Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR. Πέτρος Α. Ταραντίλης 1

Transcript

1 Πέτρος Α. Ταραντίλης 1

2 1.Υλικό - είγματα: Συλλογή, Συντήρηση 2. Παραλαβή Συστατικών: Εκχύλιση ή Απόσταξη 3. ιαχωρισμός & Απομόνωση Συστατικών: Χρωματογραφικές Τεχνικές i. Αέρια Χρωματογραφία (Gas Chromatography, GC) ii. Υγρή Χρωματογραφία (Liquid Chromatography, LC) 4. Ταυτοποίηση: Φασματοσκοπικές Τεχνικές i. Υπεριώδους - Ορατού (Ultraviolet-Visible, UV-Vis) ii. Υπερύθρου (Infra-Red, IR) iii. Φασματοσκοπία Raman iv. Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) v. Κρυσταλλογραφία με Ακτίνες Χ (Χ-Rays) vi. Φασματομετρία Μαζών (Mass Spectrometry, MS) 2

3 Πορεία της παρουσίασης 1. Βασικές αρχές 2. Οργανολογία 3. Λήψη φάσματος 4. Χαρακτηριστικοί παράμετροι η χημική μετατόπιση δ (Chemical shift) και το φαινόμενο της spin-spin σύζευξης (spin-spin coupling) 5. Εφαρμογές του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Ταυτοποίηση - Προσδιορισμός δομής ενώσεων. Ποιοτική - Ποσοτική Ανάλυση. Ιατρική διάγνωση. 3

4 Βασικές αρχές Που βασίζεται; Στη μέτρηση η της απορρόφησης ης της ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων, από 4 έως 900 ΜΗz 4

5 Βασικές αρχές Που βασίζεται; Στη μέτρηση της απορρόφησης της ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequencies, RF), από 4 έως 900 ΜΗz. Η ακτινοβολία απορροφιέται από τους πυρήνες των ατόμων, των μορίων. Ατομικοί πυρήνες: Aυτoστροφορμή (spin) Μαγνητική ροπή Η απορρόφηση της ακτινοβολίας επηρεάζεται από το μοριακό περιβάλλον των πυρήνων. ιαχωρισμός των ενεργειακών τους επιπέδων με έκθεση τους σε μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο μπορεί να συσχετισθεί με τη μοριακή δομή. 5

6 Βασικές αρχές O πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός είναι ένα φαινόµενο που συµβαίνει όταν πυρήνες ορισµένων ατόµων τοποθετούνται εντός ενός οµογενούς, στατικού µαγνητικού πεδίου και διεγείρονται από ένα δεύτερο ταλαντευόµενο µαγνητικό πεδίο. Οι περισσότεροι πυρήνες εµφανίζουν το φαινόµενο NMR, άλλοι, οι λιγότεροι, όχι. Αυτό εξαρτάται από το εάν οι πυρήνες έχουν μαγνητικές ιδιότητες, όπως αυτές αντανακλώνται στην ιδιότητα του spin (σπιν). Όπως σε άλλους φασµατοσκοπικούς κλάδους, έτσι και στη φασµατοσκοπία NMR µελετάται η αλληλεπίδραση της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας µε την ύλη. 6

7 Βασικές αρχές Η φασματοσκοπία ΝΜR, είναι μια μορφή φασματοσκοπίας απορρόφησης όπου κάτω από κατάλληλες συνθήκες το δί δείγμα απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σεπεριοχή συχνοτήτων χαρακτηριστική του παρατηρούμενου πυρήνα. Βασίζεται σε διεγέρσεις μαγνητικών πυρήνων, οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε ισχυρό ομογενές μαγνητικό πεδίο. Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που προκαλεί αυτές τις διεγέρσεις, γρ βρίσκεται στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. 7

8 Βασικές αρχές Τι είναι σπιν; Είναι µια θεµελιώδης ιδιότητα της ύλης, όπως η µάζα ή το ηλεκτρικό φορτίο και αναφέρεται στην αυτοπεριστροφή γύρω από ένα φανταστικό άξονα υποατοµικών, µεµονωµένων σωµατιδίων (ηλεκτρονίων,πρωτονίων, νετρονίων), τα οποία χαρακτηρίζονται από µαγνητικό κβαντικό αριθµό + 1/2 ή 1/2. Λόγω της περιστροφής το σωµατίδιο εµφανίζει ιδιοστροφορµή παρίσταται µε το άνυσµα P. ή σπιν, η οποία Πυρηνικό σπιν πρωτονίου Ο πυρήνας του ατόµου του υδρογόνου έχει ένα πρωτόνιο, το οποίο εκδηλώνει την ιδιότητα του σπιν. Η ύπαρξη του σπιν συνεπάγεται εγγενή πυρηνική µαγνητική ροπή. ηλαδή το πρωτόνιο συµπεριφέρεται ως ένα µαγνητικό δίπολο ή ως ένας µικροσκοπικός µαγνήτης. Το άνυσµα της µαγνητικής ροπής, µ, είναι συγγραµµικό µε το άνυσµα της ιδιοστροφορµής, P, ενώ η φορά του εξαρτάται από τον γυροµαγνητικό λόγο, γ. 8

9 Βασικές αρχές Οι πυρήνες των ατόμων επειδή έχουν φορτίο και αυτοπεριστρέφονται γύρω από τον άξονα τους, χαρακτηρίζονται από : α) τη δημιουργία μαγνητικού δίπολου, με μαγνητική ροπή μ, κατά μήκος του άξονα τους μ=γp, και β) τη γωνιακή στροφορμή του πυρήνα που περιστρέφεται, χαρακτηριζόμενη από ένα κβαντικό αριθμό στροφορμής (spin) I, που παίρνει τιμές 0, 1/2, 2/2, 3/2 5/2 κλπ σε μονάδες h/2p, ανάλογα με το είδος του πυρήνα. 9

10 Βασικές αρχές H απορρόφηση της ηλεκτρομαγνγητικής ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων από πυρήνες παρατηρείται όταν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι ίδια με τη συχνότητα περιστροφής της μαγνητικής ροπής των πυρήνων. 10

11 Βασικές αρχές Τότε έχουμε το φαινόμενο του συντονισμού δηλαδή της απορρόφησης ενέργειας και μετάπτωση των πυρήνων από τη βασική στη διεγερμένη κατάσταση. Ε =( γh/2π) Β 0 = hv 0 και V 0 = (γ/2π) B 0 Η Ε και η v 0 εξαρτώνται από: 1. το πεδίο B 0. και 2. τη φύση του πυρήνα (γ). Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων π.χ. για το 1 Η είναι Β 0 =1,4Τ, 14Τ ν 0 = 60 MHz και λ=5m5 11

12 Βασικές αρχές ίνουν όλοι οι πυρήνες φάσματα NMR; Πυρήνες με αυτοστροφορμή (Ι 0) δίνουν φάσματα NMR. Αυτοί είναι πυρήνες που έχουν είτε μαζικό ή ατομικό αριθμό περιττό. 1 (n=13579)και 1 Η, 13 6C, 19 9F, 31 15P, 11 5B που έχουν Ι=n(1/2) (n=1,3,5,7,9) 2 1Η, Η 14 7 N που έχουν Ι=ακέραιους αριθμούς. Πυρήνες που στερούνται αυτοστροφορμής (Ι=0) δε δίνουν φάσματα NMR. Αυτοί είναι πυρήνες με άρτιο μαζικό και άρτιο ατομικό αριθμό C, 16 8O και 32 16S. Η ταυτοποίηση η μελετούμενων μ μορίων συνήθως γίνεται με τη χρήση φασμάτων NMR πρωτονίου ( 1 Η) και άνθρακα 13 ( 13 C). 12

13 Οργανολογία H λήψη του φάσματος μπορεί να γίνει είτε με σάρωση (αλλαγή) της ραδιοσυχνότητας, με σταθερή ένταση (Βο) πεδίου, (σάρωση συχνότητας) είτε με σάρωση (αλλαγή) της εντάσεως του μαγνητικού πεδίου με σταθερή ραδιοσυχνότητα (μέθοδος συνεχόμενου κύματος ή σάρωση πεδίου). Ο δεύτερος τρόπος είναι αυτός που συνήθως εφαρμόζεται σήμερα. Το φασματόμετρο ΝΜR σαρώσεως πεδίου αποτελείται από : α) Ένα μαγνήτη β) Μία γεννήτρια σαρώσεως πεδίου γ) Ένα πομπό (ταλαντωτή) ραδιοσυχνοτήτων δ) Ένα δέκτη ραδιοσυχνοτήτων ε) Ένα σύστημα ενισχύσεως μετρήσεως και ολοκληρώσεως στ) Ένα υποδοχέα δείγματος. 13

14 Οργανολογία 1953 το πρώτο όργανο NMR από την εταιρεία Varian Τύποι οργάνων NMR: Συνεχούς Κύματος (Continuous Wave) Η συχνότητα της πηγής σαρώνεται αργά και καταγράφεται ένα σήμα απορρόφησης Παλμικά (Pulsed) ή FT-NMR Η συχνότητα της πηγής παραμένει σταθερή, ενώ μεταβάλλεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου 14

15 Οργανολογία 15

16 Οργανολογία 16

17 Οργανολογία Ένα όργανο NMR είναι βασικά ένα μεγάλο και ακριβό ραδιόφωνο FM. 17

18 Οργανολογία Πομπός RF (60 MHz) έκτης RF Ν S ~ Gauss Τα ΝΜR πρωτονίου λειτουργούν στα 60 MHz, γιατί ο πυρήνας 1 Η συντονίζεται σε αυτή τη συχνότητα. Καλύτερηςόμωςδιαχωριστικήικανότητα και ευαισθησία επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση μαγνητικών πεδίων που λειτουργούν σε μεγαλύτερες συχνότητες όπως 300 MHz μέχρι και 600 MHz. Τα ΝΜR άνθρακα-13 λειτουργούν στα 15 MHz (σε αυτή τη συχνότητα συντονίζεται ο πυρήνας 13 C) μέχρι και τα 75 MHz. Εκτός από τα φασματόμετρα NMR συνεχούς κύματος (Continuous Wave, CW), υπάρχουν και τα φασματόμετρα παλμών NMR (Pulsed NMR) με μετασχηματισμό Fourier (FT-NMR) σε αντιστοιχία με την τεχνική (FT-IR), 18 με τα οποία επιτυγχάνεται περίπου δεκαπλασιασμός της ευαισθησίας.

19 Οργανολογία FT-NMR 19

20 Οργανολογία FT-NMR 20

21 Λήψη φάσματος Προετοιμασία δείγματος α) ) περίπου 0,5 ml διαλύτη. β) mg ουσίας. γ) 2-3 σταγόνες πρότυπης ένωσης. 21

22 Λήψη φάσματος Προετοιμασία δείγματος α) ιαλύτης: Για τα φάσματα 1 Η ΝΜR χρησιμοποιούνται δευτεριωμένοι ή χωρίς πρωτόνια διαλύτες(cdcl 3, ακετόνη-d d 6, D 2 O, DMSO-d 6, CCl 4, CS 2 ). β) Ποσότητα δείγματος: mg για φάσματα 1 ΗΝΜR σε 0,5 ml διαλύτη. Υγρές ουσίες δίνουν καλά φάσματα, όταν όμως έχουν μεγάλο ιξώδες είναι προτιμότερο να αραιώνονται με ευκίνητο διαλύτη. Για πυρήνες με μικρότερη φυσική αφθονία, όπως ο 13 C απαιτούνται δείγματα περίπου 100 mg. Αρχικά στερεές ουσίες δεν μπορούσαν να μελετηθούν με φασματοσκοπία 1 Η ΝΜR, γιατί δίνουν πλατειές ταινίες απορρόφησης. Τελευταία όμως έχουν αναπτυχθεί ειδικές τεχνικές, που επιτρέπουν τη λήψη φασμάτων στερεών ουσιών. γ) πρότυπη ένωση: Η θέση συντονισμού ενός πυρήνα εκφράζεται σε σχέση με μια πρότυπη ένωση. Για τα φάσματα 1 Ηκαι 13 C ΝΜR, είναι το τετραμεθυλοσιλάνιο, Si(CH 3 ) 4 (TetraMethylSilane,TMS). Στα υδατικά διαλύματα χρησιμοποιείται το 2,2-διμεθυλο-2-2 σιλανοπεντάνιο-5-σουλφονικό άλας του νατρίου, (CH 3 ) 2 SiCH 2 CH 2 CH 2 SO 3 Na (2,2,-Dimetyl-2-Silapentane-5-Sulphonate, 22 DSS).

23 Λήψη φάσματος Ένα φάσμα NMR είναι ένα διάγραμμα των κορυφών απορρόφησης των πυρήνων σε συνάρτηση με τη συχνότητα στην οποίααπορροφούν. CH 3 CH 2 TMS δ ppm Φάσμα NMR του βρωμοαιθανίου CH 3 CH 2 Br 23

24 Επίδραση του μοριακού περιβάλλοντος των πυρήνων στην παρουσίαση των φασμάτων NMR Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός φάσματος NMR είναι: H χημική μετατόπιση δ (Chemical shift) 1. αριθμός σημάτων (κορυφών) 2. θέση σημάτων (κορυφών) Χημική μετατόπιση 3. ένταση σήματος Η σταθερά spin-spin i σύζευξης J (spin-spin i coupling) 4. Σχάση των σημάτων 24

25 Χαρακτηριστικοί παράμετροι Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός φάσματος NMR είναι: η χημική μετατόπιση δ (Chemical shift) και το φαινόμενο της spin-spin σύζευξης J (spin-spin coupling) CH 3 CH 2 J TMS δ ppm Φάσμα NMR του βρωμοαιθανίου CH 3 CH 2 Br 25

26 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Εάν όλοι οι πυρήνες σ ένα µόριο είχαν την ίδια συχνότητα συντονισµού, ω 0, τότε το NMR δεν θα ήταν χρήσιµο, Η συχνότητα συντονισµού των πυρήνων στο µόριο επηρεάζεται από το χηµικό περιβάλλον, ρβ, το οποίο τροποποιεί το μαγνητικό πεδίο που αισθάνονται οι πυρήνες, ακόµα και του ίδιου τύπου (π.χ. πρωτόνια) Το αποτελεσµατικό μαγνητικό πεδίο, Β eff, που αισθάνονται οι πυρήνες λόγω του τοπικού πεδίου, Β τοπ, που δηµιουργεί το χηµικό περιβάλλον είναι: B eff =B o -B τοπ --- B eff =B o (1-σ) ω eff =γ(1-σ)b o --- ω eff =ω 0 (1-σ) Η σταθερά αναλογίας σ ονοµάζεται σταθερά προστασίας ή θωράκισης του πυρήνα 26

27 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Είναι ένας αριθμός χωρίς διαστάσεις και εκφράζεται σε ppm και είναι ανεξάρτητη από τη ραδιοσυχνότητα και την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μας δίνει τη θέση συντονισμού ενός πυρήνα σε σχέση με τη θέση συντονισμού της πρότυπης ένωσης που χρησιμοποιείται (συνήθως TMS). 27

28 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Στη φασματοσκοπία 1 Η ΝΜR από το εμβαδόν και την ολοκλήρωση των κορυφών μπορεί εύκολα να ληφθεί ο αριθμός των υδρογόνων που περιέχονται σε ένα μόριο. C 6 H 5 CH 2 OCH 3 28

29 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Η χημική μετατόπιση (δ) του 1 Η επηρεάζεται από : α) Την ηλεκτραρνητικότητα, β) Τον υβριδισμό, γ) Την μαγνητική ανισοτροπία. 29

30 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) α) Ηλεκτραρνητικότητα Η χημική μετατόπιση αυξάνει σχεδόν γραμμικά με την ηλεκτραρνητικότητα του υποκαταστάτη που βρίσκεται στο ίδιο ανθρακοάτομο με το πρωτόνιο που εξετάζεται. Παράδειγμα CH 3 X CH 3 F CH 3 OH CH 3 CI CH 3 Br CH 3 I CH 4 (CH 3 ) 4 Si Υποκαταστάτης Χ F O CI Br I H Si Ηλεκτραρνητικότητα 40 4,0 35 3,5 31 3,1 28 2,8 25 2,5 21 2,1 18 1,8 Χημική δ Μετατόπιση 4,26 3,40 3,05 2,68 2,16 0,23 0,00 30

31 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) α) Ηλεκτραρνητικότητα Η επίδραση της ηλεκτραρνητικότητας του υποκατάστατη είναι αθροιστική και μειώνεται όσο απομακρύνεται το ετεροάτομο εεροάομοαπό τον εξεταζόμενο πυρήνα CHCI 3 CH 2 CI 2 CH 3 CI -CH 2 Br -CH 2 -CH 2 Br -CH 2 -CH 2 CH 2 Br Χημική Μετατόπισ 7,27 5,30 3,05 3,30 1,69 1,25 η δ 31

32 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) β) Υβριδισμός ι) Υδρογόνα "sp 3 ". Tα H που συνδέονται με C με δεσμούς sp 3 (C-CH 3, C-C-H 2 -C κ.α) παρουσιάζουν απορροφήσεις στην περιοχή από 0-2 ppm. ιι) Υδρογόνα "sp 2 ".Τα H του βινυλίου (C=C-H) συντονίζονται στην περιοχή από 4,5 μέχρι μχρ7 ppm. ιιι) ) Υδρογόνα "sp". p Τα H του τριπλού δεσμού (-C C-H) εμφανίζονται από 2-3 ppm. 32

33 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) γ) Μαγνητική ανισοτροπία Ανάλογα µε τον προσανατολισµό τουδεσµού C-C ως προς το πεδίο Β 0, έχουµε µεταβολή της διαµαγνητικής προστασίας των πρωτονίων, λόγω του επαγόµενου πεδίου Β. π.χ. στην περίπτωση α, τα Η που βρίσκονται πάνω και κάτω από το δεσµό προστατεύονται, ενώ όταν βρίσκονται κατά µήκος 33 του δεσµού αποπροστατεύονται. Το αντίθετο συµβαίνει στην περίπτωση β

34 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) γ) Μαγνητική ανισοτροπία Η επίδραση της µαγνητικήςή ανισοτροπίας στη χηµική µετατόπιση ό µπορείί να υπολογισθεί θεωρητικά για τους απλούς δεσµούς, αλλά και για διπλούς, τριπλούς δεσµούς, καρβονυλικές και αρωματικά συστήματα. Σχεδιάζοντας το διάγραµµα της σ προκύπτουν δύο κώνοι, οι οποίοι εκτείνονται από το κέντρο του δεσµού. Ηπεριοχή εντός του κώνου είναι η περιοχή αποπροστασίας (-), ενώ εκτός της περιοχή του κώνου είναι η περιοχή προστασίας (+). 34

35 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) γ) Μαγνητική ανισοτροπία Το αλδεϋδικό πρωτόνιο είναι πολύ αποπροστατευµένο και εµφανίζεται σε πολύ χαµηλά πεδία (δ=9-10). Αυτό συµβαίνει για δύο λόγους: 1. Συνδέεται µε ένα άτοµο άνθρακα, το οποίο µε τη σειρά του συνδέεται µε διπλό δεσµό µε ένα ηλεκτραρνητικό οξυγόνο. 2. Βρίσκεται εντός του κώνου αποπροστασίας της καρβονυλικής οµάδας. µ 35

36 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) γ) Μαγνητική ανισοτροπία Tα αρωματικά πρωτόνια απορροφούν στην περιοχή από 7-8 ppm Τα αλδεϋδικά στα 9-10 ppm του τριπλού δεσμού από 2-3 ppm Σε κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις υπάρχει εκτός του υβριδισμού η εξίσου έντονη επίδραση των άμεσα γειτονικών ακόρεστων συστημάτων (ηλεκτρόνια π). 36

37 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) 37

38 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) 38

39 Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) 39

40 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Στα φάσματα NMR οι κορυφές συντονισμού διαχωρίζονται σε συμμετρικές ομάδες κορυφών (διπλές, τριπλές, τετραπλές κλπ.) λόγω της αλληλεπίδρασης των spin των γειτονικών πυρήνων. Η πολλαπλότητα αυτή των σημάτων συντονισμού (λεπτή υφή) καλείται σύζευξη spin-spin. Η παρουσία ισοδυνάμων γειτονικών πυρήνων με spin I=1/2 προκαλεί σχάση της απορρόφησης σε n+1 κορυφές. Σχετική ένταση συνιστωσών κορυφών σε µια πολλαπλή κορυφή δίνεται από το τρίγωνο του Pascal

41 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Σχετική ένταση συνιστωσών κορυφών σε µια πολλαπλή κορυφή για πυρήνες µε Ι=1/2 δίνεται από το τρίγωνο του Pascal. 41

42 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Στο φάσµα 1 H NMR της ένωσης CH 3 CH 2 NO 2 παρατηρούµε: Μια τετραπλή κορυφή, η οποία οφείλεται στα δύο χηµικά ισοδύναµα µ πρωτόνια CH 2 και µια τριπλή κορυφή, η οποία οφείλεται στα τρία χηµικά ισοδύναµα πρωτόνια CH 3. Η σχετική ένταση των κορυφών στα 4.5 ppm είναι 1:3:3:1, ενώ η σχετική ένταση των κορυφών στα 1.5 ppm είναι 1:2:1. Οι συνιστώσες κορυφές σε κάθε πολλαπλή λή κορυφή ισαπέχουν. Η απόσταση αυτή είναι ίση µε τη σταθερά σύζευξης. Η απόσταση μεταξύ των γειτονικών αιχμών μιας πλειάδας λέγεται σταθερά σύζεύξης (J) και εκφράζει την ένταση της αλληλεπίδρασης των πυρήνων. J 42

43 DMSO Φάσματα 1 ΗΝMR TMS πρωτοταγών, DMSO TMS δευτεροταγών και DMSO TMS τριτοταγών αλκοολών. 43 Η απορρόφηση στα 2,6 ppm οφείλεται στο διαλύτη DMSO.

44 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) 44

45 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Η χημική μετατόπιση δ αυξάνει όσο αυξάνει η ένταση του μαγνητικού πεδίου Η σταθερά σύζευξης J παραμένει σταθερή. 45

46 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Η τιμή της σταθεράς σύζευξης J δίνεται σε Hertz (κυμαίνεται από 0 μέχρι 18 Hz). Είναι ανεξάρτητη από την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Εξαρτάται πολύ από την στερεοχημεία του μορίου, πχ: η J των πρωτονίων ενός διπλού δεσμού όταν αυτά είναι trans: Hz όταν αυτά είναι cis: 6-15 Hz. Στο κυκλοεξάνιο όταν τα γειτονικά πρωτόνια είναι και τα δυο στην αξονική θέση τότε η Jaa: 8-14 Hz ενώ στις άλλες θέσεις είναι Jae: 0-7 Hz, Jee: 0-5 Hz. 46

47 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Χαρακτηριστικές σταθερές σύζευξης (J) H H Jaa: 8-14 Hz H H Trans: Hz H H H Cis: 6-15 Hz H Jae: 0-7 Hz H H Jee: 0-5 Hz 47

48 Σύζευξη spin-spin (spin-spin coupling) Χαρακτηριστικές σταθερές σύζευξης (J) H H H ortho: 6-10 Hz para: 0-2 Hz H H H H meta: 1-4 Hz H 5-7 Hz 48

49 Επίδραση του μοριακού περιβάλλοντος των πυρήνων στην παρουσίαση των φασμάτων NMR 1. Ισοδύναμοι πυρήνες δεν αλληλεπιδρούν ο ένας με τον άλλο για να δώσουν πολλαπλές κορυφές απορρόφησης. 2. Οι σταθερές σύζευξης μειώνονται σημαντικά όσο αυξάνει η απόσταση των ομάδων και σπάνια σύζευξη σε αποστάσεις μεγαλύτερες από μήκος τεσσάρων δεσμών. 3. Η πολλαπλότητα (σχάση) μιας κορυφής καθορίζεται από τον αριθμό n των μαγνητικώς ισοδυνάμων πρωτονίων των γειτονικών ατόμων και έχει τιμή n Τα σχετικά εμβαδά μια πολλαπλής κορυφής είναι συμμετρικά γύρω από το κεντρικό σημείο της ζώνης. 5. Η σταθερά σύζευξης είναι ανεξάρτητη από το εφαρμοζόμενο πεδίο. 49

50 Εφαρμογές του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού α) Ταυτοποίηση - Προσδιορισμός δομής ενώσεων. β) Ποιοτική - Ποσοτική Ανάλυση. γ) Ιατρική διάγνωση. 50

51 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων Τα φάσματα NMR αγνώστων ουσιών που θέλουν ερμηνεία συνοδεύονται και από άλλες βασικές πληροφορίες που προέρχονται από: τη στοιχειακή ανάλυση, τη φασματομετρία μαζών, FT-IR/Raman, UV-Vis Vis κ.α. Ισοδύναμο διπλού δεσμού CxHyOz. C 6 H 10 τότε από το γενικό τύπο της ομόλογης σειράς CnH2n+2 (κορεσμένοι υδρογονάνθρακες) για C 6 θα έχει Η 14. Τότε ο αρχικός τύπος C 6 H 10 έχει 4 Η λιγότερα. Τα 4 Η αντιστοιχούν σε δυο διπλούς δεσμούς ή σε ένα τριπλό ή σε ένα δακτύλιο με διπλό δεσμό. Αν ο Μ.Τ. περιέχει Ο αντικαθίσταται με CH 2, Ν με CH 51

52 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων 52

53 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων 53

54 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων Άγνωστη ένωση C 4 H 8 O 2 54

55 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων Άγνωστη ένωση C 4 H 8 O 2 55

56 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων 56

57 Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων 57

58 Εφαρμογές σε Γεωργικά Προϊόντα - Τρόφιμα Εφαρμογές ρουτίνας: Έλεγχος Υδρογόνωσης Έλεγχος Υγρασίας στα λάδια Έλεγχος Υγρασίας γενικά στα τρόφιμα Έλεγχος Γεωργικών Προϊόντων Νοθεία Αυθεντικότητα Γεωγραφική Προέλευση 58

59 Ποσοτική Ανάλυση Η φασµατοσκοπία NMR χρησιµοποιείται στην ποσοτική ανάλυση µειγµάτων ή στον προσδιορισµό προσµείξεων. Στην ποσοτική ανάλυση χρησιμοποιείται το εμβαδόν της κορυφής, που οφείλεται σε ορισμένη ομάδα του μορίου και συνήθως υπολογίζεται με ολοκληρωτή. Όλες οι τεχνικές βασίζονται σε σύγκριση εμβαδών κορυφών. Ας υποθέσουµεότιέχουµεένα µείγµα ουσιών Α και Β. Μπορούµε να προσδιορίσουµε την % αναλογία του µείγµατος µε την εξίσωση: ma N BI AM mb N A I B M m A και m B =οι µάζες των δύο ουσιών Μ A και Μ B = οι µοριακές µάζες Ν A και Ν B = ο αριθµός πρωτονίων για συγκεκριµένα σήµατα των Α και Β I A και I B = τα εµβαδά των σηµάτων A B 59

60 Φυσικός Ισοτοπικός ιαχωρισμός (Site Natural Isotope Fractionation) Η τεχνική SNIF-NMR, που ανακαλύφθηκε από τον καθηγητή Gerard Martin χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της αυθεντικότητας μεγάλου αριθμού προϊόντων ή μορίων στα οποία περιλαμβάνονται: α) Οίνοι και τα αλκοολούχα ποτά. β) Χυμοί φρούτων γ) Αρωματικές και άλλες ουσίες Η τεχνική SNIF-NMRNMR βασίζεται στην παρατήρηση του δευτερίου χωρίς να αποκλείεται στο μέλλον η ανάπτυξη παρόμοιας μεθοδολογίας για την παρατήρηση και άλλων πυρήνων. 60

61 Φυσικός Ισοτοπικός ιαχωρισμός (Site Natural Isotope Fractionation) Σε ένα φάσμα 2 Η NMR αιθανόλης με ουσία αναφορά TMU (Ν,Ν-τετραμεθυλουρία) Το μέγεθος (D/H)I αντικατοπτρίζει κυρίως το φυτικό είδος Το μέγεθος (D/H)IΙ αντιπροσωπεύει τα κλιματολογικά λ χαρακτηριστικά του τόπου παραγωγής 61

62 Φυσικός Ισοτοπικός ιαχωρισμός (Site Natural Isotope Fractionation) ιαχωρισμός οίνων με χρήση της μεθόδου SNIF NMR και χημειομετρίας ( ιακριτικής ή Aνάλυσης pαραγόντων, ό Discriminant Factor Analysis) Θ. Μαυρομούστακος, Ι. Ματσούκας, NMR - Χρήση πυρηνικού μαγνητικού Ε.Ι.Ε. Π.Π. 62

63 2 H = -87 Fractionation Evaporation H 2 O H 2 O H 2 O DHO DHO H 2 O DHO H 2 O DHO DHO 2 H = 0 DHO H 2 O H 2 O DHO H 2 O H 2 O DHO H 2 O

64 H 2 O H 2 O LIGHT H 2 O H 2 O 2 H = -87 H 2 O H 2 O DHO DHO DHO DHO H 2 O H 2 O H 2 O DHO DHO 2 H = 0 DHO H 2 O DHO

65 The hydrological cycle 2 H = -87

66 The hydrological cycle 2 H = H = -14

67 2 H = -112 The hydrological cycle

68 The hydrological cycle 2 H = H = -78

69 69

70 Stable Isotope Mass Spectrometry Isotope ratio Fractionation Information 2 H/ 1 H evaporation, condensation, geographical g precipitation 13 C/ 12 C C3 and C4 plants diet (geographical proxy) 15 N/ 14 N trophic level, marine and terrestrial plants 18 O/ 16 O evaporation, condensation, precipitation diet (geographical proxy) geographical 34 S/ 32 S bacterial geographical (marine) 87 Sr 86 Sr Radiogenic decay of 87 Rb geographical 70

71 Stable Isotope Mass Spectrometry AIR 2 H -60,00-65,00-70,00-75,00 Authentic Saffron 13 C & 2 H values Italy Spain Greece Iran Italy; closest to sea. Rel. high humidity. Lowest ave. Temp 27 C Iran; lowest Lat. High ave. temp. 34 C Lowest humidity. 500 km from sea -80,00 Greece; most N lat. -85,00 High humidity. Equal Spain; Equal high ave. high ave. temp. 70 km from sea Temp. 36 C High humidity -90, km from Med sea -27,50-27,00-26,50-26,00-25,50-25,00-24,50-24,00-23,50 13 C PDB L. Maggi, M. Carmona, S.D.. Kelly, N. Marigheto, G. L. Alonso Food Chemistry 128 (2011)

72 Ιατρική εφαρμογή του NMR Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging, ΜRI) MRI σαρωτής για διάγνωση ασθενειών ΜRI μαστού. Πολυπυρηνικός καρκίνος στον αριστερό μαστό και υποψία καρκίνου στο δεξιό μαστό 72

73 Ιατρική εφαρμογή του NMR Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging, ΜRI) Μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου 73