Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, страница 8

Эти исследования послужили основой для проведения различными41исследователями многочисленных последующих работ, выполненных в указанныхусловиях или с незначительной их модификацией. К примеру, в работе [120] указывается,что оптимальное время контакта необходимо подбирать индивидуально для каждогопрепарата ГФК, при этом оно, как правило, ниже 1 с.Однако другими исследователями в разное время неоднократно отмечалось, чтоопределяемое из CPMAS спектров ГФК содержание ароматических ядер 13С обычно нижетакового из спектров растворов ГФК [91, 81, 85, 131, 132]. В работе [66] сообщается, чтосодержание ароматических фрагментов в ФК речных вод, определенное из СРМАSспектра в стандартных условиях, было на 50% ниже полученного из спектра раствораэтого препарата с длительной релаксационной задержкой.

О еще более значительномнедоопределении ароматического углерода из спектров CPMAS сообщалось в работе [96].В работах [66, 132] указывается, что многочисленные данные о содержанииароматического углерода, полученные при помощи метода CPMAS без тщательногоанализаколичественностиполучаемыхданных,должнырассматриватьсясосторожностью.Вработе[120]была высказана противоположнаягипотеза,объясняющаяполучаемую диспропорцию занижением результатов определения алифатическогоуглеродаприрегистрацииспектровГФКврастворе.Гипотезапредполагаетсуществования в структуре ГФК больших углеводородных радикалов, которые вщелочном растворе оказываются внутри „"мицелл" ГФК в связи с конформационнымиизменениями и могут быть „"экранированы" от излучения гидрофильной частью молекул.Однако, по нашему мнению, такое объяснение представляется неубедительным.Таким образом, результаты спектроскопии13C растворов позволяют получать болееполную и корректную структурную информацию как в качественном, так и вколичественном аспектах.

В связи с этим в последнее время все чаще отмечается [132, 66,110], что данный метод представляется предпочтительным, несмотря на требуемыебольшие затраты приборного времени.421.2.2. Спектроскопия ПМР.Задача структурного исследования ГФК методом ПМР спектроскопии, также как и вслучае спектроскопии13С ЯМР, сводится к выделению групп сигналов, по возможностиотносящихся к атомам водорода сходного структурного типа и их количественномуанализу [110, 70]. Однако спектроскопия ПМР ГФК имеет ряд специфических проблем, вчисле которых можно выделить следующие:• - сильная зависимость сигналов протонов функциональных групп от растворителя иусловий (наличия/отсутствия протонного обмена)• - присутствие в спектрах ПМР ГФК сигналов остаточных протонов растворителя,перекрывающихося с малоинтенсивными сигналами протонов ГФК.Рис.

1.16. Спектр ПМР ГК почв. Растворитель 0.1 М NaOD/D2O. [70]Рис. 1.17. Спектр ПМР ГК почв. Растворитель ДМСО-d6. [133]Обычно растворителем в спектроскопии ПМР ГФК является 0.1 М NaOD/D2O. Изорганических растворителей для немодифицированных ГФК описано использование43ДМСО-d6, ДМФА-d7 и метанола-d4 [69, 133]. Общий вид спектров в NaOD/D2O и ДМСОd6 приведен на рис.

1.16 и 1.17.В структуре ГФК можно выделить два типа протонов - С-Н протоны, связанные суглеродным скелетом, и протоны функциональных групп [66, 70]. Положение сигналовскелетных С-Н протонов идентично в водных растворах и органических растворителях.Принципиально отлично поведение протонов функциональных групп, способных кбыстрому обмену, положение которых в спектре может изменяться в широких пределах[68, 70].

В связи с этим такие протоны часто называют подвижными [68, 70].В спектрах ГФК наблюдаются две хорошо разрешенные группы сигналов С-Нпротонов, соответствующие алифатическим и ароматическим протонам, при этоминтенсивность сигналов последних значительно ниже. В алифатической области спектра,представленной группой относительно узких сигналов, обычно выделяют диапазонхимических сдвигов протонов O-замещенных алифатических фрагментов CHn-O, большаячасть которых относится к карбогидратным структурам (в дальнейшем называемыхкарбогидратными протонами), и протонов незамещенных алифатических структур (далееалифатические протоны).Так же как и в случае13C спектров ГФК, не существует единого мнения о точномположении границ диапазонов сигналов в связи с перекрыванием сигналов протоновразличных типов. В табл.

1.11 приведены использовавшиеся различными исследователямиразбиения спектров ГФК на области, соответствующие сигналам алифатических,карбогидратных и ароматических протонов.Некоторыми авторами предлагается проводить разделение спектра ГФК на болееузкие области [137]. Пример такого разбиения приведен в табл. 1.12. Следует отметить,что при проведении такого детального разбиения точность количественных результатовснижается в связи с меньшей разрешенностью этих групп сигналов. Кроме того, в рядеслучаев разделение довольно субъективно.44Таблица 1.11.Диапазоны химических сдвигов С-Н протонов в спектрах ПМР ГФК, м.д.Тип атома водородаАлифатическиеКарбогидратныеАроматическиеРастворительИсточникCHnCHn-OAr-H0.5-33-56-8ДМСО-d6[134]0.5-2.82.8-5.56-9.5ДМСО-d6[137]0.8-33-4.756.4-9NaOD/D2O[136]0.5-33-56-8.4NaOD/D2O[135]0.0-33-4.36-9NaOD/D2O[138]Таблица 1.12.Детальное отнесение сигналов в спектре ГФК в ДМСО-d6 [137]Тип протоновХимический сдвиг, м.д.СН3-группы в γ-положении и далее от ароматического кольца или СООН0.5-1.0группыСН3-группы в β-положении, СН2 и СН-группы в β-положении и далее от1.0-1.9ароматического кольца или СООН группыСН3, СН2 и СН-группы в α-положении к ароматическому кольцу или СООН1.9-2.8группе*Протоны метоксильных групп и карбогидратов2.8-4.0Протоны лактоновых фрагментов**4.0-5.5Протоны ароматических колец ***6.0-10.5Протоны карбоксильных групп10.5-13.5* В этой же области находится сигнал остаточных протонов ДМСО-d6** В настоящее время считается, что основная часть сигналов в данной области относится к протонамспиртовых гидроксилов ГФК [66]***В данной области находятся также сигналы фенольных протонов ГФК [133]Поскольку в водных растворах происходит быстрый в шкале времени ЯМР обменподвижных протонов с дейтерием воды, все их сигналы сливаются с пиком HDO (около4.6 м.д.).

В связи с этим невозможно не только раздельное, но и суммарное ихопределение [66, 110].Применение апротонных органических растворителей позволяет наблюдать вспектре группы сигналов протонов основных функциональных групп ГФК. Так, врастворе в сухом ДМСО-d6, протонный обмен протекает медленно в шкале времени ЯМР,45давая возможность наблюдать разделенные пики протонов карбоксильных групп (1410.5 м.д.), фенольных (10.5 - 7 м.д.) и спиртовых (3.5 - 5 м.д.) гидроксилов [139].

Однако вэтом случае широкие пики протонов функциональных групп перекрываются с сигналамискелетных С-Н протонов, не позволяя проводить их раздельное определение. Так, пикспиртовых ОН-протонов накладывается на сигналы „карбогидратных CHn-O, а сигналфенольных ОН-протонов закрывает часть области ароматических.

Это не позволяетпроводить раздельное определение протонов углеродного скелета и функциональныхгрупп в данных областях.В работах [15, 146 и 147] было выполнено определение количеств СООН- ифенольных ОН-групп в продуктах гидролиза лигнинов, основанное на сопоставлении ихПМР спектров в гексаметилфосфортриамиде-d18 (ГМФА) и дейтерохлороформе. Согласноприводимым в [15] данным, использование ГМФА в качестве растворителя позволяетразделить сигналы фенольных гидроксилов и ароматических протонов в спектрахгидролизатов лигнина. Однако, данный метод определения функциональных групп неможет быть впрямую применен к анализу ГФК в связи с нерастворимостью последних вхлороформе и ограниченной растворимостью в ГМФА.

Работ по применениюспектроскопии ПМР для определения подвижных протонов в структуре ГФК, влитературе обнаружить не удалось.Положениечувствительносигналовкподвижныхприсутствиюдажепротонов ГФКследовыхв спектре ПМРколичествводыкрайневследствиееекаталитического действия на процессы протонного обмена [133]. Увеличение количестваводы в образце приводит к уширению и сближению сигналов протонов функциональныхгрупп вплоть до полного их слияния. Обычно в спектрах ГФК в органическихрастворителях наблюдается широкий пик подвижных протонов при 6.5-8.5 м.д.

[66].Чувствительность к присутствию воды является крайне неблагоприятным фактором дляспектроскопииПМРГФКв связис упоминавшейсяв главе 1.1.1высокойгигроскопичностью этих соединений. При этом химический сдвиг результирующегосигнала подвижных протонов ν определяется соотношением количества протоновфункциональных групп и воды [139]:ν = χН2О νН2О +Σ(χCOOH νCOOH)i +Σ(χArOH νArOH)i +Σ(χROH νROH)i (1.7),где χ и ν - доля и химический сдвиг подвижных протонов с различным химическимокружением.Таким образом, для количественного определения С-Н протонов из спектров ГФК ворганических растворителях необходимо удаление сигналов подвижных протонов и воды46[66, 69, 70, 110, 142].

Существует ряд работ, в которых эта проблема решаласьразличными способами.В работе [133] к раствору ГК почв в ДМСО-d6 для удаления воды были добавленымолекулярные сита. После 10-дневного выдерживания раствора над ситами в спектреПМР наблюдали уменьшение интенсивности сигнала в ароматической области, при этом вобласти слабого поля появился слабовыраженный широкий пик. Авторы объясняютполученный эффект тем, что удаление воды из раствора ГК вызвало замедление процессовпротонного обмена. В связи с этим сигналы протонов СООН и спиртовых ОН групп,дававшие до этого один сигнал в ароматической области спектра, сместились в другиеобласти (в частности, СООН - в слабое поле). Отмечалось, что при добавлении косушенному раствору ГК небольшого количества воды все сигналы подвижных протоновперешли в интенсивный пик HDO при 4 м.д., полностью освободив областьароматических протонов (рис.