Х. Гюнтер - Введение в курс спетроскопии ЯМР (1125880), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Позже стали доступными приборы с рабочей частотой 60 МГц* (B0 =1,4 T), и к середине 60-х годов стандартным исследовательским спектрометром ЯМР стал приборс рабочей частотой 100 МГц и напряженностью поля 2,3 T.Этим был достигнут предел для традиционных электромагнитов, поскольку невозможно получить более высокую степеньнамагниченности с обычными ферромагнитными м а т е р и а л а м и .Для получения более мощных магнитных полей следовало применить совершенно новый принцип, что и привело к разработкемагнитов со сверхпроводящими соленоидами.
При этом используется свойство некоторых металлов, таких, как ниобий и цирконий, и сплавов полностью терять электрическое сопротивлеHfie при 4 К, т. е. при температуре жидкого гелия. Это дает возможность значительно повысить силу тока в таких системах.* Для классификации ЯМР-спектрометров чаще используют частоту протоппого резонанса, чем напряженность поля.302Специальные экспериментальные методы1251151059585302010О ГцРис. IX. 2. Спектр акрилонитрнла на частоте 220 МГц (Джонсон [2]).Принцип устройства спектрометра ЯМР со сверхпроводящиммагнитом показан на рис.
IX. 1. Здесь «магнит» состоит из катушки соленоида S, изготовленной из специального сплава.А м п у л а с образцом располагается внутри этой катушки, которая в свою очередь погружена в жидкий гелий. Одной из главных проблем при конструировании такого спектрометра является проблема термической изоляции соленоида. Эта проблемабыла удовлетворительно разрешена, и дальнейший прогресс втехнологии, в особенности усовершенствование конструкции сосуда Дьюара, которое обеспечивает минимальный расход гелияи увеличивает периоды между заливками, к настоящему времени проложил дорогу новому поколению исследовательскихприборов с напряженностью поля B0, равной 4,7 T, и рабочейчастотой 200 МГц для ЯМР 1H. Для специальных областей:применения — в особенности при исследовании синтетических;полимеров и биополимеров — используют сверхпроводящие'1магниты с напряженностью поля, достигающей 9,7 T, т.
е. с ча-;стотой 400 МГц для ЯМР1 H.:В качестве иллюстрации эффекта, которого можно ожидать;от увеличения B0, можно привести спектр акрилонитрила прИ|5,1 Т/220 МГц (рис. IX. 2) в сравнении со спектром этого же*соединения, зарегистрированным при 1,4 Т/60 МГц (рис. VI. 3)|В противоположность сложной системе ABC, наблюдавшей'при 60 МГц, в спектре на частоте 220 МГц мы видим системAMX, которая может быть непосредственно проанализировавкак спектр первого порядка.Использование полей высокой напряженности дает преимущества и при исследовании динамических эффектов. Как П1называет уравнение (VIII. 11), константа скорости k в точ:303коалесценции пропорциональна относительному химическомусдвигу 6v между ларморовыми частотами обменивающихсяядер.
Если имеется возможность увеличить Sv, а следовательно,увеличить йкоал и соответственно температуру коалесценции, тостановится осуществимым в доступном температурном интервале изучение быстрых реакций, т. е. реакций с высокими константами скоростей и низкими энергиями активации. Примеромреализации такой возможности может слуQжить инверсия цикла в производном тиеCH3пиндиоксиде 184. Присутствие диастереоS=Oтопных метальных групп в этом соединении, свидетельствующее о том, что кольцоH\неплоско, было обнаружено при —15O 0 CC-CW 3только на спектрометре с рабочей часCH3тотой 250 МГц (рис.
IX. 3). Посколькуконстанта скорости остается одинаковой184во всех трех экспериментах (они проводятся при одной и той же температуре), наблюдаемое разделение линий обусловлено именно увеличением 6v.Многие современные области применения спектрометров свысокой напряженностью поля связаны с интересом к конформации биополимеров, таких, как пептиды, белки, нуклеиновыекислоты, и действительно ЯМР является одним из немногихметодов, которые позволяют проводить конформационные исследования в жидкой фазе.
Сейчас удается детектировать, например, малые различия в химическом окружении некоторых20 Гц60 МГц100 МГца5С. IX. 3. Поглощение метильных протонов тиепиндиоксидя 184 при температуре -15O 0 C на различных частотах (Анет и сотр. [3])." ~~-наблюдаемые спектры; б—рассчитанные спектры.304Глава IXСпециальные экспериментальные методы305аминокислот в пептидной цепи и проводить отнесение индивидуальных резонансных сигналов к определенным участкам цепи.
Регистрируя эти сигналы при различных физических ихимических условиях (таких, как температура, рН или действиесубстратов), получают информацию, из которой можно сделатьзаключения о возможности конформационных или структурныхизменений в пептиде. Таким образом, ЯМР в настоящее времявнедряется в биохимию и биофизику.Следует, наконец, упомянуть о том, что для спектрометровсо сверхпроводящим магнитом коэффициент при поправке надиамагнитную восприимчивость [коэффициент 2я/3 в уравнении (III. 3)] при измерении значений 6v с внешним стандартом должен быть заменен н? величину, равную —4л/3, вследствие того что в этих приборах ось измерительной ампулы параллельна направлению внешнего поля B0.2.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ РЕЗОНАНСУВ обычных ЯМР-экспериментах с частотной разверткой длянаблюдения спектров поглощения используют переменное полеBI. Термин двойной резонанс применяют в тех случаях, когда вдополнение к полю BI на образец накладывают второе поле B2.Результат таких экспериментов сильно зависит от частоты иамплитуды поля B2.2.1. Спин-развязкаДетальное обсуждение собственных состояний спиновой системы в присутствии второго радиочастотного поля B2 должноосновываться на рассмотрении полного гамильтониана, который в системе координат, вращающейся с частотой со2 = 2jtv2,имеет следующий вид:'= I ( v , - V 2 ) T 2 ( O +i+ Z Z V ( O / ( / ) - Z (Y/2n), B2/, (О(IX.
1)В отличие от обычного выражения (V. 10) резонансные частоты j-x ядер фиксированы относительно частоты поля B2.Сумма Z (\/2л) г B2Ix (O описывает взаимодействие поля B2 соспиновой системой, которое приводит к смешиванию собственных состояний, имеющих различные значения суммарного спи-,на. По порядку величины это взаимодействие сравнимо со спин-1спиновым взаимодействием, и поэтому оно входит в оператор|Гамильтона в отличие от слабого поля B1.Рис. IX. 4. Зависимость резонанса X в системе AX от разности частот VA — V2между резонансом A2 и полем B2 в экспериментах по двойному резонансу.а — поле В2 выключено; б — поле B2 включено.Как и в случае спектра монорезонанса, частоты и интенсивности переходов в данном случае следует определять с помощьюуравнения (IX.
1) и базисных функций соответствующих спиновых систем. Не вдаваясь здесь в детали расчета, приведемтолько наиболее важные результаты для системы AX. Если частота V 2 второго ВЧ-поля равна ларморовой частоте ядра А ивыполняется условие (у/2п)В2 > 2/ Л х,то резонанс ядра X наблюдается каксннглет. Рис. IX. 4 иллюстрирует экспериментальное подтверждение этогоFe(CO) 3для экспериментов по двойному резонансу в системе AX метиленовых протонов железотрикарбонильного комплекса о-ксилилена [1,2-бмс-(метилен)185циклогексадиена (185)]. Здесь резонанс X наблюдается как функция параметра VA—V 2 . Когда VA—V 2 = O, наблюдается синглет и спинспиновое взаимодействие между ядрами А и X исчезает.
Значение метода двойного резонанса становится, таким образом,сразу же очевидным: с помощью второго поля можно по желанию убирать расщепления в сложных спектрах. Это приводитк упрощению спектра и облегчению его анализа. Кроме того,306ГлаваСпециальные экспериментальные методыIXC-807COOC 2 H 6Jl,IlV1*рV2 (сриксиро&ана)\(ЧV2I—tIлд.,.",1уIIЛРис. IX. 5.
Принцип двойного резонанса, иллюстрируемый на примере спектраацетальдегида.а — обычный спектр; б — спектр двойного резонанса в в а р и а н т е частотной развертки;в — с п е к т р двойного резонанса в варианте полевой развертки.из экспериментов по двойному резонансу можно установить связи протонов в молекуле, поскольку существуют эмпирическиекорреляции между стереохимией и величинами спин-спиновоговзаимодействия (гл. I V ) .Не входя в детали строгого рассмотрения, можно получитьпредставление о результатах экспериментов по двойному резонансу на основе классической модели ЯМР-эксперимента, какэто было описано в гл.
VII. Для случая, когда частота V 2 второго поля совпадает с ларморовой частотой ядра А, оказывается, что БЭФФ = B2, т. е. вектор |аА прецессирует вокруг B2 и,таким образом, вокруг оси х'. Следовательно, |гд направленпрактически перпендикулярно вектору цх. Векторы ядерногоспина / ( X ) и / ( A ) квантуются тогда вдоль осей Z H X ' соответственно. Таким образом, они ортогональны и их скалярноепроизведение, т. е.
скалярное спин-спиновое взаимодействие,становится равным нулю, согласно уравнению (II. 6).Метод двойного резонанса экспериментально проще всегоосуществить в варианте частотной развертки. В этом случаеполе B2 генерирует в заданном положении в спектре е помощью боковой полосы, получаемой путем модуляции цент-7S5432tO SРис. IX. 6.
Эксперимент по двойному резонансу для этилкротоната.а —обычный спектр; б—спектр двойного резонанса для VJ = VCHральной полосы генератора; полный спектр поглощения можнонаблюдать, используя в качестве поля S1 другую боковую полосу с переменной частотой (рис. IX.5,б). Таким образом,в одном эксперименте можно одно за другим устранить и отнести все взаимодействия, в которых участвует рассматриваемое ядро.
Без особых трудностей метод двойного резонансаможет быть расширен до тройного резонанса, если использовать третье поле Ss.Метод двойного резонанса может быть использован такжев режиме полевой развертки, однако для полного анализасложного спектра необходимо осуществить в этом случае несколько экспериментов. Второе поле генерируется с помощьюбоковой полосы, находящейся на постоянном расстоянии Av отполя S1. Практически эффект развязки наблюдается толькотогда, когда Av равно разности между резонансными частотами облучаемого и наблюдаемого ядер. В режиме частотнойразвертки это было бы эквивалентно эксперименту, в которомразвертка спектральной области осуществляется с помощьюдвух полей, имеющих постоянную разность частот Av. Легкопонять, что для каждой пары протонов необходимо проводитьотдельный эксперимент (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
