- •Поняття про фізичні методи дослідження в хімії. Спектроскопічні, дифракційні методи дослідження, та методи, що базуються на перетворенні речовин, що досліджуються, в йони.
- •2. Діапазон частот для різних спектроскопічних методів.
- •3. Пряма та обернена спектральні задачі. Характеристичний час фізичних методів дослідження.
- •5. Основні принципи мас-спектрометрії та галузі її застосування. Одиниці виміру і форми представлення мас-спектрів.
- •6. Принципова блок-схема мас-спектрометра.
- •7, 8. Іонізація в мас-спектрометрії електронним ударом. Основні процеси, що відбуваються при еу.
- •9. Хімічна іонізація та області її аналітичного застосування
- •10. Методи йонізації лабільних молекул (польова йонізація, польова десорбція, fab, електроспрей-йонізація) та їх порівняння з методом еу.
- •11. Основні методи аналізу йонів – магнітний, часопролітний, квадрупольний.
- •12. Типи йонів у мас-спектрі: молекулярний йон, уламкові йони, перегруповані, метастабільні, двозарядні та ізотопні йони.
- •13. Роздільна здатність мас-спектрометра.
- •15. Визначення брутто-формули, виходячи з даних мас-спектрометрії: за допомогою точного значення маси молекулярного йону та з використанням таблиць Бейнона.
- •17. Найбільш характеристичні фрагментації молекулярних йонів з відщепленням нейтральних частинок.
- •18. Характеристичні перегрупування йонів. Перегрупування Мак-Лаферті.
- •1.Характеристика магнітних ядер (спін, магнітний момент, гіромагнітне відношення). Взаємодія магнітних моментів ядер з магнітним полем.
- •2.Ядерна прецесія. Моделі, що використовуються для ілюстрації поведінки магнітних ядер в постійному магнітному полі.
- •3.Макроскопічна ядерна намагніченість, залежність від температури та напруженості зовнішнього магнітного поля.
- •4.Спін-ґраткова і спін-спінова релаксація, час релаксації.
- •5.Розподілення ядер між рівнями енергії в зовнішньому магнітному полі (розподілення Больцмана).
- •6.Умови ядерного магнітного резонансу. Основне рівняння ямр.
- •7. Поняття про рівняння Блоха, форма сигналу ямр
- •Способи реєстрації сигналу ямр – метод повільного проходження та Фур’є-спектроскопія.
- •Вплив радіочастотного імпульсу на макроскопічну ядерну намагніченість.
- •Спад вільної індукції (сві). Фур’є перетворення кривої спаду вільної індукції.
- •Блок-схема спектрометра ямр. Характеристики приладів ямр – чутливість та роздільна здатність, робоча частота.
- •12. Обертання зразка та його наслідки. Розчинники в ямр та вимоги до них.
- •13. Хімічне зміщення сигналу ямр, константи екранування ядер, діамагнітний та парамагнітний вклади в константу екранування.
- •14. Одиниці вимірювання хімічного зсувув спектроскопії ямр. Поняття про ізохронні, хімічно (не)еквівалентні, магнітно (не)еквівалентні ядра.
- •15. Еталонні речовини спектроскопії ямр та вимоги до них, шкали хімічних зміщень.
- •Залежність хімічного зсуву від будови речовин (на прикладі 1н‑ямр та 13с-ямр).
- •Магнітно-анізотропні групи, їх вплив на навколишні ядра. Кільцеві ароматичні токи, їх вплив на резонанс навколишніх ядер.
- •Використання хімічного зсуву в структурних дослідженнях. Кореляційні таблиці хімічних зсувів, типові (характеристичні) значення хімічних зміщень для спектроскопії на ядрах 1н та 13с.
- •19. Поняття про шкали хімічних зміщень та властивості спектрів ямр на інших магнітних ядрах – 19f, 31p, 15n, 14n.
- •20. Спін-спінова взаємодія, її прояв в спектрах ямр. Мультиплетність сигналів ямр.
- •21. Правила розщеплення ямр сигналів першого порядку.
- •Константи спін-спінової взаємодії (кссв), їх класифікація в залежності від кількості зв’язків між магнітними ядрами.
- •Позначення спінових систем. Типовий вигляд сигналів ямр спінових систем ах, ав, амх, авс, аа’вв’, аа’хх’.
- •24. Ямр магнітних ядер в діастереотопних групах.
- •25.Ефекти вищого порядку у спектрах ямр.
- •26.Залежність кссв від геометрії молекул. Формула Карплуса.
- •27. Подвійний резонанс. Використання в ямр.
- •28. Явище насичення в ямр, практичне застосування.
- •Діаграми енергетичних рівнів і різниці заселеності для двох спінів,s і I, між якими є диполярна взаємодія:
- •Процедура отримання різницевого яео спектру:
- •Шкала часу в ямр. Швидкі та повільні процеси з точки зору ямр.
- •32. Інтегрування сигналів ямр в спектрах. Використання інтегрування для кількісного аналізу зразків.
- •Поняття про двовимірну спектроскопію ямр. Типи двовимірних спектрів.
- •Двовимірні кореляційні спектри: методики cosy, hsqc, hmbc, noesy, inadequate.
- •Способи зображення двовимірних спектрів.
- •Типи задач у хімії, що можуть бути розв’язані за допомогою двовимірних кореляційних спектрів.
- •Принципова відмінність двовимірних спектрів ямр від одновимірних.
- •Двовимірнa j-спектроскопія – кореляція хімічних зсувів з константами спін-спінової взаємодії.
- •Іч спектроскопія
- •Необхідні умови для виникнення іч-спектру молекули. Поняття про валентні та деформаційні коливання.
- •Виникнення спектрів комбінаційного розсіювання (скр) світла хімічних сполук. Необхідні умови.
- •Порівняння можливостей методів іч-спектроскопії та скр для вивчення хімічних сполук.
- •Коливання двохатомних молекул у наближенні гармонічного осцилятора.
- •Поняття про нормальні коливання та їх форми.
- •Силова стала та її фізичне тлумачення.
- •Залежність положення смуги поглинання карбонільної групи від замісників біля sp2-гібридизованого атома карбону.
- •Особливості поглинання 1,2-, 1,3-та 1,4-дикарбонільних сполук.
- •Вплив концентрації гідроксилвмісних сполук на вигляд спектру.
- •Наведіть критерії розрізнення алканів, алкенів, алкінів, аренів за іч-спектрами.
- •Вплив структурних факторівна положення та інтенсивність смуги поглинання подвійних і потрійних зв'язків у вуглеводнях.
- •Залежність положення смуги поглинання від кратності зв'язку на прикладі вуглеводнів.
- •Залежність положення смуги поглинання від кратності зв'язку на прикладі карбонільних сполук.
- •Фактори, що впливають на інтенсивність смуги поглинання. Навести приклади.
- •Залежність інтенсивності смуги поглинання від кратності зв'язку.
- •Особливості поглинання амідів карбонових кислот.
- •Використання різних ізотопів для вирішення структурно-спектральних проблем.
- •Іч спектри дмсо (1) і дейтерованого дмсо (2)
- •Поглинання амінів, амідів та нітрилів.
- •Особливості поглинання амінокислот. Пептидний зв’язок.
20. Спін-спінова взаємодія, її прояв в спектрах ямр. Мультиплетність сигналів ямр.
Віддаль між ядрами така, що вони здатні відчувати магнітний момент одне одного. Нехай обидва ядра, що взаємодіють, мають спін ½ і дещо відмінні частоти поглинання, тобто ядра А і В мають різні хімічні зсуви. Дана ситуація зображена на Рис. 1.20.
Рис. 1.Енергетична діаграма ядра А за різних обставин. Область 1 – ситуація за відсутності зовнішнього поля, коли енергії станів альфа та бета співпадають; Область 2 – ситуація, що виникає у зовнішньому магнітному полі за відсутності ядра В. Тут спостерігається розщеплення енергетичних рівнів; Область 3 – ситуація у присутності ядра В.
Розглянемо ситуацію на прикладі ядра А. Можливі три варіанти. Якщо на молекулу, яка містить ядра А та В не діє зовнішнє магнітне поле, то обидва можливих стани спіну А є виродженими, тобто вони мають однакову енергію. На Рис. 1.таку ситуацію зображено в області 1. Якщо вмістити молекулу у зовнішнє магнітне поле, відбувається розщеплення рівнів енергії. Стан має нижчу енергію, а стан – вищу. За таких умов можливий перехід між спіновими станами з поглинанням енергії. Якщо ядро А знаходиться далеко від В і не відчуває його магнітного моменту, реалізується ситуація 2 на Рис. 1. Тут можливий лише єдиний перехід між спіновими станами, відповідний спектр ЯМР матиме 1 лінію. Якщо ж ядро А відчуває орієнтацію магнітного моменту ядра В, відбувається подальше розщеплення енергетичних рівнів ядра А. Стан матиме вже два можливих рівня енергії, в залежності від того, яку орієнтацію має спін ядра В. Якщо магнітний момент ядра В орієнтується в напрямку зовнішнього поля, то в точці локалізації ядра А поле матиме трохи більшу величину, а якщо спін В орієнтується проти зовнішнього поля, то трохи меншу. На Рис. 1. даній ситуації відповідає область 3. Тут при поглинанні ядром А енергії можливі вже два варіанти (показані стрілками). Таким чином, у загальному випадку наявність сусіднього спіну приводить до розщеплення сигналу ядра А. Цілком аналогічні міркування можна застосувати і для спіну В. Його сигнал також може розщеплюватися завдяки спіну А. Таким чином, наявність взаємодії (зв’язку) між спінами веде до розщеплення сигналів у спектрі. Для системи ядер А і В можливими є 4 переходи між енергетичними рівнями, що можуть відбуватися при поглинанні радіочастотного опромінення відповідної частоти.
21. Правила розщеплення ямр сигналів першого порядку.
У спектрах ЯМР часто трапляється, що сигнали окремих магнітних ядер або груп еквівалентних ядер містять декілька спектральних ліній. Таке розщеплення називають надтонкою структурою спектра. Отже, сигнал може мати вигляд як одиночного піку (синглет), так і подвоєного (дублет), потроєного (триплет) та більш складних піків, які у загальному випадку називають мультиплетами. Так, протонний спектр діетилового ефіру, що виміряний на частоті 100 МГц, містить триплет і квартет (рис. 1.22).
Сигнали, що відповідають усім магнітно-нееквівалентним протонам сполуки, розщеплюються на мультиплети—триплет (СН3) і квартет (СН2). Надтонка структура сигналів зумовлена явищем, яке відоме під назвою спін-спінової взаємодії (coupling). Відстань між двома сусідніми компонентами у кожному з мультиплетів, виражена в герцах, називається константою спін-спінової взаємодії (КССВ, coupling constant, J). На відміну від хімічного зсуву, КССВ не залежить від робочої частоти приладу, тому відстань між компонентами мультиплетів є однаковою, незалежно від приладу, на якому виміряний спектр. У наведеному прикладі наявне розщеплення можна зобразити схемою, що наведена на рис. 1.23.
Причину виникнення спін-спінової взаємодії розглянемо на прикладі найпростішої молекули з нееквівалентними магнітними ядрами Н—D. Якщо якимось чином поле магнітного моменту протона передається на дейтрон, то напруженість магнітного поля, при якій дейтрон прецесує у постійному магнітному полі, залежить від магнітного квантового числа певного протона. Нехай це число дорівнює + 1/2, тобто вектор магнітного моменту протона орієнтується за полем. Тоді сумарне магнітне поле, що діє на дейтрон, складатиметься з прикладеного зовнішнього магнітного поля Но і поля ΔH, наведеного протоном. Отже, для досягнення резонансної частоти дейтрона в молекулі Н—D потрібна нижча напруженість магнітного поля H0 ніж у випадку вільного атома дейтерію. У молекулі, в якій протон має магнітне квантове число -1/2, наведене ним магнітне поле є протилежним до зовнішнього магнітного поля Hо, і тому необхідне для резонансу дейтрона магнітне поле буде вищим, ніж для вільного атома дейтерію. Отже, спектр на частоті дейтерію буде містити дві компоненти (рис. 1.24, зліва). Інтенсивності обох компонентів однакові, оскільки ймовірності того, що протони матимуть магнітне квантове число +1/2 і -1/2, практично однакові.
Рис. 1.24. Схематичне зображення спектра ЯМР молекули НD: зліва – на частоті дейтерію, справа – на частоті протонів.
На рис. 1.24 (справа) показано інший спектр Н—D, тепер вже на частоті протона. Тут сигнал розщеплюється на три компоненти однакової інтенсивності, оскільки спін дейтрона, який зумовлює це розщеплення, дорівнює 1, і відповідно його магнітне квантове число може мати три значення:-1,0 і +1. Зазначимо, що КССВ JHD та JDH мають однакові значення (43 Гц), тобто розщеплення як протонного, так і дейтронного сигналів відбуваються з однаковою константою.
У загальному випадку, кількість компонентів у спінових мультиплетах можна визначити за формулою
nA = 2SB + 1 (1.18)
де n — мультиплетність сигналу магнітних ядер А; ∑SВ — сума спінів сусідніх еквівалентних ядер В. Для випадку спектрів на ядрах 1Н, 13С та інших, що мають спін 1/2, мультиплетність сигналу можна знайти за формулою
nA = NB + 1 (1.19)
де NВ—кількість еквівалентних ядер у сусідніх групах.
Відносні інтенсивності компонентів мультиплету ядра А визначаються кількістю еквівалентних спінових станів у сусідній групі В. Так, якщо поряд з протоном НА знаходиться метильна група
то для протонів метилу можливі орієнтації спінів, наведені на рис. 1.25.
Рис. 1.25. Можливі сполучення орієнтацій спінів протонів метильної групи та їх сумарний спін
Кожна з восьми комбінацій спінів практично рівноймовірна, однак, у цілому сумарний спін +1/2 або -1/2 дістаємо у результаті трьох різних комбінацій спінових орієнтацій, а сумарний спін +3/2 та -3/2 — лише в одній комбінації. Тому співвідношення інтенсивностей компонентів квартету протона А становить 1:3:3:1.
Якщо біля даного магнітного ядра перебувають дві різні групи еквівалентних протонів В1 і В2, взаємодія з кожною з них іде незалежно. Отже, кількість компонентів у мультиплеті сигналу ядра А буде дорівнювати:
nA = (2SB1 + 1)(2SB2 + 1) (1.20)
Де ∑SB1 та ∑SВ2—відповідно суми спінів сусідніх груп еквівалентних ядер B1 та B2. ,
де NВ1 та NВ2 — кількості протонів у сусідніх групах.
Для випадку ядер зі спіном ½
nA = (NB1 + 1)(NB2 + 1) (1.21)
Якщо розглядати розщеплення на ядрах із спіном 1/2, то інтенсивності компонентів мультиплетів можна знайти за допомогою трикутника Паскаля:
У цьому трикутнику сума двох довільних елементів ряду дорівнює елементу, що розташований між ними в сусідньому нижньому ряду. Числа у кожному ряду трикутника Паскаля відповідають інтенсивностям компонентів мультиплету, що має стільки компонентів, скільки чисел міститься у даному ряду трикутника.
Для тих випадків, коли спіни ядер більші за 1/2, можна побудувати числові трикутники, подібні до трикутника Паскаля. Нижче наведені два такі трикутники для випадків I=1 та I=3/2. Тут, щоб дістати числа будь-якого нижнього ряду, додають вже не два, а три і відповідно чотири числа, що містяться у попередньому верхньому ряду (включаючи нулі справа і зліва від одиниць):
Кожний ряд трикутника дає змогу визначити інтенсивності компонентів мультиплету, утвореного внаслідок спін-спінової взаємодії ядра (або групи ядер) А з групою п ядер В, що мають спін I. Наприклад, сигнал ядер 13С молекули CD4 складається з 7 компонентів, які мають відносні інтенсивності
Описані правила ССВ називаються правилами розщеплення першого порядку. їх можна застосовувати у випадках, коли різниця хімічних зсувів взаємодіючих ядер перевищує їхню КССВ принаймні у шість разів.