Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С (1105574), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Сходные данные были получены в работе [67].В работах [77, 109] проводилось сопоставление ГФК торфа и дерново-подзолистыхпочв. Показано, что ГФК торфа характеризуются более высоким содержаниемароматических и карбогидратных фрагментов, нежели ГФК почв, а содержаниекарбоксильных и алкильных групп в случае торфа несколько ниже.Сравнительное исследование структуры ГК бурых углей, ФК и ГК дерновоподзолистых почв, выполненное в работах [100, 67], показало, что содержание СООНгрупп в ГК угля ниже, чем в ФК почв, однако выше, нежели в ГК почв. По сравнению с30ГФК почв ГК угля характеризуются значительно более высокой ароматичностью, и оченьнизким содержанием карбогидратных структур.В работе [84] было выполнено исследование фрагментного состава ГК различныхтипов почв.
При этом был сделан вывод, что почвы тропических регионов содержатменьшеароматическихикарбоксильныхфрагментов.Результатыисследованияприведены в табл. 1.6.Табл. 1.6.Фрагментный состав ГК различных типов почв тропических и умеренных широтТип почвыТропических регионовИнтептисольУльтисольУмеренных регионовЭнтисольМоллисольМоллисольСподосольСподосольУльтисольУльтисольСООНArAlk-OAlk1082232153253289121313121415343741553336382419201626272533322616292322В работе [12] указывается, что содержание ароматического углерода, определенное в[84] (табл.
1.6), хорошо согласуется со степенью бензоидности почв Российскойфедерации, рассчитанной согласно (1.2) как показано в главе 1.1.2.В работе [101] было показано существование значимой обратной корреляции междусодержанием ароматических и карбогидратных структур в молекулах ГФК почв.В то же время, несмотря на прослеженные во многих работах закономерности,сопоставление данных, полученных различными авторами, практически невозможно.Предпринятая нами попытка применения кластерного анализа к данным приложения 1показала, что в целом различия данных13С ЯМР исследования по количественномусодержанию для ГФК различных типов статистически незначимы.
Определяемыйметодом13С ЯМР в различных работах фрагментный состав ГФК сходного типаизменяется в очень широких пределах, что едва ли может быть объяснено толькоструктурными различиями препаратов. По всей видимости, результаты различныхисследованийтрудносопоставимывсвязиснеколичественностьюполучаемыхспектральных данных.
Подтверждением этого тезиса может служить сопоставлениеприводимых в разных работах результатов исследования структуры коммерческогопрепарата ГК бурого угля производства фирмы Aldrich и ФК реки Суваннее (табл. 1.7).31Фрагментный состав ГК "Aldrich" и ФК р. Суваннее по данным 13С ЯМР.СОСООН667181922191596ArФК р. Суваннее332827ГК "Aldrich"395926Табл. 1.7.Alk-OAlkИсточник212013212731[67][66][90]4912481744[100][67][108]Как видно из таблицы, приводимые данные резко различаются между собой, приэтом отличия значительно превышают указываемую авторами погрешность измерения.Столь высокий разброс экспериментально получаемых характеристик фрагментногосостава заставил нас провести анализ факторов, влияющих на количественностьполучаемыхспектральныхданных, и различий в экспериментальных условияхрегистрации спектров 13С ЯМР ГФК.321.2.3.
Проблемы количественной 13C ЯМР спектроскопии ГФК.В ряду проблем получения количественной структурной информации из спектровЯМР ГФК можно выделить три основные группы, соответствующие различным стадиямполучения и обработки спектральных данных:1. Корректное разделение спектров ГФК на интегрируемые диапазоны, минимизацияслучайных погрешностей при интегрировании.2. Регистрация спектров ГФК в условиях, обеспечивающих соответствие интегральныхинтенсивностей сигналов различных типов ядер в ЯМР спектре их содержанию вобразце.Перечисленные проблемы, характерные для спектроскопии ЯМР ГФК на любыхядрах, будут подробно рассмотрены на примере спектроскопии 13С ЯМР, так как в данномслучае они приобретают наибольшую значимость.Проблемы, возникающие на стадии обработки и преобразования спектров.Высокая полидисперсность ГФК, приводящая к «рассеиванию» интенсивностисигналов по всему спектру, оказывает негативное влияние на соотношение сигнал/шум.Этот факт, в сочетании с невысоким природным содержанием изотопа13C, низкойчувствительностью данного ядра и ограниченной растворимостью ГФК (20-50 г/л врастворах щелочей), заставляет проводить весьма длительное накопление для полученияудовлетворительных с точки зрения соотношения сигнал/шум спектров [110].
Малоезначение отношения сигнал/шум приводит, с одной стороны, к возрастанию случайнойошибки интегрирования, с другой – к снижению точности учета искажений базовойлинии, ответственных за систематические отклонения [15]. Очевидно, что приинтегрировании широких диапазонов перекрывающихся сигналов в спектре ГФК вкладвторой ошибки значительно выше.Наряду с длительным накоплением спада индуцированного сигнала наиболееважными приемами, направленными на увеличение отношения сигнал/шум являютсяподавлениеотраженногошумаприпомощичастотногофильтра,атакжеэкспоненциальное умножение [111].Однако даже в этом случае величина отношения сигнал/шум для различныхобластей спектра ГФК, как правило, составляет от 5 до 30 [72, 110], что в соответствии сданными [15] приводит к теоретической величине погрешности интегрирования 5 - 13%.Ошибка интегрирования, связанная с искажением базовой линии зависитодновременно от особенностей спектрометра, условий эксперимента и исследуемогообъекта.
Точность ее учета зависит от величины шума, размера участков интерполяции и33правильности выбора аппроксимирующей функции при коррекции базовой линии [112114].Коррекция линейных фазовых искажений представляет собой в случае спектров 13CЯМР ГФК неоднозначную операцию в связи с отсутствием в спектре выраженныхиндивидуальныхсигналовлоренцевойформы.Даннаяпроцедуравыполняетсяоператором вручную и может служить источником последующих ошибок интегрирования.При интегрировании спектров ГФК особую важность имеет единый подход ккорректному разделению спектра на интегрируемые диапазоны. Однако, как ужеупоминалось в главе 1.2.1, используемые в различных работах схемы разбиения спектровГФК в значительной степени произвольны, и могут быть основаны на различающихсязначениях границ диапазонов, в общем случае не всегда совпадающими со спектральнымиминимумами (табл. 1.8).Различные авторы по разному решали задачу отнесения сигналов, при этомприводимые отнесения как правило выбирались на основании атласов спектральныхданных низкомолекулярных соединений [69, 71, 72] или положений локальныхминимумов спектров [76, 81, 84].
Различия в отнесении сигналов являются одной изсущественныхпричиннесопоставимостиприводимыхразличнымиавторамиколичественных данных. Однако, в последние годы было в основном достигнуто единоемнение по поводу разделения13С ЯМР спектров ГФК на диапазоны, интервалыхимических сдвигов которых приведены в табл. 1.8.Анализ используемых различными авторами условий регистрации количественных 13СЯМР спектров ГФК.Принципиальная возможность получения корректной количественной информациииз спектров ЯМР13C может быть реализована только в условиях, обеспечивающихпропорциональность спектральных интенсивностей сигналов атомов углерода различныхтипов их реальному содержанию в образце.
Для установления таких условийопределяющее значение имеет информация о релаксационных характеристиках ядер13CГФК [70, 110]. Основными эффектами, вызывающими систематические искаженияистинных количественных соотношений между интенсивностями сигналов, являютсянасыщение [117] и ядерный эффект Оверхаузера [118].34Таблица 1.8.Различные подходы к определению границ интегрируемых диапазонов сигналов вспектрах 13C ЯМР ГФК.Отнесение сигналов атомов углеродаОбозначениеС- и Н-замещенные алифатические атомыуглеродаCAlk0-548-60CAlk-О48-6090-110Атомы углерода метоксильных группCCH3O48-5559-60О-замещенныеметиленовых группуглеродаCCH2-O59-6064-68О-замещенные атомы углерода метиновыхгруппCCH-O64-6890Атомы углерода ацетальных группCO-C-O90105-110CAr90-110160-170CAr90-110140-145CAr-O140-145160-170CC=O160-170220-230Атомы углерода карбоксильных групп и ихпроизводныхCCOOH160-170170-187Атомы углерода кетонных, хинонных иальдегидных группCC=O180-187220-230О-замещенные алифатические атомыуглеродаГраницы диапазонов,м.д.НижняяВерхняяв том числе:атомыАроматические атомы углеродав том числе:С- и Н-замещенные ароматические атомыуглеродаO-замещенныеуглеродаароматическиеатомыАтомы углерода карбонильных фрагментовв том числе:Насыщение возникает в случае, если энергия, прилагаемая к спиновой системе, всреднем превышает энергию, рассеиваемую ей в окружающую среду путем релаксации[119].
Мерой подаваемой энергии в импульсной спектроскопии ЯМР служит уголповорота намагниченности Θ, а мерой эффективности спин-решеточной релаксации характеристическое время (T1) экспоненциального восстановления намагниченности Mz:Mz = M0 [1-exp(-t/T1)],где t - время,M0 - равновесное значение намагниченности ядра.(1.4)35При заданной относительной погрешности σ и угле Θ=π/2 время необходимойрелаксационной задержки (Td) должно удовлетворятьусловию [15]:Td ≥ ln(100/|σ|)T1(1.5)Очевидно, что в случае использования недостаточного времени задержки спиныядер атомов углерода, характеризующихся более длительной релаксацией, не успеваютвосстановить первоначальную ориентацию, и относительная интенсивность их сигналов вспектре будет занижена [110].Для получения количественных спектров рекомендуетсяиспользовать Td не менее 3T1.Следует отметить, что корректное определение времени релаксации различныхтипов ядер в препаратах ГФК представляет собой трудную экспериментальную задачу попричине значительного перекрывания сигналов [110, 120, 103].
В связи с этим, с точкизрения поиска экспериментальных условий количественного определения ядер13C болеекорректно говорить лишь об оценке относительных скоростей релаксации ядер [70, 110].Времена релаксации ядер13С для большинства обычных органических молекул вотсутствие кислорода воздуха измеряются десятками секунд, достигая для четвертичныхатомов, удаленных от протонированной периферии молекулы, величин более 120 с. Всвязи с этим регистрация спектров при использовании достаточного для полнойрелаксации всех типов ядер13С времени задержки импульса практически неосуществимапри анализе сложных смесей, требующих длительного накопления сигнала [110].Величину T1 можно искусственно уменьшить добавлением в образец парамагнитноговещества (релаксанта) [121], в качестве которого обычно используют ацетилацетонатыхрома или железа [122].
Такой метод широко применяют для анализа нефтей инефтепродуктов, что позволяет на несколько порядков снизить T1 для наиболее медленнорелаксирующих ядер четвертичных атомов углерода [115]. Однако в водных растворахприменение ацетилацетонатов невозможно, а использование вместо них свободных солейпереходныхметаллов вызывает образование нерастворимыхгуматов вследствиеспецифического комплексообразования ГФК с ионами металлов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
