eng
Выпуск #2/2017
В.Кудякова, А.Чазов
Полноценный ЯМР-анализ на лабораторном столе: ЯМР-спектрометры Spinsolve компании Magritek
Полноценный ЯМР-анализ на лабораторном столе: ЯМР-спектрометры Spinsolve компании Magritek
Просмотры: 2520
Описаны некоторые особенности и возможности современных высокотехнологичных настольных ЯМР-спектрометров серии Spinsolve от Magritek (Германия). Благодаря своим характеристикам они могут стать альтернативой высокочастотным ЯМР-спектрометрам во многих экспериментах, а также способствовать пониманию и продвижению метода ЯМР в учебном процессе.
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.33.2.80.83
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.33.2.80.83
Современная аналитическая лаборатория исследовательского института или крупного предприятия, особенно работающая в области органического синтеза, практически всегда в своем арсенале имеет ЯМР-спектрометр. Сегодня это высокотехнологичное оборудование, в основном, работает с частотами по протонам от 300 до 600 МГц и обладает высокими чувствительностью и разрешением, что позволяет проводить широкий спектр экспериментов и получать данные о структуре молекул и многих процессах в веществе. Однако, высокая стоимость самих магнитов и расходных материалов (в основном – жидкий гелий и азот), а также строгие требования техники безопасности к помещению и персоналу при установке и обслуживании приборов такого уровня серьезно затрудняют использование высокочастотных ЯМР-спектрометров для проведения рутинных измерений и других несложных анализов.
Во многих случаях достойной заменой дорогостоящих, громоздких и затратных в эксплуатации высокочастотных ЯМР-спектрометров с охлаждаемыми магнитами могут стать компактные настольные установки для ЯМР-анализа. Рассмотрим на нескольких примерах возможности настольных ЯМР-спектрометров серии Spinsolve компании Magritek в различных направлениях исследований и стандартных измерениях.
ЯМР-спектрометры Spinsolve (рис.1) работают на частоте по протонам 43 или 60 МГц и, в зависимости от конфигурации, способны определять такие ядра как 1H, 13C, 19F и 31P (опционально доступны и другие ядра). Спектрометры поставляются в четырех версиях: Spinsolve Education (1H), Spinsolve (1H, 19F), Spinsolve Carbon (1H, 12C, 19F), Spinsolve Phosphorus (1H, 12C, 31P). Использование запатентованного постоянного магнита Хальбаха на основе сплава SmCo с системой термостабилизации, а также двухканального спектрометра обеспечивает хорошую стабильность (не более 1 Гц/ч) и высокое разрешение (лучше 0,5 Гц на полувысоте пика и лучше 20 Гц на 0,55% высоты пика) по сравнению с настольными ЯМР-спектрометрами других производителей. Предусмотрена работа как со стандартной ампулой диаметром 5 мм для образцов, так и проточные измерения в режиме реального времени. В отличие от высокочастотных ЯМР-спектрометров, работа Spinsolve не требует сжатого воздуха, дейтерированных растворителей, криожидкостей и специально подготовленного помещения. Благодаря системе стабилизации магнитного поля и встроенному внешнему стандарту Spinsolve может работать не только без дейтерированных растворителей, но и с образцами, имеющими низкие концентрации: в протонных растворителях стандартные измерения 1H и 19F на уровне 100 мМ занимают менее 1 мин, на уровне 10 мМ – несколько минут, а при концентрации 1 мМ – несколько большее время; 13С определяется на уровне 100 мМ, а 31P – на уровне нескольких мМ. Совокупность характеристик прибора позволяет использовать его для множества приложений, а в некоторых – его эффективность приближается к ЯМР-спектрометрам высокой частоты.
Одно из таких приложений – онлайн-мониторинг с помощью ЯМР-спектрометра. Это – хороший метод исследования кинетики и завершения химических реакций. При этом для количественных измерений требуется минимальная калибровка. Сигнал линейно зависит от концентрации и поэтому, в целом, не чувствителен к матрице: измеряется содержание целевого компонента. Спектрометр Spinsolve может быть установлен непосредственно в вытяжном шкафу химической лаборатории (рис.2). Образец подается из реактора обычным перистальтическим насосом по тефлоновым трубкам к стеклянной проточной кювете, которая установлена непосредственно в магните.
В качестве примера рассмотрим реакцию гидролиза ангидрида уксусной кислоты (0,05 мл) водой (10 мл). Реакционная смесь циркулировала через магнит со скоростью 0,9 мл/мин; температуру смеси регулировали с помощью водяной бани и нагревателя в диапазоне от 5 до 50 °С; однородность смеси обеспечивала магнитная мешалка в реакторе, а спектры регистрировали каждые 15 с. Отметим, что создать такие условия эксперимента на высокочастотных ЯМР очень дорого и трудоемко.
На рис.3 представлен временной трехмерный график ЯМР-спектров с пиками, представляющими исходные компоненты и продукты реакции (рис.3а), а также соответствующие кинетические кривые, полученные из соотношений указанных пиков (рис.3б). С течением времени наблюдаются: рост соответствующего уксусной кислоте пика 2,04 м.д. и уменьшение соответствующего уксусному ангидриду пика 2,19 м.д. По кинетическим кривым можно определить характер реакции и скорость ее протекания. В рассмотренном примере константа скорости реакции первого порядка составила к = 0,8 · 10–3 с–1 при Т = 296 К . Этот пример показывает, что можно с достаточной степенью точности проводить измерения реагентов в протонных растворителях с концентрациями менее 1% спектрометром Spinsolve, расположенном в вытяжном шкафу. Также непосредственно в спектрометре можно наблюдать температурный эффект для реакций, продукты которых не выпадают в осадок при пониженных температурах.
Экспертно-криминалистический анализ – еще одно направление, в котором спектрометры Spinsolve демонстрируют свою эффективность. Судмедэксперты нуждаются в экспрессном и надежном аналитическом методе идентификации и количественного определения целевых веществ. На сегодняшний день предложено множество технологических решений, однако большинство требует трудоемкой и длительной пробоподготовки, а также сложного инструментального оформления. Метод ЯМР обладает неоценимыми преимуществами для криминалистических исследований, поскольку благодаря своей исключительной способности распознавания относится к методам категории А по квалификации SWGDRUG (Scientific Working Group for the Analysis of Seized Drugs), а также является количественным по своей природе. Поэтому с его помощью можно проводить идентификацию и определение чистоты препарата за одно измерение. Впрочем, стоимость и дороговизна обслуживания высокочастотных ЯМР-спектрометров сдерживают их использование для криминалистических исследований в общей практике. Применение же настольных ЯМР-спектрометров Spinsolve не имеет таких ограничений, поэтому они могут стать идеальным решением для криминалистических лабораторий за счет компактного исполнения, простой пробоподготовки и хорошей производительности.
Преимущество ЯМР-спектрометрии при идентификации сильнодействующих веществ заключается в получении специфического "отпечатка пальца" для каждого соединения. Это позволяет создавать и использовать базы данных для идентификации препаратов. Spinsolve Carbon достигает дополнительной специфичности "отпечатка пальца" за счет регистрации спектров 13С и 19F, что увеличивает надежность распознавания. В ЯМР-спектрометрах Spinsolve предусмотрена возможность проведения мультиядерных и многомерных экспериментов, чтобы определять структуру неизвестных препаратов. Кроме того, ЯМР можно применять в качестве дополнительного к другим методам категории А для подтверждения предполагаемой идентификации, а также для определения изомеров и родственных соединений, что затруднительно сделать с помощью ГХ-МС и ИК-спектроскопии.
Интенсивность сигнала в ЯМР-спектре пропорциональна числу ядер, а сигнал от каждого ядра одинаков, поэтому не нужна дорогостоящая и длительная калибровка. К примеру, простая подготовка пробы с использованием внутреннего образца сравнения, 2,3,4,5-тетрахлоронитробензола (TCNB), достаточна для оценки чистоты препарата кофеина по сравнению с интегральной интенсивностью пиков (рис.4). В целом, точность определения чистоты препаратов c использованием внутреннего стандарта с помощью Spinsolve составляет около 1%, что сравнимо с высокочастотным ЯМР. Применение внешнего стандарта дает точность определения около 2,5%.
Благодаря возможности регистрировать сигналы от различных ядер, таких как 1H, 19F, 31P и 13С, Spinsolve обеспечивает дополнительное реальное подтверждение структуры, что может быть полезно как при проведении экспертного анализа, так и в ходе синтеза различных соединений в науке и на производстве.
Помимо исследовательских задач, в том числе высокой степени ответственности, Spinsolve также можно использовать в качестве прибора для обучения, чему дополнительно способствуют специальные разработанные Magritek программы для проведения лабораторных работ. Их список обширен и включает, например, такие как: идентификация и разделение изомеров C4H8O2; введение в ЯМР-спектроскопию 13С и DEPT – определение спиртов; синтез и реакции ферроцена; синтез p-нитроанилина; исследование липофильности с помощью ЯМР и многие другие. Благодаря высокой чувствительности спектрометра и возможностям программного обеспечения можно быстро получать требуемую информацию, что немаловажно при обучении больших групп студентов. Затраты на обслуживание прибора и проведение экспериментов минимальны – нет необходимости в дейтерированных растворителях и можно использовать самые простые 5-мм ампулы. Программное обеспечение интуитивно понятное и в то же время позволяет выполнять даже 2D-эксперименты (HETCOR, HMBC, HMQC, HSQC, HSQC-ME), эксперименты DEPT и JRES.
В целом, по совокупности своих возможностей, настольные ЯМР-спектрометры Spinsolve от Magritek представляют собой мощный и эффективный инструмент современной лаборатории любого уровня – от учебной до исследовательской высокого класса.
Во многих случаях достойной заменой дорогостоящих, громоздких и затратных в эксплуатации высокочастотных ЯМР-спектрометров с охлаждаемыми магнитами могут стать компактные настольные установки для ЯМР-анализа. Рассмотрим на нескольких примерах возможности настольных ЯМР-спектрометров серии Spinsolve компании Magritek в различных направлениях исследований и стандартных измерениях.
ЯМР-спектрометры Spinsolve (рис.1) работают на частоте по протонам 43 или 60 МГц и, в зависимости от конфигурации, способны определять такие ядра как 1H, 13C, 19F и 31P (опционально доступны и другие ядра). Спектрометры поставляются в четырех версиях: Spinsolve Education (1H), Spinsolve (1H, 19F), Spinsolve Carbon (1H, 12C, 19F), Spinsolve Phosphorus (1H, 12C, 31P). Использование запатентованного постоянного магнита Хальбаха на основе сплава SmCo с системой термостабилизации, а также двухканального спектрометра обеспечивает хорошую стабильность (не более 1 Гц/ч) и высокое разрешение (лучше 0,5 Гц на полувысоте пика и лучше 20 Гц на 0,55% высоты пика) по сравнению с настольными ЯМР-спектрометрами других производителей. Предусмотрена работа как со стандартной ампулой диаметром 5 мм для образцов, так и проточные измерения в режиме реального времени. В отличие от высокочастотных ЯМР-спектрометров, работа Spinsolve не требует сжатого воздуха, дейтерированных растворителей, криожидкостей и специально подготовленного помещения. Благодаря системе стабилизации магнитного поля и встроенному внешнему стандарту Spinsolve может работать не только без дейтерированных растворителей, но и с образцами, имеющими низкие концентрации: в протонных растворителях стандартные измерения 1H и 19F на уровне 100 мМ занимают менее 1 мин, на уровне 10 мМ – несколько минут, а при концентрации 1 мМ – несколько большее время; 13С определяется на уровне 100 мМ, а 31P – на уровне нескольких мМ. Совокупность характеристик прибора позволяет использовать его для множества приложений, а в некоторых – его эффективность приближается к ЯМР-спектрометрам высокой частоты.
Одно из таких приложений – онлайн-мониторинг с помощью ЯМР-спектрометра. Это – хороший метод исследования кинетики и завершения химических реакций. При этом для количественных измерений требуется минимальная калибровка. Сигнал линейно зависит от концентрации и поэтому, в целом, не чувствителен к матрице: измеряется содержание целевого компонента. Спектрометр Spinsolve может быть установлен непосредственно в вытяжном шкафу химической лаборатории (рис.2). Образец подается из реактора обычным перистальтическим насосом по тефлоновым трубкам к стеклянной проточной кювете, которая установлена непосредственно в магните.
В качестве примера рассмотрим реакцию гидролиза ангидрида уксусной кислоты (0,05 мл) водой (10 мл). Реакционная смесь циркулировала через магнит со скоростью 0,9 мл/мин; температуру смеси регулировали с помощью водяной бани и нагревателя в диапазоне от 5 до 50 °С; однородность смеси обеспечивала магнитная мешалка в реакторе, а спектры регистрировали каждые 15 с. Отметим, что создать такие условия эксперимента на высокочастотных ЯМР очень дорого и трудоемко.
На рис.3 представлен временной трехмерный график ЯМР-спектров с пиками, представляющими исходные компоненты и продукты реакции (рис.3а), а также соответствующие кинетические кривые, полученные из соотношений указанных пиков (рис.3б). С течением времени наблюдаются: рост соответствующего уксусной кислоте пика 2,04 м.д. и уменьшение соответствующего уксусному ангидриду пика 2,19 м.д. По кинетическим кривым можно определить характер реакции и скорость ее протекания. В рассмотренном примере константа скорости реакции первого порядка составила к = 0,8 · 10–3 с–1 при Т = 296 К . Этот пример показывает, что можно с достаточной степенью точности проводить измерения реагентов в протонных растворителях с концентрациями менее 1% спектрометром Spinsolve, расположенном в вытяжном шкафу. Также непосредственно в спектрометре можно наблюдать температурный эффект для реакций, продукты которых не выпадают в осадок при пониженных температурах.
Экспертно-криминалистический анализ – еще одно направление, в котором спектрометры Spinsolve демонстрируют свою эффективность. Судмедэксперты нуждаются в экспрессном и надежном аналитическом методе идентификации и количественного определения целевых веществ. На сегодняшний день предложено множество технологических решений, однако большинство требует трудоемкой и длительной пробоподготовки, а также сложного инструментального оформления. Метод ЯМР обладает неоценимыми преимуществами для криминалистических исследований, поскольку благодаря своей исключительной способности распознавания относится к методам категории А по квалификации SWGDRUG (Scientific Working Group for the Analysis of Seized Drugs), а также является количественным по своей природе. Поэтому с его помощью можно проводить идентификацию и определение чистоты препарата за одно измерение. Впрочем, стоимость и дороговизна обслуживания высокочастотных ЯМР-спектрометров сдерживают их использование для криминалистических исследований в общей практике. Применение же настольных ЯМР-спектрометров Spinsolve не имеет таких ограничений, поэтому они могут стать идеальным решением для криминалистических лабораторий за счет компактного исполнения, простой пробоподготовки и хорошей производительности.
Преимущество ЯМР-спектрометрии при идентификации сильнодействующих веществ заключается в получении специфического "отпечатка пальца" для каждого соединения. Это позволяет создавать и использовать базы данных для идентификации препаратов. Spinsolve Carbon достигает дополнительной специфичности "отпечатка пальца" за счет регистрации спектров 13С и 19F, что увеличивает надежность распознавания. В ЯМР-спектрометрах Spinsolve предусмотрена возможность проведения мультиядерных и многомерных экспериментов, чтобы определять структуру неизвестных препаратов. Кроме того, ЯМР можно применять в качестве дополнительного к другим методам категории А для подтверждения предполагаемой идентификации, а также для определения изомеров и родственных соединений, что затруднительно сделать с помощью ГХ-МС и ИК-спектроскопии.
Интенсивность сигнала в ЯМР-спектре пропорциональна числу ядер, а сигнал от каждого ядра одинаков, поэтому не нужна дорогостоящая и длительная калибровка. К примеру, простая подготовка пробы с использованием внутреннего образца сравнения, 2,3,4,5-тетрахлоронитробензола (TCNB), достаточна для оценки чистоты препарата кофеина по сравнению с интегральной интенсивностью пиков (рис.4). В целом, точность определения чистоты препаратов c использованием внутреннего стандарта с помощью Spinsolve составляет около 1%, что сравнимо с высокочастотным ЯМР. Применение внешнего стандарта дает точность определения около 2,5%.
Благодаря возможности регистрировать сигналы от различных ядер, таких как 1H, 19F, 31P и 13С, Spinsolve обеспечивает дополнительное реальное подтверждение структуры, что может быть полезно как при проведении экспертного анализа, так и в ходе синтеза различных соединений в науке и на производстве.
Помимо исследовательских задач, в том числе высокой степени ответственности, Spinsolve также можно использовать в качестве прибора для обучения, чему дополнительно способствуют специальные разработанные Magritek программы для проведения лабораторных работ. Их список обширен и включает, например, такие как: идентификация и разделение изомеров C4H8O2; введение в ЯМР-спектроскопию 13С и DEPT – определение спиртов; синтез и реакции ферроцена; синтез p-нитроанилина; исследование липофильности с помощью ЯМР и многие другие. Благодаря высокой чувствительности спектрометра и возможностям программного обеспечения можно быстро получать требуемую информацию, что немаловажно при обучении больших групп студентов. Затраты на обслуживание прибора и проведение экспериментов минимальны – нет необходимости в дейтерированных растворителях и можно использовать самые простые 5-мм ампулы. Программное обеспечение интуитивно понятное и в то же время позволяет выполнять даже 2D-эксперименты (HETCOR, HMBC, HMQC, HSQC, HSQC-ME), эксперименты DEPT и JRES.
В целом, по совокупности своих возможностей, настольные ЯМР-спектрометры Spinsolve от Magritek представляют собой мощный и эффективный инструмент современной лаборатории любого уровня – от учебной до исследовательской высокого класса.
Отзывы читателей
