NMR-spektroskopia
Johdanto
NMR-spektroskopiaa eli ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa (engl. nuclear magnetic resonance) käytetään pääasiassa orgaanisten yhdisteiden rakennemäärityksiin. Se perustuu atomin ydinten käyttäytymiseen magneettikentässä. Laitteen tuottama magneettikenttä jakaa ytimet eri energiatiloihin. Jotkin ytimet asettuvat ulkoisen kentän suuntaisesti, toiset sen vastaisesti. Ulkoinen magneettikenttä voi kääntää ytimien suuntaa, ja muutokseen liittyvien energiatilojen ero on verrannollinen absorboituneen säteilyn määrään. Säteily virittää ytimen korkeampaan energiatilaan, ja detektori mittaa viritystilan purkautuessa vapautuvan säteilyn määrän.
NMR on ainoa menetelmä, jolla voidaan ratkaista molekyylin kolmiulotteinen avaruusrakenne. NMR-spektristä nähdään jokaisen atomin kemiallinen siirtymä. Se tarkoittaa tutkittavan näytteen atomien ytimien resonanssitaajuuden muutosta suhteessa vertailunäytteen siirtymään. Sen suuruuteen vaikuttaa atomin tyyppi ja se, millaisella sidoksella se on sitoutunut muihin atomeihin. Signaalin intensiteetti on verrannollinen samanlaisten ytimien lukumäärän. NMR-spektrille tyypillinen jakautuminen auttaa lähimpien atomien määrittelyssä. Ydintä kiertävä elektroni häiritsee mittausta ja heikentää ulkoisen kentän vaikutusta ytimeen. Atomiin sitoutunut elektronegatiivisempi atomi vetää sidoselektroneja voimakkaammin puoleensa, jolloin elektronien suojaus vähenee ja ytimen värähtelyn taajuus kasvaa.
NMR-spektrin tulkintaa
1H-NMR-spektri perustuu protonin resonointiin ulkoisessa magneettikentässä. Siihen vaikuttaa protonin lähiympäristössä olevat sidokset ja naapuriatomit. Protonin lähellä oleva elkektronegatiivinen atomi kasvattaa resonanssitaajuutta. NMR-signaali jakautuu muiden lähellä olevien protonien vaikutuksesta, joko vahvistaen tai heikentäen suuntauksesta riippuen.
Esimerkiksi etanolin 1H-NMR-spektrissä etyyliryhmä -CH2-CH3 sisältää kahdenlaisia protoneja. CH2-ryhmän protonit ovat keskenään samanlaisia ja vastaavasti CH3-ryhmä protonit keskenään samanlaisia. CH2-ryhmän protonien spin voi suuntautua neljällä eri tavalla: molemmat kentän suuntaisesti, molemmat kentän vastaan tai toinen kentän suuntaisesti ja toinen kentän vastaisesti. Viimeksi mainittuja vaihtoehtoja on kaksi riippuen siitä, kumpi protoneista on suuntautunut kentän suuntaisesti ja kumpi kenttää vastoin.
Keskenään samansuuntaiset spinit aiheuttavat magneettikenttään kokonaisvaikutuksen, jota kuvataan luvulla 1, kun taas keskenään erisuuntaisten spinien kokonaisvaikutusta kuvataan luvulla 0. Erisuuntaisesti orientoituneiden spinien vaihtoehtoja on kaksi, joten piikin intensiteetti on kaksinkertainen. CH3-ryhmän protoneihin kohdistuu siis kolme eri kenttävoimakkuutta, ja piikki on jakautunut kolmeen osaan, joista keskimmäisen intensiteetti on voimakkain. Tätä nimitetään triplettipiikiksi. Vastaavalla tavalla CH3-ryhmä kohdistaa CH2-ryhmään vaikutuksen, joka aiheuttaa piikin jakaantumisen neljään osaan, ja niiden intensiteettien suhde on 1:3:3:1. Tällaista piikkiä nimitetään kvartetiksi.
Spektrin tulkinnassa tarkastellaan kemiallista siirtymää, piikkiryhmien lukumäärää, ryhmän piikkien lukumäärä ja piikkien intensiteettiä. Piikkiryhmässä on yksi piikki enemmän kuin viereiseen atomiin on liittynyt vetyjä. Tätä nimitetään n + 1 -säännöksi. Kemiallisen siirtymän avulla voidaan päätellä, mikä tyyppisiä ryhmiä yhdisteessä on. Piikin intensiteetti on suoraan verrannollinen protonien lukumäärään.
13C-NMR-spektri perustuu hiili-13-isotoopin atomiydinten resonointiin ulkoisessa magneettikentässä. Tekniikkaa käytetään hiilirungon tunnistamiseen. Piikkien lukumäärä on verrannollinen yhdisteessä olevien hiiliatomien lukumäärään. Naapurihiiliatomit vaikuttavat harvoin piikkien muotoon, koska kahden vierekkäisen hiili-13-isotoopin liittyminen samaan hiilirunkoon on epätodennäköistä. Näin ollen piikkien jakautuminen 13C-NMR-spektrissä on vähäistä ja harvinaisempaa.
