Химическая энциклопедия - ядерный магнитный резонанс

(ЯМР), явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага. поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра ¹ Н, ² Н, ¹³ С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В 0, на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В 1 перпендикулярное полю В 0. Для в-в, у к-рых ядерный спин I= ¹/2 (¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др.), в поле В 0 возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра "по полю" и "против поля". Возникающие два уровня энергии Еза счет взаимод. магн. момента ядра с полем В 0 разделены интервалом

При условии, что или где h - постоянная Планка, v0 частота радиочастотного поля В 1, - круговая частота,т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B1, названное ЯМР. Для нуклидов ¹H, ¹³C, ³¹ Р частоты ЯМР в поле В 0= 11,7 Тл равны соотв. (в МГц): 500, 160,42 и 202,4; значения (в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В 0 возникает 2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при где т - магн. квантовое число.

Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР. Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В 0 так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1-12 Тл. Область спектра, в к-рой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР миним. ширина линии ЯМР, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения скорость (в Гц/с), с к-рой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.

Схема спектрометра ЯМР: 1 катушка с образцом; 2 полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 генератор модулирующего напряжения; 6 катушки модуляции поля В 0; 7 осциллограф.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация; характеристич. время Т 2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация, время релаксации Т 1). Времена Т 1 и Т 2 несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т 1 и Т 2 от т-ры и частоты v0 дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях, фазовых переходах и др. В твердых телах с жесткой решеткой Т 2 =10 мкс, а Т 1 > 10³ с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за малости Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях малой вязкости Т 1T2 и измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10^-1 Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.

Основной параметр спектра ЯМР хим. сдвигвзятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим. сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте v0, то В зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР, и ЯМР ¹³ С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах тома),. ЯМР ¹⁹F (см. Фторорганические соединения), ЯМР ³¹ Р (см. Фосфорорганические соединения )и т. д. Величины обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим. сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также заносятся в базы данных, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной плотности на соответствующих ядрах.

Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР ¹³ С тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр. эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители те, что не содержат протонов (СС14, CDC13, CS2, D2O и др.).

В многоатомных молекулах ядра одинаковых атомов, занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра где постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный интервал изменений до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.

Важный параметр спектров ЯМР константа спин-спинового взаимод. (константа ССВ) мера непрямого ССВ между разл. магн. ядрами одной молекулы (см. Спин-спиновое взаимодействие); выражается в Гц.

Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов, содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной ориентации этих ядер в поле В 0 (ССВ). При достаточном разрешении ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным значениям хим. сдвигов: где