Введение

Ядерный магнитный резонанс протона (протонный ЯМР, водородный-1 ЯМР или 1H ЯМР) – это применение ядерного магнитного резонанса в ЯМР-спектроскопии по отношению к ядрам водорода-1 в молекулах вещества для определения структуры его молекул. В образцах, где используется природный водород (H), практически весь водород состоит из изотопа 1H (водород-1; то есть имеющего протон в качестве ядра). Простые ЯМР-спектры записываются в растворе, и необходимо избегать влияния протонов растворителя. Предпочтительны дейтерированные (деутерий = 2H, часто обозначаемый D) растворители, специально предназначенные для использования в ЯМР, например, дейтерированная вода D2O, дейтерированный ацетон (CD3)2CO, дейтерированный метанол CD3OD, дейтерированный диметилсульфоксид (CD3)2SO и дейтерированный хлороформ CDCl3. Однако можно использовать и растворитель, не содержащий водорода, такой как тетрахлорметан CCl4 или дисульфид углерода CS2. Исторически в дейтерированных растворителях в качестве внутреннего стандарта для привязки химических сдвигов каждого протона аналита добавляли небольшое количество (обычно 0,1%) тетраметилсилана (ТМС). ТМС – это тетраэдрическая молекула, в которой все протоны химически эквивалентны, что дает единственный сигнал, используемый для определения химического сдвига = 0 ppm. Он летуч, что также облегчает выделение образца. Современные спектрометры способны привязывать спектры к остаточному протону в растворителе (например, CHCl3, 0,01% в 99,99% CDCl3). В настоящее время дейтерированные растворители обычно поставляются без ТМС. Дейтерированные растворители позволяют использовать дейтериевую блокировку частоты поля (также известную как дейтериевая блокировка или блокировка поля) для компенсации естественного дрейфа магнитного поля ЯМР-спектрометра. Для обеспечения дейтериевой блокировки ЯМР постоянно контролирует резонансную частоту дейтериевого сигнала из растворителя и вносит корректировки, чтобы поддерживать постоянную частоту резонанса. Кроме того, дейтериевый сигнал может быть использован для точного определения 0 ppm как резонансной частоты блокирующего растворителя, а разница между блокирующим растворителем и 0 ppm (ТМС) хорошо известна. Протонные ЯМР-спектры большинства органических соединений характеризуются химическими сдвигами в диапазоне от +14 до 4 ppm и спин-спиновым взаимодействием между протонами. Кривая интеграла для каждого протона отражает количество соответствующих протонов. Простые молекулы имеют простые спектры. Спектр этилхлорида состоит из триплета при 1,5 ppm и квартета при 3,5 ppm в соотношении 3:2. Спектр бензола состоит из одного пика при 7,2 ppm из-за диамагнитного кольцевого тока. Вместе с углерод-13 ЯМР, протонный ЯМР является мощным инструментом для определения молекулярной структуры.

Химические смены

Значения химического сдвига, обозначаемые символом δ, не являются точными, но типичными, поэтому их следует рассматривать главным образом как ориентировочные. Отклонения обычно составляют ±0,2 ppm, а иногда и больше. Точное значение химического сдвига зависит от молекулярной структуры и растворителя, температуры, магнитного поля, в котором регистрируется спектр, и других соседних функциональных групп. Ядра водорода чувствительны к гибридизации атома, к которому присоединен атом водорода, и к электронным эффектам. Группы, оттягивающие электронную плотность, приводят к расщеплению ядер. Расщепленные ядра резонируют при более высоких значениях δ, а экранированные ядра – при более низких. Примерами электроноакцепторных заместителей являются OH, OCOR, OR, NO2 и галогены. Они вызывают смещение в область более сильного поля (downfield) примерно на 2–4 ppm для атомов H на Cα и менее чем на 1–2 ppm для атомов H на Cβ. Cα – это алифатический атом углерода, непосредственно связанный с рассматриваемым заместителем, а Cβ – алифатический атом углерода, связанный с Cα. Карбонильные группы, олефиновые фрагменты и ароматические кольца вносят sp2-гибридизованные атомы углерода в алифатическую цепь. Это вызывает смещение в область более сильного поля на 1–2 ppm при Cα. Следует отметить, что лабильные протоны (OH, NH2, SH) не имеют характерного химического сдвига. Однако такие резонансы можно идентифицировать по исчезновению пика при взаимодействии с D2O, поскольку дейтерий замещает атом водорода (протий). Этот метод называется "встряхиванием с D2O" (D2O shake). Кислотные протоны также могут быть подавлены при использовании растворителя, содержащего кислые ионы дейтерия (например, метанол-d4). Альтернативным методом идентификации протонов, не связанных с углеродами, является эксперимент гетероядерной однократной квантовой когерентности (HSQC), который устанавливает корреляцию между протонами и углеродами, находящимися на расстоянии одной связи друг от друга. Протон, не связанный с углеродом, можно идентифицировать, поскольку у него отсутствует кросс-сигнал в спектре HSQC. Функциональная группаCH3CH2CHCH2R0.81.31.6C=C1.62.02.6C≡C1.72.22.8C6H52.32.62.9F4.34.44.8Cl3.03.44.0Br2.73.44.1I2.23.24.2OH3.33.53.8OR3.33.43.7OC6H53.84.04.3OCOR3.64.15.0OCOC6H53.94.25.1OCOCF34.04.4CHO2.22.42.5COR2.12.22.6COOH2.12.32.6COOR2.02.32.5CONR22.02.12.4CN2.12.53.0NH22.52.73.0NR22.22.42.8NRC6H52.63.03.6NR3+3.03.13.6NHCOR2.93.33.7NO24.14.24.4SR2.12.53.1SOR2.63.1=O (алифатический альдегид) 9.5=O (ароматический альдегид) 10MH (гидрид металла) 5–15

Сигнал

Интегрированные интенсивности ЯМР-сигналов, в идеале, пропорциональны отношению числа ядер в молекуле. Наряду с химическими сдвигами и константами спин-спинового взаимодействия, интегрированные интенсивности позволяют установить структурные соответствия. Для смесей интенсивности сигналов могут быть использованы для определения молярных соотношений. Эти соображения справедливы только при условии, что достаточно времени предоставлено для полной релаксации соответствующих сигналов, определяемой их значениями T1. Дополнительную сложность представляет трудность интегрирования сигналов с существенно различающейся формой линий.

Гетероядерная сцепка

Если в молекуле присутствуют другие ядра, активные в ЯМР, то между гетероатомами и протонами будет наблюдаться спин-спиновое взаимодействие. Это наиболее часто встречается в соединениях, содержащих фосфор или фтор, поскольку оба они являются ядрами со спином 1/2 и 100% распространенностью. Например, сигналы ¹H для протонов во фториометане расщепляются атомом фтора на дублет; в свою очередь, спектр ¹⁹F этого соединения показывает квартет, обусловленный расщеплением тремя протонами. Типичные константы спин-спинового взаимодействия 2J между фтором и протонами составляют около 48 Гц; величина взаимодействия уменьшается до 2 Гц при 4J-взаимодействии. Еще более высокие константы взаимодействия могут наблюдаться в фосфинах, особенно если протон непосредственно связан с фосфором. Константы взаимодействия для этих протонов часто достигают 200 Гц, например, в диэтилфосфине, где константа взаимодействия ¹J P-H составляет 190 Гц. Эти константы взаимодействия настолько велики, что могут занимать ширину более 1 ppm (в зависимости от спектрометра), что делает их подверженными перекрытию с другими протоновыми сигналами в молекуле.

Углеродные спутники и вращающиеся боковые ленты

Иногда можно увидеть небольшие пики, которые примыкают к основным пикам 1H ЯМР. Эти пики не являются результатом протон-протонного взаимодействия, а возникают из-за взаимодействия атомов 1H с соседним атомом углерода-13 (13C). Эти небольшие пики известны как углеродные спутники, поскольку они малы и появляются вблизи основного 1H пика, то есть являются спутниками относительно него. Углеродные спутники малы, потому что лишь небольшая часть молекул в образце содержит этот углерод в виде редкого ЯМР-активного изотопа 13C. Как и всегда при взаимодействии из-за одного спина 1/2 ядра, расщепление сигнала для H, связанного с 13C, представляет собой дублет. H, связанный с более распространенным 12C, не расщепляется, поэтому это сильный синглет. В результате получается пара равноудаленных небольших сигналов вокруг основного. Если сигнал H уже расщеплен из-за H–H взаимодействия или других эффектов, каждый из спутников также будет отражать это взаимодействие (как обычно для сложных схем расщепления, вызванных различными взаимодействующими ядрами). Другие ЯМР-активные ядра также могут вызывать эти спутники, но углерод является наиболее частой причиной в протонных ЯМР-спектрах органических соединений. Иногда вокруг пиков 1H можно увидеть другие пики, известные как вращающиеся боковые полосы, которые связаны со скоростью вращения ЯМР-трубки. Это экспериментальные артефакты, возникающие в процессе спектроскопического анализа, а не внутреннее свойство спектра вещества и даже не связаны с самим веществом или его структурой. Углеродные спутники и вращающиеся боковые полосы не следует путать с пиками примесей.