Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (Kernspinresonantie spectroscopie)

Toepassingen van NMR-spectroscopie Structuuropheldering van (vaak) organische verbindingen Identificatie van onbekende stoffen (meestal in combinatie met andere technieken) Ruimtelijke structuur Moleculaire beweging Beeldvorming (MRI)

Doel van dit college: Uitleggen hoe je NMR kan gebruiken voor het identificeren van organische verbindingen, zonder ons al te druk te maken over de details van de fysische en mathematische achtergronden.

NMR Spectroscopie • Spectroscopie i.h.a. is gebaseerd op overgangen tussen (energetisch) verschillende toestanden. Deze overgangen kunnen plaatsvinden als er straling wordt aangeboden waarvan de energie overeenkomt met het energieverschil tussen de toestanden (resonantie). E1 E2 E1 E2 Emissie Absorptie E

Deze toestanden ontstaan bij NMR uit de de magnetische aktiviteit van kernen met een oneven aantal protonen en / of neutronen Zo’n kern heeft een (magnetische) spin I. In de aanwezigheid van een extern magneetveld is er een verschil in energie tussen spin omhoog en spin omlaag.

E = h/2  B0   Zeeman diagram Energie Spin omlaag, anti-parallel Magnetic field Spin omlaag, anti-parallel E Spin omhoog, parallel E = h/2  B0  

E = h/2  B0   = h Gyromagnetische Planck constante verhouding Magnetische veldsterkte De gyromagnetische verhouding is verschillend voor verschillende soorten kernen. Conclusie: in een magneetveld B0 (veldsterkte in tesla), komt elke kern in resonantie bij zijn eigen frequentie.

Laten we een magneetveld van 7 tesla nemen: CH3 C O P O CH3 H F 13C 31P 19F 1H 100 200 300  (MHz) Straling zit in het radiogolfgebied Waar hoort zuurstof in dit plaatje?

Kern I Voorkomen (%) 1H ½ 99.985 2H 1 0.015 12C 98.892 13C 1.108 14N Kernspin quantum getallen (I) en voorkomen Kern I Voorkomen (%) 1H ½ 99.985 2H 1 0.015 12C 98.892 13C 1.108 14N 99.63 16O 99.963 19F 100.0 29Si 4.70 31P aantal standen: 2I+1

NMR spectrometer, basaal

NMR spectrometer, uitgebreid.

MRI

Laten we naar 1H kernen (protonen) kijken. We weten  ( 26.75 · 107 T-1 s-1) Onze NMR magneet heeft een veldsterkte van 7 T. De resonantiefrequentie is ongeveer 300 MHz. Is deze frequentie gelijk voor alle H-atomen in het molekuul? Gelukkig niet! De frequentie wordt beïnvloed door de chemische omgeving van de protonen, verschillende aangrenzende atomen/groepen zorgen voor verschillende resonantiefrequenties.

 B0  = 2  De resonantiefrequentie van een kern hangt af van B0. 2  Onthoud: In een molekuul wordt de kern afgeschermd door een elektronenwolk. De elektronen bewegen in een magneetveld en genereren zelf een klein magneetveld BEL, in de richting tegen B0 in. Het locale veld BLOC ‘gevoeld’ door de kern is B0 – BEL Verschillen in electronische omgeving leiden tot verschillen in resonantiefrequentie

NMR spectrum d: chemische verschuiving (chemical shift) absorption TMS: Si(CH3)4 d = 0 ppm d (ppm)

De chemische verschuiving  is onafhankelijk van B0. Spectra opgenomen met verschillende magneten kunnen vergeleken worden!  heeft kleine waarden en wordt daarom vermenigvuldigd met 106 en uitgedrukt in ppm (parts per million).

Waarom TMS (tetramethylsilaan)? Het is een referentie voor zowel H, C als Si. Door de elektronegativiteit van Si, zijn de  waarden van 1H en 13C in TMS lager dan in bijna elke andere verbinding. Het geeft slechts één signaal voor elke kern. Het heeft een laag kookpunt (26 oC) en kan dus eenvoudig uit een monster verwijderd worden.

Signaal  (ppm) 5 10 Schaal van 0 .. 12 ppm voor 1H 5 10 Schaal van 0 .. 12 ppm voor 1H Schaal van 0 .. 220 ppm voor 13C afscherming minder meer TMS signaal Bloc = B0 (1-sigma) TMS: sigma groot, Bloc klein, v klein, delta klein CHCl3: sigma klein, Bloc groot, v groot, delta groot.

1H NMR chemical shifts

Invloeden op de chemical shift, een voorbeeld CH3Cl CH3Br CH3I Wat verwachten we? Halogenen trekken elektronen naar zich toe, waardoor de protonen minder afgeschermd zijn. Elektronegativiteit is het hoogst voor Cl, laagst voor I Protonen in CH3Cl zullen het minst afgeschermd zijn. Protonen van CH3Cl zullen de hoogste chemische shift hebben, die van CH3I hebben de laagste chemische shift.

CH3I bron: SDBS (www.aist.go.jp)

CH3Br bron: SDBS (www.aist.go.jp)

CH3Cl bron: SDBS (www.aist.go.jp)

Wat gebeurt er wanneer we Cl-atomen toevoegen? Meer Cl-atomen  meer elektronegatieve substituenten Elektronen worden meer van de protonen weggetrokken. De chemische shift van de protonen zal groter worden met toenemend aantal Cl-atomen.

CH3Cl Chloormethaan bron: SDBS (www.aist.go.jp)

CH2Cl2 Dichloormethaan bron: SDBS (www.aist.go.jp)

CHCl3 Chloroform bron: SDBS (www.aist.go.jp)

ANDERE INVLOEDEN OP d Hybridisatie (sp3, sp2, sp) Aromaticiteit H-brug vorming en nog andere faktoren

13C NMR spectra 13C-NMR is minder gevoelig dan 1H-NMR. Slechts 1% van koolstof komt voor als 13C in de natuur. Bovendien is koolstof minder gevoelig (g). Langere metingen zijn nodig en grotere hoeveelheden monster worden gebruikt. In het spectrum staat elke lijn voor één ‘soort’ koolstof in een molecuul. Chemisch equivalente koolstofatomen hebben dezelfde chemische shift.

CHEMISCHE VERSCHUIVINGEN zie ook p. 140

Intensiteit van de signalen In 13C spectra kan de integraal (=oppervlakte) van de pieken ruwweg gebruikt worden om de relatieve aantallen van chemisch verschillende koolstoffen te bepalen. Eén uitzondering: koolstofatomen zonder waterstof eraan hebben minder intense signalen.

1-Hexeen bron: SDBS (www.aist.go.jp)

2-butanol bron: SDBS (www.aist.go.jp)

3-pentanon bron: SDBS (www.aist.go.jp)

Invloed van symmetrie: Dipropyl ether en ethyl propyl ether Hoeveel chemisch verschillende koolstofatomen in elk molecuul?

bron: SDBS (www.aist.go.jp)

bron: SDBS (www.aist.go.jp)

1H-NMR Gevoeliger dan 13C-NMR. Bijna alle waterstof komt voor als 1H in de natuur. Een standaard spectrum is 16 scans, dat duurt 1 minuut. Spectra complexer dan 13C-spectra, maar dat levert meer informatie op. Vaker gebruikt dan 13C-NMR.

Chemische shift zit gewoonlijk tussen 0 en 12 ppm.

Integralen De oppervlakte onder de pieken in een 1H-NMR spectrum kan worden gebruikt om de verhoudingen van protonen voor die signalen te bepalen (p. 137-139). Voorbeeld: ethanol CH3CH2OH 3 soorten H  3 signalen Intensiteit 3 : 2 : 1 Voorbeeld 2: butaan CH3CH2CH2CH3 2 soorten H  2 signalen Intensiteit 6 : 4 = 3 : 2

Azijnzuur CH3COOH bron: SDBS (www.aist.go.jp)

Wanneer een mengsel van stoffen wordt gemeten, zie je in het spectrum de som van de signalen van de individuele stoffen. Opgave 2

• Verschillende spins in elkaars nabijheid beinvloeden elkaar SPIN-SPIN KOPPELING • Verschillende spins in elkaars nabijheid beinvloeden elkaar (door de bindingen) spin 1 spin 2 • De aanwezigheid van spin 2 splitst het signaal van spin 1 in twee lijnen van gelijke intensiteit. • Evenzeer wordt spin 2 opgesplitst door spin 1. • Het energieverschil tussen de de lijnen wordt koppelingsconstante genoemd (in Hz). • Effekt meestal (maar niet altijd) beperkt tot drie bindingen. • Protonen die elkaar opsplitsen hebben dezelfde koppelingsconstante.

• Identieke kernen splitsen elkaar niet op. aantal buren KOPPELINGSPATRONEN patroon 0 singulet 1 doublet 2 triplet 3 kwartet 4 kwintet intensiteiten CH3 signaal: triplet CH2 signaal: kwartet • Uit het koppelingspatroon kun je het aantal naburige H-atomen afleiden. • Identieke kernen splitsen elkaar niet op.

WAT VERTELT EEN 1H NMR SPECTRUM JE? • Aantal signalen: hoeveel verschillende typen H-atomen aanwezig? • Chemische verschuiving: welke functionele groepen? • Integraal: hoeveel H-atomen dragen bij aan een signaal? • Koppelingspatroon (multipliciteit): hoeveel buren?

Signalen van het oplosmiddel Meestal worden gedeutereerde oplosmiddelen gebruikt. CDCl3, C6D6, aceton-d6, DMSO-d6, D2O Geen 1H in het oplosmiddel, nou, bijna geen. In CDCl3 is 0.1% CHCl3 aanwezig. Signaal bij 7.26 ppm. Voor 13C-NMR : dezelfde oplosmiddelen. CDCl3 signalen: drie signalen (verhouding 1:1:1) bij 77 ppm.

Uitwisselbare protonen -COOH -OH -NH2 Protonen die uitwisselen geven vaak brede pieken. De integraal wordt niet beïnvloed door deze verbreding. Koppeling van –OH en –NH2 groepen met andere protonen wordt meestal niet waargenomen. De chemische verschuiving van dit soort protonen kan sterk varieren.

CH3CH2OH bron: SDBS (www.aist.go.jp)