مفاهیم اصلی

در این آموزش با NMR یا تشدید مغناطیسی هسته ای آشنا خواهید شد. شما خواهید آموخت که طیف سنجی NMR چگونه کار می کند و شیمیدانان چگونه از این روش برای تجزیه و تحلیل ترکیبات در شیمی آلی استفاده می کنند!

موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر
NMR چیست؟

NMR تکنیکی برای تجزیه و تحلیل ساختار و شناسایی ترکیبات است که اغلب با شیمی آلی مرتبط است. اگر در حال انجام آزمایش هستید، می توانید از NMR برای اطمینان از داشتن محصول صحیح، شناسایی محصولات ناشناخته یا آزمایش خلوص استفاده کنید. شیمیدان‌های آلی معمولاً از این تکنیک برای آنالیز مولکول‌های آلی کوچک استفاده می‌کنند، در حالی که بیوشیمی‌دانان از این روش برای شناسایی پروتئین پیچیده استفاده می‌کنند.

چگونه کار می کند؟

ترکیب ابزار NMR شامل 3 قسمت مختلف است. اول، یک آهنربای ابررسانا وجود دارد که یک میدان مغناطیسی خارجی در اطراف نمونه ایجاد می کند. دوم، یک طیف سنج امواج رادیویی را ارسال و دریافت می کند. در آخر، یک کامپیوتر ابزار را کنترل می کند و پردازش داده ها را انجام می دهد.

به طور کلی، NMR طیفی را از خواص مغناطیسی هسته‌های اتمی استخراج می‌کند تا هسته‌های اتمی را تجزیه و تحلیل و متمایز کند. نمونه ای از 2 تا 50 میلی گرم از یک محصول حل شده در یک حلال در میدان مغناطیسی دستگاه قرار می گیرد که هسته های فعال را تراز می کند. انتقال انرژی از حالت زمین به حالت برانگیخته مربوط به فرکانس های رادیویی است و هنگامی که یک هسته به حالت زمین (کم انرژی) باز می گردد، تابش با همان فرکانس ساطع می کند. میدان مغناطیسی درون مولکولی، مخصوص هر مولکول، می‌تواند به دادن اطلاعات در مورد ساختار و گروه‌های عملکردی داخل نمونه کمک کند.

سیگنال هایی که NMR را می خوانند پیک شیفت شیمیایی نامیده می شوند. هرچه یک هسته الکترونگاتیو بیشتر باشد، فرکانس تشدید بالاتر است. علاوه بر این، فرکانس تشدید پرش انرژی به محیط شیمیایی هر هسته فعال بستگی دارد. هر هسته فعال به عنوان یک قله در میدان طیف NMR دیده می شود. مکان هر قله به عوامل متعددی مانند دما، ساختارهای اطراف و غیره بستگی دارد. با این حال، مهمترین آنها الکترونگاتیوی/الکتروپوزیتیویته است. هنگامی که یک هسته الکترونگاتیو است (اکثر الکترون ها خارج می شوند)، شیفت شیمیایی کمتری خواهد داشت. از سوی دیگر، هنگامی که یک هسته الکترومثبت باشد (اکثر الکترون های اهداکننده)، شیفت شیمیایی بیشتری خواهد داشت.

فیزیک NMR

مفهوم فیزیکی اساسی پشت NMR میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط چرخش یک هسته است. هر هسته یک عدد کوانتومی I دارد، مشابه عدد کوانتومی تکانه زاویه ای یک الکترون. عدد I می تواند یک عدد صحیح غیر منفی یا نیم صحیح باشد (0، 1/2، 1، 3/2، . . . . ). اگر غیر صفر باشد، یک گشتاور مغناطیسی و عدد کوانتومی مغناطیسی متناظر mI ایجاد می کند که مقادیر I, I – 1, . . . -من. از طریق این گشتاور مغناطیسی، میدان های مغناطیسی خارجی و امواج رادیویی می توانند با هسته ها تعامل داشته باشند.

سمت چپ: حالت‌های اسپین آلفا و بتا و تقدم لارمور در میدان مغناطیسی خارجی B. وسط: تفاوت انرژی بین حالت‌های آلفا و بتا ایجاد شده توسط میدان خارجی. راست: آزمایش NMR اساسی در یک نمودار شماتیک و یک نمودار زمان بندی مربوطه.

در میدان مغناطیسی B ابزار NMR، گشتاور مغناطیسی یک هسته با یا در مقابل میدان همسو می‌شود که به ترتیب حالت‌های آلفا و بتا (سمت چپ) نامیده می‌شوند. گشتاور مغناطیسی (فلش در شکل) حول جهت میدان B، در فرکانس مشخص، فرکانس لارمور، می چرخد ​​یا “پیش می رود”. تعامل با میدان B باعث می شود که حالت آلفا از نظر انرژی کمتر و حالت بتا انرژی بیشتری داشته باشد. در نتیجه، اکثریت جزئی قبل از شروع آزمایش در حالت آلفا هستند.

نبض و اکتساب

در ابتدایی ترین آزمایش NMR، یک پالس تابش فرکانس رادیویی باند وسیع (RF) به سمت نمونه هدایت می شود. این به عنوان مستطیل سیاه در نمودار سمت راست نشان داده شده است (نمودارهایی مانند این “توالی پالس” را نشان می دهند که برای آزمایش های تخصصی می تواند بسیار پیچیده باشد). فوتون هایی با فرکانس لارمور دقیق هسته ها می توانند جذب شوند و بسیاری از هسته ها را از آلفا به بتا برگردانند. پس از پالس، هسته‌ها به حالت آلفای کم‌انرژی باز می‌گردند و تابش RF در این فرآیند آزاد می‌شود.

مجموعه این تشعشعات ساطع شده، جذب واپاشی القایی آزاد (FID) نامیده می شود، زیرا شدت سیگنال به صفر می رسد. مثال نشان داده شده مربوط به یک هسته است و اکثر منحنی های FID بسیار آشفته تر هستند. تبدیل فوریه (مفهوم پردازش سیگنال) لازم است تا سیگنال را به فرکانس‌های جداگانه تجزیه کند و طیف‌های منسجمی برای تفسیر تولید کند.

حلال ها

هنگام ایجاد یک نمونه برای NMR، می خواهید آن را در یک حلال حل کنید تا نتیجه وضوح خوبی داشته باشید. اگر نمونه باید به عنوان یک جامد تجزیه و تحلیل شود، به ماشین دیگری نیاز دارد، یک ماشین ریسندگی با زاویه جادویی. حلال باید دوتره شود یعنی به جای هیدروژن ها باید دوتریوم داشته باشد. این به این دلیل است که سایر حلال‌های حاوی هیدروکربن‌ها می‌توانند هسته‌های فعالی داشته باشند که سپس در طیف‌ها نشان داده می‌شوند. با استفاده از این حلال ها

s، جابجایی های شیمیایی ممکن است کمی تغییر کنند، اما عدد پیک طیف فقط مولکولی را که شما در حال تجزیه و تحلیل هستید نشان می دهد. رایج ترین حلال دوتروکلوروفرم، CDCl3 است، اگرچه گزینه های زیادی مانند DMSO و تولوئن و بنزن دوتره شده وجود دارد.

انواع طیف سنجی NMR

دو نوع متداول طیف‌سنجی NMR پروتون (1H) و کربن (13C) هستند. با این حال، می توان آن را برای هر نمونه ای که شامل هسته های دارای اسپین است، اعمال کرد.

1H NMR

1H (که پروتون نیز نامیده می شود) طیف سنجی NMR مخصوص هیدروژن های معمولی یا پروتون ها است. این بیشتر در آزمایشگاه استفاده می شود. 1H NMR می تواند اطلاعاتی در مورد چندین موضوع به شما بدهد:

مقدار هیدروژن های منحصر به فرد در ترکیب
نسبت هیدروژن های منحصر به فرد
محیط شیمیایی هر هیدروژن
هیدروژن های اطراف
13C NMR

طیف‌سنجی NMR C-13 مختص آنالیز کربن‌های موجود در یک مولکول است. این کمتر از H-1 است، اما هنوز به طور منظم در آزمایشگاه های شیمی آلی استفاده می شود. C-13 NMR می تواند اطلاعات زیر را ارائه دهد:

تعداد کربن های منحصر به فرد در ترکیب
محیط شیمیایی ترکیب
سایر هسته های NMR

علاوه بر 13C و 1H، آرایه ای از هسته های دیگر (یا نوکلیدها) وجود دارند که NMR فعال هستند. برای اینکه یک نوکلید NMR فعال باشد، باید عدد کوانتومی تکانه زاویه ای غیر صفر (I) داشته باشد. برای مفید بودن، باید دارای فراوانی طبیعی به اندازه کافی باشد که مقداری از نوکلید مورد نیاز در نمونه حاوی عنصر موجود باشد. اگر فراوانی کم باشد، تکنیک حساسیت کمتری دارد (به عنوان مثال، 13C NMR بسیار کمتر از 1H حساس است، زیرا فراوانی ایزوتوپ 13C تنها حدود 1٪ است، در حالی که فراوانی 1H نزدیک به 100٪ است).

هسته های دیگری که معمولاً برای NMR استفاده می شوند 15N، 19F، 31P و 57Fe هستند که دارای عدد کوانتومی تکانه زاویه ای معمولی I = 1/2 هستند. علاوه بر این موارد، تعدادی با اعداد کوانتومی بالاتر وجود دارند، مانند:

2H (دوتریوم)، 14N و 6Li با I = 1
11B، 23Na و 39K با I = 3/2
17O و 25Mg با I = 5/2

سایرین مانند 12C و 16O، اگرچه ممکن است فراوانی طبیعی بالایی داشته باشند، I = 0 دارند و بنابراین با استفاده از NMR قابل شناسایی نیستند.

NMR چند بعدی

NMR چند بعدی یک اصطلاح عمومی برای تکنیک‌های مختلف NMR است که در آن طیف‌ها به جای محور معمول بر روی دو یا چند محور تفکیک می‌شوند و اطلاعات ساختاری بیشتری را ارائه می‌دهند. این تکنیک ها به ویژه برای تجزیه و تحلیل مولکول های پیچیده مانند پروتئین ها و دیگر مولکول های زیستی بزرگ مهم هستند. بیشتر اطلاعات ساختاری از طیف NMR یک بعدی این ترکیبات قابل دستیابی نیست.

NMR حالت جامد

این تکنیک را می توان روی جامدات نیز انجام داد. با این حال، همانطور که قبلا ذکر شد، برخی ملاحظات خاص هنگام انجام NMR روی نمونه جامد ضروری است.

نحوه خواندن NMR

موارد زیادی وجود دارد که باید هنگام خواندن 13C یا 1H NMR به دنبال آنها باشید. بیایید آنها را در زیر برای 1H-NMR مرور کنیم:

تعداد قله ها

تعداد پیک ها مطابق با تعداد هیدروژن های منحصر به فرد موجود در مولکول است. اگر 4 قله وجود داشته باشد، 4 پروتون منحصر به فرد وجود دارد. به یاد داشته باشید که تعداد پیک ها می تواند اما همیشه نشان دهنده تعداد کل هیدروژن های موجود در مولکول نیست.

علاوه بر این، باید در نظر داشته باشیم که ممکن است پیک های اضافی وجود داشته باشد که با مولکول مورد تجزیه و تحلیل مطابقت نداشته باشد. این می تواند به دلایل مختلفی مانند آلودگی، ناخالصی ها، معرف های باقی مانده از واکنش یا به سادگی حلال باشد. هنگام استفاده از نرم افزارهای تحلیلی، مانند MestreNova، شناسایی و برچسب گذاری این پیک ها اغلب آسان است. معمولاً آنها به اندازه قله هایی که شما در حال تجزیه و تحلیل هستید، بزرگ یا بلند نیستند. علاوه بر این، محل پیک ها مخصوص حلال است، اما می توانید جداول مانند این را بررسی کنید تا ببینید چه ناخالصی هایی ممکن است داشته باشید.

پیک شیفت

محور X در یک طیف NMR نشان دهنده تغییر شیمیایی ppm (یک واحد فرکانس مستقل از شدت میدان دستگاه) است. با حرکت از چپ به راست، تغییر ppm کاهش می یابد. مقادیر بالاتر به عنوان downfield (چپ) و مقادیر پایین تر به عنوان upfield (راست) نامیده می شوند.

همانطور که در بالا گفته شد، عامل اصلی تعیین کننده محل یک شیفت پیک، الکترونگاتیوی یک هسته است. اما چگونه بدانیم کجا به دنبال آنها باشیم؟

تغییر به چپ یا راست در طیف می تواند اطلاعاتی را در مورد محیط شیمیایی نشان دهد. به عنوان راهنمای اولیه، پروتون‌هایی که بخشی از ساختارهای خاص هستند، مانند گروه‌های عاملی، در اطراف جایی که معمولاً دیده می‌شوند، جابجا می‌شوند. در زیر جدولی وجود دارد که می توانید هنگام تجزیه و تحلیل 1H NMR از آن استفاده کنید:

تصویر از کتاب درسی شیمی آلی بروکس کول

به خاطر داشته باشید که محیط‌های شیمیایی مختلف باعث می‌شوند که پیک‌ها به یک سمت یا آن طرف تغییر کنند. به عنوان مثال، اگر چگالی الکترون احاطه کننده یک پروتون زیاد باشد، “محافظت” وجود دارد، بنابراین میدان مغناطیسی خالص موجود در هسته کمتر است. محافظت بیشتر منجر به تشدید در فرکانس‌های پایین‌تر می‌شود، بنابراین شیفت به سمت راست خواهد بود. از سوی دیگر، اگر چگالی الکترونی احاطه کننده یک پروتون کم باشد، هسته «پوسته» می شود، بنابراین میدان مغناطیسی خارجی را بیشتر احساس می کند. بزرگتر

محافظ زدایی منجر به تشدید در فرکانس بالاتر می شود، بنابراین جابجایی به سمت چپ خواهد بود.

ادغام اوج

یکپارچه سازی فرآیندی است (به صورت خودکار در ابزارهای NMR مدرن) که مساحت زیر هر پیک NMR را محاسبه می کند تا نشان دهد پیک چند اتم را نشان می دهد. کلمه ادغام از تکنیک حساب دیفرانسیل و انتگرال برای یافتن ناحیه زیر منحنی گرفته شده است. ادغام پیک به طور مستقیم تعداد اتم ها را ارائه نمی دهد، اما اعداد نسبی را به دست می دهد.

بیایید در 1H NMR مثالی بزنیم. اگر قله A دارای انتگرال 0.5 و قله B دارای انتگرال 3 باشد، نسبت پروتون های B به A 6:1 است. در مسائل شیمی آلی، اطلاعات یکپارچه سازی اغلب با فرمول مولکولی ترکیب ترکیب می شود، به طوری که می توان تعداد دقیق اتم های نشان داده شده توسط هر پیک را تعیین کرد.

یک طیف تقریبی 1H از یک مولکول ساده (اتیل کلرید) که یکپارچگی و مساحت نسبی را نشان می دهد. در این مورد، تکالیف پیک (به رنگ آبی) را می توان تنها از ادغام انجام داد.

در MestreNova و سایر نرم‌افزارهای تحلیل طیف‌سنجی NMR، می‌توانید پیک پیک را انتخاب کنید یا با ابزاری آن را برجسته کنید تا ناحیه زیر قله را پیدا کنید تا مقایسه بین پیک‌ها را بیشتر ببینید. سپس باید به کوچکترین پیک قابل توجه نرمال کنید و به یک عدد کامل گرد کنید تا تعداد هیدروژن های نمایش داده شده توسط هر پیک را بدست آورید.

در موارد نادر، ارتفاع قله می تواند نشان دهنده نسبت نسبی هیدروژن در هر قله باشد. اگر دو قله وجود داشته باشد و یکی دو برابر بلندتر باشد، به احتمال زیاد به این معنی است که قله بلندتر دو برابر بیشتر از قله دیگر هیدروژن منحصر به فرد دارد. با این حال، این در اکثر موارد قابل اعتماد نیست و ادغام اوج اندازه گیری بسیار دقیق تری است.

الگوی تقسیم

روش‌های مختلفی وجود دارد که هر پیک می‌تواند بر اساس ساختار مولکولی که شما تجزیه و تحلیل می‌کنید تقسیم شود. اگر چندین هیدروژن در زیر یک پیک هیدروژن منحصر به فرد وجود داشته باشد، همه آنها می توانند محیط های شیمیایی یکسان یا کمی متفاوت داشته باشند. به عنوان مثال، این می تواند به دلیل استریوشیمی هیدروژن ها در همان کربن متفاوت باشد. اگر یکی روی خط تیره و دیگری روی گوه باشد، در یک مکان هستند، اما اتم هایی که آنها «می بینند» و با آنها برهمکنش می کنند به دلیل جهت گیری می توانند متفاوت باشند. به همین دلیل، اوج نشان‌دهنده این هیدروژن‌ها را می‌توان به الگوهای مختلف تقسیم کرد.

در اینجا الگوهای تقسیم متفاوتی وجود دارد که در سرتاسر قله ها قابل مشاهده هستند:

تفسیر الگوی تقسیم

به طور کلی، تعداد پیک‌ها با “n+1” مطابقت دارد، که در آن n تعداد هیدروژن‌هایی است که در 3 پیوند از یکدیگر قرار دارند، معمولاً فقط روی کربن (های) مجاور، در محیط شیمیایی یکسان. بنابراین اگر فقط یک هیدروژن بر روی کربن وجود داشته باشد، آن معادل 0+1 = 1، یک تکی خواهد بود! اگر یک هیدروژن منحصر به فرد وجود داشته باشد و روی کربن کناری، 2 هیدروژن متصل باشد، آنگاه آن هیدروژن منحصر به فرد 2+1=3 است، یک سه گانه!

هنگامی که چندین کربن مجاور وجود دارد، باید محیط شیمیایی را در نظر بگیرید. فرض کنید یک زنجیره 3 کربنی کاملاً متقارن دارید و می خواهید اوج شکافتن هیدروژن کربن میانی را تجزیه و تحلیل کنید. روی کربن اول و سوم 3 هیدروژن روی هر کدام وجود دارد. این مربوط به 6+1=7، یک سپتت است.

با این حال، اگر آنها در یک محیط شیمیایی نباشند، همه آنها به عنوان یک گروه به حساب نمی آیند. هنگامی که این اتفاق می افتد، شما از یک قانون الگوی مشابه پیروی می کنید: (n+1) (m+1). به عنوان مثال، بیایید در مورد یک زنجیره نامتقارن 3 کربنی فکر کنیم. اگر روی کربن اول 1 هیدروژن و 2 برم و روی هیدروژن سوم 2 هیدروژن و یک کلر وجود داشته باشد، این دو دسته هیدروژن در یک محیط شیمیایی نیستند. به همین دلیل، ما یک (1+1)(2+1)= (2)(3)= 6، یک دوتایی از سه یا یک سه گانه دوتایی داریم!

نحوه استفاده از طیف NMR در تجزیه و تحلیل (مثال 1H NMR)

ما در مورد چگونگی استفاده از NMR برای شناسایی ترکیبات شناخته شده یا ناشناخته یا آزمایش خالص سازی یک محصول صحبت کردیم. اکنون که جزئیات NMR را می دانیم، بیایید اتصالات خاص تری ایجاد کنیم.

در زیر نمونه ای از طیف NMR آورده شده است. این طیفی از واکنش Biginelli است که با استفاده از متیل استواستات و 3،4،5-trimethyoxybenzaldehyde برای ایجاد 3،4،-dihydropyrimidinone توسط یکی از داوطلبان Chemtalk در آزمایشگاه شیمی آلی انجام شده است.

1. از طیف ها برای عملکرد معکوس استفاده کنید

یکی از راه‌های استفاده از طیف‌سنجی NMR، آنالیز پیک‌ها برای یافتن ساختار محصول واکنش است. پس از تجزیه و تحلیل طیف ها (در اینجا با استفاده از MestreNova) شما اطلاعاتی در مورد قله ها، جابجایی آنها، پروتون های هر قله دارید و حتی می توانید الگوهای شکاف را شناسایی کنید. بر این اساس، می توانید استنباط کنید که کدام گروه های عاملی وجود دارند و مکان های نسبی پروتون ها. این نیاز به تمرین دارد، اما شما می توانید مولکول های زیادی را به سادگی از یک طیف کنار هم قرار دهید.

2. اتصال طیف به واکنش

اگر محصول واکنشی دارید که ساخته اید، می توانید از ساختار مولکول برای تعیین پیک ها استفاده کنید. الگوهای تغییر شیمیایی، ادغام و تقسیم همگی اطلاعات مفیدی را برای تخصیص پیک فراهم می کنند.

3. آزمایش خلوص

اگر محصولی را که در حال تلاش برای آن هستید می شناسید، همراه با ساختار آن، می توانید ایده 2 (بالا) را بگیرید و خلوص طرح واکنش خود را تجزیه و تحلیل کنید. اگر پیک‌های بیشتری نسبت به هیدروژن‌های منحصربه‌فرد وجود داشته باشد، باز هم ممکن است معرف‌ها یا حتی نوعی آلودگی وجود داشته باشند.

یادداشتی در مورد قدرت میدان و فرکانس ابزارهای NMR

قدرت میدان مغناطیسی کارایی ابزارها را محدود می کند، زیرا این متغیر وضوح طیف را تعیین می کند. دانشمندان اغلب به ابزارها با فرکانس مربوط به قدرت میدان مغناطیسی آنها اشاره می کنند. ابزارهای اولیه قادر به فرکانس 100 مگاهرتز (مگا هرتز) بودند، در حالی که ابزارهای فعلی به طور کلی از حدود 300 مگاهرتز تا 800 مگاهرتز (در قدرت میدان 7-19 تسلا) متغیر هستند. بالاترین قدرت میدانی که تا به امروز ساخته شده است در فرکانس 1.2 گیگاهرتز یا تقریباً 28 تسلا کار می کند.

طیف سنجی NMR – مطالعه بیشتر