Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (Kernspinresonantie spectroscopie) 1
Toepassingen van NMR-spectroscopie Structuuropheldering van (vaak) organische verbindingen Identificatie van onbekende stoffen (meestal in combinatie met andere technieken) Ruimtelijke structuur Moleculaire beweging Beeldvorming (MRI in ziekenhuis) 2
Doel van dit college: Uitleggen hoe je NMR kan gebruiken voor het identificeren van organische verbindingen, zonder ons al te druk te maken over de details van de fysische en mathematische achtergronden. 3
NMR Spectroscopie Gebaseerd op de magnetische aktiviteit van kernen met een oneven aantal protonen en / of neutronen. Spectroscopie i.h.a. is gebaseerd op overgangen tussen (energetisch) verschillende toestanden. Deze overgangen kunnen plaatsvinden als er straling wordt aangeboden waarvan de energie overeenkomt met het energieverschil tussen de toestanden (resonantie). E 2 E 2 E E 1 Absorptie E 1 Emissie 4
Deze toestanden ontstaan bij NMR uit de de magnetische aktiviteit van kernen met een oneven aantal protonen en / of neutronen Zo n kern heeft een (magnetische) spin I. In de aanwezigheid van een extern magneetveld is er een verschil in energie tussen spin omhoog en spin omlaag. 5
Zeeman diagram Energie Spin omlaag, anti-parallel 0 E B 0 Magnetic field Spin omhoog, parallel E = h/2π B 0 γ 6
E = h/2π B 0 γ = hν Planck constante Magnetische veldsterkte Gyromagnetische verhouding De gyromagnetische verhouding is verschillend voor verschillende soorten kernen. Conclusie: in een magneetveld B 0 (veldsterkte in tesla), komt elke kern in resonantie bij zijn eigen frequentie. 7
Laten we een magneetveld van 7 tesla nemen: H F CH 3 C O P O CH 3 CH 3 13 C 31 P 19 F 1 H 0 100 200 300 ν (MHz) Straling zit in het radiogolfgebied Waar hoort zuurstof in dit plaatje? 8
Kernspin quantum getallen (I) en voorkomen Kern 1 H 2 H 12 C 13 C 14 N 16 O 19 F 29 Si 31 P I ½ 1 0 ½ 1 0 ½ ½ ½ Voorkomen (%) 99.985 0.015 98.892 1.108 99.63 99.963 100.0 4.70 100.0 9
NMR spectrometer, basaal 10
NMR spectrometer, uitgebreid. 11
MRI 12
Laten we naar 1 H kernen (protonen) kijken. We weten γ ( 26.75 10 7 T -1 s -1 ) Onze NMR magneet heeft een veldsterkte van 7 T. De resonantiefrequentie is ongeveer 300 MHz. Is deze frequentie gelijk voor alle H-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. 13
De resonantiefrequentie van een kern hangt af van B 0. Onthoud: ν = γ B 0 2 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 0 in. Het locale veld B LOC gevoeld door de kern is B 0 B EL Verschillen in electronische omgeving leiden tot verschillen in resonantiefrequentie 14
NMR spectrum δ: chemische verschuiving (chemical shift) absorption ν δ = sample ν ν TMS TMS δ (ppm) TMS: Si(CH 3 ) 4 δ = 0 ppm 15
De chemische verschuiving δ is onafhankelijk van B 0. Spectra opgenomen met verschillende magneten kunnen vergeleken worden! δ heeft kleine waarden en wordt daarom vermenigvuldigd met 10 6 en uitgedrukt in ppm (parts per million). 16
Waarom TMS (tetramethylsilaan)? Het is een referentie voor zowel H, C als Si. Door de elektronegativiteit van Si, zijn de δ waarden van 1 H en 13 C in TMS lager dan in bijna elke andere verbinding. Het geeft slechts één signaal voor elke kern. Het heeft een laag kookpunt (26 o C) en kan dus eenvoudig uit een monster verwijderd worden. 17
Signaal Schaal van 0.. 12 ppm voor 1 H Schaal van 0.. 220 ppm voor 13 C afscherming TMS signaal minder meer 10 5 0 δ (ppm) 18
1 H NMR chemical shifts 19
Invloeden op de chemical shift, een voorbeeld CH 3 Cl CH 3 Br CH 3 I Wat verwachten we? Halogenen trekken elektronen naar zich toe, waardoor de protonen minder afgeschermd zijn. Elektronegativiteit is het hoogst voor Cl, laagst voor I Protonen in CH 3 Cl zullen het minst afgeschermd zijn. Protonen van CH 3 Cl zullen de hoogste chemische shift hebben, die van CH 3 I hebben de laagste chemische shift. 20
CH 3 I bron: SDBS (www.aist.go.jp) 21
CH 3 Br bron: SDBS (www.aist.go.jp) 22
CH 3 Cl bron: SDBS (www.aist.go.jp) 23
Wat gebeurt er wanneer we Cl-atomen toevoegen? Meer Cl-atomen meer elektronegatieve substituenten Elektronen worden meer van de protonen weggetrokken. De chemische shift van de protonen zal groter worden met toenemend aantal Cl-atomen. 24
CH 3 Cl Chloormethaan bron: SDBS (www.aist.go.jp) 25
CH 2 Cl 2 Dichloormethaan bron: SDBS (www.aist.go.jp) 26
CHCl 3 Chloroform bron: SDBS (www.aist.go.jp) 27
ANDERE INVLOEDEN OP δ Hybridisatie (sp 3, sp 2, sp) Aromaticiteit H-brug vorming en nog andere faktoren 28
13 C NMR spectra 13 C-NMR is minder gevoelig dan 1 H-NMR. Slechts 1% van koolstof komt voor als 13 C in de natuur. Bovendien is koolstof minder gevoelig (γ). Langere metingen zijn nodig en grotere hoeveelheden monster worden gebruikt. In het spectrum staat elke lijn voor één soort koolstof in een molecuul. Chemisch equivalente koolstofatomen hebben dezelfde chemische shift. 29
CHEMISCHE VERSCHUIVINGEN X C X = Fl, Cl, Br, I R O C H R O C OH C C C C OCH 2 CH 2 CH 3 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 δ (ppm) 30
Intensiteit van de signalen In 13 C spectra kan de integraal (=oppervlakte) van de pieken ruwweg gebruikt worden om de relatieve aantallen van chemisch verschillende koolstoffen te bepalen. Eén uitzondering: koolstofatomen zonder waterstof eraan hebben minder intense signalen. 31
1-Hexeen bron: SDBS (www.aist.go.jp) 32
2-butanol bron: SDBS (www.aist.go.jp) 33
3-pentanon bron: SDBS (www.aist.go.jp) 34
Invloed van symmetrie: Dipropyl ether en ethyl propyl ether Hoeveel chemisch verschillende koolstofatomen in elk molecuul? 35
bron: SDBS (www.aist.go.jp) 36
bron: SDBS (www.aist.go.jp) 37
1 H-NMR Gevoeliger dan 13 C-NMR. Bijna alle waterstof komt voor als 1 H in de natuur. Een standaard spectrum is 16 scans, dat duurt 1 minuut. Spectra complexer dan 13 C-spectra, maar dat levert meer informatie op. Vaker gebruikt dan 13 C-NMR. 38
Chemische shift zit gewoonlijk tussen 0 en 12 ppm. 39
Integralen De oppervlakte onder de pieken in een 1 H-NMR spectrum kan worden gebruikt om de verhoudingen van protonen voor die signalen te bepalen (p. 137-139). Voorbeeld: ethanol CH 3 CH 2 OH 3 soorten H 3 signalen Intensiteit 3 : 2 : 1 Voorbeeld 2: butaan CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 2 soorten H 2 signalen Intensiteit 6 : 4 = 3 : 2 40
Azijnzuur CH 3 COOH bron: SDBS (www.aist.go.jp) 41
Wanneer een mengsel van stoffen wordt gemeten, zie je in het spectrum de som van de signalen van de individuele stoffen. Opgave 2 42
SPIN-SPIN KOPPELING Verschillende spins in elkaars nabijheid beinvloeden elkaar (door de bindingen) spin 2 spin 1 De aanwezigheid van spin 2 splitst het signaal van spin 1 in twee lijnen van gelijke intensiteit. Evenzeer wordt spin 2 opgesplitst door spin 1. Het energieverschil tussen de de lijnen wordt koppelingsconstante genoemd (in Hz). Effekt meestal (maar niet altijd) beperkt tot drie bindingen. 43 Protonen die elkaar opsplitsen hebben dezelfde koppelingsconstante.
KOPPELINGSPATRONEN 1 intensiteiten 1 1 1 2 1 aantal buren patroon 0 singulet 1 doublet 2 triplet 1 3 3 1 3 kwartet 1 4 6 4 1 4 kwintet X H C H C H CH 2 signaal: kwartet CH 3 signaal: 1.00 triplet H H 0.50 0.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 ppm (t1) Uit het koppelingspatroon kun je het aantal naburige H-atomen afleiden. 44 Identieke kernen splitsen elkaar niet op.
WAT VERTELT EEN 1 H NMR SPECTRUM JE? Aantal signalen: hoeveel verschillende typen H-atomen aanwezig? Chemische verschuiving: welke functionele groepen? Integraal: hoeveel H-atomen dragen bij aan een signaal? Koppelingspatroon (multipliciteit): hoeveel buren? 45
Signalen van het oplosmiddel Meestal worden gedeutereerde oplosmiddelen gebruikt. CDCl 3, C 6 D 6, aceton-d6, DMSO-d6, D 2 O Geen 1 H in het oplosmiddel, nou, bijna geen. In CDCl 3 is 0.1% CHCl 3 aanwezig. Signaal bij 7.26 ppm. Voor 13 C-NMR : dezelfde oplosmiddelen. CDCl 3 signalen: drie signalen (verhouding 1:1:1) bij 77 ppm. 46
Uitwisselbare protonen -COOH -OH -NH 2 Protonen die uitwisselen geven vaak brede pieken. De integraal wordt niet beïnvloed door deze verbreding. Koppeling van OH en NH 2 groepen met andere protonen wordt meestal niet waargenomen. De chemische verschuiving van dit soort protonen kan sterk varieren. 47
CH 3 CH 2 OH bron: SDBS (www.aist.go.jp) 48