1

Nuclear Magnetic Resonance

Spectroscopy

(Kernspinresonantie spectroscopie)

2

Toepassingen van NMR-spectroscopie

Structuuropheldering van (vaak) organische verbindingen

Identificatie van onbekende stoffen

(meestal in combinatie met andere technieken)

Beeldvorming (MRI)

Moleculaire beweging

Ruimtelijke structuur

3

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.

4

NMR Spectroscopie

E1

E2

E

AbsorptieE1

E2

Emissie

• 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).

5

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.

6

E

Spin omhoog, parallel

Spin omlaag, anti-parallel

Zeeman diagram

Energie

B00Magnetic field

E = h/2 B0

7

Planck constante

Magnetische veldsterkte

Gyromagnetischeverhouding

• 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.

E = h/2 B0 = h

8

Laten we een magneetveld van 7 tesla nemen:

CH3 C O P O

CH3

H

CH3

F

0 100 200 300 (MHz)

13C 31P 19F 1H

Straling zit in het radiogolfgebiedWaar hoort zuurstof in dit plaatje?

9

Kernspin quantum getallen (I) en voorkomen

Kern I Voorkomen (%)1H ½ 99.9852H 1 0.01512C 0 98.89213C ½ 1.10814N 1 99.6316O 0 99.96319F ½ 100.029Si ½ 4.7031P ½ 100.0

10

NMR spectrometer, basaal

11

NMR spectrometer, uitgebreid.

12

MRI

13

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.

14

De resonantiefrequentie van een kern hangt af van B0.

= 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

15

NMR spectrum

(ppm)

abs

orp

tion

: chemische verschuiving(chemical shift)

TMS

TMSsample

TMS: Si(CH3)4

= 0 ppm

16

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).

17

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.

18

Signaal

(ppm)0510

Schaal van 0 .. 12 ppm voor 1H

Schaal van 0 .. 220 ppm voor 13C

TMS signaalafscherming

minder meer

19

1H NMR chemical shifts

20

Invloeden op de chemical shift, een voorbeeld

CH3Cl CH3Br CH3I

Wat verwachten we?

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.

Halogenen trekken elektronen naar zich toe, waardoor de protonen minder afgeschermd zijn.

21

CH3I

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

22

CH3Br

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

23

CH3Cl

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

24

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.

25

CH3Cl Chloormethaan

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

26

CH2Cl2 Dichloormethaan

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

27

CHCl3 Chloroform

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

28

ANDERE INVLOEDEN OP

• Hybridisatie (sp3, sp2, sp)• Aromaticiteit• H-brug vorming• en nog andere faktoren

29

13C NMR spectra

Slechts 1% van koolstof komt voor als 13C in de natuur. Bovendien is koolstof minder gevoelig ().

13C-NMR is minder gevoelig dan 1H-NMR.

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.

30

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

(ppm)

CHEMISCHE VERSCHUIVINGEN

RC

O

H RC

O

OH

CC C C

X

C

X = Fl, Cl, Br, I

–OCH2– –CH2––CH3

zie ook p. 140

31

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.

32

1-Hexeen

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

33

2-butanol

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

34

3-pentanon

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

35

Invloed van symmetrie:

Dipropyl ether en ethyl propyl ether

Hoeveel chemisch verschillende koolstofatomen in elk molecuul?

36bron: SDBS (www.aist.go.jp)

37bron: SDBS (www.aist.go.jp)

38

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.

39

Chemische shift zit gewoonlijk tussen 0 en 12 ppm.

40

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

41

Azijnzuur CH3COOH

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

42

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

Opgave 2

43

SPIN-SPIN KOPPELING

• Verschillende spins in elkaars nabijheid beinvloeden elkaar(door de bindingen)

• De aanwezigheid van spin 2splitst het signaal van spin 1 in twee lijnen van gelijke intensiteit.

• Evenzeer wordt spin 2 opgesplitstdoor spin 1.

• Het energieverschil tussen dede lijnen wordt koppelingsconstantegenoemd (in Hz).

spin 1

spin 2

• Effekt meestal (maar niet altijd) beperkt tot drie bindingen.

• Protonen die elkaar opsplitsen hebben dezelfde koppelingsconstante.

44

ppm (t1)0.501.001.502.002.503.003.50

0.00

0.50

1.00

KOPPELINGSPATRONEN

1 1

1

2 11

3 3 11

4 1641

aantalburen patroon

0 singulet

1 doublet

2 triplet

3 kwartet

4 kwintet

CH3 signaal:triplet

CH2 signaal:kwartet

• Uit het koppelingspatroon kun je het aantal naburige H-atomen afleiden.

• Identieke kernen splitsen elkaar niet op.

intensiteiten

X C

H

C

H

H

H

H

45

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?

46

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.

47

Uitwisselbare protonen

Protonen die uitwisselen geven vaak brede pieken.

-COOH-OH-NH2

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 sterkvarieren.

48

CH3CH2OH

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