4.7: ЯМР-спектроскопія
- Page ID
- 18657
Ядерно-магнітно-резонансна спектроскопія (ЯМР) - широко використовуваний і потужний метод, який використовує переваги магнітних властивостей певних ядер. Основний принцип ЯМР полягає в тому, що деякі ядра існують у специфічних ядерних спінових станах при впливі зовнішнього магнітного поля. ЯМР спостерігає переходи між цими спіновими станами, специфічними для конкретних ядер, про які йдеться, а також хімічного середовища цих ядер. Однак це стосується лише ядер, спин яких I не дорівнює 0, тому ядра, де I = 0, є «невидимими» для спектроскопії ЯМР. Ці властивості призвели до того, що ЯМР використовується для ідентифікації молекулярних структур, моніторингу реакцій, вивчення метаболізму в клітині, і використовується в медицині, біохімії, фізиці, промисловості та майже в кожній мислимій галузі науки.
Теорія
Хімічна теорія, яка лежить в основі спектроскопії ЯМР, залежить від внутрішнього спіна задіяного ядра, описаного квантовим числом S. Ядра з ненульовим спіном завжди пов'язані з ненульовим магнітним моментом, як описано Equation\ ref {1}, де μ - магнітний момент,\(S\) є спіном , і γ завжди ненульовий. Саме цей магнітний момент дозволяє використовувати ЯМР; тому ядра, квантовий спін яких дорівнює нулю, не можна виміряти за допомогою ЯМР. Майже всі ізотопи, які мають як парну кількість протонів, так і нейтронів, не мають магнітного моменту і не можуть бути виміряні за допомогою ЯМР.
\[ \mu =\ \gamma \cdot S \label{1} \]
При наявності зовнішнього магнітного поля (В) для ядер зі спіном I = 1/2 присутні два спінових стану + 1/2 і - 1/2. Різниця в енергії між цими двома станами при певному зовнішньому магнітному полі (B x) задаються рівнянням\ ref {2} і показані на малюнку,\(\PageIndex{1}\) де Е - енергія, I - спін ядер, а μ - магнітний момент конкретних ядер, що аналізуються. Показана різниця в енергії завжди надзвичайно мала, тому для ЯМР потрібні сильні магнітні поля для подальшого розділення двох енергетичних станів. При застосованих магнітних полах, використовуваних для ЯМР, більшість частот магнітного резонансу, як правило, падають в радіочастотному діапазоні.
\[ E\ =\ \mu \cdot B_{x} / I \label{2} \]
Причина, по якій ЯМР може диференціювати різні елементи та ізотопи, пов'язана з тим, що кожен конкретний нуклід буде поглинати лише з дуже певною частотою. Ця специфіка означає, що ЯМР, як правило, може виявляти один ізотоп за раз, і це призводить до різних типів ЯМР: таких як 1 Н ЯМР, 13 С ЯМР та 31 P ЯМР, щоб назвати лише деякі.
Подальша поглинена частота ядер будь-якого типу не завжди є постійною, оскільки електрони, що оточують ядро, можуть призвести до ефекту, званого ядерним екрануванням, де магнітне поле в ядрі змінюється (зазвичай знижується) через навколишнє електронне середовище. Ця диференціація конкретного ядра на основі його електронного (хімічного) середовища дозволяє використовувати ЯМР для ідентифікації структури. Оскільки ядра одного типу в різних електронних середовищах будуть більш-менш екрановані, ніж інші, різниця в їх середовищі (як спостерігається різниця в навколишньому магнітному полі) визначається як хімічний зсув.
Контрольно-вимірювальні прилади
Приклад ЯМР-спектрометра наведено на рис\(\PageIndex{2}\). ЯМР-спектроскопія працює, змінюючи випромінювану частоту машини в невеликому діапазоні, поки зразок знаходиться всередині постійного магнітного поля. Велика частина магнітів, що використовуються в апаратах ЯМР для створення магнітного поля в діапазоні від 6 до 24 Т. Зразок поміщається всередині магніту і оточується надпровідними котушками, а потім піддається впливу частоти від джерела радіохвиль. Потім детектор інтерпретує результати та надсилає їх на головну консоль.
Інтерпретація спектрів ЯМР
Хімічний зсув
Різні місцеві хімічні середовища, що оточують будь-які конкретні ядра, змушують їх резонувати на дещо різних частотах. Це результат того, що ядро більш-менш екрановане, ніж інше. Це називається хімічним зрушенням (δ). Одним із факторів, що впливає на хімічний зсув, є зміна щільності електронів навколо ядра, наприклад зв'язку до електронегативної групи. Водневий зв'язок також змінює електронну щільність в 1 Н ЯМР, викликаючи більший зсув. Ці зсуви частоти є незначними порівняно з основними різницями частот ЯМР за шкалою Гц порівняно з МГц. З цієї причини хімічні зрушення (δ) описуються одиницею ppm на спектрах ЯМР,\ ref {3}, де H ref = резонансна частота опорного, H sub = резонансна частота речовини, і H машина = робоча частота спектрометра.
\[ \delta \ =\ (\frac{H_{ref}-H_{sub}}{H_{machine}})\ \times 10^{6} \label{3} \]
Оскільки хімічний зсув (δ в проміле) повідомляється як відносна відмінність від деякої опорної частоти, тому потрібно посилання. В 1 Н і 13 С ЯМР, наприклад, в якості еталонного використовується тетраметилсилан (TMS, Si (CH 3) 4). Хімічні зрушення можуть бути використані для ідентифікації структурних властивостей молекули на основі нашого розуміння різних хімічних середовищ. Деякі приклади того, де різні хімічні середовища потрапляють на спектри ЯМР 1 Н, наведені в табл\(\PageIndex{1}\).
| Функціональна група | Хімічний діапазон зсуву (ppm) |
|---|---|
| Алкіл (наприклад, метил-CH 3) | ~ 1 |
| Алкіл, суміжний з киснем (-СН 2 -О) | 3 - 4 |
| Алкен (= CH 2) | ~ 6 |
| Алкін (C-H) | ~ 3 |
| Ароматичні | 7 - 8 |
На малюнку\(\PageIndex{3}\), спектри ЯМР 1 Н етанолу, ми можемо побачити наочний приклад хімічного зсуву. Існує три набори піків, які представляють шість воднів етанолу (C 2 H 6 O). Наявність трьох наборів піків означає, що існують три різні хімічні середовища, в яких водні можуть бути знайдені: три водневі термінал метилу (CH 3) вуглецю, два водню на метиленовому (CH 2) вуглецю, що прилягає до кисню, і єдиний водень на кисень алкогольної групи (ОН). Після того, як ми покриємо спін-спінові муфти, у нас будуть доступні інструменти, щоб відповідати цим групам водню з відповідними піками.
Спін Спін Муфта
Ще одна корисна властивість, яка дозволяє спектрам ЯМР давати структурну інформацію, називається спін-спінова зв'язок, яка викликана спіновим зв'язком між активними ядрами ЯМР, які не є хімічно ідентичними. Різні спінові стани взаємодіють через хімічні зв'язки в молекулі, щоб породити цю зв'язок, яка виникає, коли досліджувані ядра порушуються або впливають сусідній ядерний спін. У спектрах ЯМР цей ефект проявляється через пікове розщеплення, яке може дати пряму інформацію щодо зв'язності атомів у молекулі. Ядра, які мають однаковий хімічний зсув, не утворюють піків розщеплення в спектрах ЯМР.
Загалом, сусідні активні ядра ЯМР три або менше зв'язків призводять до цього розщеплення. Розщеплення описується співвідношенням, коли n сусідніх ядер призводять до n +1 піків, а розподіл площі можна побачити в трикутнику Паскаля (рис.\(\PageIndex{4}\)). Однак, будучи прилеглим до сильно електронегативної групи, такої як кисень, може запобігти спін-спінові з'єднання. Наприклад, дуплет мав би два піки з коефіцієнтами інтенсивності 1:1, тоді як квартет мав би чотири піки відносної інтенсивності 1:3: 1. Величина спостережуваного спінового розщеплення залежить від багатьох факторів і задається постійною зв'язку J, яка знаходиться в одиницях Гц.
Знову посилаючись на Рисунок\(\PageIndex{4}\), ми маємо хороший приклад того, як спін-спінова муфта проявляється в спектрах ЯМР. У спектрах ми маємо три набори піків: квартет, триплет та синглет. Якщо ми почнемо з термінального вуглецю водню в етанолі, використовуючи правило n +1, ми бачимо, що вони мають два водню в межах трьох зв'язків (тобто H-C-C-H), що призводить нас до ідентифікації триплет як піків для термінального вуглецю водню. Дивлячись далі на два центральних водню, вони мають чотири активних ядра ЯМР в межах трьох зв'язків (тобто H-C-C-H), але в спектрах немає квінтету, як можна було очікувати. Це можна пояснити тим, що єдиний водень, пов'язаний з киснем, захищений від спін-спінової муфти, тому він повинен бути синглет, а два центральних водню утворюють квартет. Зараз ми інтерпретували спектри ЯМР етанолу, визначаючи, які ядра відповідають кожному піку.
Пікова інтенсивність
В основному корисний для протонних ЯМР, розмір піків у спектрах ЯМР може дати інформацію про кількість ядер, які породили цей пік. Це робиться шляхом вимірювання площі піку за допомогою інтеграції. І все ж навіть без використання інтеграції розмір різних піків все одно може дати відносну інформацію про кількість ядер. Наприклад, синглет, пов'язаний з трьома атомами водню, був би приблизно в 3 рази більшим, ніж синглет, пов'язаний з одним атомом водню.
Це також можна побачити на прикладі на рис\(\PageIndex{3}\). Якби ми інтегрували область під кожним піком, ми виявили б, що співвідношення областей квартету, синглета та триплет приблизно 2:1: 3 відповідно.
Обмеження ЯМР
Незважаючи на всі його недоліки, існує кілька обмежень, які можуть зробити аналіз ЯМР складним або неможливим у певних ситуаціях. Одним з таких питань є те, що бажаний ізотоп елемента, який необхідний для аналізу ЯМР, може мати мало або взагалі не мати природного достатку. Наприклад, природна велика кількість 13 С, активний ізотоп для вуглецевого ЯМР, становить близько 11%, що добре працює для аналізу. Однак у випадку кисню активний ізотоп для ЯМР становить 17 О, що є лише 0,035% природним достатком. Це означає, що існують певні елементи, які по суті ніколи не можуть бути виміряні за допомогою ЯМР.
Інша проблема полягає в тому, що деякі елементи мають вкрай низький магнітний момент, μ. Чутливість машин ЯМР заснована на магнітному моменті конкретного елемента, але якщо магнітний момент занадто низький, може бути дуже важко отримати спектри ЯМР з достатньою піковою інтенсивністю для правильного аналізу.
ЯМР властивості елемента
| Ізотоп | Природне достаток (%) | Відносна частота ЯМР (МГц) | Відносна сприйнятливість порівняно з 1H |
|---|---|---|---|
| 1 Ч | 99.985 | 100 | 1.00 |
| 3 Ч | - | 106.7 | - |
| 3 Він | 0.00013 | 76.2 | 5,8 х 10 -7 |
| 13 С | 1.11 | 25.1 | 1,8 х 10 -4 |
| 15 Н | 0,37 | 10.1 | 3,9 х 10 -6 |
| 19 Ф | 100 | 94.1 | 8,3 х 10 -1 |
| 29 Сі | 4.7 | 19.9 | 3,7 х 10 -4 |
| 31 П | 100 | 40.5 | 6,6 х 10 -2 |
| 57 лют | 2.2 | 3.2 | 7,4 х 10 -7 |
| 77 Сер | 7.6 | 19.1 | 5,3 х 10 -4 |
| 89 Г. | 100 | 4.9 | 1,2 х 10 -4 |
| 103 Rh | 100 | 3.2 | 3,2 х 10 -5 |
| 107 серп | 51.8 | 4.0 | 3,5 х 10 -5 |
| 109 серп | 48.2 | 4.7 | 4,9 х 10 -5 |
| 111 Кд | 12.8 | 21.2 | 1,2 х 10 -3 |
| 113 Кд | 12.3 | 22.2 | 1,3 х 10 -3 |
| 117 Сн | 7.6 | 35.6 | 3,5 х 10 -3 |
| 119 Сн | 8.6 | 37.3 | 4,5 х 10 -3 |
| 125 Те А | 7.0 | 31.5 | 2,2 х 10 -3 |
| 129 Се | 26.4 | 27.8 | 5,7 х 10 -3 |
| 169 Тм | 100 | 8.3 | 5,7 х 10 -4 |
| 171 Гб | 14.3 | 17.6 | 7,8 х 10 -4 |
| 183 Вт | 14.4 | 4.2 | 1,1 х 10 -5 |
| 187 Ос | 1.6 | 2.3 | 2,0 х 10 -7 |
| 195 Пт | 33.8 | 21.4 | 3,4 х 10 -3 |
| 199 Гг | 16.8 | 17,9 | 9,8 х 10 -4 |
| 203 Тін | 29.5 | 57.1 | 5,7 х 10 -2 |
| 205 Ті | 70.5 | 57.6 | 1.4 х 10 -1 |
| 207 Пб | 22.6 | 20.9 | 2,0 х 10 -1 |
| Ізотоп | Спін | Природне достаток (%) | Відносна частота ЯМР (%) | Відносна сприйнятливість порівняно з 1 H | Квадропольний момент (10 -28 м 2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 Ч | 1 | 0,015 | 15.4 | 1,5 х 10 -6 | 2,8 х 10 -3 |
| 6 Лі | 1 | 7.4 | 14.7 | 6,3 х 10 -4 | -8 х 10 -4 |
| 7 Лі | 3/2 | 92.6 | 38.9 | 2,7 х 10 -1 | -4 х 10 -2 |
| 9 Бути | 3/2 | 100 | 14.1 | 1.4 х 10 -2 | 5 х 10 -2 |
| 10 Б | 3 | 19.6 | 10.7 | 3,9 х 10 -3 | 8,5 х 10 -2 |
| 11 Б | 3/2 | 80.4 | 32.1 | 1,3 х 10 -1 | 4,1 х 10 -2 |
| 14 На | 1 | 99.6 | 7.2 | 1,0 х 10 -3 | 1 х 10 -2 |
| 17 О | 5/2 | 0.037 | 13,6 | 1,1 х 10 -5 | -2,6 х 10 -2 |
| 23 На | 5/2 | 100 | 26.5 | 9,3 х 10 -2 | 1 х 10 -1 |
| 25 мг | 5/2 | 10.1 | 6.1 | 2,7 х 10 -4 | 2,2 х 10 -1 |
| 27 Аль | 5/2 | 100 | 26.1 | 2,1 х 10 -1 | 1,5 х 10 -1 |
| 33 С | 3/2 | 0,76 | 7.7 | 1,7 х 10 -5 | -5,5 х 10 -2 |
| 35 Кл | 3/2 | 75.5 | 9.8 | 3,6 х 10 -3 | -1 х 10 -1 |
| 37 Кл | 3/2 | 24.5 | 8.2 | 6,7 х 10 -4 | -7,9 х 10 -2 |
| 39 К б | 3/2 | 93.1 | 4.7 | 4,8 х 10 -4 | 4,9 х 10 -2 |
| 43 Ка | 7/2 | 0,15 | 6.7 | 8,7 х 10 -6 | 2 х 10 -1 |
| 45 Сб | 7/2 | 100 | 24.3 | 3 х 10 -1 | -2,2 х 10 -1 |
| 47 Ті | 5/2 | 7.3 | 5.6 | 1,5 х 10 -4 | 2,9 х 10 -1 |
| 49 Ті | 7/2 | 5.5 | 5.6 | 2,1 х 10 -4 | 2.4 х 10 -1 |
| 51 В б | 7/2 | 99.8 | 26.3 | 3,8 х 10 -1 | -5 х 10 -2 |
| 53 кр | 3/2 | 9.6 | 5.7 | 8,6 х 10 -5 | 3 х 10 -2 |
| 55 Мн | 5/2 | 100 | 24.7 | 1,8 х 10 -1 | 4 х 10 -1 |
| 59 Ко | 7/2 | 100 | 23.6 | 2,8 х 10 -1 | 3,8 х 10 -1 |
| 16 Ні | 3/2 | 1.2 | 8.9 | 4,1 х 10 -1 | 1,6 х 10 -1 |
| 63 у.о. | 3/2 | 69.1 | 26.5 | 6,5 х 10 -2 | -2,1 х 10 -1 |
| 65 у.о. | 3/2 | 30.9 | 28.4 | 3,6 х 10 -2 | -2,0 х 10 -1 |
| 67 Зн | 5/2 | 4.1 | 6.3 | 1,2 х 10 -4 | 1,6 х 10 -1 |
| 69 Га | 3/2 | 60.4 | 24.0 | 4,2 х 10 -2 | 1,9 х 10 -1 |
| 71 Га | 3/2 | 39,6 | 30.6 | 5,7 х 10 -2 | 1,2 х 10 -1 |
| 73 Гр | 9/2 | 7.8 | 3.5 | 1,1 х 10 -4 | -1.8 х 10 -1 |
| 75 Як | 3/2 | 100 | 17.2 | 2,5 х 10 -2 | 2,9 х 10 -1 |
| 79 Бр | 3/2 | 50.5 | 25.1 | 4,0 х 10 -2 | 3,7 х 10 -1 |
| 81 Бар | 3/2 | 49.5 | 27.1 | 4,9 х 10 -2 | 3,1 х 10 -1 |
| 87 руб | 3/2 | 27.9 | 32.8 | 4,9 х 10 -2 | 1,3 х 10 -1 |
| 87 Ср | 9/2 | 7.0 | 4.3 | 1,9 х 10 -4 | 3 х 10 -1 |
| 91 Зр | 5/2 | 11.2 | 9.3 | 1,1 х 10 -3 | -2,1 х 10 -1 |
| 93 Нб | 9/2 | 100 | 24.5 | 4,9 х 10 -1 | -2,2 х 10 -1 |
| 95 пн | 5/2 | 15,7 | 6.5 | 5,1 х 10 -4 | ± 1,2 х 10 -1 |
| 97 пн | 5/2 | 9.5 | 6.7 | 3,3 х 10 -4 | ± 1,1 |
| 99 руб | 5/2 | 12,7 | 4.6 | 1,5 х 10 -4 | 7,6 х 10 -2 |
| 101 Ру | 5/2 | 17.1 | 5.2 | 2,8 х 10 -4 | 4.4 х 10 -1 |
| 105 Пд | 5/2 | 22.2 | 4.6 | 2,5 х 10 -4 | 8 х 10 -1 |
| 115 У б | 9/2 | 95.7 | 22.0 | 3,4 х 10 -1 | 8,3 х 10 -1 |
| 121 Сб | 5/2 | 57.3 | 24.0 | 9,3 х 10 -2 | -2,8 х 10 -1 |
| 123 Сб | 7/2 | 42.7 | 13,0 | 2,0 х 10 -2 | 3,6 х 10 -1 |
| 127 Я | 5/2 | 100 | 20.1 | 9,5 х 10 -2 | -7,9 х 10 -1 |
| 131 Де я | 3/2 | 21.3 | 8.2 | 5,9 х 10 -4 | -1,2 х 10 -1 |
| 133 шт | 7/2 | 100 | 13.2 | 4,8 х 10 -2 | -3 х 10 -3 |
| 137 бар б | 3/2 | 11.3 | 11.1 | 7,9 х 10 -4 | 2,8 х 10 -1 |
| 139 Ла | 7/2 | 99.9 | 14.2 | 6,0 х 10 -2 | 2,2 х 10 -1 |
| 177 Гф | 7/2 | 18,5 | 4.0 | 2,6 х 10 -4 | 4.5 |
| 179 Гф | 9/2 | 13,8 | 2.5 | 7,4 х 10 -5 | 5.1 |
| 181 Таг | 7/2 | 99.99 | 12.0 | 3,7 х 10 -2 | 3 |
| 185 ре | 5/2 | 37.1 | 22.7 | 5,1 х 10 -2 | 2.3 |
| 187 ре | 5/2 | 62.9 | 22,9 | 8,8 х 10 -2 | 2.2 |
| 189 ОС | 3/2 | 16.1 | 7.8 | 3,9 х 10 -4 | 8 х 10 -1 |
| 191 Ір | 3/2 | 37.3 | 1.7 | 9,8 х 10 -6 | 1.1 |
| 193 Ір | 3/2 | 62.7 | 1.9 | 2,1 х 10 -5 | 1.0 |
| 197 авт. | 3/2 | 100 | 1.7 | 2,6 х 10 -5 | 5,9 х 10 -1 |
| 201 рт.ст. | 3/2 | 13.2 | 6.6 | 1,9 х 10 -4 | 4.4 х 10 -1 |
| 2009 Бі | 9/2 | 100 | 16.2 | 1.4 х 10 -1 | -3,8 х 10 -1 |
ЯМР Спін Муфта
Основа спінової муфти
Сигнали ядерного магнітного резонансу (ЯМР) виникають, коли ядра поглинають певну радіочастоту і збуджуються з одного спінового стану в інше. Точна частота електромагнітного випромінювання, яке поглинає ядро, залежить від магнітного середовища навколо ядра. Це магнітне середовище контролюється здебільшого прикладним полем, але також впливає на магнітні моменти сусідніх ядер. Ядра можуть перебувати в одному з багатьох спінових станів Рисунок\(\PageIndex{5}\), що породжує кілька можливих магнітних середовищ для резонування спостережуваного ядра. Це призводить до того, що сигнал ЯМР для ядра відображатиметься як мультиплет, а не один пік.
Коли ядра мають спін I = 1/2 (як у протонів), вони можуть мати два можливі магнітні моменти і таким чином розділити один очікуваний сигнал ЯМР на два сигнали. Коли більше одного ядра впливає на магнітне середовище досліджуваного ядра, утворюються складні мультиплети, коли кожне ядро розщеплює сигнал на дві додаткові піки. Якщо ці ядра магнітно еквівалентні один одному, то деякі сигнали перекриваються, утворюючи піки з різною відносною інтенсивністю. Шаблон мультиплету можна передбачити трикутником Паскаля (рис.\(\PageIndex{6}\)), дивлячись на n -й рядок, де n = кількість ядер, еквівалентних один одному, але не еквівалентних досліджуваному. При цьому кількість піків в множнику дорівнює n + 1
Коли існує більше одного типу ядер, що розщеплює ЯМР-сигнал, то сигнал змінюється з мультиплета в групу мультиплетів (рис.\(\PageIndex{7}\)). Це викликано різними константами зв'язку, пов'язаними з різними типами ядер. Кожне ядро розщеплює сигнал ЯМР на різну ширину, тому піки більше не перекриваються, утворюючи піки з різною відносною інтенсивністю.
Коли ядра мають I > 1/2, вони мають більше двох можливих магнітних моментів і таким чином розділяють сигнали ЯМР на більш ніж два піки. Кількість очікуваних піків дорівнює 2I+ 1, що відповідає числу можливих орієнтацій магнітного моменту. Однак насправді деякі з цих вершин можуть бути затемнені через чотириполярне розслаблення. Як результат, більшість ЯМР фокусується на I = 1/2 ядра, такі як 1 H, 13 C і 31 P.
Мультиплети зосереджені навколо хімічного зсуву, очікуваного для ядра, якщо його сигнал не був розщеплений. Загальна площа мультиплета відповідає кількості резонуючих на заданій частоті ядер.
Спінова муфта в молекулах
Дивлячись на реальні молекули, викликає питання про те, які ядра можуть спричинити розщеплення. Перш за все, важливо усвідомити, що в спектрі ЯМР з'являться тільки ядра з I ≠ 0. Коли I = 0, існує лише один можливий спіновий стан, і очевидно, що ядро не може перевертатися між станами. Оскільки сигнал ЯМР заснований на поглинанні радіочастоти, оскільки ядро переходить з одного спінового стану в інше, ядра I = 0 не виявляються на ЯМР. Крім того, вони не викликають розщеплення інших сигналів ЯМР, оскільки мають лише один можливий магнітний момент. Це значно спрощує спектри ЯМР, зокрема органічних і металоорганічних сполук, оскільки більшість атомів вуглецю складають 12 С, які мають I = 0.
Щоб ядро викликало розщеплення, воно повинно бути досить близько до спостережуваного ядра, щоб впливати на його магнітне середовище. Розщеплення технічно відбувається через зв'язки, а не через простір, тому, як правило, тільки ядра, розділені трьома або меншими зв'язками, можуть розщеплювати один одного. Однак навіть якщо ядро знаходиться досить близько до іншого, воно може не спричинити розщеплення. Щоб відбулося розщеплення, ядра також повинні бути нееквівалентними. Щоб побачити, як ці фактори впливають на реальні спектри ЯМР, розглянемо спектр для хлоретану (рис.\(\PageIndex{8}\)).
Зверніть увагу, що на малюнку\(\PageIndex{8}\) є дві групи піків в спектрі для хлоретану, триплет і квартет. Вони виникають з двох різних типів ядер I ≠ 0 в молекулі, протонів на метил і метиленові групи. Мультиплет, відповідний протонам CH 3, має відносну інтеграцію (пікову площу) з трьох (по одному на кожен протон) і розщеплюється двома метиленовими протонами (n = 2), що призводить до n + 1 піків, тобто 3, що є трійкою. Мультиплет, відповідний протонам CH 2, має інтеграцію двох (по одному на кожен протон) і розщеплюється трьома метильними протонами ((n = 3), що призводить до n + 1 піків, тобто 4, що є квартетом. Кожна група ядер розщеплює іншу, тому таким чином вони з'єднуються між собою.
константи зчеплення
Різниця (в Гц) між піками мультиплета називається постійною зв'язку. Це особливо для типів ядер, які породжують мультиплет, і не залежить від напруженості поля використовуваного інструменту ЯМР. З цієї причини постійна зчеплення задається в Гц, а не проміле. Константа зв'язку для багатьох загальних пар ядер відома (табл.\(\PageIndex{3}\)), і це може допомогти при інтерпретації спектрів.
| Структурний тип | |
|---|---|
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
0,5 - 3 |
 |
12 - 15 |
 |
12 - 18 |
 |
7 - 12 |
 |
0,5 - 3 |
 |
3 - 11 |
 |
2 - 3 |
 |
орто = 6 - 9; мета = 1 - 3; пара = 0 - 1 |
Константи зв'язку іноді записуються n J для позначення кількості зв'язків (n) між зв'язаними ядрами. Крім того, вони записуються як J (H-H) або J HH, щоб вказати, що зв'язок між двома атомами водню. Таким чином, постійна зв'язку між атомом фосфору і воднем буде записана як J (P-H) або J PH. Константи зв'язку обчислюються емпіричним шляхом шляхом вимірювання відстані між піками мультиплета, і виражаються в Гц.
Константи зв'язку можуть бути розраховані за спектрами, використовуючи частотні або хімічні дані зсуву. Розглянемо спектр хлоретану, показаний на малюнку,\(\PageIndex{5}\) а частоту піків (зібраних на спектрометрі 60 МГц) наведено в табл\(\PageIndex{4}\).
| Пік етикетки | \(\delta\)(проміле) | v (Гц) |
|---|---|---|
| a | \ (\ дельта\) (проміле) ">3.7805 | 226.83 |
| б | \ (\ дельта\) (проміле) ">3.6628 | 219.77 |
| c | \ (\ дельта\) (проміле) ">3.5452 | 212.71 |
| d | \ (\ дельта\) (проміле) ">3,4275 | 205.65 |
| е | \ (\ дельта\) (проміле) ">1.3646 | 81.88 |
| f | \ (\ дельта\) (проміле) ">1.2470 | 74.82 |
| г | \ (\ дельта\) (проміле) ">1.1293 | 67.76 |
Для визначення константи зв'язку для мультиплета (в даному випадку квартету на рис\(\PageIndex{3}\). Рис.) обчислюється різниця частот (ν) між кожним піком і середнє значення цієї величини забезпечує постійну зв'язку в Гц. Наприклад, використовуючи дані з таблиці\(\PageIndex{4}\):
Частота піку c - частота піку d = 212,71 Гц - 205,65 Гц = 7,06 Гц
Частота піку b - частота піку c = 219.77 Гц — 212,71 Гц = 7,06 Гц
Частота піку a - частота піку b = 226.83 Гц — 219.77 Гц = 7,06 Гц
Середній: 7.06 Гц
∴ Дж (Н-Н) = 7,06 Гц
У цьому випадку різниця в частоті між кожним набором піків однакова, і тому середнє визначення не є строго необхідним. Насправді для спектрів 1-го порядку вони повинні бути однаковими. Однак в деяких випадках пікові програми підбору, що використовуються, призведе до невеликих варіацій, і, таким чином, необхідно потрудитися, щоб обчислити справжнє середнє значення.
Щоб визначити константу зв'язку одного і того ж мультиплета за допомогою даних хімічного зсуву (δ), обчислити різницю в проміле між кожним піком і усереднити значення. Потім помножте хімічний зсув на напруженість поля спектрометра (в даному випадку 60 МГц), щоб перетворити значення з ppm в Гц:
Хімічний зсув піку c - хімічний зсув піку d = 3.5452 ppm — 3,4275 ppm = 0,1177 ppm
Хімічний зсув піку b - хімічний зсув піку c = 3,6628 ppm - 3,5452 ppm = 0,1176 ppm
Хімічний зсув піку а - хімічний зсув піку b = 3,7805 ppm - 3,6628 ppm = 0,1177 ppm
Середнє: 0,176 проміле
Середня різниця в проміле х частоти спектрометра ЯМР = 0,1176 проміле х 60 МГц = 7,056 Гц
∴ Дж (Н-Н) = 7,06 Гц
Обчисліть постійну зв'язку для триплет в спектрі для хлоретану (рис.\(\PageIndex{6}\)), використовуючи дані з табл\(\PageIndex{5}\).
Використовуючи частотні дані:
Частота піку f - частота піку g = 74,82 Гц - 67,76 Гц = 7,06 Гц
Частота піку е - частота піку f = 81,88 Гц - 74,82 Гц = 7,06 Гц
Середнє = 7,06 Гц
ψ J (H-H) = 7,06 Гц = 7,06 Гц
Як варіант, використовуючи дані хімічного зсуву:
Хімічний зсув піку f - хімічний зсув піку g = 1,2470 ppm - 1,1293 ppm = 0,1177 ppm
Хімічний зсув піку е - хімічний зсув піку f = 1,3646 ppm - 1,2470 ppm = 0,1176 ppm
Середнє = 0,11765 ppm
0. 11765 ppm x 60 МГц = 7.059 Гц
ν J (H-H) = 7.06 Гц
Зверніть увагу, що константа зв'язку для цього мультиплету така ж, як і в прикладі. Цього слід очікувати, оскільки два мультиплети з'єднані один з одним.
Муфта другого порядку
Коли зв'язані ядра мають подібні хімічні зрушення (точніше, коли Δν за величиною схожий на J), може відбуватися зчеплення другого порядку або сильне зчеплення. У самому основному вигляді муфта другого порядку призводить до «покрівлі» (рис.\(\PageIndex{6}\)). З'єднані множники вказують або нахиляються один до одного, і ефект стає більш помітним, коли Δν зменшується. Мультиплети також стають офцентрованими з муфтою другого порядку. Середина між піками більше не відповідає точно хімічному зсуву.
У більш різких випадках сильного зчеплення (коли Δν ≈ J) мультиплети можуть зливатися, щоб створити оманливо прості візерунки. Або, якщо задіяно більше двох спинив, можуть з'явитися абсолютно нові піки, що ускладнює інтерпретацію спектра вручну. Зв'язку другого порядку часто можна перетворити на зв'язок першого порядку за допомогою спектрометра з більш високою напруженістю поля. Це працює шляхом зміни Δν (який залежить від напруженості поля), тоді як J (який не залежить від напруженості поля) залишається незмінним.
P-31 ЯМР-спектроскопія
Фосфор-31 ядерний магнітний резонанс (31 Р ЯМР) концептуально такий же, як протонний (1 Н) ЯМР. Ядро 31 P корисне в ЯМР-спектроскопії завдяки відносно високому гіромагнітному співвідношенню (17,235 МГц -1). Для порівняння, гіромагнітні співвідношення 1 Н і 13 С становлять (42,576 МГц Т -1) і (10,705 МГц Т -1) відповідно. Крім того, 31 Р має 100% природний ізотопний достаток. Як і ядро 1 H, ядро 31 P має ядерний спін 1/2, що робить спектри відносно легко інтерпретувати. 31 P ЯМР - відмінна методика вивчення фосфорсодержащих сполук, таких як органічні сполуки і комплекси координації металів.
Відмінності між 1 Н і 31 Р ЯМР
Існують певні суттєві відмінності між 1 Н і 31 П ЯМР. Хоча спектри ЯМР 1 Н посилаються на тетраметилсилан [Si (C H 3) 4], хімічні зрушення в 31 P ЯМР, як правило, повідомляються щодо 85% фосфорної кислоти (δ = 0 ppm), яка використовується як зовнішній стандарт через його реакційну здатність. Однак триметилфосфіт, P (OCH 3) 3, також використовується, оскільки на відміну від фосфорної кислоти його зсув (δ = 140 ppm) не залежить від концентрації або рН. Як і в 1 Н ЯМР, позитивні хімічні зрушення відповідають зсуву вниз поля від стандарту. Однак до середини 1970-х років конвенція була протилежною. В результаті старі тексти і статті повідомляють про зрушення за допомогою протилежного знака. Хімічні зрушення в 31 P ЯМР зазвичай залежать від концентрації зразка, використовуваного розчинника та наявності інших сполук. Це пояснюється тим, що зовнішній стандарт не враховує об'ємні властивості зразка. Як результат, зареєстровані хімічні зрушення для однієї і тієї ж сполуки можуть варіюватися на 1 проміле або більше, особливо для фосфатних груп (P = O). Спектри ЯМР 31 P часто реєструються з усіма протонними сигналами, розв'язаними, тобто 31 P- {1 H}, як це робиться з ЯМР 13 С. Це породжує поодинокі, різкі сигнали на унікальне ядро 31 P. Тут ми розглянемо як зв'язані, так і розв'язані спектри.
Інтерпретація спектрів
Як і в 1 Н ЯМР, сигнали фосфору відбуваються на різних частотах в залежності від електронного середовища кожного ядра фосфору\(\PageIndex{7}\). У цьому розділі ми вивчимо кілька прикладів сполук фосфору з різними хімічними зрушеннями та зчепленням з іншими ядрами.
Різні фосфорні середовища та їх зчеплення до 1 Н
Розглянемо будову 2,6,7-триокса-1,4-дифосфабіцикло [2.2.2] октану [P α (OCH 2) 3 P β], показану на рис\(\PageIndex{8}\). Індекси α і β просто використовуються для диференціації двох ядер фосфору. Відповідно до таблиці 1, ми очікуємо, що зсув P α буде нижнім полем стандарту фосфорної кислоти, приблизно близько 125 ppm до 140 ppm і зрушення P β буде вище рівня стандарту, між -5 ppm і -70 ppm. У відокремленому спектрі, показаному на малюнку\(\PageIndex{8}\), ми можемо призначити зсув фосфору при 90,0 ppm до P α, а зсув при -67.0 ppm до P β.
\(\PageIndex{9}\)На малюнку показано зв'язок сигналів фосфору з протонами в з'єднанні. Ми очікуємо більш сильного зв'язку для P β, оскільки є лише дві зв'язки, що відокремлюють P β від H, тоді як три зв'язки відокремлюють P α від H (J PCH> J POCH). Дійсно, J PCH = 8.9 Гц і J POCH = 2.6 Гц, що підтверджує наші пікові призначення вище.
Нарешті, на малюнку\(\PageIndex{10}\) показаний спектр 1 H P α (OCH 2) 3 P β (рис.\(\PageIndex{11}\)), який показує дублет дублетів для протонного сигналу через зв'язок з двома ядрами фосфору.
Як припускають дані на малюнку,\(\PageIndex{7}\) ми можемо прогнозувати і спостерігати зміни хімічного зсуву фосфору, змінюючи координацію П. Таким чином, для ряду сполук зі структурою показані на малюнку різні хімічні зрушення,\(\PageIndex{11}\) що відповідають різним сполукам фосфору. в табл\(\PageIndex{3}\).
| X | Y | P α хімічний зсув (ppm) | P β хімічний зсув (ppm) |
| - | - | 90.0 | -67.0 |
| O | O | -18.1 | 6.4 |
| S | - | 51.8 | -70.6 |
З'єднання з фтором
19 F ЯМР дуже схожий на 31 P ЯМР в тому, що 19 F має спін 1/2 і є 100% рясним ізотопом. В результаті 19 F ЯМР є чудовою технікою для фторвмісних сполук і дозволяє дотримуватися P-F зчеплення. Зв'язані 31 P і 19 F ЯМР спектри етоксибіс (трифторметил) фосфіну, P (CF 3) 2 (OCH 2 CH 3) показані на рис\(\PageIndex{11}\). Варто відзначити розщеплення за рахунок J PCF = 86,6 Гц.
31 П - 1 Н Муфта
Розглянемо будову диметилфосфонату, OPH (OCH 3) 2, показану на рис\(\PageIndex{12}\). Оскільки фосфорне ядро з'єднане з водневим ядром, пов'язаним безпосередньо з ним, тобто зв'язком, розділеним одним зв'язком, ми очікуємо, що J PH буде дуже високим. Дійсно, поділ настільки великий (715 Гц), що можна легко помилити розщеплений пік для двох піків, відповідних двом різним ядрам фосфору.
Ця сильна зв'язок також може призвести нас в оману, коли ми розглядаємо спектр 1 Н ЯМР диметилфосфонату (рис.\(\PageIndex{13}\)). Тут ми спостерігаємо два дуже маленьких піку, відповідних фосфіну протону. Піки розділені такою великою відстанню і настільки малі щодо метокси-дублета (співвідношення 1:1:12), що їх легко було б переплутати за домішку. Щоб призначити невеликий дуплет, ми могли б розділити сигнал фосфору на 11 ppm, що призведе до того, що цей пік впаде в синглет.
Отримання спектрів 31 P
Підготовка зразків
На відміну від 13 С ЯМР, який вимагає високих концентрацій зразків через низьку ізотопну велику кількість 13 С, 31 P пробопідготовка дуже схожа на 1 Н пробопідготовки. Як і в інших експериментах ЯМР, зразок ЯМР 31 P повинен бути вільним від твердих частинок. Розумна концентрація становить 2-10 мг зразка, розчиненого в 0,6-1,0 мл розчинника. При необхідності розчин можна процідити через дрібне скловолокно. Зверніть увагу, що тверде тіло не буде аналізуватися в експерименті ЯМР. На відміну від 1 Н ЯМР, однак, зразок не повинен бути розчинений у дейтерированому розчиннику, оскільки звичайні розчинники не мають ядер 31 P, щоб сприяти спектрам. Це вірно, звичайно, лише в тому випадку, якщо з цього зразка не можна отримати спектр ЯМР 1 Н. Можливість використання недейтрованих розчинників пропонує багато переваг для 31 P ЯМР, таких як простота аналізу чистоти та моніторингу реакцій, про які піде мова далі.
Експлуатація приладу
Робота приладу буде відрізнятися залежно від наявного приладу та програмного забезпечення. Однак є кілька важливих аспектів роботи приладу, що стосуються 31 P ЯМР. Приладовий зонд, який збуджує ядерні спини та виявляє хімічні зрушення, повинен бути налаштований належним чином для експерименту ЯМР 31 P. Для приладу з багатоядерним зондом просто отримати доступ до програмного забезпечення ЯМР і зробити перехід на експеримент 31 P. Це вибере відповідну частоту для 31 P. Для приладу, який має окремі зонди для різних ядер, обов'язково потрібно навчити користувача-експерта зміні зондів на спектрометрі.
Перш ніж запустити експеримент ЯМР, подумайте, чи повинен спектр 31 P включати зв'язок з протонами. Зверніть увагу, що 31 P спектра, як правило, повідомляється з усіма протонами, відокремленими, тобто 31 1P- {1 H}. Зазвичай це налаштування за замовчуванням для експерименту з ЯМР 31 P. Щоб змінити налаштування муфти, дотримуйтесь інструкцій, характерних для програмного забезпечення приладу ЯМР.
Як уже згадувалося раніше, хімічні зрушення в 31 Р ЯМР повідомляються щодо 85% фосфорної кислоти. Це повинен бути зовнішній стандарт через високу реакційну здатність фосфорної кислоти. Один із способів стандартизації експерименту використовує коаксіальну трубку, вставлену в пробку ЯМР-трубку (рис.\(\PageIndex{14}\)). Сигнал 85% H 3 PO 4 з'явиться як частина спектру ЯМР зразка і, таким чином, може бути встановлений на 0 ppm.
Іншим способом посилання на спектр ЯМР є використання 85% H 3 PO 4 стандартного зразка. Їх можна приготувати в лабораторії або придбати комерційно. Щоб забезпечити довгострокове використання, ці зразки, як правило, герметизуються у вакуумі, на відміну від того, як зазвичай є зразки ЯМР. Порядок використання окремої довідки виглядає наступним чином.
- Вставте пробірку ЯМР в спектрометр.
- Налаштуйте зонд 31 P і прокладіть магнітне поле відповідно до вашої індивідуальної процедури приладу.
- Видаліть пробірку ЯМР і вставте опорну трубку H 3 PO 4 в спектрометр.
- Почніть експеримент ЯМР. Під час сканування виконайте перетворення Фур'є і встановіть сигнал фосфору на 0 ppm. Продовжуйте до опорного спектру, поки зсув не перестане змінюватися.
- Припиніть експериментувати.
- Видаліть опорну трубку H 3 PO 4 і вставте зразок ЯМР у спектрометр.
- Запустіть експеримент ЯМР, не змінюючи посилання на спектр.
31 P ЯМР додатків
Аналіз чистоти зразка
31 P ЯМР-спектроскопія породжує одиничні різкі піки, які полегшують диференціювання фосфорсодержащих видів, таких як вихідні матеріали з продуктів. З цієї причини 31 P ЯМР - це швидка і проста техніка для визначення чистоти зразка. Однак будьте обережні, що «чистий» спектр 31 P не обов'язково передбачає чисту сполуку, лише суміш, вільну від забруднень, що містять фосфор.
31 P ЯМР також може бути використаний для визначення оптичної чистоти хірального зразка. Додавання енантіомера до хіральної суміші для утворення двох різних діастереомерів призведе до двох унікальних хімічних зрушень у спектрі 31 P. Співвідношення цих піків потім можна порівняти, щоб визначити оптичну чистоту.
Моніторинг реакцій
Як було запропоновано в попередньому розділі, 31 P ЯМР може бути використаний для моніторингу реакції за участю сполук фосфору. Розглянемо реакцію між невеликим надлишком органічного дифосфіну ліганда і нікелю (0) біс -циклооктадієном, рис\(\PageIndex{15}\).
За реакцією може послідувати 31 P ЯМР, просто взявши невелику аліквоту з реакційної суміші і додаючи його в ЯМР-трубку, фільтруючи при необхідності. Потім зразок використовується для придбання спектру ЯМР 31 P, і процедура може бути повторена в різний час реакції. Дані, отримані для цих експериментів, знаходяться на рис\(\PageIndex{16}\). Зміна пікової інтенсивності 31 Р може бути використана для моніторингу реакції, яка починається з одного сигналу при -4,40 ppm, що відповідає вільному дифосфіну ліганду. Через годину з'являється новий сигнал на рівні 41,05 проміле, що відповідає комплексу дифосфіннікелю. Пік нижнього поля зростає, коли реакція протікає відносно піку вищого поля. Ніяких змін не спостерігається між чотирма і п'ятьма годинами, що свідчить про висновок реакції.
Існує ряд переваг використання 31 Р для моніторингу реакції, якщо він доступний порівняно з 1 Н ЯМР:
- Немає необхідності в дейтерированном розчиннику, що спрощує підготовку проб і економить час і ресурси.
- Спектр 31 P простий і його можна швидко проаналізувати. Відповідні спектри ЯМР 1 Н для вищезгаданої реакції включали б ряд перекриваються піків для двох видів фосфору, а також піки як для вільного, так і для зв'язаного циклооктадієнового ліганду.
- Очищення продукту також легко піддається.
31 P ЯМР не усуває необхідності в 1 Н ЯМР характерізації, оскільки домішки, які не мають фосфору, не з'являться в експерименті 31 Р. Однак, по завершенні реакції, як сирі, так і очищені продукти можуть бути легко проаналізовані як за допомогою 1 H, так і 31 P ЯМР-спектроскопії.
Вимірювання епоксидного вмісту вуглецевих наноматеріалів
Можна виміряти кількість епоксиду на наноматеріалах, таких як вуглецеві нанотрубки та фулерени, контролюючи реакцію за участю сполук фосфору аналогічно описаному вище способу. У цій методиці використовується каталітична реакція метилтріоксоргенію (рис.\(\PageIndex{17}\)). Епоксид реагує з метилтриоксоренієм, утворюючи п'ятичленне кільце. У присутності трифенілфосфіну (РРН 3) каталізатор регенерується, утворюючи алкен і оксид трифенілфосфіну (OPpH 3). Та ж реакція може бути застосована до вуглецевих наноструктур і використана для кількісної оцінки кількості епоксиду на наноматеріалі. Малюнок\(\PageIndex{18}\) ілюструє кількісне визначення епоксиду на вуглецевій нанотрубці.
Оскільки кількість початкового pPH 3, що використовується в реакції, відома, відносні кількості pPH 3 і OpPH 3 можуть бути використані для стехіометричного визначення кількості епоксиду на нанотрубці. 31 P ЯМР-спектроскопія використовується для визначення відносних кількостей ppH 3 і OPpH 3 (рис.\(\PageIndex{19}\)).
Інтеграція двох сигналів 31 P використовується для кількісної оцінки кількості епоксиду на нанотрубці відповідно до\ ref {4}.
\[ Moles\ of\ Epoxide\ =\ \frac{area\ of\ OPPH_{3}\ peak}{area\ of\ PPh_{3}\ peak} \times \ moles\ PPh_{3} \label{4} \]
Таким чином, з відомої кількості рРН 3 можна знайти кількість утвореного OPpH 3 і співвіднести його стехіометрично з кількістю епоксиду на нанотрубці. Цей експеримент не тільки дозволяє проводити таку кількісну оцінку, він також не впливає на наявність безлічі різних видів, присутніх в експерименті. Це пояснюється тим, що сполуки, що представляють інтерес, pPH 3 та OpPH 3, є єдиними, які характеризуються спектроскопією ЯМР 31 Р.
Висновок
31 P ЯМР-спектроскопія - це проста методика, яка може бути використана поряд з 1 H ЯМР для характеристики фосфорсодержащих сполук. При самостійному використанні найбільша відмінність від 1 Н ЯМР полягає в тому, що немає необхідності використовувати дейтеризовані розчинники. Ця перевага призводить до багатьох різних застосувань 31 P ЯМР, таких як аналіз чистоти та реакції моніторингу.
ЯМР-спектроскопія стереоізомерів
Ядерно-магнітно-резонансна (ЯМР) спектроскопія є дуже корисним інструментом, широко використовуваним в сучасній органічній хімії. Він використовує відмінності в магнітних властивостях різних ядер молекули, щоб отримати інформацію про хімічне середовище ядер, а згодом і молекули, про яку йде мова. Аналіз ЯМР піддається вченим легше, ніж сказати, що більш загадкові дані досягнуті утворюють ультрафіолетові або інфрачервоні спектри, оскільки відмінності в магнітних властивостях піддаються вченим дуже добре. Хімічні зрушення, характерні для різних хімічних середовищ, і кратність піків добре відповідають нашому уявленню про те, як структуровані молекули.
Використовуючи ЯМР-спектроскопію, ми можемо розрізняти конституційні ізомери, стереоізомери та енантіомери. Останні дві з цих трьох класифікацій вимагають ретельного вивчення відмінностей у спектрах ЯМР, пов'язаних зі змінами хімічного середовища через відмінності симетрії; однак диференціація конституційних ізомерів може бути легко отримана.
Конституційна ізомерія
Ядра обидва володіють зарядом і спином, або кутовим імпульсом, і з базової фізики ми знаємо, що обертається заряд генерує магнітний момент. Специфіка цього магнітного моменту є головною проблемою ЯМР-спектроскопії.
Для протонного ЯМР місцеве хімічне середовище змушує різні протони в молекулі резонувати на різних частотах. Ця різниця в резонансних частотах може бути перетворена в хімічний зсув (δ) для кожного досліджуваного ядра. Оскільки кожне хімічне середовище призводить до різного хімічного зсуву, можна легко призначити піки в даних ЯМР конкретним функціональним групам на основі президента. Президенти хімічних зрушень можна знайти в будь-якій кількості основного тексту ЯМР. Наприклад, на малюнку\(\PageIndex{20}\) показані спектри етилформіату і бензилацетату. У нижчих спектрах, бензилацетату, помічають піки при δ = 1,3, 4.2 та 8,0 проміле, характерні для первинних, вторинних та ароматичних протонів, відповідно, присутніх у молекулі. У спектрах етилформіату (рис.\(\PageIndex{20}\) Б) зверніть увагу, що кількість піків таке ж, як і у бензилацетату (рис.\(\PageIndex{20}\) А); однак кратність піків і їх зрушень дуже різна.
Різниця між цими двома спектрами обумовлена гемінальним спін-спіновим зв'язком. Спін-спінова зв'язок є результатом магнітної взаємодії між окремими протонами, що передаються зв'язуючими електронами між протонами. Ця спінова муфта призводить до розщеплення мови, яке ми бачимо в даних ЯМР. Однією з переваг ЯМР-спектроскопії є чутливість до дуже незначних змін хімічного середовища.
стереоізомерія
Діастереомери
Виходячи з їх визначення, діастереомери - це стереоізомери, які не є дзеркальним відображенням один одного і не є супернепроникними. В цілому діастереомери мають різну реакційну здатність і фізичні властивості. Одним з поширених прикладів є різниця між треозою і еритрозою (рис\(\PageIndex{21}\).
Як видно з малюнка\(\PageIndex{22}\), ці хімічні речовини дуже схожі, кожна з яких має емпіричну формулу C 4 H 7 O 4. Можна задатися питанням: як ці незначні відмінності в хімічній структурі представлені в ЯМР? Щоб відповісти на це питання, ми повинні подивитися на проекції Ньюмена для молекули загальної структури Малюнок\(\PageIndex{22}\).
Можна легко помітити, що два представлені протони завжди знаходяться в різних хімічних середовищах. Це вірно тому, що група R робить частоти протонного резонансу v 1 (I) ≠ v 2 (III), v 2 (I) ≠ v 1 (II) і v 2 (II) ≠ v 1 (III). Таким чином, діастереомери мають різні віцинальні протонно-протонні муфти, і отримані хімічні зрушення можуть бути використані для ідентифікації ізомерного складу зразка.
енантіомери
Енантіомери - це сполуки з хіральним центром. Іншими словами, вони є непереборними дзеркальними відображеннями. На відміну від діастереомерів, єдиною відмінністю енантіомерів є їх взаємодія з поляризованим світлом. На жаль, ця невиразність рацематів включає спектри ЯМР. Таким чином, для того, щоб диференціювати енантіомери, ми повинні використовувати оптично активний розчинник, який також називають хіральним дериватизуючим агентом (CDA). Перший CDA був (α-метокси-α- (трифторметил) фенілуксусна кислота) (MTPA, також відомий як кислота Мошера) (рис.\(\PageIndex{23}\)).
Зараз існує багато CDA і легко доступні. Слід також зазначити, що розробка CDA є актуальним напрямком активних досліджень. Простіше кажучи, можна подумати про те, що CDA перетворює енантіомерную суміш у суміш діастереомерних комплексів, виробляючи дублети, де кожна половина дублета відповідає кожному діастереомеру, який ми вже знаємо, як аналізувати. Отримане пікове розщеплення в спектрах ЯМР завдяки діастереомерної взаємодії може легко визначити оптичну чистоту. Для цього можна просто інтегрувати піки, відповідні різним енантіомерам, таким чином отримуючи оптичну чистоту неповністю вирішених рацематів. Одне, що слід зазначити при виконанні цього експерименту, полягає в тому, що ця взаємодія між енантіомерними сполуками і розчинником, і, отже, величина розщеплення залежить від асиметрії або хіральності розчинника, міжмолекулярної взаємодії між сполукою і розчинником, і, таким чином, температура. Таким чином, корисно порівнювати спектри суміші енантіомер-CDA з спектрами чистого енантіомеру, щоб можна було легко помітити зміни хімічного зсуву.
Основи твердотільного ЯМР
ЯМР розшифровується як ядерний магнітний резонанс і функціонує як потужний інструмент для хімічної характеристики. Незважаючи на те, що ЯМР використовується в основному для рідин і розчинів, технологія просунулася туди, де ЯМР твердих речовин можна отримати з легкістю. Влучно названий твердотільним ЯМР, розширення корисних фаз незмінно збільшувало нашу здатність ідентифікувати хімічні сполуки. Причина труднощів з використанням твердого тіла криється в тому, що тверді речовини ніколи не є однорідними. При проходженні через стандартний ЯМР, взаємодії розширення ліній не можуть бути видалені швидкими молекулярними рухами, що призводить до громіздких широких ліній, які надають мало корисної інформації або немає. Різниця настільки приголомшлива, що лінії розширюються на сотні до тисяч герц, на відміну від менш ніж 0,1 Гц у розчині при використанні I = 1/2 спінового ядра.
Процес, відомий як магічний кут спінінг (MAS), де зразок нахиляється під певним кутом, використовується для подолання взаємодії розширення ліній та досягнення корисної пікової роздільної здатності. Для того, щоб зрозуміти твердотільний ЯМР, його історія, експлуатаційні хімічні та математичні принципи та відмінності від газової фази/розчину ЯМР буде пояснено.
Історія
Першим помітним внеском у те, що ми знаємо сьогодні як ЯМР, було прогнозування Вольфганга Паулі (Рисунок\(\PageIndex{24}\)) ядерного спіна в 1926 році. У 1932 році Отто Стерн (рис.\(\PageIndex{25}\)) використовував молекулярні пучки і виявляв ядерні магнітні моменти.
Через чотири роки Гортер провів перший експеримент ЯМР з фторидом літію (LiF) та гідратованими галунами калію (K [Al (SO 4) 2] • 12H 2 O) при низьких температурах. На жаль, він не зміг охарактеризувати молекули і перший успішний ЯМР для розчину води був прийнятий в 1945 році Феліксом Блохом (рис.\(\PageIndex{27}\)). У тому ж році Едвард Міллс Перселл (рис.\(\PageIndex{27}\)) зумів перший успішний ЯМР для твердого парафіну. Продовжуючи свої дослідження, Блох отримав 1 Н ЯМР етанолу, а Перселл отримав парафін у 1949 році. У тому ж році було виявлено хімічне значення хімічних зрушень. Нарешті, твердотільний ЯМР з високою роздільною здатністю став можливим у 1958 році завдяки відкриттю магічного кута спінінгу.
Як це працює: від машини до графіка
ЯМР-спектроскопія працює шляхом вимірювання ядерного екранування, яке також можна розглядати як електронну щільність, конкретного елемента. На ядерне екранування впливає хімічне середовище, оскільки різні сусідні атоми матимуть різний вплив на ядерне екранування, оскільки електронегативні атоми матимуть тенденцію до зменшення екранування і навпаки. ЯМР вимагає, щоб аналізовані елементи мали спіновий стан більше нуля. Зазвичай використовуваними елементами є 1 Н, 13 С і 29 Si. Потрапивши всередину машини ЯМР, наявність магнітного поля розщеплює спінові стани (рис.\(\PageIndex{29}\)).
З (Рисунок\(\PageIndex{29}\) ми бачимо, що стан спина 1/2 розділений на два спінові стани. Зі збільшенням значення стану спина зростає і кількість станів спина. Спін 1 матиме три спінові стани, 3/2 матимуть чотири спінові стани, і так далі. Однак більш високі спінові стани збільшують труднощі для точного читання результатів ЯМР через змішані піки та зниження роздільної здатності, тому спінові стани ½, як правило, є кращими. E, або радіочастота, показана на (рис.)\(\PageIndex{29}\) може бути описана за допомогою\ ref {5}, де μ - магнітний момент, властивість, властивість, властивість, властивість, властивість, властивість, властивість кожного конкретного елемента. Ця константа може бути отримана від\ ref {6}, де - гіромагнітне відношення, інша залежна від елемента величина, h - константа Планка, а I - спін.
\[ E\ =\ \mu B_{0}H_{0} \label{5} \]
\[ \mu \ =\ \gamma h (I(I + 1))^{1/2} \label{6} \]
У\ ref {5} можна замінити E на hν, що веде до\ ref {7}, що може вирішити для частоти резонансу ЯМР (v).
\[ h \nu \ =\ \mu B_{0}H_{0} \label{7} \]
Використовуючи частоту (v), δ або очікуваний хімічний зсув можна обчислити за допомогою\ ref {8}.
\[ \delta \ =\ \frac{(\nu _{observed} - \nu _{reference})}{\nu _{spectrometer}} \label{8} \]
Дельта (δ) спостерігається в проміле і дає відстань від встановленого еталона. Дельта безпосередньо пов'язана з хімічним середовищем конкретного атома. Для низького поля, або високої дельти, атом знаходиться в середовищі, яке виробляє індукує менше екранування, ніж у високому полі або низькій дельті.
ЯМР інструмент
ЯМР можна розділити на три основні компоненти: комп'ютер робочої станції, де працює прилад ЯМР, консоль спектрометра ЯМР та магніт ЯМР. Стандартний зразок вставляється через проточну трубку і пневматично опускається в магніт і ЯМР-зонд (рис.\(\PageIndex{30}\)).
Перший шар всередині ЯМР (рис.)\(\PageIndex{31}\) - сорочка з рідким азотом. Зазвичай цей простір заповнений рідким азотом при 77 К. Простір резервуара рідкого азоту в основному знаходиться над магнітом, так що він може діяти як менш дорогий холодоагент, щоб блокувати інфрачервоне випромінювання від досягнення рідкої гелієвої сорочки.
Шар, що слідує за курткою з рідким азотом, - це радіаційний екран 20 К, виготовлений з алюмінію, загорнутого чергуванням шарів алюмінієвої фольги та марлі з відкритим Його мета полягає в блокуванні інфрачервоного випромінювання, яке 77 K рідкий азот посудину не зміг усунути, що збільшує здатність рідкого гелію залишатися в рідкій фазі через його дуже низьку температуру кипіння. Сама посудина з рідким гелієм, наступний шар, виготовлена з нержавіючої сталі, загорнутої в один шар алюмінієвої фольги, знову діючи як щит інфрачервоного випромінювання. Він має товщину близько 1,6 мм і тримається при 4,2 К.
Усередині посудини та навколо магніту знаходиться алюмінієва перегородка, яка діє як інший ступінь захисту від інфрачервоного випромінювання, а також шар захисту надпровідного магніту від коливань резервуара з рідким гелієм, особливо під час заправки рідким гелієм. Значення полягає в тому, що надпровідні магніти на низьких порах не повністю занурені в рідкий гелій, але надпровідні магніти вищого поля повинні підтримувати надпровідний соленоїд повністю занурений в рідкий гелій Пари над самою рідиною насправді достатньо для підтримки надпровідності більшості магніти, але якщо вона досягає температури вище 10 К, магніт гасне. Під час гасіння соленоїд перевищує критичну температуру по надпровідності і стає резистивним, генеруючи тепло. Це тепло, в свою чергу, відкипає рідкий гелій. Тому невеликий отвір біля самої основи перегородки існує як шлях для того, щоб рідкий гелій досяг поверхні магніту, щоб під час заправки магніт був захищений від випадкового гасіння.
Проблеми з твердотільним ЯМР
Найбільш помітною відмінністю між твердими зразками та розчином/газом з точки зору спектроскопії ЯМР є те, що молекули в розчині швидко обертаються, тоді як ті, що знаходяться в твердому тілі, фіксуються в решітці Різні пікові показання будуть вироблятися залежно від того, як молекули орієнтовані в магнітному полі, оскільки хімічне екранування залежить від орієнтації молекули, викликаючи анізотропію хімічного зсуву. Тому ефект хімічного екранування також залежить від орієнтації молекули щодо спектрометра. Ці протидіючі сили врівноважуються в газах і розчині через їх рандомізованого молекулярного руху, але стають серйозною проблемою з фіксованими молекулами, що спостерігаються в твердих зразках. Якщо хімічне екранування не визначено точно, також не будуть хімічні зрушення (δ).
Ще однією проблемою з твердими зразками є диполярні взаємодії, які можуть бути дуже великими у твердих зразках, що спричиняє генерацію ширини ліній від десятків до сотень кілогерц. Диполярні взаємодії - це тензорні величини, які демонструють значення, залежні від орієнтації та розміщення молекули стосовно її оточення. Ще раз питання повертається до решітчастої структури твердих тіл, які знаходяться у фіксованому місці. Незважаючи на те, що молекули закріплені, це не означає, що ядра рівномірно розподілені один від одного. Ближчі ядра демонструють більші диполярні взаємодії і навпаки, створюючи шум, що спостерігається в спектрах ЯМР, не адаптованих для твердих зразків. Диполярні взаємодії усереднюються в розв'язкових станах через рандомізованого руху. Відбиття спінового стану усереднюються молекулярним рухом розчинів і газів. Однак у твердому стані ці взаємодії не усереднюються і стають третім джерелом розширення ліній.
Чарівний кут спінінгу
З метою протидії анізотропії хімічного зсуву та диполярним взаємодіям був розроблений магічний кут спінінгу. Як обговорювалося вище, описуючи диполярне розщеплення і хімічний зсув аніосторопії взаємодій відповідно, стає очевидним, що обидва залежать від геометричного фактора (3cos 2 θ -1).
\[ Dipolar\ splitting \ =\ C(\mu _{0}/8 \pi )(\gamma _{a} \gamma _{x} / r^{2}_{ax})(3 cos^{2} \theta _{iz} - 1) \label{9} \]
\[ \sigma _{zz} \ =\ \bar{\sigma } + 1/3 \Sigma \sigma_{ii} (3 cos^{2} \theta _{iz} - 1) \label{10} \]
Якщо цей фактор зменшити до 0, то розширення лінії внаслідок хімічного зсуву анізотропії і диполярних взаємодій зникне. Тому тверді зразки повертаються під кутом 54,74˚, що ефективно дозволяє твердим зразкам вести себе подібно до розчинів/газів при ЯМР-спектроскопії. Стандартні швидкості обертання коливаються від 12 кГц до верхньої межі 35 кГц, де більш високі швидкості віджиму необхідні для видалення більш високих міжмолекулярних взаємодій.
Застосування твердотільного ЯМР
Розробка твердотільного ЯМР - це методика, необхідна для розуміння та класифікації сполук, які не працювали б добре в розчині, таких як порошки та складні білки, або дослідження кристалів занадто малих для іншого методу характеристики.
Твердотільний ЯМР дає інформацію про локальне середовище кремнію, алюмінію, фосфору тощо в структурах, і тому є важливим інструментом у визначенні структури молекулярних сит. Основна проблема, що часто зустрічається, полягає в тому, що кристали, досить великі для рентгенівської кристалографії, не можуть бути вирощені, тому ЯМР використовується, оскільки він визначає локальні середовища цих елементів. Крім того, використовуючи 13 C і 15 N, твердотільний ЯМР допомагає вивчати амілоїдні фібрили, нитчасті нерозчинні білкові агрегати, пов'язані з нейродегенеративними захворюваннями, такими як хвороба Альцгеймера, діабет II типу, хвороба Хантінгтона та прионні захворювання.
Використання 13-С ЯМР для вивчення вуглецевих наноматеріалів
Вуглецевий наноматеріал
Існує кілька видів вуглецевого наноматеріалу. Членами цього сімейства є графен, одностінні вуглецеві нанотрубки (SWNT), багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWNT) та фулерени, такі як C 60. Наноматеріали піддавалися різним модифікаціям та функціоналізаціям, і було цікаво розробити методи, які могли б спостерігати ці зміни. Тут ми обговорюємо вибрані застосування 13 С ЯМР при вивченні графена та SWNT. Крім того, буде представлено обговорення того, як 13 С ЯМР може бути використаний для аналізу тонкої плівки аморфного вуглецю в процесі низькотемпературного відпалу.
13 С ЯМР проти 1 Н ЯМР
Оскільки вуглець міститься в будь-якій органічній молекулі ЯМР, яка може аналізувати вуглець, може бути дуже корисним, на жаль, основний ізотоп, 12 С, не є активним ЯМР. На щастя, 13 С з природним достатком 1,1% є ЯМР активним. Це низьке природне достаток поряд з нижчим гіромагнітним співвідношенням для 13 С призводить до зниження чутливості. Завдяки цій більш низькій чутливості, отримання спектра ЯМР 13 С з конкретним співвідношенням сигнал/шум вимагає усереднення більше спектрів, ніж кількість спектрів, які потрібно було б усереднити, щоб отримати однакове відношення сигнал/шум для спектру ЯМР 1 Н. Хоча він має меншу чутливість, він все ще широко використовується, оскільки розкриває цінну інформацію.
Піки в спектрі ЯМР 1 Н розділені на n + 1 пік, де n - кількість атомів водню на сусідньому атомі вуглецю. Схема розщеплення в 13 С ЯМР різна. Перш за все, C-C розщеплення не спостерігається, тому що ймовірність наявності двох сусідніх 13 С становить близько 0,01%. Спостережувані закономірності розщеплення, яке відбувається завдяки атомам водню на одному і тому ж атомі вуглецю, а не на сусідньому атомі вуглецю, регулюється тим же правилом n + 1.
В 1 Н ЯМР інтеграл піків використовується для кількісного аналізу, тоді як це проблематично в 13 С ЯМР. Тривалий процес релаксації атомів вуглецю триває довше порівняно з атомами водню, що також залежить від порядку вуглецю (тобто 1°, 2° тощо). Це призводить до того, що пікові висоти не пов'язані з кількістю відповідних атомів вуглецю.
Ще однією відмінністю між 13 С ЯМР і 1 Н ЯМР є діапазон хімічного зсуву. Діапазон хімічних зрушень у типовому ЯМР представляє різницю між мінімальною та максимальною кількістю електронної щільності навколо цього конкретного ядра. Оскільки водень оточений меншою кількістю електронів в порівнянні з вуглецем, максимальна зміна електронної щільності для водню менше, ніж для вуглецю. Таким чином, діапазон хімічного зсуву в 1 Н ЯМР вужчий, ніж у 13 С ЯМР.
Твердотільний ЯМР
13 C ЯМР спектри також можуть бути записані для твердих зразків. Піки для твердих зразків дуже широкі, оскільки зразок, будучи твердим, не може мати всіх анізотропних або залежних від орієнтації взаємодій, скасованих через швидке випадкове перекидання. Однак все ще можна зробити твердотільний ЯМР з високою роздільною здатністю, обертаючи зразок на 54,74° щодо застосованого магнітного поля, яке називається магічним кутом. Іншими словами, зразок може бути закручений, щоб штучно скасувати орієнтаційно-залежну взаємодію. В цілому частота віджиму чинить значний вплив на спектр.
13 C ЯМР вуглецевих нанотрубок
Одностінні вуглецеві нанотрубки містять sp 2 вуглецю. Похідні SWNT містять sp 3 вуглецю додатково. Існує кілька факторів, які впливають на спектр ЯМР 13 С зразка SWNT, три з яких будуть розглянуті в цьому модулі: відсоток 13 С, діаметр нанотрубки та функціоналізація.
13 C Відсоток
Для sp 2 вуглецю існує невелика залежність 13° С ЯМР піків від відсотка 13 С в зразку. Зразки з нижчим відсотком 13 С виділяються зміщеними вниз (вище ppm). Дані наведені в табл\(\PageIndex{4}\). Будь ласка, зверніть увагу, що ці піки призначені для sp 2 вуглецю.
| Зразок | \(\delta \)(проміле) |
| Мнухи (100%) | 116 ± 1 |
| Рухи (1%) | 118 ± 1 |
Діаметр нанотрубок
Пікове положення для SWNT також залежить від діаметра нанотрубок. Повідомлялося, що хімічний зсув для sp 2 вуглецю зменшується зі збільшенням діаметра нанотрубок. Малюнок\(\PageIndex{32}\) показує цю кореляцію. Оскільки пікове положення залежить від діаметра нанотрубок, пікове розширення може бути пов'язане з розподілом діаметра. Іншими словами, чим вужчий пік, тим менше розподіл діаметрів SWNT. Ця кореляція показана на рис\(\PageIndex{33}\).
Функціоналізація
Тверді заявлені 13 С ЯМР також можуть бути використані для аналізу функціоналізованих нанотрубок. В результаті функціоналізації SWNT з групами, що містять карбонільну групу, спостерігається незначний зсув у бік вищих полів (нижніх ppm) для вуглеців sp 2. Цей зсув пояснюється збуренням, застосованим до електронної структури цілої нанотрубки в результаті модифікацій лише на частці нанотрубки. У той же час з'являється новий пік приблизно в 172 проміле, який присвоюється карбоксильної групі замісника. Пікові інтенсивності також можуть бути використані для кількісної оцінки рівня функціоналізації. \(\PageIndex{34}\)На малюнку показані ці зміни, при яких замісниками є — (СН 2) 3 СООН, — (СН 2) 2 СООН, і — (СН 2) 2 КОНН (СН 2) 2 NH 2 для спектрів рис.\(\PageIndex{34}\) b, рис.\(\PageIndex{34}\) c, і Рисунок\(\PageIndex{34}\) d відповідно. Зверніть увагу, що зв'язок між нанотрубкою і замісником є зв'язок C-C. Через низьку чутливість пік для вуглецю sp 3 нанотрубки, який не має великої кількості, не виявляється. Існує невеликий пік близько 35 ppm на малюнку\(\PageIndex{34}\), може бути призначений для аліфатичних вуглеців замінника.
Для замінників, що містять аліфатичні вуглеці, з'являється новий пік близько 35 ppm, як було показано на малюнку\(\PageIndex{34}\), що пов'язано з аліфатичними вуглецями. Оскільки кількість вуглеців-замінників низька, пік не може бути виявлений. Невеликі замінники на боковині SWNT можуть бути хімічно модифіковані, щоб містити більше вуглецю, тому сигнал через ці вуглеці може бути виявлений. Ця ідея, як стратегія посилення сигналу від замісників, може бути використана для аналізу певних видів модифікацій боковини. Наприклад, коли Gly (—NH 2 CH 2 CO 2 H) був доданий до F-SWNTs (фторованих SWNTs) для заміни атомів фтору, спектр 13 C ЯМР для Gly-SWNTS показував один пік для вуглецю sp 2. Коли аліфатичний замінник був змінений на 6-аміногексанову кислоту з п'ятьма аліфатичними вуглецями, пік був виявлений, і за допомогою 11-аміноундеканової кислоти (десять аліфатичних вуглеців) пікова інтенсивність була в порядку розміру піку для sp 2 вуглецю. Для того, щоб використовувати 13 C ЯМР для підвищення піку заміщення (для цілей кількісної оцінки модифікації як приклад), Gly-SWNTS обробляли 1-додеканолом для модифікації Gly до аміноефіру. Ця модифікація призвела до підвищення аліфатичного піку вуглецю приблизно на 30 ppm. Подібно до результатів на малюнку\(\PageIndex{34}\), пік близько 170 з'явився, який був призначений для карбонільного вуглецю. Вуглець sp 3 SWNTs, який був приєднаний до азоту, виробляв невеликий пік близько 80 ppm, який виявляється в експерименті крос-поляризації магічного кута спінінгу (CP-MAS).
Повідомляється, що F-SWNTs (фторовані SWNT) мають пік близько 90 ppm для sp 3 вуглецю нанотрубки, яка прикріплена до фтору. Результати цієї частини зведені на малюнку\(\PageIndex{34}\) (приблизні значення).
| Група | \(\delta \)(проміле) | Інтенсивність |
| sp 2 вуглець СНТ | 120 | Сильний |
| —NH 2 (СН 2) n СО 2 Н (аліфатичний вуглець, n = 1,5, 10) | 20-40 | Залежить від 'n' |
| —NH 2 (СН 2) n СО 2 Н (карбоксильний вуглець, n = 1,5, 10) | 170 | Слабкий |
| sp 3 вуглецю, прикріпленого до азоту | 80 | Слабкий |
| sp 3 вуглецю, прикріпленого до фтору | 90 | Слабкий |
Пікові інтенсивності, які слабкі на малюнку,\(\PageIndex{34}\) залежать від рівня функціоналізації, і для високо функціоналізованих SWNT ці піки не є слабкими. Пікова інтенсивність аліфатичних вуглеців може бути підвищена, оскільки замінники модифікуються шляхом приєднання до інших молекул з аліфатичними вуглецями. Таким чином, пікові інтенсивності можуть бути використані для кількісної оцінки рівня функціоналізації.
13 C ЯМР функціоналізованого графена
Графен являє собою один шар вуглецю sp 2, який демонструє бензолоподібну структуру. Функціоналізація графенових листів призводить до перетворення деяких вуглеців sp 2 в sp 3. Пік для sp 2 вуглецю графена показує пік близько 140 ppm. Повідомлялося, що фторований графен виробляє пік sp 3 приблизно 82 ppm. Також повідомлялося, що оксид графіту (GO), який містить —OH та епоксидні замінники, має піки близько 60 та 70 ppm для епоксидних та замісників —OH відповідно. Є ймовірність появи подібних піків для оксиду графену. Таблиця\(\PageIndex{6}\) підсумовує ці результати.
| Тип вуглецю | \(\delta \)(проміле) |
| сп 2 | 140 |
| sp 3 додається до фтору | 80 |
| sp 3 додається до -OH (для GO) | 70 |
| sp 3 прикріплений до епоксиду (для GO) | 60 |
Аналіз процесу відпалу за допомогою ЯМР 13 С
13 С ЯМР-спектроскопія була використана для вивчення впливу низькотемпературного відпалу (при 650 °С) на тонкі плівки аморфного вуглецю. Тонкі плівки синтезували з джерела вуглецю, збагаченого 13 С (99%). Існували два піки в спектрі 13 С ЯМР при приблизно 69 і 142 проміле, які були призначені для sp 3 і sp 2 вуглецю, відповідно Рис\(\PageIndex{35}\). Інтенсивність кожного піку використовувалася для знаходження відсотка кожного типу гібридизації у всьому зразку, а розширення піків використовувалося для оцінки розподілу різних типів вуглецю у зразку. Встановлено, що, хоча склад зразка не змінювався в процесі відпалу (пікові інтенсивності не змінювалися, див. Рис.\(\PageIndex{35}\) b), повна ширина при половинному максимумі (FWHM) змінилася (рисунок\(\PageIndex{35}\) а). Останнє припускало, що структура стала більш впорядкованою, тобто розподіл вуглеців sp 2 і sp 3 всередині зразка став більш однорідним. Таким чином, був зроблений висновок, що зразок перетворився в більш однорідну за рівнем розподілу вуглеців при різній гібридизації, в той час як фракція вуглецю sp 2 і sp 3 залишалася незмінною.
Крім повідомлених результатів роботи, можна зробити висновок, що 13 С ЯМР є хорошою методикою для вивчення відпалу та, можливо, інших подібних процесів, в режимі реального часу, якщо кінетика процесу досить повільна. Для цих цілей пікова інтенсивність та FWHM можуть бути використані для пошуку або оцінки фракції та розподілу кожного типу вуглецю відповідно.
Резюме
13 С ЯМР може розкрити важливу інформацію про структуру SWNT і графену. 13 C ЯМР хімічні зрушення і FWHM можуть бути використані для оцінки розміру діаметра і розподілу діаметрів. Хоча є деякі обмеження, він може бути використаний для зберігання деякої інформації про тип заміщення, а також бути використаний для кількісної оцінки рівня функціоналізації. Модифікації на заміснику можуть призвести до посилення сигналу заміщення. Подібний тип інформації може бути досягнутий для графена. Він також може бути використаний для відстеження змін під час відпалу і, можливо, під час інших модифікацій з аналогічними часовими шкалами. Через низьку природну чисельність 13 С може знадобитися синтезувати 13 зразків, покращених С, щоб отримати відповідні спектри з достатнім співвідношенням сигнал/шум. Подібні принципи можуть бути використані для дотримання процесу відпалу вуглецевих наноматеріалів. C 60 тут обговорюватися не буде.
Лантаноїдні реагенти зсуву
ЯМР є найпотужнішим інструментом для визначення органічних та металоорганічних сполук. Навіть конструкції можна визначити саме за допомогою цієї методики. В цілому ЯМР дає інформацію про кількість магнітно відмінних атомів конкретних досліджуваних ядер, а також інформацію щодо природи найближчого оточення, що оточує кожне ядро. Оскільки водень і вуглець є основними компонентами органічних і металоорганічних сполук, протон (1 Н) ЯМР і вуглець-13 (13 С) ЯМР є найбільш корисними ядрами для спостереження.
Не всі протони відчувають резонанс на однаковій частоті в 1 Н ЯМР, і, таким чином, можна розрізняти їх. Різноманітність обумовлено існуванням різного електронного середовища навколо хімічно різних ядер. Під зовнішнім магнітним полем (B 0) впливають електрони в валентної оболонці; вони починають циркулювати, генеруючи магнітне поле, яке протилежно прикладеному магнітному полю. Цей ефект називається діамагнітним екрануванням або діамагнітною анізотропією Малюнок\(\PageIndex{36}\).
Чим більше електронна щільність навколо одного конкретного ядра, тим більше буде індуковане поле, яке протистоїть прикладному полю, і це призведе до різної резонансної частоти. Ідентифікація протонів звучить просто, однак методика ЯМР має відносно низьку чутливість протонних хімічних зрушень до змін хімічного та стереохімічного середовища; як наслідок резонанс хімічно подібного протонного перекриття. Існує кілька методів, які були використані для вирішення цієї проблеми, такі як: використання спектрометрів вищої частоти або використання реагентів зсуву як ароматичних розчинників або комплексів лантанідів. Основна проблема високочастотних спектрометрів полягає в тому, що вони дуже дорогі, що зменшує кількість закладів, які можуть мати до них доступ. На відміну від цього, реагенти зсуву працюють за рахунок зменшення еквівалентності ядер шляхом зміни їх магнітного середовища, і можуть бути використані на будь-якому інструменті ЯМР. Найпростіший реагент зсуву - це один з різних розчинників, однак проблеми з деякими розчинниками полягає в тому, що вони можуть реагувати з досліджуваною сполукою, а також те, що ці розчинники зазвичай просто змінюють магнітне середовище невеликої частини молекули. Отже, хоча існує кілька методів, велика частина роботи була виконана з лантаноїдними комплексами.
Історія лантаноїдних зсувних реагентів
Перший значний індукований хімічний зрушення з використанням парамагнітних іонів був повідомлений в 1969 Конрад Хінклі (рис.\(\PageIndex{37}\)), де він використовував біспіридиновий аддукт трис (2,2,6,6-тетраметилгепта-3,5-діонато) європію (III) (Eu (tmhd) 3), більш відомий як Eu (dpm) 3, де dpm є абревіатура дипівалоіл- метанато, хімічна структура показана на рис\(\PageIndex{38}\). Хінклі використовував Eu (tmhd) 3 на спектрі ЯМР 1 Н холестерину від 347 - 2 Гц. Розробка цього нового хімічного методу для поліпшення роздільної здатності спектра ЯМР стала кроком для роботи Джеремі Сандерса і Дадлі Вільямса, Рисунок\(\PageIndex{39}\) і Рисунок\(\PageIndex{40}\) відповідно. Вони спостерігали значне збільшення величини індукованого зсуву після використання тільки хелату лантаніду без піридинового комплексу. Припускаючи, що ліганди донорів піридину конкурують за активні сторони лантаноїдного комплексу. Ефективність Eu (tmhd) 3 як реагенту зсуву була опублікована Сандерсом і Вільямсом в 1970 році, де вони показали значну різницю в спектрі ЯМР 1 Н пентанолу з використанням реагенту зсуву, див\(\PageIndex{41}\). Рис.
Аналізуючи спектри на малюнку,\(\PageIndex{41}\) легко помітити, що з використанням Eu (tmhd) 3 є будь-яке перекриття між піками. Натомість мультиплети кожного протона абсолютно чіткі. Після цих двох публікацій популярною темою став потенціал лантаніду як реагентів зсуву для досліджень ЯМР. Іншим прикладом є фторинатна версія Eu (dpm) 3; (трис (7,7, -диметил-1,1,2,2,2,3,3-гептафторокта-7,7-диметил-4,6-діонато) європій (III), найвідоміший як Eu (fod) 3, який був синтезований в 1971 році Рондо і Сіверс. Цей LSR представляє кращу розчинність і більший характер кислоти Льюїса, хімічна структура показана на малюнку\(\PageIndex{42}\).
Механізм індукції хімічного зсуву
Атоми лантаноїдів є кислотами Льюїса, і через це вони мають здатність викликати хімічний зсув шляхом взаємодії з основними ділянками в молекулах. Лантаноїдні метали особливо ефективні над іншими металами, оскільки спостерігається значна делокалізація непарних електронів на підкладці як наслідок непарних електронів в оболонці f лантаноїду. Металевий лантанід у комплексах взаємодіє з відносно основною самотньою парою електронів альдегідів, спиртів, кетонів, амінів та інших функціональних груп всередині молекули, які мають відносну основну одиничну пару електронів, що призводить до спектрального спрощення ЯМР.
Можливі два механізми, за допомогою яких може відбуватися зсув: зсуви контактом і зрушення псевдоконтактом. Перший - результат перенесення електронної спінової густини через утворення ковалентного зв'язку від іона лантаноїдного металу до асоційованих ядер. У той час як магнітні ефекти непарного електронного магнітного моменту викликає псевдоконтактний зсув. Лантаноїдні комплекси дають зрушення насамперед псевдоконтактним механізмом. Під цим механізмом існує кілька факторів, що впливають на зсув конкретного піку ЯМР. Головним фактором є відстань між іоном металу і протоном; чим коротше відстань, тим більший отриманий зсув. З іншого боку, напрямок зсуву залежить від використовуваного лантаноїдного комплексу. Комплекси, що виробляють зсув до нижнього поля (даунполя), - це ті, що містять ербій, європій, тулій і ітербій, тоді як комплекси з церієм, неодимом, гольмієм, празеодимом, самарієм і тербієм, зміщують резонанси до вищого поля. На малюнку 6 показана різниця між спектром ЯМР без використання реагенту зсуву порівняно з тим же спектром у теперішньому комплексі європію (зсув вниз поля) та празеодимієвим комплексом (зсув високого поля).
Розширення ширини лінії не є бажаним через втрату роздільної здатності, і комплекси лантанідів, на жаль, надзвичайно сприяють цьому ефекту, коли вони використовуються у високих концентраціях через їх механізм, який скорочує час релаксації (T 2), що, в свою чергу, збільшує пропускну здатність. Однак європій та празеодим є надзвичайним винятком, що дає дуже низьке розширення зсуву, 0,003 та 0,005 Гц/Гц відповідно. Європій спеціально є найбільш використовуваним лантанідом як реагентом зсуву через його неефективні властивості ядерної спін-решітки. Він має низькі квантові числа моменту імпульсу і діамагнітний стан 7F0 заземлення. Ці дві властивості сприяють дуже невеликому поділу найвищих та найнижчих зайнятих металевих орбіталей, що призводить до неефективної релаксації та дуже невеликого розширення спектрів ЯМР. Збуджений стан 7F1 потім сприятиме псевдоконтактному зсуву.
Ми згадували вище, що комплекси лантанідів мають механізм, який впливає на час релаксації, і це, безумовно, тому, що парамагнітні іони впливають як на: хімічні зрушення, так і на швидкості релаксації. Час релаксації має велике значення, оскільки вони залежать від ширини конкретного резонансу (піку). Зміни часу релаксації також можуть бути пов'язані з геометрією комплексу.
Вимірювання зсуву
Найпростіший і практичний спосіб вимірювання індукованого лантанідом зсуву (LIS) - це додавання аліквот реагенту зсуву лантаніду (LSR або Δvi) до зразка, який має сполуку інтересу (субстрат), і приймати спектри ЯМР після кожного додавання. Оскільки зсув кожного протона буде змінюватися після кожного додавання LSR до нижнього або верхнього поля, LIS може мені виміряти. Зі зібраними даними графік LIS проти співвідношення LSR: субстрат буде генерувати пряму лінію, де нахил є репрезентативним для сполуки, яка вивчається. Ідентифікація сполуки за допомогою хіральних лантаноїдних зсувних реагентів може бути настільки точною, що можна оцінити склад енантіомерів в досліджуваному розчині, див\(\PageIndex{44}\). Рис.
Тепер, який механізм насправді відбувається між ЛСР та досліджуваною сполукою? ЛСР являє собою металевий комплекс з шести координатних сторін. LSR у присутності субстрату, що містить гетероатоми з основним характером Льюїса, розширює свої координаційні сторони у розчині, щоб приймати додаткові ліганди. Між субстратом і ЛСР утворюється рівноважна суміш. \ ref {11} і\ ref {12} показують рівновагу, де L - LSR, S - підкладка, а LS - концентрація утворюється комплексу - це розчин.
\[ L\ +\ S \mathrel{\mathop{\rightleftarrows}^{\mathrm{K_{1}}}} \ [LS] \label{11} \]
\[ [LS] \ +\ S \mathrel{\mathop{\rightleftarrows}^{\mathrm{K_{2}}}} [LS_{2}] \label{12} \]
Велика кількість цих видів залежить від К 1 і К 2, які є константою зв'язування. Константа зв'язування - це особливий випадок постійної рівноваги, але вона відноситься до механізму зв'язування та відв'язування двох видів. У більшості випадків, таких як, K 2 вважається незначним, і тому тільки перший комплекс [LS] вважається сформованим. Рівновага між L + S і LS у розчині швидше, ніж часова шкала ЯМР, отже, для кожного ядра буде записаний єдиний середній сигнал.
Визначення енантіомерної чистоти
Окрім великого потенціалу реагентів зсуву лантаноїдів для покращення роздільної здатності спектрів ЯМР, ці комплекси також використовувались для ідентифікації енантіомерних сумішей у розчині. Щоб зробити це можливим, підкладка повинна відповідати певним властивостям. Перший з них полягає в тому, що органічні сполуки в енантіомерному складі повинні мати тверду органічну основу як функціональну групу. Реагенти зсуву не ефективні з більшістю м'яких основ. Хоча сотні хелатів були синтезовані після Eu (dcm) 3, це ЛСР, що призвело до найбільш ефективного реагенту для вирішення енантіотопних резонансів. В основному, якщо ви візьмете ЯМР зразка енантіомерної суміші, з'явиться велика різноманітність піків, і важка частина полягає в тому, щоб визначити, який з цих піків відповідає якому конкретному енантіомеру. Відмінності хімічних зрушень, що спостерігаються для енантіомерних сумішей у розчині, що містять ЛСР, можуть виникати принаймні з двох джерел: рівноважних констант утворення можливих діастереометричних комплексів між субстратом і ЛСР, і геометрії цих комплексів, які можуть бути виразний. Енантіомерні відмінності зсуву іноді визначаються як Δδ.
У розчині обмін між субстратом, узгодженим з іоном європію та вільним субстратом у розчині, дуже швидкий. Щоб бути впевненим, що комплекси європію зв'язуються з однією або двома молекулами субстрату, зазвичай додають надлишок субстрату.
Визначення параметрів релаксації контрастних речовин
Магнітно-резонансна томографія (МРТ) (також відома як ядерно-магнітно-резонансна томографія (НМРТ) або магнітно-резонансна томографія (МРТ)) - це потужний неінвазивний діагностичний метод, який використовується для генерації магнітного поля (B 0) і взаємодіє зі спіновим кутовим імпульсом ядра в тканині. Кутовий момент обертання залежить від кількості протонів і нейтронів ядра. Ядра з парною кількістю протонів плюс нейтрони нечутливі до магнітного поля, тому їх неможливо переглянути за допомогою МРТ.
Кожне ядро можна розглядати як стрілку з довільним напрямком при відсутності зовнішнього магнітного поля (рис.\(\PageIndex{46}\)). І ми вважаємо їх орієнтованими в одному напрямку після застосування магнітного поля (рис.\(\PageIndex{47}\)). Для того щоб ядра орієнтувалися в конкретному напрямку, подається енергія, а для приведення її в початкове положення викидається енергія. Всі ці переходи в кінцевому підсумку призводять до зміни кутової швидкості, яка визначається як частота Лармора і вираз\ ref {13}, де ω - частота Лармора, γ - гіромагнітне відношення, а B 0 - магнітне поле. Непросто виявити енергію, яка бере участь у такому переході, тому потрібне використання спектрометрів високої роздільної здатності, ті, які розроблені нині як найпотужніші МРТ, близькі до 9 Тесли з масою, що наближається до сорока п'яти тонн. На жаль, це дорогий інструмент для придбання та експлуатації. Ось чому повинні бути розроблені нові методики, тому більшість МРТ спектрометрів можуть бути задіяні в візуалізації. На щастя, наявність величезної кількості ядер в аналізованому зразку або тілі може надати деяку інформацію.
\[ \omega \ =\ \gamma B_{0} \label{13} \]
Ядерний магнітно-резонансний релактометр
Кожне ядро має мікроскопічні магнітні спини x, y і z. Наявність випадково розподілених атомів зі змінними спинами x і y призведе до нуля при підсумовуванні площин x і y. Але в разі z підсумовування магнітних спинив не призведе до скасування. Відповідно до закону Каррі,\ ref {14}, (M z - результуюча намагніченість осі z, C - матеріальна специфічна постійна Кюрі, B 0 - магнітне поле, а T - абсолютна температура), намагніченість осі z пропорційна магнітному полю наноситься зовні. В основному збудження відбувається шляхом пропускання струму через котушку, що призводить до намагнічування осі x, y і z. Це спосіб зміни магнетизму від осі z до осі x і y. Як тільки зовнішня подача струму буде вимкнена, намагніченість в кінцевому підсумку гасне. Це означає зміну намагніченості від осі x і y до осі z, якщо вона врешті-решт стане врівноваженою, і пристрій більше не може виявити сигнали. Енергія, яка випромінюється від збудженого спіна, призводить до розвитку нового струму всередині тієї ж котушки, що реєструється детектором, отже, така ж котушка може бути використана як детектор і джерело магнітного поля. Цей процес називається релаксацією, і тому повернення намагніченості до осі z називається релаксацією спін-решітки або релаксацією T 1 (час, необхідний для вирівнювання намагніченості по осі z). Можливий результат нульової намагніченості на осі x і y називається спін-спінової релаксацією або релаксацією T 2 (рис.\(\PageIndex{48}\)).
\[ M_{z}\ =\ CB_{0}/T \label{14} \]
Контрастні речовини для МРТ
При МРТ візуалізації контраст визначається за Т 1, Т 2 або параметром щільності протонів. Тому ми можемо отримати три різні зображення. Змінюючи інтервали між радіочастотними (РЧ) імпульсами 90° та РЧ імпульсами 180°, можна отримати потрібний тип зображення. Існує кілька обчислювальних методів, доступних для поліпшення контрастності зображення; це повторювані сканування та різні математичні обчислення. Повторні сканування тривають довго, тому не можуть бути застосовані в МРТ. Математичні обчислення самостійно, не дають бажаних результатів. З цієї причини для отримання зображень з високою роздільною здатністю контрастні речовини (CA) є важливою частиною медичної візуалізації.
Види контрастних речовин
Існують різні типи контрастних речовин, доступних на ринках, які зменшують перевагу T 1 або T 2 та диференціюють відповідно до значення відносності 1 (r 1) та відносності 2 (r 2). Реляктивність (r i) може бути описана як 1/T i (s -1) молекул води на мМ концентрації CA. Контрастні речовини є парамагнітними і можуть взаємодіяти з дипольними моментами молекул води, викликаючи коливання молекул. Ця теорія відома як теорія Соломона-Блумбергена-Моргана (SBM). Ефективними були похідні гадолінію (наприклад, гадобенова кислота (рис\(\PageIndex{49}\). А) та гадоксетова кислота (рис.\(\PageIndex{49}\) b), залізо (наприклад, суперпарамагнітний оксид заліза та надмалий суперпарамагнітний оксид заліза) та марганець (наприклад, дипіридоксальний дифосфат марганцю). Принципово роль контрастних речовин можуть грати будь-які парамагнітні види.
Принципи взаємодії ЦА з навколишніми середовищами
Існує два основних принципи взаємодії контрастних речовин з молекулами води. Одним з них є пряма взаємодія, яка називається релаксацією внутрішньої сфери, а інший механізм, який відбувається за відсутності прямої взаємодії з молекулою води, яка є зовнішньою сферою релаксації. Якщо у нас є молекули води в першій координаційній сфері іона металу, ми можемо розглядати їх як внутрішню сферу, і якщо дифузія протонів ззовні відбувається випадковим чином, ми визначаємо їх як релаксацію зовнішньої сфери. Інший тип релясивності походить від вже уражених молекул води, яка передає свою відносність протонам безпосередньої близькості, цей тип відносності називається другою сферою і зазвичай нехтується або сприяє як зовнішня сфера. У внутрішній сфері протонної релаксивності є два основних механізми, що беруть участь в релаксації. Один - дипольно-дипольні взаємодії між металом і протоном, а інший - скалярний механізм. Дипольно-дипольна взаємодія впливає на електронні спінові вектори, а скалярний механізм зазвичай контролює водообмін. Вплив контрастних речовин на релаксацію Т 1 значно більше, ніж на Т 2, так як Т 1 набагато більше для тканин, ніж Т 2.
Визначення відносної здатності
Визначення реляктивності стало дуже простим з досягненнями ЯМР і комп'ютерних технологій, де потрібно просто завантажити свій зразок і зчитувати значення з екрану. Але давайте розглянемо докладніше, які запобіжні заходи слід вжити під час підготовки проб і збору даних.
Підготовка зразків
Зразок, що підлягає аналізу, розчиняють у воді або іншому розчиннику. Зазвичай використовується вода, оскільки контрастні речовини для медичного МРТ використовуються у водних середовищах. Кількість використовуваного розчину визначається відповідно до внутрішнього стандартного обсягу, який використовується для калібрування пристрою і зазвичай надається компанією, що виробляє пристрій. Відповідним тримачем зразка є трубка ЯМР. Важливо дегазувати розчинник перед вимірами шляхом барботування газу через нього (азот або аргон добре працює), тому ніяких слідів кисню в розчині не залишається, оскільки кисень є парамагнітним.
Збір даних
Перед збором даних краще потримати зразок у відсіку пристрою протягом декількох хвилин, щоб температура магніту і ваш розчин врівноважувалися. Реляктивність (r i) розраховується відповідно до (\ ref {15}), де T i - час релаксації в присутності CaS, T id - час релаксації за відсутності CaS, а CA - концентрація парамагнітних CaS (мМ). Наявність значень реляктивності дозволяє проводити порівняння певної сполуки з іншими відомими контрастними речовинами.
\[ r_{i} \ =\ (1/T_{i} \ -\ 1/T_{id})/[CA] \label{15} \]
Двовимірний ЯМР
Загальні принципи двовимірної ядерно-магнітно-резонансної спектроскопії
Історія
Жан Jeener (Малюнок\(\PageIndex{50}\) з Université Libre де Брюссель вперше запропонував 2D ЯМР в 1971 році. У 1975 році Вальтер П. Ауе, Енріко Бартольді та Річард Ернст (Рисунок\(\PageIndex{51}\) вперше використовував ідеї Jeener 2D ЯМР для отримання 2D спектрів, які вони опублікували у своїй роботі «Двовимірна спектроскопія, застосування до ядерного магнітного резонансу». З моменту цієї першої публікації 2D ЯМР все частіше використовується для визначення структури та з'ясування природних продуктів, білкової структури, полімерів та неорганічних сполук. З удосконаленням комп'ютерного обладнання та сильніших магнітів, нещодавно розроблені методи 2D ЯМР можуть легко стати рутинними процедурами. У 1991 році Річард Ернст отримав Нобелівську премію з хімії за свій внесок у перетворення Фур'є ЯМР. Озираючись на розвиток методів ЯМР, дивно, що 2D ЯМР зайняв так багато часу, щоб бути розроблені, враховуючи велику кількість подібностей, які він має з більш простими експериментами 1D.
Навіщо нам потрібен 2D ЯМР?
2D ЯМР був розроблений з метою вирішення двох основних проблем з 1D ЯМР. Перше питання - це обмежена сфера застосування 1D спектру. 2D ЯМР спектр може бути використаний для вирішення піків в 1D спектрі і видалення будь-якого перекриття присутніх. При 1D спектрі це, як правило, виконується за допомогою ЯМР з більш високою напруженістю поля, але існує межа роздільної здатності піків, які можна отримати. Це особливо важливо для великих молекул, які призводять до численних піків, а також для молекул, які мають схожі структурні мотиви в одній молекулі. Друге важливе питання, яке вирішується, - це потреба в додатковій інформації. Сюди можна віднести структурну або стереохімічну інформацію. Зазвичай для подолання цієї проблеми отримують 1D спектри ЯМР, що вивчають конкретні ядра, присутні в молекулі (наприклад, це може включати фтор або фосфор). Звичайно, це завдання обмежується лише ядрами, які мають активні спінові стани/спінові стани, відмінні від нуля, і це вимагає використання спеціалізованих зондів ЯМР.
2D ЯМР може вирішувати обидві ці проблеми кількома різними способами. Наступні чотири прийоми - лише деякі з методів, які можуть бути використані для цього завдання. Використання J-дозволеної спектроскопії використовується для вирішення сильно перекриваються резонансів, які зазвичай розглядаються як складні мультиплікативні шаблони розщеплення. Гомоядерна кореляційна спектроскопія дозволяє ідентифікувати спін-зв'язані пари ядер, які перекриваються в 1D спектрах. Гетеронуклеарна зсув-кореляційна спектроскопія може ідентифікувати всі безпосередньо пов'язані пари вуглець-протон або інші комбінації пар ядер. Нарешті, для отримання інформації про взаємодію наскрізного простору (а не наскрізний зв'язок) можна використовувати для отримання інформації про взаємодію через простір (а не наскрізний зв'язок). Ця методика часто використовується для визначення стереохімії або білково-пептидних взаємодій.
Одновимірний проти двовимірного ЯМР
подібності
Поняття 2D ЯМР можна розглядати як розширення поняття 1D ЯМР. Таким чином, між ними існує багато подібностей. Оскільки придбання 2D спектра майже завжди передує придбання 1D спектру, стандарт, який використовується для довідки Оскільки 2D ЯМР є більш складним експериментом, ніж 1D ЯМР, між ними також є деякі відмінності. Одна з відмінностей полягає в складності отриманих даних. 2D спектр часто є результатом зміни часу імпульсу; тому важливо правильно налаштувати експеримент, щоб отримати значущу інформацію. Інша відмінність виникає через те, що один спектр є 1D, а інший - 2D. Як така інтерпретація 2D спектру вимагає набагато більшого розуміння параметрів експерименту. Наприклад, один 2D-експеримент може досліджувати специфічне з'єднання двох протонів або вуглецю, а не зосереджуватися на молекулі в цілому (що, як правило, є мішенню 1D експерименту). Конкретна послідовність імпульсів, яка використовується, часто дуже корисна для інтерпретації отриманої інформації. Програмне забезпечення, що використовується для 1D спектрів, не завжди сумісне з 2D спектрами. Це пов'язано з тим, що 2D спектр вимагає більш складної обробки, а генеруються 2D спектри часто виглядають зовсім інакше, ніж 1D спектри. Деяке програмне забезпечення, яке зазвичай використовується для інтерпретації 2D спектрів або Sparky або TopSpin Брукера. Нарешті, прилад ЯМР, який використовується для отримання 2D спектру, зазвичай генерує набагато більше магнітне поле (700-1000 МГц). У зв'язку з підвищеною вартістю покупки і обслуговування такого приладу, 2D ЯМР зазвичай зарезервований для досить складних молекул. (TMS) та використовуваний розчинник (зазвичай CdCl 3 або інший дейтеризований розчинник) однакові для обох експериментів. Крім того, 2D ЯМР найчастіше використовується для виявлення будь-якої неясності в 1D спектрі (будь то пікове перекриття, розщеплення перекриття або щось інше), тому досліджувані ядра однакові. Найчастіше це 1 Н і 13 С, але можна було вивчити і інші ядра.
відмінності
Оскільки 2D ЯМР є більш складним експериментом, ніж 1D ЯМР, між ними також є деякі відмінності. Одна з відмінностей полягає в складності отриманих даних. 2D спектр часто є результатом зміни часу імпульсу; тому важливо правильно налаштувати експеримент, щоб отримати значущу інформацію. Інша відмінність виникає через те, що один спектр є 1D, а інший - 2D. Як така інтерпретація 2D спектру вимагає набагато більшого розуміння параметрів експерименту. Наприклад, один 2D-експеримент може досліджувати специфічне з'єднання двох протонів або вуглецю, а не зосереджуватися на молекулі в цілому (що, як правило, є мішенню 1D експерименту). Конкретна послідовність імпульсів, яка використовується, часто дуже корисна для інтерпретації отриманої інформації. Програмне забезпечення, що використовується для 1D спектрів, не завжди сумісне з 2D спектрами. Це пов'язано з тим, що 2D спектр вимагає більш складної обробки, а генеруються 2D спектри часто виглядають зовсім інакше, ніж 1D спектри. Деяке програмне забезпечення, яке зазвичай використовується для інтерпретації 2D спектрів або Sparky або TopSpin Брукера. Нарешті, прилад ЯМР, який використовується для отримання 2D спектру, зазвичай генерує набагато більше магнітне поле (700-1000 МГц). У зв'язку з підвищеною вартістю покупки і обслуговування такого приладу, 2D ЯМР зазвичай зарезервований для досить складних молекул.
Обертається кадр і перетворення Фур'є
Однією з центральних ідей, яка пов'язана з 2D ЯМР, є обертається кадр, оскільки він допомагає візуалізувати зміни, що відбуваються в розмірах. Наш звичайний «лабораторний» кадр складається з трьох осей (декартова x, y, z). Цю рамку можна візуалізувати, якщо зобразити кут кімнати. Перетину підлоги і стін - це розміри x і y, при цьому перетин стін - вісь z. Це прийнято вважати «нерухомим каркасом». Коли проводиться експеримент ЯМР, кадр все ще складається з декартової системи координат, але координати x і y обертаються навколо осі z. Швидкість, з якою обертається система координат x - y, безпосередньо залежить від частоти приладу ЯМР.
Коли проводиться будь-який експеримент ЯМР, більшість спінових станів ядра цікавить вирівнюються з однією з цих трьох координат (яку ми можемо вибрати як z). Після досягнення рівноваги цього вирівнювання магнітний імпульс може надаватися під певним кутом до осі z (зазвичай 90° або 180°), що тимчасово порушує рівноважне вирівнювання ядер. У міру видалення імпульсу ядрам дають розслабитися назад до цього рівноважного вирівнювання з магнітним полем приладу. Коли відбувається це розслаблення, прогресування ядер назад до орієнтації рівноваги виявляється комп'ютером як f free in induction d ecay (FID). Коли зразок має різні ядра або одне і те ж ядро в різних середовищах, різні FID можуть бути записані для кожного окремого розслаблення до положення рівноваги. FID всіх окремих ядер можуть бути записані і накладені. Отриманий складний сигнал FID може бути перетворений у запис спектра ЯМР, отриманого F-кур'єром для перетворення (FT). FT - це складне математичне поняття, яке можна описати за допомогою\ ref {16}, де ω - кутова частота.
\[ z(t)\ =\ \sum^{\infty }_{k \rightarrow \infty} c_{i}e^{ik\omega t} \label{16} \]
Ця концепція FT подібна як для 1D, так і для 2D ЯМР. У 2D ЯМР спочатку отримують FID в одному вимірі, потім за допомогою застосування імпульсу FID можна отримати у другому вимірі. Обидва FID можуть бути перетворені в серію спектрів ЯМР за допомогою перетворення Фур'є, в результаті чого спектр, який можна інтерпретувати. З'єднання двох FID в 2D ЯМР зазвичай виявляє набагато більше інформації про конкретну зв'язок між двома атомами.
Чотири фази та імпульсна послідовність 2D ЯМР
Існує чотири загальні етапи або періоди часу, які присутні для будь-якого експерименту 2D ЯМР. Це підготовка, еволюція, змішування та виявлення. Загальне схематичне зображення видно на малюнку\(\PageIndex{53}\). Період підготовки визначає систему на першому етапі. Період еволюції дозволяє ядрам попередити (або рухатися щодо магнітного поля). Період змішування вносить зміни в спосіб отримання спектрів. Період виявлення записує FID. При отриманні спектра послідовність імпульсів є найважливішим фактором, який визначає, які дані будуть отримані. Загалом 2D експерименти - це комбінація 1D експериментів, зібраних шляхом зміни часу та пульсування.
підготовка
Це перший крок у будь-якому експерименті 2D ЯМР. Це спосіб почати всі експерименти з одного стану. Цей стан, як правило, або теплова рівновага, підкоряючись статистиці Больцмана, або це може бути стан, коли спини одного ядра рандомізовані за орієнтацією, а спини іншого ядра знаходяться в тепловій рівновазі. Після закінчення періоду підготовки намагнічення зазвичай розташовують перпендикулярно, або під певним кутом, до осі магнітного поля. Ця фаза створює намагнічення в площині x - y.
Еволюція
Потім ядрам дозволяється прецинувати навколо напрямку магнітного поля. Це поняття дуже схоже на прецесію вершини в гравітаційному полі Землі. На цій фазі експерименту швидкості, з якими різні ядра прецесуються, як показано на малюнку,\(\PageIndex{54}\) визначають, як реагують ядра на основі їх середовища. Намагнічення, які створюються в кінці етапу підготовки, дозволяється розвиватися або змінюватися протягом певної кількості часу (t 1) в середовищі, визначеному магнітним та радіочастотним полями (RF). У цій фазі хімічні зрушення ядер вимірюються аналогічно 1D експерименту, дозволяючи обертатися намагніченості ядра в площині x - y. Цей експеримент проводиться велика кількість разів, а потім зареєстрований FID використовується для визначення хімічних зрушень.
Змішування
Після закінчення періоду еволюції ядерна намагніченість розподіляється між спинами. Спинами дозволено спілкуватися протягом фіксованого періоду часу. Зазвичай це відбувається за допомогою магнітних імпульсів та/або зміни періодів часу. Магнітні імпульси зазвичай складаються зі зміни обертової рамки відліку щодо вихідної «фіксованої рамки», яка була введена в період підготовки, як показано на малюнку\(\PageIndex{55}\). Експерименти, які використовують лише періоди часу, часто пристосовані для перегляду впливу інтенсивності радіочастотного поля. Використовуючи або зв'язки, що з'єднують різні ядра (J-зв'язок), або використовуючи малий простір між ними (взаємодія NOE), намагніченість дозволяється переміщатися від одного ядра до іншого. Залежно від точного проведеного експерименту, ці зміни в намагніченнях будуть відрізнятися залежно від того, яка інформація потрібна. Це етап експерименту, який визначає, яка саме нова інформація буде отримана експериментом. Залежно від того, які хімічні взаємодії вимагають придушення, а які потрібно інтенсифікувати для виявлення нової інформації, конкретна «техніка змішування» може бути скоригована для експерименту.
Виявлення
Це завжди останній період експерименту, і це запис FID другого досліджуваного ядра. Ця фаза записує другий час збору (t 2), що призводить до спектру, подібного до першого спектру, але, як правило, з відмінностями в інтенсивності та фазі. Ці відмінності можуть дати нам інформацію про точне хімічне та магнітне середовище ядер, які присутні. Два різних перетворення Фур'є використовуються для генерації 2D спектра, який складається з двох частотних вимірів. Ці дві частоти незалежні один від одного, але при побудові на одному спектрі частота сигналу, отриманого в часі t 1, була перетворена в іншу когерентність, на яку впливає частота в часі t 2. Хоча перший вимір представляє хімічні зрушення відповідного ядра, другий вимір виявляє нову інформацію. Загальний спектр, рис.\(\PageIndex{56}\), є результатом матриці в двох частотних областях, отриманих в ході експерименту.
Зміна імпульсу
Як згадувалося раніше, послідовність імпульсів і період змішування є одними з найважливіших факторів, що визначають тип спектра, який буде ідентифікований. Залежно від того, чи передається намагніченість через J-муфту або взаємодію NOE, можна отримати різну інформацію та спектри. Крім того, залежно від експериментальної установки, період змішування може передавати намагніченість або через одну J-муфту, або через кілька J-муфт для ядер, які з'єднані між собою. Аналогічно взаємодії NOE також можна контролювати на певних відстанях. Можна спостерігати два типи взаємодій NOE, позитивний і негативний. Коли швидкість, з якою відбувається флуктуація в поперечній площині флуктуаційного магнітного поля, відповідає частоті подвійного квантового переходу, спостерігається позитивне НОЕ. Коли коливання повільніше, виробляється негативний NOE.
Отримання спектра
Підготовка зразків
Підготовка зразків для 2D ЯМР по суті така ж, як і для 1D ЯМР. Особливу обережність слід проявляти при використанні чистих і сухих пробирок для зразків і використання тільки дейтрованих розчинників. Кількість використовуваного зразка повинна бути десь між 15 і 25 мг, хоча з достатнім часом можуть бути використані навіть менші кількості. Висота заповнення розчинника повинна бути близько 4 см. Розчин повинен бути прозорим і однорідним. Будь-яка участь повинна бути відфільтрована перед отриманням спектрів.
Фактичний експеримент і важливі параметри придбання
Придбання 2D спектра буде відрізнятися від приладу до приладу, але процес практично ідентичний отриманню спектра 13 С. Важливо отримати 1D спектр (особливо 1 Н), перш ніж приступити до отримання 2D спектра. Діапазон придбання слід регулювати на основі спектру 1D, щоб мінімізувати час приладу. Залежно від конкретного типу 2D експерименту (наприклад, COSY або NOESY) потрібно відрегулювати кілька параметрів. Наступні 6 кроків можна виконати, щоб отримати майже будь-який 2D спектр ЯМР.
- Вхід в комп'ютерну систему.
- Змініть зразок.
- Зафіксуйте і прокладати магніт.
- Налаштуйте параметри і запустіть експеримент. Використовуйте вже отримані 1D спектри для коригування параметрів експерименту, приділяючи особливу увагу важливим параметрам придбання.
- Обробіть отримані дані і виведіть спектр.
- Вихід і вихід з системи.
Параметрам, перерахованим в табл.,\(\PageIndex{7}\) слід приділити особливу увагу, так як вони можуть істотно вплинути на якість отриманих спектрів.
| Параметр | Опис |
| Час придбання (AQ) | Точки даних (TD) x час затримки (DW) |
| Час зупинки | 1/спектральна ширина (SW) |
| Цифрова роздільна здатність | 1/КВ |
| Кількість сканувань | Кратні 8/16 |
| ТД1 | Кількість точок даних у першому часовому домені (~128-512) |
| SW1 | Спектральна ширина в першому (прямому) вимірі |
| ТД2 | Кількість точок даних у другій часовій області (~2048-4096) |
| SW2 | Спектральна ширина у другому (непрямому) вимірі |
Після отримання спектра та аналізу
Після успішного отримання 2D-спектра, залежно від типу спектра (COSY, NOESY, INEPT), його, можливо, доведеться поетапно. Фазування - це регулювання спектра таким чином, щоб усі піки по всьому спектру знаходилися в режимі поглинання (вказуючи або вгору, або вниз). За допомогою 2D спектрів фазування здійснюється в обох частотних розмірах. Це може бути зроблено автоматично за допомогою програмної програми (для простих 2D спектрів без кластерних сигналів) або вручну користувачем (для більш складних 2D спектрів). Іноді фазування можна зробити за допомогою програми, яка використовується для отримання спектра. Після цього спектр можна було або роздрукувати, або додатково проаналізувати. Одним із прикладів подальшого аналізу є інтеграція частин спектра. Це може дати користувачеві змістовну інформацію про відносне співвідношення різних типів ядер (і навіть кількісно оцінити співвідношення між двома діастеріомерними молекулами).
Висновок
Двовимірний ЯМР все частіше стає рутинним методом аналізу складних молекул, будь то неорганічні сполуки, органічні природні продукти, білки або полімери. Базове розуміння 2D ЯМР може значно полегшити аналіз складних молекул і забезпечити подальше підтвердження результатів, отриманих іншими методами. Варіація імпульсних послідовностей надає хімікам можливість аналізувати велику різноманітність сполук. Збільшення магнітної сили машин ЯМР дозволило частіше використовувати 2D ЯМР навіть для більш простих молекул. Крім того, були введені методи вищого виміру, і вони повільно інтегруються в репертуар хіміків. Це по суті прості розширення ідей 2D ЯМР.
Двовимірні експерименти ЯМР
З моменту появи ЯМР хіміки-синтетики мали відмінний спосіб охарактеризувати свою синтетичну продукцію. З приходом багатовимірного ЯМР у сферу аналітичних методів вчені змогли вивчити більші та складніші молекули набагато простіше, ніж раніше, завдяки великій кількості інформації, яку можуть запропонувати експерименти 2D та 3D ЯМР. За допомогою 2D ЯМР, що перекриваються мультиплети та інші складні шаблони розщеплення, помічені в 1D ЯМР, можна легко розшифрувати, оскільки замість однієї частотної області будуються дві частотні області, а зв'язки побудовані відносно один одного, що полегшує визначення молекулярної зв'язності.
Спектри отримують за допомогою певної послідовності радіочастотних (РЧ) імпульсів, які вводяться в зразок, які можуть змінюватися в куті, під яким подається імпульс і/або кількістю імпульсів. \(\PageIndex{57}\)На малюнку показана принципова схема для загальної послідовності імпульсів в експерименті 2D ЯМР. Спочатку до зразка вводять пульс в тому, що називається періодом підготовки. Цей період може бути чим завгодно від одного імпульсу до складної картини імпульсів. За періодом підготовки слідує час очікування (також відомий як час еволюції), t 1, протягом якого ніяких даних не спостерігається. Час еволюції також може бути змінений відповідно до потреб конкретного експерименту. Другий імпульс вводять наступний протягом так званого періоду змішування, де когерентність в кінці t 1 перетворюється на спостережуваний сигнал, який реєструється протягом часу спостереження, t 2. \(\PageIndex{58}\)На малюнку показана принципова схема того, як дані перетворюються з часової області (зображено у вільному індукційному розпаді, або FID) в частотну область. Процес цього перетворення за допомогою перетворення Фур'є (FT) такий же, як і в 1D ЯМР, за винятком тут, він робиться двічі (або тричі при проведенні експерименту 3D ЯМР).
У 1D ЯМР спектри наносяться з частотою (в ppm або Hz, хоча найчастіше ppm) на горизонтальній осі і з інтенсивністю на вертикальній осі. Однак у 2D спектрах ЯМР побудовано дві частотні області, кожна на вертикальній та горизонтальній осях. Отже, інтенсивність може бути показана як 3D-графік або топографічно, подібно до контурної карти, з більшою кількістю контурних ліній, що представляють більшу інтенсивність, як показано на малюнку\(\PageIndex{59}\) a Оскільки важко читати спектр на 3D-графіку, всі спектри будуються як контурні ділянки. Крім того, оскільки роздільна здатність у 2D спектрі ЯМР не потрібна стільки, скільки в 1D спектрі, час збору даних часто короткий.
2D ЯМР дуже вигідний для багатьох різних застосувань, хоча він в основному використовується для визначення структури та стереохімії великих молекул, таких як полімери та біологічні макромолекули, які зазвичай демонструють ефекти розщеплення більш високого порядку та мають невеликі, що перекриваються константи зв'язку між ядрами. Далі деякі експерименти 2D ЯМР можуть бути використані для з'ясування компонентів складної суміші. Цей модуль має на меті описати деякі загальні двовимірні експерименти ЯМР, які використовуються для визначення якісної інформації про молекулярну структуру.
2D експерименти
ЗАТИШНО
COSY (кореляційна спектроскопія) був одним з перших і найпопулярніших експериментів 2D ЯМР, які були розроблені. Це гомоядерний експеримент, який дозволяє співвіднести різні сигнали в спектрі один з одним. У спектрі COSY (див. Рисунок\(\PageIndex{59}\) b) значення хімічного зсуву 1D спектру ЯМР зразка побудовані вздовж вертикальної та горизонтальної осей (деякі 2D спектри фактично відтворюватимуть спектри 1D вздовж осей разом із шкалою частоти в проміле, тоді як інші можуть просто показати масштаб). Це дозволяє колекція піків з'являтися вниз по діагоналі спектра, відомого як діагональні піки (показано на малюнку\(\PageIndex{59}\) b, виділеному червоною пунктирною лінією). Ці діагональні піки - це просто піки, які з'являються в нормальному 1D спектрі, оскільки вони показують ядра, які з'єднуються з собою. Інший тип піків виглядає симетричним по діагоналі і відомий як поперечні піки. Ці піки показують, які групи в молекулі, які мають різні хімічні зрушення, пов'язані один з одним, виробляючи сигнал на перетині двох значень частоти.
Потім можна визначити структуру зразка, вивчивши, які значення хімічного зсуву виникають у спектрі. Оскільки поперечні піки симетричні по діагоналі, можна легко визначити, які перехресні піки є реальними (якщо певний пік має аналог на іншій стороні діагоналі), а які є цифровими артефактами експерименту. Найменша зв'язок, яку можна виявити за допомогою COSY, залежить від ширини лінії спектра та відношення сигнал/шум; максимальне відношення сигнал/шум і мінімальна ширина лінії дозволять виявити дуже малі константи зв'язку.
Варіації COSY
Хоча COSY дуже корисний, він має свої недоліки. Перш за все, тому що протифазна структура перехресних піків, яка змушує спектральні лінії скасовувати один одного, і внутрішньофазова структура діагональних піків, що викликає посилення серед піків, існує значна різниця в інтенсивності між діагональними і перехресними піками. Ця різниця в інтенсивності ускладнює виявлення невеликих перехресних піків, особливо якщо вони лежать поблизу діагоналі. Інша проблема полягає в тому, що при обробці даних для спектру COSY широкі лінії, пов'язані з експериментом, можуть ускладнити роботу з високою роздільною здатністю.
В одній з найбільш популярних варіацій COSY, відомої як DQF COSY (Double Quantum Filtered COSY), послідовність імпульсів змінюється таким чином, що всі сигнали пропускаються через фільтр подвійної квантової когерентності, який пригнічує сигнали без зв'язку (тобто синглет) і дозволяє перехресні піки, близькі до діагоналі, бути чітко видно, роблячи спектральні лінії набагато чіткіше. Оскільки більшість синглетних піків обумовлені розчинником, DQF COSY корисний для придушення цих небажаних піків.
ECOSY (Ексклюзивна кореляційна спектроскопія) - ще одна похідна COSY, яка була зроблена для виявлення малих J-муфт, переважно серед мультиплетів, як правило, коли J ≤ 3 Гц. Також називається дальнім COSY, ця методика передбачає додавання затримки близько 100-400 мс до послідовності імпульсів. Однак під час цієї затримки відбувається більше розслаблення, що спричиняє втрату намагніченості, а отже, і втрату інтенсивності сигналу. Цей експеримент був би вигідним для того, хто хотів би додатково дослідити, чи існує певна зв'язок, яка не з'явилася в звичайному спектрі COSY.
GS-COSY (Gradient Selective COSY) - це дуже застосоване відгалуження COSY, оскільки воно усуває потребу в тому, що відомо як фазовий циклічний рух. Циклічність фаз - це метод, при якому фаза імпульсів змінюється таким чином, щоб усунути небажані сигнали в спектрі, завдяки безлічі способів, за допомогою яких намагніченість може бути вирівняна або перенесена, або навіть завдяки апаратному забезпеченню приладів. У практичному плані це означає, що, усуваючи фазову циклічність, GS-COSY може виробляти більш чистий спектр (менше цифрових артефактів) за набагато менший час, ніж може звичайний COSY.
Іншою варіацією COSY є COSY-45, який вводить імпульс при 45° до зразка, на відміну від DQF COSY, який вводить імпульс, перпендикулярний зразку. Ця техніка корисна тим, що можна з'ясувати знак постійної зчеплення, дивлячись на форму піку і в якому напрямку вона орієнтована. Знання знака постійної муфти може бути корисним при розрізненні віцинальних і гемінальних муфт. Однак COSY-45 менш чутливий, ніж інші експерименти COSY, які використовують 90° РЧ імпульс.
ОСЯЧНИЙ
TOCSY (тотальна кореляційна спектроскопія) дуже схожа на COSY в тому, що це метод гомоядерної кореляції. Він відрізняється від COSY тим, що показує не тільки ядра, які безпосередньо пов'язані один з одним, але і сигнали, які обумовлені ядрами, які знаходяться в одній спінової системі, як показано на малюнку\(\PageIndex{60}\) нижче. Ця методика корисна для інтерпретації великих, взаємопов'язаних мереж спінових муфт. Послідовність імпульсів влаштована таким чином, щоб забезпечити ізотропне змішування під час послідовності, яка передає намагніченість по мережі атомів, з'єднаних між собою. Альтернативною методикою 2D TOCSY є селективний 1D TOCSY, який може збуджувати певні області спектра за допомогою фасонних імпульсів. Вказавши конкретні значення хімічного зсуву та встановивши бажану ширину збудження, можна значно спростити експеримент 1D. Селективний 1D TOCSY особливо корисний для аналізу полісахаридів, оскільки кожна цукрова субодиниця - це ізольована спінова система, яка може виробляти свій власний підспектр, якщо існує принаймні один дозволений мультиплет. Крім того, кожен 2D спектр може бути придбаний з тією ж роздільною здатністю, що і звичайний 1D спектр, що дозволяє точно виміряти множинні розщеплення, особливо коли сигнали з різних пов'язаних мереж перекриваються один з одним.
Гетероядерні експерименти
HETCOR (Гетеронуклеарна кореляція) відноситься до експерименту 2D ЯМР, який корелює зв'язки між різними ядрами (зазвичай 1 Н і гетероатом, наприклад 13 C або 15 N). Гетеронуклеарні експерименти можуть бути легко розширені на три або більше вимірів, які можна розглядати як експерименти, які корелюють зв'язки між трьома або більше різними ядрами. Оскільки існує дві різні частотні області, немає діагональних піків, як у COSY або TOCSY. Останнім часом зворотно виявлені експерименти HETCOR стали надзвичайно корисними і буденними, і саме ті експерименти будуть висвітлені тут. Зворотне виявлення відноситься до виявлення ядра з більш високим гіромагнітним співвідношенням, що забезпечує більш високу чутливість. Ідеально визначити, яке ядро має найвищий гіромагнітний коефіцієнт для виявлення, і встановити зонд найбільш чутливим до цього ядра. У HETCOR ядро, яке було виявлено першим в експерименті 1 Н - 13 С, було 13 С, тоді як зараз 1 Н виявляється першим в експериментах з зворотним виявленням, оскільки протони за своєю суттю більш чутливі. Сьогодні регулярні експерименти HETCOR зазвичай не є звичайною лабораторною практикою.
Експеримент HMQC (гетеронуклеарна множинна квантова когерентність) набуває спектр (див. Рис.\(\PageIndex{61}\) А) шляхом передачі намагніченості протона за допомогою 1 J CH до гетеронуклеуса, наприклад, 13 С. Атом 13 С потім переживає хімічний зсув в t 1 часовий проміжок послідовності імпульсів. Потім намагніченість повертається до 1 Н для виявлення. HMQC виявляє муфту 1 J CH, а також може використовуватися для розмежування між гемінальними та віцинальними протонними муфтами так само, як у COSY-45. HMQC дуже широко використовується і пропонує дуже хорошу чутливість при набагато коротший час придбання, ніж HETCOR (близько 30 хв на відміну від декількох годин з HETCOR).
Однак, оскільки він показує муфти 1 H - 1 H на додаток до муфт 1 H - 13 C і оскільки поперечні піки виглядають як мультиплети, HMQC страждає, коли мова йде про роздільну здатність у піках 13 C. Експеримент HSQC (гетеронуклеарна одноквантова когерентність) може допомогти, оскільки він може придушити зв'язки 1 H - 1 H і згорнути мультиплети, помічені в перехресних піках, на синглети, що значно підвищує роздільну здатність (приклад HSQC показаний на малюнку\(\PageIndex{61}\) b). \(\PageIndex{61}\)На малюнку показано побічне порівняння спектрів з експериментів HMQC та HSQC, в якому деякі піки в спектрі HMQC більш вирішені в спектрі HSQC. Однак HSQC адмініструє більше імпульсів, ніж HMQC, що спричиняє неправильні налаштування та неоднорідність між радіочастотними імпульсами, що, в свою чергу, призводить до втрати чутливості. У експериментах HMBC (гетеронуклеарна багатозв'язкова когерентність) можуть бути виявлені дві та три зв'язкові муфти. Цей метод особливо корисний для складання менших запропонованих фрагментів молекули разом, щоб з'ясувати більшу загальну структуру. HMBC, з іншого боку, не може розрізнити 2 J CH і 3 J CH константи зв'язку. Приклад спектра показаний на малюнку\(\PageIndex{61}\) d.
NOESY і ROESY
NOESY (Ядерна Overhauser Effect спектроскопія) - це експеримент ЯМР, який може виявити зв'язки між ядрами через просторову близькість (< 5 Å один від одного), а не зв'язок через ковалентні зв'язки. Ефект ядерного перекриття (NOE) - це зміна інтенсивності резонансу ядра при опроміненні сусіднього ядра (приблизно 2,5-3,5 Å один від одного). Наприклад, коли радіочастотний імпульс спеціально опромінює протон, його спінова популяція вирівнюється, і вона може перенести свою спінову поляризацію на інший протон і змінити його спінову популяцію. Загальний ефект залежить від відстані r -6. NOESY використовує час змішування без імпульсів для накопичення NOE, а його аналог ROESY (обертається кадр ядерної Overhauser Effect спектроскопія) використовує серію імпульсів для накопичення NOE. У NOESY NOES позитивні, коли генеруються з малих молекул, є негативними, коли генеруються з великих молекул (або молекул, розчинених у в'язкому розчиннику для обмеження молекулярного перекидання), і є досить малими (близько нуля) для середніх молекул. Навпаки, піки ROESY завжди позитивні, незалежно від молекулярної маси. Обидва експерименти корисні для визначення близькості ядер у великих біомолекулах, особливо білках, де два атоми можуть знаходитися поблизу у просторі, але не обов'язково через ковалентну зв'язок. Ізомери, такі як орто-, мета- та паразаміщені ароматичні кільця, а також стереохімія, також можна виділити за допомогою експерименту NOE. Хоча NOESY та ROESY можуть генерувати артефакти COSY та TOCSY, відповідно, ці небажані сигнали можуть бути зведені до мінімуму за рахунок варіацій імпульсних послідовностей. Приклад спектрів NOESY і ROESY наведено на рисунку\(\PageIndex{63}\).
Як інтерпретувати 2D ЯМР спектри
Значна частина інтерпретації потрібно робити з 2D ЯМР починається з фокусування на хрестових піках і зіставлення їх відповідно до частоти, так само, як гра в Battleship ®. 1D спектр зазвичай буде побудовано вздовж осей, тому можна порівняти, які муфти в одному спектрі корелюють з якими шаблонами розщеплення в іншому спектрі, використовуючи перехресні піки на 2D спектрі (див. Рис.\(\PageIndex{64}\)).
Також для з'ясування структури однієї молекули використовуються багатовимірні експерименти з ЯМР, поєднуючи різну інформацію з різних джерел. Наприклад, можна об'єднати гомоядерні та гетеронуклеарні експерименти та зібрати інформацію з двох методів, з процесом, відомим як паралельне придбання ЯМР-спектроскопія або братки. У 1990-х роках на сцену вийшла коваріативна обробка, яка дозволила вченим обробляти інформацію з двох окремих експериментів, без необхідності одночасно запускати обидва експерименти, що зробило більш короткий час збору даних. В даний час програмне забезпечення для коваріаційної обробки доступне від різних виробників ЯМР. Існує багато можливих способів інтерпретації спектрів 2D ЯМР, хоча одним із поширених методів є маркування перехресних піків та встановлення зв'язків між сигналами, коли вони стають очевидними. Професор Джеймс Новік з UC Irvine описує свій метод вибору для складання частин разом при визначенні структури зразка; лекція, в якій він описує цей метод, розміщена у посиланнях вище. У цьому відео він надає покроковий метод розшифровки спектра.
Висновок
В рамках спектроскопії ЯМР існує велика кількість різних методів отримання даних про молекулярну структуру. У експериментах 1D і 2D можна просто налаштувати зовнішній вигляд спектра, змінивши будь-який з багатьох параметрів, які встановлюються при запуску зразка, таких як кількість сканувань, час затримки релаксації, кількість імпульсів під різними кутами і т.д. багато експериментів 3D і 4D ЯМР насправді просто кілька 2D Послідовності імпульсів ЯМР виконуються послідовно, що генерує більшу кореляцію між різними ядрами в спінової системі. За допомогою експериментів 3D ЯМР три ядра, наприклад 1 H, 13 C та 15 N, можуть бути вивчені разом, і їх зв'язок може бути з'ясована. Ці методи стають неоціненними при роботі з біологічними молекулами зі складними тривимірними структурами, такими як білки і полісахариди, для аналізу їх структур в розчині. Ці методи в поєднанні з надшвидким отриманням даних призводять до моніторингу складних хімічних реакцій та/або нековалентних взаємодій в режимі реального часу. Завдяки використанню цих та інших прийомів можна почати доповнювати характеристику «інструментарій», щоб продовжувати вирішувати складні хімічні проблеми.
Перенесення насичення хімічного обміну (CEST)
Парамагнітний хімічний обмін насичення перенесення (PARACEST) є потужним аналітичним інструментом, який може з'ясувати багато фізичних властивостей молекул і систем, що представляють інтерес як in vivo, так і in vitro за допомогою специфічних парамагнітних агентів. Незважаючи на відносно нову техніку візуалізації, додатки для візуалізації PARACEST зростають, оскільки розробляються нові агенти візуалізації з підвищеними властивостями обміну. Поточні програми обертаються навколо використання цих агентів PARACEST для візуалізації МРТ для підвищення контрасту. Однак основи PARACEST можуть бути використані для вимірювання таких властивостей, як температура, рН та концентрація молекул і систем, як ми будемо обговорювати. PARACEST був розроблений у відповідь на кілька обмежень візуалізації, представлених діамагнітними агентами. Спектральні дані PARACEST можна легко отримати за допомогою ЯМР-спектроскопії, тоді як візуалізація, як правило, може бути досягнута за допомогою широко доступних клінічних 1,5/4 T МРТ сканерів.
Історія
Перенесення насичення хімічного обміну (CEST) - це явище, яке існує з 1960-х років. Вперше він був виявлений Форсеном, зображений нижче на малюнку\(\PageIndex{65}\), і Хоффман в 1963 році і був названий передачею намагніченості ЯМР. Ця методика була обмежена в своїх застосуваннях вивченням швидких реакцій хімічного обміну. Однак у 2000 році Балабан, зображений нижче на малюнку\(\PageIndex{66}\), переглянув цю тему і виявив застосування цього явища для цілей візуалізації. Він назвав явище хімічного обміну перенесенням насичення. З цього насіннєвого висновку Балабан з'ясував методи модуляції контрастів МРТ, щоб відобразити обмін для цілей візуалізації.
Зображення CEST фокусується на N-H, O-H або S-H обмінних протонів. Спостереження за цими обмінами в діамагнітних молекулах може бути дуже складним завданням. Кілька моделей були розроблені для подолання проблем, пов'язаних із візуалізацією за допомогою клінічних сканерів. Основна увага останніх досліджень була розробка парамагнітного хімічного обміну перенасичення агентів (PARACEST). Типові комплекси PARACEST засновані на атомах лантанідів. Історично ці молекули вважалися марними для хімічного обміну через їх дуже швидкі темпи обміну води. Однак останні роботи Сільвіо Ейме та Діна Шеррі показали модифіковані лантанідні комплекси, які мають дуже повільні обмінні курси, що роблять його ідеальним для візуалізації CEST. На додаток до повільних обмінних курсів, ці молекули мають значно різні резонансні частоти, що сприяє їх посиленому контрасту.
Хімічний обмін насичення перенесення
Перенесення насичення
Хімічний обмін визначається як процес обміну протонами з навколишньою насипною водою. Обмін може відбуватися з неводними місцями обміну, але було показано, що його внесок незначний. Як зазначалося раніше, зображення CEST фокусується на N-H, O-H або S-H обмінних протонів. Молекулярно кожен обмінний протон має дуже специфічну частоту насичення. Застосування радіочастотного імпульсу, такого ж, як частота насичення протона, призводить до чистої втрати поздовжньої намагніченості. Поздовжня намагніченість існує в силу знаходження в магніті. Всі протони в розчині вирівнюються з магнітним полем або паралельно, або антипаралельно. Існує чиста поздовжня намагніченість при рівновазі, оскільки антипаралельний стан вище за енергією. Послідовність імпульсів RF 90° змушує багато паралельних протонів рухатися в антипаралельний стан вищої енергії, викликаючи нульову поздовжню намагніченість. Це нерівноважний стан називається насиченням, де однакова кількість ядерних спінів вирівнюється проти і з магнітним полем. Ці насичені протони обмінні, і навколишня насипна вода бере участь в цьому обміні, який називається хімічним обмінним перенесенням насичення.
Цей обмін можна візуалізувати за допомогою спектральних даних. Насичений протонний обмін з навколишньою об'ємною водою призводить до зменшення спектрального сигналу від об'ємної води через зменшення чистої поздовжньої намагніченості. Потім це зменшення можна кількісно оцінити і використовувати для вимірювання найрізноманітніших властивостей молекули або розчину. У наступному підрозділі ми розглянемо кількісну оцінку більш детально, щоб забезпечити більш глибоке концептуальне розуміння.
Двосистемна модель
Вихідні математичних моделей хімічного обмінного перенесення насичення виникають принципово з розуміння рівняння Больцмана,\ ref {17}. Рівняння Больцмана математично визначає розподіл спінів молекули, поміщеної в магнітне поле. Існує безліч складних моделей, які використовуються для кращого розуміння явища. Однак ми будемо дотримуватися двосистемної моделі, щоб спростити математику, щоб зосередитися на концептуальному розумінні. У цій моделі є дві системи: наливна вода (альфа) і агент басейн (бета). Коли пул агентів насичується радіочастотним імпульсом, робимо два важливих припущення. Перший полягає в тому, що всі обмінні протони повністю насичені, а другий полягає в тому, що процес насичення не впливає на об'ємні протони води, які зберігають свою характерну поздовжню намагніченість.
\[ \frac{N_{high\ energy}}{N_{low\ energy}}\ =\ exp( \frac{-\Delta E}{kT}) \label{17} \]
Щоб кількісно оцінити наступний протонний обмін, ми визначимо рівноважну концентрацію протонів. Рівняння Больцмана дає нам розподіл спінових станів при рівновазі, пропорційний концентрації протона. Таким чином, ми позначимо стану рівноваги двох систем як\( M_{\alpha }^{0} \) і\( M_{\beta }^{0} \). Після насичення насичені протони об'ємного пулу обмінюються з пулом агентів зі швидкістю\( k_{\alpha } \). Як таке зменшення поздовжньої (Z) намагніченості задається\( k_{\alpha } M^{Z}_{\alpha } \). Крім того, ще одним ефектом, який потрібно враховувати, є властива релаксація протонів, які збільшують намагніченість Z назад до рівноважних рівнів,\( M_{\alpha }^{0} \). Це можна оцінити за допомогою наступного\ ref {18}, де\( T_{1 \alpha } \) - час поздовжньої релаксації для насипної води. Встановлюючи дві системи, рівні рівноважності, ми отримуємо наступне співвідношення\ ref {19}, яким можна маніпулювати математично, щоб отримати узагальнене рівняння хімічного обміну\ ref {20} де\( \tau _{\alpha } \ = k_{\alpha }^{-1} \) і визначається як час життя протона в системі, а c - концентрації протонів в їх відповідну систему. [n] представляє кількість обмінних протонів на молекулу CEST. Що стосується розрахунків CEST, чим менший коефіцієнт Z, тим більш помітний ефект CEST. Графік цього рівняння в діапазоні частот імпульсів призводить до того, що називається Z-спектрами, також відомі як спектри CEST, показані на малюнку\(\PageIndex{67}\). Цей спектр потім використовується для створення зображень CEST.
\[ \frac{M^{0}_{\alpha } - M^{Z}_{\alpha }}{T_{1\alpha }} \label{18} \]
\[ k_{\alpha }M^{Z}_{\alpha } \ =\ \frac{M^{0}_{\alpha } - M^{Z}_{\alpha }}{T_{1\alpha }} \label{19} \]
\[ Z\ = \frac{M^{Z}_{\alpha }}{M^{0}_{\alpha }} = \frac{1}{1\ +\ \frac{C_{\beta }[n]}{C_{\alpha }} \frac{T_{1\alpha }}{\tau _{\alpha }}} \label{20} \]
Обмеження діамагнітної візуалізації CEST та двосистемної моделі
Засіб CEST повинен володіти декількома властивостями, щоб максимізувати ефект CEST. Максимальний ефект CEST спостерігається, коли термін перебування насипної води (\(\tau _{\alpha } \)) максимально короткий. Це побічно означає, що ефективний агент CEST має високий обмінний курс,\( k_{\alpha } \). Крім того, максимальний ефект відзначається при високій концентрації засобу CEST.
Крім цих двох властивостей, потрібно враховувати той факт, що припущення двосистемної моделі майже ніколи не відповідають дійсності. Часто спостерігається менш насичена система, що призводить до зниження спостережуваного ефекту CEST. В результаті нам потрібно розглянути потужність імпульсів насичення, В 1. Співвідношення між B 1\(\tau _{\alpha } \) і показано нижче\ ref {21}. Таким чином, збільшення потужності імпульсу насичення призводить до збільшення ефекту CEST. Однак ми не можемо застосувати занадто багато B1 через обмеження in vivo. Крім того, ідеал\(\tau _{\alpha } \) можна обчислити, використовуючи вищевказані співвідношення.
\[ \tau \ =\ \frac{1}{2\pi B_{1}} \label{21} \]
Нарешті, ще одне обмеження, яке потрібно враховувати, є притаманним лише діамагнітному CEST і забезпечує важливу відмінність між CEST та PARACEST, як ми незабаром обговоримо. За допомогою двосистемної моделі ми припустили, що насичення радіочастотним імпульсом не впливало на Z-намагніченість оточеної об'ємної води. Однак це велике узагальнення, яке можна зробити лише для агентів PARACEST, як ми незабаром побачимо. Діамагнітні види, ендогенні чи екзогенні, мають різницю хімічного зсуву (Δω) між обмінними групами —NH або —OH та об'ємною водою менше 5 ppm. Ця невелика різниця зрушень є основним обмеженням. Селективне насичення часто призводить до часткового насичення протонами об'ємної води. Це більш важливий аспект, коли пік води in-vivo дуже широкий. Таким чином, нам потрібно максимізувати різницю зсуву між об'ємною водою та контрастною речовиною.
Парамагнітний хімічний обмін насичення перенесення
Сильні сторони ПАРАЦЕСТ
PARACEST вирішує два ускладнення, які виникають при CEST. Застосування радіочастотного імпульсу, близького до об'ємного сигналу води, призведе до деякого позарезонансного насичення
тер. Це істотно обмежує потужність, що підсилює ефект CEST. Крім того, повільна умова обміну менше різниці частот насичення (Δω) означає, що для діамагнітних агентів CEST такого роду потрібен дуже повільний обмінний курс. Обидві проблеми можна полегшити за допомогою агента, який має більший хімічний зсув поділу, наприклад, парамагнітні види. \(\PageIndex{68}\)На малюнку показаний широкий Δω комплексу Eu 3+.
Рисунок\(\PageIndex{68}\) Eu 3+ комплекс розширює хімічний зсув, що призводить до більшої різниці частот насичення, яку можна легко виявити. Червона спектральна лінія представляє EUDota- (етиловий ефір гліцину) 4. Синій спектральна лінія представляє барбітурову кислоту. Адаптовано з А. Д. Шеррі та М. Вудс, Annu. Преподобний Біомед. англ. О., 2008, 10, 391.
Вибір видів лантаноїдів
Виходячи з критеріїв a, встановлених у\ ref {22}, ми бачимо, що лише Eu 3+, Tb 3+, Dy 3+ та Ho 3+ є ефективними агентами лантаніду CEST на найбільш поширеному рівні потужності МРТ (1,5 Т). Однак, враховуючи сильніші сили поля, Таблиця\(\PageIndex{8}\) пропонує більшу ефективність CEST. За винятком Sm 3+, всі інші молекули лантаніду мають зрушення далеко від піку води, забезпечуючи великий Δω, бажаний для агентів CEST. Цю таблицю слід розглянути перед розробкою експерименту PARACEST. Крім того, ця таблиця виключає взаємозв'язок між потужністю імпульсу насичення та спостережуваним ефектом CEST. Посилаючись на наступне\ ref {23}, ми бачимо, що при підвищеному імпульсі насичення ми помічаємо посилений ефект CEST. Насправді, різний рівень B 1 змінює зміщення насичення. Чим вище частота B 1, тим вище інтенсивність сигналу зміщення насичення Таким чином, важливо вибрати правильний імпульс насичення перед експериментами.
| Комплекс | Т м при 298 К (\(\mu \)с) | δ 1 Н (проміле) | Δω.τ α при 1,5 Т | Δω.τ α при 4,7 Т | Δω.τ α при 11,75 Т |
| Пр 3+ | 20 | -60 | 0.5 | 1.5 | 3.8 |
| Нд 3+ | 80 | -32 | 1.0 | 3.2 | 8.0 |
| См 3+ | 320 | -4 | 0.5 | 1.6 | 4.0 |
| ЄС 3+ | 382 | 50 | 7.7 | 24.0 | 60.0 |
| Вкладка 3+ | 31 | -600 | 7.5 | 23.4 | 58.5 |
| День 3+ | 17 | -720 | 4.9 | 15.4 | 38.5 |
| Хо 3+ | 19 | -360 | 2.8 | 8.6 | 21.5 |
| Ер 3+ | 9 | 200 | 0.7 | 2.3 | 5.7 |
| Тм 3+ | 3 | 500 | 0.6 | 1.9 | 4.7 |
| За 3+ | 3 | 200 | 0.2 | 0.5 | 1.9 |
Виходячи з критеріїв, встановлених у\ ref {22}, ми бачимо, що лише Eu 3+, Tb 3+, Dy 3+ та Ho 3+ є ефективними агентами лантаніду CEST на найбільш поширеному рівні потужності МРТ (1,5 Т). Однак, враховуючи сильніші сили поля, Таблиця\(\PageIndex{9}\) пропонує більшу ефективність CEST. За винятком Sm 3+, всі інші молекули лантаніду мають зрушення далеко від піку води, забезпечуючи великий Δω, бажаний для агентів CEST. Цю таблицю слід розглянути перед розробкою експерименту PARACEST. Крім того, ця таблиця виключає взаємозв'язок між потужністю імпульсу насичення та спостережуваним ефектом CEST. Посилаючись на наступне\ ref {23}, ми бачимо, що при підвищеному імпульсі насичення ми помічаємо посилений ефект CEST. Насправді, різний рівень B 1 змінює зміщення насичення. Чим вище частота B 1, тим вище інтенсивність сигналу зміщення насичення Таким чином, важливо вибрати правильний імпульс насичення перед експериментами.
\[ \Delta \omega \cdot \tau _{\alpha } \ =\ \frac{1}{2\pi B_{1}} \label{22} \]
\[ \tau _{\alpha } \ =\ \frac{1}{2\pi B_{1}} \label{23} \]
Запуск експерименту PARACEST
Два типи експериментів можуть бути запущені для кількісної оцінки PARACEST. Перший виробляє кількісно оцінювані Z-спектральні дані і, як правило, працює на спектрометрах 400 МГц з потужністю B1 між 200-1000 кГц і часом опромінення від 2 до 6 секунд на основі комплексу лантаноїдів. Експерименти з візуалізацією, як правило, проводяться на будь-якому клінічному сканері - це невеликий сканер МРТ при кімнатній температурі, використовуючи спеціальну поверхневу котушку Експерименти з візуалізацією зазвичай вимагають наступної послідовності кроків:
- Спектри об'ємної води збираються з PARACEST за допомогою 2-секундного імпульсу пресатурації при бажаному рівні потужності на основі лантаноїдного комплексу.
- Після базового сканування частота насичення переходить між ± 100 ppm (відносно об'ємної частоти води при 0 ppm) з кроком 1 ppm. Частота сканування може бути змінена, щоб включити більш широке сканування, якщо комплекс лантаноїдів має більшу різницю хімічного зсуву.
- Після збору даних сигнал об'ємної води інтегрується за допомогою програми Matlab. Різниця між інтегрованими сигналами, виміряними на еквівалентних позитивних і негативних частотах насичення, побудована та віднімається за допомогою наступного\ ref {24} і відображається для отримання градієнтних зображень.
- Для створення зображення CEST набір даних спочатку фільтрується для покращення співвідношення сигнал/шум і нормалізується фантомними даними шляхом віднімання та кольорового кодування.
- Для інструментів даних для виконання аналізу зображень CEST. Будь ласка, зверніться за наступними посиланнями для безкоштовного доступу до інструментів програмного забезпечення з відкритим кодом: https://github.com/cest-sources/CEST_EVAL/ або http://www.med.upenn.edu/cmroi/software-overview.html.
\[ \frac{S_{sat(-\Delta \omega)} \ -\ S_{sat(\Delta \omega)}}{S_{0}} \label{24} \]
Застосування PARACEST
Картографування температури
Візуалізація PARACEST показала, що є перспективним напрямком досліджень при розробці неінвазивної методики для відображення температури. Sherry et. al показує залежність від змінної температури резонансної частоти молекули води, пов'язаної лантанідом. Вони встановлюють лінійну відповідність в діапазоні 20-50 °С, а також демонструють можливий метод аналізу для визначення хімічного зсуву (δ) лантаніду на зображеннях з високою просторовою роздільною здатністю. Розробляючи графік інтенсивності пікселів у порівнянні зі зміщенням частоти, вони можуть індивідуально визначити температуру на кожному пікселі і, отже, створити температурну карту, як показано на малюнку\(\PageIndex{70}\).
Виявлення іонів цинку
Двовалентний цинк є невід'ємним перехідним металом, який помітний у багатьох водних розчині і відіграє важливу роль у фізіологічних системах. Здатність виявляти зміни концентрації зразків іонів цинку дає цінну інформацію щодо системи Розробка конкретних лігандів, які координуються зі специфічними іонами для підвищення водообмінних характеристик, може посилити профіль CEST. У цій роботі автори розробляють датчик Eu (dotampy), показаний\(\PageIndex{71}\) на малюнку для іонів Zn. Ці автори припускають, що датчик координує з цинком, використовуючи його чотири донори піридину квадратним антипризматичним способом, як визначається спектроскопією ЯМР шляхом спостереження за швидкістю обміну води та базовим каталізом шляхом спостереження чутливості CEST. Автори не змогли проаналізувати координацію за допомогою рентгенівської кристалографії. Після визначення успішних профілів CEST автори зіставили зразки in vitro різної концентрації Zn і змогли успішно співвіднести інтенсивність вокселів зображення з концентраціями Zn, як показано на малюнку\(\PageIndex{72}\). Крім того, вони змогли успішно продемонструвати специфічність датчика до Zn над магнієм і кальцієм. Ця програма є перспективною як метод виявлення потенціалу іонів Zn в розчині з діапазоном концентрацій від 5 нм до 0,12 мкм.
.png)