Vaje iz spektroskopijeDarko Dolenc

4. JEDRSKA MAGNETNA RESONANCA

4.1 UvodJedrska ali nuklearna magnetna resonanca (NMR) je dandanes najbolj uporabljana spektroskopska tehnika v organski kemiji. NMR spektri dajejo med vsemi daleč največ podatkov o zgradbi molekul. Izrazito primerna je za študij strukture organskih spojin, saj z njo največkrat opazujemo jedra atomov vodika, ogljika in nekaterih drugih elementov, ki so v organskih molekulah najbolj pogosti. Zato so NMR začeli uporabljati najprej organski kemiki. Z razvojem zmogljivejših spektrometrov, ki omogočajo opazovanje vse večjega števila jeder, pa se je njena uporaba razširila tudi na druga področja kemije. Uporabljamo jo lahko povsod tam, kjer nastopajo elementi z magnetno aktivnimi jedri, teh pa je kar znatno število. Njena velika moč je v tem, da omogoča opazovanje prisotnosti atomov določenih elementov v molekulah, količino teh atomov, odnose med njimi in z drugimi atomi ter še celo vrsto stvari, kot so dinamični pojavi v molekulah itn. V posebni obliki jo lahko uporabimo za tridimenzionalno slikanje notranjosti predmetov in celo človeškega telesa (magnetno-resonančna tomografija, angl. magnetic-resonance imaging, MRI) s katerim odkrivamo nepravilnosti v zgradbi ali delovanju organizma in žarišča bolezni. V primerjavi z UV ali IR spektrometrijo zahteva NMR precej dražje aparature, katerih cene dosegajo nekaj sto tisoč pa celo čez milijon evrov.

Tabela 4.1 Magnetne lastnosti izbranih jeder

Izotop Delež v naravi

(%)

Spinsko kvantno število I

Magnetni moment

El. kvadrup. Moment

(e 10-24 cm2)

Frekvenca pri 7,00 T (MHz)

Relativna občutlj.

1H 99,984 1/2 2,79268 300,13 12H 1,6 x 10-2 1 0,85739 2,8 x 10-3 46,07 0,096410B 18,8 3 1,8005 7,4 x 10-2 32,25 0,019911B 81,2 3/2 2,6880 3,6 x 10-2 96,29 0,16512C 98,9 013C 1,1 1/2 0,70220 75,47 0,015914N 99,64 1 0,40358 7,1 x 10-2 21,68 0,0010115N 0,37 1/2 -0,28304 30,41 0,0010416O 99,76 017O 3,7 x 10-2 5/2 -1,8930 -4,0 x 10-3 40,69 0,029119F 100 1/2 2,6273 282,40 0,83428Si 92,28 029Si 4,70 1/2 -0,55548 59,63 0,078531P 100 1/2 1,1305 121,49 0,066435Cl 75,4 3/2 0,82091 -7,9 x 10-2 29,41 0,004737Cl 24,6 3/2 0,68330 -6,2 x 10-2 24,48 0,0027Dodaj opombe k tabeli!

4.2 Nekaj teorije

4.2.1 Jedrski spin in resonancaAtomska jedra imajo pozitiven naboj, nekatera med njimi pa tudi spin. Spin si v klasični fiziki lahko predstavljamo kot vrtenje nabitega delca, pri čemer nastane majhno magnetno polje.

Slika 4.1 Jedrski spin si predstavljamo kot vrtenje atomskega jedra, pri čemer nastane magnetno polje z magnetnim momentom μ.

Smer takega spina in z njim povezanega magnetnega momenta je poljubna, vse orientacije v prostoru imajo enako energijo. Če tak delec postavimo v zunanje magnetno polje z magnetno gostoto B pa nimajo več vse orientacije enake energije. Atomski magnetek se pri interakciji z zunanjim poljem orientira tako, da se njegov magnetni moment postavi bolj ali manj vzporedno z B ali nasprotno od njega, ali pa pravokotno nanj. V splošnem je mogočih več stanj, katerih število je odvisno od spinskega kvantnega števila I.

Tabela 4.1 Jedrska spinska kvantna števila (I) nekaterih nuklidovI Nuklid0 12C, 16O1/2 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si,31P, 95Pt1 2H, 14N3/2 in več 11B, 17O, 23Na, 27Al, 35Cl ...

Število možnih energijskih stanj je 2I+1. Slika 4.2 prikazuje projekcijo vektorja μ na os z (smer zunanjega magnetnega polja, B).

Slika 4.2 Število energijskih stanj za jedra s spinskim kvantnim številom I = 1/2 je dve, za tista z I = 1 pa tri.

Najpopularnejša atomska jedra v NMR spektroskopiji so tista z I = 1/2 (1H, 13C, 19F ...). Ta imajo dve energijski stanji. Razlika v energijah teh stanj je sorazmerna z magnetno gostoto B (enota je Tesla, T).

Slika 4.3 Energijska razlika med dvema orientacijama jedrskega magnetka je sorazmerna z gostoto magnetnega polja B. mI je projekcija spina I na os z.

Razliko energij za jedro s spinskim kvantnim številom 1/2 opisuje naslednja enačba:

(1)

kjer je ν frekvenca elektromagnetnega valovanja s katerim vzbujamo jedra, h Planckova konstanta, B pa gostota zunanjega magnetnega polja. Konstanto imenujemo žiromagnetno razmerje ali žiromagnetni faktor, katerega vrednost je odvisna od vrste jedra. V podrobnejše razlage in izpeljave se tukaj ne bomo spuščali, pomembna pa je ugotovitev, ki je razvidna tako iz enačbe kot iz slike, da je razlika energij dveh spinskih stanj proporcionalna gostoti magnetnega polja. Iz znane zveze med energijo fotona in frekvenco valovanja lahko zaključimo, da je frekvenca elektromagnetnega valovanja, s katerim povzročimo preskok med dvema spinskima stanjema, sorazmerna gostoti zunanjega magnetnega polja.

4.2.2 Populacija energijskih nivojevRazlika v energiji dveh spinskih stanj je pravzaprav zelo majhna. Za atomsko jedro 1H ta znaša v magnetu običajnega spektrometra z gostoto polja B = 7 T le 0,119 J mol–1. Termična energija molekul (RT) pa je pri 25 °C 2478 J mol–1, torej več kot 2×104 krat višja. Zaradi tega je razlika med zasedenostjo energijsko višjih in nižjih stanj zelo majhna. Po Boltzmannu je razmerje med številom molekul v višjem in tistih v nižjem energijskem stanju naslednje:

(2)

k je Boltzmannova konstanta (R/NA). S to enačbo lahko izračunamo, da je razlika med številom atomskih jeder na nižji in višji energijski ravni le 1 jedro od približno 20 000. NMR spektroskopija temelji prav na vzbujanju atomskih jeder z nižje ravni na višjo. Ker je število jeder, ki jih lahko vzbujamo zelo majhno, je občutljivost metode relativno majhna. Signali, ki jih dobimo iz spektrometra so šibki, zato je potrebna razmeroma visoka koncentracija vzorcev in večkratno ponavljanje snemanja. Razlika v energijah spinskih stanj je sorazmerna z gostoto magnetnega polja (B), zato je občutljivost instrumentov z močnejšimi magneti višja.

4.2.3 NMR spekterPodobno kot pri infrardeči spektrometriji imamo tudi pri NMR dve vrsti instrumentov. Pri obeh vrstah postavimo vzorec, ki vsebuje magnetno aktivna atomska jedra, v močno magnetno polje in ga obsevamo z elektromagnetnim valovanjem primerne frekvence. Pri starejših instrumentih (kontinuirni način) se je vzorec stalno obseval z vzbujevalnim signalom, katerega frekvenca se je zvezno spreminjala prek določenega območja (ali pa so pri stalni frekvenci spreminjali gostoto magnetnega polja).

Moderni instrumenti delujejo pulzno. Z močnim kratkim pulzom radiofrekvenčnega valovanja vzbudimo vsa jedra (enega nuklida) v vzorcu. Vzbujena jedra se počasi iznihavajo (relaksirajo), sprejemna tuljava pa sprejema signale, ki jih jedra oddajajo. Ti signali vsebujejo vse frekvence, ki jih oddajajo jedra v molekuli preiskovane snovi. Signale iznihavanja jeder zapišemo v spomin računalnika in jih obdelamo s Fourierovo transformacijo. S tem postopkom pretvorimo zapis nihanja iz časovne domene v frekvenčno; iz zapisa nihanja po času dobimo zapis nihanja po frekvenci – spekter.

Slika 4.4 Levo: iznihavanje 1H jeder po vzbujevalnem pulzu (angl. Free Induction Decay, FID). Desno: 1H NMR spekter 4-metilbenzil klorida, nastal s Fourierovo transformacijo iz zapisa iznihavanja (FID)

Pulzni način snemanja ima več prednosti pred kontinuirnim. Ena od njih je, da je snemanje bistveno hitrejše. Za en posnetek potrebujemo nekaj sekund, snemanje na instrumentu s kontinuirnim načinom je trajalo tipično 5 minut. Posnetke lahko ponavljamo, s čimer izboljšamo razmerje med koristnim signalom in šumom. To omogoča snemanje spektrov z majhno količino vzorca in snemanje spektrov takih jeder, ki jih je v naravnem elementu malo (13C ali 15N). Za posnetje protonskega (1H) spektra potrebujemo tipično nekaj miligramov spojine, snemanje pa opravimo v približno 1 minuti. S podaljšanim časom snemanja pa lahko dobimo uporaben spekter z manj kot 1 mg spojine.Poleg tega tak način snemanja omogoča zasledovanje različnih interakcij med atomskimi jedri v molekulah. Vzbujamo npr. jedra 13C, počakamo, da se magnetizacija prenese na jedra 1H v bližini in posnamemo protonski spekter. Tako lahko preučujemo odnose med različnimi jedri v molekulah. Za občutljivost snemanja in za kvaliteto spektrov je odločilnega pomena gostota magnetnega polja v instrumentu, od česar je odvisna tudi cena spektrometra. Navadno kvalitete spektrometra ne izražamo z enotami za gostoto magnetnega polja (Tesla), temveč s frekvenco, pri kateri resonirajo protoni. Tako so bili nekoč običajni 60 MHz aparati (z gostoto magnetnega polja 1,4 T), tipični rutinski instrumenti dandanes so 300 MHz (7 T) ali 400 MHz (9,4 T), vrhunski raziskovalni spektrometri pa dosegajo frekvence do 1 GHz.

4.2.4 IntegralIntenziteta signala, ki ga dajejo atomska jedra pri iznihavanju je sorazmerna z množino teh jeder. V protonskih spektrih lahko iz relativnih intenzitet vrhov v spektru izračunamo razmerja med številom protonov, ki jih predstavljajo posamezni vrhovi. Spektralni vrhovi so različno široki in visoki, zato ne merimo višine vrhov, temveč njihovo ploščino, ki jo imenujemo tudi integral. Vrednosti integralov so relativne; navadno nastavimo enega od njih na vrednost 1, vsi ostali pa kažejo števila protonov relativno na tega.Z integrali si lahko pomagamo tudi pri kvantitativni analizi zmesi. Iz njih lahko izračunamo relativna razmerja posameznih spojin v zmesi, seveda, če vemo, kakšne atomske skupine predstavljajo posamezni vrhovi v spektru.Vrednosti integralov v protonskih spektrih so dokaj zanesljive, čeprav se pri njih pojavljajo nekatere napake. Vrhovi metilnih skupin pri majhnih kemijskih premikih kažejo navadno nekoliko višje integrale kot vrhovi iz bolj levega področja spektra (običajno <10 %). To napako je treba upoštevati pri izračunavanju števila jeder v posamezni atomski skupini. Izmenljiva jedra (razširjeni vrhovi) pa imajo navadno integrale nekoliko nižjih vrednosti.Vrednosti integralov so poleg protonskih dokaj zanesljive še v 19F in 31P spektrih. Pri 13C pa so integrali močno odvisni še od hitrosti iznihavanja jeder, tj. od relaksacijskih časov, ki so zelo različni

in za nekatera jedra zelo dolgi. Tako integrali v spektrih 13C ne kažejo dejanskih razmerij med številom jeder in jih zato navadno ne merimo in ne podajamo.

4.2.5 Priprava vzorcevVzorci za NMR spektroskopijo so večinoma raztopine. Snemanje spektrov trdnih snovi, iz razlogov, ki jih na tem mestu ne bomo razlagali, ni mogoče. Spektre trdnih snovi lahko snemamo pod posebnimi pogoji (vrtenje vzorca pod določenim kotom in z določeno hitrostjo) s prirejenimi snemalnimi glavami, vendar so ti spektri drugačni.Navadno želimo posneti spekter preiskovane spojine brez tega, da bi v spektru videli še intenzivne vrhove topila. Za snemanje 1H spektrov uporabljamo topila, ki ne vsebujejo tega izotopa. Tako topilo, ki sploh ne vsebuje vodika, je npr. tetraklorometan. V praksi ga redko uporabljamo, ker je zelo slabo polaren in je slabo topilo. Največkrat uporabljamo topila, ki sicer vsebujejo vodik, vendar je ta prisoten v obliki izotopa 2H (devterirana topila). Pripravijo jih tako, da protij v njih v večji ali manjši meri zamenjajo z devterijem. Tako pripravljena topila vsebujejo še vedno manjši delež protija, ki ga navadno opazimo v spektru kot majhen vrh pri značilnem kemijskem premiku, odvisno od topila.Prisotnost devterija v topilu je pri modernih spektrometrih nujna tudi zaradi zagotavljanja stabilnost magnetnega polja in s tem kemijskih premikov. To je posebno pomembno pri daljših snemalnih časih, npr. pri snemanju 13C spektrov. Za zagotavljanje stabilnosti polja imajo spektrometri posebno funkcijo (angl. lock), ki izkorišča resonanco devterijevih jeder. Pogosto uporabljana topila so: devteriran kloroform (CDCl3), aceton d6, dimetilsulfoksid d6 (DMSO d6), metanol d4,, benzen d6, in voda (D2O). Večinoma so to hlapne spojine, ki jih po končanem snemanju lahko odstranimo z uparevanjem in vzorec regeneriramo. Izjema je DMSO, ki ima visoko vrelišče in ga z uparevanjem zelo težko odstranimo. Za snemanje 13C spektrov uporabljamo topila z naravno izotopsko sestavo [x(13C) = 1,1%], saj bi bila uporaba topil z zmanjšano vsebnostjo izotopa 13C predraga. Vrhovi jeder 13C iz topila v spektru so navadno enostavni, ozki vrhovi, pri značilnih kemijskih premikih, ki jih zlahka razpoznamo in ne motijo razlage spektra (Tabela VXC).

4.3 Kemijski premikV protonskem spektru spojine, ki vsebuje različne vrste vodikovih atomov opazimo več vrhov. Če bi npr. posneli spekter etanola, katerega molekula vsebuje tri vrste vodikovih atomov, bi v spektru opazili tri vrhove. En vrh za protone skupine CH3, enega za CH2 in enega za OH.

4.3.1 Izražanje kemijskega premika Resonančnih frekvenc jeder ne podajamo absolutno, v Hz. Eden od razlogov je ta, da je resonančna frekvenca odvisna od gostote magnetnega polja in bi tako na vsakem instrumentu istovrstna jedra resonirala pri drugačni frekvenci. Razlike v resonančnih frekvencah dveh jeder so včasih zelo majhne (nekaj Hz ali še manj), absolutno merjenje frekvence na 0,1 Hz natančno pri frekvenci npr. 500 MHz pa je praktično nemogoče. Zato podajamo resonančne frekvence jeder relativno glede na dogovorjen standard.

Resonančno frekvenco jedra x podamo kot razliko med resonančnima frekvencama tega jedra in standarda. Če to razliko delimo z resonančno frekvenco standarda dobimo relativno skalo, ki jo imenujemo kemijski premik (δ). Podajamo ga v delih na milijon (ppm).

Kemijski premik standarda je vedno 0, kemijski premik drugih atomov pa so pozitivni, če resonirajo pri višji frekvenci in jih v spektru najdemo levo od standarda. V zgodnjih letih NMR spektroskopije so bili v uporabi še drugi načini podajanja kemijskega premika, npr. τ. Po tem sistemu (za 1H spektre) je bilo izhodišče skale pri δ = 10, standard pa je imel vrednost 10. Ta in drugi načini so dandanes opuščeni.Standard za jedra 1H je tetratmetilsilan (TMS, Si(CH3)4). Ta spojina je bila izbrana iz več razlogov. (1) Molekula TMS ima veliko število enakovrednih protonov, zato daje v spektru visok in ozek vrh pri majhni količini dodanega standarda. (2) Elektronski vpliv atoma silicija, in s tem povezano senčenje, pomakne vrh k nižjim frekvencam, zato je kemijski premik vrha izven območja signalov običajnih organskih spojin. V spektru ga zlahka razpoznamo. (3) Spojina, katere spekter snemamo, je pogosto dragocena in jo želimo po snemanju regenerirati. TMS je kemijsko inerten in hlapen (Tv = 27 °C) zato ga zlahka odstranimo iz raztopine z uparevanjem, skupaj s topilom. Slaba stran tega standarda je njegova netopnost v vodi, zato v vodi uporabljamo nadomestni standard, natrijev 2,2-dimetil-2-silapentan-5-sulfonat (DSS). Za jedra 13C (in 29Si) je standard prav tako TMS, za 19F je to CFCl3, za 31P pa H3PO4.

H3CSi SO3Na

H3C CH3

H3C Si

CH3

CH3H3C

TMS DSS

4.3.2 Vzroki za kemijski premikSpomnimo se, da je resonančna frekvenca jedra sorazmerna magnetni gostoti B. Čeprav smo vse vrste protonov v molekuli snemali v istem magnetu z gostoto magnetnega polja B0, zgleda, kot da so različna jedra občutila različno močno polje Kaj je vzrok za neenakost magnetnega polja, ki ga čutijo različna jedra v molekuli? Očitno je vzrok v neposrednem okolju atomskih jeder. Poznamo več dejavnikov, ki povzročajo kemijski premik, na tem mestu bomo omenili lokalni diamagnetni prispevek in magnetni vpliv sosednjih skupin.Lokalni diamagnetni prispevek. Vsa atomska jedra obdajajo bolj ali manj gosti oblaki elektronov. Elektroni so delci s svojim lastnim spinom in se odzivajo na zunanje magnetno polje. V tem polju se orientirajo, podobno kot atomska jedra, večinoma nasproti zunanjemu polju in ga tako zmanjšajo. Ta pojav je splošen, pojavlja se v vseh snoveh in ga imenujemo diamagnetizem. Pravimo tudi, da elektronski oblak senči jedra pred zunanjim magnetnim poljem. Čim večja je elektronska gostota okrog atomskega jedra, tem močnejše je senčenje.

Slika 4.5 Elektroni v molekulah delujejo kot mikromagnetki, ki nasprotujejo zunanjemu magnetnemu polju

Magnetni vpliv sosednjih skupin. Ta vpliv je posebno izrazit pri skupinah z dvojnimi in trojnimi vezmi ter aromatskih obročih. Močno magnetno polje inducira v takih skupinah električne tokove, ti

pa povzročijo majhna (molekulska) magnetna polja. Ta zunanje polje v nekaterih delih prostora ojačijo, v drugih pa oslabijo. Tak primer je aromatski obroč, pa tudi dvojne vezi C=C, karbonilna skupina in trojne vezi.

Slika 4.6 Močno zunanje magnetno polje inducira v aromatskem obroču krožni tok, ki ustvari lastno mikro-magnetno polje, ki nasprotuje zunanjemu.

Na sliki 4.6 lahko vidimo, da mikro-magnetno polje, ki ga povzroči krožni tok v aromatskem obroču, v zunanjščini obroča pravzaprav ojači zunanje polje. Aromatski protoni so odsenčeni in so v spektru pomaknjeni k večjemu kemijskem premiku.

4.3.3 Kemijski premik in strukturaZaradi zgoraj omenjenih in drugih vplivov občutijo jedra v posameznih atomskih skupinah in okoljih različno magnetno polje. Posledica tega je, da se vrhovi jeder iz različnih atomskih skupin pojavljajo v spektru pri različnih, vendar za neko skupino značilnih kemijskih premikih. Zato lahko iz kemijskega premika vrha sklepamo na to, v kakšnem molekulskem okolju se nahaja tako jedro.Kemijske premike različnih atomskih skupin najdemo zbrane v raznih, bolj ali manj popolnih tabelah. Približna območja kemijskih premikov jeder 1H in 13C iz značilnih organskih molekul so prikazana na sliki 4.7, podrobnejše tabele in formule za izračun kemijskih premikov pa najdete na koncu poglavja.

ppm (f1)0.01.02.03.04.05.06.07.0

ppm (f1)050100150

Slika 4.7 Približna območja kemijskih premikov jeder 1H (zgoraj) in 13C (spodaj). Zraven sta ustrezna spektra zmesi cikloheksana, metil acetata in p-ksilena.

Primerjava 1H in 13C spektrov kaže nekatere skupne značilnosti, vendar pa tudi razlike. Pri protonskih spektrih najdemo naslednje zakonitosti.

Pri najnižjih kemijskih premikih najdemo protone v alkanih. Premiki se nekoliko razlikujejo glede na vrsto skupine (število vodikovih atomov na ogljikovem). Najnižje premike imajo metilne skupine (okrog 0,8–1), nekoliko višje metilenske in najvišje metinske. (Slika ffg spekter alkana, mogoče izooktan? metilcikloheksan?) Metilenske skupine cikloalkanov kažejo podobne premike kot tiste v acikličnih spojinah, z izjemo ciklopropana, ki ima izrazito nižji kemijski premik, med 0,2 in 1.

Bližina skupine z elektron-privlačnimi atomi (O, N, halogeni) ali večkratnimi vezmi poveča kemijski premik. Učinek je odvisen od vrste skupine oziroma atoma, predvsem od njegove elektronegativnosti, in hitro pada z oddaljenostjo. (Slika 4.8).

Slika 4.8. V 1H in 13C spektrih pentan-1-ola vidimo, da odsenčevalni efekt kisikovega atoma hitro pada z oddaljenostjo.

Protoni in tudi jedra 13C ob dvojnih vezeh imajo večje kemijske premike. Tako najdemo vinilne protone v dokaj širokem območju, od 4 pa do 8 ppm. Natančna lega je odvisna od drugih skupin v okolici. Kemijski premik vinilnih protonov je mogoče dokaj natančno izračunati, ustrezno formulo in druge potrebne podatke najdete na str. vch. Podobno velja za aromatske protone (6,5–9 ppm). Protoni benzena imajo kemijski premik 7,3 ppm; prisotnost elektron-donorskih skupin ga premakne niže (do ca. 6,5 ppm), prisotnost elektron-privlačnih skupin pa višje, na 8 ali celo 9 ppm.

Kisle in bazične skupine kažejo spremenljive vplive, odvisne od njihovega stanja oziroma naboja. Elektron-privlačna karboksilna skupina se z oddajo protona spremeni v elektron-donorsko karboksilatno skupino. α-vodikovi atomi karboksilne kisline kažejo kemijski premik med 2 in 2,5, acetat pa fgfg. Podobno velja za amine. Skupina NH2 je elektron-donorska, protonirana amonio skupina NH3

+

pa akceptorska.

Posnemi spekter ocetne kisline pri razl. pH!

Aditivnost vplivov Na dvovalentno metilensko (CH2) ali na trivalentno metinsko (CH) skupino je vezanih več drugih skupin, ki vplivajo na kemijski premik. Takih kombinacij je nešteto, zato ni mogoče napraviti uporabnih tabel, ki bi prikazovale kemijske premike vseh možnih struktur. Učinki skupin, vezanih na metilensko ali metinsko skupino pa so na srečo dokaj aditivni, zato lahko kemijske premike v takih primerih dokaj zanesljivo izračunamo (Tabela vcd tabela hgdfj).

Zelo velik vpliv na kemijski premik protonov na heteroatomih (O, N) ima vodikova vez. Kemijski premik protona se zaradi vodikovih vezi poveča, učinek je odvisen od jakosti vezi in je lahko zelo velik. Zato so območja kemijskih premikov hidroksilnih in sorodnih protonov zelo široka (sl. 4.7). Nastajanje medmolekulskih vodikovih vezi, npr. pri etanolu, je odvisno od koncentracije. Kemijski premik hidroksilnega protona v razredčeni raztopini etanola v CDCl3 je okrog 1, v koncentrirani pa se premakne proti 4 ppm.Znotrajmolekulske (intramolekularne) vodikove vezi so v ugodnih okoliščinah zelo močne. Pri enolnih oblikah 1,3-diketonov najdemo vrh hidroksilnega protona na 18 ppm. (spekter AcAc, slika fgud). Hidroksilne spojine lahko dajejo vodikove vezi tudi s topili. Topili, ki

tvorita močne vodikove vezi s hidroksilnimi skupinami topljencev sta aceton in predvsem dimetilsulfoksid (DMSO).

Spektri etanola posneti z različnimi konc. EtOH

4.4 Spinsko sklapljanjePoleg kemijskega premika in integrala najdemo v večini NMR spektrov še dodatno informacijo, ki je posledica medsebojnega delovanja magnetno aktivnih jeder. Ta vpliv se izkazuje v cepitvi spektralnih vrhov na več črt. Pojav po eni strani spekter zaplete, po drugi pa daje veliko informacij o medsebojnih odnosih med jedri v molekulah.

4.4.1 Enostavno sklapljanje. Mehanizem spinskega sklapljanjaSpinsko sklapljanje je posledica medsebojnega vpliva magnetno aktivnih jeder. Opazujmo npr. proton Ha. V primeru, ko ni vpliva sosednjih jeder, ta občuti magnetno polje B0 in kaže spektralni vrh pri nekem kemijskem premiku.

Slika 4.9 Na proton Ha vpliva sosed Hb (in Hb')s svojim mikro-magnetnim poljem. Pri tem pride do cepitve spektralnih vrhov.

Sosednje jedro (Hb) ima lastni jedrski spin, ki je lahko orientiran vzporedno z zunanjim poljem (polji se seštejeta) ali nasproti (polji se odštejeta). Spomnimo se, da sta števili jeder v obeh stanjih praktično enaki. Zato približno polovica jeder Ha občuti magnetno polje, ki je malo nižje od B0, preostala polovica pa polje, ki je prav toliko višje od B0. Posledica tega je, da spektralnega vrha ne vidimo tam, kjer bi ga pričakovali, temveč se razcepi na dva. Eden leži pri nekoliko višji, drugi pa pri ravno toliko nižji frekvenci (slika 4.9 desno, sredina).Podobno je tudi v prisotnosti dveh sosednjih jeder. V tem primeru so možna naslednja spinska stanja:

Hb Hb' vsota št. jeder+ + +2 1/4+ – 0

1/2– + 0– – –2 1/4

Spektralni vrh se razcepi na tri črte, pri katerih je sredinska dvakrat višja od stranskih.Število črt, na katere se razcepi vrh je enako N + 1 (N = število sosednjih jeder). Tako ima vrh protona v soseščini treh jeder štiri črte, v soseščini štiri jeder pet črt itn. Opisana slika velja takrat, ko je sklapljanje z vsemi sosednjimi jedri enako, pravimo, da so vsa sosednja jedra kemijsko in magnetno ekvivalentna (glej razdelek 4.4.3ali4).

Take razcepljene spektralne vrhove imenujemo multipleti, natančneje pa po številu črt, ki jih sestavljajo (singlet, dublet, triplet itn.).

Slika 4.10 Oblike vrhov kot posledice enostavnega spinskega sklapljanja (intenzitete posameznih črt).

Razdaljo med spektralnima črtama imenujemo sklopitvena konstanta, J in jo merimo v Hz. Sklapljanje je posledica jedrskih spinov, zato je sklopitvena konstanta neodvisna od jakosti zunanjega polja.

Spekter etilbenzena ali etil metil ketona (alifatski del).

V spektru etilbenzena (v alifatskem delu) opazimo dva vrha, enega pri δ = 1,24 ppm (CH3) in drugega pri δ = 2,5 ppm (CH2). Vrh metilne skupine je razcepljen na tri črte v razmerju 1:2:1 (triplet) kar je posledica sklopitve z dvema protonoma sosednje metilenske skupine. Podobno je vrh metilenske skupine razcepljen na štiri črte v razmerju 1:3:3:1 (kvartet), ki je posledica sklopitve s tremi protoni metilne skupine. Kombinacija tripleta (z integralom 3) in kvarteta (z integralom 2) torej pomeni etilno skupino.

ppm (f1)1.502.002.503.003.50

0

5000

10000

15000

20000

2.00

3.11

Slika 4.11 Spekter etanola (alifatski del).

Podobne značilne vzorce kažejo tudi druge skupine jeder (npr. izopropilna, CH–CH2 itn.).Vaja. kakšne vzorce kažejo skupine: a) CH–CH2, b) CH–CH3, c) CH2–CH2, d) CH(CH3)2?

Medsebojni vpliv magnetnih jeder se prenaša preko prostora in prek elektronskih oblakov vezi. Sklapljanje preko prostora (sklapljanje dipol-dipol) se pri prosto gibajočih se molekulah v tekočini izniči, je pa zelo pomembno pri spektrih trdnih, kristaliničnih snovi. Opis NMR spektroskopije trdnih snovi presega okvir tega dela in ga zato ne bomo razlagali.Sklapljanje po vezeh (skalarno sklapljanje) je močno odvisno od (1) razdalje med atomoma, tj. števila vezi, ki ju ločuje in (2) od oblike molekule, predvsem od veznih in torzijskih kotov med vezmi, po katerih se vpliv prenaša. V praksi najpogosteje opazujemo sklapljanja preko treh vezi, včasih tudi preko dveh. Sklopitvene konstante jeder, ki jih ločujejo več kot tri vezi so navadno zelo majhne in jih v spektru ne opazimo. Pri konjugiranih sistemih dvojnih vezi lahko včasih opazimo tudi sklopitve prek 4 in več vezi.

Kako vpliva gostota magnetnega polja, tj. kvaliteta spektrometra na kvaliteto spektra? Z večanjem gostote magnetnega polja se povečujejo razdalje med vrhovi posameznih jeder, njihova širina pa ostaja enaka. Npr. dva vrha, katerih kemijska premika se razlikujeta za 0,1 ppm, sta v 60 MHz spektru razmaknjena za 6 Hz, v 300 MHz spektru pa za 30 Hz. Če sta to npr. tripleta ali kvarteta s tipično širino 15–20 Hz se bosta v 60 MHz spektru močno prekrivala, v 300 MHz pa ne. Vrhovi v spektrih, posnetih na instrumentih z močnejšimi magneti so bolj ločeni, spektri so laže berljivi in nam dajejo več informacij.

Slika 4.12 Spekter metil akrilata (simulacija) posnet na 60 in 300 MHz instrumentu.Simulacija spektra (Me akrilata?) na 60, 100 in 300 MHz)

Vaje: spektri propan-1-ola, propan-2-ola in izobutanola

4.4.2 Kompleksnejša sklapljanjaBolj zapletene oblike vrhov nastanejo takrat, ko je opazovano jedro sklopljeno z več drugimi z različnimi sklopitvenimi konstantami. Oglejmo si to na primeru vinilne skupine.

Slika 4.12 Sklapljanje med protoni vinilne skupine

Proton Ha ima dva soseda, Hb in Hc, s katerima je sklopljen z različnima sklopitvenima konstantama, podobno velja tudi za ostala dva protona, Hb in Hc. V odsotnosti sklapljanja bi videli za proton Ha enostaven vrh, singlet. Če je Ha sklopljen s protonom Hc s sklopitveno konstanto Jtrans, se črta razcepi na dve, nastane dublet (d). Sklopitev s protonom Hb povzroči cepitev naprej, spet na dve črti; nastane dublet dubleta (dd). Podobno velja tudi za protona Hb in Hc.

ppm (f1)4.604.704.804.90

4.907

4.902

4.860

4.855

4.581

4.5754.560

4.554

ppm (f1)7.2507.300

7.300

7.279

7.253

7.232

Slika 4.13 Del 1H NMR spektra vinil acetata (vinilna skupina). Majhen vrh pri 7,27 ppm je od topila.

Aromatski protoni. Število vodikovih atomov na aromatskem (benzenovem) obroču je odvisno od števila ostalih substituentov. Pri monosubstituiranem benzenu je vodikovih atomov pet, pri disubstituiranih štirje itn. Pet vodikovih atomov monosubstituiranega benzena redko vidimo v obliki posameznih dobro vidnih multipletov. Najpogosteje so ti vrhovi bolj ali manj prekriti in nečitljivi. Navsezadnje, če imamo na benzenu en sam substituent, je čisto vseeno, ali znamo ta spekter prebrati in razložiti, ali pa ne.Bolj zanimivi so di- in trisubstituitrani benzeni. Pri teh je možnih več izomerov, ki jih lahko razlikujemo po številu in obliki vrhov v NMR spektru.Pri orto-disubstituiranem benzenu imamo štiri vodikove atome v vrsti. Ti so med sabo sklopljeni kot prikazuje slika 4.14. V nizu sta dva terminalna atoma (H3 in H6) ter dva sredinska (H4 in H5). Razmere pri H6 so podobne tistim pri H3, pri H5 pa tistim pri H4, zato se bomo omejili na razlago sklopitev le za H3 in H4.

Slika 4.14 Sklopitve pri orto-disubstituiranem benzenu. Atomi so številčeni po položaju na sliki.

Proton H3 ima enega soseda (H4) na položaju orto in je z njim sklopljen v dublet (z Jorto). Sklopljen je tudi z meta-sosedom H5, spet v dublet (z Jmeta). Sklopitev s H6 (para položaj) je zelo majhna in je običajno ne opazimo, zato jo zanemarimo. Za proton H3 bomo videli torej dublet dubleta (dd) z eno sklopitveno konstanto Jorto (okrog 8 Hz) in eno Jmeta (okrog 2 Hz).Proton H4 ima na orto-položajih dva soseda (H3 in H5). Zato bo sklopljen z njima v dublet dubleta, obakrat s sklopitveno konstanto Jorto. Poleg tega je sklopljen še s H6 s sklopitveno konstanto Jmeta. Za ta proton bomo videli dublet dubleta dubleta (ddd) z dvema sklopitvenima konstantama Jorto in eno Jmeta (slika 4.15).Kot že rečeno, velja za H6 podobno kot za H3, za H5 pa podobno kot za H4.

Slika 4.15. Aromatski protoni 2-jodofenola.

Podobno analizo lahko naredimo tudi za meta-disubstituiran benzen (slika 4.16).

ppm (f1)7.508.00

8.3968.3898.382

8.1988.1958.1918.1878.1708.1678.1638.160

7.8557.8527.8497.8467.8297.8257.8227.819

7.470

7.443

7.416

Slika 4.16 Spekter 3-bromonitrobenzena

Pri para-disubstituiranem benzenu moramo upoštevati, da ima taka molekula ravnino simetrije, ki poteka skozi oba substituenta.

Posledica tega je, da sta protona H2 in H6 enakovredna (kemijsko ekvivalentna), prav tako protona H3 in H5. Kemijska ekvivalentnost pomeni, da imata spektralna vrha obeh jeder enak kemijski premik. Zato vidimo v spektru le dva med seboj sklopljena vrha. Proton H2 je sklopljen s H3 (d, Jorto), podobno tudi H6, ki je sklopljen s H5. Za oba vidimo v spektru en dublet. Enako velja za par H3, H5, ki dajeta drugi dublet.Za proton H2 bi pričakovali tudi sklopitev s H6 (Jmeta), vendar je ne opazimo, saj sta jedri ekvivalentni. Isto velja tudi za ostala jedra. Sklopitve med ekvivalentnimi jedri ne vidimo! O tem bomo govorili v razdelku 4.4.3.

ppm (f1)6.907.007.107.207.307.40

7.3697.342

7.0447.017

Slika 4.15 Aromatski del NMR spektra 4-bromotoluena. (Šibki vrhovi ob vznožju so posledica t.im. "močnega sklapljanja".)

Vaje na temo aromatski protoni: 19 (2-klorotoluen), 20 (4-bromotoluen), 24 (2-metoksibenzaldehid), 25 (3-metilanilin), 28 (dimetil ftalat),

4.4.3 Ekvivalentna jedra

Označevanje spinskih sistemovSkupine med seboj sklopljenih jeder imenujemo spinski sistemi. Tak primer je etilna skupina (glej spekter etilbenzena). Metilenska skupina predstavlja dva protona s kemijskim premikom δ(CH2), metilna pa tri protone z δ(CH3). Simbolno lahko protone te skupine zapišemo kot A2X3. Podobno bi lahko zapisali tri protone vinilne skupine kot AMX (sl. 4.12 in 4.13). Tri različne črke (v abecedi dokaj oddaljene) predstavljajo protone z različnim (znatno oddaljenim) kemijskim premikom.V primeru, ko imajo jedra zelo podoben kemijski premik jih označimo s črkama A in B, npr sistem AB, AB2 itn. Spinski sistemi vrste AB se obnašajo nekoliko drugače kot sistemi AX, ki smo jih obravnavali doslej.

Kemijsko in magnetno ekvivalentna jedraZ ekvivalentnimi jedri smo se srečali npr. pri para-disubstituiranem benzenu (sl. 4.15). Ne da bi se tega zavedali, pa tudi v vseh primerih, kjer smo za skupino jeder v spektru opazili singlet. To so npr. metilne skupine metil acetata, toluena ipd. (sl. 4.7) pa tudi etanola ali etilbenzena.Metilenska skupina etanola kaže kvartet, kar pomeni, da sta njena protona sklopljena s tremi enakovrednimi (ekvivalentnimi) protoni metilne skupine. Zakaj so vsi trije protoni metilne skupine ekvivalentni nasproti vsakemu od protonov skupine CH2? Odgovor je v hitri rotaciji metilne skupine; njeni protoni tako hitro medsebojno menjujejo položaje, da jih sosednje jedro ne občuti vsakega posebej, v svoji legi, temveč kot neko povprečje.Protona v vsaki od spodnjih molekul, difluorometanu in 1,1-difluoroetenu, sta kemijsko enakovredna (ekvivalentna). Nahajata se v enakem okolju in imata enak kemijski premik. Isto velja tudi za oba fluorova atoma.

C C

Fa

Fb

H1

H2

C

Fa

Fb

H1

H2

V difluorometanu je odnos vsakega od protonov do obeh fluorovih atomov enak (in tudi obratno). Sklopitev vsakega od protonov z vsakim od fluorovih atomov je enaka, zato imata oba protona skupaj

v spektru en triplet. Enako velja za fluorova atoma. Oba protona (in oba fluorova atoma) sta v tej molekuli magnetno ekvivalentna.V 1,1-difluoroetenu pa protona nista v enakem odnosu do vsakega od fluorovih atomov. H1 je glede na Fa v položaju cis-, glede na Fb pa v trans. Ustrezne položajem so tudi sklopitvene konstante. Oblika protonskega vrha v tem primeru ni triplet, pa tudi ne dublet dubleta, kakor bi naivno pričakovali, pač pa precej bolj kompliciran multiplet z nič manj kot 10 črtami. Odnosi med jedri v takih primerih so zelo zapleteni in jih na tem mestu ne bomo obravnavali. Kakor koli že, protona v tej molekuli nista magnetno ekvivalentna.Podobne razmere se pojavijo tudi v primeru ko je npr. en proton sklopljen z drugim, ta pa naprej s tretjim; drugi in tretji pa imata zelo podoben kemijski premik. Tak primer je spekter benzen-1,3-diola. Proton H5 je sklopljen sH4 in H6; za obliko vrha bi pričakovali triplet. Vendar sta protona H4 in H6 sklopljena s H2 (sklopitev H2–H5 je zanemarljiva), ki ima praktično enak kemijski premik; posledica je deformacija vrha H5 (slika 4.16).

Hz (f1)2060.02065.02070.02075.02080.02085.0

H5

Hz (f1)1850.01855.01860.01865.0

H2, H4 in H6

OH

OH

H2

H4

H5

H6

Slika 4.16 Vrh protona H5 iz benzen-1,3-diola je v nasprotju s pričakovanim tripletom razcepljen na 9 črt. To je posledica "močne sklopitve" med protoni H2, H4 in H6.

V primeru, ko sta kemijska premika dveh medsebojno sklopljenih jeder zelo skupaj (Δν ≈ J) ali celo enaka, govorimo o močnem sklapljanju. Oblike vrhov v takih primerih ne ustrezajo več pravilom, ki smo jih spoznali v razdelku 4.4.2, v takih primerih govorimo o spektrih višjega reda. Nasprotno pa imenujemo spektre, v katerih nastopajo le šibke sklopitve, spektri prvega reda.

Zanimiva posledica kemijske ekvivalentnosti jeder odsotnost medsebojnega sklapljanja. Težko bi rekli, da npr. protoni metilne skupine med seboj niso sklopljeni, saj se njihov medsebojni magnetni vpliv dobro prenaša preko dveh vezi. Vendar pa sklopitev med kemijsko ekvivalentnimi jedri ne vodi do cepitve črt. Razlaga pojava je zapletena, na tem mesti si oglejmo le posledice. Kako se spreminja oblika vrhov, ko se kemijski premiki med seboj sklopljenih jeder bližajo? Pojav si oglejmo na primeru dveh jeder, npr. protonov (slika 4.17). Ko sta kemijska premika zelo različna, npr. Δν ≥ 10 J, sta višini obeh črt v dubletih bolj ali manj enaki. Pri zmanjševanju razlike v kemijskih premikih se začneta zunanji črti manjšati na račun notranjih, ki rasteta. Kemijska premika posameznih dubletov nista več na sredini med obema črtama temveč v težišču dubleta, torej bliže notranji črti. Pri približevanju obeh kemijskih premikov se naposled notranji črti zlijeta, zunanji pa izgineta. Iz dveh dubletov (dve različni jedri) je nastal singlet (dve ekvivalentni jedri).

Slika 4.17 Simulacija spektra dveh medsebojno sklopljenih jeder pri različnih razmerjih Δν/J.

4.4.4 Vpliv centra asimetrijeProtona metilenske skupine v spektru etanola sta kemijsko ekvivalentna, saj se poleg njiju nahaja metilna skupina s troštevno simetrijsko osjo in hitro rotacijo. Drugače pa je, če poleg metilenske skupine najdemo atom, ki je center asimetrije. V takem primeru oba metilenska protona nista več ekvivalentna. Poglejmo si molekulo aminokisline v Newmanovi projekciji.

R C3

Ha

Hb

C2

H2

NH3+

COO

Slika 4.18 Trije rotameri aminokisline v Newmanovi projekciji.

Protona Ha in Hb v enem od rotamerov, npr. a, nimata enakega okolja, zato je razumljivo, da nista ekvivalentna. Vendar, če pogledamo še ostala dva rotamera ugotovimo, da se v rotameru b Hb nahaja tam, kjer se je v prejšnjem rotameru Ha. Podobno je v c. Ugotovimo lahko, da gresta pri rotaciji oba atoma Ha in Hb, skozi iste lege. Pričakovali bi, da bomo v primeru, ko so vsi trije rotameri enako zastopani, protona Ha in Hb v povprečju ekvivalentna, se pravi, da bi videli za oba en sam vrh. V primeru rotacije metilne skupine to tudi v resnici drži. V primeru, kot je aminokislina pa ne moremo pričakovati, da bodo imeli vsi rotameri enako energijo, saj se med seboj razlikujejo po interakcijah med skupinami na sosednjih atomih. V raztopini je torej enega od rotamerov več, drugega manj in tako vidimo spekter, ki je bolj ali manj podoben spektru prevladujočega rotamera. V spektru najdemo za vsakega od protonov H, Ha in Hb svoj vrh in vsi so med seboj sklopljeni (dd). Proton H je sklopljen s Ha drugače kot s Hb, ta dva sta sklopljena s H in med seboj. Medsebojna sklopitev dveh protonov metilenske skupine poteka prek dveh vezi in jo imenujemo geminalna sklopitev. Njena običajna vrednost je okrog 12 Hz.

Geometrijski vplivi. Medsebojni vpliv magnetnih jeder se prenaša po elektronskih oblakih vezi, zato je pričakovati, da bodo na sklopitev vplivali različni dejavniki. V prvi vrsti je to vrsta hibridizacije, natančneje delež orbitale s v veznih orbitalah. Drug pomemben dejavnik so koti med vezmi, predvsem torzijski ali diedralni koti. To so koti med dvema ravninama H2–C2–C3 in C2–C3–Ha (ali Hb). Spreminjanje sklopitvene konstante s torzijskim kotom med vicinalnima protonoma prikazuje slika 4.19. Zvezo lahko izrazimo tudi matematično in jo imenujemo Karplusova korelacija. Korelacija je približna, natančna vrednost sklopitvene konstante je odvisna od substituentov na obeh ogljikovih atomih.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 30 60 90 120 150 180q /°

3 JH

-H/H

z

Slika 4.19 Odvisnost sklopitvene konstante od torzijskega kota med dvema protonoma.

V molekulah, kjer je rotacija med dvema sosednjima atomoma relativno prosta je medsebojno pretvarjanje rotamerov hitro. V takih primerih vidimo v spektrih sklopitve, ki so povprečje vseh treh rotamerov. Seveda moramo računati, da pogosto niso vsi rotameri enako stabilni in zato niso prisotni v enaki količini. Drugače je pri togih molekulah, kot npr. pri cikličnih spojinah. V takih primerih lahko iz vrednosti sklopitvene konstante določimo kakšen je torzijski kot med dvema protonoma.Pri cikloheksanu velja, da je sklopitvena konstanta med dvema aksialnima protonoma velika, saj je torzijski kot med njima 180°, pri ostalih razporeditvah pa manjša.

J(Ha-Ha) 8–10 HzJ(Ha-He) 2–3 HzJ(He-He) 2–3 Hz

Slika 4.20. Sklopitve med aksialnimi in ekvatorialnimi protoni v cikloheksanu

Slika 4.21 Spekter glukoze

4.5 13C NMR

Jedro, ki ga poleg vodikovega najpogosteje opazujemo z NMR spektroskopijo, je jedro ogljika, izotopa 13C. Tega je v naravnem ogljiku 1,1 %, preostanek je magnetno neaktivni izotop 12C. Tako nizka koncentracija jeder 13C in že naravno nižja občutljivost otežujeta snemanje 13C spektrov. Za dober spekter je treba snemanje izvesti z velikim številom ponovitev in višjo koncentracijo vzorca. Snemanje je dolgotrajnejše, saj traja navadno od nekaj minut pa tudi do 24 ur ali celo več (za primerjavo, tipičen snemalni čas spektra 1H je 1 minuta, lahko pa ga posnamemo že v nekaj sekundah). Spinsko kvantno število jedra 13C je 1/2, tako kot pri jedrih 1H, 19F ali 31P. Kljub določenim podobnostim s protonskimi spektri pa imajo ogljikovi spektri nekaj značilnosti, ki si jih bomo pobliže ogledali.

Kemijski premikObmočje kemijskih premikov jeder 13C je v primerjavi s protoni precej širše. Signale v spektru najdemo navadno v območju med 0 in 220 ppm, v nekaterih primerih pa tudi izven tega. Taka širina omogoča večjo razpršenost vrhov in manjšo možnost prekrivanja (slika 4.heptanol).

65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 ppm

CH2-1

CH2-2

CH3CH2-3-6

OH

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

C1

C2

C3 C4 C5 C6 C7

Slika 4.heptanol. 1H (zgoraj) in 13C (spodaj) spekter heptan-1-ola. V zgornjem spektru se vrhovi metilenskih skupin 3–6 prekrivajo, v spodnjem pa so vrhovi vseh ogljikovih atomov dobro ločeni.

Prekrivanja vrhov so v teh spektrih redka, kar pogosto omogoča, da v spektru enostavno preštejemo število neekvivalentnih ogljikovih atomov v molekuli.Sicer pa veljajo za kemijske premike podobna pravila kot pri protonskih spektrih (slika 4.7).Območja - kratek opis (alifatski, ob heteroatomih, vinilni in aromatski, karbonilni)

IntegralV 1H spektrih so ploščine spektralnih vrhov (integrali) sorazmerne z množino protonov, ki dajejo vrh. Integrale različnih protonov lahko primerjamo med seboj iz česar dobimo razmerja med množinami jeder. Pri 13C pa je odzivnost posameznih jeder različna, zato integrali ne predstavljajo razmerij med številom jeder, ki dajejo posamezne vrhove. Integralov v ogljikovih spektrih zato navadno ne podajamo.

Vzrok za tako obnašanje so zelo različni relaksacijski časi jeder 13C, to je časi, ki jih jedra rabijo po vzbujevalnem pulzu, da se razmagnetijo (relaksirajo). Ti časi so od nekaj sekund do nekaj minut. Če se jedro do naslednjega pulza ne relaksira, je občutljivost tega jedra zmanjšana, kar pomeni nižji vrh in seveda tudi integral. Najhitreje se relaksirajo jedra, ki nosijo magnetno aktivna jedra, npr. protone. Zato se najhitreje relaksirajo skupine CH3, sledijo jim skupine CH2 in CH, kvartarni ogljikovi atomi pa so zelo počasni. V spektrih navadno lahko opazimo, da so vrhovi metilnih skupin najvišji, vrhovi kvartarnih ogljikov (oziroma takih, ki so brez vodika) pa bistveno nižji od ostalih (slika primer). Drug vzrok za različno odzivnost oziroma občutljivost jeder je nuklearni Overhauserjev efekt, ki se pojavlja pri nekaterih snemalnih tehnikah. Ta povzroči, da se odzivnost nekaterih jeder poveča, drugih pa zmanjša, in tako pokvari razmerja integralov. Pojava tukaj ne bomo razlagali.

Sklopljeni in razklopljeni spektri. Spektre 13C lahko že na prvi pogled razlikujemo od protonskih spektrov po obliki vrhov. V ogljikovih spektrih so vrhovi navadno enostavni singleti, in to kljub temu, da so jedra sklopljena s protoni v

okolici. Pričakovali bi namreč, da bomo npr. za skupino CH3 videli kvartet, saj je ogljikov atom sklopljen s tremi protoni.Razlog za to, da vidimo vrhove kot singlete je v načinu snemanja. Med tem, ko snemamo spekter 13C, istočasno obsevamo protone vzorca s pulzi, ki imajo protonsko resonančno frekvenco. To povzroči, da jedra 13C ne kažejo več sklopitve s protoni; govorimo o razklopljenem spektru. Tako dobljeni spekter je bistveno enostavnejši od sklopljenega, namesto multipletov v njem vidimo singlete (slika 4.cineol). Seveda pa se v tako posnetem spektru ohranijo sklopitve z drugimi magnetno aktivnimi jedri (19F, 31P, 2H idr.). To se lepo vidi v vrhu ogljikovih atomov devteriranega topila. V spektru, posnetem v kloroformu-d vidimo triplet (z razmerjem višin 1:1:1) pri ca. 77 ppm, če smo snemali v DMSO-d6, metanolu-d4 ali acetonu-d6 pa ustrezne kvintete (tabela bvch).Druga značilnost razklopljenih spektrov so veliko višji vrhovi, kot bi bili sklopljeni. Namesto, da bi se vrh razdelil na več črt multipleta, se zbere v enem, ozkem vrhu. Računati je treba, da jedra niso sklopljena le s protoni na njih, temveč tudi s protoni na sosednjih ogljikovih (in drugih) atomih. Take sklopitve prek 2, 3 ali 4 vezi so sicer manjše in navadno ne povzročijo vidnih cepitev, pač pa le širitev in znižanje spektralnih črt.Drug razlog za povišanje spektralnih vrhov pri razklopljenih spektrih je že prej omenjeni nuklearni Overhauserjev efekt. Ta je povezan z razklapljanjem in v glavnem povzroči povečanje odzivnosti tistih jeder, ki so sicer sklopljena s protoni in s tem zvišanje njihovih vrhov.Razliko med intenzitetami vrhov v razklopljenem in sklopljenem spektru lahko vidimo v spektrih 1,8-cineola sliki 4.cineol (a in b). Spektra sta bila posneta na istem vzorcu, v obeh lahko primerjamo višine vrhov cineola z višino vrha topila (triplet 1:1:1 pri 77 ppm).

Slika 4.cineol.

Kako ugotovimo vrste skupin, ki jih predstavljajo spektralni vrhovi, tj. koliko vodikovih atomov je na katerem od ogljikovih? Za to je več možnosti. Spekter posnamemo na način, ki daje možnost razlikovanja med ogljikovimi atomi glede na število vodikovih atomov na njih. Ena od možnosti je sklopljen spekter, ki smo ga omenili v prejšnjem odstavku, vendar se zaradi nepreglednosti spektra in zelo dolgih snemalnih časov ta način praktično ne uporablja. Na tem mestu bomo omenili nekaj najpogosteje uporabljanih načinov. Večinoma temeljijo na prenosu magnetizacije med jedri 1H in 13C. Vzbujamo npr. protone, počakamo, da se magnetizacija prenese na sosednja ogljikova jedra in posnamemo 13C spekter. Z različnimi kombinacijami vzbujevalnih in drugih korekcijski pulzov ter spreminjanjem presledkov med njimi dobimo spektre, ki kažejo različne odnose med jedri.Spekter APT. APT (Attached Proton Test) pomeni test na protone, pripete na opazovani ogljikov atom. APT spekter je v bistvu 13C spekter, v katerem imajo vrhovi v spektru fazo, odvisno od števila vodikovih atomov na ogljikovem. Vrhovi tistih ogljikovih atomov, ki nosijo liho število protonov, tj. CH in CH3, imajo fazo obrnjeno v eno smer (npr. navzgor), tisti s sodim številom, C in CH2 pa v drugo smer (npr. navzdol). Težava je v tem, da ko spekter posnamemo, ne vemo kateri vrhovi gledajo navzgor, kateri pa navzdol (fazo moramo naravnati sami, ko posneti spekter obdelamo). Druga težava je v tem, da ne razlikujemo med skupinami C in CH2 ter CH in CH3. V pomoč so nam lahko kemijski premiki in relativne višine vrhov.Spektri DEPT. Spektri DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) spominjajo na spekter APT, s to razliko, da v njih ne vidimo kvartarnih ogljikovih atomov. Z variiranjem dolžine enega od presledkov v pulznem programu se pokažejo različni odnosi med ogljikovimi atomi in številom vodikovih atomov na njih. V spektru DEPT 45 vidimo le vrhove ogljikovih atomov z enim protonom (metinske skupine, CH), v spektru DEPT 90 vidimo ????, v spektru DEPT 135 pa metinske in metilne skupine s fazo, obrnjeno v eno stran (npr. navzgor) metilenske pa v drugo (npr. navzdol).Spekter HMQC. HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence) je dvodimenzionalen spekter, v katerem vidimo odnose med ogljikovimi atomi in protoni na njih (sklopitev prek ene vezi). Dvodimenzionalen spekter prikazuje neke odnose (korelacijo) med različnimi magnetno aktivnimi jedri. Tako imamo v spektru HMQC na eni koordinatni osi spekter 1H (navadno vodoravno), na drugi pa 13C. Na presečiščih koordinat vrhov C atomov in protonov na njih se pojavijo tako imenovani križni vrhovi. Ti nam pokažejo povezave med C in H prek ene vezi (slika 4.cineol). Prednosti takega spektra so naslednje:1) Pokaže odnose med protoni in ogljikovimi atomi, kar nam pomaga pri ugotavljanju kateri vrh

ustreza kateremu od ogljikovih atomov v molekuli (označevanje ali asignacija ogljikovih atomov).2) Iz integralov v protonskem spektru, oziroma iz števila križnih vrhov, ki jih dajejo vrhovi ogljikovih atomov lahko ugotovimo število vodikovih atomov na vsakem od ogljikovih.3) Spekter je v nasprotju s spektri 13C pa tudi APT in DEPT, posnet v nekaj minutah in z nizko koncentracijo vzorca.Na podoben način lahko ugotavljamo tudi povezave prek več vezi in druge odnose med magnetno aktivnimi jedri v molekulah. Zato so tovrstni spektri danes najpogosteje uporabljani načini za ugotavljanje povezav med atomi in za označevanje ogljikovih atomov.

0.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2 ppm

3.0

6.1

1.1

4.0

2.0

2.0

253035404550556065707580 ppm

1H

13C

253035404550556065707580 ppm

253035404550556065707580 ppm

APT

DEPT135

253035404550556065707580 ppm

253035404550556065707580 ppm

DEPT45

13C sklopljen z 1H

O

H3C

H3C CH3

1,8-cineol

4.4.5 4.4.6 sklapljanja v heteronuklearnih sistemih

spektri razklopljeni, (predvsem asignacija), korelacijski spektri (COSY, HMQC)

4.6 kemijska izmenjava

3.3 3.4 3.5

LiteraturaP. J. Hore, Nuclear Magnetic Resonance, Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press: Oxford 1995.P. J. Hore, J. A. Jones, S. Wimperis, NMR: The Toolkit, Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press: Oxford 2000.H. Günther, NMR Spectroscopy, J. Wiley&Sons: Chichester, 1992.

TABELE ZA NMR SPEKTROSKOPIJO

Tabela 5 Kemijski premiki () metilnih, metilenskih in metinskih protonov na ogljikovem atomu poleg funkcionalne skupine ( položaj) v alifatskih spojinaha

Skupina CH3 CH2 CH

-CH2R 0,8 1,3 1,6-C=C 1,6 2,0 2,6-CC 1,7 2,2 2,8-C6H5 2,3 2,6 2,9-F 4,3 4,4 4,8-Cl 3,0 3,4 4,0-Br 2,7 3,4 4,1-I 2,2 3,2 4,2-OH 3,3 3,5 3,8-OR 3,3 3,4 3,7-OC6H5 3,8 4,0 4,3-OCOR 3,6 4,1 5,0-OCOC6H5 3,9 4,2 5,1-OCOCF3 4,0 4,4 --CHO 2,2 2,4 2,5-COR 2,1 2,2 2,6-COOH 2,1 2,3 2,6-COOR 2,0 2,3 2,5-CONR2 2,0 2,1 2,4-CN 2,1 2,5 3,0-NH2 2,5 2,7 3,0-NR2 2,2 2,4 2,8-NRC6H5 2,6 3,0 3,6-NR3

+ 3,0 3,1 3,6-NHCOR 2,9 3,3 3,7-NO2 4,1 4,2 4,4-SR 2,1 2,5 3,1-SOR 2,6 3,1 -=O (alifatski aldehid) 9,5=O (aromatski aldehid) 10

a Vrednosti kemijskih premikov niso natančne pač pa tipične. Odstopanja so običajno 0,2 ppm, v določenih primerih pa tudi več. Natančna vrednost premika je odvisna od strukture molekule in od topila, v katerem je spekter posnet.

Tabela 6 Kemijski premiki metilenskih oziroma metinskih protonov v soseščini več funkcionalnih skupin

Skupina Y ali Z Skupina Y ali Z

-CH3 0,47 -COR 1,70-C=C 1,32 -COC6H5 1,84-CC 1,44 -COOR 1,55-C6H5 1,85 -CONR2 1,59-CF2 1,21 -CN 1.70-CF3 1.14 -NR2 1,57-Cl 2,53 -NHCOR 2,27-Br 2,33 -N3 1,97-I 1,82 -SR 1,64-OH 2,56 -OSO2R 3,13-OR 2,36-OC6H5 3,23-OCOR 3,13

Kemijski premik protona lahko izračunamo s pomočjo zgornje tabele (Shooleryjeva pravila) tako, da vzamemo za izhodišče kemijski premik protonov v metanu (0,23 ppm), tej vrednosti pa prištejemo vrednosti premikov ene, dveh ali treh skupin iz tabele. Premiki so orientacijski in ne natančni. Pri dveh ali več skupinah so odstopanja lahko že znatna ( 1 ppm).

Računanje kemijskih premikov v substituiranih etenihKot izhodišče vzamemo kemijski premik etena (5,25 ppm), tej vrednosti pa prištejemo prispevke skupin (Z) iz tabele 3.

C C

H

Rgem

Rcis

Rtrans H = 5,25 + Zgem + Zcis + Ztrans

Tabela 7 Prispevki skupin (Z) za izračun kemijskih premikov vinilnih protonovSkupina (R) Zgem Zcis Ztrans

H 0 0 0alkil 0,44 -0,26 -0,29alkil - obroč 0,71 -0,33 -0,30-CH2O, -CH2I 0,67 -0,02 -0,07-CH2S 0,53 -0,15 -0,15-CH2Cl, -CH2Br 0,72 0,12 0,07-CH2N 0,66 -0,05 -0,23-CC 0,50 0,35 0,10-CN 0,23 0,78 0,58-C=C 0,98 -0,04 -0,21-C=C (konj)a 1,26 0,08 -0,01-C=O 1,10 1,13 0,81-C=O (konj)a 1,06 1,01 0,95-COOH 1,00 1,35 0,74-COOH (konj)a 0,69 0,97 0,39-COOR 0,84 1,15 0,56-COOR (konj)a 0,68 1,02 0,33-OR (alkil) 1,18 -1,06 -1,28-OR (konj)a 1,14 -0,65 -1,05-OCOR 2,09 -0,40 -0,67-aril 1,35 0,37 -0,10-Cl 1,00 0,19 0,03-Br 1,04 0,40 0,55-NR2 (alkil) 0,69 -1,19 -1,31-SR 1,00 -0,24 -0,04a opomba (konj) pomeni, da sta ali dvojna vez ali skupina konjugirani naprej z drugimi skupinami.

Tabela 8 Kemijski premiki (/ppm) protonov v monosubstituiranih benzenih

Skupina 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 7,2 7,0 6,8 6,6

H xMe, Et, i-Pr xt-Bu o m pC=CH2 xCC o xfenil o m pCF3 xCH2Cl xCCl3 o xCH2OH xCH2OR, CH2OCOR xF m p oCl xBr o xI o p mOH m p oOR m xOCOR x oCHO o p mCOR o xCOOH o p mCOOR o p mNH2 m p oNHCOR xNH3

+ o xNO2 o p mSR x

Znaki v tabeli pomenijo: o - orto, m - meta, p - para, x - preostala dva ali trije tipi protonov

Tabela 9 Kemijski premiki raztopljene vode in rezidualnih protonov v devteriranih topilih (1H) ter ogljika iz molekule topila (13C)

Topilo Voda Rezidualni protoni topila Ogljik iz topila

(ppm) (ppm) multiplic.

J (Hz) (ppm) multiplic.

J (Hz)

Kloroform d 1,6 7,26 1 77,0 3 32

Benzen d6 0,4 7,15 1 (šir) 128,0 3 24

Aceton d6 2,75 2,04 5 2,2 30,6

207,1

7 32

Metanol d4 4,9 4,78

3,30

1

5 1,7

49,0 7 21,5

Acetonitril d3 2,1 1,93 5 2,5 30,9

118,2

7 32

DMSOa d6 3,35 2,49 5 1,7 39,7 7 21

Voda d2 4,73

Trifluoroocetna kislina d

11,5 11,5 1 xxdx 4 284

a Dimetil sulfoksid

Tabela 10 Sklopitvene konstante proton - proton

Strukturni element J(a-b) / Hz J(a-b) tipična / Hz

CHa

Hb

0–30 12–15

CHa–CHb prosta rotacija 6–8 7

CHa–C–CHb 0–1 0

Ha

Hb

a–a

a–e

e–e

6–14

0–5

0–5

8–10

2–3

2–3

Hb

Hacistrans

5–105–10

Ha

Hb

cistrans

4–122–10

Hb

Ha cistrans

7–134–9

CHa–COHb alkohol, kadar ni izmenjave

4–10 5

CHa–CHbO aldehid 1–3 2–3

CCHa–CHbO 5–8 6

C C

Hb

Ha

12–18 17

C C

HbHa 6–12 10

C C

Ha

Hb

0–3 1,5

C C

Ha

CHb

4–10 7

obročCC

Ha Hb3 členski4 členski5 členski6 členski7 členski

0,5–22,5–45–79–118–13

CCHa–CHbC 9–13 10

CHa–CCHb 2–3

Tabela 10 Nadaljevanje

Strukturni element J(a-b) / Hz J(a-b) tipična / Hz

O

Ha

Hb

6

O

Ha

Hb

2

O

Ha Hb 4

Ha

Hb

ortometapara

6–101–30–1

930

N 2

34

5

6 J(2–3)J(2–4)J(2–5)J(2–6)J(3–4)J(3–5)

5–61–20–10–17–91–2

51,5108

1,5

N

H

2

34

5

J(1–2)J(1–3)J(2–3)J(2–4)J(2–5)J(3–4)

2–32–32–31–2

1,5–2,53–4

O2

34

5 J(2–3)J(2–4)J(2–5)J(3–4)

1,3–20–11–2

3,1–3,8

1,80

1,53,6

S2

34

5J(2–3)J(2–4)J(2–5)J(3–4)

4,9–6,21,2–1,73,2–3,73,4–5,0

5,41,53,44,0

N

N 2

4

5

6 J(2–4)J(2–5)J(4–5)J(4–6)

0–11–24–62–3

N

S2

4

5 J(2–4)J(2–5)J(4–5)

01–23–4

Tabela 11 Sklopitvene konstante med protoni in drugimi jedri

Strukturni element J(a-b) / Hz1H – 19F

CH

F44–81

CH–CF prosta rotacija 3–25

CH–C–CF 0

C C

FH 1–8

C C

F

H

12–40

H

F

orto

meta

para

6–10

5–6

2

1H – 31P

P H

O 630–707

(CH3)3P 2,7

(CH3)3PO 13,4

Uporabljena literaturaR. M.Silverstein, G. C. Bassler, T. C. Morill, Spectrometric identification of organic compounds. 5. izdaja, John Wiley&Sons, New York, 1991.M. Hesse, H. Meier, B. Zeech, Spectroscopic methods in organic chemistry. Georg Thieme, Stuttgart, 1997.T. Owen, Fundamentals of modern UV-visible spectroscopy. A primer. Hewlett Packard 1996.