Введение
Метод анализа
Ядерный магнитный резонанс углерода-13 (C13) (чаще известный как спектроскопия ЯМР углерода-13 или спектроскопия 13C ЯМР, или иногда просто как углеродный ЯМР) – это применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) к углероду. Он аналогичен протонной ЯМР (Link=yes Hydrogen NMR) и позволяет идентифицировать атомы углерода в органической молекуле так же, как протонная ЯМР идентифицирует атомы водорода. 13C ЯМР обнаруживает только изотоп Link=yes Carbon. Основной изотоп углерода, Link=yes Carbon, не даёт сигнала ЯМР. Хотя чувствительность примерно в 1 миллион раз ниже, чем у 1H ЯМР, спектроскопия 13C ЯМР широко используется для характеристики органических и органометаллических соединений, главным образом потому, что 1H-декоплированные спектры 13C ЯМР проще, обладают большей чувствительностью к различиям в химической структуре и, следовательно, лучше подходят для идентификации молекул в сложных смесях. В то же время, в таких спектрах отсутствует количественная информация об атомных соотношениях различных типов углеродных ядер, поскольку ядерный эффект Оверхаузера, используемый в 1H-декоплированной 13C ЯМР-спектроскопии, усиливает сигналы от атомов углерода, к которым присоединены больше атомов водорода, в большей степени, чем от атомов углерода с меньшим количеством атомов водорода, и поскольку полной релаксации ядер 13C обычно не достигается (ради сокращения времени эксперимента), а ядра с более коротким временем релаксации производят более интенсивные сигналы. Основной изотоп углерода, изотоп 12C, имеет спиновое квантовое число, равное нулю, и поэтому не является магнитно активным и, следовательно, не обнаруживается методом ЯМР. 13C, со спиновым квантовым числом 1/2, встречается в небольшом количестве (1,1%), в то время как другие популярные ядра встречаются в изобилии 100%, например, 1H, 19F, 31P.
Приемлемость
13C ЯМР-спектроскопия гораздо менее чувствительна (примерно на 4 порядка величины) к углероду, чем 1H ЯМР-спектроскопия к водороду, из-за более низкой распространенности (1,1%) изотопа 13C по сравнению с 1H (>99%), а также из-за меньшего (0,702 против 2,8) ядерного магнитного момента. Эквивалентно, гиромагнитное отношение (6,728284 × 107 рад Т−1 с−1) составляет лишь 1/4 от такового для 1H. С другой стороны, чувствительность 13C ЯМР-спектроскопии в некоторой степени повышается за счет ядерного эффекта Оверхаузера, который усиливает интенсивность сигнала для некватернарных атомов 13C.
Константы сцепления
Гомонуклеарное 13C-13C-взаимодействие обычно наблюдается только в образцах, обогащенных 13C. Диапазон для односвязного 1J(13C,13C) составляет 50–130 Гц. Двусвязное 2J(13C,13C) близко к 10 Гц. Закономерности изменения J(1H,13C) и J(13C,13C) схожи, за исключением того, что J(1H,13C меньше из-за относительно небольшого значения ядерного магнитного момента 13C. Значения 1J(1H,13C находятся в диапазоне от 125 до 250 Гц. Значения 2J(1H,13C близки к 5 Гц и часто отрицательны.
Чувствительность
Вследствие низкой чувствительности, 13C ЯМР-спектроскопия сталкивается с осложнениями, не возникающими в протонной ЯМР-спектроскопии. Для компенсации низкой чувствительности этого ядра можно применить множество методов. Например, магниты с высоким полем и широким внутренним диаметром способны принимать пробирки большего размера (обычно 10 мм в диаметре для 13C ЯМР против 5 мм для 1H ЯМР). Релаксационные реагенты позволяют проводить более быстрые импульсные последовательности. Типичным релаксационным реагентом является ацетилацетонат хрома(III). Для типичного образца запись 13C ЯМР-спектра может занять несколько часов, в то время как для 1H ЯМР – 15–30 минут. Ядерный диполь слабее, разница в энергии между альфа- и бета-состояниями составляет четверть от таковой в протонной ЯМР, а разница в популяциях по Больцману соответственно меньше. Еще одним методом компенсации низкой чувствительности является изотопное обогащение. Некоторые ЯМР-зонды, называемые криозондами, обеспечивают 20-кратное усиление сигнала по сравнению с обычными зондами. В криозондах радиочастотная генерирующая и принимающая электроника поддерживается при температуре около 25 К с использованием гелия, что значительно повышает их чувствительность. Однако криозонды – дорогостоящее оборудование.
Прикрепленные протоновые спектры испытаний
Другой полезный способ определения количества протонов, с которыми связан углерод в молекуле, – это использование теста на присоединенные протоны (APT), который различает атомы углерода с четным или нечетным числом присоединенных водородов. Правильная спиновая эхопоследовательность способна различать спиновые системы S, I2S и I1S, I3S: первые будут отображаться как положительные пики в спектре, а последние – как отрицательные пики (направленные вниз), при этом спектр сохраняет относительную простоту, поскольку он все еще широкополосно декуплирован по протонам. Хотя эта методика не позволяет полностью различить группы CHn, она настолько проста и надежна, что часто используется для первоначального назначения пиков в спектре и выяснения структуры. Кроме того, сигналы от четвертичных углеродов и других углеродов, не имеющих присоединенных протонов, все еще обнаруживаются, поэтому во многих случаях дополнительный обычный спектр 13C не требуется, что является преимуществом по сравнению с DEPT. Однако иногда возможно, что сигналы CH и CH2 случайно совпадают по химическим сдвигам, что приводит к взаимному гашению в спектре APT из-за противоположных фаз. По этой причине обычный спектр 13C{1H} или HSQC иногда также регистрируются.