Nuclear Magnetic Resonance

Transcriptie

1 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (Kernspin resonantie spectroscopie) Toepassingen van NMR spectroscopie Structuuropheldering van (vaak) organische verbindingen Identificatie van onbekende stoffen (meestal in combinatie met andere technieken) Beeldvorming (MRI in ziekenhuis) Studie van dynamica van moleculaire beweging voor BMW Mijn doel met deze cursus: Uitleggen hoe je NMR kan gebruiken voor het identificeren van organische verbindingen, zonder dat we ons druk maken over de details van de fysische en mathematische achtergronden. NMR-Spectroscopie Spectroscopie, dat betekent dat we energieniveaus hebben, en dat er een energieverschil ΔE is. et uitleggen van de theorie kost veel tijd E E Quantum mechanica is niet eenvoudig! ΔE Maar: als er iets is waar je meer van wilt weten, laat het even weten! E Absorptie E Emissie Waar komen deze energieniveaus vandaan? Zeeman diagram Van de kern! Energie Spin omlaag, anti-parallel ΔE B Magnetic field De kern heeft een spin I. Voor - en -atomen I = ½ ALLEEN in de aanwezigheid van een magneetveld is er een verschil in energie tussen spin omhoog en spin omlaag. Spin omhoog, parallel

2 OK, een paar formules: Resonantie betekent dat twee frequenties gelijk zijn: ΔE = h/π B γ ν = γ B π E = hν Planck constante Magnetische veldsterkte Gyromagnetic ratio onclusie: In een magneetveld B (veldsterkte in tesla), komt elke kern in resonantie in zijn eigen frequentie(-gebied). De gyromagnetic ratio is verschillend voor elke soort kern. Laten we een magneetveld van 7 tesla nemen: Kernspin quantum getallen (I) en voorkomen F Kern I Voorkomen (%) O P O ½ ½ P 9 F N 99.6 ν (Mz) 6 O 9 F 9 Si ½ ½ Waar hoort zuurstof in dit plaatje? P ½. NMR setup Of, versimpeld: Monster Magneet Magneet Zender Ontvanger

3 Laten we naar kernen (protonen) kijken. We weten γ ( T - s - ) Onze NMR magneet heeft een veldsterkte van 7 T. De resonantie frequentie is ongeveer Mz. DIT ZIJN RADIOGOLVEN Is deze frequentie gelijk voor alle -atomen in het molekuul? Gelukkig niet! De frequentie wordt beïnvloed door de chemische omgeving van de protonen, verschillende aangrenzende atomen/groepen zorgen voor verschillende resonantiefrequenties. De resonantie frequentie van een kern hangt af van B. Onthoud: ν = γ B π In een molekuul wordt de kern afgeschermd door een elektronenwolk. De elektronen bewegen in een magneetveld en genereren zelf een klein magneetveld B EL, in de richting tegen B in. et locale veld B LO gevoeld door de kern is B B EL Dus wat zetten we op de x-as van het spectrum? B EL B LO ν = γ π Frequentie B EL of B LO NEE! NEE! } Want beide veranderen met B B B LO De x-as toont de chemische shift δ. Meer elektronendichtheid meer afscherming B EL groter kleinere B LO lagere ν Minder elektronendichtheid minder afscherming B EL kleiner grotere B LO hogere ν δ kern = Onthoud: ν kern - ν referentie ν = ν γ B π De chemische shift δ is onafhankelijk van B. Spectra opgenomen met verschillende magneten kunnen vergeleken worden! δ heeft kleine waarden en wordt daarom vermenigvuldigd met 6 en uitgedrukt in ppm. et nulpunt van δ is gedefinieerd met een referentiestof. Voor, en 9 Si metingen is dit TMS. Waarom TMS? et is een referentie voor zowel, als Si. Door de elektronegativiteit van Si, zijn de δ waarde van en in TMS lager dan in bijna elke andere verbinding. et geeft slechts één signaal voor elke kern. et heeft een laag kookpunt (6 o ) en kan dus eenvoudig uit een monster verwijderd worden. TMS = Tetramethylsilaan

4 9 dia s en nog steeds geen spectra. Voorbeeld: Signaal Schaal van.. ppm voor l I Schaal van.. ppm voor afscherming TMS signaal minder meer δ (ppm) Wat verwachten we? Elektronegativiteit is het hoogst voor l, laagst voor I alogenen trekken elektronen naar zich toe, waardoor de protonen minder afgeschermd zijn. Protonen in l zullen het minst afgeschermd zijn. Protonen van l zullen de hoogste chemische shift hebben, die van I hebben de laagste chemische shift. I l Wat zou er gebeuren wanneer we meer l-atomen toevoegen? Meer l-atomen meer elektronegatieve substituenten Elektronen worden meer van de protonen weggetrokken. De chemische shift van de protonen zal groter worden met toenemend aantal l-atomen.

5 l hloormethaan l Dichloormethaan l hloroform spectra -NMR is minder gevoelig dan -NMR. Slechts % van koolstof komt voor als in de natuur. Deze zijn willekeurig verdeeld over de moleculen. Langere metingen zijn nodig en grotere hoeveelheden monster worden gebruikt. (6 scans = minuten). In het spectrum staat elke lijn voor één soort koolstof in een molecuul. hemisch equivalente koolstofatomen hebben dezelfde chemische shift. Intensiteit van de signalen In spectra kan de integraal (=oppervlakte) van de pieken gebruikt worden om de relatieve aantallen van chemisch verschillende koolstoffen te bepalen. Eén uitzondering: koolstofatomen zonder waterstof eraan hebben minder intense signalen.

6 -exeen -butanol -pentanon Zie de invloed van symmetrie: Dipropyl ether en ethyl propyl ether oeveel chemisch verschillende koolstofatomen in elk molecuul? 6

7 Terug naar -NMR. Gevoeliger dan -NMR. Bijna alle waterstof komt voor als in de natuur. Een standaard spectrum is 6 scans, dat duurt minuut. hemische shift zit gewoonlijk tussen en ppm. Integraal (=piek oppervlakte) is evenredig met het aantal protonen die het signaal veroorzaken. En er is meer.. Integralen De oppervlakte onder de pieken in een -NMR spectrum kan worden gebruikt om de verhoudingen van protonen voor die signalen te bepalen. Voorbeeld: Ethanol O soorten signalen Intensiteit : : Voorbeeld : Butaan soorten signalen Intensiteit 6 : = : Azijnzuur OO Wanneer een mengsel van stoffen wordt gemeten, zie je in het spectrum de som van de signalen van de individuele stoffen. Opgave Dus nu weten we alles over -NMR? et aantal chemisch verschillende -atomen is gelijk aan het aantal signalen in een -NMR spectrum. De oppervlakte van de signalen is in verhouding met de aantallen waterstofatomen. Elektronen zuigende groepen zorgen voor ontscherming, waardoor de chemische shift toeneemt. Er zijn tabellen voor karakteristieke δ-waarden. We gaan een spectrum voorspellen! 7

8 Voorspellen van het spectrum van - l Dit is wat we verwachten - l oeveel signalen? Bij welke δ-waarden? En we meten Wat is de verhouding van de integralen? ELP! Wat gebeurt er???? Interactie van spins! Daar moet even aan gerekend worden ΔN N tot = N -N N +N ΔE kt Boltzmann-verdeling!!! N = e -(ΔE/kT) N ΔE = h/π B γ E E ΔE Voor B =. T : ΔN/N = -6 Voor B = T : ΔN/N =. - Er is dus nauwelijks een populatieverschil! Maar, met millimol monster heb je nog altijd 6. - / = 6 moleculen om te meten. Wat moet er nog besproken worden: Waar komen ineens al die extra signalen vandaan? oe kunnen we ze gebruiken voor extra structuurinformatie? Signalen van het oplosmiddel Wat moet je doen met je eerste NMR spectrum tips and tricks ints Samenvatting tot nu toe: spectra -NMR is minder gevoelig dan -NMR. Slechts % van koolstof komt voor als in de natuur. Deze zijn willekeurig verdeeld over de moleculen. In het spectrum staat elke piek voor één soort koolstof in een molecuul. hemisch identieke koolstofatomen hebben de zelfde chemische shift. In spectra kan de integraal (=oppervlakte) van de pieken gebruikt worden om te bepalen wat de relatieve aantallen chemisch niet equivalente koolstofatomen zijn. Uitzondering: koolstofatomen zonder waterstof hebben minder intense signalen. 8

9 -NMR Protonen die buren zijn hebben interactie. et aantal chemisch verschillende -atomen is gelijk aan het aantal signalen in een -NMR spectrum. De oppervlakte van de signalen is in verhouding met de aantallen waterstofatomen. l Protonen en hebben verschillende resonantie frequenties. (verschillende δ) Elektronen zuigende groepen zorgen voor ontscherming, waardoor de chemische shift toeneemt. l Er zijn tabellen voor karakteristieke δ-waarden. Er is iets waardoor signalen in meer pieken splitsen. Wanneer in resonantie is, is dat niet. is in resonantie, niet. kan twee oriëntaties hebben ten opzichte van is in resonantie, niet. kan twee oriëntaties hebben ten opzichte van et resultaat is: twee verschillende energieën en dus twee (een beetje) verschillende δ-waarden. De kansen voor omhoog of omlaag zijn even groot, dus de signalen hebben dezelfde intensiteit. et resultaat is: twee verschillende energieën en dus twee (een beetje) verschillende δ-waarden. De kansen voor omhoog of omlaag zijn even groot, dus de signalen hebben dezelfde intensiteit. Wordt in twee pieken gesplitst door In twee pieken door De interactie tussen en is (uiteraard) gelijk aan de interactie tussen en. De opsplitsing ( koppeling ) J wordt uitgedrukt in z, en kan in het spectrum gemeten worden.. l J J l 9

10 l l l l l l Deze zogenaamde koppeling over drie bindingen is de belangrijkste koppeling. Koppeling over MEER dan drie bindingen is zeldzaam. Voor nu: alleen koppeling over drie bindingen. oe zou het spectrum van deze stof eruit zien? REGEL: Equivalente protonen koppelen NIET! et spectrum is een enkele piek. l l l is in resonantie, niet. kan twee oriëntaties hebben ten opzichte van en l is in resonantie, en niet. en kunnen vier oriëntaties hebben t.o.v. Twee pieken voor Vier pieken voor Drie! J J l l Zelfde energie Drie pieken, : : Integraal:

11 N + regel BUren Intensiteiten Multiplet et signaal van een proton met N buren (over drie bindingen) splitst in N + pieken. Equivalente protonen splitsen elkaar niet op. (Ze koppelen niet) De lijnen van een signaal samen heet een multiplet De intensiteiten van deze lijnen gaan volgens de driehoek van Pascal l 6... sing(u)let doublet triplet quartet quintet... Signalen van het oplosmiddel ede pieken Meestal worden gedeutereerde oplosmiddelen gebruikt. Dl, 6 D 6, aceton-d6, DMSO-d6, D O Geen in het oplosmiddel, nou, bijna geen. In Dl is.% l aanwezig. Signaal bij 7.6 ppm. Voor -NMR : dezelfde oplosmiddelen. Dl signalen: een triplet :: bij 77 ppm. Protonen die uitwisselen geven brede pieken. -OO -O -N De integral is niet veranderd door deze verbreding. Koppeling van O en N groepen met andere protonen wordt meestal niet waargenomen. O