ЯМР негізінің әдісі

Жалпы, этанолдың стандартты жағдайда алынған ПМР спектрі 30-суретте көрсетілгендей болады. Триплет, квадруплет жэне синглет центрлері метил, метилен және гидоксил топтарына сәйкес протондардың химиялық ығысулары болып табылады, ал екі мультиплеттің компоненталары арасындағы қашықтықтар бірдей, бұл қашықтық - протон-протонды спин-спинді әрекеттесу тұрақтысын береді, (жоғарғы индекс Н-Н-тың үш байланыс арқылы әрекеттесуін белгілейді). Мультиплеттер мен синглеттің жалпы интегралдық интенсивтіліктерінің қатынасы үш топтың барлығын- дағы протондардың санының катынасына сәйкес болып калады, яғни 3:2:1. Әрекеттесуші ядроларды бір-бірінен ерекшелендіретін сол жақтағы жоғарғы индекспен белгіленген байланыс санына тәуелді, әрекеттесу түрақтылары тура (ядролар тікелей байланысқанда), геминалды (екі байланыс аркылы) жэне вициналды (үш байланыс арқылы) тұрақтыларға бөлінеді. Ажырататын байланыстардың саны өсуімен спин-спинді әрекеттесу тұрақтылары кемиді, үштен асқандағы жағдайда алыс орналасқан тұрақтылар әдетте өте кіші болады.

Жалпы жағдайда, үшін, егер екі топ спин-спинді байланыспен байланыстырылған болса, А-тобының мультиплетіндегі компоненттер саны, мүндағы - В-тобындағы протондар саны, ал - В-тобындағы ядролардың спині (протондар үшін =I/2). Эквивалентті емес В жэне С ядролар үшінші А-ядроның сигналын бөлгенде, А-ның спектріндегі жолақтардың саны формуласымен бейнеленеді, ал мультиплеттердегі компоненталардың интенсивтілікке қатынасы Паскаль үшбұрышымен аныкталады (соңғысы тек I=1/2 үшін дұрыс).

1.7 ЯМР спектроскопиясының техникасы мен тәжірибелік әдістемелері

Қарапайым ЯМР спектрометрдің блок-сызбасы 33-суретте көрсетілген. Ампуладағы (8) үлгі электрмагнит (7) полюстерінің арасындағы күшті біртекті В магнит өрісіне орнатылады. Шарғы (9) арқылы үлгіге қуаты төмен жогары жиілікті электрмагнит өрісі түсіріледі. Резонансқа генератордың (1) жиілігін өзгертпей, өрісті өзгертіп жеткізу (6) үшін В-нің мәні генератор арқылы бір қалыпты өзгертіледі, сонымен, резонанс аймағында әдіспен баяу сканирлейді. Жиілікті өзгерту арқылы алғанда шарғыға (9) жиілігі уақыт бойынша сызықты өзгеретін кернеу беріледі, ал В-нің мәні тұрақты болып қалады.

1 - жоғарғы жиілікті гснератор, 2 - радиожиілікті көпір, 3 - күшейткіш, 4 детектор, 5 - тіркеуші құрал (U-дисперсия сигналы, V - жұтылу сигналы), 6 өрістің ашылу генераторы (электрмагнит көзі), 7 - электрмагнит өрістері, 8 ампуладағы үлгі, 9 - катушка, 10 - теңестіруші катушкалар

33-сурет.   Өрістік ашылымы бар ЯМР спектрометрінің блок-сызбасы

Резонанс шартына жеткен кезде, яғни (5.45)-теңдеу орындалғанда, берілген жиілікті электрмагнит сәуленің энергиясы жұтылады, бұл шарғыдағы (9) жоғары жиілікті кернеудің төмендеуінен білінеді. Көпірлі 2-сызбадағы осы кернеу генератордан (1) қуат алатын үлгісі жоқ эталон шарғыдағы кернеумен салыстырылады. Кернеулердің айырымы алдымен жоғары (тасымалдауыш) жиілік бойынша күшейткішпен (3) күшейтіледі, содан кейін детектор (4) арқылы төмен жиілікке айналдырылады, осы ЯМР-сигналы төмен жиілік бойынша қосымша күшейтіліп, тіркеуші (5) құралмен (осциллограф, өзіндік жазғыш, ЭЕМ) тіркеледі.

ЯМР спектрометрлерінің қай түрінде де жоғары жиілікті өрістің магнит компонентасы сыртқы магнит өрісіне перпендикулярлы болу керек. Осы жағдайда (5.45) - резонанс шарты орындалғанда жоғары жиілікті өрістің 5-өрістің бойымен бағытталған ядролардың магнит моменттерімен әрекеттесуі ядролардың қайта бағытталуына келтіреді.

ЯМР сигналын алу процесін ядролардың магнит моменттер ансамблі жағынан қарастыру керек, себебі тәжірибе заттың көлемі бойынша жасалады. Демек, үлгідегі ядролардың барлық магнит моменттері векторларының суммасына тең болатын магниттену векторының тәртібімен анықталады. Спиндердің сыртқы магнит өрісінің бойымен бағытталуы энергиялық ұтымды, бірақ мұндай ориентацияға атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалысы кедергі жасайды, осы себептен шамалы нәтижелік магниттену байқалады. Ал резонанс жағдайында ядролардың магнит моменттері сыртқы магнит өрісіне және оған кері ориентацияланғандағы күйлердің толықтырылуы теңестіріледі, яғни магниттену векторының өрістің бағытына проекциясы нольге ұмтылады. Шарғы орнатылған үлгінің магниттенуінің осындай өзгеруі шарғыда электрқозғаушы күштің қоздырылуына әкеледі. Мұндай күш бос иидукцияның кему сигиалы делінеді (БИК), бұл сигнал жоғары жиілікті өрістің энергиясының жұтылу өлшемі болып табылады.

ЯМР сигналдарының түрі мен интенсивтігі сканирлеу жылдамдығына, яғни 5-өрістің индукциясының резонанс облысынан өту уақытына тәуелді. Мұның себебі - спин жүйесінің релаксация уақытымен анықталатын кейбір инерциялығы болады. Резонанс жағдайында жүйе ЯМР сигналы бірте-бірте жойылып қанығу күйіне (күйлердің толықтырылуы теңістірілу күйі) келеді. Егер жогары жиілікті өрістің индукциясы жеткілікті кіші, ал сканирлеу жылдамдығы ядролар релаксация себебінен төменгі энергиялық күйіне сәуле шығарусыз келіп үлгеру үшін төмен болса, қанығу болмайды да ЯМР-дың бұрмаланбаған сигналдары тіркеледі. Олардың интенсивтіктері жоғары жиілікті өрістің қуаты өсуімен өседі, осы себептен сезімталдықты арттыру үшін сканирлеу жылдамдығын көтереді, бүл қанығуға келтірмейтін жоғары жиілікті өрістің үлкен индукцияларын пайдалануға мүмкіндік береді. Бірақ мұндай жагдайда релаксацияға сәйкес уақыт аралығында сигналдан кейін бірте-бірте өшетін тербелістер түрінде білінетін ауыспалы эффект (вигли делінетін) байқалуы мүмкін. Резонанстан тез өткеннен кейін үлгідегі магниттену векторының резонанс жиілікті тербелістер шарғыда осындай жиілікті сигнал пайда болуына алып келеді. Вигли - осы тербелістер мен тербелістердің соғылу нәтижесі. Виглилердің болуы сыртқы өрістің жоғарғы біртектілігін көрсетеді және құралды күйіне келтіргенде пайдаланылады. Тіркеудің алдында БИК сигналы фаза бойынша детекторлену арқылы тасымалдауыш жиіліктен босатылады.

ЭПР жағдайындағыдай, ЯМР сигналының интенсивтігі магнит өрісінің кернеулігі өсуімен өседі (ягни спектрометрдің жұмыс істейтін жиілігімен). Осы себептен қазіргі құралдарда қолданылатын жиіліктер 40-60 МГц-тен 300-600 МГц-ке дейін жетеді, мұндай мүмкіндік ЯМР спектроскопияға аса жоғары өткізгіш магниттердің енгізілуімен байланысты болады. Айыру қабілеті жоғары болу үшін жұмыс істеуші жиіліктің тұрақтылығы және магнит өрісінің кернеулігі мен біртектілігі жоғары болуына тырысады. Көп жагдайда магнит өрісінің біртектілігін арттыру үшін арнаулы түрлі теңестіруші шарғылар (10) пайдаланылады. Магнит өрісінің әртектілігін орташаландыру үшін үлгісі бар ампуланы (8) өз осі бойымен айналу болмаған кездегі сигналдың енінен жоғары (Гц) жиілікпен айналдырады.

Әдістің негізгі шектеулері: ядроның барлығы да магнитті болмайды, яғни барлық ядролар ЯМР әдісімен зерттелмейді. Әдістің сезімталдығы төмен, бірақ оны ЯМР стационарлы спектрометрі үшін ғана айту дұрыс. Резонансты жиілікке жақын қуатты (~1 кВт) жоғары жиілікті электромагниттік сәулелену импульсымен қысқа уақыт (рет) әсерлесуден кейін Фурье түрлендірулер арқылы айыру қабілеті жоғары сигналды ЯМР спектрлерін алуға 70-жылдары мүмкіндік туды. ЯМР сигналын фурье-түрлендіру арқылы алынған V жиілік резонанс жиілігіне тең болуы міндетті емес, себебі, импульстың ұзақтығы кіші болғанда оны жиіліктердің тұтас интервалы немесе гармоникалардың шексіз саны ретінде (Фурье қатарына жіктеу) ұсынуға болады. Осы  интервалында резонанс жиілігіне тең болатын жиілік қашанда табылады, яғни, магниттену векторы бұрылады да шарғыда БИК сигналы қоздырылады. Мысалы, микросекундты импульс резонанс жиіліктері шамамен 50 кГц интервалда жататын барлық ядролық ауысуларда қоздыру мүмкін. vжағдайында стационарлы ЯМР спектрометрінде тез сканирлегенде пайда болатын виглилерге аналогты бейне байқалады, бұл жиіліктері v өшетін БИК  тербелістеріне негізделеді.

Практика жүзінде көп-импульсты (импульс аралығы бірнеше секунд) тізбек пайдаланылады, БИК сигналдары жинақталады да алынған интерферограмма ЭЕМ-да фурье-түрлендіріледі. БИК-тің суперпозициясы ретіндегі интерферограмма уақыт бойынша функция болып табылады, ол фурье-интегралымен бейнеленеді. Экспериментаторға керекті жиіліктік

функцияға түрлендіру фурье-интегралды пайдалануымен жүзеге асырылады. БИК- сигналдарының көп санын ЭЕМ есінде жинақтау мен орташаландыру нәтижесінде әдістің сезімталдығы кенет көтеріледі (он жүз есе). Аса өткізгіш электрмагниті жоғары сезімталды импульсті фурье-спектрометрлер барлық магнитті ядролардың ЯМР- спектрлерін тіркеуге мүмкіндік береді.

ЯМР-спектроскопияның екі-өлшемді әдістері дамытылуда, бұл спектроскопияда спектрлер екі жиілікке тәуелді функция ретінде алынады: өріс импульсының жиілігіне және импульстардың ілесу жиілігіне тәуелді. Бүл мультиплеттердің қиылысуын жоюға және спектрлерін дұрыс есептеуге мүмкіндік береді. Осы мақсатпен де қос (кейде-үштік) резонанастың түрлі варианттарын қолданады, мұнда статикалық магнит өрісіне перпендикулярлы жоғары жиілікті қоздырушы өріс түсіріледі. Қоздырушы өрістің жиілігі үлгідегі кейбір ядролар үшін резонансты болып табылады. Қанығу нәтижесінде осы ядролардың сигналы жойылады, бұл жағдайда ядро шешілгеи дейді, себебі басқа ядролардың спектрлерінде білінбейді. Мысал үшін -тің ЯМР спектрлерін кейде протондардан «шешілгенде» алады. Мұндай жағдайда , -тің мультиплетті сигналының компоненталары бір-бірімен қысылып, синглетке айналып кетеді, сондықтан сигналдың биіктігі үлкейеді. Интенсивтіктің қосымша өсуі Оверхаузердің ядролық эффектісі делінетін эффектіге негізделеді - ядролардың төменгі деңгейінің толықтырылуы жоғарғы деңгейінің есебінен өседі, бұл протондарды төменгі деңгейлерін резонансты қанығуға келтіретін жоғарғы және төменгі деңгейлердің толығуының теңестірілуімен байланысты (-ядролары мен протондардың әрекеттесуі неғұрлым күшті болса, соғұрлым эффект күшті болады).

Қатты денелерде статикалық диполь-дипольді магниттік әрекеттесу ЯМР-дың өте енді сигналдарына алып келеді. Айыру қабілеті жоғары болу үшін осы әрекеттесуді нольге дейін орташаландыру керек. Үлгіні балқытқанда, яғни изотропты сұйыққа ауысқанда, жылулық қозғалыс жылдамдығынан осындай орташаландыру орын алады, ЯМР сигналының ені тез кемиді де сигналдың әлсіз бөлінуі байқала бастайды. Осындай эффект қатты денелі үлгіні тұтас болшек ретінде жылдам айналдырғанда, егер айналу осі магнит өрісінің бағытынан 54,7° бұрышына ауып кетсе (осы бұрыш магиялық делінеді) де білінеді. -ядролары табиғи мөлшерлі үлгілерде магиялық бұрышпен бірнеше кГц жиілікпен айналу сигналдарының ені 1Гц-ке жақын шешілген спектрлерді байқауға мүмкіндік береді. Осындай айналудың жылдамдығын үлгіге жоғары жиілікті импульстердің белгілі тізбектерін түсіріп азайтуға болады.

1.8 ЯМР әдісін қолдану

ЯМР спектроскопияны өзінше және басқа физикалық әдістермен қатар қолданылғанда молекулалардың химиялық құрылысын, олардың стереохимиялық конфигурациясын және конформацияларын зерттеу үшін өте эффективті әдіс болып табылады. Кері есептерді шешу үшін, ең алдымен, спектрдің келесі параметрлері пайдаланылады:

1) сигналдардың (мультиплеттердің) орталықтарынан анықталатын ЯМР  сигналдарының химиялық ығысулары;

2) әрекеттесуші ядролардың санымен және олардың спиндерімен байланысты мультиплеттіктері;

3) ядролардың спин-спинді әрекеттесу тұрактылары;

4) мультиплеттердегі интенсивтіктердің таралуы;

5) сигналдардың интегралдық  интенсивтіктері.

Молекулалардың құрылымын анықтаудан басқа, ЯМР спектрлеріндегі сызықтардың интенсивтіктері сандық талдау жасау үшін пайдаланылуы да мүмкін. Оверхаузердің ядролық эффектісімен байланысты, ЯМР-дің фурье-спектроскопиясында сигналдың интегралдық интенсивтілігі ядролардың санына әрқашанда пропорционалды бола бермейді. Стационарлы ЯМР-әдісі үшін мұндай шектеу жоқ, және де фундаменталды ереже жұмыс істейді - бір ядроға келтірілген белгілі изотоптың ядроларының барлық топтарының резонансты сигналдарының суммалық  интенсивтіктерінің үлесі - түрақты шама. Демек, сигналдардың интегралдық интенсивтіктерін салыстыру арқылы молекуладағы ядролардың әр түрінің салыстырмалы санын табуға болады.

Сандық талдау жүргізуін су-спирт қоспасындағы этанолдың мөлшерін анықтау мысалында көрейік. Оның ПМР-спектрі сызықтардың үш тобынан: синглеттен, квартеттен және триплеттен түрады (30-суретті қараңыз). Синглет су және гидроксил тобының бір-бірімен тез алмасатын протондарының резонансты жұтуына негізделеді. Квартет этанолдың СН2 -тобына, ал триплет – СН3 тобына жатады. Алдымен синглеттің S1 , квартеттің S2 және триплеттің S3 аудандарын табады. Содан кейін, S2 мен S3 мәндерін пайдаланып, бір протонға келетін S ауданды есептейді. Спирттің n1 молекулаларына сйкесті аудан ал судың n2

молекуласына келетін аудан Sc =2sn2,  және де,

Осыдан судағы спирттің мөлшері есептеледі.

Заттың құрылымын анықтау үшін, ең алдымен, химиялық ығысулардың корреляциялық кестелерін пайдаланып, ЯМР спектрлері бойынша шыңдардың әр тобының химиялық ығысуларын есептеп, оларды идентификациялайды. Содан кейін әрбір шыңның аса жіңішке бөлінуіне қандай спин-спинді әрекеттесу келтіретінін айқындайды. Соңында, берілген заттың қүрылым формуласын жорамалдап, шыңдардың интенсивтіктерін анықтайды да топтардағы зерттелетін магнитті ядролардың мөлшерінің қатынасын табады. Осы ядролардың жалпы саны белгілі екенін ескере отырып, (мысалы, элементтік талдау арқылы), олардың әрбір топтағы санын табуға болады.

Мысал ретінде 34-суретте келтірілген С3Н8О-затының ПМР спектрін қарастырайық (жолақтардың үстіндегі сызықтар интегралдық интенсивтіктерді көрсетеді). Спектр квинтеттен, синглеттен жэне дублеттен тұрады. Олардың химиялық ығысулары 4,0 м.б., 1,6 м.б., 1,2 м.б. Химиялық ығысу кестелеріне сай, бұл мәндер квинтет үшін СН-тобына, синглет үшін - ОН-тобына, дублет үшін – СН3, СН3 топтарына сәйкес болуы мүмкін.

Квинтеттің болуы төрт протонның жақын көршілестігін көрсетеді. Бірақ мультиплеттің шекті компоненталары басқасымен салыстырғанда өте кіші де, спектрде байқалмайды, яғни квинтет септет болып шығуы мүмкін, бұл алты көршілес протондар жағдайында болады. Сызықтардың интенсивтіктерінің қатынасы: төрт көршілес протон үшін 1:4:6:4:1, алты протон үшін - 1:6:15:20:15:6:1 болу керек. Екіншісі дұрыс болып шығады, демек, "квинтет" беретін топ (шынында - септет) алты протонмен қоршалған. Синглет немесе гидроксил тобымен көршілес протондардың болмауымен, немесе осы топтың протондардың ұқсас топтардағы протондармен тез алмасуымен түсіндіріледі (тез алмасу нәтижесінде АЖҚ әдетте тез жойылады). Дублеттік бөліну бір көршілес протонның ықпалына негізделеді.

34-сурет. 60 МГц жиіліктегі дейтерохлороформдағы 1%-дық изопропил спиртінің ЯМР спектрі

Шындардың аудандарының қатынасы олардың интенсивтіктерінің қатынасын береді. Септет шыңдарының жалпы ауданын бірге тең деп санасақ, n1:n2:n3=1:1:6 қатынасын аламыз, мүнда n1,n2,n3 - септет, синглет, дублет топтарындағы протондардың саны сәйкесінше. Демек, молекула жалғыз көршілес протоны бар екі СНз-тобынан тұру керек, жэне де ол СНз-СН(ОН)-СНз құрылымына жауапты. Шынында, СНз-тің екі тобынан пайда болатын септетті СН-тобына, ал синглетті ОН-тобына жатқызуға болады, себебі спирт молекуласы гидролиз протондарымен оңай алмасады, ал интенсивті дублетті - екі СН3 -тобына жатқызуға болады.

Тағы бір мысал: Р4S3 қосылысы үшін ядроларының ЯМР спектрінде интенсивтіктерінің қатынасы 3:1 екі сызық байқалады.