Определение
Ядерная магнитно-резонансная спектроскопия, или «ЯМР», представляет собой процесс, используемый для получения информации о магнитных свойствах соединения. Это достигается путем регистрации магнитных спектральных паттернов, излучаемых ядрами в атомах образца. Используя ЯМР, исследователи могут определить молекулярную структуру соединения.
обзор
Ученые используют машину под названием ЯМР-спектрометр, который обрабатывает с помощью электромагнитного излучения, такого как радиоволны. Спектрометр ЯМР излучает радиоволны в образце, который возбуждает атомы в образце. На определенных частотах атомы будут резонировать и возвращать сигнал. Эти сигналы специфичны для определенных видов атомов и меняются в зависимости от того, как атомы связаны. Поэтому возвращаемые частоты, обнаруженные чувствительной машиной, специфичны для каждого молекула, Эта информация может быть использована для определения размера и формы исходной молекулы.
Каждый отдельный атом испускает достаточно резонансного сдвига, чтобы его можно было отследить с помощью механизма ЯМР, и это сильно зависит от эффективного магнитного поля в ядре и зависит от него. Этот резонанс меняется, когда атом образует больше связей с другими атомами. Мы можем использовать эти резонансные паттерны, чтобы начать понимать детали трехмерной структуры молекулы и функциональных групп, которые ее формируют.
Преимущества ЯМР-спектроскопии
Многолетние исследования в области химии помогли ученым создать огромную спектральную библиотеку, которую мы теперь используем в качестве справочного инструмента для извлечения некоторых тайн из идентификации неизвестных веществ. Теперь мы знаем, какие спектральные закономерности следует ожидать от каких функциональных групп и которые могут выводить структурную, химическую и магнитную информацию из результатов ЯМР. Таким образом, нельзя преувеличивать, что ЯМР помог нам развить более глубокое понимание мира вокруг нас.
По сравнению с масс-спектрометрии ЯМР-спектроскопия содержит несколько преимуществ, Прежде всего, нет необходимости очищать или получать вещество перед анализом. ЯМР способен измерять и наблюдать все атомы в образце. Во-вторых, ЯМР является количественным измерением и поэтому не требует такого большого анализа, как масс-спектрометрии расшифровать результаты. Однако NMS может не подходить для некоторых приложений.
Измерение каждого атома
Наши показания позволяют сделать вывод о нескольких вещах. Во-первых, длина скачка в наших показаниях ЯМР будет отражать относительную долю указанного атома в нашем образце. скелет, Следовательно, мы можем оценить, сколько атомов водорода или метановых групп в нашем неизвестном соединении, основываясь на относительной длине шипа по сравнению с теми, которые испускаются другими атомами.
Понимание положения атомов
Во-вторых, ЯМР-спектроскопия также дает нам информацию об относительном положении наших атомов. Атом водорода может испускать несколько разных резонансных сигналов в зависимости от соседних атомов или групп. Например, атом водорода расположен рядом с полярной группой, такой как кислородсодержащий карбоксильная группа, даст более высокое считывание ЯМР, чем атом водорода, соседний с неполярными метановыми группами.
С другой стороны, атом водорода, связанный с полярным атомом, будет иметь еще более высокое значение ЯМР из-за увеличенного резонансного сдвига. В общем, закономерность, которую мы находим, состоит в том, что полярные отношения будут давать высокие показания ЯМР, а неполярные – наоборот. ЯМР прекрасно работает для функциональных групп. Гидроксильные группы, аминогруппы, карбоксильные группы и многое другое имеют характерные ЯМР-резонансные сдвиги, которые являются автоматическими. Когда мы находим их, мы действительно можем начать визуализировать нашу молекулу.
Как только наша основная структура будет понятна, наши результаты ЯМР могут помочь нам сделать несколько выводов о молекулярной конформации соединения и его физических свойствах (то есть кипении, температурах плавления, фазовых изменениях) на основе присутствующих молекулярных компонентов и их полярности.
Принципы ЯМР
Руководящий принцип ЯМР заключается в том, что ядра обладают двумя особыми свойствами: они могут вращаться, и они заряжены. Эти свойства заставляют ядра реагировать на магнитное поле. Если бы мы пропустили электрический ток или применили внешнее магнитное поле, это позволило бы восходящий перенос энергии в более высокое состояние. Эта передача энергии отражается на определенной длине волны и радиочастоте.
Как только спин вернется к своей базовой линии, испускаемая энергия от капли будет считана механизмом ЯМР. Аналогичным образом, применение внешнего магнитного поля может привести к тому, что ядро будет вращаться либо в том же направлении, либо против направления магнитного поля. Ядро с противоположным спином будет иметь более высокую энергию. Ядро, вращающееся в том же направлении, будет иметь меньшую энергию.
Кроме того, резонансная частота применительно к спектроскопии ЯМР будет зависеть от экранирования электронов. Общее правило состоит в том, что чем более электроотрицательно ядро, тем выше ожидаемая резонансная частота. Кроме того, чем более электроотрицательна или «электроноакцепторная» группа, тем ниже химический сдвиг. С другой стороны, наиболее «электронодонорные» группы будут иметь самые высокие химические сдвиги. Увеличение химического сдвига может быть обусловлено многими факторами, включая делокализацию тока, которая происходит в ароматических группах, которые могут распределять ток по группам.
ЯМР-паттерны и расщепление сигналов
Хотя мы кратко обсудили несколько вещей, на которые следует обратить внимание при интерпретации показаний ЯМР, важно обсудить химическое расщепление более подробно и обобщить несколько моментов.
Интерпретация сигналов ЯМР:
Разделение сигналов
Процесс расщепления сигнала является важной концепцией в ЯМР и дает нам важную информацию о протонах в нашей молекуле. Это явление расщепления сигнала, когда мы видим, что протонный сигнал будет «расщепляться» на несколько меньших пиков, все в зависимости от их водородных соседей.
Когда нет соседних водородов, мы будем наблюдать один пик. Однако, когда один водород соседствует с другим водородом, резонанс будет разделен на две части, называемые дублетом. Кроме того, когда два атома водорода найдены на соседних атомах, мы увидим три пика, называемые триплетным сигналом. С другой стороны, когда есть три атома водорода на соседних атомах, мы увидим, что резонанс разделен на четыре пика, называемых квартетом.
Резонанс ЯМР будет предсказуемо разделен на пики N + 1, где N представляет количество атомов водорода в соседних функциональных группах.