ЯМР как аналитический метод

Реферат

на тему:

ЯМР как аналитический метод

Донецк 2008

Введение

В этой работе на разнообразных примерах показано, каким образом ЯМР может быть использован в качестве аналитического метода. С этой целью более подробно обсудим некоторые понятия.

Применение метода ЯМР в качестве аналитического можно продемонстрировать на примере простейшей молекулы – молекулы этанола, поскольку, как видно из рис. 1, протонам трех функциональных групп в этаноле: метильной, метиленовой и гидроксильной соответствуют три различные резонансные линии, наблюдаемые в спектре. Особенность метода ЯМР прежде всего состоит в том, что по положению резонансных линий в спектрах можно судить о взаимном расположении отдельных атомов или групп атомов в молекулах, причем это удается обнаружить даже для эквивалентных атомов. ЯМР по своей информативности выгодно отличается от многих других аналитических методов, конкурирующих с ним.

В то же время ЯМР является довольно малочувствительным методом, несмотря на то, что в современных спектрометрах значение максимально достижимого магнитного поля составляет 14 Тл, что соответствует рабочей частоте для ¹ H 600 МГц. Минимальное количество вещества, которое может быть зарегистрировано с помощью метода ЯМР ¹ H, варьируется в широких пределах в зависимости от условий эксперимента. Для малых молекул типичное значение, определяющее предел чувствительности, составляет 10 нмоль, т.е. то количество вещества, которое может быть проанализировано простыми биохимическими методами, например, с помощью тонкослойной хроматографии. При использовании других, достаточно широко используемых методов, таких, как газовая хроматография или радиоиммунометрия, становятся доступными принципиально иные с точки зрения чувствительности области такие, как фемто- и атоммолярная. Таким образом, если речь идет только о регистрации спектров веществ известной структуры, то эти методы по чувствительности превосходят ЯМР. Преимущество ЯМР становится очевидным лишь тогда, когда возникает необходимость в получении дополнительной информации, которую может предоставить только этот метод. Это касается тех случаев, когда структура исследуемого вещества еще не известна. Тогда из анализа спектра ЯМР можно построить ряд возможных структур и выбрать среди них правильную. Следует отметить также еще одну особенность метода ЯМР: в спектрах ЯМР ¹ H могут присутствовать сигналы молекул-примесей, идентификация которых возможна только в случае применения специальных методов.

1. Идентификация известных и неизвестных веществ

Использование метода ЯМР в качестве аналитического в простейшем случае состоит в сравнении положений линий спектров образца неизвестной структуры и стандартного образца известной структуры: совпадение спектров стандартного вещества и исследуемого позволяет провести идентификацию последнего. На основании такого рода сопоставлений можно дать даже количественную оценку концентрации веществ, содержащихся в образце. Эта оценка в простейшем виде может быть сформулирована следующим образом: вещество А содержится в образце в концентрации, достаточной для его регистрации. Правда, такой способ оценки справедлив лишь тогда, когда оба сравниваемых спектра получены при идентичных условиях. Реальный спектр, соответствующий определенному веществу, существенно зависит от условий его регистрации. Вид спектра определяется не только внешними факторами, т.е. теми параметрами, которые экспериментатор может контролировать самостоятельно, но и используемым растворителем. Несмотря на это, все же удается провести идентификацию неизвестного вещества, поскольку всегда можно ограничиться определенным абстрактным уровнем и сравнить характерные особенности спектров.

Рассмотрим еще раз фрагмент спектра ЯМР этанола, снятого на современном ЯМР-спектрометре с высоким значением постоянного магнитного поля. Параметры, полностью характеризующие спектр, следующие: положение спектральных линий, структура мультиплетов и относительные интенсивности резонансных линий. Положение линий определяется значением химического сдвига, а расщепление линий – скалярным спин-спиновым взаимодействием. Площадь под резонансным сигналом, которая может быть получена численным интегрированием, пропорциональна числу спинов, соответствующих данной группе в молекуле.

Как было показано ранее, химический сдвиг можно понимать как усиление или ослабление внешнего магнитного поля в точке пространства, в которой расположено исследуемое ядро. Основной вклад в величину этого локального изменения поля дают электронные оболочки рассматриваемых молекул, поэтому можно утверждать, что химический сдвиг отражает структуру молекул. Если оценивать влияние заместителей на величину химического сдвига, то с ростом числа связей между рассматриваемым атомом и заместителем это влияние уменьшается. Однако характер электронного распределения, а значит, и вид спектра ЯМР, зависит и от пространственной структуры молекул, и от взаимодействия с другими молекулами в растворе, т.е. от тех факторов, которые уже не представляются столь очевидными.

Для ЯМР область значений химических сдвигов невелика, а эффекты, связанные с пространственной структурой и вызванные взаимодействием с другими молекулами, бывают настолько велики, что часто из наблюдения спектров ЯМР весьма затруднительно сделать однозначный вывод о химической структуре вещества.

Таблица 1. Химическ