Ενόργανη Ανάλυση Εργαστήριο Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Πέτρος Α. Ταραντίλης 1
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. Διαχωρισμός των ενεργειακών τους επιπέδων με έκθεση τους σε μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο μπορεί να συσχετισθεί με τη μοριακή δομή. 2
Βασικές αρχές Η φασματοσκοπία ΝΜR, είναι μια μορφή φασματοσκοπίας απορρόφησης όπου κάτω από κατάλληλες συνθήκες το δείγμα απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε περιοχή 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, βρίσκεται στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. 3
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. 4
Βασικές αρχές Δίνουν 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 1 Η, 13 6C, 19 9F, 31 15P, 11 5B που έχουν Ι=n(1/2) (n=1,3,5,7,9) και 2 1Η, 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. 12 6 C, 16 8O και 32 16S. Η ταυτοποίηση μελετούμενων μορίων συνήθως γίνεται με τη χρήση φασμάτων NMR πρωτονίου ( 1 Η) και άνθρακα 13 ( 13 C). 5
Οργανολογία Ένα όργανο NMR είναι βασικά ένα μεγάλο και ακριβό ραδιόφωνο FM. 6
Οργανολογία Πομπός RF (60 MHz) Δέκτης RF Ν S ~14.100 Gauss Τα ΝΜR πρωτονίου λειτουργούν στα 60 MHz, γιατί ο πυρήνας 1 Η συντονίζεται σε αυτή τη συχνότητα. Καλύτερης όμως διαχωριστική ικανότητα 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), 7 με τα οποία επιτυγχάνεται περίπου δεκαπλασιασμός της ευαισθησίας.
Οργανολογία 8
Οργανολογία 9
Οργανολογία FT-NMR 10
Οργανολογία FT-NMR 11
Λήψη φάσματος Προετοιμασία δείγματος α) περίπου 0,5 ml διαλύτη. β) 10-50 mg ουσίας. γ) 2-3 σταγόνες πρότυπης ένωσης. 12
Λήψη φάσματος Προετοιμασία δείγματος α) Διαλύτης: Για τα φάσματα 1 Η ΝΜR χρησιμοποιούνται δευτεριωμένοι ή χωρίς πρωτόνια διαλύτες(cdcl 3, ακετόνη-d 6, D 2 O, DMSO-d 6, CCl 4, CS 2 ). β) Ποσότητα δείγματος: 10-20 mg για φάσματα 1 Η ΝΜR 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 Η και 13 C ΝΜR, είναι το τετραμεθυλοσιλάνιο, Si(CH 3 ) 4 (TetraMethylSilane,TMS). Στα υδατικά διαλύματα χρησιμοποιείται το 2,2-διμεθυλο-2- σιλανοπεντάνιο-5-σουλφονικό άλας του νατρίου, (CH 3 ) 2 SiCH 2 CH 2 CH 2 SO 3 Na DSS). (2,2,-Dimetyl-2-Silapentane-5-Sulphonate, 13
Λήψη φάσματος Ένα φάσμα NMR είναι ένα διάγραμμα των κορυφών απορρόφησης των πυρήνων σε συνάρτηση με τη συχνότητα στην οποία απορροφούν. CH 3 CH 2 TMS 7 6 5 4 3 2 1 0 δ ppm Φάσμα NMR του βρωμοαιθανίου CH 3 CH 2 Br 14
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 σύζευξης J (spin-spin coupling) 4. Σχάση των σημάτων 15
Χαρακτηριστικοί παράμετροι Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός φάσματος NMR είναι: η χημική μετατόπιση δ (Chemical shift) και το φαινόμενο της spin-spin σύζευξης (spin-spin coupling) CH 3 CH 2 J TMS 7 6 5 4 3 2 1 0 δ ppm Φάσμα NMR του βρωμοαιθανίου CH 3 CH 2 Br 16
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 πρωτονίων των ατόμων που περιέχονται σε ένα μόριο. C 5 H 5 CH 2 OCH 3 17
Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Η χημική μετατόπιση (δ) του 1 Η επηρεάζεται από : α) Την ηλεκτραρνητικότητα β) Τον υβριδισμό, γ) Την μαγνητική ανισοτροπία. 18
Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) 19
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. 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1 20
Εφαρμογές του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού α) Ταυτοποίηση - Προσδιορισμός δομής ενώσεων. β) Ποιοτική - Ποσοτική Ανάλυση. γ) Ιατρική διάγνωση. 21
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 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 22
Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων 23
Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων Άγνωστη ένωση C 4 H 8 O 2 24
Προσδιορισμός δομής ενώσεων - Ερμηνεία Φασμάτων Άγνωστη ένωση C 4 H 8 O 2 25
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 26