РЕФЕРАТ

на тему:

„Ядерно-магнітний резонанс”

Ядерним магнітним резонансом (ЯМР) називається виборче (резонансне) поглинання електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону ядерною системою спину речовини в сильному постійному магнітному полі, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер.

Залежно від того, в яких магнітних системах вивчаються енергетичні переходи, індуковані змінним магнітним полем, розрізняють ядерний магнітний резонанс (ЯМР) і електронний парамагнітний резонанс (ЕПР). Обидва ці методу використовуються для аналізу речовин, проте для хіміка-органіка самим інформативним методом є ЯМР-спектроскопія, за допомогою якої можна не тільки з'ясовувати електронне оточення ядер, але і визначати відносну кількість ядер, що беруть участь у формуванні сигналу ЯМР.

Спектроскопія ЯМР широко застосовується для вивчення найрізноманітніших хімічних проблем, рішення яких іншими методами неможливе або дуже утруднене. Серед них слід зазначити: визначення молекулярної структури (стереохімія молекул); вивчення дисоціації, реакцій обміну, процесів утворення водневого зв'язку; дослідження розподілу електронів в молекулах; виявлення вільних радикалів з невеликою тривалістю життя, виникаючих в хімічних (біохімічних) процесах, які не піддаються вивченню стандартними хімічними методами саме через їх швидкоплинність, і т.п.

Вельми ефективно застосування ЯМР-спектроскопії для ідентифікації і аналізу лікарських засобів, тобто визначення відносного змісту лікарських речовин і домішок. Слід зазначити, що методи ЯМР, ІК-і УФ-спектроськопії взаємно доповнюють один одного, оскільки в кожному з цих методів реєструються переходи між різними енергетичними рівнями в різних структурних підсистемах молекули (від ядра до квантованого обертального спектру молекули як цілого). Між оптичною спектроскопією в ІК- або УФ-областях спектру і спектроскопією ЯМР існують принципові відмінності, зв'язані з тим, що в першому випадку індукуються электроди-польні переходи, а у втором—магнитодипольные, що визначає відмінності в будові спектрів і їх інтерпретації.

В спектрі ЯМР нерідко вдається ідентифікувати і визначити положення кожної функціональної групи, що входить до складу молекули, що вельми рідко можна здійснити за допомогою ІК- або УФ-спектров.

Фізичні основи методу. Електрон, протон, нейтрон і цілий ряд атомних ядер володіють власним механічним моментом (спином) Ls, з яким

лінійно зв'язаний магнітний момент

µ = г Ls

де г гіромагнітне відношення.

Не дивлячись на те що ядра атомів складаються з протонів і нейтронів, що володіють спином, не всі атоми мають магнітні ядра.

Ядра з парним масовим числом і парним атомним номером, так звані парно-парні, не мають магнітного моменту (ji = 0). Парно-непарні ядра мають цілий спин, а непарно-непарні і непарно-парні володіють напівцілими

спином.

Найбільш важливі для дослідження ядра:

1Н (J = 1/2, г = 2,675*108 Гц*рад/Тл);

2Н(J= 1, г = 0,41*108Гц*рад/Tл);

13С(J = 1/2, г = 0,673*108Гц*рад/Тл);

14N(J = 1, г = 0,193*108Гц*рад/Тл);

17О(J = 5/2, г =—0,363*108 Гц*рад/Тл);

15N(J= 1/2, г =—0,271*108 Гц*рад/Тл);

19F(J= 1/2, г = 2,517*108 Гц*рад/Тл);

31Р(7= 1/2, г = 1,083*108 Гц*рад/Тл);

де J—спиновое квантове число ядра.

Згідно положенням квантової механіки, механічний момент ядра пропорційний квантовому числу спину J:

Ls = hJ

де Й = h / 2? — нормована постійна Планка.

Механічний момент може розташовуватися тільки уподовж певних просторових напрямів таким чином, що його проекції на напрям I зовнішнього магнітного поля можуть приймати дискретні значення:

La = hmj

де т}—магнитное квантове число, яке характеризує стаціонарні або власні стани ядра. Згідно умові квантування, запишемо значення тj.

- J\ J — 1; J -2; J -

Повне число можливих значень mj, а отже, і енергетичних рівнів ядра в магнітному полі рівно 2J + 1. З висловленого виходить, що ядра, поміщені в магнітне поле В, можуть мати наступні дискретні эквідистантні рівні енергії:

Em=-yhmjBQ.

Унаслідок теплового руху на кожному енергетичному рівні в

Більш високі енергетичні рівні населені слабіше за низькі рівні, тобто на низьких енергетичних рівнях створюється деякий надлишок ядер, при цьому різниця заселенностей сусідніх рівнів рівна

(2J + V)kT

Для протонів, ядер атомів водню (дворівнева система) при кімнатній температурі і зовнішньому магнітному полі індукцією В = 1,4 Тл на кожний мільйон ядер доводиться близько 10 протонів, що знаходяться на нижньому рівні. Якщо на ці ядра впливати змінним магнітним полем Я! = H0'sin ш, перпендикулярним В, і частотою з, то тільки у тому випадку, коли енергія кванта електромагнітного поля йсо стане рівній енергії переходу ядер на сусідній енергетичний рівень, тобто йсо = yttB0, або з = уВ0 > ядра почнуть переходити з нижніх енергетичних рівнів на більш високі. На мал. 18.4.1 представлена система рівнів для ядер із спином J = 1, а також можливі орієнтації механічного моменту ядер і їх намагніченностей. В кожному акті поглинання одне ядро поглинає один квант поля, при цьому, згідно правилам відбору для магнітодипольних переходів, Дт = +1. Для такого типу ядер в даному полі за відсутності взаємодії між ядрами існує тільки одна частота резонансу, яка відповідає одній лінії поглинання на спектрі ЯМР. Так, наприклад, для ядра водню (протона) ун = 2,675-108 Гц-рад/Тл, і, отже, резонансна частота для протонів, що знаходяться в магнітному полі індукцією В - 1 Тл, рівна v = 42,58 мГц. Поглинання відбуватиметься до тих пір, поки не наступить вирівнювання заселенностей рівнів.

Мал. 18.4,1 Система рівнів для ядер із спином 7=1 (а), а також можливі орієнтації механічного моменту ядер і їх намагніченностей

В реальній фізичній системі різні механізми взаємодії ядер один з одним і з оточуючими їх електронами відновлюють надлишок ядер на нижніх енергетичних рівнях. Електромагнітне поле прагне зрівняти заселена рівнів, тоді як взаємодія ядер протидіє цьому. Процеси, в результаті яких ядра переходять на більш низькі енергетичні рівні, називаються релаксаціями.

Відомі два типи релаксації: спин-решеточна