Существует много различных ядер, которые можно наблюдать методом ЯМР-спектроскопии: 1H (протон), 13C (углерод 13), 15N (азот 15), 19F (фтор 19) и многие другие. 1H и 13C используются чаще всего. Я опишу метод для 1H, поскольку именно в этом случае наглядно проявляются свойства ЯМР-спектроскопии.
Все ядра обладают положительным зарядом и постоянно вращаются как волчок. Мы знаем из физики, что движущийся заряд создает магнитное поле. В ЯМР, когда мы облучаем ядро электромагнитным излучением радиодиапазона, это заставляет ядро и его магнитное поле поворачиваться (то есть возникает ядерный магнитный резонанс, отсюда и название ЯМР). В ЯМР-спектрометре существует проволочная катушка, которая окружает образец. Мы также знаем из физики, что магнит, движущийся внутри проволочной катушки, вызывает перемещение зарядов в этой катушке. Поэтому когда магнитное поле ядра поворачивается, это вызывает появление в проволоке тока, который может быть зафиксирован компьютером. Вы можете увидеть фильм об этом процессе ниже.
Первое, что вы можете заметить, когда смотрите на этот спектр, это то, что в нем присутствуют не просто несколько отдельных пиков, а некоторые отдельные пики, некоторые - двойные, а иногда и большие группы пиков. Каждая из этих групп пиков соответствуют одному типу ядер, а не разным, как можно предположить. Причиной же того, что мы видим не просто один пик, а целую группу, является то, что атомы водорода, присоединенные к одному атому углерода взаимодействуют, то есть испытывают влияние со стороны магнитных полей соседних атомов водорода. Это взаимодействие "расщепляет" сигнал на несколько пиков, видимых в спекткре. Это расщепление следует правилу, которое называется "правило N + 1," которое заключается в том, что количество пиков, которое мы видим для каждого типа водорода равно количеству атомов водорода на соседних ядрах (N) плюс единица. Например, приведенный выше спектр относится к этиловому спирту, структура которого H3C-CH2-OH. Пик между точками 1 и 2 по оси абсцисс соответствует водороду в группе CH3. Он расщепляется на три пика за счет атомов водорода в группе CH2 (2+1=3). Пик между точками 3 и 4 по оси абсцисс соответствует водороду в группе CH2. Он расщеплен на четыре пика за счет атомов водорода в группе CH3 (3+1=4).
Ниже дана таблица лишь немногих известных химических сдвигов (приведенных в миллионных долях, или промилях) возможных в ЯМР-спектре 1H. Протоны, с которыми связан этот сдвиг, выделены красным.
протон | химический сдвиг (промили) | ||
этан (H3C-CH3) | 1.25 | ||
пропан (H3C-CH2-CH3) | 1.17 | ||
циклопропан (C3H6) | 0.22 | ||
циклопентан (C5H10) | 1.40 | ||
циклогексан (C6H12) | 1.35 | ||
толуол (H3C-C6H5) | 2.87 | ||
стирол (H2C=CH-C6H5) | 5.09 | ||
стирол (H2C=CH-C6H5) | 6.68 | ||
Ароматические углеводороды | орто | мета | пара |
бензол (C6H6) | 7.54 | 7.54 | 7.54 |
толуол (H3C-C6H5) | 7.16 | 7.16 | 7.16 |
стирол (H2C=CH-C6H5) | 7.24 | 7.24 | 7.24 |
монобромбензол (Br-C6H5) | 7.49 | 7.14 | 7.24 |
фенол (HO-C6H5) | 6.77 | 7.13 | 6.87 |