2. Явление ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - вид спектроскопии, которая регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением. Только ядра со спиновым квантовым числом I, отличным от «0», могут вызывать сигнал ЯМР, или быть активными в ЯМР.

Спиновое квантовое число ядра определяется числом протонов и нейтронов в ядре. Существует эмпирическое правило:

1) I равно «0» для ядер с четным числом протонов и нейтронов;

2) I равно целым числам (1, 2, 3…) для ядер с нечетными числами и протонов, и нейтронов;

3) I равно полуцелым числам (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.) для ядер с четными числами протонов и нечетными числами нейтронов и наоборот.

В приложенном магнитном поле с напряженностью Н0 ядро со спиновым числом I может принимать 2I + 1 ориентаций (или занимать 2I + 1 энергетических уровней). Количество энергии, на которое отличаются эти уровни (разность энергий уровней), возрастает с возрастанием Н0, однако при данном значении Н0 разность энергий между двумя соседними уровнями есть величина постоянная.

Разность энергий двух соседних уровней ДЕ определяется выражением:

ДЕ = Н0г h/2р

где г - гиромагнитное (магнитогирическое) отношение, постоянное для данного изотопа; Н0 - напряженность внешнего магнитного поля; h - постоянная Планка.

В сущности, эксперимент ЯМР состоит в том, чтобы сообщить энергию ядру и перевести его с одного энергетического уровня на другой, более высокий уровень. Поскольку точное значение ДЕ зависит от молекулярного окружения возбуждаемого ядра, имеется возможность связать величину ДЕ со строением молекулы и в конечном итоге определить структуру всей молекулы.

К сказанному следует добавить следующее:

сигналы в спектрах ЯМР могут давать только ядра атомов, обладающих нечетным спиновым числом.

Таким образом, наиболее распространенные изотопы углерода 12С, кислорода 16О и многие другие, например, дейтерий, являясь немагнитными, не регистрируются в ЯМР-спектрах.

Из ядер атомов, наиболее часто встречающихся в органических соединениях, магнитным моментом обладают изотопы 1Н, 13С, 19F, 31P, 15N, 17O.

Спектроскопия ЯМР используется для регистрации сигналов данных ядер. Наибольшее распространение в исследовании органических веществ имеет спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР, ЯМР 1Н) и ЯМР на ядрах изотопа 13С (ЯМР 13С). Эти виды спектроскопии и будут рассматриваться в данном пособии.

Теория ядерного магнитного резонанса детально обсуждена в многочисленных руководствах и монографиях, приведенных в списке литературы. Мы остановимся на основных моментах, имеющих практическое значение.