Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, страница 5

Впоследствии эти данные были подтверждены для ГФК различногопроисхождения многочисленными исследованиями. В13С ЯМР спектрах ГФК былиобнаружены сигналы, отнесенные к разнообразным фрагментам структуры этих веществ,что позволило существенно углубить качественные знания о фрагментном составе ГФК[69, 70].Типичный13С ЯМР спектр ГФК приведен на рис 1.12. Как видно из рисунка,полидисперсность и химическая гетерогенность ГФК приводит к тому, что13C ЯМРспектры этих соединений не содержат разрешенных сигналов, относимых к ядрамопределенноготипа,апредставляютсобойсуперпозициюбольшого13Счисласлабовыраженных сигналов.ВсвязисэтимтрадиционнаявспектроскопииЯМРзадачаотнесенияиндивидуальных сигналов не является актуальной в случае спектров ГФК [71].

Общийподход к анализу такого рода спектров предусматривает выделение в них групп сигналовили спектральных областей, соответствующих атомам углерода со сходным химическимокружением, и определение сравнительной интенсивности этих областей. Как видно изрис. 1.12, в типичном13С ЯМР спектре ГФК наблюдается лишь один отчетливыйминимум с нулевой интенсивностью сигнала при 90 м.д., в остальных случаяхневозможно провести точное разделение различных групп сигналов из-за их частичногоперекрывания.

В связи с этим выбор разбиения спектров ГФК на группы сигналовпредставляет собой неоднозначную задачу. Для выбора границ разбиения анализируютположение локальных минимумов в спектрах ГФК и26Рис. 1.13. Типичный 13С ЯМР спектр ГК почв.привлекают табличные данные по химическим сдвигам ядер13C в органическихсоединениях в сочетании с имеющейся информацией об основных структурных элементахГФК [72, 73].Наиболее распространенным является выделение внаиболееудовлетворительноразделенных13С ЯМР спектре ГФК пятидиапазоновхимическихсдвигов,соответствующих незамещенным и О-замещенным алифатическим, ароматическим,карбоксильным и карбонильным атомам углерода (табл.

1.4).Таблица 1.4.Основные диапазоны сигналов в спектре ГФК [74].Тип атомов углеродаС- и Н-замещенные алифатические атомыОбозначениеДиапазон сигналов, м.д.CAlk0 - 50CAlk-О50 - 110CAr110 - 165CCOОН165 - 180CC=O180-220углеродаО-замещенные алифатические атомыуглеродаАроматические атомы углеродаАтомы углерода карбоксильных групп и ихпроизводныхАтомы углерода карбонильных групп27В зависимости от цели исследования и желаемой детализации получаемойинформации перечисленные в табл.

1.4 основные спектральные диапазоны частоподразделяют на более узкие (табл. 1.5). При этом детализация спектральной информациисопровождается снижением достоверности определяемого количественного состава[70, 72].Данноеобстоятельствообуславливаетпроблемусоотношения информативности и достоверности при обработкеоптимизации13выбораC ЯМР спектров ГФК,которая в настоящее время решается каждым исследователем сугубо индивидуально.Выделение узких диапазонов сигналов в спектрах 13C ЯМР ГФК [69].Диапазон, м.д.Таблица 1.5.Отнесение сигналов10-25Концевые метильные группы алкильных цепей15-50Метиленовые группы алкильных цепей25-50Метиновые группы алкильных цепей29-33Углерод метиленовых групп35-50Углерод метиленовых групп разветвленных алкильных цепей41-42Метиленовые группы в α-положении к СООН-группе51-61Углерод метоксильных и этоксильных групп57-65Углерод СН2-ОН групп65-85Углерод СН(ОН) групп, углерод полисахаридных колец, метиновыйуглерод простых и сложных эфиров90-110ацетальный углерод110-120Незамещенный углерод ароматических колец118-122Углерод ароматических колец в орто-положении к О-заместителю120-140Незамещенный или алкил-замещенный углерод ароматическихколец140-162О- è N-замещенный углерод ароматических колец162-190Углерод карбоксильных групп, сложных эфиров и амидов190-220Углерод кетонных и альдегидных группВажно отметить принципиальную нестрогость количественного анализа спектраГФК при разбиении на диапазоны в связи с невозможностью количественного учетаперекрывания групп сигналов.

В случае низкомолекулярных соединений для разделениянабора перекрывающихся сигналов используют аппроксимацию пиков лоренцевымикривыми [74]. Для спектров полимеров описаны подходы к такому разделению,основанные на аппроксимации гауссовыми кривыми [75]. Однако, в связи с тем, что в28спектрах ГФК форма пиков в общем случае не является ни лоренцевой, ни гауссовой, а вряде случаев невозможно определить и положение пиков при детальном разбиении,применение такого подхода не позволяет получить существенного повышения точности инадежности количественного анализа спектров.Следует отметить, что отнесение некоторых групп сигналов до сих пор являетсяпредметом дискуссии. Так, группу сигналов в области 90-110 м.д. длительное времяотносили к незамещенным ароматическим атомам С в орто-положении к гидроксильнойгруппе. Однако, в последние годы преобладает мнение, что большая часть этих сигналовобусловлена атомами углерода ацетального типа в полисахаридных циклах периферииГФК.

В области 48 - 60 м.д. некоторые исследователи выделяют группу сигналов Nзамещенного углерода метиленовых групп, однако отделить эти сигналы от находящихсяв этой же области находится сигналов незамещенных СН-групп представляетсяневозможным без применения специальных импульсных методик.Химические сдвиги большинства сигналов ядер13C не зависят от выбора условийрегистрации спектра и растворителя. Однако сигналы карбоксильных групп и атомовароматического углерода, замещенного ОН-группой, при переходе от органическихапротонных растворителей к воде и растворам щелочей смещаются в слабое поле в связи сионизацией соответствующих групп. По данным работы [76], химические сдвиги ядер 13ССООН групп и Ar-OH фрагментов в спектрах ГФК в ДМСО и NaOD/D2O могутразличаться на величину до 5 м.д.1.2.2.

Фрагментный состав ГФК различного происхождения по данным 13С ЯМРНа протяжении двух десятилетий основной областью применения спектроскопии 13СЯМР для анализа ГФК остается количественная характеристика относительногосодержания различных структурных фрагментов в молекулах ГФК. Данные поколичественному определению фрагментного состава ГФК различного происхожденияприведены в Приложении 1.Анализ данных13С ЯМР дает возможность установить различия в структуре ГК иФК различных природных источников.

Так, согласно данным исследования [89], ГКдерново-подзолистых и серых лесных почв содержат примерно в два раза большеароматических фрагментов по сравнению с ФК. Аналогичные данные получены в работе[91]. В работах [67, 75, 82, 90, 95, 96] помимо этого отмечается, что ФК почвхарактеризуются в целом более высоким (на 2-10%) содержанием СООН групп, в то времякак содержание алифатических фрагментов в них несколько ниже по сравнению с ГК. ДляГК и ФК черноземов наблюдаются сходные закономерности [97]. Согласно большей части29опубликованных данных, содержание карбогидратных структур в ФК почв превышаеттаковое для ГК в 1.5-3 раза, однако в ряде работ [67, 82, 95, 96] приводятся результатыисследования, говорящие о том, что содержание карбогидратов в ГК и ФК почвпрактически идентично.Одна из возможных причин противоречивости приводимых данных была показана вработе [87].

Автором было проведено исследование структуры ФК почв, выделенных подвум различным общеупотребительным методикам, первая из которых включалавыделение в качестве фракции ФК части щелочного экстракта почв, остающейся приосаждении ГК в кислом растворе, а вторая включала стадию сорбции на амберлите XAD8. Было показано, что в ФК почв, выделенных с использованием XAD-8, содержаниекарбогидратных структур в 1.5-2 раза ниже. Автором сделан вывод о необходимостистадии сорбции на амберлите при выделении ФК для очистки от полисахаридныхпримесей.Косвенным подтверждением сделанного в [87] вывода являются результатысравнительного исследования структуры ГК и ФК природных вод, выделение которых вобоих случаях включает сорбцию на XAD-8.

По данным [87, 66, 75, 104] содержаниекарбогидратных структур в ФК природных вод находится на уровне такового в ГК илинесколько ниже. В то же время прочие закономерности, обнаруженные для ГК и ФК почв,сохраняются для ГК и ФК природных вод. Так, содержание СООН групп в ФК природныхвод выше, чем в ГК, а содержание ароматических фрагментов - ниже. Согласно [87, 66]ФК содержат больше алкильных фрагментов, однако данные [75, 104] находятся впротиворечии с этим выводом.В ряде работ было выполнено сопоставление фрагментного состава ГФК различногопроисхождения.

Так, на основании сопоставления результатов13С ЯМР исследованияструктуры препаратов ФК дерново-подзолистых почв и природных вод, в работе [87]показано, что последние характеризуются более высоким содержанием алифатическихфрагментов, в то время как фрагментный состав ГК этих природных сред довольноблизок.