Ядерный магнитный резонанс, ЯМР. Часть 3
Приветствую всех айтишников и технарей. Ну штош, после того, как я сподобился на ликбез по теории химического строения (продолжение следует), появилась надежда на то, что цикл по ЯМР (1, 2) будет-таки завершен. В предыдущих сериях я изложил физические основы метода в объеме, достаточном для понимания того, что вообще происходит, а в этой части я перехожу к возможностям метода применительно к исследованию строения органических (и чуть-чуть неорганических) соединений.
Итак, мы записали спектр какого-то органического соединения. Не умаляя общности, пусть это будет спектр на протонах, то есть ядрах 1H, и в дальнейшем по умолчанию мы будем иметь ввиду именно протонные ЯМР спектры. Как он выглядит? Ну, примерно вот так:
Реальный спектр из моей коллекции, 1H, DMSO-d6
Мы видим здесь небольшой набор острых и узких пиков, но это нам повезло, точнее я выбрал красивый и достаточно простой спектр. Бывают пики сильно уширенные (как горб на 3.4 ppm), а бывают уширенные вплоть до слияния с базовой линией. Из обозначений на спектре, помимо оси абсцисс с отмеченным на ней химсдвигом (в ppm), мы видим два набора чисел — под спектром и над ним. Оси ординат мы не видим, потому что она размечена в неких произвольных единицах интенсивности, абсолютное значение которых для нас ничего не значит. Над спектром обозначены точные значения химсдвигов пиков, соответствующие их максимумам, а под спектром — значение площадей под пиками, то есть их интегральных интенсивностей.
Проще всего с интегральными интенсивностями (в просторечии интегралами) — в идеальном случае они пропорциональны абсолютному содержанию этих ядер (в молях или штуках) в образце. Если у нас в ампуле этанол CH3CH2OH, в спектре мы увидим три сигнала в соотношении интегралов 3:2:1. И в протонных спектрах в целом это работает. Занижение интегралов может наблюдаться, когда время записи сигнала мало и намагниченные ядра не успевают полностью отрелаксировать. Время релакcации (их вообще два, и это отдельная история, но мы не будем углубляться) для протонов в растворном ЯМР при типичных значениях поля, температуры, вязкости растворителя и т.д. составляет доли секунды, реже — единицы секунд. Чтобы получить погрешность <1%, должно пройти без малого 5 времен релаксации, т.к. каждое время релаксации снижает интенсивность сигнала в e раз,
Как мы уже выяснили, химсдвиг — это основной параметр резонансного поглощения/излучения ядра, чувствительный к структурным изменениям в молекуле, которые изменяют магнитное поле вблизи изучаемого ядра. Разумеется, никакой возможности сколько-нибудь количественно посчитать вручную индукцию этого самого поля мы не имеем, поэтому пользуемся рядом простых правил, позволяющих примерно прикинуть как оно там будет. Магнитное поле, создаваемое электронной плотностью вокруг ядра, экранирует его от внешнего поля, поэтому чем меньше электронная плотность вокруг ядра, тем больше его химсдвиг (напоминаю, что больший химсдвиг соответствует большей резонансной частоте).
Как на пальцах, без квантово-механических расчетов, понять, что там как по электронной плотности? Для начала можно посмотреть на электроотрицательность ближних атомов, ведь электроотрицательность — эта мера способности атома притягивать к себе электронную плотность ближних атомов. Этот эффект называют индуктивным эффектом, и он тем сильнее, чем ближе электроотрицательный атом к целевому (в смысле количества разделяющих их связей). Индуктивный эффект довольно-таки аддитивен, и если бы дело ограничивалось только им, предсказывать химсдвиги было бы довольно просто и точно. Например, индуктивный эффект атома хлор через две связи от себя дает увеличение химсдвига (δ) на ~2.0 ppm, поэтому у метана CH4 химсдвиг протонов δ = 1.1 ppm, у монохлорметана CH3Cl δ = 3.1 ppm, у дихлорметана CH2Cl2 δ = 5.3 ppm, у трихлорметана CHCl3 δ = 7.3 ppm. Как видите, значение инкремента находится в диапазоне (2.0 — 2.2), что достаточно точно для прикидочной оценки.
Всю малину портит мезомерный эффект, то есть эффект сдвига электронной плотности по сопряженным системам. Его природа выходит за рамки нашего обсуждения, но влияние мезомерного эффекта различных фрагментов на химсдвиг соседнего ядра тоже хорошо изучено. Этот эффект уже менее аддитивен, поэтому предсказать его влияние сложнее. А ещё есть эффект кольцевых токов, который обусловлен влиянием индуцированных магнитных моментов электронной плотности пи-орбиталей, и именно этот эффект ответственен за то, что химсдвиг протонов у алкенов (двойная С-С связь) выше, чем у алканов, а у алкинов (тройная С-С связь) ниже, чем у алкенов, но выше чем у алканов. И действует этот эффект уже не по связям, а через пространство.
И в итоге для того, чтобы быстро в уме оценить химсдвиг ядра, просто смотрят на строение его ближайшего окружения и вычленяют по возможности структурные фрагменты, и по аддитивной схеме грубо прикидывают их влияние, а дальше, опираясь на собственный опыт, корректируют полученный результат. Ниже я вставил диаграмму, на которой изображены диапазоны химсдвигов, которые принимает протон (выделен красным) при соседстве с тем или иным фрагментом.
Диаграмма диапазонов значений химсдвигов для ядер 1H в соседстве с типичными для органики структурными фрагментами.
Разберем на простом примере, как это выглядит на практике. Возьмем молекулу этилацетата. Для первого раза я специально изобразил на ней все протоны, дальше буду рисовать без них. В молекуле есть три группы неэквивалентных протонов, у трех различных атомов углерода, 1,2,3. Я хочу предсказать, какой химсдвиг будет у сигналов этих групп протонов.
Этилацетат. Один из популярных в органическом синтезе растворителей.
Я смотрю на диаграмму, и вижу, что окружение протонов 1 больше всего похоже на то, что изображено на 5-й строке справа, а это соответствует диапазону химсдвигов протона 2.0 — 2.8 ppm. Окружение протонов 2 больше похоже на то, что изображено в 6-й строке слева (Esters), и химсдвиг таких протонов находится в диапазоне 3.6 — 4.7 ppm. Ближайшее окружение протонов группы 3 не содержит каких-то определенных структурных фрагментов и попадает категорию, изображенную в 1-й строке справа (Sat. alkanes), которые имеют химсдвиги 0.3 — 1.8 ppm. В реальности химсдвиг и этилацетата таковы (раствор в CDCl3): 2.05 ppm у группы 1, 4.12 ppm у группы 2 и 1.26 ppm у группы 3. Как видите, всё сошлось, хотя при таких широких диапазонах это не то чтобы великое достижение. Разумеется, есть куда более точные вычислительные методы предсказания химсдвигов, как эмпирические, так и ab initio, но даже они до сих пор не дают точности достаточной для того, чтобы интерпретировать спектры только на их основании.
Внимательный читатель заметит, что некоторые пики стоят в гордом одиночестве, а некоторые группируются в частично сливающиеся кучки. Иногда такое бывает просто из-за наложения сигналов близких по химсдвигу ядер, но чаще всего это проявление сверхтонкой структуры спектра, наблюдающейся из-за спин-спинового взаимодействия (ССВ, J-каплинга). Ядерные спины образуют спиновую систему, в которой мгновенные значения остальных спинов влияют на энергию резонансного поглощения (а следовательно и на химсдвиг) возбуждаемого ядра. Взаимодействие, ответственное за наблюдаемое в одномерных спектрах расщепление сигнала, передается через пару электронов, образующую химическую связь между этими ядрами, поэтому оно затухает не с геометрическим расстоянием между ядрами, а с количеством и длиной разделяющих эти ядра связей. Кроме того, его сила зависит от взаимной ориентации этих связей. Обычно в спектре мы можем увидеть ССВ через 1–3 связи, иногда 4. Чем больше связей разделяет ядра, тем слабее расщепление, вызываемое ССВ, и тем ниже энергия расщепления, а, следовательно, тем ниже и сдвиг частоты расщепленных сигналов, называемый константой ССВ. Для J1 КССВ составляет сотни Гц, для J2 — десятки, для J3 — единицы, иногда чуть за десятку, для J4 — единицы или даже доли Гц.
Кусок спектра, содержащий несколько мультиплетов.
Расщепленные из-за ССВ сигналы называют мультиплетами, и обозначают в соответствии с кратностью расщепления: 1 — синглет, 2 — дублет, 3 — триплет, 4 — квартет, и так далее. Почему расщепленные пики имеют разные интенсивности? Потому что комбинаторика нам говорит, что у разных спиновых комбинаций разные частотности появления. Соотношения интенсивностей пиков в n-плете соответствует n-той строчке треугольника Паскаля, который как раз и содержит в себе наборы частотностей появления комбинации n бинарных состояний. Если сигнал расщепляется несколько раз от неэквивалентных соседних ядер, то мультиплетности не складываются (визуально могут выглядеть как сумма, если КССВ близки), а образуют суперпозицию, например дублет дублетов — это дублет, ещё раз расщепленный с кратностью 2. Возвращаясь к нашему наглядному пособию, этилацетату, можно предсказать мультиплетность каждого из его сигналов. Протоны 1 не имеют в достаточной близости ядер с ненулевым спином, поэтому их сигнал — синглет. Протоны 2 через 3 связи от себя (Н-С, С-С, С-Н) имеют три протона 3, поэтому образуют мультиплет кратности 3+1 = 4, квартет. Ну и протоны 3, соответственно, отделены теми же 3 связями от двух протонов 2, поэтому дают триплет.
В общем, так и происходит первая стадия установления строения молекулы по ЯМР. Если есть в целом представление, что из себя представляет молекула, для идентификации достаточно проверить, что количество сигналов, интегралы и мультиплетность совпадают с ожидаемым, ну и ещё посчитать сигналы в 13С, но это уже совсем другая история. А вот если понимания нет или почти нет, тогда приходится снимать двумерные корреляционные ЯМР спектры, ну и по возможности пользоваться ЯМР в сочетании с другими методами анализа — элементным анализом, масс-спектрометрией, ИК-спектроскопией, рентгеноструктурным анализом (последний может заменить их всех скопом, но есть нюанс).
Всё сказанное (кроме интегральных интенсивностей) с определенной долей точности справедливо и для спектров на других ядрах. Помимо 1H, довольно часто снимают спектры на ядрах 13C, 19F, 31P, 11B. Но, надеюсь, я ещё отдельно разберу особенности спектров на этих ядрах. И про корреляционные спектры расскажу. Когда-нибудь. Обязательно.
