Ядрено-магнитен резонанс (NMR)
Методът на ядрено-магнитния резонанс (ЯМР), както и разгледаният по-рано метод на електронен парамагнитен резонанс (ЕПР), се основава на регистриране на резонансно поглъщане на енергия на радиочестотно излъчване от вещество, поставено в магнитно поле. Но в този случай енергийните кванти на радиочестотното излъчване се поглъщат не от електрони, а от ядрата на елементи, които имат магнитен момент - така нареченото "ядрен спин", на първо място - от протони.
Трябва да се отбележи, че ядрата на атомите, най-често включени в състава на органични съединения (като C 12, O 16 и т.н.), имат четно масово числоAи зарядz, поради което техният "ядрен спин" е равен на нула. Такива ядра не дават сигнали за ядрен резонанс. В същото време ядрата на атомите H 1 , C 13 , F 19 и P 31 имат ядрен спин, равен на ±1/2, и веществата, в които са въведени тези атоми, могат много удобно да бъдат изследвани чрез ЯМР.
Има и елементи, чиито ядра имат спин, равен на единица или по-голям от кратно на 1/2. ЯМР изследванията на съединения, съдържащи такива елементи, са по-трудни за експериментално провеждане.
Липсата на спин в най-важния органоген С 12 е голямо предимство на метода, тъй като ако С 12 имаше магнитен момент, ЯМР спектрите биха били много по-сложни. Ако се изисква да се наблюдава ЯМР сигнал от въглероден атом, неговият С13 изотоп може да бъде въведен в тестовите обекти.
Методът на ЯМР, открит през 1946 г., е един от най-важните нови методи за изследване на органични съединения, тъй като позволява решаването на много от най-трудните въпроси относно детайлите на структурата на органичните молекули, природата на химичните връзки и кинетиката на реакциите. Това е възможно поради факта, че ядрата на атомите, в зависимост от това какви други ядра са заобиколени в молекулата (различни магнитни
среда), дават ЯМР сигнал (резонансен ефект) при различни стойности на силата на постоянното магнитно поле. Така, например, в NMR спектъра на етилов алкохол (фиг. 57,A) се виждат три пика, съответстващи на водородни атоми в три различни магнитни среди (CH3, CH2 и OH). Площите на пиковете са в съотношение 3:2:1 според броя на водородните атоми в тези групи.
Трябва да се подчертае, че спектърът на фиг. 57,Aполучено на устройство с ниска резолюция. При по-модерно устройство във всеки пик ще се появи фина и свръхфина структура (фиг. 57,B). Възниква, както при метода EPR, в резултат на взаимодействието на завъртания, доста близки едно до друго, ядра. Броят на разделителните линии на фината структура за всяка група атоми на изследваната молекула може лесно да се изчисли предварително.
Разстоянията между линиите на фиг. 57,Aсе определят от два параметъра: разделителната способност на устройството и така нареченотохимическо изместване,характеризиращо природата на изследваната молекула.
За химиците следните характеристики са от най-голям интерес, които могат да бъдат получени чрез разглеждане на ЯМР спектрите:
1. Ширината и площта на линията (пик), както и времето за релаксация, т.е. времето, необходимо на ядрото да се върне от горното енергийно ниво към долното. Тези характеристики могат да дадат информация за движението и по-специално за въртенето на групи в твърдо тяло, а в някои случаи и за разстоянието между съседните ядра.
2. "Химични отмествания", които могат да дадат информация за природата на химичните връзки и са основа за анализ на спектрограми.
3. Брой и относителна площ на линиите с фина структура. Тези характеристики също предоставят информация за химичните връзки.
Ядрено-магнитният резонанс е полезен заустановяване на структурата на сложни органични съединения и изучаване на сложни реакционни смеси. Този метод осигурява огромни спестявания на труд и време при изследване на различни молекулярни пренареждания: когато се работи със съединения, белязани с изотопа C 13, е възможно да се установи позицията на C 13 в молекулата директно, без да се извършва многоетапно разрушаване.
На фиг. 58 показва примерна NMR спектрограма за N-етилетиленимин. Тази спектрограма доведе до интересни заключения, че в молекулата на N-етилетиленимин азотният атом и трите въглеродни атома, директно свързани с него, не лежат в една и съща равнина и взаимни трансформации (инверсии) от типа
се случват не повече от 80 пъти в секунда.
С помощта на ЯМР метода може лесно да се получи информация за структурата на молекулите, която е недостъпна или трудна за получаване по други начини. Следователно, въпреки сложността и високата цена на оборудването, ЯМР методът става все по-важен в органичната химия.