Кіріспе

Протондық ядролық магниттік резонанс (протондық ЯМР, сутектік ЯМР немесе 1H ЯМР) – молекулалардың құрылымын анықтау үшін заттың молекулалары ішіндегі сутектік ядроларға қатысты ЯМР спектроскопиясында ядролық магниттік резонансты қолдану. Табиғи сутек (H) пайдаланылатын үлгілерде сутегінің көбісі 1H изотопынан тұрады (сутек 1; яғни ядро үшін протон бар). Жақсырақ ЯМР спектрлері ерітіндіде тіркеледі, ал еріткіш протондарының кедергі келтіруіне жол берілмеуі керек. ЯМР-де қолдануға арналған деутерленген (деутерий = 2H, көбінесе D ретінде белгіленеді) еріткіштерге мысалдар: деутерленген су, D2O, деутерленген ацетон, (CD3)2CO, деутерленген метанол, CD3OD, деутерленген диметилсульфоксид, (CD3)2SO және деутерленген хлороформ, CDCl3. Дегенмен, көміртексіз еріткіш, мысалы, көміртек тетрахлориді, CCl4 немесе көміртек дисульфиді, CS2 де қолданылуы мүмкін. Тарихи тұрғыдан алғанда, деутерленген еріткіштерге әрбір талданатын протонның химиялық ығысуларын анықтау үшін ішкі стандарт ретінде тетраметилсиланың (ТМС) шағын мөлшері (әдетте 0,1%) қосылған. ТМС – тетраэдрлік молекула, барлық протондары химиялық жағынан эквивалентті, бір ғана сигнал береді және химиялық ығысуды = 0 ppm деп анықтау үшін қолданылады. Ол ұшпалы, сондықтан үлгіні алу оңай. Қазіргі спектрометрлер еріткіштегі қалдық протонға сүйене отырып спектрлерді анықтауға қабілетті (мысалы, CHCl3, 99,99% CDCl3 ішінде 0,01%). Деутерленген еріткіштер қазір көбінесе ТМС-сіз жеткізіледі. Деутериленген еріткіштер деутерий жиілік өрісінің құлыпталуын (деутерий құлыптауы немесе өріс құлыптауы деп те аталады) пайдалануға мүмкіндік береді, бұл ЯМР магнит өрісінің табиғи ауытқуының әсерін азайтады. Деутерий құлыптауын қамтамасыз ету үшін ЯМР үнемі еріткіштен деутерий сигналының резонанстық жиілігін бақылайды және резонанстық жиілікті тұрақты ұстау үшін түзетулер жасайды. Сонымен қатар, деутерий сигналын 0 ppm-ді құлыптау еріткішінің резонанстық жиілігі ретінде дәл анықтау үшін пайдалануға болады, ал құлыптау еріткіші мен 0 ppm (ТМС) арасындағы айырмашылық жақсы белгілі. Көптеген органикалық қосылыстардың протондық ЯМР спектрлері +14-тен 4 ppm дейінгі диапазонмен химиялық ығысулармен және протондар арасындағы спин-спин байланысымен сипатталады. Әрбір протонның интеграциялық қисығы жеке протондардың мөлшерін көрсетеді. Жақсырақ молекулалар жақсырақ спектрлерге ие. Этилхлорид спектрі 3:2 қатынасында 1,5 ppm-де үштік және 3,5 ppm-де төрттік болып табылады. Бензол спектрі диамагниттік сақиналық тоққа байланысты 7,2 ppm-де бірлік шыңынан тұрады. Көмiртек-13 ЯМР-мен бірге протондық ЯМР молекулалық құрылымды сипаттау үшін қуатты құрал болып табылады.

Химиялық ауысулар

Химиялық ауытқулардың мәні, δ символымен белгіленеді, дәл емес, бірақ типтік, сондықтан оларды негізінен анықтама ретінде қарастыру керек. Ауытқулар ±0,2 ppm шамасында, кейде одан да көп болуы мүмкін. Химиялық ауытқудың нақты мәні молекулалық құрылымға, еріткішке, температураға, спектр тіркелген магниттік өріске және басқа да жақын функционалдық топтарға байланысты. Сутек ядролары сутек атомына байланысқан атомның гибридтелуіне және электрондық әсерлерге сезімтал. Ядролар электрондық тығыздықты тартып алатын топтардың әсерінен қорғаныссыз қалады. Қорғаныссыз ядролар δ-нің жоғары мәндерінде резонансқа түседі, ал қорғалған ядролар δ-нің төмен мәндерінде резонансқа түседі. Электронды тартып алатын топтардың мысалдары: OH, OCOR, OR, NO2 және галогендер. Бұл Cα-дағы H атомдары үшін шамамен 2–4 ppm, ал Cβ-дағы H атомдары үшін 1–2 ppm-ден аз төмен қарай ығысуға себеп болады. Cα – бұл субституентке тікелей байланысқан алифалық C атомы, ал Cβ – Cα-мен байланысқан алифалық C атомы. Карбонил топтары, олефиндік фрагменттер және ароматикалық сақиналар sp2 гибридтелген көміртек атомдарын алифалық тізбекке қосады. Бұл Cα-да 1–2 ppm төмен қарай ығысуға әкеледі. Лабильді протондардың (OH, NH2, SH) ерекше химиялық ауытқуы жоқ. Дегенмен, мұндай резонанстарды D2O-мен реакцияға түскен кездегі шыңның жоғалуы арқылы анықтауға болады, себебі дейтерий протий атомын алмастырады. Бұл әдіс D2O сілкінісі деп аталады. Қышқыл протондар қышқыл дейтерий иондарын (мысалы, метанол-d4) қамтитын еріткіш қолданылғанда да басылуы мүмкін. Көміртекке байланысқан емес протондарды анықтаудың баламалы әдісі – гетероядролық бір кванттық когеренттілік (HSQC) тәжірибесі, ол бір-бірінен бір байланыс қашықтықта орналасқан протон мен көміртектерді байланыстырады. Көміртекке байланысқан емес сутек HSQC спектрінде қиылыспайтындықтан анықталады. Функционалдық топтар: CH3CH2CH2CH2R 0.8 1.3 1.6 C=C 1.6 2.0 2.6 C≡C 1.7 2.2 2.8 C6H5 2.3 2.6 2.9 F 4.3 4.4 4.8 Cl 3.0 3.4 4.0 Br 2.7 3.4 4.1 I 2.2 3.2 4.2 OH 3.3 3.5 3.8 OR 3.3 3.4 3.7 OC6H5 3.8 4.0 4.3 OCOR 3.6 4.1 5.0 OCOC6H5 3.9 4.2 5.1 OCOCF3 4.0 4.4 CHO 2.2 2.4 2.5 COR 2.1 2.2 2.6 COOH 2.1 2.3 2.6 COOR 2.0 2.3 2.5 CONR2 2.0 2.1 2.4 CN 2.1 2.5 3.0 NH2 2.5 2.7 3.0 NR2 2.2 2.4 2.8 NRC6H5 2.6 3.0 3.6 NR3+ 3.0 3.1 3.6 NHCOR 2.9 3.3 3.7 NO2 4.1 4.2 4.4 SR 2.1 2.5 3.1 SOR 2.6 3.1 =O (алифалық альдегид) 9.5 =O (ароматикалық альдегид) 10 M H (металл гидриді) 5 to 15

Сигналдың интенсивтілігі

ЯМР сигналдарының интеграцияланған интенсивтігі, идеалды жағдайда, молекуладағы ядролардың қатынасына пропорционалды болады. Химиялық ығысу және байланыс тұрақтыларымен қатар, интеграцияланған интенсивтіліктер құрылымды анықтауға мүмкіндік береді. Қоспалар үшін сигнал интенсивтіліктерін молярлық қатынастарды анықтау үшін қолдануға болады. Бұл шаралар, әсер ететін сигналдардың толыққанды релаксациясына жеткілікті уақыт берілген кезде ғана қолданылады, бұл олардың T1 мәндерімен анықталады. Сонымен қатар, өте әртүрлі сызық пішіндеріне ие сигналдарды интеграциялау қиындығы да туындайды.

Гетероядролық қосынды

Егер молекулада басқа да ЯМР белсенді ядролар болса, гетероатомдар мен протон арасында спин-спин байланысы байқалады. Бұл көбінесе фосфор немесе фтор қосқан қосылыстарда кездеседі, себебі олардың екеуі де 100% мөлшерде спин 1/2 ядролары болып табылады. Мысалы, фторметанның протондық 1H сигналдары фтор атомының әсерінен дублетке бөлінеді; керісінше, осы қосылыстың фтор 19 ЯМР спектрі үш протонның әсерінен квартет ретінде көрінеді. Фтор мен протон арасындағы 2J байланыс тұрақтысы шамамен 48 Гц құрайды; ал 4J байланысында байланыс күші 2 Гц дейін төмендейді. Фосфиндерде одан да үлкен байланыс тұрақтылары байқалады, әсіресе протон фосфорға тікелей байланысқан болса. Бұл протон үшін байланыс тұрақтысы 200 Гц-ге дейін жетеді, мысалы, диэтилфосфинде 1J P-H байланыс тұрақтысы 190 Гц-ты құрайды. Бұл байланыс тұрақтылары соншалықты үлкен, олар 1 ппм-нен аспайтын арақашықтықты қамти алады (спектрометрге байланысты), бұл оларды молекуладағы басқа протон сигналдарымен қабаттасуға бейім етеді.

Көміртекті спутниктер және айналатын бүйірлік жолақтар

Кейде 1H ЯМР спектріндегі негізгі шыңдардың қатарсында шағын шыңдарды көруге болады. Бұл шыңдар протон-протондық байланыстың нәтижесі емес, 1H атомдарының жақын орналасқан 13 (13C) көміртек атомымен байланысуынан туындайды. Бұл кішкентай шыңдар көміртектік серіктер деп аталады, себебі олар кішкентай болып келеді және негізгі 1H шыңының айналасында, яғни серіктей орналасады. Көміртектік серіктердің кішкентай болу себебі – сынамадағы молекулалардың өте аз бөлігінде ғана бұл көміртек сирек кездесетін ЯМР белсенді 13C изотопы болып табылады. Бір спинді 1/2 ядроға байланысты байланыстар үшін әдеттегідей, 13C-ге байланысқан H сигналының бөлінуі – дублет болады. 12C-ге байланысқан H бөлінбейді, сондықтан ол үлкен синглет болып табылады. Соның нәтижесінде негізгі сигналдың айналасында тең аралықта орналасқан екі кішкентай сигнал пайда болады. Егер H сигналы H–H байланысының немесе басқа факторлардың әсерінен бөлінген болса, әрбір серік те осы байланысты көрсетеді (әртүрлі байланысқан серіктестерге байланысты күрделі бөліну үлгілері үшін бұл қалыпты жағдай). Басқа ЯМР белсенді ядролар да осы серіктерді тудыруы мүмкін, бірақ органикалық қосылыстардың протондық ЯМР спектрінде көміртек ең көп кездесетін себепкер. Кейде 1H шыңдарының айналасында басқа шыңдарды көруге болады, олар айналушы қосымша жолақтар деп аталады және ЯМР түтігінің айналу жылдамдығымен байланысты. Бұл – спектроскопиялық талдаудың тәжірибелік артефактілері, химиялық заттың спектрінің ішкі қасиеті емес, тіпті химиялық заттың немесе оның құрылымымен тікелей байланысты емес. Көміртектік серіктерді және айналушы қосымша жолақтарды қоспалардың шыңдарымен шатастыруға болмайды.