Файл: Жунке, А. Ядерный магнитный резонанс в органической химии.pdf

ADOLF ZSCHUNKE

KERNMAGNETISCHE

RESONANZSPEKTROSKOPIE IN DER ORGANISCHEN CHEMIE

AKADEMIE-VERLAG-BERLIN

1971

Книга представляет собой справочное и учебное пособие для химиков-органиков; это своего рода справочник, в котором изложено все необходимое для практического применения одного из самых распространенных методов исследования. Автор в краткой и доступ­ ной форме излагает принципы ЯМР-спектроскопии и дает основы спектрального анализа с применением параметров спектров ЯМР.

Книга предназначена для широкого круга химиков-органиков; особенно ее следует рекомендовать студентам вузов и молодым спе­ циалистам, применяющим в своей практической деятельности ме­ тод ЯМР.

Редакция литературы по химии

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Настоящая книга задумана в основном как пособие для студентов-химиков, с помощью которого они могли бы без особых затруднений научиться использовать ЯМРспектроскопию.

Несмотря на то что в этой области существует уже много замечательных книг, надеюсь, что это издание также ока­ жется полезным для тех советских студентов и научных работников, которые интересуются ЯМР-спектроскопией.

Я очень обрадован фактом издания книги на русском языке и пользуюсь этой возможностью, чтобы исправить неточности и замеченные опечатки.

Помимо этого, используя литературу, появившуюся в последнее время, и учитывая предложения моих коллег, я несколько дополнил разделы «Внешние влияния на хи­ мический сдвиг» и «Динамические явления в ЯМР-спек- трах» и составил новые таблицы химических сдвигов ядер

13С и 31Р.

Выражаю свою благодарность переводчикам, изда­ тельству «Мир», а также всем тем, кто помог мне критичес­ кими замечаниями и полезными советами при переработке этой книги.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

К НЕМЕЦКОМУ ИЗДАНИЮ

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса занимает важное место среди физических методов, применяемых в настоящее время химиками. Она дает возможность полу­ чить столь глубокое представление о молекулярной струк­ туре соединения, как едва ли какой-либо другой метод. Чрезвычайно плодотворным оказалось ее применение при стереохимических исследованиях.

Настоящая книга предназначена в первую очередь для студентов и химиков, которые только начинают входить в курс дела в области спектроскопии ЯМР. Читатель должен научиться самостоятельно извлекать важнейшую информацию из ЯМР-спектров.

Ввиду этой чисто практической направленности тео­ ретические основы метода, а также описание принципов из­ мерения и аппаратуры даны намеренно кратко. Для введе­ ния в спектральный анализ мы попытались популярно из­ ложить квантовомеханические принципы точных рас­ четов.

Наибольшее внимание уделено трактовке спектров про­ тонного магнитного резонанса, и на его примере вскрыты общие закономерности. Данные по резонансу других маг­ нитных ядер приведены лишь в общих чертах, причем выбраны лишь те ядра, по которым имеется достаточно ма­ териала.

А. Жучке

ГЛАВА 1

ОСНОВЫ

МЕТОДА

1.1. УСЛОВИЯ РЕЗОНАНСА

Как известно, атомы состоят из атомных ядер и элект­ ронных оболочек. Каждое атомное ядро несет положитель­ ный заряд, кратный заряду ядра водорода (протона). По­ мимо этого, некоторые ядра ведут себя как слабые пос­ тоянные магниты.

Для понимания ядерного магнетизма можно восполь­ зоваться следующей воображаемой моделью.

Представим себе ядро в виде шарика, в котором более или менее равномерно распределен положительный заряд. Если предположить, что этот шарик вращается, то его заряд будет двигаться по круговой орбите вокруг оси вра­ щения. Таким образом возникает круговой электрический ток. Известно, что электрический ток связан с магнитным полем. Следовательно, вращающееся ядро индуцирует магнитное поле, т. е. является магнитом.

Ядра, вращающиеся вокруг своей оси, имеют собствен­ ный момент количества движения, который называют так­ же спином ядра. Магнетизм ядра количественно выражает­ ся магнитным моментом. Если атомное ядро имеет спин, то оно имеет также магнитный момент.

Магнитный момент и спин ядра взаимно пропорцио­ нальны. Константа пропорциональности называется гиро­ магнитным отношением:

где р — модуль спина ядра, I — спиновое квантовое число, h — постоянная Планка.

Различным направлениям р во внешнем магнитном поле соответствуют различные проекции на направление маг­ нитного поля (примем, что силовые ли­ нии имеют отрицательное направление вдоль оси г). Различные проекции бу­ дут отличаться магнитным квантовым

числом nij :

Поскольку (I и р при положительном значении у имеют одинаковое направление, из уравнений

(1) и (5) следует, что

IV

С помощью уравнения (2) можно вычислить энергию так называемых спиновых состояний, которым соответствуют различные значения /П/ :

См., например, рис. 4 для двух разрешенных направлений. Таким образом, можно построить схему энергетических уровней ядра в магнитном поле (рис. 5). Если ограничиться

ядрами с / — */г, то