Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Применение ядерного магнитного резонанса в химии

Как в ГРС, так и в ЯМР принимает участие ядерная система атома. Для наблюдения резонанса надо, чтобы ядра обладали магнитным моментом — имели отличное от нуля спиновое квантовое число. Ненулевым спином обладают, в частности, ядра 'Н (протоны), ПВ, 13С, 19F и др. Видно, что многие атомы, с которыми современная химия имеет дело, входят в этот список. Однако в используемых экспериментальных методиках наиболее распространен резонанс на протонах, т.е. протонный магнитный резонанс (ПМР), а также на ядрах 19F и 13С. Информативность метода ПМР такова, что по спектрам этих атомов можно делать важные выводы о состоянии других атомов в молекулах, к которым ЯМР не применим непосредственно.

Рассмотрим состояние ядер атомов водорода в молекуле, помещенной во внешнее магнитное поле с магнитной индукцией В0. Спиновое квантовое число протона равно 1/2, следовательно, для него будет справедливым расщепление уровня, изображенное на рис. 9.13, а. Постоянное магнитное поле осуществляет расщепление вырожденного по /и/ = ± 1/2 уровня с / = 1/2 на два подуровня. Переменное электромагнитное поле В(а>) индуцирует переходы между подуровнями расщепленного уровня. В этом состоит отличие ЯМР от гамма-резонанса, который регистрирует переходы между разными ядерными уровнями, тогда как ЯМР «работает» на переходах между расщепленными подуровнями одного и того же уровня. Тем не менее несмотря на различие ЯМР- и ГРС-методов, в них можно найти много общего.

Рассмотрим возможности ПМР на примере химического соединения — этилового спирта С2Н5ОН. Молекула содержит шесть протонов, два атома углерода и один атом кислорода. Естественно, только ядра атомов водорода дают вклад (проявляются) в ЯМР-спектре. В спектре низкого разрешения присутствует либо одна спектральная линия, в которую дают вклад все имеющиеся в молекуле СНз—СН2—ОН протоны. Наличие ЯМР-сигнала свидетельствует, что в образце действительно содержатся атомы с ядрами 'Н.

Если разрешающая способность прибора достаточно высока, то тонкая структура спектра покажет, что протоны различных групп резонансно поглощают электромагнитную волну рабочей частоты при различных полях До,. На рисунке 11.9 приведены спектры ПМР этилового спирта СНзСН2ОН низкого — три трупы линий (рис. 11.9, а) и высокого (рис. 11.9, б) разрешения. Информативность спектра высокого разрешения повышается: наличие трех максимумов на спектре низкого разрешения (не считая спектра реперного соединения ТМС) рис. 11.9, а позволяет утверждать только то, что в исследуемой молекуле СНз—СН2—ОН имеется три типа атомов водорода. Резонанс на протонах разных функциональных групп СНз, СН2 и ОН наступает при разной магнитной индукции внешнего поля. Спектр, высокого разрешения содержит дополнительную информацию, связанную с взаимным влиянием протонных группировок.

Спектры ПМР (схематично) этилового спирта СНОН

Рис. 11.9. Спектры ПМР (схематично) этилового спирта С2Н5ОН: а — низкое разрешение; б — высокое разрешение

Дело в том, что при наложении магнитного поля, общего для всего образца, на ядра каждого из атомов водорода, расположенных в разных местах молекулы, действуют разные поля, обусловленные разной диамагнитной экранировкой атомов. Это диамагнитное поле является локальным, т.е. разным для разных атомных группировок: электронное облако атома экранирует от внешнего поля свой протон в разных окружениях. И эти различия в электронной оболочке атомов водорода, находящихся в молекуле в разных положениях, проявляются в величине диамагнитного поля. Это значит, что на данный протон будет действовать не только внешнее магнитное поле с магнитной индукцией В0, а еще и дополнительное локальное поле, свойственное только этому атому. В подразделе 6.2 показано, что диамагнитное поле пропорционально величине магнитной индукции внешнего поля, его вызывающего, и направлено в противоположную этому внешнему полю сторону. Таким образом, для разных протонов (назовем их А, В и С) это локальное магнитное поле будет

где буквами А, В и С помечены структурно-неэквивалентные атомы водорода в молекуле. Величина а носит название постоянной экранирования, она зависит от электронного строения конкретного атома, которое в свою очередь зависит от эффектов влияния соседних атомов и атомных группировок.

Безразмерные величины а в формулах (11.6) зависят от диамагнитной восприимчивости веществ и составляют по порядку величины 10_6 (на фоне единицы это очень малая величина, тем не менее, выявляемая современными спектрометрами). Так как во внешнем магнитном поле с магнитной индукцией Во протон находится в различных по величине магнитных полях, определенных нами как ВА, Вв и Вс, — сигналы ЯМР в спектрах возникают не при одной резонансной частоте (или индукции магнитного поля), а смещаются (сдвигаются) по оси абсцисс. Смещение, т.е. химический сдвиг в ЯМР зависит от величин постоянных а экранирования. В спектрах ПМР возникает столько сигналов, сколько структурно неэквивалентных протонных группировок содержит молекула.

Следовало бы придать понятию «химический сдвиг» в ЯМР количественный смысл. Для этого было бы хорошо получить сигнал ПМР для «голого» протона и от него отсчитывать химический сдвиг. Но получить такой сигнал очень сложно, а получать его в качестве метки на каждом спектре — практически невозможно. Экспериментаторы условились выбирать в качестве отсчета химических сдвигов положение спектральной линии стандартного вещества-репера. В качестве наиболее распространенного стандартного вещества, применяемого для этой цели, служит Si(CH3)4 — тетраметилсилан (ТМС). Это вещество выбрано по ряду причин. Во-первых, все протоны его метальных групп структурно эквивалентны, поэтому в спектре ТМС присутствует только один сигнал ПМР. Во-вторых, группы СН3 в растворах вращаются вокруг линии связи Si—С и за счет этого неоднородности электрических и магнитных полей в веществе в области рассматриваемой молекулы усредняются, сигнал представляется одной узкой линией. В-третьих, электронное строение метильных групп ТМС таково, что постоянная экранирования а минимальна по отношению к подавляющему большинству других водородсодержащих соединений. Следовательно, линия ТМС лежит на оси частот (или индукций магнитных полей) всегда справа от сигналов большинства соединений. От нее влево и производится отчет химических сдвигов б в ЯМР спектрах (см. рис. 11.9).

Чтобы сравнивать химические сдвиги на спектрах с разной рабочей частотой, принято выражать химический сдвиг количественно в относительных единицах (в миллионных единицах, млн-1 или миллионных долях м.д.'), обозначая через б относительную величину (не зависящую от величины В0 или от со0):

1

где Bat и В0 (ТМС) — индукции внешних магнитных полей, приводящих к резонансному поглощению излучения рабочей частоты группой эквивалентных (/) ядер в исследуемых молекулах и в молекулах ТМС соответственно. Таким образом, 5j определяется относительным смещением сигнала ЯМР на спектре относительно линии ТМС.

В большинстве атомных группировок 6, для протонов имеют значения от 0 до 10 м. д. (млн-1). Существуют и другие, менее часто используемые, шкалы химических сдвигов.

Опыт использования ЯМР-спектроскопии позволил обобщить экспериментальный материал по ПМР-химическим сдвигам — часть этого обобщения представлена в виде схемы на рис. 11.10. Аналогичные данные накоплены и для других ядер.

нитное диполь-дипольное взаимодействие). Дело в том, что магнитные моменты протонов «подмагничивают» электроны, участвующие в химической связи в молекуле (особенно электроны, участвующие в химическом сопряжении), которые в свою очередь создают магнитное поле на соседнем протоне. Это заметно увеличивает его химический сдвиг, а значит, взаимодействие между группами, содержащими протоны, и делает его более дальнодействующим. Такого типа взаимодействие называется спин-спиновым взаимодействием.

Спин-спиновое взаимодействие проявляется в спектрах высокого разрешения. Спектр усложняется, но одновременно углубляется информация о строении молекул, которая из него получается. Разберем это на примере спектра этилового спирта, отснятого на спектрометре высокого разрешения (см. рис. 11.9, б и 11.11). Как уже отмечалось, трем типам химических связей протонов, присутствующих в молекуле СНзСН2ОН, соответствуют три серии линий в спектре, принадлежащих протонам различных функциональных групп. Узкая (самая правая) линия-метка — ПМР-сигнал в веществе-репере ТМС. Группа линий при б а 1,2 м. д. соответствует протонам СН3, группа линий при б » 3,5 м. д. — протонной группировке СН2 и при б * 4,5 м. д. — ОН[1].

Рассмотрим спин-спиновое взаимодействие между протонами трех функциональных групп в молекуле этилового спирта. Спин протона может иметь во внешнем поле, созданном другим протоном, два положения с проекциями, определяемыми квантовыми числами т/ = = ± 1/2. Обозначим состояние с /и2= +1/2 символом а, а с /Я/= —1/2 — р. Проанализируем сначала действие протонов группы СН2 на соседние с ней группы СНз и ОН. Два протона СН2-группы могут иметь три состояния по суммарному квантовому числу /и/ = /Я/( 1) + /Я/(2) = 0 ± 1 или в принятых обозначениях:

причем число состояний с W/(l) + /Я/(2) = 0 вдвое больше (два состояния ар и ра по сравнению с одним в аа и рр), чем состояний с /Я/(1) + + Ш/(2), равным +1 или —1. Соответственно этому, сигналы ПМР соседних групп СН3 и ОН состоят из трех линий с соотношением интенсивностей 1:2:1 (больше протонов — больше сигнал, рис. 11.11).

Экспериментальный ЯМР-спектр высокого разрешения для образца этилового спирта

Рис. 11.11. Экспериментальный ЯМР-спектр высокого разрешения для образца этилового спирта

Теперь рассмотрим спин-спиновое взаимодействие между спинами протонов, входящих в группы СН3, со спинами соседних групп. Три протона СН3-группы могут находиться в четырех состояниях:

с относительным числом состояний 1:3:3:1, соответственно. Следовательно, воздействие группы СН3 на группу СН2 выразится в расщеплении сигнала на четыре линии. На этот эффект накладывается действие гидроксильной группы (нетрудно видеть, что при этом каждая из четырех линий должна дополнительно расщепиться на две, так как спин одного протона может иметь две ориентации). Поэтому тонкая структура сигнала высокого разрешения от группы СН2 в этиловом спирте состоит из восьми линий (на рис. 11.9, б и 11.11 дополнительное расщепление группы СН2 не показано) разной интенсивности, а полный спектр С2Н5ОН представлен 14 линиями.

Количественно спин-спиновое взаимодействие может быть описано константой спин-спинового взаимодействия /, пропорциональной расстоянию между линиями спин-спинового расщепления в спектре. В отличие от химического сдвига 5 константа J не зависит от магнитной индукции Д) внешнего поля и поэтому выражается непосредственно в единицах частоты переменного электромагнитного поля (например, в герцах). Для многих атомных группировок величины / хорошо известны и включены в базы данных и справочники.

Если в молекуле наряду с протонами присутствуют и другие атомы, ядра которых имеют ненулевой спин, то и они принимают участие в спин-спиновом взаимодействии. В этом случае картина расщепления еще больше усложняется, и объем информации о веществе увеличивается.

Рассмотренный нами пример спектра ПМР этилового спирта характерен для очень чистого вещества. Если в образце будет присутствовать даже небольшая примесь воды, группа ОН не разрешится на спектре (см. сноску на стр. 776). Дело в том, что протон гидроксила в этом случае участвует в быстром обмене местами между молекулой спирта и молекулами воды. Времена обмена влияют на ширину сигнала ПМР. В зависимости от скорости этого обмена сигнал может сильно ушириться («расползтись» по спектру) или исчезнуть вовсе. В этом также заключается возможность химического применения метода ПМР, в данном случае, к исследованию протонного обмена.

В последние десятилетия предложены и реализованы более сложные и более информативные методики получения ЯМР-спектров. В частности, предложен ряд методических примеров, существенно расширяющих возможности ЯМР. Так, швейцарский физико-химик Р.Р. Эрнст в 1964 г. обнаружил, что возможности ЯМР, ограниченные небольшим числом используемых ядер, могут быть существенно расширены путем замены медленного изменения магнитного поля его импульсами, разлагаемыми с помощью фурье-преобразования в некоторое число гармоник с последующим синтезом спектра. Таким образом, за один импульс поле пробегает весь спектр частот. Результат этого процесса затем обрабатывается на компьютере путем обратного фурье-преобразования с получением обычного ЯМР- спектра. Метод позволяет существенно увеличить чувствительность ЯМР-спектроскопии и вовлечь в сферу ее применения большее число ядер.

К настоящему времени разработан также метод двумерного (2D) сканирования. Метод позволяет воздействовать на процессы спин- спинового взаимодействия, увеличивая или уменьшая их интенсивность. В результате удается «распутывать» сложные спектры полимерных и биологических объектов.

Относительная заселенность N'/N' уровней (N' — число ядер Н в состоянии с т/= +1/2 и N"— с /«/ = —1/2 в ПМР), между которыми происходят переходы, определяется фактором Больцмана и уменьшается с ростом температуры. Вероятность переходов между этими уровнями тем больше, чем больше расстояние между ними, чем больше N"/N'отличается от максимально возможной величины, т.е. от единицы. В ГРС речь идет о переходах, разделенных энергией порядка 104 эВ, поэтому при обычных (сравнимых с комнатной) температурах верхний уровень всегда практически свободен, и резонансное поглощение кванта в этих условиях возможно практически всегда. В случае ЯМР расстояние Е" — Е' значительно меньше и фактор N"/N' близок к единице. При таком положении уровней вероятность переходов мало отличается от нуля, и в принципе резонанс не должен был бы наблюдаться, так как практически мгновенно должно было бы наблюдаться насыщение, т.е. равенство N"= N'.

Однако оказалось, что существуют способы передачи энергии с верхнего Е" уровня, отличающиеся от переходов «вниз» (на уровень Е'). Такими процессами являются передача энергии возбуждения тепловых колебаний кристаллической решетки (спин-решеточная релаксация) и возбуждения колебаний в магнитной системе ядер (спин- спиновая релаксация). Оба эти процесса характеризуются константами Т и 7*2 (7*1 — время спин-решеточной релаксации, Т2 — время спин- спиновой релаксации). Величины Т и Т2 оказывают существенное влияние на форму резонансной кривой.

Процессы релаксации тесным образом связаны с подвижностью тех или иных атомных группировок в веществе, и экспериментальные измерения релаксационных процессов дают метод измерения динамики химических превращений в зависимости от времени, температуры, химических превращений и других факторов.

В настоящее время созданы также спектрометры ЯМР с сильными магнитными полями (более нескольких тесла), предназначенные для спектроскопии биотканей живых организмов. Они позволяют проводить биохимический анализ живых тканей in vivo (т.е. в процессе жизнедеятельности) и визуализацию органов по ЯМР-сигналу от 23Na и 31Р. В качестве примера на рисунке 11.12 представлен ЯМР-спектр на ядрах 31Р (фосфор), зарегистрированный с помощью катушки, приложенной к предплечью человека. Амплитуды спектральных линий пропорциональны относительной концентрации основных фосфатных молекул, входящих в состав мышц: аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ). Эти молекулы служат «топливом», в процессе «сгорания» которого появляются «отходы» в виде органических фосфатных соединений и креатинфосфата, который расходуется при синтезе АТФ и АДФ.

ЯМР-спектр фосфора (Р), зарегистрированный с помощью приемника сигнала, наложенного на предплечье человека

Рис. 11.12. ЯМР-спектр фосфора (31Р), зарегистрированный с помощью приемника сигнала, наложенного на предплечье человека

Метод ЯМР может быть с успехом использован для идентификации различия биотканей, что не удается сделать другими методами. В настоящее время на базе этих возможностей созданы приборы — ЯМР-томографы, успешно применяемые в медицинской диагностике обычных и патологических тканей человека. Общий принцип ЯМР- томографии состоит в том, что амплитуда сигнала ЯМР пропорциональна числу ядер водорода, имеющихся в исследуемом образце. В теле человека водород присутствует в воде и в жировых тканях, причем в последних его процентное содержание выше, чем в воде. Поэтому на ЯМР-спектре, отражающем распределение концентрации водорода, образуется контраст между жировыми и другими тканями. Для получения контраста между последними, можно воспользоваться другим свойством сигнала ЯМР: сильной зависимостью времени релаксации ядерного спина от химического состава среды. Разработана техника возбуждений последовательности сигналов и изучения импульсного «эхо», позволяющая получать наилучшие контрасты в изображении разных тканей человека, включая его сердце, печень, мозг. Будучи практически безвредной, ЯМР-томография используется для диагностики состояния органов в теле человека.

  • [1] Присутствие даже небольшого количества воды в образце приводит к возникновениюбыстрого протонного обмена в ОН-группах, что сопровождается уширением соответствующих спектральных линий (пунктир на рис. 11.9) и «размазыванием» их в уширенную монолинию — синглет.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы