Эта увлекательная химия [Георгий Борисович Шульпин] (fb2) читать постранично, страница - 56

Если же наложено внешнее поле, то все ядерные магнитные моменты распределяются по двум возможным ориентациям, каждой из которых соответствует свой энергетический уровень, причем немного больше ядер — на нижнем уровне. Если теперь "раскачивать" ядра, подавая на образец излучение, квант которого точно совпадает с разностью энергий верхнего и нижнего уровней (т. е. подобрав соответствующую частоту, для ядер она оказывается порядка 106 сек-1), то наступает резонанс: ядра переходят снизу вверх и сверху вниз. Но так как изначально на нижнем уровне ядер было больше, то и переходов снизу вверх тоже больше, чем переходов сверху вниз. В результате энергия всей системы ядер немного возрастает, а энергия излучения поглощается. Это поглощение регистрируют с помощью радиотехнических устройств. Таким образом, этим методом в образце вещества можно обнаружить протоны. Но если бы этим и ограничивались возможности магнитного резонанса, ценность его была бы ничтожна. Все дело в том, что кроме внешнего поля на каждый протон действуют и локальные поля, созданные движущимися электронами в данной молекуле (движущийся электрон, как и электрический ток, создает магнитное поле). Это локальное поле складывается с внешним, так что суммарное поле, в котором находится ядро атома водорода (протон), зависит, и притом очень тонко, от структуры ближайшего окружения ядра, т. е. от структуры молекулы. А это значит, что от структуры молекулы зависит и та частота излучения, при которой наступает резонансное поглощение энергии. Например, в молекуле уксусной кислоты протон, связанный с атомом кислорода, находится в совсем ином электронном окружении, чем атомы водорода, соединенные с углеродом. Поэтому и в спектре эти протоны проявляются в виде резонансных пиков при различных значениях частоты излучения. Площади пиков относятся как количества протонов в молекуле, в данном случае, как 3:1 (три метальных протона и один протон в карбоксильной группе).

Спектр ЯМР на ядрах ¹Н уксусной кислоты

Теперь нам ясно, какую информацию получает химик из спектра ядерного магнитного резонанса. Помимо спектров на протонах, в практике широко распространены магнитный резонанс на ядрах 19F, 31Р и особенно 13С. Благодаря таким спектрам, можно, получив вещество, уже через несколько минут узнать, сколько типов углеродных атомов в нем содержится и в каком окружении они находятся.

Молекулу разбивают на осколки...

Есть еще один прекрасный метод исследования органических соединений — масс-спектрометрия. Вот в чем он заключается.

Органическое вещество испаряют в высоком вакууме, получают поток отдельных молекул вещества. На этот поток молекул направляют пучок электронов,

Масс-спектр пропионового альдегида (сильно упрощен) отражает процесс последовательного распада этого соединения

которые выбивают из молекул по одному электрону. Получается так называемый молекулярный ион, заряженный положительно. Этот ион весьма неустойчив и очень скоро начинает распадаться на нейтральные осколки и положительно заряженные ионы. Все эти ионы ускоряются в электрическом поле и затем поступают в магнитное поле. А известно, что под действием магнитного поля движущийся электрический заряд отклоняется, причем это отклонение тем больше, чем меньше масса частицы, несущей это г заряд. Такой поток ионов, строго разобранных по массам, попадает на детектор (это может быть обычная фотопластинка).

И смотрите, какую богатую информацию мы получаем, разбив молекулу на кусочки и измерив массу всех этих осколков. Зная массу молекулярного иона, мы сразу узнаем молекулярную массу вещества. По тому, какие осколки образуются, мы можем судить о строении вещества, а зная, насколько легко они получаются, можем рассчитать энергетические характеристики молекулы.

Заключение

В этой небольшой книжке мы рассказали только о некоторых разделах, о некоторых проблемах органической химии. Наука эта весьма обширна, и многие интереснейшие вопросы здесь даже не удалось упомянуть. Попытаемся хотя бы перечислить то, о чем не было рассказано.

Начнем со структурной химии. Здесь заслуживают упоминания соединения, относящиеся к совершенно новому типу: соединения без химических связей. В 1964 г* немецкий химик Г. Шилл (ФРГ) разработал синтез вещества, образованного двумя сцепленными кольцами, которое относится к классу катенанов (от латинского слова, означающего "цепь").

Совсем недавно, в 1981 г. тому же ученому удалось синтезировать катенан из трех колец, одного большого и двух поменьше, который, как оказалось, может существовать в виде двух изомеров: в первом изомере (А) два кольца разделены бензольными фрагментами, во втором изомере (Б) оба малых кольца находятся по одну сторону от большого кольца:

Бензольные циклы не дают возможности