Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Статьи Рисунки Таблицы О сайте English
После первых работ, выполненных более двадцати лет назад, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) развивалась с фантастической быстротой. В принципе этот метод можно использовать для изучения всех ядер, которые обладают собственным моментом количества движения и связанным с ним магнитным моментом. Однако существенное значение имеют исследования на ядрах F, и В. Наибольшее число работ относится к изучению ЯМР на протонах, и соответственно в этой главе будет обсуждаться преимущественно протонный магнитный резонанс (ПМР).

ПОИСК





Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

из "Современная аналитическая химия"

После первых работ, выполненных более двадцати лет назад, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) развивалась с фантастической быстротой. В принципе этот метод можно использовать для изучения всех ядер, которые обладают собственным моментом количества движения и связанным с ним магнитным моментом. Однако существенное значение имеют исследования на ядрах F, и В. Наибольшее число работ относится к изучению ЯМР на протонах, и соответственно в этой главе будет обсуждаться преимущественно протонный магнитный резонанс (ПМР). [c.179]
Из этих выражений следует, что под воздействием переменного поля с частотой V, приложенного под прямым углом к однородному магнитному полю напряженностью Но, ядра с гиромагнитным отношением у приобретают энергию, необходимую для перехода из ориентации с низкой энергией в состояние с высокой энергией. [c.179]
Переход между этими двумя состояниями называется магнитным резонансом. Таким образом, если на ядра действует поле с резонансной частотой, происходит резонансный переход ядер между двумя уровнями с заданной энергией (если спин ядра больше Vz, возможны несколько ориентаций и соответственно несколько энергетических уровней). Поглощение энергии ядрами приводит к падению интенсивности колебаний переменного поля, которое можно измерить и использовать для изучения этого явления. [c.179]
Для того чтобы получить резонанс на ядрах этих элементов, в каждом случае, естественно, необходима своя комбинация напряженности постоянного поля и частоты переменного поля. [c.180]
Разница в энергии между двумя ориентациями ядер (АЕ) сравнительно мала, и тепловой энергии при комнатной температуре достаточно, чтобы распределить ядра примерно равномерно между двумя состояниями. А именно, избыток ядер, находящихся на низшем энергетическом уровне, составляет лишь одно или два на миллион. [c.180]
В экспериментах по ЯМР поглощение энергии переменного поля прекращается, как только эта небольшая доля атомов перейдет в возбужденное состояние, если нет дополнительных механизмов, которые обеспечивают нахождение большей части ядер в системе на нижнем уровне. Существуют два механизма, ответственные за такое состояние они называются спин-решеточной релаксацией и спин-спиновой релаксацией. [c.180]
При спин-решеточной релаксации некоторые из возбужденных атомов возвращаются на низший уровень, передавая свою тепловую энергию другим ядрам, входящим в состав окружения молекулы. Энергия сохраняется в системе и проявляется в виде избыточной энергии поступательного или вращательного движения, распределенной по решетке. Этот процесс характеризуется временем спин-рещеточной релаксации ti. [c.180]
При спин-спиновой релаксации ядра, находящиеся на верхнем уровне, передают свою энергию соседним ядрам путем спинового обмена. Соответствующее время релаксации равно I2. Этот обмен не влияет непосредственно на распределение частиц в системе, но ограничивает среднее время, которое ядро проводит в данном состоянии. [c.180]
Два значения времени релаксации — ti и 2 — могут влиять на ширину линии поглощения в соответствии с принципом неопределенности (AEAt h/2n) но в большинстве случаев этот эффект мал по сравнению с влиянием ошибок, связанных с прибором. [c.180]
Основные части ЯМР-спектрометра (рис. 7.3) перечислены ниже. [c.180]
Для обеспечения высокого разрешения необходимо выполнить предельно строгие требования, поэтому приборы содержат сложный набор электронных устройств. Как частота, так и напряженность магнитного поля должны иметь стабильность и точность регулировки порядка 10 или 10 %. [c.181]
Таким образом, схемы стабилизации и измерения напряженности и частоты являются столь же важной частью ЯМР-спектрометра, как и перечисленные выше устройства. Это также приводит к увеличению стоимости приборов. Конструировать прибор с высокой точностью для многоцелевого использования непрактично, и обычно каждый прибор используется для изучения ядер только одного типа. Тем не менее некоторые приборы снабжены сменными зондами, так что на них можно исследовать разные ядра. В других ЯМР-спектрометрах для достижения большей универсальности жертвуют разрешением. Теоретически возможно изменять частоту переменного поля, а напряженность постоянного поля поддерживать постоянной. Однако оказалось более целесообразным конструировать приборы с обратным положением. [c.181]
Для исследований при высоком разрешении проба должна быть жидкостью это может быть неразбавленный жидкий образец, расплав (если точка плавления не слишком высока) или разбавленный раствор. [c.182]
В ЯМР следует использовать растворители, которые не образуют резонансных линий, накладывающихся на линии образца. Так, для исследований на протонах идеальный растворитель не содержит протонов. Подходящими растворителями, являются четыреххлористый углерод, сероуглерод и дейтерированные вещества, такие, как дейтерированные хлороформ, бензол, вода, ацетонитрил и диметилсульфоксид. Количество вещества, необходимое для получения удовлетворительного ЯМР-спектра, может быть различным обычно его концентрация порядка 2— 10% (масс, или об.). Если содержание протонов велико, используют более низкие концентрации. Поэтому чистые жидкие образцы часто разбавляют в подходящих растворителях. [c.182]
Для регистрации ЯМР-спектра образец закрепляют на зонде и помещают его в точно фиксированное положение, соответствующее максимальной однородности поля. Затем включают переменное поле, частота которого фиксирована, и изменяют напряженность дополнительного магнитного поля (с помощью спиралей, соединенных с генератором развертки) до тех пор, пока не будут достигнуты резонансные условия. Этот момент регистрируется детектором, и соответствующий сигнал усилителя направляется в регистрирующее устройство. [c.182]
Окружение, в котором находятся ядра, оказывает влияние на значение резонансной частоты. Поэтому ЯМР-спектр образца имеет несколько пиков, разделенных на группы, каждая из которых соответствует особому типу окружения ядер. Интенсивность сигналов прямо пропорциональна числу ядер, находящихся в окружении данного типа, поэтому ЯМР-спектр часто записывают при помощи интегрирующего устройства в виде относительных интенсивностей различных групп пиков. [c.182]
Регистрируемый спектр содержит информацию трех видов. Расположение и высота пиков свидетельствуют о молекулярном окружении отдельных ядер, числе ядер в данном окружении, которые также могут участвовать в резонансе, и о природе ближайшего окружения. Вкратце, спектр содержит информацию, позволяющую судить о структуре как простых, так и сложных молекул. Спектроскопия протонного магнитного резонанса — особенно мощный инструмент, поскольку ядра водорода являются главными составляющими почти всех органических соединений. Поэтому в последующих разделах будет рассматриваться почти исключительно протонный резонанс. [c.182]
Поэтому ДЛЯ достижения резонансных условий внешнее поле должно быть больше, чем в отсутствие экранирования. Степень необходимого для резонанса увеличения поля зависит от величины а, которая, в свою очередь, связана с плотностью электронов вокруг ядра. Чем более электроотрицательно окружение, тем меньше оказывается электронная плотность вокруг ядра. Благодаря этому экранирование уменьшается, и протон приходит в состояние резонанса при более низкой напряженности поля. Если же ближайшее окружение электроположительно, то, наоборот, экранирование магнитного поля оказывается более эффективным и Яо должна быть большей, для того чтобы создать в области протона эффективное поле (Яэфф), соответствуюш,ее резонансу. [c.183]
Таким образом, чтобы обеспечить резонанс для разных групп протонов при фиксированной частоте переменного поля, необходимо изменять напряженность постоянного поля Яо. Вследствие этого в спектре ЯМР каждому типу протонов соответствует пик поглощения при некотором определенном значении Яо. На рис. 7.4 представлено схематическое изображение спектра этанола. В этой молекуле присутствуют три различных группы атомов водорода — гидроксильная, метиленовая и метильная соотношение числа атомов водорода составляет 1 2 3. Поэтому спектр низкого разрешения, представленный на рис. 7.4, содержит три пика соотношение площадей этих пиков составляет примерно 1 2 3. [c.183]
Для протонов, входящих в состав ацетилена, наблюдается противоположный эффект. В этом случае распределение электронов в тройной связи симметрично относительно оси. Если ось располагается параллельно внешнему полю, индуцируется циркуляция электронов в плоскости, перпендикулярной оси, и возникающее при этом магнитное поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю. Магнитные силовые линии не совпадают с направлением тройной связи, и поэтому протоны ацетилена находятся в эффективном поле с меньшей напряженностью. [c.184]


Вернуться к основной статье


© 2024 chem21.info Реклама на сайте