РАЗДЕЛ 2
ОСНОВЫ СПЕКТРОСКОПИИ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
РЕЗОНАНСА
2.1. Явление ядерного магнитного резонанса
Спектроскопия ЯМР является эффективным экспериментальным методом исследования молекулярных систем в растворе, их равновесных состояний и происходящих в них релаксационных и обменных процессов. Достоинством метода является то, что он позволяет получать информацию о структурно сложных системах непосредственно на атомном уровне. Метод ЯМР дает возможность получить уникальную информацию о пространственной организации и динамических особенностях структуры биологически активных природных соединений на атомном уровне благодаря повышению чувствительности и разрешающей способности современных ЯМР-спектрометров.
Теория метода ЯМР-спектроскопии подробно изложена в ряде монографий и обзорных статей [59,148-151]. Здесь лишь кратко остановимся на некоторых вопросах теории ЯМР, экспериментальной техники получения и обработки спектров протонного магнитного резонанса, необходимых для анализа экспериментальных данных.
Физические основы спектроскопии ядерного магнитного резонанса определяются магнитными свойствами атомных ядер. Ядра, обладающие собственным механическим моментом или спином I, имеют связанный с ними ядерный магнитный момент, равный
? = ? h I,
где ? - гиромагнитное отношение для данного типа ядер;
h - постоянная Планка;
I - ядерный спин-вектор.
Энергия взаимодействия магнитного диполя ? с полем индукции B0 равна
E = ? mI B0 ћ.
Принимая во внимание квантово-механическое правило отбора ?mI = ?1, выражение для изменения энергии при переходе имеет вид
?E = ? ћ B0 , (2.1)
где ?E - разность энергий верхнего и нижнего уровней.
Из (2.1), учитывая, что ?E=hv, получаем условие резонанса для любых экспериментов ЯМР:
? = ? B0 / 2?. (2.2)
Таким образом, магнитные моменты ядер вращаются вокруг оси, совпадающей с направлением вектора B0 с Ларморовой частотой вращения, являющейся частотой ЯМР поглощения ?=2??. Вращение может быть по часовой или против часовой стрелки в зависимости от знака ?, но оно одинаковое для любых одинаковых ядер. Из условия резонанса (2.2) следует, что для получения ЯМР - спектра поглощения образца можно варьировать либо величину поля, либо частоту в виду прямой пропорциональности между ? и B0.
2.2. Основные экспериментальные характеристики ЯМР спектроскопии
Условия резонанса для ядер, например, протонов, входящих в состав молекул, будут отличаться от условий для свободного протона вследствие экранирования электронными оболочками и влияния ядер химического окружения протона. Поэтому резонансное магнитное поле в (2.2) должно быть заменено эффективным полем, учитывающим влияние окружения. Кроме того, магнитные моменты различных ядер взаимодействуют между собой и с электронами в молекуле, причем характер этого взаимодействия также зависит от окружения ядра. Эти факторы влияют на параметры спектра ЯМР, давая тем самым информацию о химических свойствах и внутримолекулярной динамике образца.
Влияние локальных полей электронного окружения ядер вызывает изменения положения полосы резонанса для протонов (и других ядер), занимающих различное место в структуре молекулы. Этот сдвиг называется химическим сдвигом, его величина пропорциональна приложенному постоянному магнитному полю. Физическая причина сдвига заключается в том, что во внешнем магнитном поле индуцируются циркуляция электронов и соответствующие электронные токи в молекуле. На практике химический сдвиг определяют следующим образом ?
? ? ???x ? ?o? ? ?раб]?106 , (2.3)
где ?x и ?o - резонансные частоты исследуемого и стандартного ядер соответственно;
?раб - рабочая частота спектрометра.
Химический сдвиг (2.3) измеряется в миллионных долях (млн-1) и отсчитывается относительно ?o. Таким образом, химический сдвиг - это молекулярный параметр, зависящий от электронного окружения ядер, природы растворителя, концентрации и температуры. Химические сдвиги обычно измеряют относительно некоторой эталонной линии стандартного инертного соединения - тетраметилсилан-ТМС-Si(CH3)4, используемого в качестве эталона для органических веществ. В водном растворителе, где ТМС не растворим, в качестве стандартных веществ используются бутиловый спирт (? =1.231 млн-1), ацетон (? = 2.216 млн-1), диоксан (? = 3.743 млн-1), (ТМА)-бромид тетраметиламмония (? =3.193 млн-1), (ДСС)- 2,2 -диметил- 2 -силапентан- 5 -сульфокислота (? = 0.015 млн-1). Химические сдвиги, указанные в скобках, приведены относительно ТМС (? = 0.00 млн-1).
В основе интерпретации химических сдвигов лежит приближенная аддитивная схема. Экранирование рассматривают как сумму локальных диамагнитного, парамагнитного и нелокального экранирования, обусловленных токами, охватывающими несколько атомов в одной и той же молекуле или в различных молекулах.
Важным случаем являются ароматические соединения, в которых проявляется нелокальное экранирование ядер. Ароматические соединения представляют собой плоские кольца с сопряженными двойными связями, что приводит к делокализации ?-электронов по контуру С...С связей. В таких системах под влиянием магнитного поля возникает прецессия электронного тока в плоскости кольца (кольцевые токи), что и приводит к экранированию соседних протонов. Как показывают квантово-механические расчеты экранирующего действия оснований нуклеиновых кислот [152], их кольцевые токи дают основной вклад (~70 %) в экранирование ядер соседних молекул.
Для расчета химических сдвигов, вызываемых кольцевыми токами, обычно применяют модель эквивалентного диполя [153,154], в которой влияние круговых токов заменяется эквивалентным действием магнитных диполей, помещенных в центр каждого кольца ароматических молекул. Соответствующим подбором величин магнитных моментов диполей и введением аппроксимирующих соотношений для учета дополнительного экранирования, не связанного с круговыми токами, можн