Сегодня пятница, а значит, вечер отдыха научно-технической интеллигенции :). Поэтому сегодняшнюю статью я посвящаю анализу спирта и алкогольной продукции методом ЯМР.
Этиловый спирт, наверное, является одним из самых известных химических соединений. Его формулу узнают в средней школе и знают даже люди, далекие от химии.
Молекула, известная, как C2H5OH, на самом деле состоит из трех разных групп: СН3 (она называется метильной), СH2 (метиленовой) и ОН (гидроксильной). Как видно, атомы водорода в каждой из групп во-первых, эквивалентны, во вторых, находятся в разном окружении: В СН3-группе у них один сосед, атом углерода, с которым они связаны одной связью и еще соседняя группа, СН2. У последней, помимо "своего" атома углерода, еще два соседа: углерод и кислород. И, наконец, водород в ОН-группе присоединен непосредственно к кислороду, а также соседствует с метиленовой группой. Все эти атомы (и кислород, и два атома углерода) отличаются способностью притягивать на себя электроны, свои и соседние. Собственно, "палочки" на рисунке выше и есть химические связи, образованные парами электронов. Эта способность называется электроотрицательностью, и чем она выше, тем сильнее атом "тянет" электроны на себя.
Как видно на этой таблице, у кислорода она выше, чем у углерода и водорода. Это значит, что соседствующий с водородом кислород будет тянуть одеяло электронное "облако" на себя, обнажая водород. Что мы делаем, когда с нас стаскивают одеяло? начинаем дрожать от холода. Чем меньше нам достается тепла, тем сильнее мы дрожим. Так и у атомов водорода, чем больше они обнажены, тем выше резонансная частота. Таким образом, на спектре этилового спирта мы увидим отдельные пики гидроксильной метиленовой и метильной групп:
Каждый химик (а теперь и вы) знает, как выглядит спектр этого вещества. Это, можно сказать, "визитная карточка" этилового спирта.
Надо сказать, что именно он был одним из первых спектров ядерного магнитного резонанса, опубликованным в литературе:
Я думаю, что и на этом спектре вы сможете предположить, какие сигналы принадлежат ОН, СН2, СН3 группам. Выглядят они немного по другому в силу разных причин, прежде всего разной разрешающей способности одного из первых спектрометров и современного оборудования.
Шкала внизу в миллионных долях (parts per million, ppm) обозначает одну из важнейших измеряемых величин спектра ЯМР, так называемый "химический сдвиг". Чем больше атом водорода окружен своими электронами и электронами "соседей", тем более правое положение на спектре займет его сигнал и наоборот. В качестве нуля шкалы ученые договорились использовать молекулу тетраметилсилана - кремнийорганического соединения. В ней все атомы: водорода, углерода-13 и кремния-29 являются магнитно-активными и их химические сдвиги на спектрах равны нулю:
Надеюсь, что с этиловым спиртом понятно. Что еще в водке есть? 60% воды. Формулу воды знают точно все: Н2О. Два атома водорода присоединены к атому кислорода, а значит они будут "обнажены" и ожидаемое положение на шкале ЯМР воды где-то в том же месте, что и гидроксильной группы в спирте:
А вот ядовитый метиловый спирт, состоящий из одной СН3-группы и одной ОН-группы, на спектре будет выглядеть примерно так:
У него СН3-группа непосредственно прикреплена к ОН-группе, и в отличие от этилового спирта, атом кислорода также обнажает и атомы водорода этой метильной группы, что дает возможность наблюдать её при 3.3-3.6 миллионных долей, как на этом спектре.
А теперь рассмотрим спектр водки, той самой, что 40 процентов. Точнее, это самогон, который приготовил мой друг:
Видно те же самые сигналы, что и на спектре этилового спирта, но только на месте пика гидроксильной группы (ОН) еще и атомы водорода воды, поэтому его интенсивность существенно выше.
Но есть ли в этой водке, например, метиловый спирт? Если сигналы его ОН-группы совпадают с сигналами воды, тогда единственный "свидетель" - это СН3-группа Увеличим спектр в районе 3-4 миллионных долей:
На первый взгляд, нет сигнала метильной группы от метанола. Так ли это? может она прячется под сигналами СН2-группы этилового спирта?
Я приведу фрагмент спектра, где они подавлены:
Есть одиночный сигнал (синглет) в районе 3.2 м.д. но принадлежит ли он метиловому спирту?
Обратимся к таблице из научной публикации:
Как видно из табличных данных, метанол в алкоголе имеет химический сдвиг в районе 3.35-3.375 м.д., что в данном образце не наблюдается.
Кстати, допустимая концентрация метилового спирта в водке - до 100 миллиграммов на литр. Про количественные измерения, а также про анализ других алкогольных продуктов я расскажу позже.
Спасибо за внимание!
P.S.
Те, кто хочет углубиться в детали, могут посмотреть это видео (на английском):
