nmr spectroscopy

Ε. Μαλαμίδου‐Ξενικάκη

Θεσσαλονίκη 2011

Προσδιορισμός της δομής με φασματοσκοπία NMR

Σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο: ευθυγράμμιση παράλληλα (α) ή αντιπαράλληλα (β) στο πεδίο.

Χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο: τυχαίος προσανατολισμός

Τα σπιν των πυρήνων μπορούν να διεγερθούν με απορρόφηση ραδιοκυμάτων

Εξίσωση Larmor: ν0 =  γΒ0 / 2π

Εξίσωση Larmor

ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ι Σ Χ Υ Σ Π Ε ∆ Ι ΟΥ

Μεταβολές ενεργειακών επιπέδων ανάλογα με την ένταση πεδίου Ηο

Καταγραφή φάσματος NMR

Η φασματοσκοπία NMR υψηλής διαχωριστικής ικανότητας μπορεί να διαφοροποιήσει πυρήνες του ίδιου στοιχείου

Φάσμα 1Η NMR του μεθοξυ(χλωρο)μεθανίου στα 300 MHz

Η θέση ενός σήματος NMR εξαρτάται από το ηλεκτρονικό περιβάλλον του πυρήνα

εξωτερικόμαγνητικό πεδίο

περιστρεφόμεναηλεκτρόνια των

σ-δεσμών

Περιστροφή των ηλεκτρονίων δεσμού C–H υπό την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου 

Η περιστροφή των ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα μικρό μαγνητικό πεδίο (επαγώμενο πεδίο) το οποίο προστατεύει τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Απορρόφηση Η+ Απορρόφηση –C–H

Aποπροστασία (χαμηλό πεδίο)

Προστασία (υψηλό πεδίο)

Αυξανόμενη ένταση πεδίου (σταθερή ραδιοσυχνότητα)Ελαττούμενη ραδιοσυχνότητα (σταθερό Η0)

Επίδραση της προστασίας στην απορρόφηση ομοιοπολικά συνδεδεμένου πρωτονίου

• Για σταθερή ραδιοσυχνότητα ενέργειας hν, το ελεύθερο πρωτόνιο συντονίζεται σε Ηο.

• Η προστασία ελαττώνει την τιμή του πεδίου γύρω από τον πυρήνα σε Ηο‐ hτοπικό. Προκειμένου να “ταιριάσει” με την hν, το εξωτερικό πεδίο πρέπει να αυξηθαί κατά ποσό ίσο με το hτοπικό. Το αποτέλεσμα είναι η μετατόπιση του σήματος προς τη δεξιά πλευρά του φάσματος.

• Αντίστροφα, σε σταθερό Ηο, για να “ταιριάσει” με το μαγνητικό πεδίο γύρω από τον πυρήνα (Ηο‐ hτοπικό), η ραδιοσυχνότητα hν ελαττώνεται 

1H NMR:  Διαφορετικοί τύποι υδρογόνων προκαλούν διαφορετικά σήματα

Φάσμα 300‐MHz 1Η NMR της 2,2‐διμεθυλο‐1‐προπανόλης (που περιέχει λίγο τετραμεθυλοσιλάνιο ως εσωτερικό πρότυπο) σε δευτεριωμένο χλωροφόρμιο, CDCl3. 

1H NMR

13C NMR

Γράφημα 1H NMR

Χημική μετατόπιση

δ =απόσταση της κορυφής από το TMS σε Hz

συχνότητα ραδιοπομπού σε MHzppm

CCH3

H3CCH3

CH2 OH

a

b

ca

a

a-H : κατά 78 Hz μεγαλύτερη συχνότητα από το TMSb-H : κατά 258 Hz μεγαλύτερη συχνότητα από το TMSc-H : κατά 287 Hz μεγαλύτερη συχνότητα από το TMS

1H NMR (90 MHz)

ή

a-H : δ = 0,87 (78 / 90)b-H : δ = 2,87 (258 / 90)c-H : δ = 3,19 (287 / 90)

Τυπικές χημικές μετατοπίσεις υδρογόνου σε οργανικά μόρια

Τυπικές χημικές μετατοπίσεις υδρογόνου σε οργανικά μόρια

Χημικές μετατοπίσεις διαφόρων ειδών Η

Συσχετισμός χημικών μετατοπίσεων 1Η με το ηλεκτρονικό τους περιβάλλον

Χημικά ισοδύναμοι πυρήνες

Οι χημικά ισοδύναμοι πυρήνες εμφανίζουν την ίδια χημική μετατόπιση

H3C

H3C

CH3

CH3

H3C

H3C

CH2X

CH3

αντικατάσταση Η από Χ

XH2C

H3C

H

CH3

διαδοχική αντικατάστασηΗ από Χ

H3C

XH2C

H

CH3

H3C

H3C

H

CH2X

H3C

H3C

X

CH3

H3C

H3C

H

CH3

Τέσσερα διαφορετικά προϊόντα υποκατάστασης – Τέσσερα σήματα στο 1Η NMR

Περιστροφή μιας μεθυλικής ομάδας ως έλεγχος συμμετρίας.

Η αναγνώριση της συμμετρίας ως προς άξονα και ως προς επίπεδο σε οργανικά μόρια επιτρέπει την αναγνώριση των υδρογόνων με ισοδύναμη χημική μετατόπιση.

Η μοριακή συμμετρία βοηθά στη διαπίστωση της χημικής ισοδυναμίας

΄Ενταση των σημάτων – Ολοκλήρωση 

Η ολοκλήρωση αποκαλύπτει το σχετικό αριθμό των υδρογόνων που είναι υπεύθυνα για μια κορυφή NMR

Ολοκλήρωση

Ολοκλήρωση

Η ολοκλήρωση δίνει μόνον τις σχέσεις και όχι τις απόλυτες τιμές του αριθμού των υδρογόνων που υπάρχουν στο δείγμα. 

Παράγοντες που επηρεάζουν τη χημική μετατόπιση

CH3CH2CH2Br

1,06 1,81 3,47

CH3-C-Br

CH3

H

1,73

4,21

Επίδραση επαγωγικού φαινομένου Επίδραση συζυγιακού φαινομένου

H2C COCH3

HH2C C

OCH3

H

OCH3 OCH3

NO2 NOO

CH3Cl δ = 3.05

CH2Cl2 δ = 5,30

CHCl3 δ = 7,27

• Μέγεθος ηλεκτρονιακής πυκνότητας

• Συμμετρία κατανομής ηλεκτρονίων

• Προσανατολισμό του μορίου μέσα στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο 

Παράγοντες που επηρεάζουν τη χημική μετατόπιση

• Μαγνητικά πεδία παραγώμενα από ηλεκτρόνια γειτονικών υποκαταστατών.Η έντασή τους εξαρτάται από: 

Υποκαταστάτες με σφαιρική κατανομή ηλεκτρονίων (ισοτροπική κατανομή, ισότροποι υποκαταστάτες ) εμφανίζουν την ίδια μαγνητική επιδεκτικότητα προς όλες τις κατευθύνσεις σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο και δεν επηρεάζουν τη χημική μετατόπιση.

Επίδραση της συμμετρίας κατανομής των ηλεκτρονίων

Επίδραση κυκλικού π‐συστήματος στο συντονισμό Η  

Κάθετη διευθέτηση

Επαγώμενο ρεύμαΕνίσχυση πεδίουΤοπικό πεδίο: Η0 + hτοπ

Παράλληλη διευθέτηση

Δεν αναπτύσσεται επαγώμενο ρεύμαΕπιδράσεις ρεύματος 

δακτυλίου στο βενζόλιο.Αποπροστασία αρωματικών πρωτονίων

Δυναμικές γραμμές επαγώμενου μαγνητικού πεδίου 

Περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια

H

H H

H

H

H

H

HH

H

H

HH

HH

HH

Hδ 8,9δ -1,8

HH

δ -0,5

Επιδράσεις ρεύματος δακτυλίου στα αρωματικά συστήματα

∆υναμικές γραμμές επαγώμενου μαγνητικού πεδίου

Περιστρεφόμενα π-ηλεκτρόνια

Προστασία ακετυλενικών πρωτονίων

Διαμαγνητική ανισοτροπία του τριπλού δεσμού

(+) : Περιοχές προστασίας

(‐) :  Περιοχές αποπροστασίας

Περιστρεφόμενα π-ηλεκτρόνια

∆υναμικές γραμμές επαγώμενου μαγνητικού πεδίου

Αποπροστασία αλδεϋδικών πρωτονίων

Μαγνητική ανισοτροπία απλού δεσμού

C

CHH

H

CC

HH

C

H

CC C

C

Μεθύλιο Μεθυλένιο Μεθύνιο

Αποπροστασίααπό ένα δεσμό C-C

Αποπροστασίααπό δύο δεσμούς C-C

Αποπροστασίααπό τρεις δεσμούς C-C

O

H

Αποπροστασία κατά τοσχηματισμό δεσμού Η

Σπιν–σπιν σχάση: Η επίδραση των μη ισοδύναμων γειτονικών υδρογόνων

Σπιν–σπιν σχάση στο φάσμα 90‐MHz 1Η ΝΜR του 1,1‐διαιθοξυ‐2,2‐διχλωροαιθανίου. 

Φάσμα πρώτου βαθμού ∆δ >> J

Σπιν−σπιν σχάση: Η επίδραση ενός πυρήνα υδρογόνου στη χημική μετατόπιση του γειτονικού του. 

• Η σταθερά σύζευξης Jαβ είναι ίδια και για τις δύο διπλές. 

• Η χημική μετατόπιση αναφέρεται ως το κέντρο της διπλής με την ακόλουθη μορφή: δα = 5,36 ppm (d, J = 7 Hz, 1H), δβ =  4,39 ppm (d, J = 7 Hz, 1H) 

Σπιν−σπιν σχάση μεταξύ των Ηα και Ηβ στο 1,1‐διχλωρο‐2,2‐διαιθοξυαιθάνιο.

Σχάση μεταξύ υδρογόνωνπου βρίσκονται κοντά

Οι συνεισφορές τοπικού πεδίου από περισσότερα του ενός υδρογόνα είναι προσθετικές

Spin – spin σύζευξη

• Χημικά ισοδύναμοι πυρήνες δεν εμφανίζουν spin – spin σύζευξη.

• Το σήμα πρωτονίου με ν ισοδύναμα γειτονικά πρωτόνια σχάζεται σε πολλαπλό μεν+1 κορυφές και  σταθερά σύζευξης J.

• Δύο ομάδες πρωτονίων που συζευγνύονται μεταξύ τους έχουν την ίδια σταθεράσύζευξης J.

Φάσμα 1Η NMR (300 MHz) του βρωμοαιθανίου. 

Ο κανόνας Ν + 1

Spin – spin σχάση στο βρωμοαιθάνιο

Ο κανόνας Ν + 1

Φάσμα 1Η NMR (300 MHz) του 2‐ιωδοπροπανίου . 

∆ομήΤύπος σχάσης Ηa Τύπος σχάσης Ηb

Συχνά παρατηρούμενες spin‐spin σχάσεις σε κοινές αλκυλο ομάδες

Φάσματα μη πρώτου βαθμού ∆δ ≈ J

Φάσματα μη πρώτου βαθμού ∆δ ≈ J

Κλίμακα NMR στα 60 MHz και στα 100 MHz

Η επίδραση της αυξημένης έντασης πεδίου σε ένα φάσμα NMR μη πρώτου βαθμού: 2‐χλωρο‐1‐(2‐χλωροαιθοξυ)‐αιθάνιο. 

Σε μεγάλη ένταση πεδίου, η πολύπλοκη πολλαπλή που παρατηρείται στα 90 MHzαπλοποιείται σε δύο ελαφρά παραμορφωμένες τριπλές, όπως θα αναμένονταν για δύο αμοιβαία σχαζόμενες CH2 ομάδες. 

Η σύζευξη με μη ισοδύναμους γειτονικούς πυρήνεςμπορεί να τροποποιήσει τον απλό κανόνα Ν + 1

Ο τύπος σχάσης για το Ηβ στο 1,1,2‐τριχλωροπροπάνιο ακολουθεί το διαδοχικό κανόνα Ν + 1. 

Jab < Jbc

Τύπος σχάσης για το Ηβ σε ένα προπυλο‐παράγωγο όταν Jαβ = Jβγ. Αρκετές από τις κορυφές συμπίπτουν, προκαλώντας ένα παραπλανητικά απλό φάσμα: μια εξαπλή. 

+37 oC‐65 oC

1H NMR CH3OH

CH3 CH3

OH OH

Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της σπιν−σπιν σχάσης στη μεθανόλη. 

H ταχύτατη ανταλλαγή πρωτονίου μεταξύ αλκοολών με διάφορους συνδυασμούς σπιν CH2−α,β δίνει το μέσο όρο της δΟΗ

Η ταχύτατη ανταλλαγή α‐πρωτονίου και β‐πρωτονίου δίνει το μέσο όρο της 

1H NMR αλκοολών

Απλά συστήματα spin‐spin σύζευξης

CH

H

C CHH

C CH H

C CH

H

C CH

CH

C CH

H

HC CCH

12 - 20

2 - 9

11 - 18

4 - 10

0 - 3,5

6 - 14

1 - 3

C CH

C CH

HC CH

O

C CH H

10 - 13

3 - 7

2 - 3

Ha

HaHeHe

Jaa = 10 - 13

Jae = 2 - 5

Jee= 2 - 5

H

H

Jo = 7 - 10

Jm = 2 - 3

Jp= 0,1 - 1

O HH

O H

H

O

H

O H

H

H

1,5

1,8

3,4

0,9

J (Hz) J (Hz) J (Hz)

Σταθερές σύζευξης J

HH

CH4

H3C CH3

H3C CH2 CH3

(CH3)3CH

HH

CH3OH

CH3CH2OH

(CH3)2CHOH

O CH3H3C

O CH3C CH3O

CH3NH2

S CH3H3C

0,22

0,23

0,86

1,33

1,56

1,44

3,38

3,56

3,85

3,24

3,67

2,46

2,12

CH3I

CH3Br

CH3Cl

CH3F

CH2Cl2

CHCl3CH3CN

CH3NO2

CH2H3C

H3C

CH3

H3C C CH3O

CH3COOH

CH3CHO

CH3COCl

2,15

2,69

3,06

4,27

5,30

7,27

2,00

4,33

1,70

2,31

2,07

2,10

2,20

2,67

HC CH

H2C CH2

HC CH CH3H3Ctrans-

H

H H

H

H

H H

H

CH=CH2

EtO2C CH=CH CO2Et

H

H

O H

H

H

H

O

2,88

5,28

5,46

5,78

6,42

6,665,1 - 5,6

6,83

5,59

6,37

4,65

5,39

6,88NH

H

N

CH3

H

H

H

H

H

H

7,27

7,10

NO2

HH

H

OCH3

HH

H

8,227,40

7,61

6,847,18

6,90

8,50

7,38

7,75

6,88

6,22

Χημικές μετατοπίσεις 1Η NMR 

δ δ δδ

Ενώσεις του τύπου CH2XΨ: Αλκένια:H

Sgem

Scis

Strans

δ = 5,28 + Sgem+ Scis + Stransδ = 0,23 + SX + SΨ

Υποκατεστημένα βενζόλια:

δ = 7,27 + ΣS

13C NMR της 1-πεντανόλης

Μία σάρωση

∆ιακόσιες σαρώσεις

Φάσμα 13C NMR του βρωμοαιθανίου, που δείχνει την πολυπλοκότητα της 13C−Η σχάσης. 

Η αποσύζευξη του υδρογόνου δίνει απλές γραμμές. 

Το 13C NMR φάσμα του μεθυλοκυκλοεξανίου με αποσύζευξη υδρογόνου δείχνει μόνον πέντε κορυφές, απεικονίζοντας την παρουσία πέντε διαφορετικών τύπων άνθρακα και αποκαλύπτοντας τη συμμετρία στη δομή. 

Αριθμός κορυφών 13C σε μερικά C7H14 ισομερή

CH4

H3C CH3

H3C CH2 CH3

(CH3)3CH

S CH3H3C

CH3I

CH3Br

CH3Cl

CH3F

CH2Cl2

CHCl3

CH3CN

CH3NO2

5,9

16,1

25,2

27,2

19,5

-20,5

10,2

25,1

75,4

53,4

77,7

0,3

57,3

-2,5 CH3OH

C CH3C

H

CH3

H3C C CH3O

49,2

17,3

21,3

30,2

H

CH3

C OH

C OR

49 - 70

59 - 75

C NR2 25 - 55

C CH 67 - 70

C CR 74 - 85

C N 117 - 130

C CH2

HC CH CH3H3C

~ 110

C CHR 120 - 140

C CR2 140 - 165

O

C C C

CH3

123,3

128,4149,8

75 - 97

200 - 215

128,7

137,8

129,3128,5

125,6

NO2

148,3

123,4129,5

134,7

N 135,9

123,9150,2

Αλκένια - Αρένια 100 - 170

C CH2 107,7H3C

H3C

Χημικές μετατοπίσεις 13C NMR

δδ δ

13C NMR βουτανόνης

13C NMR 4‐βρωμοακετοφαινόνης

Φάσματα DEPT‐NMR της 6‐μεθυλο‐5‐επτεν‐2‐όλης 

(α) Φάσμα με αποσύζευξη ευρείας ζώνης. Καταγράφονται οι  κορυφές και των οκτώ ανθράκων.

(β) Φάσμα DEPT‐90. Καταγράφονται μόνον οι  κορυφές των δύο ανθράκων CH.

(γ) Φάσμα DEPT‐135. Καταγράφονται θετικά σήματα  για τους δύο άνθρακες CH και τους τρεις CH3 και αρνητικά σήματα για τους δύο άνθρακες CH2.

MRI σάρωση σώματος 

Απεικόνιση  μαγνητικού συντονισμού  (ΜRI)

MRI της περιοχής του λαιμού ενός ασθενούς με αυχενική συριγγομυελία 

Μια ψευδούς χρώματος απεικόνιση MRI ενός φυσιολογικού ανθρώπινου γόνατος, όπου φαίνονται οι αρθρικές επιφάνειες της κνήμης και του μηριαίου οστού.

MRI σάρωση εγκεφάλου που αποκαλύπτει έναν όγκο. Η σάρωση αυτή χρησιμοποιήθηκε σε υποβοηθούμενη από ηλεκτρονικό υπολογιστή εγχείρηση εγκεφάλου με laser. Η διακεκομμένη πράσινη γραμμή είναι το σημείο της χειρουργικής επέμβασης.