Лекция №3 - ЯМР

Физико-химические методы исследования
биологически активных веществ
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
регистрирует переходы между магнитными
энергетическими уровнями атомных ядер,
вызываемые радиочастотным излучением
Сигналы в спектрах ЯМР могут давать только ядра атомов, обладающих
нечетным спиновым числом.
Спиновое квантовое число ядра –
число протонов и нейтронов в ядре
Ядро со спином I может находиться в магнитном поле в 2I+1 состояниях
Из ядер атомов, наиболее часто встречающихся в органических
соединениях, магнитным моментом обладают изотопы 1Н, 13С, 19F, 31P, 15N,
17O
Наибольшее распространение в исследовании органических
лекарственных веществ имеет спектроскопия протонного магнитного
резонанса (ПМР) и ЯМР 13С
Явление ядерного магнитного резонанса
Образование уровней энергии ядра при наложении внешнего магнитного поля Н0
Н0
Н0
приложено усилено
Энергия
+1/2
без поля
E
E
Эксперимент ЯМР состоит в том,
чтобы сообщить энергию ядру и
перевести его с одного
энергетического уровня на
другой, более высокий
энергетический уровень
-1/2
I = 1/2
Значение ΔЕ зависит от молекулярного окружения возбуждаемого ядра,
потому имеется возможность связать величину ΔЕ со строением молекулы
и в конечном итоге определить структуру всей молекулы
Аппаратурное оформление эксперимента ЯМР
Протонный магнитный резонанс
Методом ЯМР спектроскопии
исследуются, как правило, растворы
веществ, однако ЯМР-анализ можно
проводить и в твердой фазе
Для анализа необходимо ~ 20 мг
образца.
Для проведения анализа используются дейтерированные растворители
Выбор растворителя определяется растворимостью анализируемого
вещества и наиболее полным разделением сигналов резонанса
вещества и растворителя, если последний содержит ядра, по которым
проводится регистрация спектра ЯМР
ацетон-d6;
ацетонитрил-d3;
ДМСО-d6;
четыреххлористый углерод;
хлороформ-d3
1Н
Основными характеристиками спектров
ЯМР
CH
являются:
O
5.5
1
3
1.58[1]
2
N
5.0
константы спин-спинового взаимодействия
+
O
-
4.5
площадь, или интегральная
4.0
интенсивность
сигнала ЯМР
J
J
3
J
2
J
2
Grp.1 Grp.2 Value
1
1
-9.3
1
2
7.34
2
2
-12.53
Error
--0.7
1.5
3.5
химический сдвиг
3.0
1.62[1]
4.35[2]
4.39[2]
2.5
1.54[1]
2.0
1.5
4.32[2]
1.0
4.43[2]
0.5
0.0
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1Н
Основными характеристиками спектров
ЯМР
CH
являются:
O
5.5
1
3
1.58[1]
2
N
5.0
константы спин-спинового взаимодействия
+
O
-
4.5
площадь, или интегральная
4.0
интенсивность
сигнала ЯМР
J
J
3
J
2
J
2
Grp.1 Grp.2 Value
1
1
-9.3
1
2
7.34
2
2
-12.53
Error
--0.7
1.5
3.5
химический сдвиг
3.0
1.62[1]
4.35[2]
4.39[2]
2.5
1.54[1]
2.0
1.5
4.32[2]
1.0
4.43[2]
0.5
0.0
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
Химический сдвиг
Б
Ядро
А – направление циркуляции
электронов
Б - силовые линии индуцированного
магнитного поля
Н0 – приложенное магнитное поле
А
Н0
Б
Химический сдвиг.
Разность между резонансными частотами
определенного сигнала и сигнала стандарта
называют химическим сдвигом этого сигнала
В качестве внутреннего стандарта
используют тетраметилсилан (ТМС) Si(CH3)4.
Химический сдвиг обычно выражают в миллионных долях
(м.д.) и обозначают символом «δ»
δ = Δν∙106/ рабочая частота прибора, (Гц)
Различное химическое окружение ядер обуславливает
различные химические сдвиги
Магнитная неэквивалентность
(в смысле химического сдвига)
H
изохронны
Протоны с одинаковым
химическим сдвигом
магнитно-эквивалентны
в смысле химического
сдвига, или изохронны
Cl
C
H
Cl
H
анизохронны
R
H
CH3
R'
Cl
Протоны, химические
сдвиги которых различны,
магнитно-неэквивалентны в
смысле химического
сдвига, или анизохронны
Магнитная неэквивалентность
(в смысле химического сдвига)
Cl
HB
C
замещение НA на D
Cl
H
C
D
Cl
H
Cl
H
Cl
HB
C
HA
D
замещение НA на D
Cl
C
D
HA
H
H
Br
Cl
энантиомеры
замещение НB на D
Cl
H
D
C C
C C
Br
D
Cl
D
D
Cl
Cl
HB
замещение НA на D
Cl
H
Cl
HA
C
HB
Cl
одно и тоже соединение
C
H
Cl
D
C C
HA
Br
СH3
H
H
OH
СH3
D
H
OH
OH
D
H
СH3
энантиомеры
Химические сдвиги протонов различны:
H
H3C
H
H
Cl
Br
F
H
Cl
H
H
CH3
H3C
Cl
H
H
H
H
H
Cl
H
Области 1Н ЯМР спектра (м.д.)
11.5
11.0
10.5
10.0
9.5
9.0
8.5
Протоны при
ненасыщенных
С-атомах,
связанных с
кислородом:
альдегиды
10.5
Протоны при
ненасыщенных
С-атомах:
бензол,
ароматика
8.5
Протоны при
ненасыщенных
[4]
С-атомах:
алкены
Протоны групп:
СН3
СН2
СН
рядом с
кислородом
Протоны групп:
СН3
СН2
СН
не рядом с
кислородом
6.5
4.5
3.0
8.0
H
O
2
1
6
4
7.5
0
7.0
6.5
6.0
5.5
3
5.0
CH3
[5]
O
4.5
4.0
H
3.5
8
H
7
3.0
CH3
2.5
5
2.0
1.5
1.0
0.5
[6]
[8]
[8]
[1]
[2]
[3]
[8]
[7]
[8]
4
Факторы, влияющие на химический сдвиг
При Нэфф > Н0 резонанс наступает при величине Н0 немного ниже ожидаемой.
Такой протон дезэкранирован, и его сигнал находится в более слабом поле.
Атом
Li
Si
N
O
F
Электроотрицательность Соединение
1.0
CH3-Li
1.9
CH3-SiMe3
3.0
CH3-NH2
3.4
CH3-OH
4.0
CH3-F
1Н
ЯМР сдвиг м.д.
-1.94
0.0
2.41
3.50
4.27
При одинаковом заместителе протоны СН и СН2 проявляются в более
слабом поле, чем СН3
СН группа
СН2 группа
- 0.4 м.д.
1.7 м.д.
- 0.4 м.д.
1.3 м.д.
CHCl3
1Н ЯМР сдвиг,м.д.
СН3 группа
7.27
0.9 м.д.
CH2Cl2
5.30
CH3Cl
3.06
Факторы, влияющие на химический сдвиг
3.24
H
1.41 Me
N
N
HO
Me
никотин
4.52
H 4.05
O
O
H
HO
OMe 3.79
O
метиловый эфир
молочной кислоты
2.17
HO HO
H 4.30
OH
витамин С
(аскорбиновая кислота)
Факторы, влияющие на химический сдвиг
H
H
O
H
H 7.03
H
H
O
N
H
6.931
N
H
O
6.73
H
O
+
N
Электронодефицитный
нитроалкен
O
H 7.650
C
OH
H 7.62
Me
SiMe3
O
H 7.31
O–
N
Me
H 4.73
H 4.42
Электронообогощенный
силиловый эфир енола
Электронообогощенный
енамин
sp
C C H 3.057 ppm
H
H
C C
sp2
H 5.225 ppm
H
sp3
Электроотрицательность атома углерода
Факторы, влияющие на химический сдвиг
C
H
H 1.22 ppm
C
H
H
?
Факторы, влияющие на химический сдвиг
Анизотропные эффекты
O
H
Факторы, влияющие на химический сдвиг
Анизотропные эффекты
Кольцевой ток
H
7.27 ppm
R
H 9.28ppm
H
H
H
H
H
H
-2.99 ppm
[18]-аннулен
H 5.29 ppm
Спин-спиновое взаимодействие
Сигналы протонов могут быть расщеплены на несколько
компонентов. Это вызвано непрямым взаимодействием
спинов неэквивалентных протонов
Если n протонов одной группы А взаимодействуют
с n’ протонами группы В, то сигнал протонов
группы А будет состоять из n’+1 линий,
а сигнал протонов В – из n +1 линий
Общее правило 2nI+1,
т.к. для протона I = ½,
то мультиплетность равна n + 1.
Каждая линия любого мультиплета будет
отстоять от соседних линий того же мультиплета
на одно и то же число герц
Константа спин-спинового
взаимодействия
2.5
Расстояние между пиками дублетов, триплетов, квартетов,
измеренное в герцах, называют константой спин-спинового
взаимодействия. Обозначают буквой J.
2.0
Спектроскопия ПМР является незаменимым
методом для однозначного определения
цис- и транс-изомеров олефинов, т.к. в этом
случае значения Jтранс и Jцис существенно
различаются.
1.5
J
1.0
J
H
0.5
H
H
H
0.0
J = 13-18 Гц
J
J = 7-12 Гц
3.80
3.70
3.60
3.50
3.40
Еще раз о магнитной неэквивалентности
Протоны с попарно равными константами спин-спинового
взаимодействия называются «магнитно-эквивалентными»
Протоны с одинаковым химическим сдвигом так же
называются «магнитно-эквивалентными» (изохронными)
R
A'
A
B'
B
Сигналы протонов А и А’ имеют одинаковые
химические сдвиги (изохронны), однако различные
константы спин-спинового взаимодействия
относительно третьего протона В:
J (A,B) = 7.92
J (A’,B) = 0.44
H
Для того чтобы два протона были идентичны в эксперименте ЯМР,
они должны иметь а) одинаковые химические сдвиги и
б) константы спин-спинового взаимодействия,
попарно равные для каждого из остальных ядер в молекуле
2.00
45
1.90
1.80
40
7.24
7.20
1.70
7.21
7.07
Cl
1.60
35
1.50
7.10
1.40
30
1.30
1.20
25
1.10
1.00
7.12
0.90
20
0.80
7.05
0.70
15
0.60
0.50
10
0.40
7.03
0.30
5
0.20
0.10
0
10
9
8
7
6
5
0.00
7.16
4
10 3
92
81
70
6
5
4
3
2
1
0
6.0
Спин-спиновое взаимодействие.
Расчетный спектр иодэтана
5.5
5.0
4.5
Спектр состоит из семи линий:
группа из трех линий находится в сильном поле (триплет),
а группа из четырех линий - в более слабых
полях (называется квартет, или квадруплет)
4.0
СН3СН2I
3.5
3.0
2.5
2.0
Диаграмма расщепления сигналов протонов
СН3СН2группы вследствие спин-спинового
взаимодействия. J –константа
спин-спинового взаимодействия (Гц)
1.0
0.5
0.0
3.0
рассматриваемая группа
-CH3
-CH2
1.5
нерасщепленный сигнал
-J1
-J3
-J3
положение линий в мультиплете
-J- -J1
1
2
1
относительные интенсивности
2.5
2.0
Спин-спиновое взаимодействие
Треугольник Паскаля
Число
эквивалентных Мультиплетность
ядер,
вызывающих наблюдаемого
расщепление
сигнала
0
1
2
3
4
5
синглет
дублет
триплет
квартет
квинтет (пентет)
секстет
Относительная
интенсивность
линий и их расположение в
наблюдаемом мультиплете
1
1
1
1
1
1
2
3
4
5
1
1
3
6
4
10
10
1
1
5
1
δ
Предложите структуру
соединения
C9H11BrO
Спектры первого порядка
(δНА – δНВ)/ JАB > 6
Спектры более высокого порядка
Подавление спин-спинового взаимодействия
(упрощение сложных спектров)
Превращение сложного спектра в спектр первого порядка может
быть достигнуто увеличением соотношения (δНА – δНВ)/JАВ
Возрастание
рабочей частоты
прибора
увеличивает
расстояние между
сигналами,
сохраняя
неизменным
константы спинспинового
взаимодействия
Химический обмен
Явление миграции какоголибо протона от атома к атому
называют химическим обменом
Быстрый химический обмен приводит к
подавлению спин-спинового
взаимодействия
Скорость химического обмена
увеличивается с ростом температуры
Конформационный обмен
O
CH3
C N
H
CH3
Интегральная интенсивность сигналов ЯМР
(на примере расчетного ПМР спектра фенилуксусной кислоты)
Интенсивность сигнала будет пропорциональна количеству
протонов каждого типа, входящих в структуру молекулы
9.5
9.0
Н
Н
8.5
В молекуле три типа протонов
8.0
Н
O
C
Н
Н
7.5
4
7.0
6.5
Н
Н
Н
6.0
5.5
5.0
Имеем следующее соотношение
типов протонов:
5: 2: 1
4.5
10
4.0
3.5
3.0
2.5
Исходя из интегральной интенсивности,
имеем соотношение: 10:4:2, или:
2.0
1.5
5: 2: 1
1.0
0.5
0.0
2
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
По спектру ЯМР легко распознать
некоторые скелетные группировки:
1.95[1]
CH3
CH3
1
H3C
H3C C CH3
CH3
1
1
I
Острый интенсивный синглет 0.9 м.д.
6
5
4
3
2
1
0
Дублет 1.2 м.д., J = 7 Гц, гептет 4 м.д.
CH3
CH3
2
1.52[2]
1.50[2]
H3C C H
1
H3C
Cl
2
18
1.40
17
1.30
16
1.20
15
14
1.10
13
1.00
12
0.90
11
0.80
10
9
0.70
8
0.60
7
0.50
6
4.12[1]
4.15[1]
4.17[1]
5
0.40
4
0.30
3
0.20
2
0.10
4.19[1]
4.21[1]
6
5
1
4.10[1]
0
4
3
2
1
0
0.00
1.80
1.70
1.60
1.50
4.70
1.40
4.60
1.30
4.50
1.20
4.40
4.30
1.10
4.20
1.00
4.10
4.00
3.90
3.80
3.70
3.60
3.50
H3C
Триплет 2 м.д.,
квартет 3.5 м.д.
H3C CH2
1.63[1]
2
1
Br
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.65[1]
3.35[2]
3.37[2]
1.5
1.60[1]
1.0
0.5
0.0
2.00
1.90
1.80
1.70
1.60
1.50
1.40
1.30
1.20
3.0
2.5
2.0
1.5
3.32[2]
3.40[2]
1.0
0.5
0.0
5
4
3
2
1
0
3.80
3.70
3.60
3.50
3.40
3.30
3.20
3.10
1.90
1.80
2.5
1.70
1.60
1.50
1.40
2.0
1.30
1.20
Cl
I
1.10
1.5
1.00
0.90
0.80
0.70
1.0
0.60
0.50
0.40
0.5
0.30
0.20
0.10
0.0
10
9
8
7
6
5
0.00
4
3
10
2
9
1 8
0 7
6
5
4
3
2
1
Спектроскопия ядерного магнитного
резонанса ядер 13С
Изотоп
1Н
13С
Естественное
содержание, %
99.98
1.1
Для проведения эксперимента ЯМР 13С
используются дейтерированные
растворители
Концентрация исследуемых растворов:
200мг вещества в 2 мл растворителя
Сигналы ЯМР 13С наблюдают в виде одиночных пиков, для этого
подавляют спин-спиновое расщепление с протонами
Химические сдвиги измеряют в м.д., по отношению к сигналу ТМС.
При обычных условиях съемки спектров ЯМР 13С площади сигналов
не обязательно пропорциональны числу идентичных ядер 13С
Сигналы четвертичных атомов углерода менее интенсивны,
чем сигналы атомов, связанных с атомами водорода
Общие положения спектроскопии ПМР справедливы и для
углеродного магнитного резонанса
Общие правила для интерпретации спектров
13С:
120
115
1. Сигналы алкановых углеводородов
наблюдаются в области
110
0 - 55 м.д.
H3C
CH3
105
8
7
9
29.96(1;5)
27.18(2;6)
16.72(8;9)
100
95
3
90
5
1
6
2
85
80
4
75
70
65
60
55
44.11(3)
33.42(7)
26.87(4)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
45
40
35
30
25
20
15
110
128.50(2;6)
129.00(1;5)
2. Алкилирование обычно смещает сигнал углерода в слабое поле.
100
Это справедливо
как для sp3-гибридизованного углерода (в алканах), так
и для 95sp2-гибридизированного углерода (в алкенах)
105
90
24.10(8;9)
CH3
7
85
80
H3C
9
75
3
CH3
8
7
5
1
6
2
70
65
3
5
1
4
60
6
2
55
126.63(4)
20.30(7)
4
50
34.40(7)
45
40
35
30
25
20
15
137.50(3)
10
5
0
100
90
80
70
14060
130
50
120
40
30 110 20
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
105
128.40(2;6)
110
100
105
128.00(1;2;3;4;5;6)
H3C
95
9
100
90
CH3
7
8
H
95
85
85
3
90
5
1
75
80
75
70
3
80
6
2
4
1
6
2
70
65
4
65
60
60
55
55
50
50
5
126.00(4)
45
45
40
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
131.5 131.0 130.5 130.0 129.5 129.0 128.5 128.0 127.5 127.0 126.5 126.0 125.5 125.0 124.5
148.10(3)
150
140
130
120
110
100
90
3. Углероды как бензольных колец, так и алкенов поглощают в одной и той же
области
R
R
R
R
R
(1) 134.33 (ррm) (2) 129.72
(2) (3) 128.63 (4) 126.43
70 - 95 ppm
80 - 160
100 - 165
(1) 137.36 (ррm) (2) 128.67
(2) (3) 127.61 (4) 126.53
4. Сигналы углеродов карбонильных групп наблюдаются в очень
слабом поле (200м.д.)
1) 172.77 (ррm) (2) 133.83 (3) 130.28 (4) 129.44 (5) 128.49
Информационные источники
•
•
•
•
•
•
Казицина А.А.. Куплетская Н.Б. Применение Ик_ УФ- И ЯМРмектроскопии в органической химии. –М.: Высшая школа.
1971. -263с.
Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы
определения строения органических соединений. . –М.:
Высшая школа, 1984. -335с.
Преч Э., Бюлльманн Ф., Аффольтер К. Определение
строения органических соединений. –М.: Мир. -2006. -439с.
Гордон А., Форд Р. Спутник химика. –М.: Мир. -1976. -541с.
Филимонов В.Д., Добычина Н.С., Тигнибидина Л.Г. Физикохимические методы исследования структуры и чистоты
биологически активных соединений. Томск: -1987. -57с.
http://www.organicworldwide.net