Спектральные методы исследования (ИК-Фурье и ЯМР): Физико-химические основы и структурный анализ азотсодержащих гетероциклов

Введение в спектральный анализ гетероциклических соединений

Азотсодержащие гетероциклические соединения составляют один из самых обширных и жизненно важных классов органических веществ. Их структурное разнообразие лежит в основе фармакологической активности многих лекарственных препаратов, красителей, полимеров и природных соединений (например, алкалоидов и нуклеиновых кислот). Точное и быстрое установление молекулярной структуры этих соединений — критически важная задача в химическом синтезе и анализе.

В арсенале современной органической химии ведущую роль в структурном анализе играют физические, в частности, спектральные методы исследования. ИК-спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) являются краеугольными камнями этого процесса, поскольку они предоставляют уникальную и взаимодополняющую информацию: ИК-спектроскопия позволяет быстро идентифицировать функциональные группы, а ЯМР-спектроскопия — детально восстановить скелет молекулы, ее связность и пространственную конфигурацию. Что из этого следует? Только их совместное использование позволяет устранить двусмысленность в сложных случаях изомерии.

Цель настоящей работы — провести комплексное теоретическое и методологическое исследование физико-химических основ ИК- и ЯМР-спектроскопии и продемонстрировать их практическое применение для решения сложных задач структурного анализа, включая идентификацию таутомерных форм, оценку ароматичности и установление конфигурации гетероциклических азотсодержащих соединений.

Теоретические и физико-химические основы методов

Для корректной интерпретации спектральных данных необходимо глубокое понимание фундаментальных принципов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. ИК-спектроскопия и ЯМР-спектроскопия основаны на совершенно разных физических явлениях, что обуславливает их взаимодополняющую природу. Физическая природа каждого метода определяет, какого рода информацию о молекуле мы можем получить.

Основы ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье

Инфракрасная (ИК) спектроскопия — это абсорбционный метод, основанный на избирательном поглощении молекулой электромагнитного излучения в инфракрасной области, что приводит к переходам между различными колебательными и вращательными энергетическими уровнями.

В рамках упрощенной модели двухатомной молекулы, рассматриваемой как гармонический осциллятор, колебательная энергия ($E_{v}$) квантуется. Переход из основного состояния ($v=0$) в первое возбужденное ($v=1$) происходит при поглощении кванта энергии, соответствующего разности уровней. Колебательная энергия описывается выражением:

Ev = hνc (v + 1/2)

где:

• $v$ — колебательное квантовое число (0, 1, 2…);
• $h$ — постоянная Планка;
• $\nu_{c}$ — собственная частота колебания осциллятора.

Условие ИК-активности. Для того чтобы колебание молекулы было «видимым» (ИК-активным), оно должно сопровождаться изменением дипольного момента молекулы. Именно поэтому симметричные колебания неполярных связей (например, C=C в этилене) могут быть слабыми или отсутствовать, в то время как полярные связи (C=O, N–H) дают интенсивные и четкие полосы, что позволяет мгновенно обнаружить наличие полярных функциональных групп.

Современные приборы, использующие преобразование Фурье (ИК-Фурье), оперируют не с монохроматическим, а с интерференционным излучением. Это позволяет регистрировать весь спектр одновременно, что обеспечивает высокую чувствительность и скорость, при этом разрешение исследовательского класса может достигать 0,5–0,25 см^-1.

Основы ядерного магнитного резонанса

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это абсорбционный метод, основанный на регистрации резонансного поглощения радиочастотного излучения атомными ядрами, обладающими спином (например, ¹H, ¹³C), когда они помещены в сильное постоянное магнитное поле ($B_{0}$).

Ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле ориентируются согласно квантовым правилам, образуя два (для спина $I=1/2$) или более энергетических спиновых уровня. Разность энергий ($\Delta E$) между этими уровнями определяет резонансную частоту ($\nu_{0}$), необходимую для инверсии спина:

ΔE = hν0

Внешнее поле $B_{0}$ определяет резонансную частоту, которая прямо пропорциональна его напряженности, согласно уравнению Лармора:

ν0 = (γ / 2π) B0

где $\gamma$ — гиромагнитное отношение ядра. Например, для протона (¹H) $\gamma \approx 2,67522 \times 10^{8} \text{ рад} \cdot \text{Т}^{-1} \cdot \text{с}^{-1}$.

Химический сдвиг ($\delta$). Ключевым параметром в ЯМР является химический сдвиг ($\delta$), который отражает локальное магнитное окружение ядра. Электроны, циркулирующие вокруг ядра, создают индуцированное магнитное поле, которое противодействует внешнему полю $B_{0}$ (эффект экранирования). Чем выше электронная плотность на ядре, тем сильнее оно экранировано, и тем в более сильном поле (меньшее $\delta$) наблюдается резонанс. Каков важный нюанс здесь упускается? Уменьшение экранирования протона всегда коррелирует с увеличением его кислотности, что делает химический сдвиг ценным инструментом для оценки реакционной способности.

Химический сдвиг рассчитывается в миллионных долях (м.д. или ppm) и является независимым от рабочей частоты спектрометра:

δ = ((νsample - νref) / νspectrometer) × 106 м.д.

Современные ЯМР-спектрометры используют импульсные последовательности и математическое преобразование Фурье для перевода отклика во временной области (спада свободной индукции) в традиционный спектр в частотной области.

ИК-спектроскопия в идентификации азотсодержащих функциональных групп

ИК-спектроскопия позволяет быстро получить «отпечаток» молекулы, используя корреляционные таблицы для идентификации ключевых функциональных групп, особенно тех, которые содержат азот.

Валентные колебания N–H и C=N связей

Положение характеристических полос в ИК-спектре определяется массой атомов, прочностью связи и электронными эффектами. Азотсодержащие группы имеют характерные частоты, которые важны для первичной структурной диагностики:

Функциональная группа	Тип колебания	Диапазон частот (см-1)	Особенности
N–H (вторичный амин, пиррол)	Валентное	3500–3200	Острая полоса для свободного N–H; широкая для ассоциированного.
Пиррол (свободный N–H)	Валентное	3495–3440	Узкая, острая полоса, смещенная в слабое поле.
C=N (имины, оксимы)	Валентное	1650–1550	Сдвигается в зависимости от сопряжения.
Ароматический скелет (Пиридин)	Скелетные	1600–1430	Четыре характерные полосы.

Валентные колебания N–H. Связи N–H в гетероциклах с вторичным азотом (например, в индоле или пирроле) проявляются в области 3500–3200 см^-1. Крайне важен интервал 3495–3440 см^-1, где наблюдается острая полоса свободного (неассоциированного) мономера, например, пиррола. Эта полоса служит прямым свидетельством наличия протона на атоме азота.

Валентные колебания C=N. Колебания двойной связи C=N (в иминогруппах или в ароматических гетероциклах, таких как пиридин) наблюдаются в интервале 1650–1550 см^-1. По сравнению с валентными колебаниями C=C, полоса C=N может быть менее интенсивной, но ее точное положение критически зависит от сопряжения: сопряжение с ароматическим кольцом или другими кратными связями снижает частоту колебаний.

Влияние водородной связи и ароматичности

Водородная связь (ВС). ИК-спектроскопия — идеальный метод для выявления ВС. Внутри- и межмолекулярные водородные связи оказывают сильное влияние на полосы поглощения групп-доноров протона (N–H или O–H).

Возникновение ВС приводит к двум характерным изменениям в ИК-спектре:

1. Сдвиг частоты: Полоса валентного колебания N–H смещается в область меньших частот (низкочастотный сдвиг).
2. Уширение полосы: Усиление взаимодействия приводит к уширению полосы поглощения, которое может быть очень значительным.

Скелетные колебания ароматических систем. Ароматические гетероциклы, такие как пиридин, обладают характерными скелетными колебаниями кольца. Для пиридина наблюдаются четыре характерные полосы в области 1600–1430 см^-1, отражающие колебания C–C и C–N связей внутри цикла. Эти полосы подтверждают наличие ароматической системы, но не могут точно установить расположение заместителей, в отличие от ЯМР-спектроскопии.

ЯМР-спектроскопия: Количественный анализ структуры по спектральным параметрам

ЯМР-спектроскопия, особенно в режимах ¹H и ¹³C, предоставляет детализированную информацию о связности атомов и их пространственном расположении, что делает ее незаменимой для полного de novo установления структуры. Разве может какой-либо другой метод дать столь точную картину атомного окружения?

Интерпретация химических сдвигов протонов и углерода

Химический сдвиг ($\delta$) является прямой мерой локальной электронной плотности и магнитной анизотропии в молекуле. В гетероциклических соединениях влияние гетероатома (азота) и ароматичности на $\delta$ является определяющим.

Сдвиги протонов в $\pi$-дефицитных системах (Пиридин). Пиридин — $\pi$-дефицитный гетероцикл, где атом азота оттягивает электронную плотность, особенно от соседних ($\alpha$) положений. Это приводит к сильному дезэкранированию протонов и их сдвигу в слабое поле:

δ(Hα) > δ(Hγ) > δ(Hβ)

Типичные значения для незамещенного пиридина в CDCl₃: H_α $\approx$ 8,60 м.д., H_γ $\approx$ 7,70 м.д., H_β $\approx$ 7,30 м.д. Значительное дезэкранирование H_α (сдвиг до 8,6 м.д.) обусловлено индуктивным эффектом азота и анизотропией кольцевого тока.

Сдвиги протонов в $\pi$-избыточных системах (Пиррол). В $\pi$-избыточных системах, таких как пиррол, положительный мезомерный эффект атома азота повышает электронную плотность на атомах углерода. Это приводит к экранированию протонов кольца, и их сигналы резонируют в значительно более сильных полях, обычно в диапазоне 6,0–6,8 м.д., что является ключевым отличием от пиридина.

Спектроскопия ¹³C ЯМР. Благодаря более широкому диапазону химических сдвигов (до 200 м.д.) спектроскопия ¹³C позволяет однозначно различить $\alpha$-, $\beta$-, и $\gamma$-атомы углерода. В пиридине, как и для протонов, атомы углерода в $\alpha$ и $\gamma$ положениях (ближайшие к азоту) обычно менее экранированы, чем в $\beta$ положении, что отражает неравномерное распределение электронной плотности.

Анализ констант спин-спинового взаимодействия (КССВ)

Константа спин-спинового взаимодействия ($J$, измеряется в Гц) отражает взаимодействие между спинами ядер, передаваемое через ковалентные связи. $J$ не зависит от напряженности внешнего магнитного поля и является мерой связности (через 2, 3 или более связей) и, что крайне важно, геометрической конфигурации молекулы. КССВ являются своего рода «отпечатками пальцев» молекулы, которые позволяют определить *цис* или *транс* положение заместителей.

Гомоядерные КССВ (¹H–¹H). Величина ³$J_{\text{HH}}$ (через три связи, вицинальное взаимодействие) зависит от двугранного угла между связями (уравнение Каплуса). В ароматических гетероциклах орто-КССВ (³$J_{\text{HH}}$) обычно находятся в диапазоне 6,0–9,0 Гц.

В пиридине КССВ являются специфическими и отражают особенности структуры кольца:

• ³$J_{\text{2,3}}$ и ³$J_{\text{3,4}}$ обычно составляют 4,5–5,5 Гц и 7,5–8,5 Гц соответственно.
• ⁴$J$ (мета-взаимодействие) и ⁵$J$ (пара-взаимодействие) значительно меньше (0,5–2,0 Гц).

Анализ $J$ позволяет точно определить, какие протоны являются соседями, и, таким образом, установить последовательность атомов в скелете.

Спектральная диагностика структурных явлений и изомерии

Спектральные методы незаменимы для выявления динамических и статических структурных особенностей, которые невозможно определить классическими химическими методами.

Таутомерия в азотсодержащих гетероциклах

ЯМР-спектроскопия является основным инструментом для изучения таутомерии (например, лактам-лактим, имино-енамин) в растворе.

При медленном обмене между таутомерными формами, спектрометр «видит» каждую форму как отдельное соединение. В спектре ЯМР наблюдаются отдельные наборы сигналов для каждой таутомерной формы.

Количественный анализ. Соотношение таутомеров в равновесии может быть определено путем интегрирования сигналов, принадлежащих каждой форме. Например, если изучается таутомерия пиридонов (кето-енольная), то сигналы протонов, связанные с C=O (лактамная форма) и C–OH (лактимная форма), будут четко разделены по химическому сдвигу, что позволит точно рассчитать их концентрации.

ИК-спектроскопия также может быть использована для различения таутомеров, если они содержат разные характеристические группы. Например, амидо-таутомер будет иметь полосы C=O и N–H, тогда как иминольный таутомер — полосу C=N и O–H.

Оценка ароматичности и Водородные связи

Ароматичность. Степень ароматичности гетероциклического кольца может быть качественно оценена с помощью ¹H ЯМР-спектроскопии. Сильная ароматичность (как в бензоле или пиридине) вызывает сильный диамагнитный кольцевой ток. Этот ток создает локальное магнитное поле, которое усиливает внешнее поле $B_{0}$ в плоскости кольца, вызывая существенное дезэкранирование протонов.

Протоны в сильно ароматических системах резонируют в очень слабом поле (сдвиг $\delta > 7,0 \text{ м.д.}$). Ослабленная ароматичность, характерная для $\pi$-избыточных систем (тиофен, пиррол), проявляется в меньшем сдвиге протонов (6,0–6,8 м.д.).

Внутримолекулярная водородная связь (ВС). Присутствие сильной внутримолекулярной ВС в гетероциклах (например, между протоном N–H и карбонильной группой C=O) приводит к исключительно сильному дезэкранированию связанного протона.

В ЯМР-спектре сигнал связанного протона смещается в очень слабое поле, достигая значений 10–14 м.д. и более. Важно, что этот сдвиг практически не зависит от концентрации образца (в отличие от межмолекулярной ВС) и лишь слабо зависит от полярности растворителя, что служит однозначным подтверждением внутримолекулярного связывания.

Методология комплексного структурного анализа и сравнительные возможности

Успешное установление структуры сложного азотсодержащего гетероцикла требует не изолированного, а комплексного применения спектральных методов.

Сравнительный анализ ИК-Фурье и ЯМР

ИК- и ЯМР-спектроскопия предоставляют принципиально разную информацию:

Характеристика	ИК-спектроскопия (ИК-Фурье)	ЯМР-спектроскопия (1H, 13C)
Физическая основа	Колебательные переходы	Резонанс спинов ядер в магнитном поле
Основная задача	Идентификация функциональных групп	Установление связности, скелета и стереохимии
Информативность	Определяет типы связей (C=O, N–H, C=N)	Определяет количество атомов, их окружение и соседей
Чувствительность (Современные FT)	Высокая, быстрое получение спектра	Чрезвычайно высокая, особенно для 1H
Разрешение	Высокое (до 0,25 см-1)	Высокое, позволяет видеть тонкую структуру (КССВ)
Применение для de novo анализа	Недостаточно для полного установления структуры	Наиболее эффективный инструмент для полного установления структуры

Ключевое преимущество ЯМР. Методика ¹³C ЯМР-спектроскопии, существенно усовершенствованная с внедрением Фурье-преобразования (FT) и широкополосной развязки от протонов, увеличила чувствительность в 10–100 раз по сравнению со старыми методами. Это позволило сделать ¹³C ЯМР методом рутинного анализа. ЯМР предоставляет информацию не только о типах атомов, но и об их взаимном расположении (через КССВ и корреляционные эксперименты), что делает его незаменимым для решения обратной задачи (установления структуры по спектрам).

Алгоритм установления структуры неизвестного гетероцикла

Процесс установления структуры неизвестного азотсодержащего гетероцикла является последовательным и логически структурированным:

Шаг 1. Определение элементного состава и молекулярной формулы.

Сначала с помощью масс-спектрометрии и элементного анализа устанавливается точная молекулярная масса и элементный состав. Рассчитывается количе��тво степеней ненасыщенности, что дает первоначальное представление о наличии циклов и кратных связей.

Шаг 2. ИК-идентификация функциональных групп.

С помощью ИК-Фурье спектроскопии быстро идентифицируются ключевые функциональные группы: наличие N–H (в области 3500–3200 см^-1), C=N (1650–1550 см^-1), C=O и наличие ароматического скелета (1600–1430 см^-1).

Шаг 3. Анализ окружения атомов H и C (ЯМР 1D).

• ¹H ЯМР: Определяется количество неэквивалентных протонов (по числу сигналов) и их относительное количество (по интегрированию). Химические сдвиги ($\delta$) указывают на тип окружения (ароматический, алифатический, группа рядом с гетероатомом). Мультиплетность (расщепление) позволяет определить ближайших соседей (по КССВ).
• ¹³C ЯМР: Определяется общее число атомов углерода и их тип (CH₃, CH₂, CH, C_q). $\delta$ указывает на наличие кратных связей и гетероатомов.

Шаг 4. Установление связности (ЯМР 2D).

Для сложных молекул необходимы двумерные корреляционные методы ЯМР:

1. COSY (¹H–¹H) — подтверждает непосредственную связь между соседними протонами (через 2–3 связи).
2. HSQC (¹H–¹³C) — устанавливает, какой протон связан с каким атомом углерода.
3. HMBC (¹H–¹³C) — позволяет «перепрыгнуть» через 2–4 связи, устанавливая структурные фрагменты и связность между удаленными группами, что критически важно для построения гетероциклического скелета.

Шаг 5. Выбор единственной структуры.

Все полученные данные (формула, функциональные группы, фрагменты, связность) сопоставляются, и выбирается единственно возможная молекулярная структура, которая полностью соответствует всем спектральным параметрам.

Заключение

ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье и спектроскопия ядерного магнитного резонанса являются мощными и, что самое главное, взаимодополняющими методами структурного анализа азотсодержащих гетероциклических соединений.

ИК-Фурье спектроскопия, благодаря высокой чувствительности и скорости, служит незаменимым инструментом для быстрой и точной идентификации функциональных групп, особенно валентных колебаний N–H и C=N, а также для выявления водородных связей.

Однако именно ЯМР-спектроскопия (¹H и ¹³C), усиленная современными FT-технологиями и двумерными корреляционными экспериментами, предоставляет количественные параметры — химические сдвиги ($\delta$) и константы спин-спинового взаимодействия ($J$). Эти параметры позволяют не только определить точное окружение каждого атома, но и решить сложнейшие задачи органической химии, такие как de novo установление молекулярного скелета, количественный анализ таутомерного равновесия и точная диагностика степени ароматичности.

Только комплексное применение этих спектральных методов, подкрепленное глубоким знанием их физико-химических основ и способностью к количественной интерпретации спектральных данных, позволяет современным химикам успешно решать задачи структурного анализа азотсодержащих гетероциклов, что является фундаментом для развития синтетической химии и фармакологии.

Список использованной литературы

1. Беккер Ю. Спектроскопия / Ю. Беккер; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой ; под ред. А. А. Пупышева, М. В. Поляковой. Москва: Техносфера, 2009. 527 с.
2. Вершинин В. И., Дерендяев Б. Г., Лебедев К. С. Компьютерная идентификация органических соединений. Москва: Академкнига, 2002. 196 с.
3. Володько Л. В., Комяк А. И., Умрейко Д. С. Ураниловые соединения. Спектры, строение. Минск: БГУ, 1981. 432 с.
4. Иоффе Б. В., Костиков Р. Р., Разин В. В. Физические методы определения строения органических соединений. Москва: Высшая школа, 1984. 336 с.
5. Казицына Л. А., Куплетская Н. Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. Москва: Высшая школа, 1971. 264 с.
6. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. Москва: Мир, 1991. 535 с.
7. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. Москва: Мир, 1982. 328 с.
8. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. Москва: Высшая школа, 1989. 288 с.
9. Азотистые гетероциклы и алкалоиды [Электронный ресурс]. URL: https://rushim.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
10. Геометрическое строение молекул и химическая связь в органических соединениях. URL: https://gause-inst.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
11. ИК спектры основных классов органических соединений. URL: https://msu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
12. Корреляция спектров ЯМР со строением молекул. Химические сдвиги протонов [Электронный ресурс]. URL: https://ugrasu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
13. Лекция 1. Спектральные методы определения структуры органических соединений. URL: https://msu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
14. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс- спектроскопии в органической химии. URL: https://tpu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
15. Расшифровка формулы органического соединения по данным элементного анализа, на основании ИК и ЯМР 1Н и 13С спектроскопии // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
16. Спектральные методы анализа органических соединений. URL: https://bsmi.uz/ (дата обращения: 30.10.2025).
17. Спектроскопия ЯМР в органической химии. Часть I. Общая теория ЯМР. Химические сдвиги 1Н и 13С [Электронный ресурс]. URL: https://kpfu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
18. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР и СТРОЕНИЕ ЗАМЕЩЕННЫХ АЗОЛОВ. URL: https://new-disser.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
19. Физико-химические методы исследования органических соединений. URL: https://onu.edu.ua/ (дата обращения: 30.10.2025).
20. Химия гетероциклических соединений: Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). URL: https://dyda.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).