PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAJezgra izotopa koja imaju neparan broj protona i neutrona, ili oba, pokazuju mehani ki spinski fenomen koji je vezan za ugaoni moment jezgra (Q). Ovaj ugaoni moment karakteri e nuklearni spinski kvantni broj (I) koji se mo e prikazati jednako u:

1 I! n 2gde je n=0, 1, 2, 3, ... Ona jezgra kod kojih je I=0 nemaju spinski ugaoni moment i ne pokazuju magnetni rezonancioni fenomen (jezgra 12C i 16O). Jezgra kod kojih je I=1/2 (na primer, 1H, 19F, 13C, 31P i 15N) i I=1 (2H i 14N) su spin aktivna jezgra i stupaju u rezonanciju sa RF zra enjem.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAKako je za atomsko jezgro vezano naelektrisanje okretanje jezgra stvara malu elektri nu struju i ima ograni eno magnetno polje zajedno sa njim. Magnetni dipol jezgra (Q) zavisi od vrste jezgra.

Kada se jezgra, koja se haoti no kre u zbog termalnih energija molekula, postave u spolja nje magnetno polje tada nuklearni ugaoni magnetni moment te i da ih upravi prema primenjenom magnetnom polju. Za jezgra koja imaju I=1/2 postoje dve mogu e orijentacije jezgara: paralelno sa spolja njim poljem (ni a energija) i suprotno sa spolja njim poljem (vi a energija). Kako je paralelna orijentacija sa ni om energijom, ve i broj jezgara ima ovu orijentaciju u odnosu na antiparalelnu koja ima vi e energetsko stanje.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJA

Orijentacija jezgara pre dejstva spoljneg magnetnog polja Ho (a.) i pod dejstvom spolja njeg magnetnog polja Ho (b.).

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAUkoliko se orijentisana jezgra izlo e zra enju elektromegnetnih zraka odgovaraju e frekvencije tada e jezgra sa ni om energijom apsorbovati kvant energije i pre i na vi i energetski nivo. Kada se ova spinska promena odigra za jezgro se ka e da je u rezonanciji sa primenjenim zra enjem i metoda koja detektuje ove promene naziva se nuklearna magnetna rezonancija (NMR).I=1/2, m=+1/2,-1/2 ENERGIJA Ho m=-1/2 bez polja primenjeno polje Ho m=-1/2

Ho

m=+1/2

m=+1/2

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJANuklearna magnetna rezonancija je apsorpcija radiofrekventnog zra enja od strane jezgra u jakom magnetnom polju. Apsorpcija zra enja prouzrokuje da se spinovi jezgara izjedna e ili brzo predju na vi i energetski nivo. Nakon prestanka zra enja jezgra otpu taju (reemituju) apsorbovanu energiju radiofrekventnog zra enja i vra aju se u stanje ni e energije.

Koli ina elektromagnetnog zra enja potrebna za rezonanciju zavisi od snage spolja njeg magnetnog polja (Ho) i od karakteristika jezgra koje se ispituje. Jezgro protona postavljeno u polje od 14100 gausa posti e rezonanciju kada se ozra i elektromagnetnim zra enjem od 60 MHz (mikrotalasno zra enje). Vi a magnetna polja, koja se posti u kod superprovodnih magneta, zahtevaju ve u energiju zra enja i dobija se odgovaraju a, vi a rezolucija.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAHEMIJSKO POMERANJE

Po to je magnetni dipol nekog jezgra (Q) konstantna vrednost mo e se predpostaviti da e ista jezgra u nekom molekulu imati isti spinski prelaz na ta noj vrednosti primenjene frekvencije u datom primenjenom magnetnom polju (Ho). Medjutim, kod organskih molekula to nije slu aj. Razlog je to elektroni u molekulu imaju malo magnetno polje koje te i da se suprotstavi primenjenom polju zakljanjaju i jezgro od pune snage primenjenog polja. Ve a elektronska gustina e biti, prema tome, ve a za tita pa e jezgro koje je bogato elektronima u svom okru enju da se vidi na ve oj vrednosti primenjenog polja u odnosu na jezgro za manjim elektronskim okru enjem.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJARezultat je pomeranje NMR signala nekog jezgra u odnosu na referentni signal i naziva se hemijsko pomeranje. Protoni ili ugljenikovi atomi vezani za elektronegativne atome e biti neza ti eni i njihovi signali e imati ve e hemijsko pomeranje (manja vrednost primenjenog magnetnog polja). Polo aj signala se izra ava u jedinicama bez dimenzija (H-jedinicama, ppm) i polo aj signala se defini e jednako u:

R R s 6 H! 10 ppm Rogde je R-Rs razlika frekvencija posmatranog signala i standarda (Hz), a Ro radna frekvencija instrumenta (Hz).

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAFaktor 106 se uvodi u jedna inu da bi se dobili celi brojevi za H vrednosti jer je brojilac R-Rs pribli no milion puta manji od imenioca. Skala u 1H NMR spektroskopiji se eksperimentalno dovodi na nulu NMR apsorpcijom molekula tetrametilsilana (TMS). Kod TMS su svih 12 protona veoma za ti eni u odnosu na ve inu organskih molekula:

CH3 CH3 C CH3Skala u protonskoj NMR spektroskopiji je generalno u opsegu od 0-12 ppm.

CH3

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAU 1H NMR spektroskopiji protoni jednostavnih ugljovodonika apsorbuju u oblasti H}0,5-1,5 ppm, protoni na ugljenikovom atomu vezanom za karbonilnu grupu su pomereni na H}2,0 ppm, elektronegativni atomi (kiseonik ili halogeni) pomeraju E-protone na H}3-4 ppm, alkenski protoni su pomereni u oblast oko H}5-6 ppm, aromatski protoni su na H}7-8 ppm, aldehidni protoni na H}10 ppm i najza ti eniji protoni su iz karbonskih kiselina sa vrednostima za hemijsko pomeranje od H}12 ppm.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAIntenzitet apsorpcije za datu klasu jezgara (sa navedenim hemijskim pomeranjem) je proporcionalan broju protona koji daju signal. Meri se povr ina ispod posmatranog signala (dobija se njegovom integracijom) koja je direktno proporcionalna broju istih protona (hemijski i magnetno ekvivalentnih) u molekulu. Integracija se uobi ajeno daje kao jednostavan odnos celih brojeva, na primer, sir etna kiselina, CH3COOH, daje dva signala u protonskom NMR: jedan na H}2 ppm sa povr inom jednakom 3 i drugi na H}12 ppm sa povr inom jednakom 1. U primeru metilacetata, CH3COOCH3, takodje, dobijaju se dva signala: prvi na H}2 ppm i povr inom jednakom 1 i drugi na H}4 ppm i povr inom 1 (relativni odnosi za oba signala su isti, ali oni predstavljaju po tri vodonika).

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJASPINSKO KUPLOVANJE I RAZLAGANJE SIGNALA Za molekul kao to je dietiletar, CH3CH2OCH2CH3, mo e se predvideti da u protonskom NMR spektru daje dva signala: za CH3 grupu u oblasti oko H}1 ppm i za CH2 grupu pomerenu na oko H}4 ppm zbog uticaja elektronegativnog kiseonika. Na snimljenom 1H NMR spektru jasno se uo avaju dve grupe signala:

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAPojava multipliciteta je fenomen poznat kao spinsko kuplovanje (ili spinsko sprezanje) i nastaje zbog interakcije magnetnog polja protona sa vezuju im elektronima u molekulu. U su tini svaki proton mo e imati jednu od dve mogu e spinske orijentacije u primenjenom spolja njem magnetnom polju Ho tako da magnetno polje susednih protona mo e da ima jednu od dve mogu e vrednosti. Rezultat je da e n protona razlagati susedne protone na n+1 signala. Intenziteti ovih signala su jednostavno rezultat mogu e orijentacije spinova tako da protoni CH2 grupe mogu imati slede e spinske mogu nosti:

. .

:

.

. .

.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJADva para u sredini su degenerativni tako da e se proton u susedstvu CH2 grupe razlo iti u tri razdvojena signala u odnosu 1:2:1. Razdvojenost izmedju ovih signala se naziva konstanta kuplovanja, J, koja se meri u Hz i uobi ajena vrednost za J ne prelazi 20 Hz. Va no je znati da e grupe protona koji se kupluju uvek pokazivati ta nu vrednost konstante kuplovanja.

U spektru dietiletra CH3 grupa je razlo ena od dva protona sa susedne CH2 grupe u tri signala (triplet), a CH2 grupa je razlo ena 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.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJANMR spektar metilizopropiletra, CH3-CH(CH3)2, e imati, prema tome, tri tipa signala: protone metil grupe vezane za kiseonik sa hemijskim pomeranjem H}4 ppm, metinski proton sa hemijskim pomeranjem u istoj oblasti i protone metil grupa iz izopropil grupe sa hemijskim pomeranjem na H}1 ppm. Protoni iz CH3 grupe vezane za kiseonik e dati jedan signal (singlet) jer nemaju u susedstvu protone sa kojim bi mogli da se kupluju. Proton iz CH grupe e se razlo iti na sedam signala jer se u susedstvu nalazi 6 ekvivalentnih protona iz dve CH3 grupe izopropil grupe. Protoni magnetno ekvivalentnih CH3 grupa (6 protona) e se razlo iti na dva signala (dublet) zbog prisustva susedne CH grupe:1H

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJA

Efekat razlaganja signala se uobi ajeno prikazuje kori enjem grananja razlaganja koje opisuje osnovnu apsorbanciju koja se razla e sa konstantom kuplovanja J na n+1 signal.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAKao to se o ekuje deuterijum (2H) sa spinom jednakim 1 se ne vidi u 1H NMR spektru. Metilenska grupa, vezana za brom, je hemijski pomerena na H=3,40 ppm, a metilenska grupa vezana za kiseonik na H=3,75 ppm. Obe grupe se javljaju kao prosti tripleti jer je svaka razlo ena 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 slo eno jer se njeni protoni razla u pod uticajem protona sa ugljenika a u triplet (J=15 Hz) i svaki od ovih signala dalje razla e pod uticajem protona sa ugljenika c u triplet sa konstantom kuplovanja J=12 Hz.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAHemijska pomeranja u 1H NMR spektru nekih funkcionalnih grupa

1. Elektronegativne grupe smanjuju za titu i uti u na pomeranje NMR signala susednih protona na ni e polje (vi a vrednost u ppm). 2. Protoni sa kiseonika ili azota imaju veoma razli ita hemijska pomeranja koja zavise od koncentracije, rastvara a, temperature, itd. 3. T-sistem kod alkena, aromati nih jedinjenja i karbonilnih jedinjenja sna no smanjuju za titu vezanog protona i pomera signal na ni e polje, a vi u vrednost u ppm.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAHemijsko pomeranje Za odredjivanje hemijskog pomeranja (H) veoma je va no 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 CR3CH 2-3 Alilni protoni X=CR-CHR2 2-4,5 Protoni pored heteroatoma X-CHR2 4,5-7 Vinilni protoni R2C=CHR 6,5-8 Aromati ni protoni ArH 10 Aldehidni protoni RCHO 12 Protoni karboksilnih kiselina RCOOH (brojni efekti uti u na navedene oblasti hemijskih pomeranja)

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJARazlaganje signala

Razlaganje signala u dublet, triplet, kvartet, itd je u vezi sa spinspin kuplovanjem izmedju jezgara sa spinskim kvantnim brojem razli itim od nule (I{0). Vodonik ima I=1/2, deuterijum I=1, ugljenik (12C) I=0 i ugljenik (13C) 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 razla e sa susednom metilenskom grupom.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAKuplovanje -OH grupa u 1H 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 mo e biti isti kao molekul koji otpu ta proton ili molekul rastvara a. Ovaj efekat se tipi no odvija kod protona -OH i -NH grupa, ali se mo e odigrati i kod drugih relativno kiselih protona.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAUkoliko se izmena protona odvija dovoljno brzo tada se ne e u 1H NMR spektru dobiti signal za kuplovanje sa susednim protonima. Razlog je to dolaze i proton ne mora da bude istog spinskog stanja kao i proton koji je napustio molekul (razli ite orijentacije: u pravcu polja ili suprotno od pravca polja). Na taj na in postoji mogu nost razli itog spinskog stanja to je osnova za normalno kuplovanje. Ukoliko je izmena veoma spora kuplovanje e se videti. Ukoliko je brzina izmene umerena do i e do delimi nog kuplovanja i dobijeni signali e biti ra ireni. Tragovi baze ili kiseline e katalizovati reakciju izmene protona.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJARastvara i

Ve ina NMR spektara se snima tako to se jedinjenja rastvaraju u rastvara ima. Na taj na in se dobijaju signali i za rastvara e pa se moraju uzeti u obzir kada se itaju spektri.

Da bi uklonili signale protona iz rastvara a u 1H NMR spektroskopiji se koriste deuterisani rastvara i. Kako nije mogu e dobiti 100 % deuterisani rastvara dobijaju se u spektrima signali za zaostale protone. U deuterisanom hloroformu (CDCl3) nalazi se mali procenat CHCl3 iji se signal vidi na H=7,26 ppm. U deuterisanom metanolu nalazi se udeo CHD2OD pa se dobija pentet signal na H=3,31 ppm (1:2:3:2:1). Ukoliko se zna da deuterijum ima spinski kvantni broj I=1 tada e n deuterijumovih atoma razlagati signal protona na 2I+1 signala.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAUobi ajena je praksa da se dodaje u uzorak tetrametilsilan (Me4Si) ili drugo odgovaraju e jedinjenje kao interni standard koje ima signal za proton na H=0,0 ppm. Noviji instrumenti imaju mogu nost da se signal za rastvara zadr i na ta noj vrednosti u ppm (lock signal) pa dodatak internog standarda nije neophodan.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJASignali rastvara a u NMR spektroskopiji Hemijska pomeranja (H) signala rastvara a u 1H NMR spektrima su data u Tabeli. Multiplicitet signala je dat u zagradi: (1)-singlet; (2)-dublet; (3)-triplet; (4)-kvrtet; (5)-pentet. Rastvara sir etna kiselina aceton acetonitril benzen hloroform dimetilsulfoksid metanol metilenhlorid piridin voda (D2O)1H

NMR hemijsko pomeranje (H; ppm) 11,65 (1); 2,04 (5) 2,05 (5) 1,94 (5) 7,16 (1) 7,26 (1) 2,50 (5) 4,87 (1); 3,31 (5) 5,32 (3) 8,74 (1); 7,58 (1); 7,22 (1) 4,8 (1)

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJASignal vode u NMR spektroskopiji Signali za vodu se javljaju na razli itim frekvencijama u 1H NMR spektrima zavisno od upotrebljenog rastvara a. Potrebno je napomenuti da se H2O vidi u aproti nim rastvara ima dok HOD se vidi u proti nim rastvara ima zbog izmene sa deuterijumom rastvara a.

PROTONSKA NMR SPEKTROSKOPIJAIzra unavanje stepena nezasi enja jedinjenja na osnovu bruto formule Iz molekulske formule jedinjenja mo e da se izra una stepen nezasi enja (SN) prema slede oj formuli:SN ! broj ugljenika broj vodonika halogeni broj azota 1 2 1

H C O F

PRIMER: 2-fluoro-4-aminobenzaldehid Bruto formula: C7H6FNOSN=7-(6+1)/2+1/2+1=5 postoje 4 dvostruke veze i jedan prstenNH2