Jezgra izotopa koja imaju neparan broj protona i neutrona, ili oba, pokazuju mehanički spinski fenomen koji je vezan za ugaoni moment jezgra (µ). Ovaj ugaoni moment karakteriše nuklearni spinski kvantni broj (I) koji se može prikazati jednakošću: gde je n=0, 1, 2, 3,... 1 I = n 2 Ona jezgra kod kojih je I=0 nemaju spinski ugaoni moment i ne pokazuju magnetni rezonancioni fenomen (jezgra 12 C i 16 O). Jezgra kod kojih je I=1/2 (na primer, 1 H, 19 F, 13 C, 31 P i 15 N) i I=1 ( 2 H i 14 N) su spin aktivna jezgra i stupaju u rezonanciju sa RF zračenjem. Kako je za atomsko jezgro vezano naelektrisanje okretanje jezgra stvara malu električnu struju i ima ograničeno magnetno polje zajedno sa njim. Magnetni dipol jezgra (µ) zavisi od vrste jezgra. Kada se jezgra, koja se haotično kreću zbog termalnih energija molekula, postave u spoljašnje magnetno polje tada nuklearni ugaoni magnetni moment teži da ih upravi prema primenjenom magnetnom polju. Za jezgra koja imaju I=1/2 postoje dve moguće orijentacije jezgara: paralelno sa spoljašnjim poljem (niža energija) i suprotno sa spoljašnjim poljem (viša energija). Kako je paralelna orijentacija sa nižom energijom, veći broj jezgara ima ovu orijentaciju u odnosu na antiparalelnu koja ima više energetsko stanje. 1
Orijentacija jezgara pre dejstva spoljneg magnetnog polja Ho (a.) i pod dejstvom spoljašnjeg magnetnog polja Ho (b.). Ukoliko se orijentisana jezgra izlože zračenju elektromegnetnih zraka odgovarajuće frekvencije tada će jezgra sa nižom energijom apsorbovati kvant energije i preći na viši energetski nivo. Kada se ova spinska promena odigra za jezgro se kaže da je u rezonanciji sa primenjenim zračenjem i metoda koja detektuje ove promene naziva se nuklearna magnetna rezonancija (NMR). I=1/2, m =+1/2,-1/2 EN ERG IJA Ho m =-1/2 bez polja prim enjeno polje Ho m =-1/2 Ho m =+1/2 m =+1/2 2
Nuklearna magnetna rezonancija je apsorpcija radiofrekventnog zračenja od strane jezgra u jakom magnetnom polju. Apsorpcija zračenja prouzrokuje da se spinovi jezgara izjednače ili brzo predju na viši energetski nivo. Nakon prestanka zračenja jezgra otpuštaju (reemituju) apsorbovanu energiju radiofrekventnog zračenja i vraćaju se u stanje niže energije. Količina elektromagnetnog zračenja potrebna za rezonanciju zavisi od snage spoljašnjeg magnetnog polja (Ho) i od karakteristika jezgra koje se ispituje. Jezgro protona postavljeno u polje od 14100 gausa postiže rezonanciju kada se ozrači elektromagnetnim zračenjem od 60 MHz (mikrotalasno zračenje). Viša magnetna polja, koja se postižu kod superprovodnih magneta, zahtevaju veću energiju zračenja i dobija se odgovarajuća, viša rezolucija. HEMIJSKO POMERANJE Pošto je magnetni dipol nekog jezgra (µ) konstantna vrednost može se predpostaviti da će ista jezgra u nekom molekulu imati isti spinski prelaz na tačnoj vrednosti primenjene frekvencije u datom primenjenom magnetnom polju (Ho). Medjutim, kod organskih molekula to nije slučaj. Razlog je što elektroni u molekulu imaju malo magnetno polje koje teži da se suprotstavi primenjenom polju zakljanjajući jezgro od pune snage primenjenog polja. Veća elektronska gustina će biti, prema tome, veća zaštita pa će jezgro koje je bogato elektronima u svom okruženju da se vidi na većoj vrednosti primenjenog polja u odnosu na jezgro za manjim elektronskim okruženjem. 3
Rezultat je pomeranje NMR signala nekog jezgra u odnosu na referentni signal i naziva se hemijsko pomeranje. Protoni ili ugljenikovi atomi vezani za elektronegativne atome će biti nezaštićeni i njihovi signali će imati veće hemijsko pomeranje (manja vrednost primenjenog magnetnog polja). Položaj signala se izražava u jedinicama bez dimenzija (δ-jedinicama, ppm) i položaj signala se definiše jednakošću: ν ν δ = 10 ν o s 6 ( ppm) gde je ν-ν s razlika frekvencija posmatranog signala i standarda (Hz), a ν o radna frekvencija instrumenta (Hz). Faktor 10 6 se uvodi u jednačinu da bi se dobili celi brojevi za δ vrednosti jer je brojilac ν-ν s približno milion puta manji od imenioca. Skala u 1 H NMR spektroskopiji se eksperimentalno dovodi na nulu NMR apsorpcijom molekula tetrametilsilana (TMS). Kod TMS su svih 12 protona veoma zaštićeni u odnosu na većinu organskih molekula: CH 3 CH 3 C CH 3 CH 3 Skala u protonskoj NMR spektroskopiji je generalno u opsegu od 0-12 ppm. 4
U 1 H NMR spektroskopiji protoni jednostavnih ugljovodonika apsorbuju u oblasti δ 0,5-1,5 ppm, protoni na ugljenikovom atomu vezanom za karbonilnu grupu su pomereni na δ 2,0 ppm, elektronegativni atomi (kiseonik ili halogeni) pomeraju α-protone na δ 3-4 ppm, alkenski protoni su pomereni u oblast oko δ 5-6 ppm, aromatski protoni su na δ 7-8 ppm, aldehidni protoni na δ 10 ppm i najzaštićeniji protoni su iz karbonskih kiselina sa vrednostima za hemijsko pomeranje od δ 12 ppm. Intenzitet apsorpcije za datu klasu jezgara (sa navedenim hemijskim pomeranjem) je proporcionalan broju protona koji daju signal. Meri se površina ispod posmatranog signala (dobija se njegovom integracijom) koja je direktno proporcionalna broju istih protona (hemijski i magnetno ekvivalentnih) u molekulu. Integracija se uobičajeno daje kao jednostavan odnos celih brojeva, na primer, sirćetna kiselina, CH 3 COOH, daje dva signala u protonskom NMR: jedan na δ 2 ppm sa površinom jednakom 3 i drugi na δ 12 ppm sa površinom jednakom 1. U primeru metilacetata, CH 3 COOCH 3, takodje, dobijaju se dva signala: prvi na δ 2 ppm i površinom jednakom 1 i drugi na δ 4 ppm i površinom 1 (relativni odnosi za oba signala su isti, ali oni predstavljaju po tri vodonika). 5
SPINSKO KUPLOVANJE I RAZLAGANJE SIGNALA Za molekul kao što je dietiletar, CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3, može se predvideti da u protonskom NMR spektru daje dva signala: za CH 3 grupu u oblasti oko δ 1 ppm i za CH 2 grupu pomerenu na oko δ 4 ppm zbog uticaja elektronegativnog kiseonika. Na snimljenom 1 H NMR spektru jasno se uočavaju dve grupe signala: Pojava multipliciteta je fenomen poznat kao spinsko kuplovanje (ili spinsko sprezanje) i nastaje zbog interakcije magnetnog polja protona sa vezujućim elektronima u molekulu. U suštini svaki proton može imati jednu od dve moguće spinske orijentacije u primenjenom spoljašnjem magnetnom polju Ho tako da magnetno polje susednih protona može da ima jednu od dve moguće vrednosti. Rezultat je da će n protona razlagati susedne protone na n+1 signala. Intenziteti ovih signala su jednostavno rezultat moguće orijentacije spinova tako da protoni CH 2 grupe mogu imati sledeće spinske mogućnosti:.. :.... 6
Dva para u sredini su degenerativni tako da će se proton u susedstvu CH 2 grupe razložiti u tri razdvojena signala u odnosu 1:2:1. Razdvojenost izmedju ovih signala se naziva konstanta kuplovanja, J, koja se meri u Hz i uobičajena vrednost za J ne prelazi 20 Hz. Važno je znati da će grupe protona koji se kupluju uvek pokazivati tačnu vrednost konstante kuplovanja. U spektru dietiletra CH 3 grupa je razložena od dva protona sa susedne CH 2 grupe u tri signala (triplet), a CH 2 grupa je razložena od tri protona metil grupe na n+1=4 signala (kvartet). Dve etil grupe u dietiletru pokazuju jednaku apsorbanciju jer molekul ima ravan simetrije tako da su obe etil grupe hemijski i magnetno ekvivalentne. 1 H NMR spektar metilizopropiletra, CH 3 -CH(CH 3 ) 2, će imati, prema tome, tri tipa signala: protone metil grupe vezane za kiseonik sa hemijskim pomeranjem δ 4 ppm, metinski proton sa hemijskim pomeranjem u istoj oblasti i protone metil grupa iz izopropil grupe sa hemijskim pomeranjem na δ 1 ppm. Protoni iz CH 3 grupe vezane za kiseonik će dati jedan signal (singlet) jer nemaju u susedstvu protone sa kojim bi mogli da se kupluju. Proton iz CH grupe će se razložiti na sedam signala jer se u susedstvu nalazi 6 ekvivalentnih protona iz dve CH 3 grupe izopropil grupe. Protoni magnetno ekvivalentnih CH 3 grupa (6 protona) će se razložiti na dva signala (dublet) zbog prisustva susedne CH grupe: 7
Efekat razlaganja signala se uobičajeno prikazuje korišćenjem grananja razlaganja koje opisuje osnovnu apsorbanciju koja se razlaže sa konstantom kuplovanja J na n+1 signal. Kao što se očekuje deuterijum (2H) sa spinom jednakim 1 se ne vidi u 1 H NMR spektru. Metilenska grupa, vezana za brom, je hemijski pomerena na δ=3,40 ppm, a metilenska grupa vezana za kiseonik na δ=3,75 ppm. Obe grupe se javljaju kao prosti tripleti jer je svaka razložena sa centralnom metilenskom grupom. Konstante kuplovanja za ova razlaganja se malo razlikuju pa je Jab=15 Hz, a Jbc=12 Hz. Razlaganje centralne metilenske grupe je složeno jer se njeni protoni razlažu pod uticajem protona sa ugljenika a u triplet (J=15 Hz) i svaki od ovih signala dalje razlaže pod uticajem protona sa ugljenika c u triplet sa konstantom kuplovanja J=12 Hz. 8
Hemijska pomeranja u 1H NMR spektru nekih funkcionalnih grupa 1. Elektronegativne grupe smanjuju zaštitu i utiču na pomeranje NMR signala susednih protona na niže polje (viša vrednost u ppm). 2. Protoni sa kiseonika ili azota imaju veoma različita hemijska pomeranja koja zavise od koncentracije, rastvarača, temperature, itd. 3. π-sistem kod alkena, aromatičnih jedinjenja i karbonilnih jedinjenja snažno smanjuju zaštitu vezanog protona i pomera signal na niže polje, a višu vrednost u ppm. Hemijsko pomeranje Za odredjivanje hemijskog pomeranja (δ) veoma je važno poznavanje i upotreba tablica sa hemijskom pomeranjem za grupe protona (videti Tablicu 3.1. Tablica, kao i druge vezane za nju). Osnovne oblasti hemijskog pomeranja za klase organskih jedinjenja date su u Tabeli: Hemijsko pomeranje Klasa jedinjenja Struktura jedinjenja (ppm) 0-2 Alkanski protoni CR 3 CH 2-3 Alilni protoni X=CR-CHR 2 2-4,5 Protoni pored heteroatoma X-CHR 2 4,5-7 Vinilni protoni R 2 C=CHR 6,5-8 Aromatični protoni ArH 10 Aldehidni protoni RCHO 12 Protoni karboksilnih kiselina RCOOH (brojni efekti utiču na navedene oblasti hemijskih pomeranja) 9
Razlaganje signala Razlaganje signala u dublet, triplet, kvartet, itd je u vezi sa spinspin kuplovanjem izmedju jezgara sa spinskim kvantnim brojem različitim od nule (I 0). Vodonik ima I=1/2, deuterijum I=1, ugljenik ( 12 C) I=0 i ugljenik ( 13 C) I=1/2. Multiplicitet signala ne predstavlja broj protona na ugljenikovom atomu. Broj protona se dobija integracijom signala. Razlaganje signala se odigrava izmedju neekvivalentnih jezgara. Primer je da etan daje singlet, a metil grupa etanola se razlaže sa susednom metilenskom grupom. Kuplovanje -OH grupa u 1 H NMR spektrima Ponekad proton iz alkoholne grupe (-OH) se kupluje sa susednim CHx protonima, a nekad ne. Ovo kuplovanje zavisi od toga koliko brzo se odvija izmena vodonika sa hidroksilne grupe izmedju molekula. U izmeni vodonika relativno kiseli proton dolazi iz jednog molekula i vezuje se za drugi molekul. Drugi molekul može biti isti kao molekul koji otpušta proton ili molekul rastvarača. Ovaj efekat se tipično odvija kod protona -OH i -NH grupa, ali se može odigrati i kod drugih relativno kiselih protona. 10
Ukoliko se izmena protona odvija dovoljno brzo tada se neće u 1 H NMR spektru dobiti signal za kuplovanje sa susednim protonima. Razlog je što dolazeći proton ne mora da bude istog spinskog stanja kao i proton koji je napustio molekul (različite orijentacije: u pravcu polja ili suprotno od pravca polja). Na taj način postoji mogućnost različitog spinskog stanja što je osnova za normalno kuplovanje. Ukoliko je izmena veoma spora kuplovanje će se videti. Ukoliko je brzina izmene umerena doći će do delimičnog kuplovanja i dobijeni signali će biti rašireni. Tragovi baze ili kiseline će katalizovati reakciju izmene protona. Rastvarači Većina NMR spektara se snima tako što se jedinjenja rastvaraju u rastvaračima. Na taj način se dobijaju signali i za rastvarače pa se moraju uzeti u obzir kada se čitaju spektri. Da bi uklonili signale protona iz rastvarača u 1 H NMR spektroskopiji se koriste deuterisani rastvarači. Kako nije moguće dobiti 100 % deuterisani rastvarač dobijaju se u spektrima signali za zaostale protone. U deuterisanom hloroformu (CDCl 3 ) nalazi se mali procenat CHCl 3 čiji se signal vidi na δ=7,26 ppm. U deuterisanom metanolu nalazi se udeo CHD 2 OD pa se dobija pentet signal na δ=3,31 ppm (1:2:3:2:1). Ukoliko se zna da deuterijum ima spinski kvantni broj I=1 tada će n deuterijumovih atoma razlagati signal protona na 2I+1 11
Uobičajena je praksa da se dodaje u uzorak tetrametilsilan (Me 4 Si) ili drugo odgovarajuće jedinjenje kao interni standard koje ima signal za proton na δ=0,0 ppm. Noviji instrumenti imaju mogućnost da se signal za rastvarač zadrži na tačnoj vrednosti u ppm (lock signal) pa dodatak internog standarda nije neophodan. Signali rastvarača u NMR spektroskopiji Hemijska pomeranja (δ) signala rastvarača u 1 H NMR spektrima su data u Tabeli. Multiplicitet signala je dat u zagradi: (1)-singlet; (2)-dublet; (3)-triplet; (4)-kvrtet; (5)-pentet. Rastvarač 1 H NMR hemijsko pomeranje (δ; ppm) sirćetna kiselina 11,65 (1); 2,04 (5) aceton 2,05 (5) acetonitril 1,94 (5) benzen 7,16 (1) hloroform 7,26 (1) dimetilsulfoksid 2,50 (5) metanol 4,87 (1); 3,31 (5) metilenhlorid 5,32 (3) piridin 8,74 (1); 7,58 (1); 7,22 (1) voda (D 2 O) 4,8 (1) 12
Signal vode u NMR spektroskopiji Signali za vodu se javljaju na različitim frekvencijama u 1 H NMR spektrima zavisno od upotrebljenog rastvarača. Potrebno je napomenuti da se H 2 O vidi u aprotičnim rastvaračima dok HOD se vidi u protičnim rastvaračima zbog izmene sa deuterijumom rastvarača. Izračunavanje stepena nezasićenja jedinjenja na osnovu bruto formule Iz molekulske formule jedinjenja može da se izračuna stepen nezasićenja (SN) prema sledećoj formuli: broj vodonika + halogeni broj azota SN = broj ugljenika + + 1 2 2 H C O PRIMER: 2-fluoro-4-aminobenzaldehid Bruto formula: C 7 H 6 FNO SN=7-(6+1)/2+1/2+1=5 postoje 4 dvostruke veze i jedan prsten NH 2 F 13