Ядерныи магнитный резонанс. 
Основные понятия

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), наряду с другими видами спектроскопии, в настоящее время является одним из наиболее мощных и информативных методов исследования органических соединений и их превращений. С ее noli.

мощью решаются такие важные для органической химии задачи, как определение структуры органических соединений, исследование скорости и механизма органических реакций, количественный и качественный анализ смеси веществ и другие.

Как правило, спектроскопия ЯМР дает большую информацию о структуре органических соединений, чем другие физико-химические методы, однако наилучшие результаты получаются при их совместном использовании для решения структурных задач, так как эти методы взаимно дополняют друг друга.

Наиболее широко используется резонанс на ядрах водорода, т. е. протонный магнитный резонанс (ПМР).

Основные понятия спектроскопии ПМР изложены в учебнике, настоящий раздел указаний знакомит с практическим приложением метода.

Химический сдвиг. Протоны в молекулах практически всех органических соединений находятся в различном химическом окружении, на них в различной степени влияют соседние группы и атомы. Поэтому условия резонанса для разных типов протонов будут различны и в спектре им будут отвечать различные сигналы. Сигналы одинаковых протонов совпадают, и они называются магнитно-эквивалентными. Следовательно, число сигналов в спектре определяется числом различно экранированных ядер (протонов).

Для определения положения сигнала различных протонов в спектре вводится понятие химический сдвиг, определяемый чаще всего в шкале 5. Важно понимать, что химический сдвиг является величиной относительной (т. е. измеряется относительно некоего условного сигнала от эталонного соединения) и не зависит от рабочей частоты прибора. Практически химический сдвиг определяют по отношению к эталонному веществу, а поскольку получающиеся при этом величины имеют порядок 10~⁶, то вместо 10~⁶ пишут м. д. (миллионная доля):

В качестве эталона в спектрах протонного магнитного резонанса чаще всего используют тетраметилсилан Si (CH₃)₄, химический сдвиг которого принимают за 0. В принципе, отсчет можно вести от любого сигнала в спектре, если известен его химический сдвиг. Как правило, величины химических сдвигов протонов для большинства классов органических соединений хорошо известны и лежат в пределах от 0 до 12 м. д.

Общий обзор величин химических сдвигов протонов в органических соединениях различного типа приведен на форзаце учебника.

Более подробные данные о величинах химических сдвигов различных соединений приведены в табл. 17—20, а также обсуждаются в разделах, посвященных конкретным классам органических веществ.

Полезно рассмотреть некоторые общие закономерности расположения сигналов различных протонов (порядки величин их химических сдвигов) в спектрах ПМР. На форзаце учебника представлены области появления сигналов в спектрах ПМР различных классов органических соединений. Эту схему целесообразно использовать при расшифровке совместно с таблицами химических сдвигов.

• 1. В области сильных полей (правая часть спектра) с б < 2 м. д. располагаются сигналы относительно хорошо экранированных протонов алкильных и циклоалкильных радикалов, не находящихся по соседству с электроотрицательными заместителями, кратными связями, ароматическими кольцами. Полезным репером в ходе расшифровки спектра могут служить интенсивные сигналы метильных групп алкильных фрагментов с б ~ 1 м. д. Сигналы метиленовых и метиновых протонов расположены в области несколько более слабых полей (б = 1,4—4,8 м. д.).
• 2. В области слабых полей (левая часть спектра) наблюдаются сигналы дезэкранированных альдегидных и кислотных протонов с б = 9—10 м. д. и протонов различных ароматических колец с б ~ 6—9 м. д. (чаще всего 7—8 м. д.). Химический сдвиг с величиной 5—7 м. д. характерен для протонов при С=С-связях, подверженных эффектам дезэкранирования соседними электроотрицательными группами или ароматическими кольцами. Сигналы протонов при $р³-гибридных атомах углерода попадают только в эту область, если они сильно дезэкранированы совместным действием нескольких соседних электроотрицательных заместителей (например, 6_CHBrj ?* ⁼ 6,85 м. д., бсц_Вг>?| = 7,07 м. Д*§ сно₃ ⁼ Д*
• 3. В средней части шкалы (2—6 м. д.) располагаются сигналы олефиновых и ацетиленовых протонов, протонов алкильных и циклоалкильных радикалов, дезэкранированных соседними электроотрицательными группами, двойными связями, ароматическими кольцами.
• 4. Особую группу образуют сигналы протонов, связанных с гетероатомами (О, N, S). Эти протоны способны образовывать водородные связи, участвовать в обменных процессах и по этим причинам не имеют строго фиксированных значений химических сдвигов. Положение и вид этих сигналов могут существенно изменяться в зависимости от свойств растворителя, температуры, концентрации и природы самого соединения.

Рис. 107. Спектр этилового спирта

В присутствии каталитического количества кислоты (рис. 107, а) быстрый химический обмен приводит к тому, что каждый протон за короткое время успевает войти в состав многих молекул этилового спирта так, что спиновая ориентация взаимодействующих с ним протонов усредняется до какой-то одной величины. Этими обменными процессами и объясняется появление в спектре ПМР узкого синглета гидроксильных протонов. По этой же причине сигналы метиленовой группы не расщепляются на быстро обменивающихся протонах гидроксильных групп, а претерпевают спин-спиновое взаимодействие только с протонами метнльной группы. Скорость химического обмена чистого этилового спирта (рис. 107, б) значительно меньше, и в спектре наблюдается мультиплентность сигналов, ожидаемая на основании правила (п + 1).

Например, в этилендиамнне (H₂NCH₂CH₂NH₂) протоны NH₂-rpynn проявляются в виде синглета с 6 = 2,60 м. д. Другим примером подобного рода может служить спектр ПМР этилового спирта, приведенный на рис. 107. Из рисунка и пояснений к нему видно, как обменные процессы влияют на характер сигналов протона гидроксильной группы.

Интегральная интенсивность сигнала. Соотношение площадей полос поглощения непосредственно связано с числом эквивалентных протонов, вызывающих поглощение. Ниже приведен спектр низкого разрешения хлорэтана (рис. 108).

Рис. 108. Спектр ПМР низкого разрешения хлорэтана.

Соотношение площадей сигналов, отвечающих группам СН₃ и СН₂, равно соотношению эквивалентных протонов для этих групп, т. е. 3:2. В обычных спектрах соотношение интенсивностей сигналов определяется из соотношения вертикальных участков интегральных кривых.

Спин-спиновое взаимодействие. В спектре высокого разрешения хлорэтана пики, соответствующие метильным и метиленовым протонам, расщеплены (рис. 109). Такое расщепление или тонкая структура в спектрах высокого разрешения возникает в результате спин-спинового взаимодействия, которое обусловлено различными ориентациями спина одного ядра по отношению к ориентациям спина соседнего протона. Магнитное поле, непосредственно воздействующее на ядро, подвергается действию различных спиновых ориентаций соседних протонов.

Рис. 109. Спектр ПМР высокого разрешения хлорэтана СН₃СН₂С1.

Расстояние (в Гц) между пиками тонкой структуры резонансного сигнала называется константой спин-спинового взаимодействия (КССВ) — J.

Величина КССВ зависит от взаимодействующих ядер и не зависит от напряженности приложенного магнитного поля. Число пиков, наблюдаемых в тонкой структуре поглощения ядра, зависит от количества возможностей спинов взаимодействующих ядер ориентироваться относительно друг друга, давая различные комбинации магнитных моментов. На приведенной ниже схеме спиновое состояние + ½ обозначено символом Т, а спиновое состояние -½ — символом 1. Для приведенной молекулы взаимодействующие с протоном Н_А соседние протоны Hj и Н₂ могут иметь следующие комбинации спиновых состояний:

Спин-спиновое взаимодействие передается через связи, разделяющие взаимодействующие ядра. Обычно это взаимодействие осуществляется между ядрами, разделенными тремя или менее связями. Число пиков N в тонкой структуре полосы поглощения определяется по формуле N = 2nJ + 1, где J — ядерное спиновое квантовое число ядра, вызывающего расщепление, п — число этих ядер. Для протонов J = ½ и формула имеет вид: N = п + 1.

Соотношение интенсивностей линий в мультиплете в зависимости от их числа представлено в табл. 15.

Значения констант спин-спинового взаимодействия для некоторых структурных фрагментов, наиболее часто встречающихся в органических соединениях, приведены в учебнике.

Ниже приводится краткий обзор спектров ПМР (главным образом, величин химических сдвигов соответствующих протонов) отдельных классов органических соединений.

Углеводороды. Алканы. Протоны алканов в спектрах ПМР лежат в сильном поле (0,8—1,7 м. д.): протоны метиль;

Таблица 15. Соотношение интенсивностей линий в сигналах различных мультиплетов.

ных групп CH₃R — в области 0,8—1,4 м. д., протоны метиленовых групп —CH₂R — в области 1 —1,2 м. д., а протоны метиновых групп =CHR — в области 1,5—1,7 м. д.

Алкены, диены. В спектрах ПМР сигналы винильных протонов наблюдаются в слабом поле при 4,5—6,5 м. д. Соседние с винильной группой протоны СН₃-, СН₂— и СН-групп тоже испытывают сдвиг в область слабого поля до 1 м. д. Спектры ПМР диенов не имеют принципиальных отличий от спектров простых алкенов.

Алкины. В спектрах ПМР ацетиленовые протоны проявляются в области 2,3—2,9 м. д. Влияние ацетиленовой группы на соседние алифатические группы СН₃, СН₂ и СН значительно меньше, чем влияние винильной группы (сдвиг в слабые поля относительно алифатической С—Н примерно на 0,3 м. д.).

Арены. Ароматические протоны дают сигналы в спектрах ПМР в слабых полях (6,5—8,0 м. д.). Ароматическое ядро оказывает влияние и на соседние протоны алкильных групп, сдвигая их сигналы в слабые поля примерно на 1 м. д.

Галогенопронзводные. Дезэкранирующий эффект атомов галогена приводит к сильному сдвигу сигналов протонов, находящихся у этого атома углерода, в слабые поля в спектрах ПМР до 3 м. д. по сравнению с сигналами протонов, не содержащих по соседству атомов галогена.

Спирты, фенолы, простые эфиры. Гидроксильная группа, как и атом галогена, сдвигает в спектрах ПМР сигналы соседних протонов в слабые поля. Протон гидроксила не имеет «постоянного места» в спектре. Его положение зависит от растворителя, температуры и концентрации (водородные связи). Водородная связь уменьшает электронную плотность вокруг гидроксильного протона, что приводит к ослаблению экранирования и смещению сигнала в область слабого поля. Степень межмолекулярного взаимодействия за счет образования водородной связи уменьшается с разбавлением раствора инертным растворителем и повышением температуры. Гидроксильный протон часто дает синглет в спектре ПМР: этот сигнал не расщепляется соседними протонами и не расщепляет их сигналы. Обмен протонов между двумя (идентичными) молекулами спирта R*—О—Н* + R—О—Н —? R*—О—Н + R—О—Н* происходит настолько быстро, что протон не может «видеть» соседние протоны в их различных комбинациях ориентации спинов; он «видит» их в одной усредненной ориентации. Очищенный дейтерированный диметилсульфоксид или ацетон понижает скорость обмена, и тогда гидроксильный протон может.

«различать» протоны у соседнего атома углерода, что приведет к расщеплению сигналов протонов (см. рис. 107).

Атом кислорода в простых эфирах в спектрах ПМР оказывает такое же влияние на соседнюю алкильную группу, как и гидроксильная группа.

Альдегиды, кетоны. Протон альдегидной группы дает сигнал в области слабого поля при 9—10 м. д. Взаимодействие этого протона с соседними протонами не очень велико (константа спин-спинового взаимодействия J = 1,0—1,5 Гц), и тонкое расщепление часто накладывается на другие расщепления.

Карбоновые кислоты и их производные. Отличительной особенностью спектров ПМР карбоновых кислот является поглощение в слабом поле (б = 10,5—12 м. д.) протона карбоксильной группы.

В сложных эфирах протоны алкильной части дают сигналы в более слабом поле, чем протоны ацильного остатка.

Поглощение протонов амидной (CONH₂) группы наблюдается в области 5—8 м. д. обычно в виде невысокого и широкого горба.

Амины. Протоны аминогруппы алифатических аминов обычно дают сигнал в области 0,5—3,5 м. д., протоны ароматических аминов — в области 2,9—4,8 м. д.

Обработка спектров ПМР. Расшифровка спектра неизвестного соединения. В настоящем разделе мы рассмотрим пример, показывающий последовательность выполнения операций при обработке спектра ПМР и расшифровке спектра неизвестного соединения с целью определения его структуры по данным спектра.

Очень важно при анализе спектра ПМР сразу идентифицировать ту его часть, для которой допускается однозначная интерпретация. Это могут быть сигналы растворителя или стандарта. Простой интерпретации можно ожидать для симметричных узких и широких синглетов, не содержащих разрешенных компонент, простых дублетов и триплетов. Если можно интерпретировать хотя бы один сигнал, то этот результат следует использовать при анализе других сигналов. Некоторые фрагменты молекул имеют достаточно простые спектры ПМР. Довольно легко распознаются по мультиплетности сигналов метильная, этильная, изопропильная, фенильная группы, лара-замещенное ароматическое кольцо, некоторые типы дизамещенных олефинов. Анализ спектров значительно облегчается, если имеются дополнительные сведения относительно образца (класс соединения, брутто-формула, ИК-спектр, УФ-спектр и другие данные).

ПРИМЕР.

Можно ли определить структуру соединения с брутто-формулой C₁₀H₁₃NO₂, имеющего спектр ПМР, приведенный на рис. 110?

Рис. 110. Спектр ПМР соединения состава СюН,₃К0_2.

Анализ спектра обычно начинают с выделения сигналов или групп сигналов, измерения химических сдвигов, интегральных интенсивностей и определения формы мультиплетов. В первую очередь необходимо установить шкалу химических сдвигов. На реальном спектре либо указан масштаб шкалы (например, 1 мм = 2 Гц), либо нанесена стандартная сетка с установленным заранее масштабом шкалы. Для определения химического сдвига каждой из групп сигналов в первом случае необходимо также знать рабочую частоту прибора. В нашем случае она соответствует 60 МГц. Химический сдвиг каждого сигнала определяют следующим образом. Отмечают положение центра каждого сигнала, измеряют это расстояние от сигнала стандарта — самый правый (сильнопольный) одиночный (синглетный) сигнал в спектре (в мм), умножают его на 2 (чтобы получать расстояние в Гц) и делением этого значения на 60 получают химический сдвиг в миллионных долях.

После этого определяют интегральную интенсивность каждого сигнала. Для этого измеряют вертикальные участки интегрального спектра (в мм) и рассчитывают их отношения. Например, измерения величин интегральных интенсивностей для сигналов А—Е дают отношения 21:22:13:14:15:7 или 3:3:2:2:2:1.

Далее необходимо определить формы мультиплетов и измерить константы спин-спинового взаимодействия.

Сигнал А содержит три линии с соотношением интенсивностей 1:2:1. Его с большой уверенностью можно идентифицировать как триплет. Сигнал В с очевидностью определяется как синглет. Сигнал С, содержащий четыре линии с соотношением интенсивностей 1:3:3:1, является квадруплетом. Сложнее обстоит дело с определением мультиплентности сигнала D. Может показаться, что он представляет собой четыре одиночных сигнала, однако это не так. Исходя из симметричного вида этого сигнала, а также из измерения расстояний между 1—2 и 3—4 линиями, определяем, что этот сигнал является двумя дублетами. Сигнал Е — уширенный синглет.

После определения вида мультиплетов необходимо измерить константы спин-спинового взаимодействия. Для этого необходимо измерить расстояние (в мм) между соседними линиями в мультнплете и умножить его на 2 (чтобы получить константу в Гц). Проведя эти операции, мы обнаружим, что расстояния между линиями в триплете и квадруплете равны.

3,5 мм, или 7 Гц. Для сигнала D: J₁₂ = J₃₄ = 5 мм, что соответствует 10 Гц.

Сопоставляя значения химических сдвигов сигналов в спектре с табличными значениями, видим, что широкий сигнал с б = 7,9 м. д. может принадлежать протонам либо NH-, либо ОН-групп. Судя по числовому значению химических сдвигов (6 = 6,8 м.д. и б — 7,4 м. д.), сигналы двух дублетов принадлежат сигналам протонов бензольного кольца. Величина константы спин-спинового взаимодействия свидетельствует о том, что.

эти протоны имеют орто-расположение, т. е. входят во фрагмент Интенсивность сигналов и их симметричный вид отвечают двум таким совершенно одинаковым фрагментам, следовательно, в молекуле имеется нара-замещенное бензольное кольцо с сильно различными по экранирующим свойствам заместителями. Квадруплет (б = 4,0 м. д.) и триплет (б = 1,4 м.д.) однозначно указывают на наличие этильной группы (СН₂СН₃). Эта группа может быть связана с ароматическим кольцом —.

• —С₆Н₄—СН₂СН₃(б __- 2,5—3,0 м. д.), с атомом кислорода —
• —О—СН₂СН₃ (б = 3,9—4,3 м. д.), с атомом азота — =N—СН₂СН₃
• (б «2,3—3,2 м.д.). Наблюдаемая величина б__сн^_ = 4,0 м. д.

указывает на наличие фрагмента —О—СН₂СН₃. Вычитая из бруттоформулы идентифицированные фрагменты, получаем остаток C₂H₄NO. Синглет с б = 2,1 м. д. с интенсивностью три протонных единицы,.

Таблица 16. Значения химических сдвигов протонов

очевидно, указывает на изолированную метильную группу, связанную с электроотрицательным остатком. После вычитания из брутто-формулы остается CHNO.

В табл. 16 еще раз представлены табличные значения химических сдвигов сигналов протонов в предполагаемых структурных фрагментах.

Окончательно получаем следующие фрагменты:

Из этих фрагментов можно сконструировать ряд структур:

Исходя из величины наблюдаемого химического сдвига метильной группы 5 = 2,1 м. д., следует отдать предпочтение структурам (II) и (III). Окончательный выбор между структурами (II) и (III) делаем на основании более детальных данных, приведенных в табл. 17—20. Химический сдвиг метиленовых протонов этильной группы для простых эфиров типа С—CH₂OR равен 3,4 м. д., а для сложных эфиров типа 0=С—ОСН₂—С соответственно 4,1 м.д. Сопоставив эти данные с данными реального спектра, делаем вывод о том, что определяемое нами соединение имеет структуру (III).

Таблица 17. Химические сдвиги метильных протонов СН₃

Таблица 19. Химические сдвиги метинных протонов СИ.

Таблица 20. Химические сдвиги протонов в ненасыщенных системах.