Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)
p align="justify"> Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР), як і розглянутий раніше метод електронного парамагнітного резонансу (ЕПР), заснований на реєстрації резонансного поглинання енергії радіочастотного випромінювання речовиною, поміщеною в магнітне поле. Однак у цьому випадку кванти енергії радіочастотного випромінювання поглинаються не електронами, а ядрами елементів, що мають магнітний момент – так званий «ядерний спин», насамперед протонами.
Слід зазначити, що з ядер атомів, найчастіше які входять до складу органічних сполук (таких, як З 12 , Про 16 та інших.), масове числоАі зарядzпарні, а тому їхній «ядерний спин» дорівнює нулю. Такі ядра не дають сигнали ядерного резонансу. У той же час ядра атомів Н 1 З 13 F 19 і Р 31 мають ядерний спин, рівний ±1/2, і речовини, до складу яких введені ці атоми, дуже зручно досліджувати методом ЯМР.
Існують також елементи, ядра яких мають спин, що дорівнює одиниці або більшій величині, кратній 1/2. Вивчення ЯМР сполук, куди входять такі елементи, важче здійснити експериментально.
Відсутність спина у найважливішого органогену З 12 є великою перевагою методу, оскільки якби З 12 мав магнітний момент, спектри ЯМР були б набагато складнішими. Якщо потрібно спостерігати сигнал ЯМР від вуглецевого атома, можна вводити в випробувані об'єкти його ізотоп 13 .
p align="justify"> Метод ЯМР, відкритий в 1946 р., є одним з найбільш важливих нових методів дослідження органічних сполук, так як він дозволяє вирішувати багато найважчих питань, що стосуються деталей будови органічних молекул, характеру хімічних зв'язків і кінетики реакцій. Це можливо завдяки тому, що ядра атомів, залежно від того, якими іншими ядрами вони оточені молекулою (різне магнітне
оточення), дають сигнал ЯМР (резонансний ефект) за різних значень напруженості постійного магнітного поля. Так, наприклад, у спектрі ЯМР етилового спирту (рис. 57,А) видно три піки, що відповідають атомам водню в трьох різних магнітних оточеннях (СН3, СН2 та ВІН). Площі піків знаходяться у відношенні 3:2:1 відповідно до кількості атомів водню в цих групах.
Слід наголосити, що спектр на рис. 57,Аотримано на приладі з малою роздільною здатністю. На більш досконалому приладі в кожному піку виявилася тонка і надтонка структура (рис. 57,Б). Вона виникає, як і методі ЕПР, внаслідок взаємодії спинів досить близько розташованих друг до друга ядер. Число розщеплених ліній тонкої структури для кожної групи атомів молекули, що вивчається, легко обчислити заздалегідь.
Відстань між лініями на рис. 57,Авизначаються двома параметрами: роздільною здатністю приладу і так званимхімічним зрушенням,характеризує природу самої досліджуваної молекули.
Для хіміків найбільш цікавими є такі характеристики, які можуть бути отримані при розгляді спектрів ЯМР:
1. Ширина та площа лінії (піка), а також час релаксації, тобто час, необхідний для повернення ядра з верхнього енергетичного рівня на нижній. Ці характеристики можуть дати інформацію про рух і, зокрема, про обертання груп усередині твердого тіла, а деяких випадках — про відстань між сусідніми ядрами.
2. "Хімічні зрушення", які можуть дати відомості про характер хімічних зв'язків та є основою аналізу спектрограм.
3. Число та відносна площа ліній тонкої структури. Ці характеристики також дають відомості про хімічні зв'язки.
Ядерний магнітний резонанс вигідно застосовувати длявстановлення структури складних органічних сполук та вивчення складних реакційних сумішей. Цей метод дає величезну економію праці та часу щодо різних молекулярних перегрупувань: під час роботи з сполуками, міченими ізотопом З 13 , можна встановити становище З 13 в молекулі безпосередньо, не проводячи багатостадійних деструкції.
На рис. 58 наведена для прикладу спектрограма ЯМР N-етилэтиленимина. Ця спектрограма привела до цікавих висновків, що в молекулі N-етилэтиленимина атом азоту та безпосередньо з ним пов'язані три атоми вуглецю не лежать в одній площині та взаємні перетворення (інверсії) типу
відбуваються не частіше ніж 80 разів на секунду.
Користуючись методом ЯМР, можна легко отримувати інформацію про будову молекул, недоступні чи важко одержувані іншими шляхами. Тому, незважаючи на складність і дорожнечу апаратури, метод ЯМР набуває все більшого значення в органічній хімії.