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.
https://peda.net/id/803333c6905
Näytteeseen kohdistetaan radiotaajuuden aallonpituusalueella oleva sähkömagneettista säteilyä. Lähetinantenni lähettää lyhyen RF-pulssin (engl. radio frequency) ja vastaanotinantenni mittaa resonanssitaajuuden. Ilmiön on jossain määrin analoginen sille, että pöytään kopautettu äänirauta alkaa värähdellä ja sen vieressä oleva äänirauta alkaa värähdellä samalla taajuudella. Ytimien energiatilojen erot ovat pienet, joten tutkittavaa näytettä tarvitaan paljon. Käytetyimmät NMR-tekniikat ovat 1H-NMR ja 13C-NMR-tekniikat, joista ensin mainittu perustuu vedyn ja jälkimmäinen hiili-13-isotoopin ytimen magneettisiin ominaisuuksiin. NMR-tekniikan toiminta edellyttää, että atomin ytimen ydinhiukkasten lukumäärä on pariton. Esimerkiksi hiili-12-isotoopilla ei ole NMR-spektriä, koska sen ytimessä on kuusi protonia ja kuusi neutronia.
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.
Lähde: Orbitaali 3 (LOPS 2019)
NMR-spektrien tulkinnan perusteita
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.
https://peda.net/id/803e0184905
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.
https://peda.net/id/803cf866905
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.
https://peda.net/id/803c0eba905
NMR:n spektroskopiasta
HNMR eli vety-NMR-spektrien tulkintaa
Vety-NMR:llä tulkitaan molekyylin vetyatomien ympäristöjä. HNMR-spektrien tulkinnassa lukiotasolla kannattaa keskittyä samankaltaisten vetyjen ja niiden määrän vertailuun. Kemialliset siirtymät (spektripiikkienpaikka spektrissä) antavat mahdollisuuden tulkita vetyjen lähiympäristöä 1) onko vety kiinnittynyt hiili-, happi tai typpiatomiin, 2) onko vety kiinnittynyt hiileen, jonka hybridisaatio on tietty, 3) kuinka vetyä on "kahden sidoksen takana" (aiheuttaen spektripiikin jakautumisen dupletiksi, tripletiksi tai kvartetiksi).CNMR - eli hiili-NMR
CNMR:n käyttö lukiossa voisi olla "erilaisten" hiilien tunnistamista ja lukumäärän määrittämistä. Lukumäärä auttaa molekyylikaavan määrittämisessä, jos empiirinen kaava jo tiedetään tai on laskettu.CNMR-spektrit mahdollistavat hiilien määrän määrittämisen vaikka ne olisivat "samankaltaisia". Spektreihin saadaan kirjattu integraalit, mikä kertoo piikkien pinta-alan, joka suoraan verrannollinen hiiliatomien lukumäärään. Seuraavissa kuvissa etanolin ja propanonin CNMR-spektrit.
Etanolin hiili, johon on kiinnittynyt OH-ryhmä (happi yksinkertaisella sidoksella), poikkeaa selkeästi vasemmalle asteikolla. Alla olevan propanonin hiili, johon on kiinnittynyt karboksyyliryhmän happi (C=O-sidos), on vielä enemmän vasemmalla asteikolla. Kuvaan on lisätty integraali, joka kertoo hiilien määrän. CH3-ryhmän hiiliä on siis kaksi kappaletta.
