5.4: Експеримент 1H-ЯМР
- Page ID
- 20772
В експерименті ЯМР сполука зразка (ми знову будемо використовувати метилацетат як наш приклад) поміщається всередині дуже сильного застосованого магнітного поля (\(B_0\)), що генерується надпровідним магнітом в приладі. (Магнітні поля, що генеруються сучасними інструментами ЯМР, досить сильні, що користувачі повинні подбати про те, щоб уникнути перенесення будь-яких магнітних об'єктів де-небудь поблизу них. Вони також горезвісні тим, що стирають магнітні смужки на кредитних картках!)
Спочатку магнітні моменти (трохи більше) половини протонів у зразку вирівнюються з\(B_0\), а половина вирівнюються проти\(B_0\). Потім зразок піддається впливу діапазону радіочастот. З усіх частот, які потрапили на зразок, поглинаються лише дві - резонансні\(H_a\) частоти для і\(H_b\) -, внаслідок чого ті протони, які вирівнюються з\(B_0\) «обертанням», щоб вони вирівнювалися проти B0. Коли «перевернуті» протони повертаються назад до свого наземного стану, вони випромінюють енергію, знову ж таки у вигляді радіочастотного випромінювання. Прилад ЯМР виявляє та записує частоту та інтенсивність цього випромінювання, використовуючи математичну техніку, відому як «перетворення Фур'є».
Наведений вище опис експерименту ЯМР є надмірним спрощенням того, що відбувається в сучасному інструменті ЯМР, але є адекватним для нашої мети тут. Якщо ви пройдете більш просунутий курс молекулярної спектроскопії, ви дізнаєтеся про процес набагато докладніше.
У більшості випадків зразок, який аналізується ЯМР, знаходиться в розчині. Якщо ми використовуємо звичайний лабораторний розчинник (діетиловий ефір, ацетон, дихлорметан, етанол, вода тощо) для розчинення нашого зразка ЯМР, ми стикаємося з проблемою - протонів розчинників у розчині набагато більше, ніж протонів зразків, тому сигнали протонів зразків будуть перевантажені. Щоб обійти цю проблему, ми використовуємо спеціальні розчинники ЯМР, в яких всі протони були замінені дейтерієм. Дейтерій є ЯМР-активним, але його резонансна частота знаходиться далеко за межами діапазону, в якому протони поглинають, тому він `невидим` в 1H-ЯМР. Деякі поширені розчинники ЯМР показані нижче.
Загальні ЯМР розчинники
Давайте подивимося на фактичний спектр\(^1H\) -ЯМР для метилацетату. Так само, як і в ІЧ-та УФ-спектроскопії, вертикальна вісь відповідає інтенсивності поглинання, горизонтальна вісь - частоті. Однак ви відразу помітите, що а) на малюнку немає лінії\(y\) осі або одиниць, намальованих, і б) одиниці осі x не є Гц, що ви очікуєте для частотної шкали. Обидві ці таємниці стануть зрозумілі дуже скоро.
Ми бачимо три сигнали поглинання: два з них відповідають\(H_a\) і\(H_b\) (не хвилюйтеся, який є), тоді як пік у крайньому правому куті спектра відповідає 12 хімічно еквівалентним протонам у тетраметилсилані (TMS), стандартній еталонній сполуці, яка була додана до нашого зразка.
Для початку поговоримо про осі х. Етикетка «ppm» означає «частин на мільйон» і просто говорить нам, що два набори еквівалентних протонів у нашому зразку метилацетату мають резонансні частоти приблизно 2,0 та 3,6 частин на мільйон вище, ніж резонансна частота протонів TMS, які ми використовуємо як наш еталонний стандарт. Це називається їх хімічним зрушенням.
Причина використання відносного значення (хімічного зсуву, вираженого в проміле), а не фактичної резонансної частоти (вираженої в Гц) полягає в тому, що кожен прилад ЯМР матиме різну напруженість магнітного поля, тому фактичне значення резонансних частот, виражених в Гц, буде різним на різних приладах - пам'ятайте, що ДЕ для магнітного переходу ядра залежить від сили зовнішнього застосування магнітного поля. Однак значення резонансної частоти щодо стандарту TMS завжди будуть однаковими, незалежно від сили прикладеного поля. Наприклад, якщо резонансна частота для протонів TMS в даному приладі ЯМР дорівнює рівно 300 МГц (300 млн Гц), то хімічний зсув в 2,0 проміле відповідає фактичній резонансній частоті 300 000 600 Гц (2 частини на мільйон 300 мільйонів дорівнює 600). В іншому приладі (з більш сильним магнітом), де резонансна частота для протонів TMS становить 400 МГц, хімічний зсув 2,0 проміле відповідає резонансної частоті 400 000 800 Гц.
Часто використовуваним символічним позначенням хімічного зсуву в проміле є грецька буква в нижньому\(\delta\) регістрі (дельта). Більшість протонів в органічних сполуках мають значення хімічного зсуву між 0 і 10 ppm відносно TMS, хоча іноді спостерігаються значення нижче 0 ppm і до 12 ppm і вище. За умовністю ліва сторона спектру ЯМР (вище хімічний зсув) називається вниз поля, а правий напрямок називається вгору.
У сучасних дослідницьких інструментах ЯМР більше не потрібно фактично додавати TMS до зразка: комп'ютер просто обчислює, де повинен бути сигнал TMS, виходячи з резонансних частот розчинника. Отже, відтепер ви не побачите піку TMS на спектрах ЯМР - але точка 0 ppm на осі x завжди буде визначена як резонансна частота протонів TMS.
Якщо у вас виникли проблеми з розумінням поняття хімічного зсуву і чому він використовується в ЯМР, спробуйте цю аналогію: уявіть, що у вас є робота, де ви часто подорожуєте на різні планети, кожна з яких має різну напруженість гравітаційного поля. Хоча ваша маса тіла залишається постійною, виміряна вага змінюється - одна і та ж шкала може показати, що ви важите 60 кг на одній планеті, а 75 кг на іншій. Ви хочете мати можливість відстежувати свою масу тіла значущим, відтворюваним способом, тому ви вибираєте об'єкт для використання як стандарт: наприклад, важкий залізний пруток. Ви записуєте вагу залізного прутка і себе на рідній планеті, і виявляєте, що залізний пруток важить 50 кг, а ви важите 60 кг. Ви на 20 відсотків (або pph, частин на сто) важче, ніж бар. На наступний день ви подорожуєте (із залізним прутом у валізі) на іншу планету і виявляєте, що штанга важить 62,5 кг, а ви важите 75 кг. Хоча ваша виміряна вага відрізняється, ви все ще на 20% важче, ніж бар: у вас є «зміна ваги» 20 pph відносно залізного прутка, незалежно від того, на якій планеті ви знаходитесь.
- Який хімічний зсув, виражений в Гц, протонових сигналів при 2,0 ppm і 3.6 ppm для інструменту ЯМР, в якому протони TMS мають резонансну частоту рівно 500 МГц?
- Яка фактична резонансна частота (в Гц) цих двох протонів в тому ж приладі?
Ми вже вказували на те, що в нашому спектрі метилацетату не вказано шкалу\(y\) осі. З даними\(y\) -axis це відносні значення, а не абсолютні значення, які важливі в ЯМР. Комп'ютер в приладі ЯМР може бути доручено математично інтегрувати область під сигналом або групою сигналів. Процес інтеграції сигналу дуже корисний, оскільки в\(^1H\) -ЯМР-спектроскопії площа під сигналом пропорційна кількості протонів, яким відповідає сигнал. Коли ми доручаємо комп'ютеру інтегрувати області під\(H_b\) сигналами\(H_a\) та в нашому спектрі метилацетату, ми виявляємо, що вони мають приблизно однакову площу. Це має сенс, тому що кожному сигналу відповідає набір з трьох еквівалентних протонів.
Будьте обережні, щоб не припустити, що ви можете співвіднести видиму висоту піку з кількістю протонів - залежно від спектру відносні пікові висоти не завжди будуть такими ж, як відносні пікові області, і саме відносні області мають сенс. Оскільки важко порівняти відносну пікову площу на око, ми покладаємося на комп'ютер приладу для виконання розрахунків.
Погляньте далі на спектр 1,4-диметилбензолу:
Як ми обговорювали раніше, ця молекула має два набори еквівалентних протонів: шість метильних (\(H_a\)) протонів і чотири ароматичні (\(H_b\)) протони. Коли ми доручаємо приладу інтегрувати області під двома сигналами, ми виявляємо, що площа під піком у 2,6 проміле в 1,5 рази більше, ніж площа під піком на 7,4 проміле. Співвідношення 1,5 до 1, звичайно, таке ж, як співвідношення 6 до 4. Ця інтеграційна інформація (поряд з фактичними значеннями хімічного зсуву, про які ми незабаром обговоримо) говорить нам, що пік в 7,4 проміле повинен відповідати\(H_b\), а пік - 2,6 проміле до\(H_a\).
Функція інтеграції також може бути використана для визначення відносних кількостей двох або більше сполук у змішаному зразку. Якщо ми візьмемо спектр\(^1H\) -ЯМР зразка, який є еквівалентною сумішшю бензолу та ацетону, наприклад, ми побачимо два сигнали: один для шести еквівалентних ацетонних протонів і один для шести еквівалентних протонів бензолу. Інтегрована область під ацетоновим сигналом буде такою ж, як і площа під зразком бензолу, оскільки обидва сигнали представляють шість протонів. Якщо у нас є еквівалентна суміш ацетону та циклопентану, з іншого боку, відношення пікової площі ацетону до пікової площі цилопентану становитиме 3:5 (або 6:10), оскільки сигнал циклопентану представляє десять протонів.
Ви берете спектр 1H-ЯМР змішаного зразка ацетону та дихлорметану. Інтегральне співвідношення двох сигналів (ацетону до дихлорметану) становить 2,3 до 1. Яке молярне співвідношення двох сполук у зразку?
Ви берете спектр 1H-ЯМР змішаного зразка 36% 1,4-диметилбензолу та 64% ацетону (це мольні відсотки). Який очікуваний коефіцієнт інтеграції сигналів, які ви б спостерігали? Замовте співвідношення від найвищого до найнижчого числа.