Существует много различных ядер, которые можно наблюдать методом ЯМР-спектроскопии: 1H (протон), 13C (углерод 13), 15N (азот 15), 19F (фтор 19) и многие другие. 1H и 13C используются чаще всего. Я опишу метод для 1H, поскольку именно в этом случае наглядно проявляются свойства ЯМР-спектроскопии.
Все ядра обладают положительным зарядом и постоянно вращаются как волчок. Мы знаем из физики, что движущийся заряд создает магнитное поле. В ЯМР, когда мы облучаем ядро электромагнитным излучением радиодиапазона, это заставляет ядро и его магнитное поле поворачиваться (то есть возникает ядерный магнитный резонанс, отсюда и название ЯМР). В ЯМР-спектрометре существует проволочная катушка, которая окружает образец. Мы также знаем из физики, что магнит, движущийся внутри проволочной катушки, вызывает перемещение зарядов в этой катушке. Поэтому когда магнитное поле ядра поворачивается, это вызывает появление в проволоке тока, который может быть зафиксирован компьютером. Вы можете увидеть фильм об этом процессе ниже.
Прежде, чем вы можете определить, какой из пиков соответствует
определенному ядру, вы должны задать масштаб для химических
сдвигов спектров. Химический сдвиг - это умное научное
название для положения пика в спектре. Для того, чтобы
проградуировать шкалу спектра, необходим некий стандарт. Таким
стандартом часто служит тетраметилсилан или ТМС. Справа вы
видите его структуру. ТМС используется потому, что это одна из
наиболее сильно экранированных молекул, а все ее протоны
эквивалентны. Поэтому эта молекула должна проявиться в спектре
как единственный пик, который может потом быть использован для
задания точки отсчета в спектре. Вы видите этот пик в нулевой
точке графика вверху.
Первое, что вы можете заметить, когда смотрите на этот спектр, это то, что в нем присутствуют не просто несколько отдельных пиков, а некоторые отдельные пики, некоторые - двойные, а иногда и большие группы пиков. Каждая из этих групп пиков соответствуют одному типу ядер, а не разным, как можно предположить. Причиной же того, что мы видим не просто один пик, а целую группу, является то, что атомы водорода, присоединенные к одному атому углерода взаимодействуют, то есть испытывают влияние со стороны магнитных полей соседних атомов водорода. Это взаимодействие "расщепляет" сигнал на несколько пиков, видимых в спекткре. Это расщепление следует правилу, которое называется "правило N + 1," которое заключается в том, что количество пиков, которое мы видим для каждого типа водорода равно количеству атомов водорода на соседних ядрах (N) плюс единица. Например, приведенный выше спектр относится к этиловому спирту, структура которого H3C-CH2-OH. Пик между точками 1 и 2 по оси абсцисс соответствует водороду в группе CH3. Он расщепляется на три пика за счет атомов водорода в группе CH2 (2+1=3). Пик между точками 3 и 4 по оси абсцисс соответствует водороду в группе CH2. Он расщеплен на четыре пика за счет атомов водорода в группе CH3 (3+1=4).
Ниже дана таблица лишь немногих известных химических сдвигов (приведенных в миллионных долях, или промилях) возможных в ЯМР-спектре 1H. Протоны, с которыми связан этот сдвиг, выделены красным.
| протон | химический сдвиг (промили) | ||
| этан (H3C-CH3) | 1.25 | ||
| пропан (H3C-CH2-CH3) | 1.17 | ||
| циклопропан (C3H6) | 0.22 | ||
| циклопентан (C5H10) | 1.40 | ||
| циклогексан (C6H12) | 1.35 | ||
| толуол (H3C-C6H5) | 2.87 | ||
| стирол (H2C=CH-C6H5) | 5.09 | ||
| стирол (H2C=CH-C6H5) | 6.68 | ||
| Ароматические углеводороды | орто | мета | пара |
| бензол (C6H6) | 7.54 | 7.54 | 7.54 |
| толуол (H3C-C6H5) | 7.16 | 7.16 | 7.16 |
| стирол (H2C=CH-C6H5) | 7.24 | 7.24 | 7.24 |
| монобромбензол (Br-C6H5) | 7.49 | 7.14 | 7.24 |
| фенол (HO-C6H5) | 6.77 | 7.13 | 6.87 |
Вернуться на страницу Спектроскопия Ядерного Магнитного Резонанса
Вернуться в основную
директорию Макрогалереи