern ÎN 0 se numește timp longitudinal sau a învârti—zăbrele relaxare (T 1). Distribuția de echilibru a nucleelor este perturbată sub influența unui câmp magnetic de radiofrecvență ( B 1), perpendiculară B 0, care determină tranziții suplimentare între nivelurile de energie, însoțite de absorbția de energie (fenomenul rezonanță magnetică nucleară). Frecvență ν 0, la care are loc absorbția de energie de către nuclee ( Larmorova sau frecvența de absorbție a rezonanței), variază în funcție de mărimea câmpului constant B 0: ν 0 = γ B 0/2π. În momentul rezonanței, interacțiunea are loc între momentele magnetice nucleare individuale și câmp ÎN 1 care scoate un vector M z din poziția sa de echilibru de-a lungul axei z. Ca urmare, apare magnetizare transversală M X y. Schimbarea sa, asociată cu schimbul în cadrul sistemului de spin, este caracterizată de timp transversal sau spin-spin relaxare (T 2).
Dependența intensității absorbției de energie de către nucleele de un tip de frecvența câmpului magnetic de radiofrecvență la o valoare fixă ÎN 0 este numit spectru unidimensionalrezonanță magnetică nucleară sâmburi de acest tip. Un spectru RMN poate fi obținut în două moduri: prin iradierea continuă a unei probe cu un câmp de radiofrecvență de frecvență variabilă, rezultând înregistrarea directă a spectrului RMN (spectroscopie de iradiere continuă) sau prin expunerea probei la un impuls scurt de radiofrecvență ( spectroscopie cu puls). Spectroscopia RMN pulsată detectează radiația coerentă care se descompune în timp emisă de nuclee la revenirea la starea lor de spin inițială ( semnal de dezintegrare a inducției libere) urmată de conversia scării de timp în frecvență ( transformata Fourier).
În molecule, electronii atomilor reduc mărimea câmpului magnetic extern efectiv B 0 la locația miezului, adică se manifestă ecranare diamagnetică:
B lok = B 0 ∙ (1 – σ),
B lok – puterea câmpului rezultat;
σ – constanta de screening.
Diferența dintre frecvențele de rezonanță ale semnalelor nucleare, egală cu diferența constantelor lor de ecranare, se numește deplasare chimică semnale, indicate prin simbol δ , măsurată în părți pe milion (ppm). Interacțiunea momentelor magnetice ale nucleelor prin electronii de legătură chimică ( interacțiune spin-spin) provoacă divizarea semnalului RMN ( multiplicitate, m). Numărul de componente din multiplete este determinat de spin-ul nucleului și de numărul de nuclee care interacționează. Măsura interacțiunii spin-spin este constantă de interacțiune spin-spin (J, măsurată în herți, Hz). valori δ, mȘi J nu depind de mărimea câmpului magnetic constant.
Intensitatea semnalului RMN al unui nucleu din spectru este determinată de populația nivelurilor sale de energie. Dintre nucleele cu conținut de izotopi naturali, cele mai intense semnale sunt produse de nucleele de hidrogen. Intensitatea semnalelor RMN este afectată și de timpul de relaxare longitudinal-transvers (lung T 1 duce la o scădere a intensității semnalului).
Lățimea semnalelor RMN (diferența dintre frecvențele la jumătatea maximă a semnalului) depinde de T 1 și T 2. Vremuri mici T 1 și T 2 cauzează semnale cu spectru largi și prost interpretate.
Sensibilitatea metodei RMN (concentrația maximă detectabilă a unei substanțe) depinde de intensitatea semnalului nuclear. Pentru 1 nuclee H, sensibilitatea este de 10 -9 ÷ 10 -11 mol.
Corelațiile diferiților parametri spectrale (de exemplu, deplasări chimice ale diferitelor nuclee în cadrul aceluiași sistem molecular) pot fi obținute prin metode homo- și heteronucleare în format 2D sau 3D.
Dispozitiv
Spectrometrul RMN pulsat (spectrometrul RMN) cu rezoluție înaltă este format din:
- magnet pentru a crea un câmp magnetic constant B 0 ;
- un senzor controlat de temperatură cu un suport de probă pentru eliberarea unui impuls de radiofrecvență și determinarea radiației emise de probă;
- un dispozitiv electronic pentru crearea unui impuls de radiofrecvență, înregistrarea, amplificarea și convertirea semnalului de dezintegrare a inducției libere în formă digitală;
- Dispozitive pentru configurarea şi reglarea circuitelor electronice;
- dispozitive de colectare și prelucrare a datelor (calculator);
și poate include, de asemenea:
celulă de flux pentru analiza de rezonanță magnetică nucleară sau injecție în flux prin cromatografie lichidă;
- sistem pentru crearea unui gradient de câmp magnetic pulsat.
Un câmp magnetic puternic este generat de o bobină supraconductoare într-un balon Dewar umplut cu heliu lichid.
Trebuie verificată funcționarea corespunzătoare a spectrometrului RMN. Pentru a verifica acest lucru, se efectuează teste adecvate, incluzând de obicei măsurarea lățimii liniei spectrale la jumătate din maximum din anumite vârfuri în anumite condiții ( permisiune), reproductibilitatea poziției semnalului și raportul semnal-zgomot (relația dintre intensitatea unui semnal specific în spectrul RMN și fluctuațiile aleatorii în regiunea spectrului care nu conține semnale de la analit, S/N) pentru amestecuri standard. Software-ul spectrometrului conține algoritmi de determinare S/N. Toți producătorii de instrumente oferă specificații și protocoale pentru măsurarea acestor parametri.
Spectroscopia RMN a probelor în soluții
Metodologie
Proba de testat este dizolvată într-un solvent la care se poate adăuga un standard adecvat pentru a calibra schimbarea chimică, așa cum se specifică în documentația de reglementare. Valoarea deplasării chimice relative a nucleului unei substanțe (δ in) este determinată de următoarea expresie:
δ cantitate = (ν cantitate – ν standard)/ν dispozitiv,
ν in-in – frecvența de rezonanță a nucleului substanței, Hz;
ν standard – frecvența de rezonanță a miezului standard, Hz;
ν a dispozitivului este frecvența de funcționare a spectrometrului RMN (frecvența la care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță pentru nucleele de hidrogen la un anumit B 0, MHz).
Pentru soluțiile în solvenți organici, deplasarea chimică în spectrele 1 H și 13 C este măsurată în raport cu semnalul de tetrametilsilan, a cărui poziție este considerată a fi 0 ppm. Deplasările chimice sunt numărate către câmpul slab (la stânga) de la semnalul tetrametilsilan (delta - scară de deplasare chimică). Pentru soluțiile apoase, 2,2-dimetil-2-silanpentan-5-sulfonat de sodiu este utilizat ca standard în spectre 1H RMN, a căror deplasare chimică a protonilor grupării metil este de 0,015 ppm. Pentru spectrele 13 C ale soluțiilor apoase, dioxanul este utilizat ca standard, a cărui deplasare chimică este de 67,4 ppm.
La calibrarea spectrelor 19 F, acidul trifluoracetic sau triclorofluormetanul este utilizat ca standard primar cu deplasare chimică zero; spectre 31 P – soluție 85% de acid ortofosforic sau trimetilfosfat; spectre 15 N – nitrometan sau soluție saturată de amoniac. 1H și 13C RMN utilizează de obicei un standard intern care este adăugat direct la proba de testat. 15 N, 19 F și 31 P RMN utilizează adesea un standard extern, care este păstrat separat într-un tub cilindric coaxial sau capilar.
Când se descrie spectrele RMN, este necesar să se indice solventul în care substanța este dizolvată și concentrația acesteia. Lichidele foarte mobile sunt folosite ca solvenți, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de deuteriu pentru a reduce intensitatea semnalelor solvenților. Solventul deuterat este selectat pe baza următoarelor criterii:
- 1) solubilitatea compusului de testat în acesta;
- 2) absența suprapunerii semnalelor protonilor reziduali ai solventului deuterat cu semnalele compusului de testat;
- 3) absența interacțiunii dintre solvent și compusul de testat, dacă nu se indică altfel.
Atomii de solvenți produc semnale care sunt ușor de identificat prin deplasarea lor chimică și pot fi utilizați pentru a calibra axa de deplasare chimică (standard secundar). Deplasările chimice ale semnalelor protonilor reziduali ai solvenților deuterati au următoarele valori (ppm): cloroform - 7,26; benzen - 7,16; apă - 4,7; metanol -3,35 şi 4,78; dimetil sulfoxid - 2,50; acetonă - 2,05; Poziția semnalului de apă și a protonilor grupelor hidroxil ale alcoolilor depinde de pH-ul mediului și de temperatură.
Pentru analiza cantitativă, soluțiile nu trebuie să conțină particule nedizolvate. Unele cuantificări pot necesita adăugarea unui standard intern pentru a compara intensitatea probei de testat și a probei standard. Probele standard corespunzătoare și concentrațiile acestora trebuie specificate în documentația de reglementare. După introducerea probei într-o eprubetă și capacul, proba este introdusă în magnetul spectrometrului RMN, se setează parametrii de testare (setări, parametri de înregistrare, digitizarea semnalului de dezintegrare a inducției libere). Principalii parametri de testare indicați în documentația de reglementare sunt înregistrați sau stocați într-un computer.
Pentru a preveni deviația spectrului în timp, efectuați o procedură de stabilizare (blocare cu deuteriu) folosind semnalul de deuteriu cauzat de solvenți deuterati, dacă nu se specifică altfel. Dispozitivul este reglat pentru a obține cele mai optime condiții de rezonanță și raport maxim S/N(shimming).
În timpul testului, este posibil să se efectueze mai multe secvențe de cicluri „puls - achiziție de date - pauză”, urmate de însumarea semnalelor individuale de dezintegrare a inducției libere și de medierea nivelului de zgomot. Timpul de întârziere dintre secvențele de impulsuri, în timpul căruia sistemul de spinuri nucleare își restabilește magnetizarea ( D 1), pentru măsurători cantitative trebuie să depășească timpul de relaxare longitudinală T 1: D 1 ≥ 5 T 1 . Software-ul spectrometrului conține algoritmi de determinare T 1 . Dacă valoarea T 1 necunoscut, se recomandă utilizarea valorii D 1 = 25 s.
După transformarea Fourier, semnalele în reprezentarea în frecvență sunt calibrate la standardul selectat și intensitatea lor relativă este măsurată prin integrare - măsurarea raportului dintre zonele semnalelor rezonante. În spectrele 13 C sunt integrate doar semnale de același tip. Precizia integrării semnalului depinde de raport semnal – zgomot (S/N):
Unde u(eu) – incertitudinea standard de integrare.
Numărul de acumulări de dezintegrare prin inducție liberă necesare pentru a obține un raport satisfăcător S/ N, trebuie indicat în documentația de reglementare.
Alături de cele unidimensionale, în scopuri analitice sunt utilizate spectre de corelație bidimensionale homo- și heteronucleare bazate pe o anumită secvență de puls (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE etc.). În spectrele bidimensionale, interacțiunile dintre nuclee apar sub forma unor semnale numite vârfuri încrucișate. Poziția vârfurilor încrucișate este determinată de deplasările chimice ale celor două nuclee care interacționează. Este de preferat să folosiți spectre bidimensionale pentru a determina compoziția amestecurilor și extractelor complexe, deoarece probabilitatea suprapunerii semnalului (picurile încrucișate) în spectrele bidimensionale este semnificativ mai mică decât probabilitatea suprapunerii semnalului în spectrele unidimensionale.
Pentru a obține rapid spectre de heteronuclei (13 C, 15 N etc.), se folosesc metode (HSQC, HMBC), care fac posibilă obținerea spectrelor altor nuclee pe nuclee 1 H folosind mecanisme de interacțiune heteronucleară.
Tehnica DOSY, bazată pe înregistrarea pierderii coerenței de fază a spinurilor nucleare din cauza mișcărilor de translație a moleculelor sub influența unui gradient de câmp magnetic, permite obținerea spectrelor compușilor individuali (separarea spectrală) într-un amestec fără separarea fizică a acestora și determina dimensiunile, gradele de agregare și greutățile moleculare ale obiectelor moleculare (molecule), macromolecule, complexe moleculare, sisteme supramoleculare).
Domenii de utilizare
Varietatea informațiilor structurale și analitice conținute în spectrele de rezonanță magnetică nucleară face posibilă utilizarea metodei rezonanței magnetice nucleare pentru analize calitative și cantitative. Utilizarea spectroscopiei de rezonanță magnetică nucleară în analiza cantitativă se bazează pe proporționalitatea directă a concentrației molare a nucleelor active magnetic cu intensitatea integrală a semnalului de absorbție corespunzător din spectru.
- Stabilirea autenticității substanței active. Determinarea identității substanței active se realizează prin compararea spectrului probei de testat cu spectrul unei probe standard sau cu un spectru de referință publicat. Spectrele probelor standard și de testare trebuie obținute folosind aceleași tehnici și condiții. Vârfurile din spectrele comparate trebuie să coincidă în poziție (abateri ale valorilor δ probe de testare și probe standard în ± 0,1 ppm. pentru rezonanța magnetică nucleară 1 N și ± 0,5 ppm. pentru rezonanța magnetică nucleară 13 C), intensitatea și multiplicitatea integrală, ale căror valori ar trebui date la descrierea spectrelor. În absența unui eșantion standard, poate fi utilizată o probă standard de farmacopee, a cărei identitate este confirmată prin interpretarea structurală independentă a datelor spectrale și metode alternative.
La confirmarea autenticității probelor de compoziție nestoichiometrică (de exemplu, polimeri naturali cu compoziție variabilă), este permisă o discrepanță între vârfurile testului și probele standard în poziție și intensitatea semnalului integrat. Spectrele comparate trebuie să fie similare, adică conțin zone de semnal caracteristice identice care confirmă coincidența compoziției fragmentelor din probele test și standard.
Pentru a stabili autenticitatea unui amestec de substanțe (extrase), este posibil să se utilizeze spectre RMN unidimensionale în ansamblu, ca „amprente digitale” ale unui obiect, fără a detalia valorile δ și multiplicitatea semnalelor individuale. În cazul utilizării spectroscopiei RMN bidimensionale, atunci când se descriu spectre (fragmente de spectru) revendicate pentru autenticitate, trebuie date valorile vârfurilor încrucișate.
- Identificarea contaminanților străini/solvenți organici reziduali. Identificarea impurităților străine/solvenților organici reziduali se realizează în mod similar cu stabilirea autenticității substanței active, înăsprirea cerințelor de sensibilitate și rezoluție digitală.
- Determinarea conținutului de impurități străine/solvenți organici reziduali în raport cu substanța activă. Metoda RMN este o metodă absolută directă pentru determinarea raportului molar dintre substanța activă și compusul impur ( n/n amestec):
Unde S‘ Și S‘ impuritate – valori normalizate ale intensităților de semnal integrale ale substanței active și impurităților.
Normalizarea se realizează în funcție de numărul de nuclee din fragmentul structural care determină semnalul măsurat.
Fracția de masă de impuritate/solvent organic rezidual în raport cu substanța activă ( X etc) sunt determinate de formula:
M pr este greutatea moleculară a impurității;
M– greutatea moleculară a substanței active;
S‘ pr – valoarea normalizată a intensității integrate a semnalului de impurități;
S'– valoarea normalizată a intensității semnalului integral al substanței active.
- Determinarea cantitativă a conținutului unei substanțe (substanță activă, impuritate/solvent rezidual) într-o substanță farmaceutică. Conținut absolut de substanță într-o substanță farmaceutică se determină prin metoda standard intern, în care se selectează o substanță ale cărei semnale sunt apropiate de semnalele substanței care se determină, fără a se suprapune cu acestea. Intensitățile semnalului analitului și ale standardului nu ar trebui să difere semnificativ.
Procentul de analit din proba de testat în materie de substanță uscată ( X,% masa) se calculează folosind formula:
X,% masa = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ A 0 /M 0 ∙ A) ∙ ,
S'– valoarea normalizată a intensității semnalului integral al analitului;
S‘ 0 – valoarea normalizată a intensității integrale a semnalului standard;
M– greutatea moleculară a substanței care se determină;
M 0 – greutate moleculară;
A– proba cântărită a probei de testat;
un 0– porțiune cântărită din substanța standard;
W- umiditate, %.
Următorii compuși pot fi utilizați ca substanțe standard: acid maleic (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzoat de benzii (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), acid malonic (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), succinimidă (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), acetanilid (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), freacă-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).
Conținut relativ de substanță modul în care proporția unui component într-un amestec de componente ale unei substanțe farmaceutice este determinată prin metoda de normalizare internă. Molnaya ( X mol) și masă ( X masa) fracție componentă iîn amestec n substanțele este determinată de formulele:
- Determinarea masei moleculare a proteinelor si polimerilor. Greutățile moleculare ale proteinelor și polimerilor sunt determinate prin compararea mobilității acestora cu mobilitatea compușilor standard cu greutate moleculară cunoscută folosind tehnici DOSY. Se măsoară coeficienții de autodifuzie ( D) probe de testare și probe standard, reprezentați grafic dependența logaritmilor greutăților moleculare ale compușilor standard de logaritmi D. Folosind graficul astfel obținut, greutățile moleculare necunoscute ale probelor de testat sunt determinate prin regresie liniară. O descriere completă a experimentului DOSY trebuie să fie dată în documentația de reglementare.
Spectroscopia RMN a solidelor
Probele în stare solidă sunt analizate folosind spectrometre RMN special echipate. Anumite operații tehnice (rotația unei probe de pulbere într-un rotor înclinat la un unghi magic (54,7°) față de axa câmpului magnetic ÎN 0, împerecherea forțelor, transferul de polarizare de la nuclee ușor excitabile la nuclee mai puțin polarizabile - polarizare încrucișată) fac posibilă obținerea de spectre de compuși organici și anorganici cu rezoluție înaltă. O descriere completă a procedurii trebuie să fie furnizată în documentația de reglementare. Principalul domeniu de aplicare al acestui tip de spectroscopie RMN este studiul polimorfismului medicamentelor solide.
Metoda spectroscopiei RMN se bazează pe proprietățile magnetice ale nucleelor. Nucleele atomilor poartă o sarcină pozitivă și se rotesc în jurul axei lor. Rotirea sarcinii duce la apariția unui dipol magnetic.
Momentul unghiular de rotație, care poate fi descris prin numărul cuantic de spin (I). Valoarea numerică a numărului cuantic de spin este egală cu suma numerelor cuantice de spin ale protonilor și neutronilor incluși în nucleu.
Numărul cuantic de spin poate lua valoarea
Dacă numărul de nucleoni este par, atunci valoarea I = 0 sau un număr întreg. Acestea sunt nucleele C 12, H 2, N 14; astfel de nuclee nu absorb radiația de radiofrecvență și nu produc semnale în spectroscopia RMN.
I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - absorb radiația de radiofrecvență și produc un semnal de spectru RMN.
I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - distribuție nesimetrică a sarcinii pe suprafața nucleului. Ceea ce duce la apariția unui moment quadropol. Astfel de nuclee nu sunt studiate prin spectroscopie RMN.
PMR - spectroscopie
Valoarea numerică a lui I (I = ±1/2) determină numărul de orientări posibile ale nucleului într-un câmp magnetic extern în conformitate cu formula:
Din această formulă este clar că numărul de orientări este 2.
Pentru a face tranziția unui proton situat la un nivel inferior la unul superior, trebuie să i se acorde o energie egală cu diferența de energie a acestor niveluri, adică iradiat cu radiații de o puritate strict definită. Diferența de niveluri de energie (ΔΕ) depinde de mărimea câmpului magnetic impus (H 0) și de natura magnetică a nucleelor, descrisă de momentul magnetic (μ). Această valoare este determinată de rotație:
, Unde
h – constanta lui Planck
Mărimea câmpului magnetic extern
γ – coeficientul de proporționalitate, numit raport giromagnetic, determină relația dintre numărul cuantic de spin I și momentul magnetic μ.
– ecuația RMN de bază, conectează mărimea câmpului magnetic extern, natura magnetică a nucleelor și puritatea radiației la care are loc absorbția energiei radiațiilor și nucleele se deplasează între niveluri.
Din înregistrarea de mai sus este clar că pentru aceleași nuclee, protoni, există o relație strictă între valoarea lui H 0 și μ.
Deci, de exemplu, pentru ca nucleele de protoni dintr-un câmp magnetic extern de 14000 Gauss să se deplaseze la un nivel magnetic mai înalt, ei trebuie să fie iradiați cu o frecvență de 60 MHz; dacă până la 23000 Gauss, atunci radiația cu o frecvență de 60 MHz. Va fi necesar 100 MHz.
Astfel, din cele de mai sus rezultă că părțile principale ale unui spectrometru RMN ar trebui să fie un magnet puternic și o sursă de radiație de radiofrecvență.
Substanța de analiză se pune într-o fiolă din tipuri speciale de sticlă de 5 mm grosime. Amplasam fiola in golul unui magnet, pentru o distributie mai uniforma a campului magnetic in interiorul fiolei, acesta se roteste in jurul axei acesteia, cu ajutorul unei bobine radiatia este generata continuu de radiatia de radiofrecventa. Frecvența acestei radiații variază într-un interval mic. La un moment dat, când frecvența corespunde exact cu ecuația spectroscopiei RMN, se observă absorbția energiei radiației și protonii își reorientează spinul - această absorbție de energie este înregistrată de bobina receptoare sub forma unui vârf îngust.
În unele modele de spectrometre μ=const, iar în culoarul mici valoarea lui H 0 se modifică. Pentru înregistrarea spectrului este nevoie de 0,4 ml de substanță; dacă o substanță solidă este dizolvată într-o soluție adecvată, este necesar să se ia 10-50 ml/g de substanță.
Pentru a obține un spectru de înaltă calitate, este necesar să se utilizeze soluții cu o concentrație de 10-20%. Limita de sensibilitate RMN corespunde la 5%.
Pentru a crește sensibilitatea folosind un computer, se folosesc multe ore de acumulare de semnal, în timp ce semnalul util crește în intensitate.
În îmbunătățirea ulterioară a tehnicii de spectrodistribuție RMN, a început utilizarea conversiei Fourier - semnal. În acest caz, proba nu este iradiată cu radiații cu o frecvență care variază lent, ci cu radiații care conectează toate frecvențele într-un singur pachet. În acest caz, radiația de o frecvență este absorbită, iar protonii se deplasează la nivelul de energie superior, apoi pulsul scurt este oprit și după aceea protonii excitați încep să piardă energia absorbită și să treacă la nivelul inferior. Acest fenomen energetic este înregistrat de sistem ca o serie de impulsuri de milisecunde care se diminuează în timp.
Solventul ideal este o substanță care nu conține protoni, adică tetraclorură de carbon și sulf de carbon, dar unele substanțe nu se dizolvă în aceste soluții, astfel încât orice solvenți în moleculele cărora atomii izotopului ușor H1 sunt înlocuiți cu atomi. ale izotopului greu deuteriu se folosesc. Frecvența izotopului trebuie să corespundă cu 99%.
СDCl 3 – deuteriu
Deuteriul nu produce semnal în spectrele RMN. O dezvoltare ulterioară a metodei a fost utilizarea unui computer de mare viteză și conversia ulterioară a semnalului. În acest caz, în locul ultimei scanări a frecvenței radiației, eșantionului se suprapune radiația instantanee care conține toate frecvențele posibile. În acest caz, are loc excitarea instantanee a tuturor nucleelor și reorientarea spinurilor lor. După ce radiația este oprită, nucleele încep să elibereze energie și să se deplaseze la un nivel de energie mai scăzut. Această explozie de energie durează câteva secunde și constă dintr-o serie de impulsuri de microsecunde, care sunt înregistrate de sistemul de înregistrare sub forma unei furci.
Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopie RMN- o metodă spectroscopică de studiere a obiectelor chimice, folosind fenomenul de rezonanță magnetică nucleară. Fenomenul RMN a fost descoperit în 1946 de către fizicienii americani F. Bloch și E. Purcell. Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică de protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN pe carbon-13 (spectroscopie 13 C RMN), fluor-19 (spectroscopie 19 F RMN), fosfor-31 ( 31 P). Spectroscopie RMN). Dacă un element are un număr atomic impar sau un izotop al oricărui element (par par) are un număr de masă impar, nucleul unui astfel de element are un spin diferit de zero. Dintr-o stare excitată la o stare normală, nucleele se pot întoarce, transferând energia de excitație în „rețeaua” înconjurătoare, ceea ce înseamnă în acest caz electroni sau atomi de alt tip decât cei studiati. Acest mecanism de transfer de energie se numește relaxare spin-latice, iar eficiența lui poate fi caracterizată printr-o constantă T1, numită timp de relaxare spin-latice.
Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în chimia organică teoretică, cât și pentru analiza obiectelor biologice.
Tehnica de bază RMN
O probă dintr-o substanță pentru RMN este plasată într-un tub de sticlă cu pereți subțiri (fiolă). Când este plasat într-un câmp magnetic, nucleele active RMN (cum ar fi 1 H sau 13 C) absorb energie electromagnetică. Frecvența de rezonanță, energia de absorbție și intensitatea semnalului emis sunt proporționale cu puterea câmpului magnetic. Deci, într-un câmp de 21 Tesla, un proton rezonează la o frecvență de 900 MHz.
Deplasare chimică
În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe ușor diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu mărimea inducției câmpului magnetic, această deplasare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic, cunoscută sub numele de deplasare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o modificare relativă față de unele probe de referință. Deplasarea frecvenței este extrem de mică în comparație cu frecvența RMN principală. Deplasarea de frecvență tipică este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, schimbarea chimică este adesea exprimată în părți per milion (ppm). Pentru a detecta o diferență de frecvență atât de mică, câmpul magnetic aplicat trebuie să fie constant în interiorul volumului probei.
Deoarece o schimbare chimică depinde de structura chimică a unei substanțe, este utilizată pentru a obține informații structurale despre moleculele dintr-o probă. De exemplu, spectrul pentru etanol (CH 3 CH 2 OH) dă 3 semnale distinctive, adică 3 deplasări chimice: unul pentru grupul CH 3, al doilea pentru grupul CH 2 și ultimul pentru OH. Deplasarea tipică pentru o grupare CH3 este de aproximativ 1 ppm, pentru o grupare CH2 atașată la OH este de 4 ppm și pentru OH este de aproximativ 2-3 ppm.
Datorită mișcării moleculare la temperatura camerei, semnalele celor 3 protoni metil sunt mediate în timpul procesului RMN, care durează doar câteva milisecunde. Acești protoni degenerează și formează vârfuri la aceeași schimbare chimică. Software-ul vă permite să analizați dimensiunea vârfurilor pentru a înțelege câți protoni contribuie la aceste vârfuri.
Interacțiune spin-spin
Cele mai utile informații pentru determinarea structurii într-un spectru RMN unidimensional este furnizată de așa-numita interacțiune spin-spin între nucleele active RMN. Această interacțiune rezultă din tranzițiile între diferitele stări de spin ale nucleelor din moleculele chimice, ducând la divizarea semnalelor RMN. Această divizare poate fi simplă sau complexă și, în consecință, poate fi fie ușor de interpretat, fie poate fi confuză pentru experimentator.
Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor din moleculă.
Interacțiune de ordinul doi (puternic)
Cuplarea simplă spin-spin presupune că constanta de cuplare este mică în comparație cu diferența de deplasări chimice dintre semnale. Dacă diferența de deplasare scade (sau constanta de interacțiune crește), intensitatea multipleților de probă devine distorsionată și devine mai dificil de analizat (mai ales dacă sistemul conține mai mult de 2 rotiri). Cu toate acestea, în spectrometrele RMN de mare putere, distorsiunea este de obicei moderată și acest lucru permite interpretarea cu ușurință a vârfurilor asociate.
Efectele de ordinul doi scad pe măsură ce diferența de frecvență între multipleți crește, astfel încât un spectru RMN de înaltă frecvență prezintă mai puțină distorsiune decât un spectru de frecvență joasă.
Aplicarea spectroscopiei RMN la studiul proteinelor
Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt făcute în așa-numita spectroscopie RMN a proteinelor, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Un obiectiv comun este obținerea de structuri de proteine tridimensionale de înaltă rezoluție, similare imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul de bază 1H este aglomerat cu semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.
Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente, metoda atomului marcat este utilizată folosind 13 C sau 15 N. În acest fel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit tehnici (atât cu avantaje, cât și cu dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.
Analiza cantitativă RMN
În analiza cantitativă a soluțiilor, aria vârfului poate fi utilizată ca măsură a concentrației în metoda grafică de calibrare sau metoda de adăugare. Există, de asemenea, metode cunoscute în care un grafic gradat reflectă dependența de concentrație a deplasării chimice. Utilizarea metodei RMN în analiza anorganică se bazează pe faptul că în prezența substanțelor paramagnetice, timpul de relaxare nucleară se accelerează. Măsurarea ratei de relaxare poate fi efectuată prin mai multe metode, una fiabilă și universală este, de exemplu, versiunea în impulsuri a metodei RMN sau, așa cum se numește de obicei, metoda spin echo. Atunci când se măsoară prin această metodă, probei studiate sunt aplicate impulsuri de radiofrecvență de scurtă durată într-un câmp magnetic la anumite intervale în regiunea de absorbție rezonantă.În bobina receptoare apare un semnal ecou de spin, a cărui amplitudine maximă este legată la timpul de relaxare printr-o relație simplă. Pentru a efectua determinări analitice convenționale nu este nevoie să găsiți valorile absolute ale ratelor de relaxare. În aceste cazuri, ne putem limita la măsurarea unei cantități proporționale cu acestea, de exemplu, amplitudinea semnalului de absorbție rezonantă. Măsurătorile de amplitudine pot fi efectuate folosind un echipament simplu, mai accesibil. Un avantaj semnificativ al metodei RMN este gama largă de valori ale parametrului măsurat. Folosind setarea ecoului de spin, timpul de relaxare poate fi determinat de la 0,00001 la 100 s. cu o eroare de 3...5%. Acest lucru face posibilă determinarea concentrației unei soluții într-un interval foarte larg de la 1...2 la 0,000001...0000001 mol/l.Tehnica analitică cea mai frecvent utilizată este metoda graficului de calibrare.
Pentru școlile cu studii aprofundate de chimie
La cursurile de liceu, chimia organică se studiază pe clase de substanțe. În primul rând, considerăm hidrocarburile CA H B - saturate (liniare și ciclice) și nesaturate (inclusiv aromatice). Apoi se adaugă oxigen O la atomii de două tipuri C și H. Compușii care conțin oxigen C A H B O C sunt alcooli ROH, eteri R–O–R, fenoli ArOH, aldehide RCHO, acizi carboxilici RCOOH, unii derivați ai acizilor carboxilici - esterii RCOOR" , grăsimi - esteri de glicerol, carbohidrați (polihidroxialdehide). Ulterior (programul clasei a XI-a) în compoziția compușilor organici apare atomul de azot N. Moleculele compușilor azotați conțin atomi a trei elemente - C, H și N (amine C A H B N C ) - sau patru - C, H, N și O (amide, aminoacizi, proteine; formula generală C A H B N C O D). La tema „Acizi nucleici” se menționează heterocicli cu azot purinic și pirimidină. Alți derivați ai substanțelor organice sunt halogen- , sulfo- , compușii nitro nu sunt considerați separat ca clase.
Schema pentru studierea substanțelor din fiecare clasă este construită conform unui plan:
1) compoziție (ce atomi sunt conținute în moleculă și câți din fiecare tip);
2) structura (cum sunt conectați acești atomi, izomerie);
3) proprietăți (fizice - puncte de topire și de fierbere, densitate, solubilitate etc.; chimice - diverse transformări cu modificări ale compoziției sau structurii substanței inițiale);
4) producție (materii prime naturale - unde și sub ce formă se găsește această substanță; prin ce metode chimice se poate obține din alte substanțe);
5) aplicare (cum este folosită de natură și om);
6) sarcini de consolidare a primelor cinci puncte.
Ne propunem să suplimentăm puțin schema adoptată. Pentru a identifica substanțele și a confirma compoziția și structura lor, este convenabil să se utilizeze metoda spectroscopiei - rezonanța magnetică a protonilor (PMR). Teoria problemei este prezentată pe scurt în ziarul „Chimie”, nr. 29/1998 și în revista „Chimie la școală”, nr. 2/1999. Pentru a învăța cum să descifrați cele mai simple spectre PMR, trebuie să înțelegeți următoarele caracteristici sau caracteristici ale acestora.
Vârfurile din imaginea spectrului PMR sunt semnale de absorbție a energiei unui câmp magnetic extern aplicat de către protonii substanței.
Numărul de grupuri de semnal indică câți protoni de diferite tipuri sunt în moleculă. Protonii echivalenți din punct de vedere chimic (cu același mediu) absorb energie în aceeași regiune a spectrului. De exemplu, în spectrul PMR al 3-cloropentanului
există trei seturi de semnale din trei grupuri de protoni echivalenți:
Deplasarea chimică (d) este deplasarea semnalului spectrului pe scară în funcție de mediul chimic al protonului. Atomii acceptori de electroni și grupurile de atomi din apropierea protonului absorbant (prin una sau două legături chimice) deplasează absorbția în regiunea câmpului slab (valori d mari). Tetrametilsilanul (CH3)4Si (TMS) este utilizat ca standard față de care se măsoară deplasările chimice. Semnalele PMR ale substanței de testat apar în spectrul din stânga semnalului TMS.
Valorile deplasărilor chimice sunt exprimate în unități speciale - părți pe milion (ppm). Pe scara de schimbare chimică, sau scara d, locația semnalului TMS este luată ca 0 ppm și este desemnată în partea dreaptă a scalei, așa cum se arată în Fig. 1. Valorile relativ mari ale lui d corespund unei regiuni cu câmp magnetic slab și invers, valori mici ale acestei valori corespund unei regiuni cu câmp magnetic puternic.
Orez. 1. Spectrul PMR al 1,2-dicloretanului
Zona vârfului semnalului (conturată de înregistrator) - intensitatea semnalului - arată abundența relativă a fiecărui tip de proton din moleculă.
Împărțirea semnalului în mai multe vârfuri indică interacțiunea protonului în cauză cu alți protoni neechivalenți (cu medii diferite) sau cu alte nuclee cu numere de masă impare (19 F, 31 P etc.).
Există tabele de referință care indică gama de deplasări chimice ale diferitelor tipuri de protoni. Folosindu-le, puteți determina în ce regiune a spectrului un anumit proton dă un semnal (tabel).
Deplasări chimice ale diferitelor tipuri de protoni
în spectrele PMR
*Deplasările chimice ale protonilor combinate cu azotul și oxigenul depind de temperatura și concentrația soluției.
Adesea, în spectrele PMR, semnalul de la protoni echivalenți apare nu ca un vârf separat (singlet), ci ca un set al acestora. Semnalul poate fi împărțit în două (dublet), trei (triplet), patru (cvartet) sau mai multe vârfuri. Această divizare a semnalelor se datorează interacțiunii nucleelor de hidrogen neechivalente (protoni). Aceasta este o interacțiune spin-spin care are loc prin electronii legăturilor chimice care conectează nucleele atomilor.
Numărul de vârfuri în care este împărțit semnalul de la protoni echivalenți se numește multiplicitate. În cazuri simple, se folosește regula: multiplicitatea semnalului de la protoni echivalenți este egală cu n + 1, unde n este numărul de protoni localizați la atomii de carbon vecini. Astfel de protoni de tip H–C–C–H, separați prin trei legături, se numesc protoni vicinali. Pe baza multiplicității semnalului, se poate aprecia numărul de protoni vecini cu protonii responsabili pentru un anumit semnal.
Exemplul 1. 1,1,2-Tricloretan Cl 2 CH–CH 2 Cl conține două tipuri de protoni – metilen (în grupul –CH 2 Cl) și metină (în grupul –CHCl 2), care sunt caracterizați în spectru prin două semnale: d ( CH2Cl) = 3,5 ppm și d (CHCl 2) = 5,5 ppm, așa cum se arată în Fig. 2. Semnalul de la –CH 2 Cl are două vârfuri (dublet), semnalul de la –CHCl 2 are trei vârfuri (triplet). Să folosim regula: multiplicitatea semnalului este n + 1, unde n este numărul de protoni vicinali.
Orez. 2. Spectrul PMR al 1,1,2-tricloretanului
Exemplul 2. În Fig. Figura 3 prezintă spectrul PMR al 1,1-dicloretanului. Protonii metil din spectru sunt caracterizați printr-un dublet centrat la d = 2,0m. d., protonul metin dă un cvartet centrat la d = 5,9 ppm.
Orez. 3. Spectrul PMR al 1,1-dicloretanului
O caracteristică importantă a interacțiunii spin-spin este că protonii cu aceeași deplasare chimică (protoni echivalenți) nu despart semnalele unul de celălalt, așa cum demonstrează următoarele exemple.
Exemplul 3. În 1,2-dicloretan ClCH 2 CH 2 Cl toți protonii sunt echivalenți, spectrul va avea un semnal sub forma unui singlet. Valoarea deplasării chimice d (CH2Cl) = 3,69 ppm (vezi Fig. 1).
Exemplul 4. Substanța 2,3-dimetilbutan (CH 3) 2 CHCH (CH 3) 2 constă din două grupări izopropil. Semnalele de la protonii echivalenți ai celor patru grupări CH3 sunt împărțite de protonii grupărilor metină într-un dublet. La rândul său, semnalul protonului metin este împărțit de șase protoni vicinali ai grupărilor metil într-un heptet (Fig. 4).
Orez. 4. Spectrul PMR al 2,3-dimetilbutanului
Folosind spectrele PMR, este posibil să se facă distincția între izomerii substanțelor (având aceeași formulă moleculară). De exemplu, spectrele izomerilor 1,1-dicloretanului (vezi Fig. 3) și 1,2-dicloretanului (vezi Fig. 1) sunt complet diferite.
Exemplul 5. Spectrul unei substanţe cu compoziţia C 2 H 3 Cl 3, aparţinând 1,1,2-tricloretanului (vezi Fig. 2), conţine două semnale: d (CH 2 Cl) = 3,5 ppm (dublet) şi d (CHCI2) = 5,5 ppm (triplet). Spectrul izomerului 1,1,1-tricloretanului său conține un singlet din protonii echivalenți ai grupării metil d (CH3) = 2,7 ppm.
Deci, spectrele PMR oferă informații foarte clare și informative despre compoziția și structura unei substanțe. Sunt universale - aplicabile tuturor claselor de compuși organici. A învăța să înțelegi spectre nu este atât de dificil, iar rezolvarea lor este mai distractiv decât jocul de solitaire. Iată sarcini tipice folosind spectroscopie RMN.
- Sarcina 1. Identificați următorii alcooli după spectrele lor PMR:
a) compusul A – C 14 H 14 O (Fig. 5) și compusul B – C 9 H 11 BrO (Fig. 6).
Orez. 5. Spectrul PMR al compusului A (C14H14O)
a) Cheia soluției este dată de un semnal cu o deplasare chimică a protonilor aromatici d = 7,2–7,4 ppm cu o intensitate corespunzătoare la 10 N (vezi Fig. 5). Două grupări fenil C 6 H 5 conținute într-o moleculă de substanță A sunt responsabile pentru acest semnal în spectru.Singletul la d = 2,27 ppm se datorează protonului grupării hidroxil, iar alți substituenți la carbonul alcoolului sunt C 6 Grupele H5 (două) şi CH3 (semnal centrat la d = 1,89 ppm, singlet, 3H). Substanța dorită A este 1,1-difeniletanol-1
(C6H5)2CCH3.
OH
b) Substanța B conține un inel benzenic disubstituit, evidențiat de semnalul d = 6,90–7,45 ppm (cvartet, 4 H).
Orez. 6. Spectrul PMR al compusului B (C9H11BrO)
Deplasări chimice d = 0,82 ppm (triplet, 3 H) și d = 1,60 ppm (cvartet, 2 H), intensitatea acestor semnale determină gruparea etil CH 3 CH 2. Semnalul la d = 2,75 ppm (singlet, 1 H) corespunde protonului hidroxil OH; semnalul la d = 4,40 ppm (triplet, 1 H) aparține protonului metin adiacent grupării metilen (CHCH 2). Mai mult, apariția unui semnal într-un câmp slab indică legătura CH cu gruparea hidroxil.
Rămâne de determinat poziția atomului de brom în inelul benzenic. Se știe că semnalul sub forma unui cvartet simetric (4 H) este caracteristic inelului benzenic n-substituit.
Ca rezultat, a fost obținută formula structurală
substanța dorită se numește 1-(4"-bromfenil)propanol-1.
- Problema 2. Diolul C 8 H 18 O 2 nu reacționează cu acidul periodic, spectrul său PMR conține trei singlete la (ppm) d = 1,2 (12 H), d = 1,6 (4 H) și d = 2,0 (2 H) . Care este structura unui diol?
Dacă diolul nu reacționează cu acidul periodic, înseamnă că atomii de carbon care poartă grupări hidroxil sunt separați de cel puțin o grupare metilen. Apariția tuturor semnalelor sub formă de singlete indică faptul că în lanțul de carbon atomii de carbon care conțin protoni alternează cu carbonii aprotici.
Semnalul la d = 1,2 (12 H) provine de la protonii a patru grupări CH3 de margine echivalente; semnal la d = 2,0 (2 H) – de la doi protoni hidroxil ai diolului; semnalul la d = 1,6 (4 H) este din două grupări metilen echivalente (nu există nicio divizare a semnalului pe protonii vecini!). Substanța dată are structura
și se numește 2,5-dimetilhexandiol-2,5.
- Sarcina 3. Răspundeți la următoarele întrebări referitoare la spectrele PMR ale esterilor izomeri cu formula moleculară C 5 H 12 O.
a) Care dintre eteri conține doar singlete în spectrul PMR?
b) Printre alte semnale, un eter dat are un sistem de interacțiune dublut-heptet. Numiți eterul.
c) Alături de alte semnale, spectrul PMR al acestui eter conține două semnale într-un câmp relativ slab, unul este un singlet, celălalt este un dublet. Care este structura acestui eter?
d) O caracteristică a spectrului sunt două semnale într-un câmp relativ slab: unul este un triplet, celălalt este un cvartet. Numiți eterul.
a) Tert-butil metil eter (CH 3 ) 3 COCH 3.
b) Izopropil etil eter (CH 3) 2 CHOCH 2 CH 3, deoarece sistemul de interacțiune dublut-heptet conține o grupare izopropil izolată.
c) Într-un câmp relativ slab, protonii apar la atomii de carbon eterici. Prin convenție, un semnal este un singlet, acesta este CH 3 O. Pentru o substanță cu formula moleculară C 5 H 12 O, dubletul din spectru aparține grupului OCH 2 CH.
Substanța este izobutil metil eter (CH 3 ) 2 CHCH 2 OCH 3.
d) Similar exemplului c), este indicată particularitatea semnalelor de la protoni la atomii de carbon direct asociați cu oxigenul eteric. Semnalele triplet și cvartet sunt produse de protoni adiacenți grupelor CH2 și, respectiv, CH3.
Substanța este n-propiletil eter CH3CH2OCH2CH2CH3.
- Problema 4. Spectrul PMR al substanței A – C 8 H 8 O – este format din două singlete de intensitate egală la d = 5,1 ppm (sharp) și d = 7,2 ppm (larg).
Când este tratat cu bromură de hidrogen în exces, compusul A este transformat în dibromură C8H8Br2 (compus individual B, un izomer). Spectrul RMN al dibromurii este similar cu spectrul substanței A; prezintă două singlete echivalente (în suprafață) la d = 4,7 ppm (ascuțit) și d = 7,3 ppm (larg).
Sugerați posibile formule structurale ale compusului A și derivatului său dibrom B.
Compoziția substanței A – C 8 H 8 O – include un inel benzenic (d = 7,2 ppm) și două grupe echivalente cu o legătură eterică de tip –H 2 C–O–CH 2 –. Rețineți că fenilacetaldehida C 6 H 5 CH 2 CHO nu îndeplinește condițiile problemei; ea dă trei semnale în spectrul PMR. Din același motiv, toluen aldehida CH 3 C 6 H 4 CHO, oxid de stiren, 2,3-dihidrobenzofuran 
Acetofenona C6H5C(O)CH3 este respinsă din trei motive: în primul rând, nu adaugă HBr; a doua este deplasarea chimică a protonilor grupei acetil d" 2,1 ppm, iar în condiția d = 5,1 ppm; al treilea este single-uri de „aceeași intensitate”, în timp ce în acetofenonă raportul lor este de 5:3.
Probabil, substanța criptată A poate fi descrisă prin una dintre formulele propuse: o-xilen oxid 
sau n-xilen oxid 
Acești compuși reacționează cu bromura de hidrogen, formând substanța B - dibromură:
- Problema 5. Spectrul PMR al compusului C 10 H 13 BrО este prezentat în Fig. 7. Când este încălzit cu HBr, acest compus formează doi produși de reacție: bromură de benzii C 6 H 5 CH 2 Br și dibromopropan C 3 H 6 Br 2. Determinați conexiunea la sursă.
Orez. 7. Spectrul PMR al compusului C10H13BrО. (Numerele de la vârfurile de la stânga la dreapta indică intensitatea integrată a semnalelor, egală cu 5:2:2:2:2. Semnalele la d = 3,5 ppm și d = 3,6 ppm reprezintă două triplete.)
Analiza condițiilor problematice: compusul conține patru grupe CH 2 cu protoni neechivalenți, care apar în diferite regiuni ale spectrului PMR, ceea ce duce la formula structurală C 6 H 5 CH 2 OCH 2 CH 2 CH 2 Br - benzil-3 -bromopropil eter. Alocarea propusă a semnalelor de difuzare:
Reacția eterului cu HBr:
- Problema 6. Un compus cu formula moleculară C 4 H 8 O conţine o grupare carbonil. Identificați compusul pe baza spectrului său RMN prezentat în Fig. 8.
Orez. 8. Spectrul RMN al compusului C 4 H 8 O. (Semnalul la d = 2,4 ppm provine de la doi protoni și este un dublet indistinguibil de tripleți. Semnalul cu d = 9,8 ppm are forma unui triplet cu un singur proton cu o distanță foarte mică între liniile care se unesc într-un singur vârf.)
Deplasarea chimică d =9,8 ppm determină gruparea aldehidă –CHO. Celelalte trei semnale corespund n-butanalului din punct de vedere al intensității și multiplicității integrale:
Rețineți că semnalul de la protonii a-metilenului aldehidei CH 3 CH 2 –CH 2 –CHO este împărțit la protonii vecini ai grupului CH 2 într-un triplet. Protonul aldehidic dublează imaginea, rezultând două triplete care se contopesc într-un triplet.
- Problema 7. Compusul C 7 H 14 O conţine o grupare carbonil. Spectrul său RMN constă din trei singlete într-un raport de 9:3:2 (după aria vârfului) cu d egal cu, respectiv, 1,0, 2,1 și 2,3 ppm. Identificați compusul.
Compusul în cauză este o cetonă (o aldehidă ar da un semnal d de 10 ppm de la protonii CHO). La gruparea carbonil sunt atașate: metil –CH 3, d = 2,1 ppm și metilen –CH 2, d = 2,3 ppm. Restul de nouă protoni aparțin grupării terț-butil (CH 3) 3 C– . Protonii de fiecare tip sunt izolați (nu au protoni C–H vecini) și apar ca singlete.
Astfel, este metil neopentil cetona (4,4-dimetilpentanonă-2) 
- Problema 8. Compușii A și B sunt dicetone izomerice cu formula C 6 H 10 O 2. Spectrul RMN al compusului A este reprezentat de două semnale simple la d = 2,2 ppm (6 H) și 2,8 ppm (4 H). Spectrul PMR al compusului B este de asemenea reprezentat de două semnale la d = 1,3 ppm (triplet, 6 H) și d = 2,8 ppm (cvartet, 4 H). Care este structura compușilor A și B?
Pentru substanța A, este firesc să presupunem o structură simetrică, în care fiecare carbon care poartă protoni este conectat la un carbon aprotic: CH3C(O)CH2CH2C(O)CH3 este acetonilacetonă (hexandionă-2,5). Protonii a două grupări metilen legate sunt echivalenți.
Substanța B se caracterizează prin prezența a două grupări etil (interacțiune de tip triplet-cvartet), prin urmare are formula CH 3 CH 2 C(O)C(O)CH 2 CH 3 . aceasta este hexandiona-3,4. Să atribuim deplasări chimice ale protonilor de diferite tipuri:
- Problema 9. Când butanona-2 (1 mol) este tratată cu brom molecular Br 2 (2 mol) în acid apos HBr, se formează substanța C 4 H 6 Br 2 O. Spectrul PMR al acestui produs de reacție este caracterizat prin semnale la d = 1,9 ppm (dublet, 3 H), 4,6 ppm (singlet, 2 H) şi 5,2 ppm (cvartet, 1 H). Definiți această conexiune.
butanone- 
este un acid C-H. Gruparea carbonil absoarbe densitatea electronilor, iar protonii din poziția a k devin acizi (legăturile C–H sunt cele mai puțin puternice în 
).
Să notăm formarea structurilor posibile - rezultatul înlocuirii a doi hidrogeni cu atomi de brom: Br 2 СHC(O)СН 2 СН 3 (1), ВrСH 2 C(O)СНBrСН 3 (2) și СH 3 C( O)СBr 2 СН 3 ( 3). În ceea ce privește numărul de semnale, deplasările lor chimice, intensitatea integrală și multiplicitatea, structura (2) satisface datele experimentale (spectrul):
- Problema 10. La bromurarea 3-metilbutanonei-2 se formează doi compuși (izomeri A și B), fiecare cu formula moleculară C 5 H 9 BrO și în raport de 95:5. Spectrul RMN al izomerului principal A conține un dublet la d = 1,2 ppm (6 H), un heptet la d = 3,0 ppm (1 H) și un singlet la d = 4,1 ppm (2 N). Spectrul RMN al izomerului minor B (ca impuritate) este exprimat prin două singlete la d = 1,9 ppm și d = 2,5 ppm. Singletul la d = 2,5 ppm este jumătate din singletul aria vârfului la d = 1,9 ppm. Propuneți formulele structurale ale acestor doi compuși.
Bromurarea 3-metilbutanonei-2 are loc în poziția a față de grupa carbonil:
- Problema 11. Spectrele RMN ale acizilor formic HOOCH, maleic cis-HOOCCH=CHCOOH și acizilor malonic HOOCCH 2 COOH sunt interesante prin faptul că fiecare conține două singlete de intensitate egală. Să desemnăm spectrele acestor compuși după cum urmează:
spectrul A: d = 3,2 şi d = 12,1 ppm;
spectrul B: d = 6,3 şi d = 12,4 ppm;
spectrul B: d = 8,0 și d = 11,4 ppm.
Determinați ce spectru corespunde fiecărui acid.
În regiunea deplasărilor chimice d = 11–12,5 ppm apar protonii grupării carboxil –COOH. Valorile caracteristice pentru fiecare substanță separat vor fi d = 3,2–8,0 ppm, adică într-un câmp mai puternic. În acizii malonic și maleic, atomii de carbon interni aflați între grupările carboxil sunt alifatici (legați doar de atomii C și H).
Dimpotrivă, în acidul formic singurul carbon din moleculă este carboxil (sau carbonil), prin urmare protonul H–COCH asociat cu acesta apare într-un câmp slab, d = 8 ppm.
Prezența unei duble legături în lanțul de carbon al acidului maleic determină o deplasare la d =6,3 ppm de la protonii –CH=CH– comparativ cu d =3,2 ppm pentru –CH2 – acidul malonic.
Deci, spectrul A aparține acidului malonic, spectrul B acidului maleic, spectrul C acidului formic.
- Problema 12. Compușii A și B sunt izomeri cu formula moleculară C4H8O3. Identificați A și B din spectrele lor PMR.
Compus A: d = 1,3 ppm (triplet, 3H); 3,6 ppm (cvartet, 2 N); 4,1 ppm (singlet, 2 H); 11,1 ppm (singlet, 1 H).
Compusul B: d este 2,6 ppm (triplet, 2H); 3,4 ppm (singlet, 3H); 3,7 ppm (triplet, 2H); 11,3 ppm (singlet, 1 H).
Substanțele A și B sunt acizi carboxilici, care este determinată de deplasarea chimică la d" 11 ppm a protonului carboxil –COOH. Doi oxigeni fac parte din grupa carboxil. Al treilea oxigen este conținut în moleculă sub forma unei legături eterice C–O–C. Pe baza intensității integrale a semnalelor, a deplasărilor chimice și a multiplicității acestora, compunem formulele substanțelor:
- Problema 13. Compușii A și B sunt acizi carboxilici. Scrieți formula structurală a fiecărui compus pe baza datelor spectrelor PMR:
a) compusul A (C3H5CI02) (Fig. 9);
Orez. 9. Spectrul PMR al compusului A (C3H5ClO2)
b) compusul B (C9H9NO4) (Fig. 10).
Orez. 10. Spectrul PMR al compusului B (C9H9NO4)
a) Substanţa A – acid b-cloropropionic ClCH 2 CH 2 COOH. Grupările de metilen adiacente formează semnale triplete de intensitate egală în diferite regiuni ale spectrului. Acest exemplu arată cum, folosind spectrele PMR, se pot evalua proprietățile de atragere de electroni ale substituenților: d (CH 2 Cl) = 3,77 ppm, d (CH 2 COOH) = 2,85 ppm, adică clorul este un acceptor de electroni mai puternic decât carboxilul. grup.
b) Substanța B conține o grupare carboxil (rezonanța protonului carboxil la d" 12 ppm), un inel benzenic aromatic parasubstituit (spectru cu patru linii la d = 7,5–8,2 ppm), o grupare nitro și doi atomi de carbon alchil conectați CH 3 CH (după intensitatea integrală și natura divizării dublet-cvartet).
Formule structurale posibile:
acid a-(n-nitrofenil)propionic
acid 4-(a-nitroetil)benzoic
Referințe
Kazitsyna L.A., Kupletskaya N.B. Aplicarea UV, IR, RMN și spectroscopie de masă în chimia organică. M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 1979, 238 p.; Silverstein R., Bassler G., Morrill T. Identificarea spectrometrică a compușilor organici. M.: Mir, 1977, 592 p.; Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. Spectroscopia RMN în chimie organică. L.: Chimie, 1983, 269 p.; Deroume E. Metode moderne RMN pentru compuși chimici. M.: Mir, 1992, 401 p.
