Приготовление образцов для ЯМР спектроскопии

Приготовление образцов для ЯМР спектроскопии
I. Типичный раствор
Спектрометры ЯМР в нашем Институте могут регистрировать спектры только в жидких
образцах, поэтому вещество должно быть жидким или растворенным в CCl4 или дейтерорастворителях. Для Н1 спектров достаточно 20 мг вещества, для С13 - 50-100 мг.
Меньшие количества требуют большего времени накопления спектров. Высота раствора в
ампуле должна составлять 40-60 мм (0.4-0.6 мл). Меньшее количество раствора ухудшает
разрешение спектрометра и, соответственно, качество спектра.
Для растворов в CCl4 нужен стандарт для для калибровки шкалы: ГМС (ГМДСО) для
Н1. Добавлять стандарты нужно в минимально возможных количествах: очень маленькую
каплю ГМС. Лучше добавить несколько капель ГМС в посуду, в которой хранится CCl4
! Большие сигналы стандарта или растворителя уменьшают чувствительность прибора и
искажают форму сигнала. В дейтерорастворители добавлять стандарт для Н1 не нужно,
ОСОБЕННО в DMSO, в котором ГМС не растворяется. Остаточные сигналы растворителя
также служат стандартом для калибровки спектра.
При съемке в воде (D2О) при небольших количествах растворенного вещества
достаточно точно можно вести отсчет от сигнала воды (4.7 м.д.), обычно в дейтеро-воде
есть сигнал этилового спирта (триплет 1.22 м.д.).
Можно добавлять трет-бутанол (1.43) или ДСС (0.15 м.д.), но он дает кучу слабых
сигналов 0.6-3 м.д.!
Для других ядер достаточен "внешний" стандарт (или калибровка поля).
II. Растворители
В качестве растворителей можно использовать любые жидкие вещества, в которых
исследуемое вещество растворяется в достаточных количествах и сигналы растворителя
не перекрывают сигналы вещества. Идеальными для всех ядер являются дейтерорастворители. Надо подчеркнуть, дейтеро-растворители нужны при съемке любых ядер
(кроме дейтерия), так как значительно уменьшают время съемки спектра за счет более
быстрой настройки спектрометра и лучшего качества спектра. Поэтому экономия
некоторыми дейтеро-растворителей приводит к сокращению числа снимаемых спектров
для других пользователей. Долговременные съемки вообще невозможны без дейтерорастворителя.
Можно предложить метод частичной экономии дейтеро-растворителей: CCl4 с
добавкой 30%, но не менее!, дейтеро-хлороформа (по объему) или эквивалентное по
дейтерию количество другого дейтеро-растворителя +
2 капли ГМС на 100 мл смеси.
Купить дейтерорасворители можно в СПБ.
III. Разные ядра
В принципе, можно снимать спектры ЯМР для всех элементов. На практике
существуют ряд ограничений. Одни элементы имеют небольшое содержание изотопов с
магнитными ядрами. Другие или те же магнитные ядра имеют квадрупольный момент,
который уширяет сигналы, снижается интенсивность сигналов и к тому же они часто
перекрываются, за счет чего теряется нужная информация. Парамагнитные частицы
(переходные металлы или радикалы) значительно уширяют как собственные, так и
сигналы всех находящихся рядом молекул.
"Хорошими" являются ядра Н1, F19, P31 и небольшой ряд менее популярных ядер(Se77,
Sn117, Te125). Средне-достижимые ядра: Si29, C13 со спином 1/2; D2, N14 со спином 1 и
разной степенью уширения в зависимости от строения молекулы.
Часто очень важное ядро N15 имеет очень малое содержание и для съемки требуется
или большое количество вещества, или обогащение.
O17 также интересное для химика ядро, но оно содержится в малом количестве, к тому
сильно уширяется квадрупольным моментом. S33 удается снять только при большой
концентрации в симметричных молекулах.
Относительно легко можно получить сигналы Li+, Na+, K+, Cl-, Br-, I- в чисто ионном
состоянии (в виде солей). Довольно легко можно снять B11, Al27.
Не следует также использовать растворители, которые содержат исследуемое ядро.
IV. Качество образца
Малейшие неоднородности в образце приводят к ухудшению спектра ЯМР.
Источниками неоднородностей могут быть твердые примеси, расслоение раствора,
неоднородность концентрации в объеме раствора, парамагнитные примеси.
Для удаления твердых примесей раствор фильтруют через пипетку с небольшим слоем
ваты.
Расслоения можно иногда избежать путем добавления растворителя, в котором
растворяются оба компонента.
Для исключения неоднородности концентрации нужно тщательно перемешивать
раствор сразу после приготовления, так и непосредственно перед съемкой.
Парамагнитные примеси, как правило, попадают с металличекого оборудования:
шпатели, сита, мешалки и т.д. Удалить удается только перегонкой вещества, а потому
надо избегать контакта вещества с металличеким оборудованием в процессе получения
вещества и приготовления раствора.
Если вы сделали все вышесказанное, дополнительно можно улучшить качество спектра
путем удаления кислорода из раствора: достаточно подогреть образец на несколько минут
до температуры чуть ниже кипения или пропустить через него газ аргон.
V. Мытье ампул
Мыть ампулы надо сразу после сьемки спектра, иначе растворитель улетит, оставшийся
твердый осадок отмыть будет гораздо труднее. Раствор надо слить, промыть ампулу тем
же растворителем (не дейтерированным) несколько раз. (4-5 раз по 1 мл). Если
растворитель высококипящий ( > 80С ), промыть еще 2-3 раза ацетоном, хлороформом
или ССl4. Продуть ампулу воздухом через оттянутую ПОЛИЭТИЛЕНОВУЮ пипетку,
доходящую ДО дна ампулы. Этого достаточно для рутинных спектров.
Если осадок в ампуле не смывается, перебрать возможные растворители.
Если не удается ничем смыть осадок, помыть водой со стиральным порошком с
помощью ершика из мягкой проволоки и кусочка ваты. После некоторого замачивания
обычно смываются любые загрязнения. Рекомендуется этим методом время от времени
промывать все ампулы. Затем ампулу промыть дистиллированной водой через
полиэтиленовую пипетку и просушить воздухом.
(Не рекомендую) Некоторые полагают, что проще залить ампулу хромпиком и держать
неделю. Затем промывают и сушат в сушильном шкафу. Не грейте колпачки от ампул они расплавятся! Вместо хромпика рекомендуют пользоваться смесью соляной кислоты и
перекиси водорода - более экологически безвредно.
VI. Ремонт ампул
Не делайте сами ампулы - у нас нет калиброванного стекла, любое имеющееся не
подойдет и может привести к поломке ЯМР спектрометра.
Часто у ампул обламывается верхний край. Не нужно продолжать ею пользоваться колпачок обрезается, кусочки падают в раствор, искореженный колпачок ломает ампулу.
Лучше всего сгладить острые края на тонкой наждачной бумаге.
Если вы обратитесь к стеклодуву с просьбой оплавить разбитый край, попросите, чтобы
оплавленные края не выходили за наружний диаметр ампулы, а лучше заходили слегка
внутрь, иначе при первом же надевании колпачка неизбежно произойдет новый облом.
Длина стандартной ампулы 180 мм. Можно пользоваться ампулой, пока ее длина
больше 140 мм, и на этой длине не должно быть никаких неровностей. Очень редко
стеклодувам удается запаять нижний край - донышко ампулы. Невозможно спаять ампулу
встык посередине для пользования в ЯМР !
VII. Где взять ампулы
Цена 1 ампулы среднего качества - 2-3 доллара. Цена немалая, но ампула может
служить десятки лет, так что проще купить ампулы, нежели мучить себя и других.
Можно заказать ампулы в Санкт-Петербурге.
Один из зарубежных адресов - Vilmad Glass comp.
Ряд химических каталогов также так же предлагают ампулы ЯМР, например,
ALDRICH.