Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С, страница 9

1.18).Рис.1.18. ПМР спектр ГК почв в ДМСО-d6. а) После 5 дней над молекулярнымиситами, b) после 10 дней над молекулярными ситами, с) после добавления небольшогоколичества воды [37].Однако, полного удаления воды авторам не удалось добиться даже после 10-дневнойосушки, пики протонов функциональных групп оставались значительно уширены. В связис этим описанный способ удаления воды, по-видимому, неприменим.В работах [140] для устранения перекрывания скелетных протонов использовалисмещение сигналов подвижных протонов и воды в слабое поле, происходящее придобавлении к раствору ГФК в ДМСО-d6 дейтеротрифторуксусной кислоты. Кислотааналогично воде ускоряет протонный обмен, однако положение результирующего сигнала47при избытке кислоты смещено в слабое поле.

В результате области ароматических икарбогидратных С-Н протонов освобождаются от сигналов подвижных протонов.Аналогичный эффект дает применение DCl [141]. Авторы обеих работ использовалидобавление кислоты для удаления интенсивного сигнала воды из карбогидратной областиспектра ГФК.Другой способ удаления сигналов подвижных протонов, использованный в работе[140], основан на предварительном дейтерообмене препарата ГФК. Образец ГФКрастворяли в D2O, при этом происходит замещение протонов функциональных групп надейтерий. После отгонки воды и растворения высушенного образца ГФК в ДМСО-d6 вспектре ПМР наблюдается снижение интенсивности областей 6-10 м.д.

и 4-6 м.д. поотношению к спектру исходного препарата. Указывалось, что снижение интенсивностиобласти 6-10 м.д. составляет около 35% для ФК почв и около 18% для ГК почв. Авторыобъяснили происходящие в спектре изменения замещением С-Н протонов ароматическихфрагментов на дейтерий, однако позже было показано [141], что наблюдаемый эффектобусловлен удалением сигналов протонов функциональных групп.В настоящее время предварительный обмен с D2O считается наиболее надежнымспособом удаления сигналов подвижных протонов и воды из спектров ПМР ГФК ворганических растворителях [66].Таким образом, в спектроскопии ПМР ГФК описан ряд методов удаления сигналовподвижных протонов для определения перекрывающихся с ними сигналов скелетныхпротонов, однако метода определения водорода функциональных групп на сегодняшнийдень не существует.Второй серьезной проблемой осуществления количественной интерпретации ПМРспектров ГФК является присутствие сигнала остаточных протонов растворителя, которыйдаже при использовании растворителей высокой чистоты обычно является самыминтенсивным пиком в спектре.

Как видно из рисунков 1 и 2, при использовании какNaOD/D2O, так и ДМСО-d6, пик остаточных протонов растворителя перекрывается ссигналами протонов ГФК. Пик остаточных протонов ДМСО (2.49 м.д.) накладывается насигналы протонов ГФК в алифатической области спектра, а широкий сигнал HDO вNaOD/D2O спектре (около 4.6 м.д.) закрывает некоторую часть сигналов „карбогидратныхпротонов ГФК в области 4-5 м.д. В связи с этим невозможно количественное определениеС-Н протонов ГФК в указанных областях.Широко используемым приемом для решения данной проблемы являетсяподавление сигнала HDO в ПМР спектрах ГФК в NaOD/D2O при помощи облучениядополнительным узкополосным импульсом на соответствующей частоте. Типичный48спектр ГФК с подавлением пика HDO приведен на рис.

3. Как показано в работах [69, 70],при этом важно тщательно подбирать интенсивность облучения, так как при избыточноймощностиимпульсоввозникаютзначительныеискажениябазовойлинии.Дляминимизации искажений рекомендуется выключать облучение на время считывания спадасвободноиндуцированного сигнала [70]. Основным недостатком использования такойметодики является то, что вместе с сигналом растворителя частично происходитподавление сигналов протонов ГФК, находящихся вблизи частоты облучения [72].

Поданным [70, 110] недоопределение карбогидратных протонов ГФК при подавлении пикаHDO может составлять 5-15% отн. Тем не менее, данная методика получило широкоераспространение при регистрации спектров ГФК в NaOD/D2O. В спектрах ПМР ГФК вДМСО-d6 подавление пика растворителя не может быть использовано в связи с наличиемдостаточно интенсивных сигналов ГФК в области 2-3 м.д.Из вышесказанного следует невозможность определения суммарной интегральнойинтенсивности протонов ГФК. Как уже упоминалось, при регистрации спектров ГФК вводных растворах в спектре наблюдаются только сигналы С-Н протонов. В связи снеизвестной общей интенсивностью сигналов протонов ГФК в спектре, возможноопределить только их относительные содержания.

При регистрации спектров ворганических растворителях не представляется возможным провести точный учетперекрывания сигналов С-Н протонов с сигналами остаточных протонов растворителя, содной стороны, и с сигналами подвижных протонов и воды, с другой стороны.Совокупность указанных проблем является причиной того, что на настоящий моментзадача количественного определения протонов ГФК при помощи спектроскопии ПМРостается нерешенной.В связи с вышеизложенным в настоящее время спектроскопия ПМР используетсятолько для определения соотношений количества ароматических, карбогидратных иалифатических протонов из спектров в NaOD/D2O [66, 143, 144].

Такие данные трудносопоставимы с результатами других методов структурного исследования ГФК. Врезультате сложилось мнение о низкой информативности данного метода применительнок количественному исследованию структуры ГФК [66, 70, 110]. Отсутствие методаколичественного определения распределения водорода в структуре ГФК вызвало потерюинтереса к спектроскопии ПМР среди исследователей этих веществ, и за последние 10 летпоявлялись лишь единичные работы, посвященные этому вопросу. Имеющиеся влитературе данные о распределении скелетных протонов в молекулах ГФК различногопроисхождения обобщены в табл.

1.13.49Таблица 1.13.Распределение скелетных протонов в структуре ГФК различного происхождения[66, 70, 77, 126-145].Тип ГФКСAr-H/CAlk-HCHn-O/CHnФК почв0.15±0.040.42±0.25ГК почв0.30±0.091.02±0.39ГК торфа0.25±0.07н/дГФК речных вод0.09±0.020.77±0.27ГФК грунтовых вод0.14±0.050.34±0.22ГФК морских вод0.02±0.01н/дКак видно из таблицы, ГФК различного происхождения характеризуютсяотличающимся распределением водорода, связанного с углеродным скелетом молекул. Всвязи с этим такие соотношения могут быть использованы для идентификации препаратовГФК наряду с другими параметрами.

Так, ГК почв и торфа характеризуются болеевысокими значениями соотношения СAr-H/CAlk-H, а ГФК морских вод практически несодержат ароматических протонов. Следует отметить, что величина CHn-O/CHn болеесильно изменяется внутри каждого класса исследованных гумусовых веществ.

В связи сэтим можно рассматривать первое соотношение как характеристику, определяющуюсятипом ГФК, а величину CHn-O/CHn - как индивидуальную характеристику препарата,зависящую от свойств конкретного природного объекта внутри данного класса ГФК.Однако, интерпретация этих величин может быть неоднозначной, так как отношение СArH/CAlk-H, к примеру определяется как содержанием ароматических фрагментов вструктуре ГФК, так и степенью замещения ароматических колец.***На основании проанализированных литературных данных можно сделать вывод, чтонесмотря на широкое применение спектроскопии ЯМР для исследования структуры ГФК,вопросам получения количественной информации уделяется недостаточно внимания как вслучае спектроскопиинеобходимость13С ЯМР, так и в случае ПМР.

В то же время существующаяиспользованияданныхспектроскопииЯМРприописанииколичественных взаимосвязей структура-свойство настоятельно требует корректной50количественной характеристики структуры ГФК. В связи с вышеизложенным в рамкахданной работы были выбраны следующие направления исследований:• Проведение структурного исследования препаратов ГФК различного происхождения врамках одной работы методом количественной спектроскопии 13С ЯМР.• Разработка метода полного описания распределения водорода в молекулах ГФК припомощи спектроскопии ПМР, включающего определение как скелетных протонов, таки функциональных групп.• Комплексная обработка структурных данных, полученных различными методами дляих перекрестной верификации и расчета на их основе детального фрагментного составаГФК.Решению этих задач и была посвящена представленная работа.512.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.2.1. Выбор препаратов ГФК и характеристика их элементного состава.В качестве объектов исследования были выбраны ГФК верховых и низинныхторфов, ГК черноземных, дерново-подзолистых и серых лесных почв, ФК почв, ГК бурогоугля и ГФК природных вод. Такой выбор позволил охватить почти все (за исключениемморских вод) важнейшие природные источники ГФК. Внутри каждой группы гумусовыхвеществ препараты были выбраны по принципу максимального различия условийобразования ГФК.

Для сравнения было также использовано по одному препарату водныхэкстрактов торфов и почв, ФК болотных вод и донных отложений, а такженефракционированный препарат ГФК почв.Твердые препараты ГФК даже в обессоленной форме характеризуются наличиемнесгораемого остаток (зольность), обусловленный присутствием Na, K, Ca, Mg, Fe, SiO2,Al2O3 и др. Помимо этого они содержат значительное количество влаги. В связи с этимдля правильного определения элементного состава ГФК необходимо проведениекорректировки первичных данных на несгораемый остаток и равновесную влажностьпрепаратов.Для учета влияния влажности на результаты определения элементного составапрепаратов ГФК проводили анализ уравновешенных с влагой воздуха образцов,предварительно определяя их влажность согласно методике, описанной в [16], икорректируя на нее первичные данные элементного анализа.