Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия — спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса. Явление ЯМР открыли в 1946 году американские физики Ф. Блох и Е.Персел. Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 (13C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 (19F ЯМР-спектроскопия), фосфора-31 (31P ЯМР-спектроскопия). Если элемент обладает нечетным порядковым номером или изотоп какого-либо (даже четного) элемента имеет нечетное массовое число, ядро такого элемента обладает спином, отличным от нуля. Из возбужденного состояния в нормальное, ядра могут возвращаться, передавая энергию возбуждения окружающей среде-«решетке», под которой в данном случае понимаются электроны или атомы другого сорта, чем исследуемые. Этот механизм передачи энергии называют спин-решеточной релаксацией, его эффективность может быть охарактеризована постоянной T1, называемой временем спин-решеточной релаксации.
Принцип метода основан на уникальных свойствах ядра. Атомное ядро является вращающейся заряженной частицей, которая способна генерировать магнитное поле. Без воздействия внешнего магнитного поля ядерные спины вращаются в разных направлениях.
Напротив, под влиянием мощного магнитного поля спины направлены вдоль либо против направления магнита (Рисунок 1).

При наложении магнитного поля образуются уровни энергии ядра. Как показывает график, чем сильнее магнитное поле, тем больше разность энергий ядра. Затем исследуемый образец подвергается электромагнитному излучению, энергия которого численно совпадает с разностью энергий между более высоким энергетическим состоянием ядра и более низким его состоянием. Таким образом, возникает резонанс. После излучения происходит релаксация — когда ядро возвращается в свое первоначальное состояние. Во время этого процесса, ядро излучает электромагнитный сигнал, частота которого напрямую зависит от разности энергий.
Специальный прибор спектрометр анализирует эти сигналы и выводит график зависимости сигнальной частоты от интенсивности [2].
Для интерпретации ЯМР-спектров, важно учесть все основные характеристики спектра:
• константа спин-спинового взаимодействия;
• мультиплетность;
• химический сдвиг [3].
Химический сдвиг. Положение сигнала протона относительно сигнала стандарта (обычно в качестве стандарта применяется тетраметилсилан) определяет химический сдвиг.
То есть под химическим сдвигом подразумевается само химическое окружение определенного протона. Чем ближе данный протон находится к электроотрицательному элементу, тем больше разность положения сигнала протона и положения сигнала стандарта, ввиду того, что наблюдается эффект экранирования. В любом спектре химический сдвиг изображен на координатной оси x.
Мультиплетность. Сигналы протона на спектре могут быть изображены в виде одиночной линии или в виде нескольких линий в одной области. Сигналам даются названия в соответствии с количеством линий этого же сигнала. Так,
• дублет — сигнал в виде двух линий;
• триплет — сигнал в виде трех линий;
• квадруплет — сигнал в виде четырех линий и т. д.
Расщепление сигнала протона на компоненты происходит благодаря спин-спиновым взаимодействиям — взаимодействие спинов протонов через электронные связи. Количество линий сигнала можно определить, воспользовавшись правилом n+1: Если n протонов группы А взаимодействуют с n’ протонами другой группы В, то сигнал протонов группы А будет состоять из n’+1 линий, а сигнал протонов В — из n +1 линий.
Заключение
Химики-органики все чаще приходят к выводу, что в настоящее время метод ядерного магнитного резонанса при изучении строения органических соединений эффективнее ультрафиолетовой или инфракрасной спектроскопии. Вместе с тем этот метод не заменяет более старых методов; они взаимно дополняют друг друга.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса – вид спектроскопии, которая регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением.
Подобно инфракрасной спектроскопии, ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Однако, он обеспечивает более полную информацию, чем ИС, позволяя изучать динамические процессы в образце — определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Также ЯМР позволяет записывать спектры промежуточных частиц химических реакций.
Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов.