Спектроскопия ядерного магнитного резонанса фтора-19. Fluorine-19 nuclear magnetic resonance spectroscopy

Образец спектра ЯМР 19F простого органического соединения. Интеграции показаны под каждым пиком.

Спектр ЯМР 19F 1-бром-3,4,5-трифторбензола. Расширение показывает структуру спин-спинового взаимодействия , возникающую из-за взаимодействия пара-фтора с ядрами 2 мета-фтора и 2 орто-протонов.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса фтора-19 ( ЯМР фтора или ¹⁹ F ЯМР ) - это аналитический метод, используемый для обнаружения и идентификации фторсодержащих соединений. ¹⁹ F является важным ядром для ЯМР-спектроскопии из-за его восприимчивости и большой дисперсии химического сдвига , которая больше, чем у протонной спектроскопии ядерного магнитного резонанса .

Подробности работы

¹⁹ F имеет ядерный спин (I) 1 ⁄ 2 и высокое гиромагнитное отношение . Следовательно, этот изотоп очень чувствителен к измерениям ЯМР. Кроме того,¹⁹ F содержит 100% встречающегося в природе фтора. Только другие высокочувствительным спином 1 / 2 ЯМРА-активные ядракоторые являются моноизотопными (или почти) являются¹ Н и³¹ С. Действительно,¹⁹ F ядра является третьим наиболее восприимчивым ядром ЯМРА, после³ Н ядра и¹ H ядро.

В ¹⁹ F ЯМР химические сдвиги охватывают диапазон приблизительно 800 частей на миллион. Для получения органа соединений фтора диапазон является более узким, будучи приблизительно От -50 до -70 ppm (для групп CF ₃ ) до -200 до -220 ppm (для групп CH ₂ F). Очень широкий спектральный диапазон может вызвать проблемы при записи спектров, такие как плохое разрешение данных и неточная интеграция.

Также можно записывать разделенные спектры ¹⁹ F { ¹ H} и ¹ H { ¹⁹ F} и корреляции множественных связей ¹⁹ F- ¹³ C HMBC и через космические спектры HOESY.

Химические сдвиги

Химические сдвиги ¹⁹ F ЯМР в литературе сильно различаются, обычно более чем на 1 ppm, даже в пределах одного и того же растворителя. Хотя эталонное соединение для ¹⁹ F ЯМР-спектроскопии, чистый CFCl ₃ (0 ppm), используется с 1950-х годов, четких инструкций о том, как его измерить и использовать в обычных измерениях, не было до недавнего времени. Исследование факторов, влияющих на химический сдвиг в спектроскопии ЯМР фтора, показало, что растворитель оказывает наибольшее влияние (Δδ = ± 2 ppm или более). Была подготовлена справочная таблица для конкретных растворителей с 5 внутренними справочными соединениями ( CFCl ₃ , C ₆ H ₅ F , PhCF ₃ , C ₆ F ₆ и CF ₃ CO ₂ H ), чтобы обеспечить воспроизводимое сопоставление с точностью Δδ = ± 30 ppb. Поскольку на химический сдвиг CFCl ₃ также влияет растворитель, необходимо соблюдать осторожность при использовании растворенного CFCl _{3 в} качестве эталонного соединения в отношении химического сдвига чистого CFCl ₃ (0 ppm). Пример химических сдвигов, определенных для чистого CFCl ₃ :

Выдержка из справочной таблицы для чистого CFCl ₃ [ppm]
	CFCl ₃	C ₆ H ₅ F	PhCF ₃	С ₆ Ж ₆	CF ₃ CO ₂ H
Растворитель	[частей на миллион]	[частей на миллион]	[частей на миллион]	[частей на миллион]	[частей на миллион]
CDCl ₃	0,65	-112,96	-62,61	-161,64	-75,39
CD ₂ Cl ₂	0,02	-113,78	-62,93	-162,61	-75,76
С ₆ Д ₆	-0,19	-113,11	-62,74	-163,16	-75,87
Ацетон- d ₆	-1,09	-114,72	-63,22	-164,67	-76,87

Полный список химических сдвигов эталонных соединений в 11 дейтерированных растворителях можно найти в цитированной литературе.

Также недавно был предоставлен краткий список химических сдвигов более чем 240 фторированных химикатов с соответствующими ссылками.

Прогноз химического сдвига

Химические сдвиги ¹⁹ F ЯМР предсказать труднее, чем сдвиги ¹ H ЯМР. В частности, сдвиги ЯМР ¹⁹ F сильно зависят от вкладов электронных возбужденных состояний, тогда как сдвиги ЯМР ¹ H преобладают за счет диамагнитных вкладов.

Фторметильные соединения

¹⁹ F Химические сдвиги F ₃ C-R групп
-Р	δ (частей на миллион)
ЧАС	-78
CH ₃	-62
Канал ₂ Кан ₃	-70
CH ₂ NH ₂	-72
СН ₂ ОН	-78
CH = CH ₂	-67
C = CH	-56
CF ₃	-89
CF ₂ CF ₃	-83
F	-63
Cl	-29
Br	-18
я	-5
ОЙ	-55
NH ₂	-49
SH	-32
C (= O) Ph	-58
С (= O) CF ₃	-85
С (= О) ОН	-77
С (= O) F	-76
С (= O) ОСН ₂ СН ₃	-74

¹⁹ F Химические сдвиги F ₂ CH-R групп
-Р	δ (частей на миллион)
ЧАС	-144
CH ₃	-110
Канал ₂ Кан ₃	-120
CF ₃	-141
CF ₂ CF ₃	-138
С (= О) ОН	-127

¹⁹ F Химические сдвиги C-R групп FH ₂
-Р	δ (частей на миллион)
ЧАС	-268
CH ₃	-212
Канал ₂ Кан ₃	-212
СН ₂ ОН	-226
CF ₃	-241
CF ₂ CF ₃	-243
С (= О) ОН	-229

Фторалкены

Для виниловых фторсодержащих заместителей следующая формула позволяет оценить химический состав ¹⁹ F:

{\ displaystyle \ delta _ {C = CF} ~ (ppm) = - 133.9 + Z_ {cis} + Z_ {trans} + Z_ {gem} + S_ {cis / trans} + S_ {cis / gem} + S_ { транс / драгоценный камень}}

где Z - статистический химический сдвиг заместителя (SSCS) для заместителя в указанном положении, а S - фактор взаимодействия. Некоторые репрезентативные значения для использования в этом уравнении представлены в таблице ниже:

Значения SSCS для фторалкеновых заместителей
Заместитель R	Z _цис	Z _транс	Z _{драгоценный камень}
-ЧАС	-7,4	-31,3	49,9
-CH ₃	-6,0	-43,0	9,5
-CH = CH ₂	---	---	47,7
-Ph	-15,7	-35,1	38,7
-CF ₃	-25,3	-40,7	54,3
-F	0	0	0
-Cl	-16,5	-29,4	---
-Br	-17,7	-40,0	---
-Я	-21,3	-46,3	17,4
-OCH ₂ CH ₃	-77,5	---	84,2

Факторы взаимодействия фторалкеновых заместителей
Заместитель	Заместитель	S _{цис / транс}	S _{цис / драгоценный камень}	S _{транс / драгоценный камень}
-ЧАС	-ЧАС	-26,6	---	2,8
-ЧАС	-CF ₃	-21,3	---	---
-ЧАС	-CH ₃	---	11,4	---
-ЧАС	-OCH ₂ CH ₃	-47,0	---	---
-ЧАС	-Ph	-4,8	---	5.2
-CF ₃	-ЧАС	-7,5	-10,6	12,5
-CF ₃	-CF ₃	-5,9	-5,3	-4,7
-CF ₃	-CH ₃	17.0	---	---
-CF ₃	-Ph	-15,6	---	-23,4
-CH ₃	-ЧАС	---	-12,2	---
-CH ₃	-CF ₃	---	-13,8	-8,9
-CH ₃	-Ph	---	-19,5	-19,5
-OCH ₂ CH ₃	-ЧАС	-5,1	---	---
-Ph	-ЧАС	---	---	20,1
-Ph	-CF ₃	-23,2	---	---

Фторбензолы

При определении химических сдвигов ¹⁹ F ароматических атомов фтора, в частности фенилфторидов, существует другое уравнение, которое допускает приближение. Это уравнение, заимствованное из «Определения структуры органических соединений»:

{\ displaystyle \ delta _ {F} ~ (ppm) = - 113.9+ \ Sigma Z_ {ortho} + \ Sigma Z_ {meta} + \ Sigma Z_ {para}}

где Z - величина SSCS для заместителя в данном положении относительно атома фтора. Некоторые репрезентативные значения для использования в этом уравнении представлены в таблице ниже:

Значения SSCS для фторбензольных заместителей
Заместитель	Z _орто	Z _мета	Z _пара
-CH ₃	-3,9	-0,4	-3,6
-CH = CH ₂	-4,4	0,7	-0,6
-F	-23,2	2.0	-6,6
-Cl	-0,3	3.5	-0,7
-Br	7,6	3.5	0,1
-Я	19,9	3,6	1.4
-ОЙ	-23,5	0	-13,3
-OCH ₃	-18,9	-0,8	-9,0
-NH ₂	-22,9	-1,3	-17,4
-НО ₂	-5,6	3.8	9,6
-CN	6.9	4.1	10.1
-SH	10.0	0,9	-3,5
-CH (= O)	-7,4	2.1	10,3
-C (= O) CH ₃	2,5	1,8	7,6
-С (= О) ОН	2.3	1.1	6.5
-C (= O) NH ₂	0,5	-0,8	3,4
-C (= O) OCH ₃	3.3	3.8	7.1
-C (= O) Cl	3,4	3.5	12,9

Приведенные выше данные являются репрезентативными только для некоторых тенденций и молекул. С другими источниками и таблицами данных можно ознакомиться для более полного списка тенденций химических сдвигов ¹⁹ F. Следует отметить, что исторически большинство литературных источников изменили соглашение об использовании негативов. Поэтому остерегайтесь знаков значений, указанных в других источниках.

Спин-спиновая связь

¹⁹ F - ¹⁹ F константы связи , как правило , больше , чем ¹ Н- ¹ Н константы связи. Длинный диапазон ¹⁹ F - ¹⁹ F соединение, ( ² J, ³ J, ⁴ J или даже ⁵ J) , как правило , наблюдается. Как правило, чем больше диапазон муфты, тем меньше значение. Водород соединяется с фтором, что очень типично для спектра ¹⁹ F. Для геминального водорода константы взаимодействия могут достигать 50 Гц. Другие ядра могут связываться с фтором, однако этого можно избежать, проведя эксперименты с независимой связью. Обычно ЯМР фтора проводят с развязкой как от углерода, так и от протона. Атомы фтора также могут соединяться друг с другом. Между атомами фтора константы гомоядерного взаимодействия намного больше, чем с атомами водорода. Геминальный фтор обычно имеет J-значение 250-300 Гц. Есть много хороших справочных материалов по значениям констант связи. Цитаты включены ниже.

Магнитно-резонансная томография

¹⁹ F магнитно-резонансная томография (МРТ) - жизнеспособная альтернатива ¹ H МРТ. Проблемы чувствительности можно решить, используя мягкие наночастицы. К применению относятся контрастные агенты, чувствительные к pH, температуре, ферментам, ионам металлов и окислительно-восстановительному потенциалу . Их также можно использовать для долгосрочной маркировки клеток.

Примечания

использованная литература

^ Кларидж, Тимоти (2016). Методы ЯМР высокого разрешения в органической химии . Оксфорд, Великобритания: Эльзевир. С. 428–429. ISBN 978-0-08-099986-9.
^ Мартино, R .; Gilard, V .; Малет-Мартино, М. (2008). ЯМР-спектроскопия в фармацевтическом анализе . Бостон: Эльзевир. п. 371. ISBN. 978-0-444-53173-5.
^ H. Friebolin "Основная одномерная и двумерная спектроскопия ЯМР", Wiley-VCH, Weinheim, 2011. ISBN 978-3-527-32782-9
^ См. Харрис, Робин Кингсли и Манн, Брайан Э .; ЯМР и таблица Менделеева , стр. 13 ISBN 0123276500
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Розенау, Карл Филипп; Jelier, Benson J .; Gossert, Alvar D .; Тонни, Антонио (16.05.2018). «Выявление истоков невоспроизводимости в спектроскопии ЯМР фтора». Angewandte Chemie International Edition . 57 (30): 9528–9533. DOI : 10.1002 / anie.201802620 . ISSN 1433-7851 . PMID 29663671 .
Перейти ↑ Harris, RK (2001). «Номенклатура ЯМР. Ядерные спиновые свойства и условные обозначения для химических сдвигов (Рекомендации ИЮПАК 2001 г.)». Чистая и прикладная химия . 73 (11): 1795–1818. DOI : 10,1351 / pac200173111795 .
^ Х., Дунган, Клод (1970). Подборка данных о химических сдвигах ЯМР F ^{19 с} 1951 по середину 1967 года . Ван Вейзер, Джон Р. Нью-Йорк: Wiley-Interscience. ISBN 0471226505. OCLC 88883 .
^ ^a ^b Сильверштейн, Роберт М .; Вебстер, Фрэнсис X .; Кимле, Дэвид Дж. (2005). Спектрометрическая идентификация органических соединений (7-е изд.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. стр. 323 -326. ISBN 978-0-471-39362-7.
^ Джеттон, RE; Нэнни, младший; Mahaffy, CAL. Предсказаниеположений сигналов¹⁹ F ЯМР фторалкенов с использованием статистических методов, J. Fluorine Chem. 1995 , 72 , 121.
^ ^a ^b ^c Преч, Эрно; Бюльманн, Филипп; Бадерчер, Мартин (2009). Определение структуры органических соединений (4-е изд.). Берлин, Германия: Springer. стр. 243 -259. ISBN 978-3-540-93809-5.
^ ^a ^b ^c Dolbier, WR (2009) Обзор ЯМР фтора, в Руководстве по ЯМР фтора для химиков-органиков, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен, Нью-Джерси, США. DOI: 10.1002 / 9780470483404.ch2
^ Германн, Петр; Блахут, Ян; Котек, Ян; Геринек, Вит (2021). «Глава 8. Парамагнитные зонды ионов металлов для магнитно-резонансной томографии ¹⁹ F». Ионы металлов в методах био-визуализации . Springer. С. 239–270. DOI : 10.1515 / 9783110685701-014 .

[1] Кларидж, Тимоти (2016). Методы ЯМР высокого разрешения в органической химии . Оксфорд, Великобритания: Эльзевир. С. 428–429. ISBN 978-0-08-099986-9.

[2] Мартино, R .; Gilard, V .; Малет-Мартино, М. (2008). ЯМР-спектроскопия в фармацевтическом анализе . Бостон: Эльзевир. п. 371. ISBN. 978-0-444-53173-5.

[3] H. Friebolin "Основная одномерная и двумерная спектроскопия ЯМР", Wiley-VCH, Weinheim, 2011. ISBN 978-3-527-32782-9

[4] См. Харрис, Робин Кингсли и Манн, Брайан Э .; ЯМР и таблица Менделеева , стр. 13 ISBN 0123276500

[:3-6] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Розенау, Карл Филипп; Jelier, Benson J .; Gossert, Alvar D .; Тонни, Антонио (16.05.2018). «Выявление истоков невоспроизводимости в спектроскопии ЯМР фтора». Angewandte Chemie International Edition . 57 (30): 9528–9533. DOI : 10.1002 / anie.201802620 . ISSN 1433-7851 . PMID 29663671 .

[7] Перейти ↑ Harris, RK (2001). «Номенклатура ЯМР. Ядерные спиновые свойства и условные обозначения для химических сдвигов (Рекомендации ИЮПАК 2001 г.)». Чистая и прикладная химия . 73 (11): 1795–1818. DOI : 10,1351 / pac200173111795 .

[8] Х., Дунган, Клод (1970). Подборка данных о химических сдвигах ЯМР F ^{19 с} 1951 по середину 1967 года . Ван Вейзер, Джон Р. Нью-Йорк: Wiley-Interscience. ISBN 0471226505. OCLC 88883 .

[:0-9] Сильверштейн, Роберт М .; Вебстер, Фрэнсис X .; Кимле, Дэвид Дж. (2005). Спектрометрическая идентификация органических соединений (7-е изд.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. стр. 323 -326. ISBN 978-0-471-39362-7.

[10] Джеттон, RE; Нэнни, младший; Mahaffy, CAL. Предсказаниеположений сигналов¹⁹ F ЯМР фторалкенов с использованием статистических методов, J. Fluorine Chem. 1995 , 72 , 121.

[:1-11] Преч, Эрно; Бюльманн, Филипп; Бадерчер, Мартин (2009). Определение структуры органических соединений (4-е изд.). Берлин, Германия: Springer. стр. 243 -259. ISBN 978-3-540-93809-5.

[:2-12] Dolbier, WR (2009) Обзор ЯМР фтора, в Руководстве по ЯМР фтора для химиков-органиков, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен, Нью-Джерси, США. DOI: 10.1002 / 9780470483404.ch2

[13] Германн, Петр; Блахут, Ян; Котек, Ян; Геринек, Вит (2021). «Глава 8. Парамагнитные зонды ионов металлов для магнитно-резонансной томографии ¹⁹ F». Ионы металлов в методах био-визуализации . Springer. С. 239–270. DOI : 10.1515 / 9783110685701-014 .

Languages

In other projects