Сравнительная характеристика методов ямр и эпр для определения структуры органических соединений. самый пиздатый списаный курсач. Курсовая работа по аналитической химии по специальности 04. 05. 01 Фундаментальная и прикладная химия

• Название: Курсовая работа по аналитической химии по специальности 04. 05. 01 Фундаментальная и прикладная химия
• Анкор: Сравнительная характеристика методов ямр и эпр для определения структуры органических соединений
• Дата: 12.10.2019
• Размер: 305.95 Kb.
• Имя файла: самый пиздатый списаный курсач.docx
• Тип: Курсовая; #89749
• страница: 4 из 4

1.5. Применение ПМР

1. 
   Качественный анализ.
   

Вскoре пoсле oткрытия явления ЯМР в кoнденсирoванных средах сталo яснo, чтo ЯМР будет ocнoвoй мoщнoгo метoда исследoвания стрoения вещества и егo свoйств. Действительнo, исследуя спектры ЯМР, мы испoльзуем в качестве резoнирующей систему ядер, чрезвычайнo чувствительных к магнитнoму oкружению. Лoкальные же магнитные пoля вблизи резoнирующегo ядра зависят oт внутри- и межмoлекулярных эффектoв, чтo и oпределяет ценнoсть этoгo вида спектрoскoпии для исследoвания стрoения и пoведения мoлекулярных систем.

В настoящее время труднo указать такую oбласть естественных наук, где бы в тoй или инoй степени не использoвался ЯМР. Метoды спектрoскoпии ЯМР ширoкo применяются в химии, мoлекулярнoй физике, биoлoгии, агрoнoмии, медицине, при изучении прирoдных oбразoваний (слюд, янтаря, пoлудрагoценных камней, гoрючих минералoв и другoгo минеральнoгo сырья), т. е. в таких научных направлениях, в кoтoрых исследуются стрoение вещества, егo мoлекулярная структура, характер химических связей, межмoлекулярные взаимoдействия и различные фoрмы внутреннегo движения.

2. 
   Кoличественный анализ. При испoльзoвании ЯМР как метoда кoличественнoгo анализа нет неoбхoдимoсти в чистoм oбразце oпределяемoгo вещества. Однакo испoльзуется какое-либo индивидуальнoе веществo в качестве внутреннегo стандарта.
   
3. 
   Применение ЯМР в биoлoгии и медицине.
   

В настoящее время пoлучены спектры ЯМР мнoгих белков; испoльзуется для наблюдения за структурными изменениями, сoпрoвoждающими функциoнирoвание белкoв. Метoд ЯМР ширoкo испoльзуется для изучения сoстoяния вoды в разноoбразных биoлогических oбъектах.

В ЯМР-спектрoметрах магнитнoе пoле стараются сделать как можно бoлее oднoрoдным, этo нужнo для улучшения спектральногo разрешения. Нo если магнитнoе пoле внутри oбразца, наoбoрoт, сделать oчень неoднoрoдным, этo oткрывает принципиальнo нoвые вoзмoжнoсти для испoльзoвания ЯМР. Неoднoрoднoсть пoля сoздается так называемыми градиентными катушками, кoтoрые рабoтают в паре с oснoвным магнитoм. В этoм случае величина магнитнoгo пoля в разных частях oбразца будет разная, а этo значит, чтo сигнал ЯМР мoжнo наблюдать не oт всегo oбразца, как в oбычном спектрoметре, а тoлькo oт егo узкoгo слoя, для кoтopoгo сoблюдаются резoнансные услoвия, т. е. нужнoе сooтнoшение магнитнoго пoля и частoты. Меняя величину магнитнoгo пoля (или, чтo пo сути тo же самoе, частoту наблюдения сигнала), можнo менять слoй, кoтoрый будет давать сигнал.

Таким oбразoм, мoжнo «прoсканирoвать» oбразец пo всему oбъему и «увидеть» егo внутреннюю трехмерную структуру, не разрушая oбразец каким-либo механическим спoсoбoм. К настоящему времени разрабoтанo бoльшoе числo метoдик, пoзволяющих измерять различные параметры ЯМР (спектральные характеристики, времена магнитной релаксации, скoрoсть самoдиффузии и некoтoрые другие) с прoстранственным разрешением внутри oбразца.

Самoе интереснoе и важнoе с практическoй тoчки зрения применение ЯМР-тoмoграфии нашлoсь в медицине. В этом случае исследуемым «oбразцoм» является человеческoе телo. ЯМР-томография является oдним из самых эффективных и безoпасных (нo также и дoрoгих) диагнocтических средств в различных oбластях медицины, oт oнколoгии дo акушерства.

2. Метод электронного парамагнитного резонанса

Теория магнитного резонанса применима не только к ядрам, но и к электронам, поскольку они также имеют спин (S) и магнитный момент. Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) было открыто в 1944 г. Е. К. Завойским в Казани. Этот метод в основном применяется для свободных радикалов (частицы, имеющей неспаренный электрон).

2.1. Принцип метода

Нескомпенсированный магнитный момент неспаренного электрона делает всю молекулу парамагнитной. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты неспаренных электронов ориентированы хаотически.

В общем случае разрешены всего 2S + 1 значений магнитного квантового числа (M_s). Если образец помещается во внешнее постоянное магнитное поле, то энергетический уровень электрона со спином S = 1/2 расщепляется на два подуровня. Магнитный момент неспаренного электрона может ориентироваться либо параллельно по отношению к внешнему магнитному полю (S = – 1/2, при этом энергия электронов уменьшается) или антипараллельно (S= +1/2, энергия возрастает).

Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, его магнитный момент направлен противоположно спиновому моменту, а не в том же направлении, как для ядра. Электронное спиновое квантовое число, в отличие от случая ядер, для нижнего уровня равно S = – 1/2 (рис. 6).



Рис. 6 - Энергетические уровни электрона в магнитном поле

Разность энергетических уровней составляет:

∆E = E₂ – E₁ = gβH_0,

где g — безразмерная постоянная, так называемый g-фактор

(для свободного электрона g_e = 2,002322);

β — магнетон Бора;

H₀ — напряженность внешнего магнитного поля.

Наложим теперь на образец, помимо постоянного (Н₀), и переменное магнитное поле с чистотой ν, перпендикулярное постоянному полю. Допустим, подействуем монохроматическим электромагнитным излучением (Е = h).

При условии h = gβH₀ (условие резонанса) происходит поглощение квантов излучения и переориентация спинов, т. е. переход из нижнего энергетического состояния в верхнее (резонансное поглощение энергии переменного поля) и наоборот. Заселенность нижнего уровня выше, чем заселенность верхнего состояния. В силу этого количество переходов снизу вверх больше числа переходов сверху вниз. Это явление называется электронным парамагнитным резонансом.

Таким образом, если частота переменного магнитного поля попадает в диапазон энергии частиц, то энергия поглощается, и мы снимаем кривую поглощения. Спектр ЭПР представляет зависимость интенсивности поглощения I от напряженности магнитного доля. По техническим причинам на ЭПР-спектрографах регистрируют не сам спектр поглощения, а его первую производную от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 7).



Рис.7 - Спектр ЭПР:

a — линия поглощения; b — первая производная от напряженности

внешнего магнитного поля

Так как линии ЭПР поглощения широки, то первая производная дает лучшее представление о характере спектра.

Ось абсцисс — величина напряженности постоянного магнитного поля (Н), которая плавно меняется при постоянной частоте СВЧ-поля до достижения значений, соответствующих условию резонансного поглощения (максимум). Значение первой производной равно нулю в точке максимума резонансного сигнала.

2.2. Параметры спектров ЭПР

При анализе свободных радикалов учитывают следующие параметры спектров ЭПР.

1. 
   Положение линии поглощения в спектре (g-фактор, зависит от электронной структуры окружения).
   

Магнитное поле, действующее на электрон, может отличаться от приложенного поля ввиду того, что последнее индуцирует локальные поля. Измерение положения линии в спектре позволяет определить g-фактор, а т. к. он зависит от электронного строения парамагнитных частиц, можно сделать некоторые выводы о структуре. Характерные значения g-фактора у органических и неорганических радикалов позволяют проводить идентификацию этих частиц.

2. 
   Ширина полосы поглощения.
   

Форма линий зависит от характера движения радикалов, т. к. она определяется процессами релаксации. Ширина сигнала определяется двумя видами взаимодействия.

А. Спин-решеточное взаимодействие — процесс обмена энергией между системой спинов и решеткой, т. е. средой, в которой находятся парамагнитные частицы.

Безызлучательные переходы между двумя состояниями спинов, сопровождающие взаимодействие с окружением, называют спин-решеточной релаксацией. Характеристикой этих процессов является так называемое время спин-решеточной релаксации (Т₁), которое отражает среднее время жизни данного спинового состояния.

Ширина линии поглощения обусловлена тем, что вследствие процессов релаксации состояние спина имеет определенное время жизни, что вызывает уширение резонансного сигнала. Величина Т₁ сильно зависит от температуры, увеличиваясь при замораживании. Чем больше Т₁, тем уже линия.

Б. Спин-решеточная релаксация не единственный процесс, определяющий ширину линии. Существуют процессы, вызывающие изменения относительных энергий спиновых состояний за счет обмена энергией в самой системе спинов. Это так называемые процессы спин-спинового взаимодействия, которые характеризуются временем спин-спиновой релаксации (Т₂). Чем больше Т₂, тем уже линия. Эффект уширения исчезает с увеличением подвижности радикалов.

3. Сверхтонкая структура (СТС) спектров ЭПР.

Надо учитывать, что электрон движется в поле ядер, а они имеют свой магнитный момент. Магнитные моменты ядер, входящих в состав радикальной частицы, создают локальные поля, которые складываются с внешним полем Н₀ и тем самым влияют на линии ЭПР, вызывая их расщепление.

Взаимодействие магнитных моментов неспаренных электронов с магнитными моментами ядер — это сверхтонкое взаимодействие, которое приводит к расщеплению линий и появлению сверхтонкой структуры в спектрах ЭПР.

В органических радикалах такими ядрами являются, как правило, протоны. Так, суммарное магнитное поле, действующее на неспаренный электрон в случае влияния одного протона, будет расщеплять каждый энергетический уровень на два подуровня. В спектре ЭПР будет наблюдаться уже не одна, а две полосы поглощения. Если влияют два эквивалентных протона, то полос будет три с соотношением интенсивностей 1:2:1, а если протонов три, то полос четыре с соотношением интенсивностей 1:3:3:1.

В случае «n» эквивалентных протонов в спектре ЭПР будут наблюдаться (n+1) линии.

Помимо протонов к сверхтонкому расщеплению спектра ЭПР приводит взаимодействие неспаренного электрона с другими ядрами. В общем случае если в радикале содержится «n» эквивалентных ядер, обладающих ядерным спином (I), то число компонентов сверхтонкой структуры определяется по формуле:

N_СТС = 2nI+1.

Например, одно взаимодействие неспаренного электрона с ядром азота N¹⁵, имеющим I=1, приводит к появлению в спектре ЭПР трех линий.

4. Интенсивность линии поглощения.

Интенсивность линии поглощения прямо связана с концентрацией парамагнитных частиц в образце: площадь под кривой поглощения пропорциональна концентрации неспаренных электронов. Обычно для определения концентрации используют сравнение сигналов ЭПР исследуемого образца и эталона с известным количеством парамагнитных частиц.

2.3. Спектрометры ЭПР

Резонансное поглощение можно наблюдать, изменяя частоту электромагнитного излучения при постоянстве напряженности магнитного поля или напряженность при постоянстве частоты. Так же, как и в ЯМР-спектрометре из практических соображений применяют второй способ регистрации резонансного поглощения.

Спектрометр ЭПР (рис. 9) состоит из электромагнита, создающего стабильное магнитное поле; источника радиочастотного излучения; системы, позволяющей подвести радиочастотное излучение к образцу и зарегистрировать резонансное поглощение; системы усиления и обработки сигнала.

В качестве источников постоянного магнитного поля применяют электромагниты. В спектрометрах ЭПР содержатся схемы, позволяющие проводить линейное и плавное изменение напряженности поля с заданной скоростью и в заданном диапазоне.

Источниками радиочастотного излучения служат специальные генераторные лампы (клистроны). Питание клистронов осуществляется от стабилизированных источников, с тем чтобы избежать изменений частоты генерируемого излучения.

Для передачи СВЧ-излучения к образцу используют волноводы — металлические трубки определенного сечения. Электромагнитное излучение от клистрона проходит по волноводу в полый резонатор. Резонатор расположен между полюсами электромагнита, и именно в нем помещен образец. Назначение резонатора состоит в концентрировании на образце энергии излучения, приходящего от клистрона по волноводам. Чаще всего применяют цилиндрические или прямоугольные резонаторы. В цилиндрические резонаторы образцы обычно помещают в тонких капиллярах, а в прямоугольных используют плоские кюветы. В условиях, когда в образце имеют место переходы между электронными спиновыми уровнями, энергия излучения поглощается и на детектор падает меньше энергии. Обычно сигнал ЭПР можно наблюдать на осциллографе или регистрировать на ленте самописца (получают первую производную линии поглощения).



Рис. 8 - Блок-схема спектрометра ЭПР:

H₀ — постоянное магнитное поле;

H₁ — переменное магнитное поле, перпендикулярное постоянному полю;

1 — электромагнит;

2 — питание клистрона;

3 — клистрон;

4 — волновод;

5 — резонатор;

6 — детектор;

7 — усилитель;

8 — осциллограф;

9 — генератор качающейся частоты

2.4. Применение ЭПР-спектроскопии

Метод ЭПР приобрел большое значение в химии, физике, биологии, медицине, поскольку позволяет определять структуры и концентрации органических и неорганических свободных радикалов. Свободные радикалы могут быть созданы химическим методом, фотохимически или при действии излучения высокой энергии.

Спектр ЭПР дают свободные радикалы, молекулы с нечетным числом электронов, триплетные состояния органических молекул, парамагнитные ионы переходных металлов и их комплексы.

Метод ЭПР начал применятся в биологических исследованиях в 1950-е гг. Благодаря довольно высокой чувствительности и возможности в определении природы парамагнитных частиц этот метод нашел широкое применение для изучения целого ряда биологических процессов.

Помимо сигналов свободных радикалов в тканях наблюдается целый ряд сигналов металлов (Fe, Cu, Mn, Ni, Co). Эти металлы входят в состав металлопротеинов, принимающих участие в целом ряде ферментативных процессов. Железосодержащие белки (цитохромы, ферредоксины) являются компонентами электрон-транспортных цепей в митохондриях и хлоропластах.

Методом ЭПР исследован целый ряд ферментативных систем, обнаружены свободно-радикальные продукты субстратов. В ряде случаев оказалось возможным наблюдать за окислительно-восстановительными превращениями ионов металлов, входящих в активный центр фермента.

ЭПР-спектроскопия широко применяется в исследованиях фотосинтеза: изучается механизм первичных стадий разделения зарядов в реакционных центрах и дальнейший перенос электрона по цепи электронного транспорта.

Помимо изучения механизмов реакций, протекающих с участием парамагнитных частиц, метод ЭПР широко используют и для исследования структурно-динамических свойств макромолекул и биомембран.

В последнее время для изучения биологических и полимерных систем часто используются методы «парамагнитного зонда», «спиновых меток» и «спиновых ловушек». Все они основаны на использовании стабильных азотнокислых радикалов различного строения, а точнее на анализе изменений ширины линий спектров ЭПР, вызванных вращательной и поступательной диффузией этих радикалов.

Основная идея метода спиновых меток и зондов состоит в присоединении к той или иной функциональной группе белка свободного радикала и изучению характеристик его сигналов ЭПР. Наиболее удобны в этом отношении нитроксильные радикалы, содержащие свободнорадикальную группу:

,

где R₁ и R₂ — различные химические группировки.

Метод «спиновых меток» заключается в том, что к непарамагнитной молекуле стабильный радикал прикрепляется ковалентной или какой-либо другой связью так, чтобы свободная валентность оказалась незатронутой. Характер движения отчетливо проявляется в форме спектра и служит важным источником информации об исходной молекуле.

Если молекула встраивается в белковую молекулу и там удерживается с помощью электростатических сил или гидрофобных взаимодействий, то такая молекула называется спиновым зондом. Метод основан на исследовании вращательной и поступательной подвижности радикала-зонда в водных или органических средах или в матрице полимера. Подвижность радикала зависит от подвижности молекул окружающей среды, поэтому радикал является своеобразным молекулярным датчиком структурной и динамической информации о локальном окружении.

Форма сигнала ЭПР, даваемого спиновой меткой или зондом, зависит от микроокружения нитроксильного радикала, в первую очередь от вращательной подвижности той группы, в состав которой он входит.

Основной недостаток спиновых меток и зондов заключается в том, что, хотя эти молекулы и невелики, включаясь в липидный бислой, они несколько изменяют его свойства.

В основе метода «спиновых ловушек» лежит реакция специально вводимой в исследуемую систему непарамагнитной молекулы (ловушки) с короткоживущим радикалом, при этом образуется стабильный радикал. Кинетическое поведение образующегося стабильного радикала и его структура дают сведения о кинетике и механизме процессов в изучаемой системе.

Объектами исследования в химии с применением ЭПР-спектроскопии являются: 1) свободные радикалы в промежуточных продуктах органических реакций; 2) кинетика реакций; 3) химия поверхностных явлений; 4) разрушение, происходящее в результате облучения; 5) полимеризация, обусловленная свободными радикалами; 6) свободные радикалы, замороженные при низких температурах; 7) металлы переменной валентности и их комплексы.

Метод ЭПР эффективен в исследовании кинетики и механизмов химических реакций. Во-первых, измерение ширины линий в спектрах ЭПР можно использовать для определения констант скорости процессов с участием парамагнитных частиц, характеристическое время жизни которых лежит в интервале 10^–5–10^–10 с. Во-вторых, метод ЭПР позволяет регистрировать с высокой чувствительностью в разных условиях парамагнитные частицы, что дает ценную информацию о механизмах реакций. В-третьих, спектрометр ЭПР можно использовать как аналитический прибор для детектирования в ходе реакций концентрации реагирующих парамагнитных молекул. Количество парамагнитных центров в образце пропорционально площади под спектром поглощения.

Метод ЭПР широко используется для исследования быстрых процессов, связанных с изменением молекулярной структуры радикалов. Эти процессы включают заторможенное вращение и конформационные переходы.

Для короткоживущих радикалов чувствительность метода может быть повышена путем использования проточной системы или непрерывного облучения. Спектры ЭПР нестабильных радикалов можно получить, зафиксировав их в стеклах, матрицах замороженных благородных газов или кристаллах.



Вывод

В данном курсовом проекте была поставлена задача рассмотреть особенности резонансных метoдoв анализа, и дать практические рекoмендации, в какoм случае вoзможно испoльзование тoго или другoго метoда исследoвания.Таким образом: ЯМР - самый мощный и информативный метод исследования молекул. Строго говоря, это не один метод, это большое число разнообразных типов экспериментов, т. е. импульсных последовательностей. Хотя все они основаны на явлении ЯМР, но каждый из этих экспериментов предназначен для получения какой-то конкретной специфической информации. Теоретически ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все остальные экспериментальные методы исследования структуры и динамики молекул, хотя практически это выполнимо, конечно, далеко не всегда. Одно из основных достоинств ЯМР в том, что, с одной стороны, его природные зонды, т. е. магнитные ядра, распределены по всей молекуле, а с другой стороны, он позволяет отличить эти ядра друг от друга и получать пространственно-селективные данные о свойствах молекулы. Почти все остальные методы дают информацию либо усредненную по всей молекуле, либо только о какой-то одной ее части.

Основных недостатков у ЯМР два. Во-первых, это низкая чувствительность по сравнению с большинством других экспериментальных методов (оптическая спектроскопия, флюоресценция, ЭПР и т. п.). Это приводит к тому, что для усреднения шумов сигнал нужно накапливать долгое время. В некоторых случаях ЯМР-эксперимент может проводиться в течение даже нескольких недель. Во-вторых, это его дороговизна. ЯМР-спектрометры - одни из самых дорогих научных приборов, их стоимость измеряется как минимум сотнями тысяч долларов, а самые дорогие спектрометры стоят несколько миллионов.

Метод ЭПР используется для обнаружения , радикалов исследования их превращений и радикальных реакций в полимерах.

Для исследования химических процессов важно не только идентифицировать радикалы, но и измерить их концентрации. Прямое определение свободных радикалов с помощью ЭПР в ходе свободнорадикальной полимеризации в настоящее время не совсем успешно. Это обусловлено тем, что при обычных экспериментальных скоростях полимеризации концентрация радикалов очень мала.

Методом ЭПР идентифицированы растущие макрорадикалы в жидкой и твердой фазах, определены их концентрации, найдены константы скорости роста и обрыва цепей.
Список используемой литературы

1. 
   Конспект лекций по дисциплине Аналитическая химия Голубевой Ирины;
   
2. 
   Аналитическая химия и физико-химические методы анализа : в 2 т. / Н. В. Алов и др. ; под ред. А. А. Ищенко. — М. : Академия, 2012.
   
3. 
   Васильев, В. П. Аналитическая химия. Кн. 2 : Физико-химические методы анализа / В. П. Васильев. — М. : Дрофа, 2007.
   
4. 
   Основы аналитической химии / под ред. Ю. А. Золотова. — М. : Высшая школа, 2004
   
5. 
   Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических исследований. - М: Мир, 1992.
   
6. 
   Ионин Б.И., Ершов Б.А., Кольцов А.И. ЯМР-спектроскопия в органической химии. - Л.: Химия, 1983