2.5 Спектроскопія протонного магнітного резонансу

ПМР – спектроскопія являє собою окремий випадок більш загального методу – спектроскопії ядерно-магнітного резонансу. Метод придатний для вивчення молекул до складу яких входять атоми з непарним числом протонів або нейтронів. Такі ядра мають ядерні спіни і являються парамагнітними. Це такі ядра, як ¹Н, ³³S, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁹F, ³¹P.

Ядра атомів, які мають спін – дуже слабкі ядерні магніти, в постійному магнітному полі з високою напруженістю поля Н₀, взаємодіють з ним і орієнтуються в напрямку магнітних силових ліній. Переорієнтація ядерного спіна вимагає затрати енергії. Цю енергію ядро може одержати під час поглинання кванта електромагнітного випромінювання hν_р з низькою енергією, яка відповідає радіочастотному випромінюванню. Якщо речовина, спектр ПМР якої необхідно одержати, помістити в ампулі між полюсами потужного магніту (Н₀ = 60 – 600 МГц), а перпендикулярно полю Н₀ створити високочастотне електромагнітне випромінювання ν за допомогою індукційної катушки, то може утворитись резонансна взаємодія магнітних полів. Стан резонансу наступає тоді, коли постійне магнітне поле створює таку різницю енергій ΔЕ двох спінових станів ядра атому, котра дорівнює кванту високочастотного електромагнітного випромінювання кванту, що поглинається.

В стані резонансу на ядрах водню – протону з'являється найпростіший ПМР-спектр у вигляді одиничного сигналу. Протони неоднакових по природі молекул мають резонансні сигнали при різних Н₀. Ця різниця з'являється у протонів в одній і тій же молекулі, яка містить декілька протонів, якщо тільки ці протони зв’язані з неоднаковими по природі атомами, які входять до складу функціональних груп. По ПМР-спектрам легко розрізнюються функціональні групи, як по природі так і по їх кількості в молекулі. В якості еталону, відносного котрого вимірюється положення сигналу протона, так званий хімічний здвиг (δ) сигналу протона, вибирається частіше всього тетраметилсилан, який добавляється до ампули разом з досліджувальною сполукою і котрий має одиничний сигнал протонів в сильному полі. Хімічний здвиг сигналу протона вимірюють в міліонних долях (м. д.) від напруженості постійного магнітного поля Н₀.

Тоді хімічний здвиг будь-якого протону можна розрахувати так:

(2.2)

де та - відповідно, напруженість та частота, при якій з'являється сигнал стандарту (Si(CH₃)₄);

та - сигнали дослідної речовини;

та - відповідно, напруженість зовнішнього магнітного поля та робоча частота генератора.

Крім положення в спектрах ПМР сигнали протонів характеризуються інтенсивністю і формою. Інтенсивність піка сигналу визначається числом протонів даного виду в молекулі, тобто протонів які здатні взаємодіяти з зовнішнім полем однакової сили. Важливим являється питання вибору розчинника для зняття спектрів. Він повинен бути інертним, прозорим в діапазоні 5÷15 м. д. Це важка вода (D₂O), тетрахлор метан(CCl₄), дейтерохлороформ (CDCl₃), дейтеробензол (C₆D₆). Насичений розчин повинен мати концентрацію не нижче 10^-2 моль/л.

2.6 Мас-пектрометрія

В мас-спектрометрі молекулу бомбардують пучком електронів середніх енергій. При цьому молекули іонізуються і розпадаються на ряд фрагментів, деякі з яких являються позитивно зарядженими йонами. Кожен тип йонів має певне відношення маси до заряду, або величину т/е. Для більшості йонів заряд дорівнює 1, тобто т/е є просто масою йона.

При аналізі отриманої суміші позитивно заряджених йонів кожному йону в мас-спектрометрії відповідає окремий пік, який відповідає величині т/е йона й інтенсивність якого характеризує відносну кількість йону, який дає сигнал. Найбільш інтенсивний пік називається основним піком, його інтенсивність приймається за 100, а інтенсивності інших виражають відносно нього.

Данні мас-спектрометрії можуть бути подані у вигляді графіку або таблиці.

Мас-спектрометрію можна використовувати для доказу ідентичності двох речовин і для встановлення структури нових речовин. Дві сполуки вважаються ідентичними, якщо вони мають однакові фізичні властивості: температура топлення та кипіння, показник заломлення тощо. Один мас-спектр рівноцінний виміру багатьох фізичних властивостей, оскільки він вказує відносні кількості більшого числа різних фрагментів. Якщо виміряний мас-спектр відповідає мас-спектру вже відомої речовини, то можна робити абсолютно вірний висновок, що дві речовини ідентичні.

Мас-спектрометрія допомагає встановити структуру нової сполуки: з даних мас-спектрометрії можна отримати точну молекулярну масу; молекулярну формулу, або хоча б обмежити кількість деякими; можна встановити наявність в молекулі певних груп. [59]