Инструментальные методы анализа

В магнитном поле протоны мгновенно ориентируются в направлении поля Н0 (подобно маленьким стержневым магнитам). В первый момент после внесения образца число ядер, ориентированных вдоль поля и против поля, одинаково (50% на 50%). Вследствие обмена энергией между системами ядер(«спинов») и их окружением («решеткой») число ядер на нижнем энергетическом уровне достаточно быстро возрастает до величины, чуть большей 50%.Протоны, ориентированные вдольполя, находятся в более низком энергетическом состоянии,чем протоны, ориентированные против магнитного поля.Точное значение частоты, которая вызывает переходы между энергетическими уровнями данного ядра, называется резонансной частотой этого ядра.ыРезонанса можно достичь и другим путем: оставляя частоту постоянной, менять напряженность магнитного поля. Во многих спектрометрах ЯМР используют генератор фиксированной частоты 200, 300, 400, 500 и даже 800 МГц. Следует отметить, что выбор частоты также может повлиять на конечный спектр, по которому, собственно, и проводится анализ вещества. Для существования различия в заселенности энергетических уровней необходим перенос энергии молекулярного движения на «спины» ядер. Различие в заселенности возникает только в том случае, еслипосле наложения магнитного поля, т.е.с того момента, когда ядра окажутся в магнитном поле, проходит некоторое время. Это время называется временем спин-решеточной релаксации.Величина времени спин-решеточнойрелаксации имеет важное значение. Если время релаксации мало (у ядер быстрый перенос энергии), то сигнал ЯМР уширенный. Большое время релаксации, например, у ядер 13С, также затрудняет наблюдениесигналов поглощения: столь важное для резонанса различие в заселенности уровней при наложении относительно сильного переменного поля выравнивается быстрее,чем его удается обнаружить (сигнал как таковой исчезает). Последнее обстоятельство является одной из причин более низкой чувствительности метода ЯМР 13С по сравнению с ЯМР 1Н.Основными характеристиками спектров ЯМР являются:химический сдвиг,мультиплетность,константа спин-спинового взаимодействия;площадь сигнала резонанса.Эти характеристики зависят от химического окружения данного ядра или группы ядер, от числа соседних ядер, обладающих магнитным моментом, от их относительного расположения, а также от числа анализируемых ядер в различных структурных фрагментах молекулы.Разность положения сигнала данного протона и положение сигнала стандарта называется химическим сдвигом данного протона.В качестве стандарта чаще всего используют тетраметилсилан. Запись ЯМР-спектра проводят таким образом, чтобы Н0 возрастало слева направо. При этом химический сдвиг сигнала тетраметилсилана принимают за ноль, и регистрируется в наиболее сильном поле, то есть в правой части спектра.В практике ЯМР-анализа химический сдвиг выражают в миллионных долях (м.д.) и обозначают символом «δ». Химические сдвиги не зависят от рабочей частоты спектрометра:δ = Δν∙106/ рабочая частота прибора, (Гц)Химические сдвиги протонов органических соединений различных классов лежат в разных областях и, таким образом, по положению сигнала ЯМР можно определить строение вещества, а именно функциональную группу, присутствующую в образце. На рисунке 2 приведены обобщенные области химических сдвигов протонов.Рисунок 2 – Обобщенные области химических сдвигов протоновСтепень экранирования ядра атома водорода зависит от электронного эффекта других групп, присоединенных к тому жеатому углерода. Однако на величину химического сдвига действуют и другие факторы.Так, сигнал пара-протонов в монозамещенных бензолах сдвигается в слабые поля под действием электроноакцепторных заместителей и в сильные поля под действиемэлектронодоноров. Положение сигналов орто- и мета-протонов зависит не только от электронной плотности на соседнем атоме углерода и меняется не столь закономерным образом.Положение резонансного сигнала определяется совокупностью электронной плотности вокруг рассматриваемого протона и анизотропных эффектов соседних групп.Сигналы протона или группы протонов в спектре могут быть представлены в виде одиночной линии (такой сигнал называется «синглет») или в виде групп линий, которая называется мультиплет. И в зависимости от количества пиков в группе, данные мультиплеты приобретают различное название. Если сигнал представлен в виде двух линий определенной интенсивности– сигнал называется «дублет»; в виде трех линий – «триплет», в виде четырех линий – «квадруплет», или «квартет». Сигнал может быть представлен группой из шести и более линий.Каждая линия любого мультиплета будет отстоять от соседних линий того же мультиплета на одно и то же число герц. Интенсивность линий каждого мультиплета можно получить из таблицы, называемой треугольником Паскаля. Расщепление сигнала протона на компоненты происходит благодаря спин-спиновым взаимодействиям – взаимодействие спинов протонов через электронные связи.Согласно принципу Паули, электроны, связывающие два ядра, спарены, т.е. их спины антипараллельны. Вмагнитном поле имеется определенная тенденция для каждого из ядер спаривать свой спин со спином одного из связывающих электронов таким образом, чтобы большинство из них было антипараллельными (соответствует устойчивому состоянию).Константа спин-спинового взаимодействия зависит и от геометрических факторов. Так, ЯМР 1Н на сегодняшний день является наиболее информативным методом для идентификации цис-и транс-изомерных алкенов: константы спин-спинового транс-взаимодействия, всегда больше, чем соответствующие цис-константы. В справочнойлитературе по ЯМР-спектроскопии обязательно приводятся константы спин-спинового взаимодействия для различных протонов. В эксперименте ЯМР можно определить относительное количество эквивалентных по химическому сдвигу протонов. Другими словами, методом ЯМР можно определить, сколько протонов «ответственны» за данный сигнал. Однако данный анализ дает не точное, а относительное количество протонов конкретной группы, или их общее соотношение.Интенсивность сигнала пропорциональна количеству протонов каждого типа и измеряется площадью пика. Однако высота ступеньки не дает точного числа протонов, отвечающих сигналу, а только пропорциональна этому числу. Сравнивая высоты ступенек, соответствующих различным сигналам в спектре, определяют относительные числа протонов, отвечающих этим сигналам. Конечное число протонов точно установить нельзя, но можно увидеть, как соотносятся между собой протоны, принадлежащие разным функциональным группам.Из спектра ЯМР получают три главные параметра, позволяющие определять строение молекулы – химический сдвиг сигнала, его мультиплетность и интегральную интенсивность. Измерение интегральных интенсивностей сигналов позволяет использовать спектроскопию ПМР также и для количественного определения состава смесей органических веществ, а именно можно оценить количество протонов в соединении.Основные особенности спектроскопии на ядрах 13С:1. При регистрации спектров ЯМР 13С с полным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами все сигналы являются синглетами, если только в молекуле нет других магнитноактивных ядер (например, 1Н, 31Р, 9F). Данное свойство существенно упрощает анализ спектра.2. Сигналы 13С распределены по значительно большему диапазону химических сдвигов по сравнению с диапазоном для ядер 1Н. Соответствие области химического сдвига определенной функциональной группе смотрят по справочникам и электронным базам данных.3. Интенсивности сигналов 13С не коррелируют с числом ядер углерода. Это очень важное отличие от спектров ПМР. В частности, можно оценить лишь природу функциональных групп.4. Вследствие более низкой чувствительности метода ЯМР 13С по сравнению с ПМР для анализа необходимо большее количество образца (~20 мг).5. Для данногодейтерированного растворителя сигналы ЯМР 1Н и 13С имеют разную мультиплетность.Общие правила для интерпретации спектров 13С будут следующие:1. Химические сдвиги 13С в основном зависят от типа гибридизации атома углерода, от электроотрицательности заместителей и в меньшей степени от диамагнитной анизотропии;2. Порядок расположения химических сдвигов классов соединений в спектроскопии ЯМР 13С и 1Н имеет сходство;3. Интенсивность сигналов четвертичного атома углерода низкая;4. Для спектров 13С, как и для 1Н полезны уравнения аддитивности для замещенных соединений;5. На вид спектра влияет растворитель.6. Каждый класс органических соединений имеет свои особенности спектров ЯМР 13С.Также следует помнить, что одним и тем же диапазонам химических сдвигов могут соответствовать пики различных функциональных групп, что особенно заметно в области небольших величин . В связи для анализа следует использовать не один, а как минимум два спектра ЯМР, чтобы наиболее точно произвести соответствующий выбор.Многие справочники содержат графики и таблицы, по которым можно производить интерпретацию функциональных групп и типов углерода в молекуле. И в некоторых моментах они себе противоречат. В таком случае следует обращать внимание на тот факт, с использованием какого растворителя был снят рабочий спектр, и какой растворитель указан в справочной таблице. Обычно, справочные издания дают диапазоны химических сдвигов, в пределах которых можно обнаружить пики соответствующих групп. Однако границы этих диапазонов могут несколько различаться.3. Расшифровка спектровНа рисунке 3 приведены исходные данные спектров химического соединения. Элементный состав, %: С – 62,04; H – 10,41.Рисунок 3 – спектры анализируемого соединенияНа масс-спектре соединения присутствует пик с массой 70, который является молекулярным ионом. Соответственно химическое соединение имеет молекулярную массу 70 а.е.м. Данный пик имеет интенсивность 64%. Рядом с ним со значением m/z71 расположен пик (М+1)+, интенсивность которого составляет 3%. Этот пик характеризует вклад изотопным и позволяет оценить число атомов углерода в молекуле органического соединения по следующим расчетам:Согласно данным расчетам, соединение имеет 4 атома углерода, масса который будет равна 48 а.е.м. Остальная масса атомов, равная 22 а.е.м., слишком большая для одних атомов водорода, поэтому соединение должно содержать атом кислорода.Брутто-формула такого соединения следующая: С4Н6О. Величина ФН равна 2.Пользуясь азотным правиломможно предположить присутствие атомов азота. Согласно данному правилу в молекулах с четной молярной массой присутствует четное количество атомов азота. В нашем случае при небольшой молекулярной массе соединения возможно не более двух атомов азота. Тогда бы их вес составляет 28, а атомов углерода тогда 3 (на интенсивность пика (М+1)+ также оказывают влияние изотопы азота). В таком случае на атомы водорода осталась бы атомная масса 6, что бы соответствовало бы их количествам, равное шести.Брутто-формула такого соединения следующая: С3Н6N2. Величина ФН равна 2.Поскольку обе формулы имеют формальную ненасыщенность 2, можно предположить наличие двух двойных связей или циклов в молекуле.При рассмотрении спектра 13С ЯМР можно заключить об отсутствии пиков, однозначно характеризующих присутствие азотных групп в молекуле. При этом пик на сдвиге 171 м.д. определенно соответствует связи С=О в карбоновых кислотах, эфирах или амидах. Амиды содержат атомы азота, однако в нашем случае их не может быть меньше двух по азотному правилу, при этом присутствие кислорода в соединении с небольшой молекулярной массой 70 а.е.м. тогда исключается. Таким образом выбирается брутто-формула соединения С4Н6О. Помимо связи С=О на спектре 13С ЯМР присутствуют следующие пики: на величине сдвига 18, 29 и 73, которые могут соответствовать алкильным группам -СН3 (пики 18 и 29), аллильным атомам углерода =СН2- (пик 73).Согласно установленной брутто-формуле и возможным группам углерода в молекуле, можно заключить, что в данном случае представлены спектры кротонового альдегида, который имеет следующую структурную формулу:Проверка приведенного масс-спектра в литературных источниках [4] и открытых базах данных [5] указывает на правильность сделанного вывода.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения представленной работы были подробно изучены методы анализа органических соединений, такие как масс-спектрометрия и ЯМР-спектрометрия. Каждый из указанных анализов дает свою информацию В практической части работы были проанализированы спектры соединения, идентификацию которого следовало произвести. Результаты анализа показали, что исследуемым соединением является кротоновый альдегид.Библиографический списокЛебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии / А.Т. Ле- бедев. М., 2003. 493 с.Иоффе. Б.В. Физические методы определения строения органиче- ских соединений. Учебное пособие для химических вузов / Б.В. Иоффе, Р.Р. Костиков, В.В. Разин, 1984. 336 с. Ельцов И.В. Физические методы установления строения органических соединений. Учебно-методический комплекс / И.В. Ельцов, А.А. Нефедов. Новосибирск, 2012. 193 с. Рудаков О.Б., Шелехова Н.В., Рудаков Я.О. и др. Экспрессное определение кротонового альдегида в спиртных напитках методом газовой хромато-масс-спектрометрии // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2022. Т. 22, № 5. – С. 580-590.PubChem: an open chemistry database at the National Institutes of Health (NIH). – URL: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/447466 (датаобращения 30.03.23).