NMR spektroskopija

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije, NMR spektroskopija je spektroskopska metoda za proučavanje kemijskih objekata korištenjem fenomena nuklearne magnetske rezonancije . NMR fenomen su 1946. otkrili američki fizičari F. Bloch i E. Persel . Najvažnije za kemiju i praktične primjene su protonske magnetske rezonancije (PMR spektroskopija), te NMR spektroskopija na ugljik-13 jezgre ( 13C NMR spektroskopijom ), fluor-19 ( 19F NMR spektroskopijom ), fosfor-31 ( 31 P NMR spektroskopija ) Ako element ima neparan serijski broj ili izotop bilo kojeg (parnog) elementa ima neparan maseni broj, jezgra takvog elementa ima spin različit od nule. Iz pobuđenog stanja u normalno, jezgre se mogu vratiti, prenoseći energiju pobuđenja u okolinu - "rešetku", što u ovom slučaju znači elektrone ili atome drugačije vrste od istraživanih. Ovaj mehanizam prijenosa energije naziva se relaksacija spin-rešetke , a njegova učinkovitost može se okarakterizirati konstantom T1, koja se naziva vrijeme relaksacije spin-rešetke.

Slično infracrvenoj spektroskopiji , NMR otkriva informacije o molekularnoj strukturi kemikalija. Međutim, pruža potpunije informacije od IS, što omogućuje proučavanje dinamičkih procesa u uzorku - određivanje konstanti brzine kemijskih reakcija, vrijednosti energetskih barijera za unutarmolekulsku rotaciju. NMR također omogućuje snimanje spektra međučestica kemijskih reakcija [1] .

Ove značajke čine NMR spektroskopiju prikladnim alatom kako u teorijskoj organskoj kemiji tako i za analizu bioloških objekata [1] .

Osnovna NMR tehnika

Shema NMR spektrometra Fourierove transformacije

Uzorak materijala za NMR stavlja se u staklenu cijev tankih stijenki (ampulu). Kada se stave u magnetsko polje, NMR aktivne jezgre (kao što su 1 H ili 13 C) apsorbiraju elektromagnetsku energiju. Rezonantna frekvencija , energija apsorpcije i intenzitet emitiranog signala proporcionalni su jakosti magnetskog polja . Dakle, u polju od 21 Tesle, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.

Odabir otapala

Idealno otapalo bi trebalo biti bez protona. Osim toga, poželjno je da otapalo bude inertno, niske točke vrelišta i jeftino. Za suvremene uređaje potrebna su deuterirana otapala, budući da se stabilizacija magnetnog polja provodi pomoću deuterijskog signala otapala. Uređaj ima deuterijev "kanal" koji stalno mijenja i prilagođava polje frekvenciji deuteriranog otapala.

Deuterijev signal se koristi za podmetanje polja. Šimming je postupak za poboljšanje ujednačenosti magnetskog polja, koji se provodi pomoću posebnih malih elektromagnetskih zavojnica (tzv. shims) ugrađenih u uređaj, koji prilagođavaju glavno magnetsko polje tako da njegova ujednačenost bude najveća točno u središtu uzorka .

Tragovi feromagnetskih nečistoća dovode do katastrofalnog širenja apsorpcijskih signala zbog snažnog smanjenja vremena relaksacije. Uobičajeni izvori degradacije ujednačenosti su ostaci vode iz slavine, čelična vlakna, Raney nikal i ostaci metalnih lopatica i punila za stupce. Ti se kontaminanti mogu ukloniti filtracijom [2] .

Kemijski pomak

Ovisno o lokalnom elektroničkom okruženju, različiti protoni u molekuli rezoniraju na malo različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija izravno proporcionalni veličini magnetske indukcije, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalno, neovisno o magnetskom polju, poznato kao kemijski pomak. Kemijski pomak definira se kao relativna promjena u odnosu na određene referentne uzorke. Frekvencijski pomak je iznimno mali u usporedbi s osnovnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda 100 MHz. Stoga se kemijski pomak često izražava u dijelovima na milijun (ppm). Kako bi se otkrila tako mala frekvencijska razlika, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar mase uzorka.

Budući da kemijski pomak ovisi o kemijskoj strukturi tvari, koristi se za dobivanje strukturnih informacija o molekulama u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 karakteristična signala, odnosno 3 kemijska pomaka: jedan za CH 3 skupinu, drugi za CH 2 skupinu i zadnji za OH. Tipični pomak za CH 3 -skupinu je približno jednak 1 ppm, za CH 2 -skupinu povezanu s OH - 4 ppm i OH približno 2-3 ppm.

Zbog molekularnog gibanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona se prosječuju tijekom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i tvore vrhove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućuje analizu veličine vrhova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.

Spin-spin interakcija

Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru daje takozvana spin-spin interakcija između aktivnih NMR jezgri. Ova interakcija nastaje kao rezultat prijelaza između različitih spinskih stanja jezgri u kemijskim molekulama , što dovodi do cijepanja NMR signala. Ovo cijepanje može biti jednostavno i složeno i, kao posljedica toga, ili ga je lako protumačiti, ili može zbuniti eksperimentatora.

Ovo vezanje pruža detaljne informacije o vezama atoma u molekuli.

Interakcija drugog reda (snažna)

Jednostavno spin-spin spajanje sugerira da je konstanta spajanja mala u usporedbi s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika između pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzoraka postaje iskrivljen i postaje teže analizirati (osobito ako sustav sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage, izobličenja su obično umjerena i to olakšava interpretaciju pridruženih vrhova.

Učinci drugog reda smanjuju se s povećanjem frekvencijske razlike između multipleta, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.

Primjena NMR spektroskopije u proučavanju proteina

Većina najnovijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u takozvanoj NMR spektroskopiji proteina, koja postaje vrlo važna tehnika u suvremenoj biologiji i medicini. Zajednički cilj je dobiti 3-dimenzionalnu strukturu proteina visoke rezolucije, sličnu slikama dobivenim rendgenskom kristalografijom. Zbog nazočnosti većeg broja atoma u molekuli proteina u odnosu na jednostavnu organskog spoja, baza 1H spektar prelijeva s preklapajućim signala, tako da izravna analiza spektra postaje nemoguće. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.

Kako bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda obilježenih atoma, korištenjem 13 C ili 15 N. Tako postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je predstavljalo proboj u modernoj farmaciji. U posljednje vrijeme su postale široko rasprostranjene tehnike (koje imaju i prednosti i nedostatke) za dobivanje 4D spektra i spektra većih dimenzija, temeljene na metodama nelinearnog uzorkovanja s naknadnom restauracijom slobodnog indukcijskog raspadnog signala posebnim matematičkim tehnikama.

Kvantitativna NMR analiza

U kvantitativnoj analizi otopina, površina vrha može se koristiti kao mjera koncentracije u metodi kalibracijske plohe ili metodi dodavanja. Također su poznate tehnike u kojima graduirani graf odražava ovisnost o koncentraciji kemijskog pomaka. Korištenje NMR metode u anorganskoj analizi temelji se na činjenici da se u prisutnosti paramagnetskih tvari ubrzava vrijeme nuklearne relaksacije. Brzina opuštanja može se mjeriti s nekoliko metoda; na primjer, impulzivna verzija NMR metode, ili, kako se obično naziva, metoda spin echo , pouzdana je i svestrana. U mjerenjima ovom metodom, kratkotrajni radiofrekventni impulsi primjenjuju se na ispitivani uzorak u magnetskom polju u pravilnim intervalima u području rezonantne apsorpcije, a u prijamnoj zavojnici se pojavljuje signal spin eho čija je maksimalna amplituda povezano s vremenom opuštanja jednostavnim odnosom. Za obavljanje rutinskih analitičkih određivanja, nema potrebe za pronalaženjem apsolutnih vrijednosti stopa opuštanja . U tim se slučajevima može ograničiti na mjerenje neke proporcionalne veličine, na primjer, amplitude signala rezonantne apsorpcije . Mjerenja amplitude mogu se izvesti jednostavnijom, lakše dostupnom opremom. Bitna prednost NMR metode je širok raspon vrijednosti mjernog parametra. S postavkom spin echo, vrijeme opuštanja može se odrediti od 0,00001 do 100 s. s pogreškom od 3 ... 5%. To omogućuje određivanje koncentracije otopine u vrlo širokom rasponu od 1 ... 2 do 0,000001 ... 0000001 mol / L. Najčešće korištena analitička tehnika je metoda kalibracijskog grafa.

vidi također

Bilješke (uredi)

  1. 1 2 Polishchuk V.R. Kako razlikovati molekulu. - M., Kemija, 1979. - Naklada 70 000 primjeraka. - S. 197-242
  2. ^ Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle -. Spektrometrijska identifikacija organskih spojeva, sedmo izdanje ..

Književnost

  • Gunter X. Uvod u tijek NMR spektroskopije. - Per. s engleskog - M. , 1984.
  • Abraham A. Nuklearni magnetizam. - M .: IL. - 1963.-- 630 str.
  • Slikter Ch . Osnove teorije magnetske rezonancije. - M .: Mir - 1981. - 448 str.
  • Farrar T., Becker E. Pulsna i Fourierova NMR spektroskopija. - M .: Mir - 1973.
  • Heberlen W., Mehring M. NMR visoke rezolucije u krutinama. - M .: Mir - 1980.
  • Lundin A.G., Fedin E.I. NMR spektroskopija. - M.: Nauka - 1980.
  • Gabuda S.P., Pletnev R.N., Fedotov M.A., Nuklearna magnetska rezonancija u anorganskoj kemiji, Moskva: Nauka, 1988., 214 str.
  • Gabuda S.P., Lundin A.G. Unutarnja mobilnost u čvrstom stanju. - Novosibirsk: Nauka - 1986. - 176 str.
  • Gabuda SP, Rzhavin AF Nuklearna magnetska rezonancija u kristalnim hidratima i hidratiziranim proteinima. - Iz: Znanost. Novosibirsk. - 1978. - 160 str.
  • Sergejev N.A., Rjabuškin D.S., Osnove kvantne teorije nuklearne magnetske rezonancije, Moskva: Logos, 2013., 270 str.
  • Ershov BA, NMR spektroskopija u organskoj kemiji. - Udžbenik za sveučilišta. - Iz: Državno sveučilište St. Petersburg - 1995. - 263 str.
  • Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I., NMR spektroskopija u organskoj kemiji: znanstvena publikacija. - 2. izd., Iz: LGU, Chemistry, Leningrad. odjel - 1983. - 269 str.
  • V.P. Vasiljev. Analitička kemija. - "Diplomska škola". - M. , 1989 .-- 384 str.