eng
Содержание
Содержание
Предисловие ...................................................................................... 6
От автора ............................................................................................ 8
Введение. О роли физико-химических методов исследования
в развитии химической науки .................................................. 10
ЛЕКЦИЯ 1. ЯВЛЕНИЕ ЯМР И СПОСОБЫ
ЕГО НАБЛЮДЕНИЯ ................................................ 17
1.1.
Введение .................................................................................... 17
1.2.
Магнитные моменты ядер и квантование уровней энергии
в магнитном поле ..................................................................... 19
1.3.
Способы регистрации ЯМР ..................................................... 28
1.3.1.
Метод «непрерывной развертки» ................................... 28
1.3.2.
Фурье-спектроскопия ЯМР ........................................... 29
ЛЕКЦИЯ 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СПЕКТРОВ ЯМР ..... 41
2.1.
Тонкая структура сигналов ЯМР. Химический сдвиг
и спин-спиновое взаимодействие ядер ................................... 41
2.1.1.
Химический сдвиг ........................................................... 41
2.1.1.1.
Природа явления ................................................... 41
2.1.1.2.
Диапазоны изменений констант экранирования.
Как измеряют химические сдвиги ............................. 43
2.1.2.
Спин-спиновое взаимодействие .................................... 48
2.2.
Релаксация ................................................................................ 57
2.2.1.
Спин-решеточная релаксация ........................................ 57
2.2.2.
Спин-спиновая релаксация ............................................ 64
2.2.3.
Форма линии в ЯМР ....................................................... 66
2.3.
Современный спектрометр ЯМР ............................................. 69
2.4.
Правила проведения измерений спектров ЯМР высокого
разрешения ............................................................................... 78
2.5.
Спектры ЯМР высокого разрешения в твердых телах ............ 79
ЛЕКЦИЯ 3. ХИМИЧЕСКИЙ СДВИГ .......................................... 82
3.1.
Природа экранирования .......................................................... 82
3.2.
Факторы, определяющие химические сдвиги ядер водорода ..... 87
3.3.
Связь химического сдвига в спектрах 1Н-ЯМР с локальной
электронной плотностью на атоме ............................................. 89
3.4.
Химические сдвиги 1Н-ЯМР и магнитная
анизотропия соседних атомов и групп .................................... 93
3.4.1.
Диамагнитный кольцевой ток в ароматических
молекулах и магнитный критерий ароматичности ............. 95
3.4.2.
Парамагнитный кольцевой ток в антихюккелевских
4
π-системах ...................................................................... 103
3.4.3.
Магнитная анизотропия других связей и групп .............. 106
3.5.
Водородные связи ................................................................... 112
3.6.
Влияние растворителя. ASIS-эффект .................................... 115
3.7.
Особенности спектров 1Н-ЯМР элементоорганических
соединений и π-комплексов переходных металлов .............. 122
3.8.
Аддитивные схемы оценки протонных химических сдвигов.
Заключительные замечания о природе экранирования
ядер 1Н .................................................................................... 124
ЛЕКЦИЯ 4. КОСВЕННОЕ СПИН-СПИНОВОЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ............................................. 129
4.1.
Факторы, определяющие значения констант
спин-спинового взаимодействия JHH .................................... 129
4.1.1.
Классификация констант спин-спинового
взаимодействия ............................................................... 129
4.1.2.
Знак константы спин-спинового взаимодействия ...... 132
4.1.3.
Геминальные константы спин-спинового
взаимодействия 2JHH ....................................................... 133
4.1.4.
Вицинальные константы спин-спинового
взаимодействия 3JHH и стереохимия молекул ................ 135
4.1.5.
Дальние константы спин-спинового
взаимодействия JHH ......................................................... 139
4.2.
Анализ спектров 1Н-ЯМР высокого разрешения ................. 140
4.2.1.
Спиновые системы со слабой связью. Спектры
первого порядка ............................................................... 141
4.2.2.
Спиновые системы со слабой связью. Отклонения
от правил первого порядка в экспериментальных
спектрах ........................................................................... 145
4.2.3.
Особенности спектров ЯМР соединений,
содержащих квадрупольные ядра ................................... 149
4.2.4.
Спиновые системы с сильной связью .......................... 151
4.2.4.1.
Магнитная неэквивалентность ядер .................. 151
4.2.4.2.
Сильно связанные спиновые системы
при Δδν0 < 6Jmax ........................................................ 159
4.2.4.3.
Спектры АВХ ....................................................... 161
ЛЕКЦИЯ 5. МЕТОДЫ УПРОЩЕНИЯ СЛОЖНЫХ
СПЕКТРОВ 1Н-ЯМР .............................................. 166
5.1.
Измерение спектров на приборах с большой
напряженностью поля ............................................................ 166
5.2.
Двойной резонанс .................................................................. 168
5.3.
Ядерный эффект Оверхаузера ............................................... 172
5.4.
Селективный перенос поляризации при двойном
резонансе ................................................................................ 180
5.5.
Компьютерный анализ спектров ЯМР высокого
разрешения ............................................................................. 183
5.6.
Спектры ЯМР и симметрия молекул .................................... 185
5.7.
Несколько простых задач ....................................................... 192
ЛЕКЦИЯ 6. СПЕКТРОСКОПИЯ 13С-ЯМР .............................. 198
6.1.
Несколько важных предварительных замечаний .................. 198
6.2.
Гетероядерный двойной резонанс 13С — {1H} ........................ 199
6.3.
Химические сдвиги ядер 13С .................................................. 212
6.4.
Константы спин-спинового взаимодействия JСH и JСС ........ 222
6.4.1.
Экспериментальные методы измерения JСН ............... 222
6.4.2.
Факторы, определяющие значения JCH ....................... 232
6.5.
Пример постановки сложной задачи в области 13С-ЯМР
и ее блестящего экспериментального решения .................... 236
6.6.
Пример решения структурной задачи ................................... 239
ЛЕКЦИЯ 7. ДИНАМИЧЕСКИЙ ЯМР ...................................... 243
7.1.
Разрешающая способность физического метода
по времени .............................................................................. 243
7.2.
Двухпозиционный обмен ....................................................... 246
7.3.
Заторможенное внутреннее вращение вокруг частично
двойных связей ....................................................................... 250
7.4.
Конформационные равновесия в замещенных
циклогексанах ........................................................................ 253
7.5.
Межмолекулярный протонный обмен в спиртах .................. 255
7.6.
Стереохимически нежесткие, или флуктуирующие
молекулы ................................................................................. 259
7.6.1.
[18]-Аннулен ................................................................. 259
7.6.2.
Бульвален ...................................................................... 264
7.6.3.
Аренониевые ионы ....................................................... 272
7.6.4.
Металлотропия элементоорганических производных
циклопентадиена ............................................................. 275
Заключительные замечания ..................................................... 283
Об авторе предисловия ............................................................ 286
Предисловие
Открытие ЯМР и его быстрое внедрение в практику научных
исследований положили начало новому этапу не только в
исследовании структуры вещества на всех уровнях, но и в
изучении природы физических и химических процессов в
растворах и в конденсированных средах. Ни один из других
физических методов не был столь щедро отмечен самыми
престижными научными наградами. Три Нобелевские пре-
мии были присуждены непосредственно за открытие явле-
ния ЯМР (Отто Штерн, премия по физике, 1943 г., Исидор
Раби, премия по физике, 1944 г., Феликс Блох и Эдвард Пер-
селл, премия по химии, 1952 г.). Нобелевскую премию по хи-
мии за развитие самого метода в 1991 году получил Рихард
Эрнст. Еще две Нобелевские премии, одна по химии (Курт
Вютрих, 2002 г.) и одна по медицине (Пол Лаутербур и Пи-
тер Мэнсфильд, 2003 г.), были присуждены за пионерские
работы, открывшие пути применения ЯМР в совершенно
новых областях науки. Я думаю, что вряд ли найдется хотя
бы один Нобелевский лауреат, получивший эту награду по
химии, физике, биологии или медицине в последние 50 лет,
который не использовал бы метод ЯМР в своих работах.
Рихард Эрнст еще 30 лет назад убедил меня в том, что ох-
ватить весь диапазон применений ЯМР в одной книге не-
возможно. Литература по ЯМР насчитывает сотни моногра-
фий и обзоров, многие тысячи научных статей. Примерно
половина из них посвящена его использованию в органиче-
ской химии. Ведь именно органическая химия стала первым
полигоном для применений ЯМР. Она без ЯМР сегодня су-
ществовать и развиваться не может. Написано множество
превосходных учебников и монографий, посвященных раз-
личным аспектам использования ЯМР в химии. Уместно в
связи с этим спросить, зачем же тогда издавать еще одну
книгу, какое место в этом море литературы она займет и в
чем главная заслуга ее автора профессора Ю.А. Устынюка.
Во-первых, сразу следует отметить, что на русском языке
за последние 10 лет появились лишь две или три книги по
ЯМР для химиков, рассчитанные в основном на читателей,
хорошо подготовленных по физике и математике. Среди
них отмечу перевод неплохой книги Р. Сильвестейна,
Ф. Вебстера и Д. Кимла, появившийся в 2011 году. Вышед-
ший в 1984 году в русском переводе Н.М. Сергеева и
Ю.А. Устынюка отличный учебник профессора Гюнтера уже
значительно устарел, а тексты, доступные студентам млад-
ших курсов, лишь начинающим изучение области, на рус-
ском языке просто отсутствуют. Компактный курс лекций
Ю.А. Устынюка этот пробел восполняет.
Я физик, и я честно признаюсь, что понимаю не все тон-
кости затронутых в этих лекциях химических проблем. Не-
смотря на это, меня эта книга очень порадовала. Автору
вполне удалось избежать вульгаризации в изложении основ
ЯМР, которая часто появляется без использования строгого
математического аппарата. В лекциях дан прекрасный ме-
тодический обзор всех возможностей использования одно-
мерных методик ЯМР в органической химии, иллюстриро-
ванный решениями интересных, часто нетривиальных за-
дач. Приводятся вопросы и задачи для самостоятельной
работы. Они потребуют от студента некоторых усилий, но
позволят развить самостоятельный творческий подход к ре-
шению структурных и динамических задач.
В изложении ярко проявляется широкий кругозор авто-
ра, его любовь к этой области науки, основанная на глубо-
ком знании ее истории и на уважении к великим ученым,
внесшим наиболее важные вклады в ее развитие, некоторые
из которых, к сожалению, уже незаслуженно забыты. Инте-
ресные эпизоды из жизни этих людей, со многими из кото-
рых автор знаком лично, делают изложение увлекательным.
Автор явно стремится передать своим слушателям и читате-
лям любовь к своей науке. Ведь эта любовь — первый и
очень важный залог их будущих достижений!
Доктор Уве Айхофф,
Почетный профессор
Московского государственного университета
17 февраля 2015 г.
От автора
В основу текстов этих лекций положен материал двух лек-
ционных курсов, которые ряд лет я читал студентам кафедры
органической химии химического факультета МГУ,
а также студентам Высшего химического колледжа РАН.
Лекции рассчитаны на читателей и слушателей, которые
встречаются с ЯМР впервые и предполагают использовать
этот вид спектроскопии в основном для решения структур-
ных задач. Большинство моих слушателей в этих аудиториях
еще не имели хорошей подготовки по квантовой механике,
поэтому я стремился при изложении материала избегать ма-
тематических выкладок, ограничиваться наглядными каче-
ственными моделями и, по возможности, иллюстрировать
изложение примерами использования ЯМР в решении со-
временных химических задач. Конечно, при этом всегда воз-
никает опасность вульгаризации, и, к моему сожалению,
полностью ее избежать не удалось. Но мой собственный
опыт преподавания дисциплины в течение более 30 лет убе-
дил меня в том, что качественный уровень изложения впол-
не достаточен для успешного решения рутинных задач не
слишком высокой сложности. Этот курс является вводным,
и я всегда рекомендую моим слушателям дополнить его
в программах дальнейшей подготовки продвинутыми
и специальными курсами с более полным и более строгим
изложением предмета.
Спектроскопия ЯМР — очень молодая область науки,
возникшая и быстро развившаяся на стыке современной
физики, химии, биологии и медицины. В современных
спектрометрах ЯМР, которые являются сложными измерительно-
вычислительными комплексами пятого поколе-
ния, широко используются последние достижения криоген-
ной техники, радиоэлектроники, точной механики и вычис-
лительной техники. История развития ЯМР чрезвычайно
интересна и поучительна сама по себе, и поэтому я стремил-
ся, в меру возможностей, познакомить своих слушателей
с ее основными фактами, а также с теми учеными, которые
внесли важные вклады в ее развитие. Некоторых из них мне
посчастливилось знать лично, и я многое почерпнул из жи-
вого общения с этими замечательными людьми.
Я буду искренне признателен моим читателям за замеча-
ния, критику и отзывы, которые прошу направлять по адре-
су ustynyuk@nmr.chem.msu.ru.
Я выражаю свою искреннюю благодарность сотрудни-
кам лаборатории ЯМР, которые прочли эти тексты и сдела-
ли много ценных замечаний. Я особенно признателен про-
фессору Н.М. Сергееву, который оказал мне неоценимую
помощь своими советами и критикой, а также к. х. н.
С.С. Жохову за помощь в техническом оформлении рукописи.
Введение. О роли
физико-химических методов исследования
в развитии химической науки
Согласно известному закону наукометрии, объем информа-
ции в каждой области науки на относительно коротких
исторических отрезках со временем растет по экспоненте
(Д. Прайс, Ю. Гарфилд, В.В. Налимов). Математика, физи-
ка и биология в последние несколько десятилетий следуют
этому закону. А вот химия в темпах развития за этот пери-
од существенно опережала другие точные и естественные
науки. Наглядным подтверждением служит график, пред-
ставленный на рис. 1. Он взят из книги Дж. Пиментела
и Дж. Кунрода «Возможности химии сегодня и завтра» (М.:
Мир, 1992). По ординате на нем отложен логарифм числа
известных индивидуальных химических соединений на
определенные моменты времени, который может служить
хорошей мерой объема химической информации, а по абс-
циссе — время. Если бы закон экспоненциального роста
выполнялся и для химии, мы в праве были бы ожидать, что
на этом графике появится прямая, которая на рисунке про-
ведена пунктиром. В действительности мы видим, что объ-
ем химических знаний в последние 70 лет нарастал гораздо
быстрее. Это что-то вроде суперэкспоненты. Если в 40-х го-
дах прошлого столетия время удвоения объема информации
составляло 47 лет, то к концу ХХ века оно сократилось до
11 лет и, по данным И.В. Мелихова (Журнал ВХО им.
Д.И. Менделеева. 1989. Т. 34. № 4. С. 223—228), в последние
30 лет сохраняется на том же уровне. Темп прироста состав-
ляет сейчас около 500 000 новых веществ в год (!), из кото-
рых 85% — органические соединения.
Какие же причины вызвали столь быстрое развитие хи-
мической науки? Главная причина, несомненно, состоит
в том, что химия уже давно играет решающую роль в созда-
нии новых материалов, лекарств, средств защиты растений
и всех других средств, составляющих фундамент материаль-
ной культуры современной цивилизации. Она стала осно-
вой большинства технологических процессов во всех обла-
стях промышленности: более 80% современных технологий
энергетики, в том числе атомной, электроники, металлур-
гии, пищевой и легкой промышленности, сельского хозяй-
ства, а также все 100% нефтепереработки — это чистая хи-
мия! Нельзя забывать и про военную химию. В химию и хи-
мическую технологию за последний век были вложены
колоссальные финансовые, материально-технические и ин-
теллектуальные ресурсы.
Но не менее важна и другая «внутренняя» причина. Это
исключительно быстрое совершенствование методического
арсенала химических исследований. Химик-исследователь
с помощью современных методов получает в единицу вре-
мени в тысячи раз (!!!) больше информации о составе, строе-
нии и свойствах вещества, чем в середине ХХ века. По мет-
кому выражению С.Г. Кара-Мурзы, историю химической
науки можно рассматривать не только как эволюцию ее ос-
новных концепций на фоне накопления новых эксперимен-
тальных фактов. С полным правом ее можно изложить и как
историю совершенствования и развития методического ар-
сенала химической науки. Заимствованный из смежной на-
уки новый метод не только многократно увеличивает иссле-
довательские возможности освоившего его нового научного
сообщества. На стыке наук метод подобен троянскому ко-
ню. Вместе с ним в новую область проникают его теоретиче-
ский и математический аппараты, с помощью которых уче-
ные уже в новой области создают новые концепции. Яркий
тому пример — спектроскопия. Как и многие другие мето-
ды, она пришла в химию в начале ХХ века из физики. Вме-
сте с ней химики освоили и теоретический аппарат спектро-
скопии — квантовую механику. Нет необходимости расска-
зывать здесь о том, к сколь глубоким и плодотворным
сдвигам в теории строения молекул это привело.
Дж. Робертс в 1965 году в одном из докладов сказал:
«ЯМР, масс-спектрометрия и ИК-спектроскопия — трезу-
бец в руках современного химика-органика». Арсенал фи-
зических методов исследования с того момента необычайно
расширился. Сегодня в продвинутых научных проектах по
органической химии исследователи используют, как прави-
ло, четыре-пять взаимодополняющих методов, среди кото-
рых бесспорное лидерство захватил ЯМР. На его долю при-
ходится больше цитирований, чем на все остальные методы,
вместе взятые.
Принцип совместного использования взаимодополняю-
щих методов исследования был и остается основополагаю-
щим в современных работах. Важно также отметить, что
в сравнении с серединой прошлого века информативность
каждого из методов резко повысилась. Например, за по-
следние 20 лет разрешающая способность и чувствитель-
ность во всех видах спектроскопии улучшились на порядок
и более, а производительность научных приборов выросла
более чем на два порядка. К числу самых ярких достижений,
безусловно, следует отнести практическое достижение фи-
зических пределов в пространственном и временном разрешении
и абсолютных пределов чувствительности в ряде
методов для химических исследований. Создание сканиру-
ющей туннельной микроскопии с пространственным разре-
шением на уровне 0,1 нм обеспечивает наблюдение отдель-
ных атомов и молекул. Разработка лазерной фемтосекунд-
ной спектроскопии с временным разрешением на уровне
1—10 фс открывает возможности исследования элементар-
ных актов химических процессов во временных интервалах,
соответствующих одному периоду колебаний атомов в мо-
лекуле. Открытие туннельной колебательной спектроско-
пии позволяет теперь следить за поведением и превращени-
ями отдельных молекул на поверхности твердых тел.
Рентгеноструктурный анализ монокристаллов (РСА)
40 лет назад был одним из самых трудоемких и длительных
по времени экспериментов. Определение молекулярной
и кристаллической структуры нового вещества тогда требо-
вало месяцев работы. Новейшие автоматические рентгенов-
ские дифрактометры дают сегодня возможность при изуче-
нии соединений даже большой молекулярной массы полу-
чить весь необходимый массив отражений за несколько
часов. Полная обработка экспериментальных данных с по-
мощью современных программ на персональном компьюте-
ре занимает еще несколько часов. Так, казавшаяся ранее
несбыточной мечта химика «один день — одна полная струк-
тура» стала реальностью. За последние 15 лет с помощью
РСА было, по всей видимости, исследовано больше молеку-
лярных структур, чем за весь предшествующий период его
применения. Прецизионные рентгеноструктурные экспери-
менты при низких температурах открывают возможности
для построения карт разностной электронной плотности мо-
лекул, которые можно непосредственно сравнивать с резуль-
татами квантово-химических расчетов высокого уровня.
Повышение чувствительности масс-спектрометров уже
обеспечивает надежный анализ фемтограммовых количеств
вещества. Новые методы ионизации и времяпролетные
масс-спектрометры с достаточно высоким разрешением
(системы MALDI-TOF) в сочетании с двумерным электро-
форезом позволяют проводить идентификацию и исследо-
вание строения биомолекул очень большой молекулярной
массы, например клеточных белков.
Новый шаг вперед сделала и спектроскопия ЯМР. Ис-
пользование вращения образца под магическим углом
с кросс-поляризацией позволяет получать спектры высоко-
го разрешения в твердых телах. Применение сложных по-
следовательностей радиочастотных импульсов в сочетании
с импульсными градиентами поляризующего поля, а также
инверсное детектирование спектров тяжелых и редких ядер
обеспечивают возможность прямого определения трехмер-
ной структуры и динамики белков с молекулярной массой
до 50 кДа в растворе.
Основу научного парка сейчас составляют приборы пя-
того поколения — сложные измерительно-вычислительные
комплексы. Каждый из них обычно имеет в своем составе
один или несколько мощных быстродействующих компью-
теров. В таких приборах широко используются микропро-
цессоры и сложная прецизионная радиоэлектроника. Сам
прибор обычно включен в информационные сети, что от-
крывает удаленный доступ к постановке и управлению экс-
периментом и к получению результатов измерений в реаль-
ном времени. Произошла полная автоматизация измерений
и обработки результатов. Широко применяются гибрид-
ные системы, сочетающие несколько приборов, включен-
ных в цепочку. Например, в любом современном институ-
те вы найдете такие системы, как ГЖХ-МС, ВЭЖХ-МС,
ВЭЖХ‑ЯМР. Возникли новые тенденции в создании и раз-
витии методического арсенала химических исследований,
особенно отчетливо проявившиеся в последние 20 лет:
1) опережающее и целенаправленное создание методов
(«метод часто создается под задачу»);
2) сокращение сроков от момента создания физических
основ метода до его воплощения в аналитический прибор
и использование в решении практических задач;
3) превращение методов теоретического моделирования
и квантово-химических расчетов высокого уровня в инстру-
мент изучения реальных сложных химических систем;
4) миниатюризация эксперимента.
Выдающиеся достижения в создании и совершенствова-
нии методов были по достоинству оценены научной обще-
ственностью. За последние 20 лет за это присуждено более
десятка Нобелевских премий по химии, физике и медицине.
Новое время выдвигает и новые требования к молодому
ученому-химику, вступающему на научное поприще. Он
должен обладать следующими качествами:
1) активное владение знаниями и умениями в области
специализации на уровне переднего фронта химической
дисциплины;
2) хорошая физико-математическая подготовка;
3) широкая научная эрудиция в смежных дисциплинах;
4) способность самостоятельно и быстро осваивать но-
вые области науки;
5) активное владение современными физико-химически-
ми методами исследования;
6) умение пользоваться современными источниками на-
учной информации. Отсутствие языкового барьера;
7) умение работать в коллективе.
Погоня за полнотой знаний стала бессмысленной, но их
основами в своей области химик должен владеть активно.
Это значит, что он должен уметь самостоятельно анализиро-
вать новые задачи, строить научные гипотезы, выбирать ме-
тоды для их экспериментальной и теоретической проверки.
Начиная учебу в университете, молодой человек часто еще
не знает, в какой области ему придется работать после завер-
шения образования. Значительному числу химиков-иссле-
дователей и химиков-инженеров приходится неоднократно
менять область деятельности за время профессиональной
карьеры. Поэтому будущий специалист на студенческой
скамье должен приобрести твердые навыки в умении само-
стоятельно овладевать новыми областями науки, и именно
это его качество приобретает сегодня особо важное значе-
ние для достижения успеха.
Активное владение современными физико-химически-
ми методами исследования, т.е. умение критически анали-
зировать, оценивать и использовать данные этих методов
при решении конкретных задач, — одно из решающих усло-
вий успешной научной работы химика.
Мы начнем изучение физико-химических методов со
спектроскопии ЯМР высокого разрешения. Сегодня она
является самым информативным методом установления
строения сложных молекул, анализа многокомпонентных
смесей и исследования механизмов реакций. Однако этим
применение ЯМР не ограничиваются. В медицинской диа-
гностике настоящую революцию произвела ЯМР-томогра-
фия. Она по чувствительности и разрешающей способности
превосходит рентгеновскую томографию, но в отличие от нее
безвредна для пациента. Она дает возможность на ранних
стадиях обнаруживать патологии внутренних органов, сосу-
дов, скелета и мышц, а также злокачественные образования
в организме. Сверхточные ЯМР-магнитометры используют-
ся на всех континентах для точного измерения магнитного
поля Земли. Результаты этих измерений представляют боль-
шую ценность для геофизиков и биофизиков, например при
прогнозировании землетрясений. ЯМР-магнитометры помо-
гают обнаружить нефтеносные и водоносные пласты под
земной поверхностью, а также находить древние захороне-
ния. Аппаратура и методы ЯМР продолжают развиваться
и совершенствоваться необычайно быстро, и столь же стре-
мительно расширяются области его применения.
ЛЕКЦИЯ 1
ЯВЛЕНИЕ ЯМР
И СПОСОБЫ
ЕГО НАБЛЮДЕНИЯ
1.1. Введение
Открытие ЯМР имеет весьма длинную и захватывающе ин-
тересную предысторию. Представления о том, что электрон
и атомные ядра имеют собственные магнитные моменты,
было введено в физику В. Паули (Нобелевская премия по
физике 1945 года).
Отто Штерн вместе с Вальтером Герлахом эксперимен-
тально подтвердили это в опытах с атомными и молекуляр-
ными пучками. Отто Штерн был удостоен Нобелевской
премии по физике в 1943 году с формулировкой «За вклад
в развитие метода молекулярных пучков, открытие и измере-
ние магнитного момента протона». И. Раби активно
и успешно развивал это направление. Он впервые наблюдал
явление ЯМР в молекулярных пучках и получил Нобелев-
скую премию по физике в 1944 году «За резонансный метод
записи магнитных свойств атомных ядер».
Нобелевская премия по физике в 1952 году была присуж-
дена двум американцам: Феликсу Блоху (Стэнфордский
университет) и Эдварду Перселлу (Гарвардский универси-
тет) «За развитие новых методов для точных ядерных магнит-
ных измерений и связанные с этим открытия». Работы этих
авторов в самом авторитетном физическом журнале Physical
Review появились одновременно (E.M. Purcell, H.G. Torrey,
R.V. Pound, Phys. Rev., 1946, 69, 37; F. Bloch, W. Hansen,
M.E. Packard, Phys. Rev., 1946, 69, 127; F. Bloch, Phys. Rev.,
1946, 70, 460). Им удалось наблюдать явление ЯМР в кон-
денсированной фазе. Заметим, что в 2007 году, когда миро-
вая научная общественность отмечала столетие со дня
рождения выдающегося российского физика Е.К. Завойского,
первооткрывателя электронного магнитного резонанса, были
опубликованы материалы его архивов. Их изучение показало, что в уже
1943 году, т.е. за два года до Блоха и Перселла, он также
наблюдал сигналы ЯМР в конденсированной фазе, но
не сумел добиться надежной воспроизводимости резуль-
татов и не опубликовал их.
В коротких лекциях нет возможности осветить все аспек-
ты ЯМР да и любого другого метода сколько-нибудь под-
робно. Рассматривайте приведенные здесь сведения как ма-
териал для первого знакомства с ЯМР. Однако я надеюсь,
что этих сведений будет достаточно для того, чтобы на каче-
ственном уровне и без сложной математики понять основы
метода и научиться решать относительно простые структур-
ные задачи в органической химии.
1.2. Магнитные моменты ядер
и квантование уровней энергии
в магнитном поле
Кроме массового числа М и заряда Z, ядра атомов имеют
еще одну важную характеристику — магнитный момент μ.
Не имеют магнитных моментов (μ = 0) только такие ядра,
у которых М и Z — четные. В их состав входит четное число
протонов и нейтронов (12С, 16О, 28Si, 32S и другие). Эти ядра
нельзя исследовать методом ЯМР. Все другие ядра (118 ста-
бильных изотопов 104 известных химических элементов
Периодической системы) имеют магнитные моменты, и для
них можно наблюдать ЯМР. Эти магнитные ядра различа-
ются по величине магнитных моментов и по значению ядер-
ного спина I.
Простейшее ядро, обладающее магнитным моментом, —
это протон, ядро атома водорода 1Н. В рамках качественной
модели его можно рассматривать как вращающуюся заря-
женную сферу с угловым моментом количества движения р.
Тогда, согласно законам классической электродинамики
протон должен обладать магнитным моментом μ, который
пропорционален р:
μ = γр = γIh = eh/4πMc (1.1)
(e — заряд, h — постоянная Планка, M — масса, c — ско-
рость света).
Коэффициент пропорциональности γ, который называ-
ют гиромагнитной постоянной или гиромагнитным отношени-
ем данного ядра, является его важной характеристикой, ко-
торую мы далее будем часто использовать.
Если подставить в уравнение (1.1) значения всех величин
в единицах СИ и массу протона, то получим очень малую
величину — 5,05×10-27 Дж/Т, которую назвали ядерным
магнетоном. В ядерных магнетонах принято измерять маг-
нитные моменты всех ядер. Экспериментально определен-
ное значение магнитного момента протона оказалось
в 2,79 раза больше, чем вычисленное. Но, учитывая грубо
качественный характер использованной модели, согласие
с экспериментом «по порядку величины» можно считать
вполне приемлемым.
Ядра с нечетной массой M (атомный номер Z может быть
любым) имеют полуцелый спин I = 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2.
Среди них наиболее важны для ЯМР ядра со спином I = 1/2:
1Н, 19F, 13C, 31P, 29Si, 119Sn, 195Pt, 199Hg и другие. В отличие от них ядра со спином I > 1/2, такие как 7Li, 11B, 23Na, 33S
(I = 3/2), в рамках качественной модели можно представить
себе как вытянутые или сплющенные эллипсоиды враще-
ния. Поэтому в отличие от ядер со спином 1/2 они имеют
еще и электрический квадрупольный момент, который ха-
рактеризует степень отклонения распределения электриче-
ского заряда в атомном ядре от сферически симметричного.
Квадрупольный момент ядра имеет размерность площади
и обычно выражается в см2. ИЮПАК рекомендует для него
единицу барн, равный 10–28 м2. Квадрупольные ядра можно
также исследовать с помощью метода ядерного квадруполь-
ного резонанса (ЯКР).
Ядра с нечетным атомным номером Z и четной массой M
имеют целый спин I = 1, 2, 3, 5, 7. К ним относятся тяжелый
изотоп водорода дейтерий 2Н (I = 1), 10B (I = 3) и многие другие. Эти ядра также имеют квадрупольные моменты.
Спин ядра — важная характеристика, он определяет число
разрешенных ориентаций магнитного момента ядра в постоян-
ном магнитном поле.
Рассмотрим классическую модель, описывающую пове-
дение магнитного момента ядра μ со спином I = 1/2 в посто-
янном магнитном поле В0, как это сделал впервые Феликс
Блох. Здесь и далее мы будем полагать, что поле В0 направ-
лено вдоль оси Z лабораторной системы координат
(рис. 1.1а). При наблюдении ЯМР мы будем использовать
также радиочастотное поле В1, которое всегда перпендику-
лярно постоянному полю В0. На рис. 1.1а это поле направ-
лено по оси X лабораторной системы координат.
Как всякий магнитный диполь, в соответствии с общими
законами электродинамики μ начнет прецессировать вокруг
направления магнитного поля В0, составляя с ним некото-
рый угол θ (схема на рис. 1.1а). При этом возможны два
устойчивых состояния. Более низкой энергией будет обла-
дать такое состояние, когда проекция μ на ось Z (μz) ориентирована параллельно вектору поля В0. Тогда говорят, что
магнитный момент ядра ориентирован по полю В0. Более вы-
сокой энергией обладает состояние, когда μz антипарал-
лельна вектору В0. О таком состоянии говорят, что магнитный момент ядра направлен против поля В0. Таким образом,
во внешнем магнитном поле В0 происходит квантование —
расщепление уровней энергии.
В общем случае для ядра со спином I возникает 2I + 1
дискретных подуровней. Для протона и всех других ядер со
спином 1/2 возникает два подуровня. Ядра дейтерия 2Н и 14N имеют спин, равный 1. Для каждого из них таких уровней
будет три, а для ядра 11B, спин которого равен 3/2, таких
уровней будет четыре. На рис. 1.2 показаны диаграммы уров-
ней энергии в постоянном магнитном поле с магнитной ин-
дукцией (плотность магнитного потока) В0 для ядер со спи-
нами 1/2 и 1. Разность энергий между соседними уровнями
определяется соотношением (1.2), и она линейно растет
с увеличением В0:
∆E = uB0/I (1.2)
В случае протона самой низкой энергией обладает состояние, при котором вектор магнитного момента ядра параллелен вектору магнитного поля. Однако существуют ядра, для которых более выгодна ориентация магнитного момента «против поля» (табл. 1.1).
Очевидно, что если в системе существует несколько дис-
кретных состояний с различными энергиями, то между ними возможны переходы. В ЯМР разрешены переходы, при
которых магнитное квантовое число mI, которое может при-
нимать значения от –I до +I, изменяется на ±1. Если воз-
действовать на такую систему радиочастотным полем В1
(это поле всегда локализуется в плоскости xy) с энергией
кванта hν0 = ΔЕ, то произойдет поглощение этого кванта.
В результате система перейдет из нижнего состояния на бо-
лее высокое, и это поглощение может быть зарегистрирова-
но. Регистрация таких переходов и составляет основу спек-
троскопии ЯМР.
В табл. 1.1 представлены свойства ряда магнитных ядер,
наиболее важных для химических исследований. Отметим,
что ядерный магнитный момент протона в 658 раз меньше,
чем магнитный момент электрона.
Большое значение имеет природное содержание изотопа.
Оно определяет интенсивность сигнала в спектре. Напри-
мер, при наблюдении ЯМР на ядрах 13С такой изотоп будет
содержать только каждая сотая молекула, а вероятность по-
явления двух ядер 13С в одной молекуле, при прочих равных
условиях, будет еще в 100 раз меньше.
Соотношение (1.3) позволяет определить резонансную
частоту каждого ядра ν0. Поскольку магнитные моменты
ядер очень малы, эти частоты соответствуют диапазону ме-
тровых радиоволн для достижимых в настоящее время зна-
чений В0. Во многих случаях вместо значений частоты ν0,
выражаемой в герцах, при математических операциях удоб-
нее использовать круговую частоту ω0, которая выражается
в радианах/секунду.
ν10 = μВ0/Ih = γВ0/2π
ω0 = γВ0 (1.3).
Энергия квантов hν0 на несколько порядков меньше энер-
гии теплового движения kТ. Например, в поле 1,42 Т для про-
тона энергия такого кванта составляет 0,005 кал/моль, а энер-
гия теплового движения при температуре 298 К составляет
600 кал/моль. Из соотношения (1.3) также ясно, что решающее значение имеет плотность магнитного потока В0 —
чем она выше, тем выше частота ν0 и интенсивность сигна-
ла (табл. 1.2).
В табл. 1.2 представлены значения резонансных частот
для ядер 1Н в разных магнитных полях. Земля тоже пред-
ставляет собой гигантский магнит, в паутине силовых ли-
ний которого мы живем. Напряженность магнитного поля
Земли очень мала, но и в нем можно наблюдать явление
ЯМР. Это и используется в приборах для геофизических ис-
следований (протонные магнетометры), а также в приборах
для обнаружения нефтеносных пластов (ядерный магнит-
ный каротаж) и водоносных пластов (ЯМР-гидроскопы).
На сегодняшний день максимально достигнутая магнит-
ная индукция в сверхпроводящих соленоидах, используе-
мых для наблюдения сигналов ЯМР (о них мы расскажем
позже), составляет 23,4 Т, что соответствует резонансной
частоте для протона 1 ГГц.
Из табл. 1.1 видно, что резонансные частоты разных ядер
различаются очень сильно. Это дает уникальную возмож-
ность наблюдать спектры на каждом из этих ядер в отдель-
ности. Диапазоны резонансных частот разных ядер не пере-
крываются!
Мне известно лишь одно исключение из этого правила.
Магнитные моменты ядер 201Tl и 203Tl (оба они имеют спин 1/2)
очень близки, и при больших развертках спектра сигналы обо-
их этих изотопов могут появляться в одном спектре.
Очень малые разности энергий разрешенных энергети-
ческих уровней ядер в магнитном поле приводят к еще од-
ному важному следствию. В макроскопическом образце, со-
держащем Р магнитных ядер данного вида, магнтные мо-
менты этих ядер распределятся по разрешенным уровням
в соответствии с уравнением Больцмана. Для двухуровневой
системы (I = 1/2) отношение заселенностей N1 и N2(N1 + N2 = Р) задается уравнением:
N11/N2 = е–ΔЕ/kТ ≈ exp(–γhВ0/2πkT) ≈
≈ 1 – (–γhВ0/2πkT). (1.4)
Возьмем, например, в качестве образца ампулу с 1 г воды
и поместим ее в поле 11,75 Т (резонансная частота для про-
тонов 500 МГц). Образец содержит 6,7×1022 протонов. Все
они распределятся по двум уровням. На нижнем уровне на-
ходится больше ядер, но этот избыток очень мал — он со-
ставляет всего 2,49×1018 протонов, т.е. меньше 0,04%! Если
на верхнем уровне находится 1 миллион ядер, то на нижнем
их будет всего на 47 ядер больше! Все же в образце возникает
очень малая равновесная макроскопическая намагничен-
ность M0, которая направлена вдоль поля В0 (см. рис. 1.1б).
Если используется поле В1 с малой амплитудой, то поглоще-
ние энергии прекратится сразу же после того, как заселен-
ности уровней выровняются (ΔN = 0). Поэтому очень важ-
ное значение имеют процессы релаксации, которые позво-
ляют магнитным ядрам вернуться на нижний уровень. Эти
процессы мы рассмотрим в следующей лекции. Очевидно,
что интенсивность
сигнала поглощения будет тем выше,
чем больше разность заселенностей ΔN, которая, в свою
очередь, определяется величиной В0. Теоретически показа-
но, что интенсивность сигнала A при постоянном поле В0пропорциональна (I + 1)μ3B02/I2.
Открытие ЯМР и его быстрое внедрение в практику научных
исследований положили начало новому этапу не только в
исследовании структуры вещества на всех уровнях, но и в
изучении природы физических и химических процессов в
растворах и в конденсированных средах. Ни один из других
физических методов не был столь щедро отмечен самыми
престижными научными наградами. Три Нобелевские пре-
мии были присуждены непосредственно за открытие явле-
ния ЯМР (Отто Штерн, премия по физике, 1943 г., Исидор
Раби, премия по физике, 1944 г., Феликс Блох и Эдвард Пер-
селл, премия по химии, 1952 г.). Нобелевскую премию по хи-
мии за развитие самого метода в 1991 году получил Рихард
Эрнст. Еще две Нобелевские премии, одна по химии (Курт
Вютрих, 2002 г.) и одна по медицине (Пол Лаутербур и Пи-
тер Мэнсфильд, 2003 г.), были присуждены за пионерские
работы, открывшие пути применения ЯМР в совершенно
новых областях науки. Я думаю, что вряд ли найдется хотя
бы один Нобелевский лауреат, получивший эту награду по
химии, физике, биологии или медицине в последние 50 лет,
который не использовал бы метод ЯМР в своих работах.
Рихард Эрнст еще 30 лет назад убедил меня в том, что ох-
ватить весь диапазон применений ЯМР в одной книге не-
возможно. Литература по ЯМР насчитывает сотни моногра-
фий и обзоров, многие тысячи научных статей. Примерно
половина из них посвящена его использованию в органиче-
ской химии. Ведь именно органическая химия стала первым
полигоном для применений ЯМР. Она без ЯМР сегодня су-
ществовать и развиваться не может. Написано множество
превосходных учебников и монографий, посвященных раз-
личным аспектам использования ЯМР в химии. Уместно в
связи с этим спросить, зачем же тогда издавать еще одну
книгу, какое место в этом море литературы она займет и в
чем главная заслуга ее автора профессора Ю.А. Устынюка.
Во-первых, сразу следует отметить, что на русском языке
за последние 10 лет появились лишь две или три книги по
ЯМР для химиков, рассчитанные в основном на читателей,
хорошо подготовленных по физике и математике. Среди
них отмечу перевод неплохой книги Р. Сильвестейна,
Ф. Вебстера и Д. Кимла, появившийся в 2011 году. Вышед-
ший в 1984 году в русском переводе Н.М. Сергеева и
Ю.А. Устынюка отличный учебник профессора Гюнтера уже
значительно устарел, а тексты, доступные студентам млад-
ших курсов, лишь начинающим изучение области, на рус-
ском языке просто отсутствуют. Компактный курс лекций
Ю.А. Устынюка этот пробел восполняет.
Я физик, и я честно признаюсь, что понимаю не все тон-
кости затронутых в этих лекциях химических проблем. Не-
смотря на это, меня эта книга очень порадовала. Автору
вполне удалось избежать вульгаризации в изложении основ
ЯМР, которая часто появляется без использования строгого
математического аппарата. В лекциях дан прекрасный ме-
тодический обзор всех возможностей использования одно-
мерных методик ЯМР в органической химии, иллюстриро-
ванный решениями интересных, часто нетривиальных за-
дач. Приводятся вопросы и задачи для самостоятельной
работы. Они потребуют от студента некоторых усилий, но
позволят развить самостоятельный творческий подход к ре-
шению структурных и динамических задач.
В изложении ярко проявляется широкий кругозор авто-
ра, его любовь к этой области науки, основанная на глубо-
ком знании ее истории и на уважении к великим ученым,
внесшим наиболее важные вклады в ее развитие, некоторые
из которых, к сожалению, уже незаслуженно забыты. Инте-
ресные эпизоды из жизни этих людей, со многими из кото-
рых автор знаком лично, делают изложение увлекательным.
Автор явно стремится передать своим слушателям и читате-
лям любовь к своей науке. Ведь эта любовь — первый и
очень важный залог их будущих достижений!
Доктор Уве Айхофф,
Почетный профессор
Московского государственного университета
17 февраля 2015 г.
От автора
В основу текстов этих лекций положен материал двух лек-
ционных курсов, которые ряд лет я читал студентам кафедры
органической химии химического факультета МГУ,
а также студентам Высшего химического колледжа РАН.
Лекции рассчитаны на читателей и слушателей, которые
встречаются с ЯМР впервые и предполагают использовать
этот вид спектроскопии в основном для решения структур-
ных задач. Большинство моих слушателей в этих аудиториях
еще не имели хорошей подготовки по квантовой механике,
поэтому я стремился при изложении материала избегать ма-
тематических выкладок, ограничиваться наглядными каче-
ственными моделями и, по возможности, иллюстрировать
изложение примерами использования ЯМР в решении со-
временных химических задач. Конечно, при этом всегда воз-
никает опасность вульгаризации, и, к моему сожалению,
полностью ее избежать не удалось. Но мой собственный
опыт преподавания дисциплины в течение более 30 лет убе-
дил меня в том, что качественный уровень изложения впол-
не достаточен для успешного решения рутинных задач не
слишком высокой сложности. Этот курс является вводным,
и я всегда рекомендую моим слушателям дополнить его
в программах дальнейшей подготовки продвинутыми
и специальными курсами с более полным и более строгим
изложением предмета.
Спектроскопия ЯМР — очень молодая область науки,
возникшая и быстро развившаяся на стыке современной
физики, химии, биологии и медицины. В современных
спектрометрах ЯМР, которые являются сложными измерительно-
вычислительными комплексами пятого поколе-
ния, широко используются последние достижения криоген-
ной техники, радиоэлектроники, точной механики и вычис-
лительной техники. История развития ЯМР чрезвычайно
интересна и поучительна сама по себе, и поэтому я стремил-
ся, в меру возможностей, познакомить своих слушателей
с ее основными фактами, а также с теми учеными, которые
внесли важные вклады в ее развитие. Некоторых из них мне
посчастливилось знать лично, и я многое почерпнул из жи-
вого общения с этими замечательными людьми.
Я буду искренне признателен моим читателям за замеча-
ния, критику и отзывы, которые прошу направлять по адре-
су ustynyuk@nmr.chem.msu.ru.
Я выражаю свою искреннюю благодарность сотрудни-
кам лаборатории ЯМР, которые прочли эти тексты и сдела-
ли много ценных замечаний. Я особенно признателен про-
фессору Н.М. Сергееву, который оказал мне неоценимую
помощь своими советами и критикой, а также к. х. н.
С.С. Жохову за помощь в техническом оформлении рукописи.
Введение. О роли
физико-химических методов исследования
в развитии химической науки
Согласно известному закону наукометрии, объем информа-
ции в каждой области науки на относительно коротких
исторических отрезках со временем растет по экспоненте
(Д. Прайс, Ю. Гарфилд, В.В. Налимов). Математика, физи-
ка и биология в последние несколько десятилетий следуют
этому закону. А вот химия в темпах развития за этот пери-
од существенно опережала другие точные и естественные
науки. Наглядным подтверждением служит график, пред-
ставленный на рис. 1. Он взят из книги Дж. Пиментела
и Дж. Кунрода «Возможности химии сегодня и завтра» (М.:
Мир, 1992). По ординате на нем отложен логарифм числа
известных индивидуальных химических соединений на
определенные моменты времени, который может служить
хорошей мерой объема химической информации, а по абс-
циссе — время. Если бы закон экспоненциального роста
выполнялся и для химии, мы в праве были бы ожидать, что
на этом графике появится прямая, которая на рисунке про-
ведена пунктиром. В действительности мы видим, что объ-
ем химических знаний в последние 70 лет нарастал гораздо
быстрее. Это что-то вроде суперэкспоненты. Если в 40-х го-
дах прошлого столетия время удвоения объема информации
составляло 47 лет, то к концу ХХ века оно сократилось до
11 лет и, по данным И.В. Мелихова (Журнал ВХО им.
Д.И. Менделеева. 1989. Т. 34. № 4. С. 223—228), в последние
30 лет сохраняется на том же уровне. Темп прироста состав-
ляет сейчас около 500 000 новых веществ в год (!), из кото-
рых 85% — органические соединения.
Какие же причины вызвали столь быстрое развитие хи-
мической науки? Главная причина, несомненно, состоит
в том, что химия уже давно играет решающую роль в созда-
нии новых материалов, лекарств, средств защиты растений
и всех других средств, составляющих фундамент материаль-
ной культуры современной цивилизации. Она стала осно-
вой большинства технологических процессов во всех обла-
стях промышленности: более 80% современных технологий
энергетики, в том числе атомной, электроники, металлур-
гии, пищевой и легкой промышленности, сельского хозяй-
ства, а также все 100% нефтепереработки — это чистая хи-
мия! Нельзя забывать и про военную химию. В химию и хи-
мическую технологию за последний век были вложены
колоссальные финансовые, материально-технические и ин-
теллектуальные ресурсы.
Но не менее важна и другая «внутренняя» причина. Это
исключительно быстрое совершенствование методического
арсенала химических исследований. Химик-исследователь
с помощью современных методов получает в единицу вре-
мени в тысячи раз (!!!) больше информации о составе, строе-
нии и свойствах вещества, чем в середине ХХ века. По мет-
кому выражению С.Г. Кара-Мурзы, историю химической
науки можно рассматривать не только как эволюцию ее ос-
новных концепций на фоне накопления новых эксперимен-
тальных фактов. С полным правом ее можно изложить и как
историю совершенствования и развития методического ар-
сенала химической науки. Заимствованный из смежной на-
уки новый метод не только многократно увеличивает иссле-
довательские возможности освоившего его нового научного
сообщества. На стыке наук метод подобен троянскому ко-
ню. Вместе с ним в новую область проникают его теоретиче-
ский и математический аппараты, с помощью которых уче-
ные уже в новой области создают новые концепции. Яркий
тому пример — спектроскопия. Как и многие другие мето-
ды, она пришла в химию в начале ХХ века из физики. Вме-
сте с ней химики освоили и теоретический аппарат спектро-
скопии — квантовую механику. Нет необходимости расска-
зывать здесь о том, к сколь глубоким и плодотворным
сдвигам в теории строения молекул это привело.
Дж. Робертс в 1965 году в одном из докладов сказал:
«ЯМР, масс-спектрометрия и ИК-спектроскопия — трезу-
бец в руках современного химика-органика». Арсенал фи-
зических методов исследования с того момента необычайно
расширился. Сегодня в продвинутых научных проектах по
органической химии исследователи используют, как прави-
ло, четыре-пять взаимодополняющих методов, среди кото-
рых бесспорное лидерство захватил ЯМР. На его долю при-
ходится больше цитирований, чем на все остальные методы,
вместе взятые.
Принцип совместного использования взаимодополняю-
щих методов исследования был и остается основополагаю-
щим в современных работах. Важно также отметить, что
в сравнении с серединой прошлого века информативность
каждого из методов резко повысилась. Например, за по-
следние 20 лет разрешающая способность и чувствитель-
ность во всех видах спектроскопии улучшились на порядок
и более, а производительность научных приборов выросла
более чем на два порядка. К числу самых ярких достижений,
безусловно, следует отнести практическое достижение фи-
зических пределов в пространственном и временном разрешении
и абсолютных пределов чувствительности в ряде
методов для химических исследований. Создание сканиру-
ющей туннельной микроскопии с пространственным разре-
шением на уровне 0,1 нм обеспечивает наблюдение отдель-
ных атомов и молекул. Разработка лазерной фемтосекунд-
ной спектроскопии с временным разрешением на уровне
1—10 фс открывает возможности исследования элементар-
ных актов химических процессов во временных интервалах,
соответствующих одному периоду колебаний атомов в мо-
лекуле. Открытие туннельной колебательной спектроско-
пии позволяет теперь следить за поведением и превращени-
ями отдельных молекул на поверхности твердых тел.
Рентгеноструктурный анализ монокристаллов (РСА)
40 лет назад был одним из самых трудоемких и длительных
по времени экспериментов. Определение молекулярной
и кристаллической структуры нового вещества тогда требо-
вало месяцев работы. Новейшие автоматические рентгенов-
ские дифрактометры дают сегодня возможность при изуче-
нии соединений даже большой молекулярной массы полу-
чить весь необходимый массив отражений за несколько
часов. Полная обработка экспериментальных данных с по-
мощью современных программ на персональном компьюте-
ре занимает еще несколько часов. Так, казавшаяся ранее
несбыточной мечта химика «один день — одна полная струк-
тура» стала реальностью. За последние 15 лет с помощью
РСА было, по всей видимости, исследовано больше молеку-
лярных структур, чем за весь предшествующий период его
применения. Прецизионные рентгеноструктурные экспери-
менты при низких температурах открывают возможности
для построения карт разностной электронной плотности мо-
лекул, которые можно непосредственно сравнивать с резуль-
татами квантово-химических расчетов высокого уровня.
Повышение чувствительности масс-спектрометров уже
обеспечивает надежный анализ фемтограммовых количеств
вещества. Новые методы ионизации и времяпролетные
масс-спектрометры с достаточно высоким разрешением
(системы MALDI-TOF) в сочетании с двумерным электро-
форезом позволяют проводить идентификацию и исследо-
вание строения биомолекул очень большой молекулярной
массы, например клеточных белков.
Новый шаг вперед сделала и спектроскопия ЯМР. Ис-
пользование вращения образца под магическим углом
с кросс-поляризацией позволяет получать спектры высоко-
го разрешения в твердых телах. Применение сложных по-
следовательностей радиочастотных импульсов в сочетании
с импульсными градиентами поляризующего поля, а также
инверсное детектирование спектров тяжелых и редких ядер
обеспечивают возможность прямого определения трехмер-
ной структуры и динамики белков с молекулярной массой
до 50 кДа в растворе.
Основу научного парка сейчас составляют приборы пя-
того поколения — сложные измерительно-вычислительные
комплексы. Каждый из них обычно имеет в своем составе
один или несколько мощных быстродействующих компью-
теров. В таких приборах широко используются микропро-
цессоры и сложная прецизионная радиоэлектроника. Сам
прибор обычно включен в информационные сети, что от-
крывает удаленный доступ к постановке и управлению экс-
периментом и к получению результатов измерений в реаль-
ном времени. Произошла полная автоматизация измерений
и обработки результатов. Широко применяются гибрид-
ные системы, сочетающие несколько приборов, включен-
ных в цепочку. Например, в любом современном институ-
те вы найдете такие системы, как ГЖХ-МС, ВЭЖХ-МС,
ВЭЖХ‑ЯМР. Возникли новые тенденции в создании и раз-
витии методического арсенала химических исследований,
особенно отчетливо проявившиеся в последние 20 лет:
1) опережающее и целенаправленное создание методов
(«метод часто создается под задачу»);
2) сокращение сроков от момента создания физических
основ метода до его воплощения в аналитический прибор
и использование в решении практических задач;
3) превращение методов теоретического моделирования
и квантово-химических расчетов высокого уровня в инстру-
мент изучения реальных сложных химических систем;
4) миниатюризация эксперимента.
Выдающиеся достижения в создании и совершенствова-
нии методов были по достоинству оценены научной обще-
ственностью. За последние 20 лет за это присуждено более
десятка Нобелевских премий по химии, физике и медицине.
Новое время выдвигает и новые требования к молодому
ученому-химику, вступающему на научное поприще. Он
должен обладать следующими качествами:
1) активное владение знаниями и умениями в области
специализации на уровне переднего фронта химической
дисциплины;
2) хорошая физико-математическая подготовка;
3) широкая научная эрудиция в смежных дисциплинах;
4) способность самостоятельно и быстро осваивать но-
вые области науки;
5) активное владение современными физико-химически-
ми методами исследования;
6) умение пользоваться современными источниками на-
учной информации. Отсутствие языкового барьера;
7) умение работать в коллективе.
Погоня за полнотой знаний стала бессмысленной, но их
основами в своей области химик должен владеть активно.
Это значит, что он должен уметь самостоятельно анализиро-
вать новые задачи, строить научные гипотезы, выбирать ме-
тоды для их экспериментальной и теоретической проверки.
Начиная учебу в университете, молодой человек часто еще
не знает, в какой области ему придется работать после завер-
шения образования. Значительному числу химиков-иссле-
дователей и химиков-инженеров приходится неоднократно
менять область деятельности за время профессиональной
карьеры. Поэтому будущий специалист на студенческой
скамье должен приобрести твердые навыки в умении само-
стоятельно овладевать новыми областями науки, и именно
это его качество приобретает сегодня особо важное значе-
ние для достижения успеха.
Активное владение современными физико-химически-
ми методами исследования, т.е. умение критически анали-
зировать, оценивать и использовать данные этих методов
при решении конкретных задач, — одно из решающих усло-
вий успешной научной работы химика.
Мы начнем изучение физико-химических методов со
спектроскопии ЯМР высокого разрешения. Сегодня она
является самым информативным методом установления
строения сложных молекул, анализа многокомпонентных
смесей и исследования механизмов реакций. Однако этим
применение ЯМР не ограничиваются. В медицинской диа-
гностике настоящую революцию произвела ЯМР-томогра-
фия. Она по чувствительности и разрешающей способности
превосходит рентгеновскую томографию, но в отличие от нее
безвредна для пациента. Она дает возможность на ранних
стадиях обнаруживать патологии внутренних органов, сосу-
дов, скелета и мышц, а также злокачественные образования
в организме. Сверхточные ЯМР-магнитометры используют-
ся на всех континентах для точного измерения магнитного
поля Земли. Результаты этих измерений представляют боль-
шую ценность для геофизиков и биофизиков, например при
прогнозировании землетрясений. ЯМР-магнитометры помо-
гают обнаружить нефтеносные и водоносные пласты под
земной поверхностью, а также находить древние захороне-
ния. Аппаратура и методы ЯМР продолжают развиваться
и совершенствоваться необычайно быстро, и столь же стре-
мительно расширяются области его применения.
ЛЕКЦИЯ 1
ЯВЛЕНИЕ ЯМР
И СПОСОБЫ
ЕГО НАБЛЮДЕНИЯ
1.1. Введение
Открытие ЯМР имеет весьма длинную и захватывающе ин-
тересную предысторию. Представления о том, что электрон
и атомные ядра имеют собственные магнитные моменты,
было введено в физику В. Паули (Нобелевская премия по
физике 1945 года).
Отто Штерн вместе с Вальтером Герлахом эксперимен-
тально подтвердили это в опытах с атомными и молекуляр-
ными пучками. Отто Штерн был удостоен Нобелевской
премии по физике в 1943 году с формулировкой «За вклад
в развитие метода молекулярных пучков, открытие и измере-
ние магнитного момента протона». И. Раби активно
и успешно развивал это направление. Он впервые наблюдал
явление ЯМР в молекулярных пучках и получил Нобелев-
скую премию по физике в 1944 году «За резонансный метод
записи магнитных свойств атомных ядер».
Нобелевская премия по физике в 1952 году была присуж-
дена двум американцам: Феликсу Блоху (Стэнфордский
университет) и Эдварду Перселлу (Гарвардский универси-
тет) «За развитие новых методов для точных ядерных магнит-
ных измерений и связанные с этим открытия». Работы этих
авторов в самом авторитетном физическом журнале Physical
Review появились одновременно (E.M. Purcell, H.G. Torrey,
R.V. Pound, Phys. Rev., 1946, 69, 37; F. Bloch, W. Hansen,
M.E. Packard, Phys. Rev., 1946, 69, 127; F. Bloch, Phys. Rev.,
1946, 70, 460). Им удалось наблюдать явление ЯМР в кон-
денсированной фазе. Заметим, что в 2007 году, когда миро-
вая научная общественность отмечала столетие со дня
рождения выдающегося российского физика Е.К. Завойского,
первооткрывателя электронного магнитного резонанса, были
опубликованы материалы его архивов. Их изучение показало, что в уже
1943 году, т.е. за два года до Блоха и Перселла, он также
наблюдал сигналы ЯМР в конденсированной фазе, но
не сумел добиться надежной воспроизводимости резуль-
татов и не опубликовал их.
В коротких лекциях нет возможности осветить все аспек-
ты ЯМР да и любого другого метода сколько-нибудь под-
робно. Рассматривайте приведенные здесь сведения как ма-
териал для первого знакомства с ЯМР. Однако я надеюсь,
что этих сведений будет достаточно для того, чтобы на каче-
ственном уровне и без сложной математики понять основы
метода и научиться решать относительно простые структур-
ные задачи в органической химии.
1.2. Магнитные моменты ядер
и квантование уровней энергии
в магнитном поле
Кроме массового числа М и заряда Z, ядра атомов имеют
еще одну важную характеристику — магнитный момент μ.
Не имеют магнитных моментов (μ = 0) только такие ядра,
у которых М и Z — четные. В их состав входит четное число
протонов и нейтронов (12С, 16О, 28Si, 32S и другие). Эти ядра
нельзя исследовать методом ЯМР. Все другие ядра (118 ста-
бильных изотопов 104 известных химических элементов
Периодической системы) имеют магнитные моменты, и для
них можно наблюдать ЯМР. Эти магнитные ядра различа-
ются по величине магнитных моментов и по значению ядер-
ного спина I.
Простейшее ядро, обладающее магнитным моментом, —
это протон, ядро атома водорода 1Н. В рамках качественной
модели его можно рассматривать как вращающуюся заря-
женную сферу с угловым моментом количества движения р.
Тогда, согласно законам классической электродинамики
протон должен обладать магнитным моментом μ, который
пропорционален р:
μ = γр = γIh = eh/4πMc (1.1)
(e — заряд, h — постоянная Планка, M — масса, c — ско-
рость света).
Коэффициент пропорциональности γ, который называ-
ют гиромагнитной постоянной или гиромагнитным отношени-
ем данного ядра, является его важной характеристикой, ко-
торую мы далее будем часто использовать.
Если подставить в уравнение (1.1) значения всех величин
в единицах СИ и массу протона, то получим очень малую
величину — 5,05×10-27 Дж/Т, которую назвали ядерным
магнетоном. В ядерных магнетонах принято измерять маг-
нитные моменты всех ядер. Экспериментально определен-
ное значение магнитного момента протона оказалось
в 2,79 раза больше, чем вычисленное. Но, учитывая грубо
качественный характер использованной модели, согласие
с экспериментом «по порядку величины» можно считать
вполне приемлемым.
Ядра с нечетной массой M (атомный номер Z может быть
любым) имеют полуцелый спин I = 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2.
Среди них наиболее важны для ЯМР ядра со спином I = 1/2:
1Н, 19F, 13C, 31P, 29Si, 119Sn, 195Pt, 199Hg и другие. В отличие от них ядра со спином I > 1/2, такие как 7Li, 11B, 23Na, 33S
(I = 3/2), в рамках качественной модели можно представить
себе как вытянутые или сплющенные эллипсоиды враще-
ния. Поэтому в отличие от ядер со спином 1/2 они имеют
еще и электрический квадрупольный момент, который ха-
рактеризует степень отклонения распределения электриче-
ского заряда в атомном ядре от сферически симметричного.
Квадрупольный момент ядра имеет размерность площади
и обычно выражается в см2. ИЮПАК рекомендует для него
единицу барн, равный 10–28 м2. Квадрупольные ядра можно
также исследовать с помощью метода ядерного квадруполь-
ного резонанса (ЯКР).
Ядра с нечетным атомным номером Z и четной массой M
имеют целый спин I = 1, 2, 3, 5, 7. К ним относятся тяжелый
изотоп водорода дейтерий 2Н (I = 1), 10B (I = 3) и многие другие. Эти ядра также имеют квадрупольные моменты.
Спин ядра — важная характеристика, он определяет число
разрешенных ориентаций магнитного момента ядра в постоян-
ном магнитном поле.
Рассмотрим классическую модель, описывающую пове-
дение магнитного момента ядра μ со спином I = 1/2 в посто-
янном магнитном поле В0, как это сделал впервые Феликс
Блох. Здесь и далее мы будем полагать, что поле В0 направ-
лено вдоль оси Z лабораторной системы координат
(рис. 1.1а). При наблюдении ЯМР мы будем использовать
также радиочастотное поле В1, которое всегда перпендику-
лярно постоянному полю В0. На рис. 1.1а это поле направ-
лено по оси X лабораторной системы координат.
Как всякий магнитный диполь, в соответствии с общими
законами электродинамики μ начнет прецессировать вокруг
направления магнитного поля В0, составляя с ним некото-
рый угол θ (схема на рис. 1.1а). При этом возможны два
устойчивых состояния. Более низкой энергией будет обла-
дать такое состояние, когда проекция μ на ось Z (μz) ориентирована параллельно вектору поля В0. Тогда говорят, что
магнитный момент ядра ориентирован по полю В0. Более вы-
сокой энергией обладает состояние, когда μz антипарал-
лельна вектору В0. О таком состоянии говорят, что магнитный момент ядра направлен против поля В0. Таким образом,
во внешнем магнитном поле В0 происходит квантование —
расщепление уровней энергии.
В общем случае для ядра со спином I возникает 2I + 1
дискретных подуровней. Для протона и всех других ядер со
спином 1/2 возникает два подуровня. Ядра дейтерия 2Н и 14N имеют спин, равный 1. Для каждого из них таких уровней
будет три, а для ядра 11B, спин которого равен 3/2, таких
уровней будет четыре. На рис. 1.2 показаны диаграммы уров-
ней энергии в постоянном магнитном поле с магнитной ин-
дукцией (плотность магнитного потока) В0 для ядер со спи-
нами 1/2 и 1. Разность энергий между соседними уровнями
определяется соотношением (1.2), и она линейно растет
с увеличением В0:
∆E = uB0/I (1.2)
В случае протона самой низкой энергией обладает состояние, при котором вектор магнитного момента ядра параллелен вектору магнитного поля. Однако существуют ядра, для которых более выгодна ориентация магнитного момента «против поля» (табл. 1.1).
Очевидно, что если в системе существует несколько дис-
кретных состояний с различными энергиями, то между ними возможны переходы. В ЯМР разрешены переходы, при
которых магнитное квантовое число mI, которое может при-
нимать значения от –I до +I, изменяется на ±1. Если воз-
действовать на такую систему радиочастотным полем В1
(это поле всегда локализуется в плоскости xy) с энергией
кванта hν0 = ΔЕ, то произойдет поглощение этого кванта.
В результате система перейдет из нижнего состояния на бо-
лее высокое, и это поглощение может быть зарегистрирова-
но. Регистрация таких переходов и составляет основу спек-
троскопии ЯМР.
В табл. 1.1 представлены свойства ряда магнитных ядер,
наиболее важных для химических исследований. Отметим,
что ядерный магнитный момент протона в 658 раз меньше,
чем магнитный момент электрона.
Большое значение имеет природное содержание изотопа.
Оно определяет интенсивность сигнала в спектре. Напри-
мер, при наблюдении ЯМР на ядрах 13С такой изотоп будет
содержать только каждая сотая молекула, а вероятность по-
явления двух ядер 13С в одной молекуле, при прочих равных
условиях, будет еще в 100 раз меньше.
Соотношение (1.3) позволяет определить резонансную
частоту каждого ядра ν0. Поскольку магнитные моменты
ядер очень малы, эти частоты соответствуют диапазону ме-
тровых радиоволн для достижимых в настоящее время зна-
чений В0. Во многих случаях вместо значений частоты ν0,
выражаемой в герцах, при математических операциях удоб-
нее использовать круговую частоту ω0, которая выражается
в радианах/секунду.
ν10 = μВ0/Ih = γВ0/2π
ω0 = γВ0 (1.3).
Энергия квантов hν0 на несколько порядков меньше энер-
гии теплового движения kТ. Например, в поле 1,42 Т для про-
тона энергия такого кванта составляет 0,005 кал/моль, а энер-
гия теплового движения при температуре 298 К составляет
600 кал/моль. Из соотношения (1.3) также ясно, что решающее значение имеет плотность магнитного потока В0 —
чем она выше, тем выше частота ν0 и интенсивность сигна-
ла (табл. 1.2).
В табл. 1.2 представлены значения резонансных частот
для ядер 1Н в разных магнитных полях. Земля тоже пред-
ставляет собой гигантский магнит, в паутине силовых ли-
ний которого мы живем. Напряженность магнитного поля
Земли очень мала, но и в нем можно наблюдать явление
ЯМР. Это и используется в приборах для геофизических ис-
следований (протонные магнетометры), а также в приборах
для обнаружения нефтеносных пластов (ядерный магнит-
ный каротаж) и водоносных пластов (ЯМР-гидроскопы).
На сегодняшний день максимально достигнутая магнит-
ная индукция в сверхпроводящих соленоидах, используе-
мых для наблюдения сигналов ЯМР (о них мы расскажем
позже), составляет 23,4 Т, что соответствует резонансной
частоте для протона 1 ГГц.
Из табл. 1.1 видно, что резонансные частоты разных ядер
различаются очень сильно. Это дает уникальную возмож-
ность наблюдать спектры на каждом из этих ядер в отдель-
ности. Диапазоны резонансных частот разных ядер не пере-
крываются!
Мне известно лишь одно исключение из этого правила.
Магнитные моменты ядер 201Tl и 203Tl (оба они имеют спин 1/2)
очень близки, и при больших развертках спектра сигналы обо-
их этих изотопов могут появляться в одном спектре.
Очень малые разности энергий разрешенных энергети-
ческих уровней ядер в магнитном поле приводят к еще од-
ному важному следствию. В макроскопическом образце, со-
держащем Р магнитных ядер данного вида, магнтные мо-
менты этих ядер распределятся по разрешенным уровням
в соответствии с уравнением Больцмана. Для двухуровневой
системы (I = 1/2) отношение заселенностей N1 и N2(N1 + N2 = Р) задается уравнением:
N11/N2 = е–ΔЕ/kТ ≈ exp(–γhВ0/2πkT) ≈
≈ 1 – (–γhВ0/2πkT). (1.4)
Возьмем, например, в качестве образца ампулу с 1 г воды
и поместим ее в поле 11,75 Т (резонансная частота для про-
тонов 500 МГц). Образец содержит 6,7×1022 протонов. Все
они распределятся по двум уровням. На нижнем уровне на-
ходится больше ядер, но этот избыток очень мал — он со-
ставляет всего 2,49×1018 протонов, т.е. меньше 0,04%! Если
на верхнем уровне находится 1 миллион ядер, то на нижнем
их будет всего на 47 ядер больше! Все же в образце возникает
очень малая равновесная макроскопическая намагничен-
ность M0, которая направлена вдоль поля В0 (см. рис. 1.1б).
Если используется поле В1 с малой амплитудой, то поглоще-
ние энергии прекратится сразу же после того, как заселен-
ности уровней выровняются (ΔN = 0). Поэтому очень важ-
ное значение имеют процессы релаксации, которые позво-
ляют магнитным ядрам вернуться на нижний уровень. Эти
процессы мы рассмотрим в следующей лекции. Очевидно,
что интенсивность
сигнала поглощения будет тем выше,
чем больше разность заселенностей ΔN, которая, в свою
очередь, определяется величиной В0. Теоретически показа-
но, что интенсивность сигнала A при постоянном поле В0пропорциональна (I + 1)μ3B02/I2.