Реферат
на тему:
ЯМР як аналітичний метод
Донецьк 2008
Введення
У цій роботі на різноманітних прикладах показано, яким чином ЯМРможе бути використаний у якості аналітичного методу. З цією метою більш докладнообговоримо деякі поняття.
Застосування методу ЯМР в якості аналітичного можнапродемонструвати на прикладі найпростішої молекули - молекули етанолу,оскільки, як видно з рис. 1, протонам трьох функціональних груп в етанолі:метильной, метиленової і гідроксильної відповідають три різні резонанснілінії, що спостерігаються в спектрі. Особливість методу ЯМР насамперед полягає уте, що по положенню резонансних ліній у спектрах можна судити про взаємнерозташуванні окремих атомів або груп атомів в молекулах, причому це вдаєтьсявиявити навіть для еквівалентних атомів. ЯМР за своєю інформативності вигідновідрізняється від багатьох інших аналітичних методів, конкуруючих з ним.
У той же час ЯМР є досить малочутливим методом,незважаючи на те, що в сучасних спектрометрах значення максимальнодосяжного магнітного поля складає 14 Тл, що відповідає робочій частотідля 1 H 600 МГц. Мінімальна кількість речовини, яка може бутизареєстровано за допомогою методу ЯМР 1 H, варіюється вшироких межах залежно від умов експерименту. Для малих молекултипове значення, що визначає межу чутливості, становить 10 нмоль,тобто то кількість речовини, яка може бути проаналізовано простимибіохімічними методами, наприклад, за допомогою тонкошарової хроматографії. Привикористанні інших, досить широко використовуваних методів, таких, якгазова хроматографія або радіоіммунометрія, стають доступнимипринципово інші з точки зору чутливості області такі, як фемто-іатоммолярная. Таким чином, якщо мова йде тільки про реєстрацію спектрівречовин відомої структури, то ці методи по чутливості перевершують ЯМР.Перевага ЯМР стає очевидним лише тоді, коли виникає необхідністьв отриманні додаткової інформації, яку може надати тільки цейметод. Це стосується тих випадків, коли структура досліджуваної речовини ще невідома. Тоді з аналізу спектра ЯМР можна побудувати ряд можливих структур івибрати серед них правильну. Слід зазначити також ще одну особливість методуЯМР: у спектрах ЯМР 1 H можуть бути присутніми сигнали молекул-домішок, ідентифікація якихможлива тільки в разі застосування спеціальних методів.
1. Ідентифікація відомих і невідомих речовин
Використання методу ЯМР в якості аналітичного в простому випадкуполягає в порівнянні положень ліній спектрів зразка невідомої структури істандартного зразка відомої структури: збіг спектрів стандартногоречовини і досліджуваного дозволяє провести ідентифікацію останнього. Напідставі такого роду зіставлень можна дати навіть кількісну оцінкуконцентрації речовин, що містяться у зразку. Ця оцінка в найпростішому виглядіможе бути сформульована таким чином: речовина А міститься у зразку вконцентрації, достатній для його реєстрації. Правда, такий спосіб оцінкисправедливий лише тоді, коли обидва порівнюваних спектру отримані при ідентичнихумовах. Реальний спектр, відповідний певної речовини, істотнозалежить від умов його реєстрації. Вид спектру визначається не тільки зовнішнімичинниками, тобто тими параметрами, які експериментатор може контролюватисамостійно, але і використовуваним розчинником. Незважаючи на це, все жвдається провести ідентифікацію невідомої речовини, оскільки завжди можнаобмежитися певним абстрактним рівнем і порівняти характерніособливості спектрів.
Розглянемо ще раз фрагмент спектра ЯМР етанолу, знятого на сучасномуЯМР-спектрометрі з високим значенням постійного магнітного поля. Параметри,повністю характеризують спектр, наступні: положення спектральних ліній,структура мультіплетов і відносні інтенсивності резонансних ліній.Положення ліній визначається значенням хімічного зсуву, а розщеплення ліній -скалярним спін-спінові взаємодією. Площа під резонансним сигналом,яка може бути отримана чисельним інтегруванням, пропорційна числуспінів, відповідних даній групі в молекулі.
Як було показано раніше, хімічний зсув можна розуміти як посиленняабо ослаблення зовнішнього магнітного поля в точці простору, в якійрозташоване досліджуване ядро. Основний внесок у величину цього локальногозміни поля дають електронні оболонки розглянутих молекул, тому можнастверджувати, що хімічний зсув відображає структуру молекул. Якщо оцінювативплив замісників на величину хімічного зсуву, то з ростом числа зв'язківміж аналізованим атомом і заступником цей вплив зменшується. Однакхарактер електронного розподілу, а значить, і вид спектра ЯМР, залежить і відпросторової структури молекул, і від взаємодії з іншими молекулами врозчині, тобто від тих факторів, які вже не видаються такими очевидними.
Для ЯМР область значень хімічних зсувів невелика, а ефекти,пов'язані з просторовою структурою та викликані взаємодією з іншимимолекулами, бувають настільки великі, що часто з спостереження спектрів ЯМРвельми скрутно зробити однозначний висновок про хімічну структуруречовини.
Таблиця 1. Хімічний зсув у спектрах Ні С
Для більшості молекул в розчині конформація їх при кімнатнійтемпературі не є жорсткою, вони можуть існувати у вигляді декількох різнихконформацій. Встановлюване конформационное рівновага залежить від складурозчинника, температури і тиску. Крім того, досліджувані молекули можутьвзаємодіяти між собою або з іншими молекулами і утворювати при цьомубільш-менш стабільні комплекси. Ймовірність виявлення цихвзаємодій залежить від концентрації всіх компонентів, присутніх врозчині.
На відміну від спектрів ЯМР 1 H діапазон значеньхімічних зсувів в спектрах С істотно більше В», так що положення резонанснихліній у спектрах 13 C визначається в основномухімічною структурою. Значення хімічних зсувів характеристичностью за умови,що вплив заступників враховується у вигляді адитивної поправки до величинихімічного зсуву.
2. Внутрішній і зовнішній стандарт
Хімічний зсув, як правило, приводиться щодо резонансноїчастоти речовини-стандарту, яке додається в досліджуваний розчин абопоміщається в капіляр. У цьому випадку, як показано раніше, хімічний зсувзалежить від резонансної частоти використовуваного стандарту. Величина хімічногозсуву має сенс тільки у випадку, якщо зазначений стандарт, щодо якогонаводиться його значення. У табл. наведені основні речовини, використовувані вякості стандартів. Якщо ж хімічний зсув приведений щодо іншогоречовини, що використовується в якості стандарту, то його значення завжди можнаперерахувати щодо загальноприйнятого стандарту.
Як зовнішній, так і внутрішній стандарти мають ряд переваг інедоліків. Внутрішній стандарт може вступати у взаємодію з іншимимолекулами, присутніми в розчині, що призводить до зсуву сигналустандарту, тобто до зрушення нульової точки. Взаємодія стандарту з досліджуванимречовиною також може призвести до зміни виду його спектру. Тому основнимвимогою, що пред'являються до внутрішнього стандарту, є зменшення цьогоефекту. Очевидно, що внутрішній стандарт повинен бути хімічно стабільнимз'єднанням і добре розчинною у використовуваному розчиннику. Усім цим умовамцілком задовольняють такі речовини, як тетраметілсілан, 2,2 - диметил-2-сілапентан-5-сульфоноваякислота і тріметілсілілпропіоновая кислота, положення сигналу метальними групидля яких використовується в якості нульової точки в шкалі хімічних зсувів ім.д. Ці речовини використовуються в якості стандартів в спектрах як 1 H, так і 13 C Для інших ядер, спектри яких становлять інтерес з точкизору біологічних додатків ЯМР таких, як 15 N і 31 P, поки невстановлений єдиний стандарт.
Зовнішній стандарт відділений від досліджуваного речовини. Як правило, йогозапаюють в капіляр і поміщають в вимірювальну ампулу. Очевидною перевагоювикористання зовнішнього стандарту є те, що молекули ...
