Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopia RMN este o metodă spectroscopică pentru studierea obiectelor chimice folosind fenomenul rezonanței magnetice nucleare . Fenomenul RMN a fost descoperit în 1946 de către fizicienii americani F. Bloch și E. Purcell . Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică cu protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN cu carbon-13 (spectroscopie RMN 13 C ), fluor-19 ( spectroscopie RMN 19 F ), fosfor-31 ( RMN 31 P ). spectroscopie ). Dacă un element are un număr atomic impar sau un izotop al unui element (par par) are un număr de masă impar, nucleul acelui element are un spin diferit de zero. Din starea excitată la starea normală, nucleele se pot întoarce, transferând energia de excitație în mediu - „rețeaua”, care în acest caz înseamnă electroni sau atomi de alt fel decât cei aflați în studiu. Acest mecanism de transfer de energie se numește relaxare spin-latice , iar eficiența sa poate fi caracterizată printr-o constantă T1, numită timp de relaxare spin-latice.
Similar cu spectroscopia în infraroșu , RMN dezvăluie informații despre structura moleculară a substanțelor chimice. Cu toate acestea, oferă informații mai complete decât IS, făcând posibilă studierea proceselor dinamice într-o probă, adică determinarea constantelor de viteză ale reacțiilor chimice și a mărimii barierelor energetice ale rotației intramoleculare. RMN vă permite, de asemenea, să înregistrați spectrele particulelor intermediare ale reacțiilor chimice [1] .
Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în chimia organică teoretică, cât și în analiza obiectelor biologice [1] .
O probă dintr-o substanță pentru RMN este plasată într-un tub de sticlă cu pereți subțiri (fiolă). Când sunt plasate într-un câmp magnetic, nucleele active RMN (cum ar fi 1 H sau 13 C) absorb energie electromagnetică. Frecvența de rezonanță , energia de absorbție și intensitatea semnalului emis sunt proporționale cu puterea câmpului magnetic . Deci, într-un câmp de 21 Tesla, un proton rezonează la o frecvență de 900 MHz.
Un solvent ideal nu ar trebui să conțină protoni. În plus, este de dorit ca solventul să fie inert, cu punct de fierbere scăzut și ieftin. Dispozitivele moderne necesită solvenți deuterati, deoarece stabilizarea câmpului magnetic se realizează folosind semnalul de deuteriu al solventului. Dispozitivul are un „canal” de deuteriu care se modifică constant și ajustează câmpul la frecvența solventului deuterat.
Semnalul de deuteriu este utilizat pentru reglarea câmpului. Shimmingul este o procedură de îmbunătățire a uniformității câmpului magnetic, care se realizează folosind bobine electromagnetice mici speciale încorporate în dispozitiv (numite lame), care corectează câmpul magnetic principal astfel încât uniformitatea acestuia să fie cea mai mare exact în centrul probei. .
Urmele de impurități feromagnetice duc la o lărgire catastrofală a semnalelor de absorbție datorită scăderii puternice a timpului de relaxare. Sursele obișnuite de deteriorare a uniformității sunt particulele contaminante din apa de la robinet, fibrele de oțel, nichelul Raney și particulele din spatulele metalice și materialele de umplutură pentru coloane. Acești contaminanți pot fi îndepărtați prin filtrare [2] .
În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu mărimea inducției câmpului magnetic, această schimbare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic, cunoscută sub numele de schimbare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o schimbare în raport cu unele probe de referință. Deplasarea de frecvență este extrem de mică în comparație cu frecvența de bază a spectrometrului RMN. O schimbare tipică de frecvență este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, ținând cont de diferențele dintre frecvențele de bază ale spectrometrului, deplasarea chimică este adesea exprimată în unități adimensionale de părți pe milion (ppm sau engleză - ppm).
Deoarece amploarea deplasării chimice depinde de compoziția substanței, aceasta este utilizată pentru a obține informații preliminare despre structura chimică a moleculelor din probă. De exemplu, spectrul etanolului ( CH3CH2OH) dă 3 semnale rezolvate și are 3 valori distincte de deplasare chimică: una pentru grupa CH3 , una pentru grupa CH2 și ultima pentru OH. O schimbare tipică pentru grupa CH3 este în regiunea de 1 ppm, pentru grupa CH2 atașată la OH - 4 ppm și OH aproximativ 2-3 ppm. Astfel, cunoscând valorile deplasărilor chimice, este posibil să se determine ce grupuri de atomi sunt incluse în compoziția moleculelor probei.
Datorită mișcării intramoleculare la temperatura camerei, semnalele de proton metil RMN 3 sunt în medie în timpul procesului de achiziție a semnalului, care durează doar câteva milisecunde. Toți protonii grupului metil degenerează și formează semnale cu o schimbare chimică echivalentă. Software-ul spectrometrelor RMN face posibilă evaluarea intensității integrate a semnalelor RMN pentru a înțelege numărul de protoni care contribuie la semnalul observat.
Cele mai utile informații pentru determinarea structurii într-un spectru RMN unidimensional este furnizată de așa-numita interacțiune spin-spin între nucleele active RMN. Această interacțiune rezultă din tranzițiile între diferitele stări de spin nuclear în moleculele chimice , ducând la divizarea semnalelor RMN. Această divizare poate fi simplă sau complexă și, în consecință, este fie ușor de interpretat, fie poate deruta experimentatorul.
Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor dintr-o moleculă.
Interacțiune de ordinul doi (puternic)Interacțiunea simplă spin-spin presupune că constanta de cuplare este mică în comparație cu diferența de deplasări chimice dintre semnale. Dacă diferența de deplasare scade (sau crește constanta de cuplare), intensitatea multipleților de probă devine distorsionată, devenind mai dificil de analizat (mai ales dacă sistemul conține mai mult de 2 rotiri). Cu toate acestea, în spectrometrele RMN de mare putere, distorsiunea este de obicei moderată, iar acest lucru face ușoară interpretarea vârfurilor asociate.
Efectele de ordinul doi scad odată cu creșterea diferenței de frecvență între multipleți, astfel încât spectrul RMN de înaltă frecvență prezintă o distorsiune mai mică decât spectrul de frecvență joasă.
Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt realizate în așa-numita spectroscopie RMN proteică, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Un obiectiv comun este obținerea unei structuri tridimensionale de înaltă rezoluție a unei proteine, similară imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul de bază 1 H este plin de semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.
Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente, se aplică metoda atomilor marcați folosind 13 C sau 15 N. Astfel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit metode (având atât avantaje, cât și dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.
În analiza cantitativă a soluțiilor, aria vârfului poate fi utilizată ca măsură a concentrației în metoda curbei de calibrare sau metoda de adăugare. Sunt cunoscute și metode în care un grafic gradat reflectă dependența de concentrație a deplasării chimice. Utilizarea metodei RMN în analiza anorganică se bazează pe faptul că în prezența substanțelor paramagnetice, timpul de relaxare nucleară este accelerat. Măsurarea ratei de relaxare poate fi efectuată prin mai multe metode.Fiabilă și versatilă, de exemplu, este versiunea impulsivă a metodei RMN sau, așa cum este denumită în mod obișnuit, metoda spin echo . În măsurătorile prin această metodă, probei studiate sunt aplicate impulsuri de radiofrecvență de scurtă durată într-un câmp magnetic la anumite intervale de timp în regiunea de absorbție rezonantă.În bobina receptoare apare un semnal ecou de spin, a cărui amplitudine maximă este legat de timpul de relaxare printr-o relatie simpla. Nu este necesar să se găsească valorile absolute ale ratelor de relaxare pentru a efectua determinările analitice obișnuite . În aceste cazuri, se poate limita la măsurarea unei cantități proporționale cu acestea, de exemplu, amplitudinea semnalului de absorbție rezonantă . Măsurarea amplitudinii se poate face cu un echipament simplu, mai accesibil. Un avantaj semnificativ al metodei RMN este o gamă largă de valori ale parametrilor măsurați. Folosind setarea ecou de spin, puteți determina timpul de relaxare de la 0,00001 la 100 s. cu o eroare de 3...5%. Acest lucru vă permite să determinați concentrația soluției într-un interval foarte larg de la 1 ... 2 la 0,000001 ... 0000001 mol / l. Tehnica analitică cea mai frecvent utilizată este metoda curbei de calibrare.