Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
* В литературе по ЯМР бытует формулировка «метильный квартет». Важно иметь в виду, что группа из четырех линий не соответствует резонансам метильной группы, а является результатом расщепления резонанса другого протона при его взаимодействии с метильной группой.
не будут обсуждаться детально; очень упрощенно их можно представить следующим образом: движение молекул или относительное движение частей молекул приводит к возникновению локальных флуктуирующих магнитных полей, вызывающих изменения в условиях резонанса и рассеяние энергии.
Эти процессы характеризуются временами релаксации Т\ и 7Y Для тех целей, которые ставит данная глава, остается упомянуть только два важных момента, имеющих отношение к релаксации: 1) Avi/2== 1/У2, где Avi/2 — ширина резонансной линии,
измеренная на половине высоты линии, и 2) Т2 зависит от молекулярного движения. При быстром движении возможность передачи энергии путем спин-спиновой релаксации понижается (так как ядра редко находятся в правильной относительной ориентации); следовательно, при быстром движении Т2 велико, а линии узкие.
Аппаратура для измерения ЯМР
Для работы ЯМР-спектрометра необходимы постоянное и переменное радиочастотное магнитные поля, держатель образца и детектор того или иного вида. Схема типичного прибора показана на рис. 17-8. Ампула с образцом А помещается между полюсами Б мощного электромагнита (обычно 104—105 Гс) внутри ка-
ЯМР-спектрометр для наблюдения спектров в стационарном режиме. Детали указаны в тексте.
тушки В, расположенной в плоскости, перпендикулярной полю Яо электромагнита. Радиочастотный генератор создает в катушке осциллирующее магнитное поле постоянной частоты (приблизительно 108 Гц, или циклов в секунду). Частота в катушке подбирается так, чтобы она была близкой к ларморовой частоте, соответствующей Я0. Для достижения резонанса медленно увеличивают магнитное поле небольшого вспомогательного магнита Г. (В некоторых приборах вспомогательный магнит отсутствует, и Я1 изменяется путем изменения частоты.) В момент резонанса яде’рные магнитные моменты изменяют свою ориентацию, и в результате резкого изменения магнитного поля в небольшой катушке Д, которая находится под прямым углом как к Я0, так и Яь индуцируется ток. Существуют разновидности этой конструкции; наиболее важная из них реализуется в обсуждаемом ниже импульсном ЯМР-спектрометре (ЯМР-спектрометрс с фу-рье-преобразованием).
Данные, получаемые из спектров ЯМР
Для получения информации об изучаемых молекулах используют четыре параметра спектров ЯМР: положение линии (т. е. химический сдвиг), интенсивность линии (площадь пика), ширину полосы и расщепление. Представляется важным рассмотреть, какую информацию дает каждый параметр.
1. Положение линии или химический сдвиг определяется локальными магнитными полями (от других ядер или неспаренных электронов) и индуцированными магнитными полями (создаваемыми окружающими электронами), в результате действия которых магнитное поле в районе ядра отличается от приложенного поля. Другими словами, в отдельной молекуле все ядра одного типа (т. е. химически идентичные) не обязательно должны быть в одинаковом окружении и, следовательно, могут иметь различные химические сдвиги.
2. Площадь или интенсивность линии пропорциональна числу ядер, находящихся в данном химическом окружении. Это означает, что раствор, имеющий молярную концентрацию в два раза большую, чем другой раствор, будет давать в спектре пик в два раза большей площади при одинаковых условиях регистрации и что, если ядра находятся в двух функциональных группах молекулы (например, метальных), имеющих идентичное окружение, или магнитно эквивалентных, резонанс также будет характеризоваться в два раза большей площадью. Это свойство отличает ЯМР от всех других типов спектроскопии, т. е. площадь
линии ЯМР не зависит от электронного окружения ядра; в случае ЯМР отсутствуют такие понятия, как вероятность поглощения или тушение.
3. Ширина полосы (т. е. ширина на половине высоты пика) в спектрах макромолекул в первую очередь определяется молекулярным движением.
4. Расщепление линий или образование мультиплета вызвано взаимодействиями ковалентно связанных ядер. Однако мульти-плет часто путают с группой близко расположенных линий, соответствующих различным ядрам. Критерием наличия мультиплета (при условии, что выполняются так называемые правила первого порядка) является отношение площадей его компонентов— например, 1 : 1 для дублета, 1:3:1 для триплета, 1:3: : 3 : 1 для квартета, 1 : 4 : 6 : 4 : 1 для квинтета и т. д.*
Как и в случае других спектральных методов, теория ЯМР пока не позволяет вычислять молекулярные параметры сложных молекул. Однако если идентифицированы пики (в следующем разделе обсуждается, как это делается), то, измеряя рассмотренные выше четыре параметра, можно проследить за некоторыми свойствами молекулы. На практике пользуются набором «правил», частью эмпирических, частью теоретических. Те из них, которые имеют применение в случае биологических молекул, приведены в табл. 17-2.
