Метод мультиплетно-селективного возбуждения спиновых систем в ЯМР для изучения молекулярной структуры и молекулярного движения тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Черныш Юрий Ефимович А

Метод мультиплетно-селективного возбуждения спиновых систем в ЯМР

для изучения молекулярной структуры и молекулярного движения

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Ростов-на-Дону - 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физической органической химии Ростовского государственного университета.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор химических наук,

ведущий научный сотрудник Ивахненко Евгений Петрович, доктор химических наук, профессор Калабин Геннадий Александрович, доктор химических наук, профессор Панюшкин Виктор Терентьевич ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Новосибирский Томографический

Центр СО РАН

Защита состоится «/5"» ММЛ,_2003 г. в /У час. О® мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Ростовском государственном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, Научно-исследовательский институт физической и органической химии РГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета (ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан « » й^П^^СЛ^' 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

профессор И-Д- Садеков

Г121

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Двумерная Фурье спектроскопия, развитая Эрнстом P.P. и сотрудниками, широко применяется для изучения поведения молекул в динамике. Для исследования медленных обменных процессов была предложена простая универсальная методика. Эта методика получила широкое распространение, поскольку позволила представить обменные процессы в виде двумерной диаграммы, на которой явно отображаются пути обмена. Для осуществления этой методики использовалась стандартная импульсная последовательность, состоящая из трех 90°-х импульсов ^

(90° -/, -90° -tm -90°-t2).

Кросс-пики обменного ЯМР спектра связанной спиновой системы могут содержать вклады как от некогерентного переноса намагниченности, обусловленного случайными обменными процессами, такими как химический обмен, молекулярная релаксация, молекулярная диффузия, так и от когерентного переноса намагниченности через пути скалярной связи. Было показано, что побочное спин-спиновое взаимодействие приводит к появлению добавочных так называемых J-кросс пиков в 2М обменном ЯМР спектре. Второй 90° импульс, действующий на спиновую систему, ответственен за создание нуль-, одно-, двух- и многоквантовых когерентностей, другими словами это - перенос когерентностей между различными уровнями связанной спиновой системы. Третий 90° импульс преобразует все эти когерентности в наблюдаемую намагниченность.

* рос. национальна* | БИБЛИОТЕКА . С Петербург й ( I

09 !

Таким образом, успешная интерпретация 2М обменного спектра для связанных спиновых систем требует разделения вышеупомянутых когерентностей друг от друга и подавления эффектов когерентного переноса. Все когерентности, за исключением нуль-квантовой, могут быть подавлены фазовым циклированием, которое в настоящее время и используется. Возможность подавления .Г-кросс пиков, которые возникают из нуль-квантовых когерентностей можно найти в других местах.

Для получения полезной химической информации с помощью 2М спектроскопии была предложена новая методика, которая позволяет подавлять когерентный перенос намагниченности. В такой методике возбуждают только одно ядро связанной спиновой системы, которое будет участвовать в химическом обмене (так называемое мультиплетно-селективное или полуселективное возбуждение). При таком возбуждении мультиплетная структура вышеупомянутого ядра ведет себя как сложная несвязанная обменная система. Отсюда следует, что обычная импульсная последовательность, которая используется для "МОЕЗУ" и "ЕХБУ" экспериментов может использоваться для исследования реакции обмена в связанных спиновых системах, где скалярная релаксация первого вида возникает вследствие того, что постоянная взаимодействия зависит от времени.

Цель работы. Проблему решения задач изучения молекулярного движения методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) условно можно разделить на три основных этапа:

1. Отнесение химических сдвигов всех резонансных сигналов исследуемых образцов в спектрах ЯМР. Следует особо отметить, что частичное отнесение химедвигов не обеспечивает полного

решения конкретной динамической задачи. Здесь требуется полнота, подобно тому, как в математике решить уравнение -значит, найти множество его корней, т.е. найти все решения данного уравнения. Отнесение химических сдвигов резонансных сигналов до сих пор является сложной задачей.

2. Установление структуры, требующее для своего решения определения многих спектральных параметров, например, констант скоростей ядерной магнитной релаксации (всех резонансных пиков), межьядерных расстояний и др. в зависимости от сложности структуры конкретной молекулы.

3. Обменные -задачи, однозначное решение которых является результатом успешного выполнения двух предыдущих этапов.

Научная новизна и практическая значимость. Разработана новая универсальная методика 2М обменной спектроскопии ЯМР, позволяющая использовать температурную зависимость мульти-плетной структуры спектров участвующих в обмене ядер (уширение резонансных линий мультиплетов, их коалесценция и «движение» по полю, усреднение величины наблюдаемой константы скалярной связи и пр.), для изучения обменных реакций, протекающих в связанных спиновых системах, а также приложение разработанной методики к исследованию кинетики и механизмов структурной нежесткости и лигандного обмена хелатных комплексов металлов с координационным узлом МЫ2Х2 (М = СсЗ(И), РЬ(11), X = Б, Бе).

При изучении медленно протекающих обменных процессов на основе усреднения скалярной спиновой связи 2М МШЕХ ЕХБУ эксперимент непосредственно применим к "Аккордеонному" эксперименту для прямого измерения констант скоростей обмена.

В этой связи развитие новых простых и универсальных методик изучения обменных экспериментов на основе метода 2М Фурье-спектроскопии ЯМР представляется весьма актуальным.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на объединенных 29-ом AMPERE съезде и 13-ой ISMAR Международной Конференции "Magnetic Resonance and Related Phenomena" (Берлин, 1998), Специализированном Международном Коллоквиуме AMPERE "Molecular Dynamics and phase Transition" (Вильнюс, 1999), III Всероссийской конференции «Новые Достижения ЯМР в Структурных исследованиях» с приглашением зарубежных ученых (Казань, 2000), XX Международной Чугаевской Конференции по Координационной Химии (Ростов-на-Дону, 2001), VI Международном Семинаре по Магнитному Резонансу (Спектроскопия, Томография и Экология) (Ростов-на-Дону 2002).

Публикации. По результатам работы имеется 44 публикации.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 2.0f-страницах, содержит fí таблиц и рисунков. Она состоит из введения, -f глав и выводов. Список цитируемой литературы насчитывает ÁlfO ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Двумерная Фурье спектроскопия, развитая Эрнстом P.P. и сотрудниками широко используется для изучения молекулярного движения. Для исследования медленных динамических процессов была предложена простая универсальная методика. Эта методика получила широкое распространение, поскольку позволила представить обменные процессы в виде двумерной картограммы, на которой явно отображаются пути обмена. Для осуществления этой методики использовалась импульсная последовательность (90° -t\- 90° -tm- 90® -12 ).

Кросс-пики обменного ЯМР спектра связанной спиновой системы могут содержать вклады как от некогерентного переноса намагниченности обусловленного случайными обменными процессами, такие как химический обмен, молекулярная релаксация, молекулярная диффузия, так и от когерентного переноса намагниченности через пути скалярной связи. Было показано, что побочное спин-спиновое взаимодействие приводит к появлению добавочных так называемых J-кросс пиков в 2М обменном ЯМР спектре. Второй 90° импульс, действующий на спиновую систему ответственен за создание нуль-, одно-, двух- и многоквантовых когерентностей, другими словами это перенос когерентностей между различными уровнями связанной спиновой системы. Третий 90° импульс преобразует все эти когерентности в наблюдаемую намагниченность.

Таким образом, успешная интерпретация 2М обменного спектра для связанных спиновых систем требует разделения вышеупомянутых

когерентностей друг от друга и подавления эффектов когерентного переноса. Все когерентности, за исключением нуль-квантовой, могут быть подавлены фазовым циклированием, которое в настоящее время и используется. Возможность подавления ,1-кросс пиков, которые возникают из нуль-квантовых когерентностей можно найти в других местах.

. .Для получения полезной-химической информации с помощью 2М спектроскопии была предложена новая методика, которая позволяет подавлять когерентный перенос намагниченности. В такой методике возбуждают только одно ядро связанной спиновой системы, которое будет участвовать в химическом обмене (так называемое мультиплетно-селективное или полуселективное возбуждение). При таком способе возбуждения мультиплетная структура вышеупомянутого ядра ведет себя как несвязанная спиновая система многопозиционного обмена. Отсюда следует, что обычная импульсная последовательность, которая используется для "Ж>Е8У" и "ЕХ8У" экспериментов может использоваться для исследования реакции обмена в связанных спиновых системах, где скалярная релаксация первого вида возникает вследствие того, что постоянная взаимодействия зависит от времени.

Применение мшех метода для изучения молекулярных превращений

Рассмотрим сейчас математические выкладки, объясняющие поведение спиновой системы при селективном возбуждении для случая изолированной протонной системы АХ. Для системы

находящейся в термодинамическом равновесии относительная населенность энергетических уровней дана в таблице 1.

Таблица 1. Относительная населенность энергетических уровней при селективном возбуждении (релаксацией пренебрегаем).

После действия

Уро- Равно-

(90°-90°) Во время 1т

вень весие

последовательности

1 1 + р 1 + 2 ^(соз^з/,) 1+Р-2 * (сов )+ (сОБ «24^1)]

2 1 2 !_£_ 2 А (сОв ) + (сОБ «24)]

3 1 1+£ + 2 ^(созй^з*,) А (сов ) + (с08 «24^1)]

4 2 ~ (сОБ ) !_£ + 2 Я (с О Б й^з^ ) + (сое «24^1)]

Замечание: р=уА #0А/ КГ, у а ~Ух-

Первый селективный РЧ импульс, прикладываемый вдоль х-оси к ядру А, создает две компоненты намагниченности, которые вращаются с угловой частотой (о,3 и со!4, и амплитудами Му = М</2 пропорциональными "р/ -рз" и "р2 ~Ра" соответственно (рис. 1а). Как раз перед вторым импульсом углы прецессии будут <у|3/] и й>24/ 1 (рис. 1Ь), где &>1з = соА -п} и ео24 =еоА+к}, а со]3 это частота химического сдвига ядра А.

Рис.1. Поведение А-дублета вектора намагниченности во время приложения импульсной последовательности к ядру А упоминаемому в тексте.

Второй 90° импульс, прикладываемый к ядру А, создает продольные компоненты намагниченности:

М М

М\г=—^со8(<а,з*,), М2г4 =—^со%(сои1{). (1)

Так как нет импульсов прикладываемых к X спинам, то двухспиновую систему можно рассматривать как две односпиновые системы, одна со спином А в состоянии а (уровни 1 и 3), а другая со спином X в состоянии Р (уровни 2 и 4). Таким образом, суммарная населенность энергетических уровней после действия импульсной последовательности остается неизменной

Р\{*\) + Ръ(Ь) = Р\ +Рз =2(1 + р),

Р2(1\)+Р4«0 = Р2+Р* =2(1-/7). (2)

Так как продольная намагниченность прямо пропорциональна разности населенности энергетических уровней после двух Л-дублетных селективных импульсов, то населенность уровней будет такой, как показано в таблице 1. В течение времени 1т оставшиеся поперечные компоненты продолжают затухать и прецессировать с частотами <в13 и <у24 соответственно, а продольные компоненты релаксируют только вдоль г-оси. Кроме этого во время действия химического обмена имеет место перенос намагниченности между спинами.

В присутствии химического обмена X -> X' локальное поле у ядра А равно ±15/2ул, где 5 это спиновое квантовое число ядра X. Это приводит к обмену место положениями, потому что существует 50% вероятности того, что X ядро со спином а будет замещено X ядром со спином /?. По причинам, указанным выше, населенности спиновых состояний будут следующие:

Р\ ('1 Л,) = 1+-—[(соэ^з/,)+(сояй^,)],

Р2 = 1 ~ "I" 7 КС05 3*1) + (с051 ®24*1)]

Рз(Мш) = 1 + -|+^[(соз<й130+(соз<у24/1)],

Уравнение (3) показывает, что продольная намагниченность для двух А переходов изменяется в силу вышеуказанного обмена

М\ЪOl>'tm) = P\ Cl .■) - />3Cl >fm) =--^(cosft^f, + cosft>24f, ),

A^i'l.'m) = -^"(cOSiOni! + COSW24/,). (4)

Как можно заметить в уравнении (4), каждый из двух продольных А векторов намагниченности модулируются обеими резонансными

частотами.

Третий 90° импульс, приложенный в конце смешивающего периода, создает два А поперечных вектора намагниченности, которые вращаются в течение времени t2 с частотами <у13 и й>24. Таким образом, принятый сигнал описывается следующим образом

X (exp(i'<y13f2) + ехр0"й>24'2)) Вещественная часть Фурье преобразования относительно /2 уравнения (5) дает две резонансные линии в режиме поглощения для А частот, &>13 и ®24 с амплитудами пропорциональными (cosiajj/, +cos<y24i,) для обеих линий дублета А. Таким образом, двумерное Фурье-преобразования матрицы данных относительно и f2 дает четыре резонансные линии (а)},а2) ~ (^з^з) > (й>24,б)13),

(«13.®24). («24.«24)-

На рис. 2 продемонстрирован спектр АХ спиновой системы, полученный мультиплетно-селективным возбуждением ядра/1.

СО2

«>24

ЩЗ &24

Рис.2. Схематический MUSEX 2М обменный спектр с J константой связи, присутствующей в обоих частотных измерениях.

Двумерный обменный ЯМР спектр был получен на спектрометре XL-100/15-620/L-100 Vanan. Для того чтобы осуществить MUSEX последовательность, в лаборатории НИИ ФОХ Ростовского госуниверситета было разработано программное обеспечение для 620/L-100 миникомпьютера. Программа разработана для проведения 2М обменных экспериментов с мультиплетно-селективными импульсными последовательностями и двумерным Фурье преобразованием. Были получены двумерные спектры для 128 значений t¡ в диапазоне от 0.002 до 0.256 с шагом 0.002 и с tm = 0.1 с. При этом использовалась трехимпульсная последовательность (90°-f,-90°-/m-90°-í2).

2М MUSEX эксперимент имеет несколько преимуществ над обычно используемым двумерным подходом. Во-первых, не требуется

большой емкости запоминающего устройства в силу селективной природы эксперимента. Во вторых, нет необходимости подавлять эффекты когерентного переноса намагниченности и, в третьих, "DANTE" последовательность может давать хорошие результаты в формировании селективного 90° импульса в случае гомоядерного возбуждения с гетероядерным подавлением протонов посредством обычно используемых способов.

Кроме того, двумерный эксперимент MUSEX легко применим к "Аккордеонной" ЯМР спектроскопии для непосредственного измерения констант скорости медленных динамических процессов. Эта спектроскопия использовалась авторами на базе обычной 2М обменной последовательности.

Сотрудниками лаборатории ЯМР НИИ ФОХ Ростовского госуниверситета была предложена современная методика для исследования молекулярных динамических процессов. Согласно такой методике посредством мультиплетно-селективного возбуждения (MUSEX) облучается только одно ядро связанной спиновой системы. Полезность методики заключается в минимальных потерях информации о спин-спиновой связи. Для того чтобы избежать этих недостатков, необходимо в экспериментах комбинировать селективное и неселективное возбуждение.

Рассмотрим поведение слабосвязанной спиновой системы типа АВ, на которую действует двухимпульсная последовательность и которая в дальнейшем называется MUSEX COSY последовательностью. Представляет интерес обсудить все возможные комбинации селективных и неселективных импульсов. Для описания состояния спиновой системы воспользуемся векторным операторным формализмом. Случай, когда оба импульса неселективные хорошо

известен как обычный COSY эксперимент. Теперь давайте детально обсудим двумерный MUSEX COSY эксперимент.

Первый неселективный 90° РЧ импульс следует за вторым селективным импульсом, который возбуждает ядро А спиновой системы А В. Оператор плотности на различных шагах может быть описан следующим образом (нижний индекс а, обозначает время):

°"2

°з = [-¡A2 cosQ+1м sinClAtx -1By cosClBtx + IBx sinÍV,] xcosmJABtx +[2IAxI^.cosQAix+2IAzIBl,smnAtx -2IAy{Hx cosQBit - 2IAyIBy sinÍVi]smnJABtx. (6)

+ ^Bt2IBz+^ABt21IAzIBz

а»абл _ j cosя/sin £2^2 cos^АВ{2

+ lAy cosfi^! Sm7CABtx COSÍl^/2 SW-TCJABt2

- IBy cosQgí, cosnABtl cos¡Qfií2 совж/

+ sin ííBfj COS Я^д*] sin ПBt2 coste/■ (7)

На последнем шаге мы считаем, что детектируется "у"-я компонента намагниченности. После некоторых преобразований мы получим следующее уравнение:

+ nJAB)tx +sm(nA-nJAB)tx] xtsiníQ^ + mJAB)t2 +5т(Пл-nJAB)t2 + i/^[sin(í2„ +nJAB)t]

+ эт(Ой-к1Ав)*г -^/дДсо^Пд +тилв)ц]

+ сов(Пв -ж/хв)?1][С08(Пв +соз(Пв (8),

Уравнение (8) показывает, что селективный импульс вызывает одинаковое распределение полной когерентности (зт(Ол + тс/АВ)(Х + + зт(Ол -т}АВ)ц) Л-спина среди переходов А1 и А1. Это приводит к обмену когерентностями среди компонент одного дублета. Особое внимание надо уделить антифазной когерентности 2/Ас/& и фазовой

намагниченности в уравнении (7). Если селективный импульс 90° прикладывается к ядру А в течение периода детектирования, то антифазовый член произведения операторов 21 /1х1 Вг развивается в наблюдаемую фазовую намагниченность 1Ау. Очевидно, что после Фурье-преобразования мы увидим пары авто- и кросс-пиков, с равными интенсивностями по модулю. Односпиновый оператор IА, вызывает появление наблюдаемой в фазе намагниченности 1Лу, которая после 2М Фурье-преобразования дает пары в фазе авто- и кросс-пиков с одинаковой интенсивностью. Таким образом, сигнал А спина проявляется как 1М диагональная дублетная структура, состоящая из двух частей, нормального 2М диагонального дублета и антифазового 2М диагонального дублета (кросс-пики внутри А мультиплета не появляются). Два последних члена в уравнении (7)

для В ядра после 2М Фурье-преобразования дают суперпозицию сигналов с равной интенсивностью и с фазой, сдвинутой на 90°. Каждый из экспериментов хорош по следующим причинам:

- NSP-SP(A) MUSEX COSY эксперимент позволяет упростить внешний вид COSY ЯМР спектра (J кросс-пики в силу использования селективного возбуждения отсутствуют) без потери информации о спин-спиновой связи.

- SP(A)-SP(A) MUSEX COSY эксперимент может быть использован в EXSY спектроскопии, где изучается химический обмен.

- SP(A)-SP(B) MUSEX COSY эксперимент очень полезен для получения информации спин спинового взаимодействия для двух любых двух спинов многоспиновой системы.

На практике неселективные спектры часто содержат несколько областей, где мультиплетные сигналы перекрываются, что приводит к неоднозначности. Именно в возможности обойти эту неоднозначность, и заключается особая ценность нашего подхода. MUSEX эксперимент позволяет практически сократить накапливаемые данные и требуемое время на проведение эксперимента. Доказано, что вышеуказанные случаи применимы ко всем типам 2М экспериментов.

Теперь рассмотрим трехимпульсные эксперименты, которые содержат полный набор всех возможных комбинаций неселективных и селективных импульсов. Все расчеты выполнены на основе формализма произведения операторов так же как в MUSEX COSY. Результаты приведены для последовательностей, действующих на слабосвязанную систему АВ. Их основная отличительная черта это использование альтернативного возбуждения (ALEX) спинов мультиплетно-селективным возбуждением (MUSEX). В таблице 2

перечислены наблюдаемые члены для спина А и их схематическое изображение в виде 2М спектра. Возбуждение спина В приводит к появлению диагонального дублета.

Таблица 2. Схематическое представление наблюдаемых членов в 2М спектре.

а) 90°(Я)-Г, -90°(А)- г -90°(А)~

®2 ' Щ_

В В

г /~*1 л г ог/ч2 (т2 о о г >->1 уг-ч 1 лГ/-»г п2/12 • •

А • • А • • (В,

А В А В

щ со2

В В

I Ау $А С1/ С А С] С* • • / /-«1 пг огл2 г*2 • •

А • • <и, А о о

А В Л В

°>г аъ

В • о В о •

$А С В' о • ^ Ду^л 5/ с! 53 • О

А А й>,

А В А в

а>2 ®2

В о • В • О

I г-1 о! п*г*1 С^ • о г о1 Г.1 пт оГ л2 п2 о •

И й).

А В /1 в

(ог

В • •

Спектр - суперпозиция всех вышеуказанных спектров • • • , 9

А • •

1г - (к) £об - - (ff) «Об - - (к) „Об (о

h - (ff) Î06-*- (к) „Об -l>-(v) 1об (q

®2 В

Спектр - суперпозиция всех вышеуказанных спектров

Примечание. =cosfii4W/,(2); C)(2),r = cosnJ ABtl(2);

^Л{В) Sj2),T = smnJABt^2y Заполненные кружки

обозначают положительную интенсивность, а пустые отрицательную. /| и t2 переменные интервалы, а т постоянный интервал.

Последовательности а) и Ь) дают возможность визуализировать как каждую связь многоспиновой системы, так и химический обмен. Таким образом, эта последовательность может быть использована шаг за шагом для идентификации всех связанных партнеров в сложной спиновой системе, поскольку выше рассмотренный MUSEX COSY эксперимент позволяет отслеживать все связи одновременно. Последовательность Ь) удобна для изучения релаксационных механизмов. В случае с) результирующий спектр имеет диагональный пик Л-спина в результате интерференции восьми компонент, четыре из них это одноквантовые когерентности, а остальные переданы от двухквантовой и нульквантовой когерентности, в этом случае первые два импульса есть ALEX COSY, а последний импульс по ядру В используется в качестве детектирующего. При варьировании т две квадратные структуры для диагональных пиков могут исчезать, и остаются недиагональные линии.

В последние годы для теоретических расчетов спектров ЯМР, в случае слабосвязанных спиновых систем, стали использовать

формализм произведения операторов, который по существу заменил матричный операторный формализм. Сотрудниками лаборатории ЯМР Ростовского НИИФОХ предложили простейшую модель для расчетов вышеуказанных спектров, которые могут быть объяснены с точки зрения векторного формализма. Название этой новой методики

- Векторный Операторный Формализм (ВОФ).

Рассмотрим применение ВОФ для спиновой системы типа АХ, и пусть на эту систему действует импульсная последовательность, используемая в обычном COSY эксперименте: (90° - i, - 90° -t2)n.

После действия начального 90° импульса векторы намагниченности АХ спиновой системы лежат вдоль "у"-оси (рис. За). В течение следующего эволюционного периода t\ четыре вектора намагниченности метятся по частоте (рис. ЗЬ). По окончанию периода ¿1 действует второй 90° импульс, который вращает "уя-компоненты к "z''-оси, а "х"-компоненты остаются в плоскости "ху". Кроме этого необходимо принять во внимание когерентный перенос между компонентами по цепям J-связанной спиновой системы. Таким образом, например, компонента оказывается модулированной суммарным углом ф = ф, +ф2 +ф3 +ср4 =(о1 +(02 +&»з +<oA)ti, где со,

- это циклическая частота / линии.

г

а) +1*

■ > У

Ь)

с)

ехр {И;[а>1+а2]Ц}

х ехр{(7г [й)3+^4]<1

N. /^зт^/,)

со5(ад3С]) СОБ^,)

\ апСау,)

/

\ 1 эт ф З1П(£»1Г2 )

= 1 вт([й», + ®2 + Щ + ®4 ] 'I) 5т(й>г/2 ) = = (эт^,?,) Зт(&>]/2)+ 5т(й>2(,) 51П(®|/2) + + 8т(й)3^1) .ч1п(й)1/2) + зт((У4Г1) этО,^))

где I* II* -продольная намагниченность спина А/Х, ¡у Ну -в фазе .у-намагниченность спина А/Х, I* /I* - в фазе л:-намагниченность спина А/Х, 1уЧ 1уЧ / - в фазе х, у - компоненты спина А/Х.

Рис.3. Эволюция векторных операторов для АХ спиновой системы в случае двух импульсной последовательности.

Это приводит к модуляции всех четырех частот А1 - частотой в течение любого последующего периода свободной прецессии, т.е. в

течение периода 12 в нашем случае. Таким образом, каждая из частот прецессии оказывается промодулированной четырьмя резонансными частотами. Другими словами, второй импульс смешивает все резонансные частоты спиновой системы при возбуждении. После первого преобразования Фурье соответствующих распадов свободной индукции возникают спектры (рис. 4а), отличающиеся от спектров, полученных с использованием импульсной последовательности, в которой отсутствует смешивающий импульс (рис. 4Ь). Они отличаются по фазе вследствие переноса когерентности по путям скалярной связи.

Рис.4. Первое Фурье преобразование свободно индуцированных распадов.

После выполнения второго Фурье-преобразования каждого набора этих спектров получим сигналы, каждый из которых оказывается модулированный всеми четырьмя частотами, а сигнал А, имеет вид как показано на рис. 5. Этот подход можно легко расширить до любого числа спинов связанной спиновой системы и особенно при мультиплетно-селективном МШЕХ возбуждении.

А

А] А2 X] Х2

Рис.5. 2М MUSEX спектр А\ сигнала после второго Фурье преобразования.

В настоящее время существует множество селективных экспериментов ЯМР, посвященных исследованию поведения молекул в жидких и твердых состояниях. Мы осмелимся сказать, что пришло время исследовать ряд существующих трехимпульсных последовательностей как единое целое. Соответственно, мы хотели бы предложить здесь новый подход для обменной ЯМР спектроскопии. Ранее нами была продемонстрирована современная методика, в которой предлагается подавление эффектов когерентного переноса посредством MUSEX возбуждения спиновой системы. Один из недостатков вышеупомянутой методики заключается в том, что информация о цепи скалярно связанных спинов теряется при изучении обменных процессов. В новом эксперименте используется трехимпульсная последовательность. Каждая последовательность -это комбинация двух мультиплетно-селективных импульсов с одним неселективным. MTJSEX EXSY эксперимент представляет собой комбинацию методов корреляционной спектроскопии (COSY) и обменной спектроскопии (EXSY). Всего существует 32 варианта эксперимента, в то время как для решения каждой конкретной проблемы следует подобрать наиболее подходящую импульсную последовательность.

Обсудим результаты, полученные с помощью векторного операторного формализма для системы двух связанных спинов при воздействии на нее импульсной последовательности: (90° -f, -90l(A)-tm -90°(А)~/2)„

Необходимо отметить, что первая пара импульсов в этой последовательности это фактически MUSEX COSY эксперимент. После действия третьего импульса, селективного по ядру А, оставшиеся поперечные компоненты продолжают прецессировать с той же частотой, что и в течение периода tl, а продольные компоненты испытывают обменные процессы (если они имеют место) в течение tm. Третьим селективным 90° импульсом по ядру А производится регистрация сигнала. Оператор плотности на следующих этапах может быть описан следующим образом:

^s = и Ах cosnAtm + 21 ¿¿I Bz cosQ.A(m + 2IAzIBl sinflAtm +IBxsinQBtm-2IAzJBx соsCiBtm +IBx cosQBtm + IBysmQBtm] cosJtJABtm +IAzsmO.Atm ~IBy xcos£lBtm +[IA2cos£2Atm ~/AysinClAtm + 2/Лг/& cosQAtm -2lAJBz sin£V„ -2lAyIBz cosQBtm -Ылу^ВуЗт&В1* -ZlAzhyWs&etm -2IAyIBycosQ.Btm + 2IAyIBxsmaBtm]srnnJABtm+[2IAxIBxsmClAtm ~ 2/Azhy C0S°Aem +2>Axhy smQ^im]cosn5im + {2IA'Jbx co^Atm~2IAxIBx sinQ^^jsinfl^^

+ IAy cos CiAi) cos 7tJABt\ + 2IAyIBz sinil^?! sin aJAñtx

^Ahh: + ÇiBt2IBz + ^ ABh21 Az1 Bz

су"абл = IAy COsQ^i] cosnJ ABtx cosQ/4i2 COS nJAtít2 + +1 Ay cosQ^i sina/^f, cosQ^'m

X COS TÜABtm COsQ^Í2 sin 7cJABti — IAy COSQUI sin7uJABtx

xsinQ^'m

sinnJABtm sinQ^i2 COSnJABt2 + +1 Ay sin Q^ij cos nJAöt] cos flAtm cosnJABtm xsinQ^ c°SKJABt2 - lAy sinQ^ij cos7tJABtx XSÍnQ^/д, sinnJABtm cosQ^ij s'ln^ABh -- IAy sinQ^i, sin 7ZjAßt\ sinQ^2 sin mJABt2 + +1By cos £V, cos ж/ABt\ sinQBim cos nJ ABtm xsinfißf2 cosnJARt2 - lBy cosQ^fj sinnJABtx cosClBtm X cosnJAhtm siniîB/2 s\nnJABt2 +1BysmÇlBtx cos TtJAHtx xcosQBtm cosxJABtm sinnBt2 cosmJ ABt2 + IBy sin QBt{ cosuJABtx sin QBtm cos nJABtm X COSQ.Bt2 COSmJABt2 +IBy sinfißf! sin7lJАВЦ cosQAt,„ X cosQBtm sinQBt2 sin 7ZJABt2

а,шб, = i J^ [cos(Q/i -„JAB)h +cos(nA +

xfcos^-nJAB)t2 +cos(Vla +nJAH )/2]

+ i/^.[sin(Q,¡-nJAB)t2 4-sinCQ^ +nJAB)t2)

о

х[соз(Ол -7tJAB)tm +cos(Q/J +mJAB)tm)

x[sin(Q^-nJAB)t2 -sillín^ + xJAB)t2]

-тймУу -sin^ +n¡AB)t{\

О

-JdAB)tx +sin(nA +я/АВМ

о

xfcosíí^ -JtJAB)tm -cos(Q¿ +nJAB)tm] x[sin(fi¿ -nJAB)t2 +sin(Q/f +xJAB)t2]

-^/^[siníQ^+s¡n(Q¿

xfcosíQ^ ~nJAB)tm -cos(ClA +mIAB)t„] xfsin^ -rcJAB)t2 + sin(n_4 +nJAB)t2]

-nJjta)^ +sin(Q¿ +}cJAB)tx\

O

x[cos(íí¿ -m/AB)t2 -cos(Q^ +7iJAB)t2] +7^[cos(Qs -гс/ав)1\ +cos(Qb +nJAB)tx]

O

+^/ду[со8(Пя -mIAB)tx +cos(nB +mJAB)tx]

O

X[sin(fi5-nJAB)tm -sin(Qö +TcJAB)tm] x[sin(Qß-nJAB)t2+ sin(ßB + nJAB)t2]

-i/^fsinCfig ~nJAB)tx -sin(Q¿ +nJAB)tx]

O

x[cos(Q^ -0.H)tm +cos(Q,4 +nfl)í„] xfcosCQ^-nJAB)t2 -cos(Qfl +r¡JAB)t2]

+l/ßy[sin(QB-тйдцУ, +sin(ííB +x/AB)tx]

x[cos(Q¿-KJAB)tm +cos(f2^ + nJAB)tm] x[sin(Qa -TÜAR)t2 +sin(Oö +nJAB)t2]

+ +Х/АВ)1}]

О

>фт(Ов ~к1АВ)1т + зш(Ов +я/АВ)1т] х[с03(Ов-я1АВ)12 +С05(ПВ +7й1лв)^]

о

Х[соб(0^-Пв)/2 +С05(ПЛ + Пй)/2] х[соз(Ов+ соб(Од +7£1АВ)г1]

о

т + Од )?т ]

х[зт(Ов -гиАВ)1г -зт(С2в + 7Е/лв)г2]

Фурье преобразование уравнения (11) показано на рисунке 2М-го спектра. В таблице 3 перечислены наблюдаемые члены оператора плотности, и которые описывают поведение системы двух связанных спинов в течение периода прецессии 12. Суммарный сигнал ядер А и В показан на рис. 6а.

(Ь) \ (С)

(П)

(а)

• О

• О

• •

• •

о

• •

^Р-8Р(А)-8Р(А)

8Р(А)-^Р-8Р(А) 8Р(А)-8Р(А)-ШР

Рис.6.Варианты МШЕХ ЕХБУ эксперимента. 8Р(А)/(В)~ селективный импульс; К8Р(А)/(В) - неселективный импульс.

Таблица 3. У-компоненты оператора плотности на 12 шаге представленные схематически в виде 2М спектра для двух связанных ядер.*

Наблюдаемые компоненты и их 2М спектры.

Ядро А Диа- ПИКИ Ядро В Диа-пики

I АуС а\С ав\С лг*--лвг • • • • ~ IByCBlCЛВ\СЛтСАВтСагСлвг о о о о

1 АуСA\SАВ\САтСАЪтСАг$АЫ O • • O - ¡ВуСJWPЛя£ АВа^В1$АВ1 • о о •

I Ay^A^ABl^AmCABmCAlCABi • • • • I ByS В\САВ\САтС АВт С вг^'лвг • • • •

I AyS A\S AR\S AZ$АВ2 • O O • 1 ByS r\S ЛВхСАтС AHmS B2S АН2 о • • о

~ hyCMSAB]SAmSMmSA2CAH1 • o • o 1 ВуСВ]САВ\^АтСАВт^Вг("АВ2 • • • •

~ IAySA\CAH\^Am^ABm^A2^AB2 o o • • ^Ву^Ш^АВ^Ат^АНт^Вг^АВг hy^Bi Casi Слвт ^вг^Авг I ByS B\S АВ\С Ам$ ABnfi В2$ АВ2 • о о • • • • • • о о •

* Обозначения: С^у,,^)) = с08Ол(В)/1(2); Сл(в)т =cosQA(B)tm;

Слв 1(2) = cos idАВ* 1(2); Сл(В)т = cos ^ АВ 1т '>

$АЦ2ХВЦ2)) = s'n&А(В)* 1(2) ¡ ^А(В)т = s'n ^А(В)'т'

Sabio) ав^о^ SMH)m =smnJAb tm \ IA(B)y ~ синфазная

намагниченность Заполненные кружки обозначают положительную интенсивность сигнала поглощения, пустые - отрицательную

Как видно из таблицы 3 кросс-пики для этой последовательности значительно упрощаются в зависимости от величины коэффициента смешивания.

Спектр оказывается полезным при исследовании обменных процессов происходящих в сложных спиновых системах, особенно в системах с перекрывающимися и переполненными областями и для спектров с редкими кросс-пиками. Поэтому этот метод можно использовать для получения доказательства динамического поведения молекул. Для наблюдения обменных процессов также подходит модель диагональных и кросс-пиков. После возбуждения любых случайных обменных процессов появляются линии обмена в пределе диагональных пиков, другими словами их квадратная структура восстанавливается.

(90° - Г, - 90° _ - 90° С-4) ~ >».

Наблюдаемые члены АВ системы могут быть представлены подобно предыдущему случаю по той же схеме. Поэтому покажем лишь 2М спектр (рис. 6Ь), который фактически является одной из двух симметричных половин основного спектра.

(90°(Л)~-90°(v4)-/m -90° -t2)„^

На рис. 6с показан 2М спектр для этого случая. Как следовало ожидать, спектр снова вырождается с изменением кросс пиковой структуры по сравнению с двумя предыдущими случаями. Необходимо отметить, что два селективных импульса при переменном возбуждении (ALEX) А/В ядер (т.е. один импульс 90° (А/В), а другой 90° (В/А)) дают фактически те же самые 2М спектры с моделью диагональных и кросс-пиков, которые отличаются (рис. 7).

Рг В

• • • •

В R

SP{A) - SP(B) - SP(A) SP{B) - SP{A) - SP{A)

SP(A) - SP(B) - SP(A) SP(B) - SP(A) - SP(B)

Рис.7. Варианты ALEX EXSY эксперимента. SP(A)/(B) -селективный импульс.

• В ' заключение необходимо отметить, что все эти последовательности могут быть выполнены как полный MUSEX EXSY эксперимент, который имеет следующие преимущества над обычной EXSY последовательностью.

Доказано, что отнесение резонансных сигналов сложного ЯМР спектра становится проще и однозначнее. Главное преимущество MUSEX метода заключается в том, что он может быть легко реализован на практике, так как для его реализации подходит любой спектрометр, на котором можно выполнить DANTE последовательность. Метод особенно полезен для доказательства

однозначности обменного механизма. Существенно то, что в этом эксперименте используются селективные импульсы.

Преимущества методики мультиплетно-селективного возбуждения (МСВ) продемонстрированы на примере межмолекулярного протонного обмена в метаноле, одномерный (1М) спектр ЯМР 1Н которого в отсутствие химического обмена показан на рис. 8.

287 Гц,-70°С

Рис.8.1М спектр 'Н СН3ОН (100 МГц) при -70° С. Тонкая структура проявляется вследствие замедления химического обмена при понижении температуры образца.

Известно, что вышеуказанный обмен протекает в соответствии с реакцией

СН'ОН1 +СН^ОН2?=±СН^ОН2 +СН|ОН'. (12)

Изучение процесса (12) в интервале температур +40 -70°С средствами обычной двумерной (2М) обменной спектроскопии (рис. 9), используя стандартную трехимпульсную последовательность без подавления всех видов когерентностей, представляется

невозможным, так как неселективное многоимпульсное возбуждение связанной спиновой системы образца СН3ОН вызывает когерентный перенос намагниченности по цепям скалярной связи (I кросс-пики). Следовательно, обменные кросс-пики будут суперпозировать с I кросс-пиками, и информация относительно химического обмена при этом теряется. Действительно, при неселективном возбуждении (рис.' 9) наблюдаемые при t = -42° С внутримультиплетные кросс-пики, казалось бы, могли свидетельствовать о наличии обменного процесса, связанного с усреднением константы косвенного спин-спинового взаимодействия (КССВ) 31нн в результате межмолекулярного обмена протонами гидроксильных групп. Однако при дальнейшем замораживании обмена (Т = -70° С) внутримультиплетные кросс-пики (ВМК) в спектре сохраняются, что может быть обусловлено лишь когерентным переносом намагниченности в связанной спиновой системе, возбужденной в данном случае неселективным способом.

(Гц/Гц) (Гц/Гц) (Гц/Гц)

1=22° С 1=-42°С г=-70°С

Рис.9. Неселективный 2М обменный протонный спектр метанола в области СН3-группы (Г = 100 МГц).

НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА 1 33 | С. Петербург (

09 100 акт t

В случае МСВ возбуждения любой из протоносодержащих групп метанола не происходит когерентного переноса намагниченности между связанными переходами, как это' было показано выше. • ' "

Вот почему, в противоположность виду спектра (рис.-9), отсутствие химического обмена (реакция (12)) при Т = -70° С сигнал метальной группы состоит только из двух резонансных линий, расположенных вдоль главной диагонали 2М обменного спектра (рис. 10). Аналогичным образом наблюдаются четыре резонансные линии сигнала гидроксильного протона. С началом обмена в спектре появляются обменные ВМК-пики, интенсивность которых увеличивается с возрастанием скорости процесса, вызываемого увеличением температуры образца (рис. 10).

(Гц/Гц) (Гц/Гц) (Гц/Гц)

1=22°С 1=-42°С 1=-70°С

Рис.10. 2М обменный спектр МСВ в области СН3-группы метанола.

Таким образом, полученные 2М обменные спектры МСВ отражают лишь чисто химический обменный процесс в метаноле.

В последние годы описано много примеров, в которых изменение спин-спинового расщепления используется как инструмент

квантово-механического анализа спиновых систем, в которых одно из ядер в данном эксперименте не наблюдается, а для получения информации об обменном процессе используется влияние скалярной спиновой связи на спектральное поведение связанного с ним наблюдаемого ядра.

Неожиданный результат был получен при изучении обменных процессов в комплексных соединениях типа I и II. Несмотря на жесткую плоскую трициклическую структуру молекулы в спектре !Н процесс коалесценции мультиплепгов сигналов метановых протонов -N=CH- аналогичен вышеописанному процессу для бис-хелата III и отличается лишь более

Ph Ph

\ / - \ у

i-Pr—f ^Cd^ Л- CHj

\ / HjC—СЩ

I II

высокотемпературным диапазоном превращений. Реализация механизма вырожденного лигандного обмена

МЬ2 + М*Ь*2 5 МЬ*2 + М*Ь2 ^

в соединениях II вытекает из рассмотрения соответствующих ВМК-пиков в 2М обменных спектрах МСВ для смеси изотопомеров 1ПСс1 и "2Сс1 в области промежуточных скоростей обмена (рис. 11).

Полученные при помощи метода 2М обменной спектроскопии данные свидетельствуют о наличии в растворах плоских комплексных соединений кадмия и свинца типа I и II на основе тетрадентатных

лигандов быстрых межмолекулярных обменных реакций, протекающих с разрывом связи М-Ь.

40 20 (Гц/Гц) 1 = 72° С

40 20 (Гц/Гц) С = 52° С

40 20 (Гц/Гц) 1 = 23° С

Рис.11. 2М обменный спектр МСВ изотопомеров бис-хелата II в СБС13 (Г = 100 МГц) (содержание изотопа 1пСс1 66 масс. %) в области резонанса протонов -Ы=СН-, [с] = 1.5 -10'2 моль-л"1.

Л' /

Н2С—сн н У \ н

РЬ РЬ

1-Рг-

1-Рг

С6Н, 1-цикло Н

III

IV

Введение метальной группы в диаминовое кольцо (переход к соединению IV) приводит к неэквивалентности сигналов протонов шестичленных хелатных циклов, благодаря чему сигналы протонов -К=СН- представлены в 1М спектре двумя дублетами с различными химическими сдвигами и одинаковыми константами

^Пса-ы-сн- = 28 Гц. При повышении температуры компоненты каждого из дублетов уширяются и коапесцируют практически синхронно. Это свидетельствует об очень близких значениях времен

жизни обеих связей СсНЧ в ходе вырожденной лиганднообменной реакции. Наличие метальной группы Ш в диаминовом кольце повышает активационный барьер лигандного обмена по сравнению с незамещенным аналогом на = 8 кДж • моль"1.

Предполагаемый механизм реакции лигандного обмена представлен следующей схемой:

(14)

^ ( I у^Л Г и,а-саГ )

N28^ \ |

т

N2^

Гкг

Ч

?2

I уЯгъ -ч

>Па)

. N,3

С^а-Ига^/З 8

(III)

N

• 82а^ §2—саГ

N23

)

О*1

( УК ^

Ок8')

\_/

(IV)

(1а)

Строение димера (I) соответствует данным рентгено-структурного исследования НЫ-этилен-бис (тиосалицилальдимината) С<1(Н) и аналогичного комплекса 2п(И)], которые указывают на наличие пентакоординации центрального атома в кристалле! Обмен связями СсЬ-Б (14) приводит к промежуточному димеру с тригонально-бипирамидальной координацией связей при Сй. Серия (1) ** (II) ** (III) ** (IV) ** (1а) согласованных процессов разрыва-образования связей, включающих, вследствие необходимости выполнения принципа микроскопической обратимости, промежуточные политопные перегруппировки типа псевдовращения Берри на стадиях (II) ** (III) и (III) ** (IV) (на схеме приведен интермедиат только одной стадии (Па)), обеспечивает взаимный обмен атомами С<1 между двумя различными молекулами димера (I).

Посредством 2М обменного эксперимента мультиплетно-селективного возбуждения (МСВ) связанных спиновых систем однозначно решена проблема идентификации механизмов структурной нежесткости бис-хелатных комплексов свинца (II) и проведено разделение двух обменных процессов: межмолекулярного вырожденного химического обмена лигандами и внутримолекулярного спинового обмена, обусловленного доминирующим вкладом в общую продольную релаксацию центрального атома релаксации за счет анизотропии химического сдвига свинца тяжелого магнитного ядра 207РЬ.

Типичные для комплексов типа V, VI 1М спектры ДЯМР представлены на рис. 12 на примере бис(1-изопропил-3-метил-бензилальдимино-5-селенопиразолата) свинца (И), обогащенного ядрами 207РЬ на 70%. При -40°С протоны -№СН-группы представлены

суперпозицией синглета изотопомеров РЬ (В = 0) и дублетного сигнала изотопомера 207РЬ (Б = 1/2 С 31207рь_м=сн_ = 16.51ц ).

¡-Рг

Ме

Н2С—СН2 Н / \ Н

\ Ме

Г)

-ы \

РЬ

ьРг

ьРг

VI

к, с"1

Л о,

А,.,

У V 24.7 30.2

расчет

Рис. 12. Спектры ПМР бис(1-изопропил-3-метил-4-

бензилальдимино-5 -селенопиразолата) 207РЬ(П)

(обогащение 70%) в тетрахлорэтане и температурная эволюция сигналов протонов -№=СН-группы.

т,°с

Л-

А.,о

/V»

УХ. +21

эксперимент

С повышением температуры происходит уширение всех трех сигналов и их коалесценция, индицируя наличие реакций разрыва-образования связей металл-лиганд. Экспериментально наблюдаемый второй порядок реакции, установленный по линейной зависимости времен жизни спиновых состояний от обратной общей концентрации раствора, свидетельствует о наличии процессов вырожденного лигандного обмена.

Теоретическая имитация температурно-зависимой формы линии, выполненная по схеме рандомизации, соответствует экспериментальным спектрам. Предполагалось, что вероятность обмена лигандами между изотопомерными комплексами пропорциональна их содержанию.

В селективных 2М обменных спектрах комплекса VI (рис. 13а) при температурах соответственно 25 и 40°С в области сигналов протонов -М=СН-группы наблюдаются три диагональных автопика изотопомеров РЬ (5=0, центральный пик) и ,изотопомеров 207РЬ (8=1/2, крайние пики), а так же шесть близких по интенсивности кросс-пиков. Два крайних кросс-пика соответствуют лигандообменным процессам, протекающим между молекулами изотопомера 207РЬ, а четыре остальных - между изотопомерами 207РЬ и РЬ (8=0). Такой вид 2М Фурье-обменных спектров прямо отвечает виду кинетической обменной матрицы процесса межмолекулярного лигандного обмена.

Специфические эффекты обнаружены при изучении низкотемпературных 1М спектров ЯМР 1Н комплексов V, VI (рис. 136). При температуре ниже 25°С в условиях медленного химического обмена наблюдалось концентрационно независимое и нарастающее при понижении температуры уширение спектральных компонент дублета протонов -Ы=СН- по сравнению с центральным сигналом.

б)

80 60 40 20 0 (Гц/Гц)

«0 60 40 10

(ГцЯц) 1 = 0°С

ПО 60 40 20 (ГцТц) I - -55°С

Рис. 13. Спектры ЯМР 'Н Н,№-этилен-бис(1-изопрог1ил-3-метил-4-альдимино-5-селенопиразолата) свинца РЬ(11) (обогащение 207РЬ на 70%) в тетрахлорэтане и температурная эволюция сигналов протонов -К=СН-группы: а) температурная зависимость 2М обменных спектров МСВ;

б) температурная зависимость 1М спектра ДЯМР.

В то же время при понижении температуры в интервале 0 -50°С в 2М спектрах с МСВ соединения VI (рис. 13а) сохранялась внутри дублетная пара кросс-пиков, уширяющихся совместно с крайними автопиками. Эти данные свидетельствуют о наличии внутримолекулярного процесса (или процессов), который не затрагивает немагнитных изотопомеров Pb(II) (S=0) и характеризуется увеличением скорости по мере уменьшения температуры образца. Наличие в комплексе VI «тяжелых ядер» свинца-207 позволяло связать наблюдаемую температурно-зависимую динамику 2М обменных спектров МСВ с быстрой релаксацией ядер магнитного изотопа свинца по механизму анизотропии химического сдвига. Доказательством справедливости такого предположения являлось увеличение скоростей спин-решеточной релаксации ядер свинца при повышении напряженности постоянного магнитного поля ВО, регистрируемой на спектрометрах 100, 200, 500 МГц. Полученные данные по Т1 (96, 86, 6 мс, соответственно) хорошо согласуются с

подтверждает доминирующий вклад вышеупомянутого механизма в общую релаксацию центрального металло-атома.

Таким образом, используя новую методику 2М обменной спектроскопии МСВ, проведены исследования различных видов внутри- и межмолекулярного химического и спинового обменов.

теоретической линейной зависимостью

выводы

Все описанные последовательности следует рассматривать как единый МШЕХ ЕХБУ метод, который обладает рядом преимуществ по сравнению со стандартной ЕХБУ методикой. Очевидно, что отнесение резонансных сигналов для сложных спектров ЯМР становится простым и однозначным. Большое преимущество МШЕХ метода заключается в том, что он может быть легко использован на практике для изучения многоспиновых систем и наблюдения процессов, протекающих в них на любом спектрометре, программное обеспечение которого позволяет создавать последовательности, обеспечивающие селективное возбуждение мультиплетных резонансных сигналов.

Метод особенно полезен при решении неоднозначности в определении механизмов путей обмена. Кроме того, при изучении медленно протекающих динамических процессов на основе усреднения скалярной спиновой связи 2М МШЕХ ЕХБУ эксперимент непосредственно применим к "Аккордеонному" эксперименту для прямого измерения констант скоростей обмена мультиплетных линий с равными релаксационными скоростями. И, как обычно, следует принимать во внимание преимущества этого эксперимента благодаря его селективной природе.

В случае системы связанных спинов полная интерпретация 2М обменных спектров представлялась невозможной без подавления эффектов когерентного переноса намагниченности по каналам скалярной связи, вызываемого вторым и третьим смешивающими 90° радиочастотными импульсами стандартной трехимпульсной последовательности, применяемой в 2М обменной спектроскопии.

Это существенно ограничивало возможности метода в исследованиях процессов структурной нежесткости.

В этой связи развитие новых простых и универсальных методик изучения обменных экспериментов на основе метода 2М Фурье-спектроскопии ЯМР представляется весьма актуальным.

Можно ограничить эффективный объем образца, применяя селективное возбуждение, как градиентов естественных полей, так и приложенных сильных градиентов. Определение распределения плотности ядер внутри объекта путем изучения поведения сигналов ЯМР при наличии градиента постоянного поля является важным экспериментом, требующим селективного возбуждения или насыщения радиочастотным полем ограниченных областей образца.

Таким образом, методы частотно-селективного возбуждения спиновой системы становятся неоценимым инструментов в решении задач изучения молекулярной структуры и молекулярного движения и правилом в ЗМ спектроскопии ЯМР.

Работа выполнена при финансовой поддержке' Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 99-03-33364) и гранта в системе Минобразования РФ№ 97-9.3-329 (1998-2001 гг.).

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, Б.С. Лукьянов, М.С. Коробов, Ю.М. Коробов, В.Ю. Вдовиченко, Н.В. Станкевич. Селективная Фурье-спектроскопия ЯМР и ее приложение к исследованию

процессов молекулярной динамики. Издательство СКНЦ ВШ, Ростов-на-Дону. 2002.143 с.

2. Коробов Ю.М., Станкевич Н.В., Черныш Ю.Е. // Векторный операторный формализм для описания импульсных экспериментов ЯМР // VI Международный Семинар по Магнитному Резонансу (Спектроскопия, Томография и Экология). Ростов-на-Дону, 8-11

_ октября 2002. Материалы Семинара. С. 240-242

3. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, Б.С. Лукьянов, Н.В. Станкевич, М.С. Коробов, Ю.М. Коробов, И.Г. Бородкина, В.Ю. Вдовиченко // Селективная двумерная Фурье-спектроскопия ЯМР. Квантово-механическая трактовка метода. // Известия вузов. СевероКавказский регион. 2002, № 2, с. 52-55

4. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, М.С. Коробов, Б.С. Лукьянов, Н.В. Станкевич, И.Г. Бородкина, В.Ю. Вдовиченко, Ю.М. Коробов // Изучение обменных процессов в комплексных соединениях Pb(II) // Координац. химия, 2002, том 28, № 3, с. 180-184

5. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Коробов М.С., Лукьянов Б.С., Чепурной П.Б*, Вдовиченко В.Ю., Станкевич Н.В., Коробов Ю.М. // Векторный операторный формализм для описания импульсных экспериментов ЯМР. // Журнал Физической Химии, 2002, том 76, № 4, с. 724-726

6. Yu.E. Chernysh, G.S. Borodkin, M.S. Korobov, B.S. Lukyanov, P.B. Chepurnoy, V.Yu. Vdovichenko, N.V. Stankevich, Yu.M. Korobov // Vector Operator Formalism for the Description of NMR Puise Experiments // XX Международная Чугаевская Конференция по Координационной Химии. Ростов-на-Дону, 25-29 июня 2001. Тезисы докладов. С. 269-270

7. М.С. Коробов, Г.С. Бородкин, Ю.Е. Черныш, В.И. Минкин // Структурная нежесткость комплексных соединений" Zn(II) на основе иминов 2-формилдимедона // XX Международная Чугаевская Конференция по Координационной Химии. Ростов-на-Дону, 25-29 июня 2001. Тезисы докладов. С. 269-270

8. R.N. Borisenko, A.V. Yarostchuk, Yu.E. Chernysh, V.Yu. Vdovichenko, N.I. Borisenko // Application of HPLC-1H to Environmental Samples of Ecosystem of the South of Russia: Analysis of Organic Pollutants // V International Workshop on Magnetic Resonance (Spectroscopy and Tomography). Rostov-on-Don, September 19-22,2000. Book of Abstracts. P. 170-171

9. Chernysh Yu.E., Borodkin G.S., N.V. Stankevich, V.Yu. Vdovichenko, Yu.M. Korobov // Vector Operator Formalism for the Description of NMR Pulse Experiments // V International Workshop on Magnetic Resonance (Spectroscopy and Tomography). Rostov-on-Don, September i9-22,2000. Book of Abstracts. P. 45-47

10. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Станкевич H.B., Вдовиченко В.Ю., Коробов М.С., Чепурной П.Б. И Векторный операторный формализм для описания импульсных экспериментов ЯМР // III Всероссийская конференция «Новые Достижения ЯМР в Структурных исследованиях» с приглашением зарубежных ученых. Казань, 4-7 апреля 2000. Тезисы докладов. С. 39

11. Бородкин Г.С., Черныш Ю.Е., Коробов М.С., Чепурной П.Б. // Исследование процессов молекулярной динамики методом трехмерной «аккордеонной» спектроскопии ЯМР // III Всероссийская конференция «Новые Достижения ЯМР в Структурных исследованиях» с приглашением зарубежных ученых. Казань, 4-7 апреля 2000. Тезисы докладов. С. 38

12. Черныш Ю.Е., Лукьянов B.C., Вдовиченко В.Ю., Бородкин Г.С., Коробов М.С., Станкевич Н.В., Кривоносое С.Е., Бородкина И.Г. // Приложения метода двумерного мультиплетно-селективного возбуждения (2М МСВ) к исследованию процессов молекулярной динамики // Координационная химия, 2000, том 26, № 9, с. 643-646

13. Черныш Ю.Е., Лукьянов Б.С., Бородкин Г.С., Вдовиченко В.Ю., Кривоносое С.Е., Станкевич Н.В. // Селективная двумерная обменная ЯМР-спектроскопия // Журнал Физической Химии, 2000, том 74, № 7, с. 1339-1342

14. Chernysh Yu.E., Borodkin G.S., Lukyanov B.S. et al. // Vector Operator Formalism for the Description of NMR Pulse Experiments // Molecular Dynamics and phase Transition. Extended Abstracts of the Specialised International Colloque AMPERE. September 18-23, 1999. Vilnius, Lithuania, p. 48

15. Yu.E. Chernysh, N.V. Stankevich, V.Yu. Vdovichenko, B.S. Lukyanov, and G.S. Borodkin // Selective Two-Dimensional Exchange NMR Spectroscopy and Its Application to the Study of Molecular Dynamic Processes: MUSEX EXSY Experiment // Appl. Magn.

■ Reson., 1999, v. 16, p. 309-315

16. A.O. Буланов, Б.С. Лукьянов, В.А. Коган, Ю.Е. Черныш // Установление структуры и динамики диастереотопных молекулярных систем методом мультиплетно-селективного возбуждения // IV Всероссийский Семинар по Магнитному Резонансу (Спектроскопия и Томография). Ростов-на-Дону, 21-25 сентября 1998. Тезисы докладов. С. 50-51

17. М.А. Voronov, Yu.E. Chernysh, V.G. Vdovichenko, B.S. Lukyanov // Selective Multiple-Quantum NMR Spectroscopy // IV Всероссийский Семинар по Магнитному Резонансу (Спектроскопия и

Томография). Ростов-на-Дону, 21-25 сентября 1998. Тезисы докладов, с. 32-33

18. Chemysh Yu.E., Borodkin G.S., Lukyanov B.S., N.V. Stankevich, M.Yu. Rusalyova // Vector Operator Formalism for the Description of NMR Pulse Experiments // IV Всероссийский Семинар по Магнитному Резонансу (Спектроскопия и Томография). Ростов-на-Дону, 21-25 сентября 1998. Тезисы докладов, с. 28-29

19. Yu.E. Chernysh, V.S. Tsygankov, V.G. Vdovichenko, B.S. Lukyanov // Selective Multiple-Quantum NMR Spectroscopy // Magnetic Resonance and Related Phenomena. Proceedings of the Joint 29th AMPERE - 13th ISMAR International Conference. Berlin Technical University, August 2-7,1998. Volume I, p. 519-520

20. Черныш Ю.Е., Вдовиченко В.Г., Лукьянов B.C., Косарев Д.О., Цыганков B.C. // Селективная многоквантовая спектроскопия ЯМР. Продольная двухспиновая поляризация ядер в обменных экспериментах ЯМР // Журнал Физической Химии, 1998, том 72, №9, с. 1704-1705

21. V.S. Tsygankov, Yu.E. Chernysh, V.G. Vdovichenko, B.S. Lukyanov // Selective Multiple-Quantum NMR Spectroscopy: ZZ-MUSEX method in exchange NMR experiments // 13-th International Meeting on NMR Spectroscopy. University Exeter, UK, 6-11 July 1997. Book of Abstracts. P.2

22. Г.С. Бородкин, Ю.Е. Черныш, Л.Е. Ниворожкин // Исследование процессов молекулярной динамики посредством мультиплетно-селективного возбуждения связанных спиновых систем // Материалы IV Всероссийского семинара по спектроскопии ЯМР. Москва, 17-18 октября 1995 года. С. 72

23. В.И. Минкин, Г.С. Бородкин, Ю.Е. Черныш, В.В. Лонский, B.C. Цыганков, Л.Е. Ниворожкин // Метод мультиплетно-селективного возбуждения связанных спиновых систем // Доклады Академии наук, 1994, т. 337, № 4, с. 477-478

24. Chemysh Yu.E,, Borodkin G.S. and Nivorozhkin L.E. // Combination of Nonselective and Selective Excitation in NMR Experiment of Discriminating and Assigning Spin Systems H Appl. Magn. Reson. 1993. v. 5. p. 69-75

25. Минкин В.И., Михайлов И.Е., Душенко Г.А., Садеков И.Д., Максименко А.А., Черныш Ю.Е. // Быстрые 1,5-сигматропные сдвиги арилтеллурильных групп по периметру кольца циклопентадиена // Докл. РАН, 1992, т. 322, № 4, с. 706-711

26. Chemysh Yu.E., Borodkin G.S., Sukholenko E.V.. Nivorozhkin L.E. // Selective Two-Dimensional Exchange NMR Spectroscopy and Its Applications to the Study of Molecular Dynamic Processes. l.Multiplet-Selective Excitation // J. Magn. Reson., 1992, v. 96, p. 131

27. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, E.B. Сухоленко, Л.Е. Ниворожкин // Сочетание селективного и неселективного возбуждения в 2М КС экспериментах ЯМР // II Областное совещание по физической и органической химии, Ростов-на-Дону. 1989

28. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, Л.Е. Ниворожкин // Экспериментальное определение кинетических параметров медленных динамических процессов для случая различных Т1 // II Областное совещание по физической и органической химии, Ростов-на-Дону, 1989

29. Ю.Е. Черныш, Г.С. Бородкин, Л.Е. Ниворожкин // Прямое измерение константы скорости химического обмена методом двухквантовой 2М обменной спектроскопии ЯМР в связанных

спиновых системах // II Областное совещание по физической и органической химии, Ростов-на-Дону. 1989

30. Ю.Е. Черныш, Г.С. _ Бородкин, JI.E. Ниворожкин // Экпериментальное определение кинетических параметров медленных динамических процессов для случая различных времен спин-решеточной релаксации обменивающихся положений // I Областное совещание по физической и органической химии, Ростов-на-Дрну. 1988. С. 130

31. Borodkin G.S., Chernysh Yu.E. and Nivorozhkin L.E. // Selective Two-dimensional (2D) Exchange NMR Spectroscopy and Its Application to Investigation of Molecular Dynamics Processes // XXIV Congress AMPERE. "Magnetic Resonance and Related Phenomena". Abstract, :Poznan, 1988, p. A75

32. Бородкин Г.С., Черныш Ю.Е., Ниворожкин JI.E. // Селективный 2M обменный коррелирующий эксперимент ДЯМР как метод исследования координационных соединений // V Всесоюзное совещание «Спектроскопия координационных соединений». Тез. докл. Краснодар, 1988, с. 88

33. Ниворожкин Л.Е., . Черныш Ю.Е., Ниворожкин А.Л., Бородкин Г.С.7 Борисенко Н.И., Минкин В.И. // Исследование процессов молекулярной динамики 5 селенопиразолальдиминат-ных хелатов Pb(II) // Докл. АН СССР, 1987, т. 296, № 2, с. 358-362

34. Бородкин Г.С., Ниворожкин А.Л., Черныш Ю.Е., Ниворожкин Л.Е. // Применение селективной 2М Фурье-спектроскопии ЯМР для изучения обменных процессов металл-хелатов Pb(Il) И IV Всесоюзное совещание «Спектроскопия координационных соединений». Тез. докл. Краснодар, 1986, с. 507

35. Б.С. Лукьянов, Л.Е. Ниворожкин, Ю.Е. Черныш, В.И. Минкин // Фото- и термохромные спираны. 16. 2-Оксо-3-фенил-5,5-диметилспиро(1,3-оксазолидин-4,2'-[2Н]хромены) // ХГС, 1985, №8, с. 1031-1035

36. Л.Е. Ниворожкин, Г.С. Бородкин, М.С. Коробов, Н.И. Борисенко, Ю.Е. Черныш, В.И. Минкин // Раздельное наблюдение процессов дигонального твиста и перекоординации с разрывом связей в тетраэдрических комплексах цинка (II) с альтердентатными лигандами // ЖОХ. 1985. Т. 55, № 9. С. 2149-2150

37. Yu.E. Chernysh, G.S. Borodkin, A.T. Balaban, V. Wray, V.l. Minkin // Dipole Moment, Dynamic NMR, and Molecular Structure of Vinylogous 4H-Pyrones // Liebigs Ann. Chem. 1985, P. 1587-1595

38. Константиновский Л.Е., Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С. // Применение двумерной Фурье-спектроскопии, ЯМР для исследования обменных процессов // ЖВХО им. Менделеева, 1985, т. 30, №2, с. 197-203

39. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Ниворожкин Л.Е. // Прямое измерение констант скоростей химического обмена методом многомерной спектроскопии ЯМР // Тезисы III Всесоюзного совещания «Спектроскопия координационных соединений» Краснодар. 1984 г.

40. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Борисенко Н.И. // Диалоговая система обработки спектров динамического ЯМР на спектрометре "Varían XL-100" и МИНИ-ЭВМ 620-L // Тезисы III Всесоюзного совещания «Спектроскопия координационных соединений» Краснодар. 1984г.

41. Ниворожкин Л.Е., Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Олехнович Р.Я., Жданов Ю.А., Минкин В.И. // Изучение механизма реакций

лигандного обмена внутрнкомплексных соединений кадмия методом двумерной Фурье-спектроскопии ЯМР // Докл. АН СССР, 1983, т. 273, № 1,с. 144-147

42. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Борисенко Н.И., Ниворожкин Л.Е. // Применение двумерной (2М) Фурье-спектроскопии ЯМР для изучения механизмов стереохимических превращений в тетраэдрических внутрикомплексных соединениях Сс1(П) // И Всесоюзное совещание «Спектроскопия координационных соединений». Тез. докл. Краснодар, 1982, с. 68

43. Черныш Ю.Е., Бородкин Г.С., Л.Е. Константиновский // 1Н Фурье-спектры ЯМР в протонных растворителях с использованием селективной импульсной последовательности // Ж. теор. и эксп. химии, 1982, т. 19

44. И.Д. Садеков, М.Л. Черкинская, В.П. Метлушенко, Ю.Е. Черныш, В.И. Минкин // Синтез и строение ароматических и гетероциклических соединений теллура. XX. Передача электронных эффектов заместителей по данным ЯМР 19Р и 13С // ЖОХ, 1981, том 51, в. 5, с. 1060-1066

Сдано в набор 19.02.2003 г Подписано в печать 20.02.2003 г Формат 60*84 1/ 16 Заказ № 363. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме» Оперативная печать. Тираж 100 экз. Печ лист.3,25 Усл.печ л 3,02 Типография: Издательско-полиграфический комплекс « Биос» РГУ 344091, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 28/2, корп 5 «В», тел 929-516, 659-532 Лицензия на полиграфическую деятельность № 65-125 от 09.02.98 г

7(2-1

9.7*2 1

Введение

I. Виды селективных экспериментов и средства их реализации

1.1. Селективное возбуждение

1.2. Селективное подавление

1.2.1. Объемная дисперсия намагниченности.

Стационарный метод

1.2.2. Предварительное насыщение

1.2.3. Облучение сигналов во время сбора данных

1.2.4. WEFT-методика

1.2.5. Методы с использованием импульсов большой длительности

1.2.6. Импульсная последовательность Редфилд 2-1

1.2.7. Импульсная последовательность Редфилд 2-1с разделением по времени

1.2.8. Биноминальные импульсные последовательности 20 И. Селективные эксперименты ЯМР в химических исследованиях 22 IL 1. Селективные одномерные эксперименты

11.2. Селективные двумерные эксперименты

11.3. Двумерные эксперименты как новый этап развития одномерных методик ЯМР

III. Методы ЯМР, использующие селективные РЧ импульсы совместно с импульсными полевыми градиентами

III. 1. Импульсные полевые градиенты

111.2. Селек гивные импульсы

111.3. Гомоядерные методики

111.3.1. Селективный COSY-эксперимент

111.3.2. Селективный TOCSY-эксперимент

111.3.3. Эхо-спектроскопия двойного импульсного полевого градиента

111.3.4. С-С эксперименты 107 III. 4. Гетероядерные методи ки

IV. Основные принципы селективного двумерного эксперимента ЯМР 127 IV. 1. Классическое описание мультиплетно-селективного возбуждения спиновой системы

IV. 1.1. Селективный двухимпульсный эксперимент

IV. 1.2. Селективный трехимпульсный эксперимент

IV.2. Квантово-механическая трактовка метода

1V.2.1. MUSEX COSY-эксперимент

IV.2.2. MUSEX EXSY-эксперимент

IV.3. Практические аспект^ i MUSEX метода

IV.4. Решение структурных задач

IV.5. Решение обменных задач

V. Векторный Операторный Формализм (ВОФ) для описания импульсных экспериментов ЯМР

VI. Селективная двумерная обменная спектроскопия ЯМР и ее применение к изучению молекулярных динамических процессов

VI. 1. MUSEX EXSY-эксперимент

Проблему решения задач структуры молекул и молекулярного движения методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) условно можно разделить на три основных этапа:

1. Отнесение химических сдвигов всех резонансных сигналов исследуемых образцов в спектрах ЯМР. Следует особо отметить, что частичное отнесение химсдвигов не обеспечивает полного решения конкретной динамической задачи. Здесь требуется полнота, подобно тому, как в математика решить уравнение - значит, найти множество его корней, то есть найти все решения данного уравнения. Отнесение химических сдвигов резонансных сигналов до сих пор остается сложном задачей.

2. Установление структуры, требующее для своего решения определения многих спектральных параметров, например: констант скоростей ядерной магнитной релаксации (всех резонансных пиков), межъядерных расстояний и других параметров в зависимости от сложности структуры конкретной молекулы.

3. Обменные задачи, однозначное решение которых является результатом успешного выполнения двух предыдущих этапов.

В наши дни большинство спектромегров ЯМР высокого разрешения работают в режиме Фурье-преобразования, при котором возбуждение создается мощными неселективными радиочастотными (РЧ) импульсами. Наиболее часто встречающейся проблемой при работе на таких спектрометрах является подавление резонансных сигналов растворителя. Поэтому возникает необходимость возбуждения одного ядра или одной спектральной линии спинового мультиплета без возмущения остальной части молекулы. После перехода импульсной Фурье-спектроскопии к своему новому этапу развития (двумерный эксперимент) роль и популярность селективных ме "одов стала быстро возрастать.

Альтернативой селективному возбуждению может служить селективное подавление, которое наиболее часто используется как метод удаления нежелательных сигналов, например, интенсивных пиков растворителя. Селективное подавление может применяться и для наблюдения одного протонированного сигнала 13С в сложных молекулах посредством разностной спектроскопии.

Используя методы частотного селективного облучения, проблему подавления интенсивных пиков растворителя можно решить, либо подавляя резонанс растворителя, либо не возбуждая его. Ограничением для решения этой задачи являются случаи перекрывания спиновых мультиплетов в спектрах больших молекул. С появлением сверхпроводящих магнитов, обеспечивающих высокие магнит ые поля и позволяющих создавать промышленные спектрометры 51МР повы ценного разрешения, эта проблема была решена. Иллюстрацией могут служить протонно-связанные спектры ядер 13С, так как даже в спектрах относительно простых молекул возможно существование довольно сильного перекрывания мультиплетных сигналов, что ограничивает исследование больших и сложных молекул. Когда гстероядерные спиновые связи ответственны за перекрывание мультиплетных структур, то методы селективного возбуждения позволяют успешно решать эту проблему. Широкополосное облучение приводит к устранению мультиплетной структуры сигнала наблюдаемого ядра, то есть к одиночному сигналу, положение которого в спектре тем самым однозначно определяется. При этом растет чувствительность за счет потери информации о связности ядер спиновой системы.

Знание химических сдвигов дает возможность расшифровывать сложные спектры больших молекул, что достигается путем простой комбинации селективного возбуждения и стробирующей развязки. При таком подходе каждый резонансный сигнал возбуждается селективно, затем устройство развязки выключается, что создает условия свободной прецессии резонансных линий мультиплетных сигналов, и Фурье-преобразование генерирует мультиплетные подспектры, соответствующие выбранному положению резонансного сигнала. Серия таких подспектров воссоздает обычный полный спектр со всей картиной связи. Дополнительную информацию относительно связности мультиплетных сигналов можно получить, используя методику селективного двойного резонанса, такую как селективный перенос населенности. Эти методы позволяют определить знаки констант спиновых связей, применяя "мягкие" селективные импульсы для облучения ядер, связанных с наблюдаемым ядром.

Другой областью применения селективного возбуждения является изучение механизмов магнитной релаксации. Кросс-релаксационные эффекты спин-решеточной релаксации протонов могут быть исследованы путем сравнения времени восстановления намагниченности после приложения селективного импульса, инвертирующего населенность, и неселективного импульса. Такие эксперименты дают информацию о структуре и динамике молекул. Определение времени поперечной релаксации при наличии гомоядерной спин-спиновой связи методом спинового эха значительно затрудняется из-за .1-модуляции эхо-сигналов. Этой модуляции молено избежать, если группы сигналов с различными химическими сдвигами исследовать индивидуально, то есть возбуждение и перефокусирование осуществлять с помощью селективных импульсов. Еще одним альтернативным методом, позволяющим избежать модуляционных эффектов при изучении спин-спиновой релаксации в жидкостях, является метод принудительной нестационарной прецессии. Однако при этом происходит перегрев исследуемого образца, поскольку время его облучения радиочастотным полем сравнимо со временем спин-спиновой релаксации Г2, а напряженность этого поля определяется диапазоном химических сдвигов резонансных сигналов. Этот нежелательный эффект можно исключить, если возбуждать каждый мультиплет селективно.

Наконец, существует несколько важных экспериментов, требующих селективного возбуждения или насыщения радиочастотным полем ограниченных областей образца. Одной из таких методик является определение распределения плотности ядер внутри объекта путем изучения поведения сигналов ЯМР при наличии градиента постоянного поля. Изменяя частоту облучения или создавая градиент магнитного поля, получают карту спиновой плотности внутри образца. Применяя селективное возбуждение как градиентов естественных полей, так и приложенных сильных градиентов, можно ограничить эффективный объем образца. Ответ ядерных спинов может управляться перемещаемыми прикладываемыми градиентами. Если прикладываемые градиенты выбираются так, чтобы согласовать доминирующие естественные градиенты, то возбуждаемый район образца соответствовал бы высокооднородиому полю, а сигнал от этой области преобразовывался бы в спектр, в котором ширина линии значительно уже, чем естественная приборная ширина. Эквивалентное физическое уменьшение действительного размера образца невозможно, так как форма л положение района высокой однородности неизвестны. Эти эксперименты связаны с локальным насыщением, которое использовалось для прецизионного измерения радиочастотного разделения в двойном резонансе высокого разрешения, а также для точных измерений естественной ширины линий.

Методы частотно-селекти зного возбуждения спиновой системы становятся неоценимым инструментов в решении задач молекулярной динамики. Большинство селективных методик имеет соответствующие 1М и 2М аналоги, которые обеспечивают доступ к конкретным районам полной 2М матрицы. Как отношение сигнал/шум, так и разрешение можно улучшить в результате ограничения частотных диапазонов в одном или • двух измерениях. Аналогичный способ сбора лишь ограниченного числа данных, вероятно, станет правилом в ЗМ-спектроскопии ЯМР, где регистрация полного спектра требует нескольких часов.

I. Виды селективных экспериментов и средства их реализации

Все селективные эксперименты условно можно разделить на два больших класса по способу облучения спиновых систем: селективное возбуждение и селекгивное подавление.