Carbon-13 NMR

• 12C 은 핵스핀이 없음

• 13C 스핀이 있으나 1.1% 밖에 되지 않음

• 13C의 gyromagnetic ratio (자기회전비율

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1

• 13C의 gyromagnetic ratio (자기회전비율) 는 1H의 ¼ : 수소보다 낮은 진동수에서회전함 → 결과적으로 잉여 핵의 수가 줄어 들어 민감도가 떨어짐

• 신호는 약하고 노이즈와 구별 힘듦

• 수백 번 측정하여 평균됨

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2

+1/2

ω = 60 MHz

hn

hn = hω

n = 60 MHz

-1/2

Ho

Absorption occurs

자연계 존재비율

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3

Frequency(MHz) Excess Nuclei

20 3

40 6

60 9

80 12

작동 진동수에 따른 잉여핵의 변화

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4

80 12

100 16

200 32

300 48

600 96

Ø 잉여 핵으로 공명 관측된다Ø 위 아래 상태의 점유도가 같으면, 포화되면 시그널을 관측할 수 없다Ø 작동 진동수가 높으면 -> 민감도 증가 -> 공명 시그널 강해짐Ø 높은 진동수에서 더 많은 개수의 핵이 전이를 일으키기 때문임.

핵종이 자기공명을 일으키는 흡수 진동수와 외부자기장의 세기

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5

수소, ~ 15 ppm수소, ~ 15 ppm

수소, 탄소 간단 비교

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6

탄소 , ~ 220 ppm탄소 , ~ 220 ppm

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7

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8

13C / 1H 결합 스펙트럼

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9

13C NMR 의 특징

• 공명주파수가 수소의 ¼임

• H : 60 MHz = C : 15.1 MHz

• 피크의 세기는 탄소의 개수에 직접비례

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• 피크의 세기는 탄소의 개수에 직접비례하지않음

• 수소가 많이 결합된 탄소의 신호가 세개발생함

• NOE (Nuclear Overhauser Effect) : 탄소의 신호가 약해 수소의 신호를 빌려옴

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- 양자역학의 선택 규칙에 의해 화살표 방향대로만 전이 되어야 하나 이완과정은 동일한 선택 규칙을 따르지 않음

- 소량의 핵이 N4→N1 이완이 일어나며 점유도 차이를 유발하게 되고이것이 바로 수소-탄소 이종 핵 짝지움의 근원이됨

스핀-스핀 갈라짐

• 13C 의 갈라짐은 많이 중요하진 않음

• 13C 은 바로 결합된 수소와 인접 수소와 갈라짐으로 인해 매우 복잡하며 해석이 어려움

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12

움

수소 스핀 억제

• 탄소와 스핀-스핀 갈라짐을 하려는 수소는끊임없이 조사해 노이즈화 함으로 스펙트럼을 단순화 함

• 이에 따라 탄소는 평균의 수소와 스핀-스

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• 이에 따라 탄소는 평균의 수소와 스핀-스핀 갈라짐을 이루게 됨

• 따라서 모든 탄소는 수소와 갈라짐 없이한 개의 신호만을 얻게 됨

Off-Resonance Decoupling

• 13C 은 바로 붙은 수소에만 스핀-스핀짝지움을 함

• The N + 1 규칙에 적용받음

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• The N + 1 규칙에 적용받음

13C NMR의 해석• 다른 신호의 개수는 각기 다른 탄소의 개

수를 표시함

• 위치 (chemical shift)는 탄소에 붙은 작용기의 종류에 따라 다름

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용기의 종류에 따라 다름

• 피크의 면적은 탄소의 개수를 반영함

• off-resonance decoupled 스펙트럼은탄소에 결합한 수소의 개수를 표시함

13C NMR Spectra

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v Distortionless Enhancement by Polarization Transfer의 약자

v 짧은 시간에 스펙트럼의 S/N 비가 우수하면서도 탄소에 붙은 수소의 수를 구별

v 용매피크는 나타나지 않음 (중수소 치환 용매)

DEPT 측정

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v 45° pulse – CH, CH2, CH3 peak

v 90° pulse- CH

v 135° pulse- CH와 CH3 : positive

- CH2 : negative peak

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• 화학적 이동에 따라 상관표를 근거로 양성자의 종류를 예측함

• 적분곡선으로부터 각 신호에 해당하는 1H

스펙트럼 해석의 일반적인 순서

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• 적분곡선으로부터 각 신호에 해당하는 H 원자수의 비를 구함

• 교환 가능한 양성자가 예상되면 중수소교환 스펙트럼을 측정해 비교함

• 다중도를 체크함

• 높은 자기장을 가진 장치 활용

• 이중 공명 법 이용

• 동위원소 치환법 이용

복잡한 스펙트럼을 만난 경우

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• 동위원소 치환법 이용

• 화학적 이동 시약법 이용

• 다차원 NMR

• 저온 측정법 이용 등

분자구조

가장 기본적인 측정 방법으로 핵 스핀 양자수가 ½인 1H원자의 핵자기 공명현상을 측정하여

분자의 구조를 확인하는 방법

1H 측정

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25

AB C D

분자구조

질 량 : 30 mg

Scan 횟수 : 16 회

HOCH2

CH2O

C

O

C

CH2

CH3

ABCDE

E

(7.27ppm에서 나온 peak는 solvent peak 이다.)

기본적이 측정방법 중 하나로 탄소동위원소인 13C의 측정으로 분자의 탄소 골격을 알아 보기 위한

측정방법

13C 측정

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HOCH2

CH2O

C

O

C

CH2

CH3

ABCD

E

분자구조

측정횟수 : 2000회

질 량 : 30mg

측정시간 : 1시간20분

A

F

B C DEF

HOCH2

CH2O

C

O

C

CH2

CH3

ABCDE

v 각각의 H원자에 해당되는 공명 주파수를 보내 특정 H원자를 들뜨게 하여 해당 원자 주변에 있는

다른 원자들의 spin coupling을 제거한다

v 이 현상으로 직접 연결 되어 있는 수소 원자의 peak를 알아 내는 방법

v 본 data는 수소 원자 A의 공명 주파수를 보내서 들뜨게 한 후 측정 data 이다.

Homonuclear spin decoupling

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HOCH2

CH2O

C

O

C

CH2

CH3

AB C D E

A 에서 탄소간 거리가 멀리 있는 B의 H원자가spin decoupling으로 multiplet 에서 doublet으로갈라짐을 볼 수 있다.

v 특정 Peak 만을 제거 하고 그 영향이 다른 Peak 에 미치지 않도록 할 경우 사용하는 방법

v 일반적으로 물을 많이 포함한 Sample의 경우 이 방법을 사용하면 물의 Peak 만 제거하고

다른 Peak 에는 영향을 미치지 않도록 측정할 때 사용한다.

Homonuclear gated decoupling

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본 Data는 CDCl3 용액에 포화 되도록

H2O를 가한 후 새로 생긴 4.75 ppm 의

peak를 제거하여 측정한 data 이다.

v 동일 핵종간의 상호작용을 관찰함으로써 구조를 해석하고자 할 때,

v proton간의 vicinal coupling과 geminal coupling을 알 수 있음

H-H COSY 측정

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v 서로 다른 핵종간의 상호작용을 측정한 것

v 직접 결합하고 있는 핵들 간의 상호작용을 알고자 할 때 Carbon에 직접 연결된 Proton을 알 수 있음

C-H COSY (HETCOR, HMQC)

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NNE탄소의 경우 적분비가 적용이 안 되는데 NOE 현상을 제거한 후 측정하면 탄소의 정량 분석이 가능하

다. 일반적으로 대칭적인 화합물들의 탄소분석의 경우 대칭되는 탄소의 개수를 알 수 있다.

저온 및 고온 NMR

기타 분석법

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저온 및 고온 NMR분자간의 화합물의 동력학적 성질에 관한 연구 및 실온에서 불안정한 화합물등에 이용.

-140oC ~ 180oC 범위에서 측정 가능

NOE Spectroscopy2D NOE 실험으로보통동종핵간의 NOE 실험을함.

proton들간의 long-range coupling을측정한것으로,이들간의공간적인 connectivity를알수있음.