Ядерный магнитный резонанс углерода-13 - Carbon-13 nuclear magnetic resonance

Ядерный магнитный резонанс углерода-13 (C13) (наиболее известный как углерод-13 ЯМР или 13C ЯМР или иногда просто упоминается как углеродный ЯМР) является применением спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) к углерод. Это аналог протонный ЯМР (1
ЧАС
 ЯМР) и позволяет идентифицировать углерод атомы в органическая молекула так же, как протонный ЯМР идентифицирует водород атомы. Как таковой 13C ЯМР - важный инструмент в химическая структура разъяснение в органическая химия. 13C ЯМР обнаруживает только 13
C
 изотоп углерода, чей природное изобилие составляет всего 1,1%, потому что основной изотоп углерода, 12
C
, не обнаруживается методом ЯМР, так как его ядро имеет ноль вращение.

Химические сдвиги

13C химические сдвиги следовать тем же принципам, что и 1H, хотя типичный диапазон химических сдвигов намного больше, чем для 1H (примерно в 20 раз). Эталонный стандарт химического сдвига для 13C - это атомы углерода в тетраметилсилан (ТМС),[1] химический сдвиг которого считается равным 0,0 ppm.

Типичные химические сдвиги в 13C-ЯМР

Выполнение

Чувствительность

1313С ЯМР имеет ряд осложнений, которые не встречаются в протонном ЯМР. 1313C ЯМР гораздо менее чувствителен к углероду, чем 1H ЯМР относится к водороду, поскольку основной изотоп углерода, 12Изотоп C, имеет квантовое число спина нуля и поэтому не является магнитно-активным и поэтому не обнаруживается ЯМР. Только гораздо менее распространенные 13Изотоп C, присутствующий в природе в естественном содержании 1,1%, является магнитоактивным со спиновым квантовым числом 1/2 (например, 1H) и поэтому обнаруживается с помощью ЯМР. Поэтому лишь немногие 13Присутствующие ядра C резонируют в магнитном поле, хотя это можно преодолеть путем изотопного обогащения, например белок образцы. В дополнение гиромагнитное отношение (6.728284 107 рад Т−1 s−1) составляет лишь 1/4 от 1H, еще больше уменьшая чувствительность. В целом восприимчивость из 13C примерно на 4 порядка ниже, чем1ЧАС.[2]

Сильнополевые магниты с внутренними отверстиями, способными принимать пробирки большего размера (обычно диаметром 10 мм для 13C ЯМР против 5 мм для 1H ЯМР), использование релаксационных реагентов,[3] например Cr (acac)3 (ацетилацетонат хрома (III) ), а соответствующие импульсные последовательности сократили время, необходимое для получения количественных спектров, и сделали количественный ЯМР углерода-13 широко используемым методом во многих промышленных лабораториях. Применения варьируются от количественной оценки препарат, средство, медикамент чистота до определения состава высокомолекулярного синтетического полимеры.

При обычном использовании органического соединения 13C ЯМР может потребоваться несколько часов для записи спектра пробы в один миллиграмм по сравнению с 15-30 минутами для 1H ЯМР, и этот спектр будет более низкого качества. В ядерный диполь слабее, разница в энергии между альфа- и бета-состояниями составляет четверть энергии протонного ЯМР, а Больцмановское население разница соответственно меньше.[4]

Режимы сцепления

Еще одно потенциальное осложнение связано с наличием большой одной связи J-муфта константы между углеродом и водородом (обычно от 100 до 250 Гц). Чтобы подавить эти связи, которые в противном случае усложнили бы спектры и еще больше снизили бы чувствительность, спектры ЯМР углерода обычно представляют собой протонные спектры. развязанный убрать расщепление сигнала. Связями между атомами углерода можно пренебречь из-за низкого естественного содержания 13Таким образом, в отличие от типичных протонных ЯМР-спектров, которые показывают мультиплеты для каждого положения протона, углеродные ЯМР-спектры показывают единственный пик для каждого химически неэквивалентного атома углерода.[5]

В отличие от 1H ЯМР, интенсивности сигналов обычно не пропорциональны количеству эквивалентных 13Атомы углерода, а вместо этого сильно зависят от числа окружающих спины (обычно 1ЧАС). При необходимости спектры можно сделать более количественными, если дать ядрам достаточно времени для расслабляться между повторными сканированиями.

Самые распространенные режимы записи 13Спектры C представляют собой развязку между протонами и шумом (также известную как шумовая, протонная или широкополосная развязка), нерезонансная развязка и стробируемая развязка. Эти режимы предназначены для работы с большими значениями J для 13C - H (110–320 Гц), 13C - C - H (5–60 Гц) и 13C - C - C - H (5–25 Гц), которые в противном случае делают полностью протонно-связанные 13C-спектры трудно интерпретировать.[6]

При развязке протон-шум, при которой обрабатывается большинство спектров, развязка шума сильно облучает образец широким (приблизительно 1000 Гц) диапазоном радиочастот, покрывающим диапазон (например, 100 МГц для поля 23 486 Гс), в котором протоны изменяются. их ядерный спин. Быстрые изменения спина протона создают эффективное гетероядерное разделение, увеличивая силу сигнала углерода из-за ядерный эффект Оверхаузера (NOE) и упрощая спектр, так что каждый неэквивалентный углерод дает синглетный пик. Относительные интенсивности ненадежны, потому что некоторые атомы углерода имеют большую время спин-решеточной релаксации а другие имеют более слабое усиление NOE.[6]

При стробированной развязке шумовой развязатель стробируется на ранней стадии задержки свободной индукции, но отключается на время задержки импульса. Это в значительной степени предотвращает усиление ННЭ, позволяя индивидуальной 13Пики C необходимо сравнивать путем интегрирования за счет от половины до двух третей общей чувствительности.[6]

При нерезонансной развязке шуморазделитель облучает образец с частотой 1000–2000 Гц в сильном поле или 2000–3000 Гц в нижнем поле резонансной частоты протонов. Это сохраняет связи между протонами, непосредственно прилегающими к 13Атомы C, но чаще всего удаляют другие, позволяя визуализировать узкие мультиплеты с одним дополнительным пиком на связанный протон (если связанные протоны метилена не являются неэквивалентными, и в этом случае может наблюдаться пара дублетов).[6]

Улучшение без искажений за счет спектров передачи поляризации

Различные спектры DEPT пропилбензоат
Сверху вниз: 135 °, 90 ° и 45 °

Улучшение без искажений за счет передачи поляризации (ОТДЕЛЕНИЕ)[7] это метод ЯМР, используемый для определения наличия первичных, вторичных и третичный углерод атомы. Эксперимент DEPT различает CH, CH2 и CH3 группы по вариации параметра угла выделения (угол кончика конечного 1H-импульс): угол 135 ° дает все CH и CH3 в фазе противоположной CH2; Угол 90 ° дает только группы CH, остальные подавляются; Угол 45 ° дает всем атомам углерода с присоединенными протонами (независимо от их числа) в фазе.

Сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов всегда отсутствуют (из-за отсутствия присоединенных протонов).

Перенос поляризации от 1H к 13C имеет вторичное преимущество в увеличении чувствительности по сравнению с нормальным 13Cspectrum (который имеет небольшое улучшение по сравнению с ядерный эффект оверхаузера (NOE) из-за 1H развязка).

Прикрепленные тестовые спектры протонов

Еще один полезный способ определить, с каким количеством протонов связан углерод в молекуле, - это использовать прикрепленный протонный тест (APT), который различает атомы углерода с четным или нечетным числом присоединенных водород. Правильная последовательность спинового эха способна различать S, I2S и я1S, я3S-спиновые системы: первые будут проявляться как положительные пики в спектре, а вторые как отрицательные пики (направленные вниз), сохраняя при этом относительную простоту спектра, поскольку он все еще является развязанным широкополосным протоном.

Несмотря на то, что этот метод не позволяет полностью различать CHп групп, он настолько прост и надежен, что его часто используют в качестве первой попытки сопоставить пики в спектре и выяснить структуру.[8] Кроме того, сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов все еще обнаруживаются, поэтому во многих случаях дополнительные обычные 13C-спектр не требуется, что является преимуществом перед DEPT. Однако иногда возможно, что CH и CH2 сигнал имеют совпадающие эквивалентные химические сдвиги, приводящие к аннулированию в спектре APT из-за противоположных фаз. По этой причине традиционный 13C {1Иногда также регистрируются спектр H} или HSQC.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Теория ЯМР - химический сдвиг
  2. ^ Р. М. Сильверстайн; Г. К. Басслер; Т. К. Моррилл (1991). Спектрометрическая идентификация органических соединений. Вайли.
  3. ^ Caytan E, Remaud GS, Tenailleau E, Akoka S (2007). «Точный и точный количественный 13C ЯМР с сокращенным временем эксперимента». Таланта. 71 (3): 1016–1021. Дои:10.1016 / j.talanta.2006.05.075. PMID  19071407.
  4. ^ «Измерение спектров ЯМР 13С». Университет Висконсина.
  5. ^ «Введение в углеродный ЯМР». Университет Пьюджет-Саунд.
  6. ^ а б c d Лал Дхар Сингх Ядав (13.08.2013). Органическая спектроскопия. Springer. С. 197–199. ISBN  9781402025754.
  7. ^ Doddrell, D.M .; Пегг, Д.Т .; Бендалл, М.Р. (1982). «Улучшение без искажений сигналов ЯМР путем передачи поляризации». J. Magn. Резон. 48 (2): 323–327. Bibcode:1982JMagR..48..323D. Дои:10.1016/0022-2364(82)90286-4.
  8. ^ Киллер, Джеймс (2010). Понимание ЯМР-спектроскопии (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 457. ISBN  978-0-470-74608-0.

внешняя ссылка