Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, страница 12

2.6, при увеличении времени задержки относительнаяинтенсивность сигналов в областях, соответствующих четвертичным CCOOH(R) и CAr-Oатомам углерода, значительно возрастает. В то же время существенно снижаетсяотносительная интенсивность сигналов в областях CAlk и CAlk-O. Данный эффектобусловлен тем, что средние времена релаксации четвертичных атомов углеродапревышают таковые для гидрогенизированных атомов С алкильных и карбогидратныхфрагментов. Промежуточное положение занимают области сигналов CAr и CO-Alk-O, дляуглерода которых количество С-Н связей в среднем меньше 1.Относительно высокая скорость релаксации ядер, дающих сигналы в области 220187 м.д. и отнесенных к кетонным и хинонным четвертичных атомам СC=O, по-видимому,объясняется тем, что именно на этих фрагментах локализуется парамагнитность ГФК.

Всвязи с этим ускорение релаксационных процессов за счет взаимодействия снеспаренными электронами в наибольшей степени выражено для таких ядер.Следует отметить, что согласно полученным данным, карбогидратные атомыуглерода в структуре ГФК характеризуются меньшими временами Т1 по сравнению салкильными, несмотря на большую степень гидрогенизированности последних. Этопротиворечит общим соображениям об относительных скоростях релаксации ядер13Сворганических соединениях, которая протекает преимущественно по диполь-дипольномумеханизму. С нашей точки зрения, в случае ГФК указанный эффект может бытьобусловлен меньшей подвижностью карбогидратных фрагментов в связи с образованием67внутримолекулярных водородных связей, в то время как алкильные радикалы могутпретерпевать свободное вращение вокруг σ-C–C связей.

Для обычных температур ивязкостей раствора снижение подвижности, как правило, приводит к уменьшению временрелаксации ядер. Указанные закономерности согласуются с полученными авторами работ[91, 66].Как видно из рисунка 2.2, все кривые IT/I1(Td) практически выходят на плато приTd=4c. Это дает основание предполагать, что в таких условиях спектры ГФК близки кколичественным. Использование меньших времен задержки, по всей видимости, вызываетпереопределение доли алифатических и карбогидратных фрагментов и недоопределениечетвертичных О-замещенных ароматических и карбоксильных атомов углерода.Следует отметить еще одну немаловажную методическую проблему полученияспектров.

В связи с отсутствием отчетливых пиков и нулевой линии практически во всемспектральном диапазоне сложно провести однозначное фазирование спектра ГФК. Сцелью уменьшения и усреднения субъективной ошибки, вносимой процедурой фазовойкоррекции в нулевую линию спектра, фазирование каждого преобразованного сигналаспада свободной индукции (ССИ) проводилось вручную с использованием стандартнойпроцедуры семикратно, причем каждый раз начиная с нулевых значений множителейфазовой коррекции. Затем полученные результаты интегрирования усредняли. Влияниефазирования на результаты интегрирования различных спектральных диапазоновпродемонстрировано в табл.

2.4. на примере препарата HTO.Как видно из таблицы, ошибка максимальна для для интервалов90 - 108 м.д. и 185 - 220 м.д. в связи с низкой интенсивностью сигналов в этих областях.Из анализа спектров 32 препаратов ГФК следует, что при 7-кратном фазировании для этихинтервалов в среднем ошибка составляет около 20%, а для остальных - не превышает 5%.Данная процедура была использована как при обработке спектров, обсуждавшихся выше,так и при дальнейшей работе.68Таблица 2.4.Интегральные интенсивности (%) спектральных областей препарата HTO(7 различных фазирований).Спектральная область, м.д.220-187187-165145-108165-145108-9090-4848-52.413.114.933.41.420.015.01.013.014.429.91.223.916.83.613.815.027.00.823.816.13.614.015.429.11.221.214.52.713.114.930.41.322.115.53.212.514.831.52.121.514.41.812.615.031.71.222.015.92.6±0.913.2±0.614.9±0.430.4±2.11.3±0.422.1±1.415.5±0.9Нами был предложен метод оценки соотношения H/C из данных спектроскопииЯМР13С, позволяющий сопоставить получаемые спектральные данные с результатамиэлементного анализа для их перекрестной проверки.

Соотношение рассчитывали поуравнениюH/C=(2/3(CAr-Н,С + ÑAr-O) + 5/3CAlk-O + 2CAlk) / ΣС(2.5)Формула (2.5) основана на предположении, что все структурные фрагменты ГФКсоединены в незамкнутую цепь. В связи с неизвестной, но достаточно высокоймолекулярной массой ГФК при расчете мы пренебрегали концевыми атомами водорода.Кроме того, все без исключения атомы CAlk-O рассматривались как углерод циклическихполисахаридных фрагментов C6H10O5. В связи с этим полученные атомные соотношенияпредставляют собой минимально возможные величины. Их завышение по сравнению сданными элементного анализа может указывать на переопределение обогащенныхводородом фрагментов из 13С ЯМР-спектров.Данный способ расчета был применен для анализа литературных данных для 79препаратов ГК почв. Приведенные на рис. 2.7а результаты расчетов свидетельствуют, чтосоотношение H/C, рассчитанное из данных ЯМР 13С существенно выше рассчитанного изэлементного анализа.

Проведенный анализ показал, что наиболее значимым отличием69условий регистрации спектров было использованием различных времен релаксационнойзадержки. Распределение Td, использованных в рассматриваемых работах приведено вглаве 1.2.1. на рис. 1.15. С целью проверки данного тезиса были был проведендополнительный расчет атомных соотношений Н/С для препаратов, спектры которыхбыли зарегистрированы при использовании Td ≥ 4 с (рис 2.7б). При этом было полученоудовлетворительное совпадение рассчитанных и экспериментально определенныхвеличин. Таким образом, завышение рассчитанного значения H/C хорошо объясняетсяпереопределениемобогащенныхводородомфрагментовприиспользованиинедостаточного времени задержки.H/C1.41.2ЯМР1.0Элементный анализ0.80.60.40.20.0aбРис.

2.7. Сопоставление атомных соотношений H/C, рассчитанных из данных13С ЯМР иэлементного анализа (по литературным данным).а) для 79 препаратов, спектры которых регистрировались в широком диапазонеTd; б) для 14 препаратов, спектры которых регистрировались при Td ≥ 4 сСопоставление результатов расчета соотношения C/H по уравнению (2.5) изполученных нами спектральных данных с данными элементного анализа (табл 2.1)продемонстрировало хорошую сходимость (рис.2.8) со значимой при р=0.99 корреляцией(r=0.89).

Это дает основание предполагать, что полученные в нашей работеспектры близки к количественным.13С ЯМР7013H/C С ЯМР1.5r = 0.891.31.10.9H/C эл. ан.0.70.70.91.11.31.5Рис.2.8. Сопоставление атомных соотношений H/C, рассчитанных из данных ЯМР С-13 иэлементного анализа.3.2.2. Распределение углерода в структуре ГФК различного происхожденияВ установленных условиях была проведена регистрация количественных13С ЯМРспектров 31 препарата ГФК. Типичные спектры ГФК различного происхождения былиприведены на рис. 2.1.

Результаты интегрирования полученных спектров приведены втабл. 2.5.Полученные данные позволили сделать ряд заключений о структурных особенностяхразличных классов ГФК (табл. 2.6).Максимальной ароматичностью характеризовались ГК бурого угля и черноземов, вструктуре которых более 50% углерода принадлежало ароматическим фрагментам. В тоже время окисленность ароматического ядря, рассчитанная как CAr-O / (СAr-H,C + CAr-O),возрастала при уменьшении содержания ароматических структур (рис. 2.9).

Коэффициенткорреляции между этими параметрами составлял -0.68 (корреляция значима при р=0.99).Содержание карбоксильных групп и их производных оказалось выше для ГФКприродных вод и ФК почв, что в совокупности с более высокой окисленностьюароматического ядра может быть объяснено более глубоким протеканием процессовокислительной деградации, характерным для генезиса этих соединений. Высокоесодержание СCOOH(R) в препаратах ГФК бурого угля, предположительно, обусловленоокислительной деструкцией угля при выделении ГФК по промышленным технологиям.71Таблица2.5.13Интегральные интенсивности спектральных областей в С ЯМР спектрах препаратовгумусовых кислот (%).ПрепаратСпектральная областьГФК220 - 187187-165 165-145 145-108108-90СC=OCCOOH(R)CAr-OCArCO-Alk-OГК дерново-подзолистых и серых лесных почвHBW1%17%13%32%2%HBP2%16%12%32%4%HBG1%15%13%33%3%HGW1%19%13%34%2%HGP2%15%12%34%3%HBWN2%15%13%30%3%ГК черноземовHS2%14%9%48%2%HST3%16%11%43%3%HMG2%15%11%46%2%ФК дерново-подзолистых почвFA1N3%20%12%23%2%FA3N3%18%12%29%2%ГФК торфаT11%15%10%29%3%T41%16%12%31%4%T51%16%10%27%3%T62%15%14%36%2%T72%17%15%34%2%T102%16%15%33%1%HTL1%15%14%31%3%TTL3%15%13%32%3%HTO3%13%13%31%4%ГФК природных водFMX-82%19%11%25%3%FIX-82%18%12%26%3%FG1FA1%16%9%25%4%OH10FA1%181330%4%ГФК бурого угляAGK1%17%10%48%0%AHA1%15%13%43%0%ПрочееSEL1%18%13%32%4%FWME-42%17%11%19%6%SWM421612265HTW0%11%3%13%9%BS1FA3%17%10%35%2%90-48CAlk-O48-5CAlk18%17%18%14%15%17%18%17%17%17%19%20%12%12%10%14%13%15%17%17%24%19%22%21%19%16%16%16%18%17%20%20%16%24%15%15%16%17%17%16%16%19%20%1724%20%26%18%4%7%21%21%18%28%2550%14%14%18%1415%19%72Табл.2.6.Распределение углерода в структуре ГФК различного происхождения, %.Тип ГФКСC=OСCOOHСAr-OHСArСAlk-OСAlkГК черноземов2±115±110±146±314±214±1ГК ПД и Л почв2±116±213±133±219±218±1ФК ПД почв2±118.5±110.5±125±523.5±120.5±5ГФК торфа2±115±113±231±323±216±3ГФК природных вод1.5±118±111±226.5±221±322±4ГК бурого угля1±0.316±111.5±145.5±45±221±22.5(СAr-H,C+CAr-O)/(CAlk+ CAlk-O+ CO-Alk-OCAr-O/(СAr-H,C+CAr-O)21.510.50ГФКприродныхводРис.

2.9. ХарактеристикиФК почвГФК торфаароматическойГФК бурогоГКГК ПД и ЛпочвчерноземовуглячастипрепаратовГФКразличногопроисхождения.Содержание хинонных и кетонных групп во всех исследовавшихся препаратахсоставляло от 1 до 3%.Полученные спектры позволили подтвердить отнесение группы сигналов в области90-108 м.д., сделанное в главе 2.2.3 при анализе двумерных 1H-13C HMQC спектров ГФК.Косвенным доказательством принадлежности сигналов в данной области к ацетальныматомам циклических полисахаридных фрагментов может служить высокий (r=0.82)коэффициент корреляции между интегральными интенсивностями области CAlk-O иданной области.