What nuclei are NMR-active and commonly studied in spectroscopy?

NMR-active nuclei have an odd number of protons and/or neutrons. Common isotopes studied include 1H (hydrogen), 2H (deuterium), 13C (carbon), 19F (fluorine), and 31P (phosphorus). These nuclei align either with or against an applied magnetic field, creating energy level differences that produce measurable resonant frequencies used to determine molecular structure.

How does chemical shift help identify different protons in a molecule?

Chemical shift occurs because electrons on neighboring atoms shield nuclei from the magnetic field, changing the effective field and resonant frequency. Protons in different chemical environments experience different shielding, producing unique resonance frequencies. In ethanol, methylene, hydroxyl, and methyl protons each have distinct chemical shifts, allowing identification of specific proton groups by their position on the NMR spectrum.

Why is deuterated solvent used when preparing NMR samples?

Deuterated solvents are used because deuterium's resonant frequency falls outside the range for protons. This prevents solvent peaks from interfering with the sample's proton NMR spectrum. By diluting the sample in deuterated solvent, typically 0.7 mL, the analyst can observe only the proton signals from the compound of interest without background noise from the solvent.

What does J-coupling reveal about molecular structure in NMR?

J-coupling causes NMR peaks to split into subpeaks based on neighboring nuclei alignment with the magnetic field. The splitting pattern and distance between subpeaks indicate the number and proximity of neighboring protons. In ethanol, the methylene protons split the methyl peak into a triplet, while methyl protons split the methylene peak into a quartet, helping confirm the molecular connectivity and structure.

How can NMR spectroscopy monitor the progress of a chemical reaction?

By collecting NMR spectra at regular intervals during a reaction, chemists can track the disappearance of starting material peaks and appearance of product peaks. For chalcone synthesis, the aldehyde peak from methoxybenzaldehyde was still present after 30 minutes but completely absent after 3 hours, confirming reaction completion. This non-destructive monitoring allows real-time assessment of reaction progress without consuming the sample.

What is the purpose of tetramethylsilane (TMS) in NMR analysis?

Tetramethylsilane (TMS) is a standard reference molecule added to NMR samples to account for variations in magnetic field strength between instruments. Since different magnets produce different resonant frequencies, chemical shifts are referenced to TMS and reported in parts per million (ppm). This standardization allows NMR data from different instruments and laboratories to be compared reliably.

What are the main advantages of NMR spectroscopy compared to other analytical techniques?

NMR is a non-destructive method that preserves the sample for recovery, making it valuable when material is limited or expensive. Unlike mass spectrometry or thermal analysis, NMR provides detailed structural information about molecular composition and purity without destroying the compound. It can also monitor reaction progress in real time and determine both the structure and identity of products throughout a synthesis using thin layer chromatography principle procedure applications to verify purity.

التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR)

0 مشاهدة10:08 دقيقة

فئة < p = "jove_title" >1. تحضير مواد بدء الرنين المغناطيسي

النووي

أضف ~ 10 مجم مادة أولية إلى أنبوب الرنين المغناطيسي النووي النظيف.
قم بإذابة مادة البداية في ~ 0.7 مل من المذيب الديوتيرتي (على سبيل المثال CDCl₃). الارتفاع المناسب للمذيب للحصول على طيف جيد هو 4.5-5 سم.
قم بتغطية أنبوب الرنين المغناطيسي النووي بعناية واكتب اسم العينة على الغطاء.
رج العينة برفق للتأكد من ذوبان جميع المواد. احرص على تجنب ملامسة المذيب والغطاء ، مما قد يؤدي إلى تلوث محتمل للعينة.
أدخل أنبوب الرنين المغناطيسي النووي بعناية في الدوار. سوف يدور الدوار بمجرد إدخاله في المغناطيس للتأكد من أن العينة بأكملها تتعرض لمجالا مغناطيسيا متجانسا. قم بتنظيف الجزء الخارجي من أنبوب الرنين المغناطيسي النووي والدوار باستخدام 2-بروبانول ومناديل المختبر لإزالة بصمات الأصابع والأوساخ.
ضع الدوار في مقياس عمق العينة للتأكد من عدم إدخال الجزء السفلي من أنبوب الرنين المغناطيسي النووي بعيدا جدا في مسبار الرنين المغناطيسي النووي لأن ذلك قد يؤدي إلى إتلاف مقياس الطيف. المجسات المختلفة لها أعماق عينة مختلفة ويجب أن يكون المستخدم على دراية بمقياس العمق المحدد.
ضع العينة في مطياف الرنين المغناطيسي النووي. هنا تم استخدام مطياف فاريان 400 ميجاهرتز ، مزود بجهاز أخذ العينات الآلي.
بعد الانتهاء من قياس الرنين المغناطيسي النووي ، قم بمعالجة الطيف وتعيين القمم في الطيف.

فئة < p = "jove_title" >2. تحضير 3 M هيدروكسيد الصوديوم وتخليق الكالكون

أضف 60 مجم من هيدروكسيد الصوديوم إلى قارورة حجمية سعة 50 مل.
قم بإذابة هيدروكسيد الصوديوم عن طريق إضافة الماء منزوع الأيونات إلى نصف القارورة. خفف المحلول أكثر بإضافة المزيد من الماء حتى الوصول إلى العلامة.
أضف 10 مل من الإيثانول إلى قارورة دائرية القاع سعة 50 مل مزودة بقضيب تحريك مغناطيسي.
بعد ذلك ، أضف 680.5 مجم 4-ميثوكسي بنزالديهايد و 5 مل محلول هيدروكسيد الصوديوم المحضر في الخطوة 2.1 إلى نفس القارورة.
أضف 671 مجم 4-ميثيل أسيتوفينون لاحقا إلى المحلول المقلوب وقم بتغطية القارورة وحركها في درجة حرارة الغرفة.
راقب تقدم التفاعل ^{بمقدار 1}ساعة بالرنين المغناطيسي النووي على فترات 30 دقيقة (انظر الخطوة 3) حتى الاستهلاك الكامل للمواد الأولية.
أضف 5 مل من الماء عندما يصل التفاعل إلى اكتمال (~ 3 ساعات). قم بتصفية الراسب الناتج واغسله ب 20 مل 1: 2 من الإيثانول / الماء. دع الراسب يجف في الهواء.
احسب عائد المنتج الذي تم الحصول عليه. قم بإعداد عينة الرنين المغناطيسي النووي وفقا للخطوة 1.2.2.7. تحقق من النقاء باستخدام ¹ساعة من الرنين المغناطيسي النووي. إذا لم يكن نقيا ، فقم بتنقية المنتج عن طريق إعادة التبلور بالإيثانول.
أضف ما يقرب من 3 قطرات من خليط التفاعل إلى أنبوب الرنين المغناطيسي النووي باستخدام ماصة باستور واشطف الماصة بمذيب مزيل للمواد المغناطيسية.
كرر الخطوات من 1.2 إلى 1.8.

3. تفسير موجز لطفيف الرنين المغناطيسي

النووي

قم بمعالجة الطيف ببرنامج مناسب (مثال معطى MestReNova).
ربط القمم المختلفة بتحولات الرنين المغناطيسي النووي في الجدول 1. تعطي التحولات الكيميائية تلميحا لنوع البيئة الموجودة فيها البروتونات.
ادمج القمم لإعطاء عدد الهيدروجين المقابل لكل ذروة. يعطي تكامل جميع القمم عددا نسبيا من إجمالي البروتونات.
قم بتقييم انقسام قمم البروتون ، والتي تشير إلى عدد الجيران.
قم بقياس اقتران J لترى كيف ترتبط البروتونات ببعضها البعض.

يعد

الرنين المغناطيسي النووي ، أو الرنين المغناطيسي النووي ، التحليل الطيفي طريقة مهمة لتحديد التركيب الجزيئي ونقاء العينات في الكيمياء العضوية.

في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، تتعرض عينات العينات لمجال مغناطيسي قوي. عند التعرض ، انتقال نوى معينة ، أو يتردد صداها ، بين مستويات الطاقة السرية. يمكن قياس فجوة الطاقة بين هذه المستويات وتصورها كأطياف. يمكن استخدام هذه البيانات لتوضيح التركيب الكيميائي للعينة.

لا تحتوي جميع النوى على الخصائص المطلوبة لتكون نشطة بالرنين المغناطيسي النووي. النظائر الشائعة التي تمت دراستها هي ¹H و ²H و ¹³C و ¹⁹F و ³¹P.

سيقدم هذا الفيديو المبادئ الكامنة وراء الرنين المغناطيسي النووي ، ويخطو من خلال أمثلة على الاستعدادات لعينات الرنين المغناطيسي النووي من مراحل مختلفة من التفاعل الكيميائي ، ويناقش العديد من التطبيقات.

في أداة الرنين المغناطيسي النووي ، يتم استخدام النيتروجين السائل والهيليوم لتبريد مغناطيس فائق التوصيل. يطبق المغناطيس مجالا مغناطيسيا ثابتا على العينة. داخل العينة ، ستتماشى النوى الذرية التي تحتوي على عدد فردي من البروتونات و / أو النيوترونات إما مع المجال ، أو تتبنى حالة منخفضة الطاقة ، أو ضدها ، متبنية حالة عالية الطاقة.

فرق الطاقة بين المستويين هو تردد الرنين ، والذي يعتمد على قوة المجال المطبق ونوع النواة. بالنسبة للمغناطيس المستخدم في الرنين المغناطيسي النووي ، تكون القيمة في نطاق تردد الراديو أو التردد اللاسلكي.

يثير ملف التردد اللاسلكي العينة بنبض تردد راديو ، مما يحرك نوى الطاقة المنخفضة إلى الحالة الأعلى ، قبل العودة مرة أخرى. يكتشف الملف هذه التغييرات في المغنطة ، والتي يتم عرضها على شكل قمم.

تكمن قوة الرنين المغناطيسي النووي في قدرته على تمييز النوى ، في هذه الحالة الهيدروجين ، من خلال بيئتها الكيميائية. ستمنع الإلكترونات الموجودة على الذرات المجاورة أو "تحمي" النوى من بعض المجال المغناطيسي. يغير هذا المجال الفعال تردد الرنين للنوى المعينة ، والتي تسمى التحول الكيميائي. في الإيثانول ، تحتوي بروتونات الميثيلين والهيدروكسيل والميثيل على ترددات رنين فريدة. يوضح تحديد المنطقة الواقعة تحت كل ذروة عدد كل نوع من أنواع البروتونات.

نظرا لأن الأدوات ذات القوى المغناطيسية المختلفة ستحول ترددات الرنين ، تتم الإشارة إليها إلى جزيء قياسي مضاف إلى العينة ، وغالبا ما يكون رباعي ميثيل سيلان ، أو TMS. التحول الكيميائي للترددات صغير جدا ، وغالبا ما يتم الإبلاغ عنه بأجزاء في المليون ، أو جزء في المليون.

عند استخدام مغناطيس قوي عالي الدقة ، تنقسم القمم أحيانا إلى قمم فرعية. يحدث هذا بسبب النوى المجاورة ، بعضها يتماشى مع المجال المغناطيسي ، والبعض الآخر ضد. مزيد من تغيير المجال الفعال المطبق على النوى. في الإيثانول ، تقسم بروتونات الميثيلين 2 ذروة الميثيل مرتين إلى ثلاثة توائم ، وتقسم بروتونات الميثيل الثلاثة ذروة الميثيلين ثلاث مرات إلى رباعي. ترتبط مسافة الانقسام ، أو J-coupling ، بمسافة النوى ، مما يساعد في الاكتشاف النوعي.

الآن بعد أن فهمت المبادئ الأساسية وراء الرنين المغناطيسي النووي ، دعنا نراجع مثالا على الإجراء الذي يستخدم الرنين المغناطيسي النووي للبروتون لمراقبة تخليق الكالكون من الألدهيد والكيتون.

ابدأ باستخدام ماصة باستور لإضافة كمية صغيرة من مادة البداية إلى الدرق. انتقل إلى غطاء الدخان ، وقم بتخفيف مادة البداية ب 0.7 مل من المذيب المنزع. يتم استخدام المذيبات الديوتيراتية ، حيث يكون تردد رنين الديوتيريوم خارج نطاق البروتونات.

استخدم ماصة باستور لإضافة 0.7 مل من مادة البداية المخففة إلى أنبوب الرنين المغناطيسي النووي النظيف مقاس 5 مم، وملء الجزء السفلي من 4.5 إلى 5 سم. رج الأنبوب برفق ، مع الحرص على تجنب ملامسة العينة والغطاء. ثم أدخل الأنبوب في الدوار.

نظف الجزء الخارجي من الأنبوب والدوار باستخدام 2-بروبانول ومناديل المختبر. ثم ضع مجموعة العينة في مقياس العمق وقم بمعايرة عمق الإدخال.

بعد المعايرة، قم بتحميل مجموعة العينة في مطياف الرنين المغناطيسي النووي إما يدويا أو باستخدام جهاز أخذ العينات التلقائي. أخيرا ، استخدم محطة عمل كمبيوتر للحصول على طيف الرنين المغناطيسي النووي.

قم بإنشاء أطياف الرنين المغناطيسي النووي باستخدام هذا الإجراء لكل مادة من مواد بدء التفاعل. لتخليق الكالكون ، يجب إنشاء أطياف لكل من ميثوكسي بنزالديهايد وميثيل أسيتوفينون.

بعد ذلك ، قم بإجراء تخليق العينة عن طريق الجمع بين المواد الأولية والكواشف في قارورة لبدء التفاعل.

على فترات 30 دقيقة ، قم بإزالة كمية صغيرة من خليط التفاعل باستخدام ماصة باستور وأضف 3 قطرات إلى أنبوب الرنين المغناطيسي النووي النظيف.

قم بتخفيف منتج التفاعل الخام هذا بمذيب مزيل ، واستعد للرنين المغناطيسي النووي باستخدام الإجراء الموصوف سابقا.

مع تقدم التفاعل ، سيتشكل راسب أصفر. عند اكتمال التفاعل ، اغسل الراسب وقم بتصفيته وقم بإنشاء أطياف الرنين المغناطيسي النووي لمنتج التفاعل المنقى.

والآن بعد أن أوجدنا أطياف الرنين المغناطيسي النووي في كل مرحلة من مراحل التفاعل الكيميائي، دعونا نحللها.

يتم تعيين قمم أطياف الرنين المغناطيسي النووي لكل مادة من المواد الأولية لمجموعات بروتونات مختلفة داخل الجزيء وفقا لتحولاتها الكيميائية وعدد البروتونات التي تساهم في كل ذروة. هنا ، نقوم بتعيين 4 مجموعات بروتونات رئيسية لميثيل أسيتوفينون وميثوكسي بنزالديهايد ، مع ملاحظة ذروة الألدهيد بين 9.5 و 10.5 جزء في المليون. من خلال مقارنة أطياف الرنين المغناطيسي النووي لمنتجات التفاعل الخام في نقاط زمنية مختلفة ، يتم توضيح تطور التفاعل الكيميائي الذي يصنع الكالكون. على سبيل المثال ، لا تزال ذروة الألدهيد من مادة البداية ميثوكسي بنزالديهايد موجودة بعد 30 دقيقة من التفاعل ، ولكنها تختفي تماما بعد 3 ساعات ، مما يدل على اكتمال التفاعل.

من خلال فحص طيف المنتج المنقى ، يمكننا تعيين كل ذروة لمجموعة بروتونات في بنية الكالكون. على سبيل المثال ، عند فحص القمتين 3 و 4 ، نرى أن تكاملاتهما واحدة ، تتوافق مع مجموعات تحتوي على بروتون واحد فقط.

تسمى

القمتان 3 و 4 الزوجيات التي تشير إلى بروتون مجاور واحد. كلاهما لهما ثوابت اقتران J تبلغ 16 هرتز ، مما يشير إلى أن البروتونات تقع عبر رابطة E مزدوجة. من خلال تعيين جميع قمم الرنين المغناطيسي النووي لنتاج التفاعل المنقى ، نؤكد تخليق الكالكون النقي.

يحتوي

التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي على مجموعة واسعة من التطبيقات ويستخدم في العديد من المجالات العلمية والطبية.

في هذا التطبيق ، يتم استخدام الرنين المغناطيسي النووي للبروتون للتحقق من تخليق وهيكل كل من دياميدوكاربين وأحادي أميدوكاربين ، حيث تحتوي أطياف الرنين المغناطيسي النووي الخاصة بهما على أنماط مختلفة لتقسيم الذروة. ولدت هذه القربينات أيضا منتجات تفاعل مختلفة على ما يبدو عند دمجها مع الفسفور الأبيض. أنتج DAC1 منتج تفاعل أحمر فاتح ، بينما أنتج MAAC2 منتجا برتقاليا لامعا. تم تأكيد هذه الاختلافات في منتجات التفاعل باستخدام تطبيق ثان للرنين المغناطيسي النووي ، ³¹P NMR ، والذي يولد أطياف بناء على الاختلافات في تردد الرنين لنوى الفوسفور.

هنا ، تم استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي النووي ، أو التصوير بالرنين المغناطيسي ، لإنشاء خريطة تشريحية للدماغ وتحديد مناطق الدماغ ذات الأهمية. ثم تم استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لتوليد أطياف من المستقلبات الرئيسية. أخيرا ، تم تقييم تغييرات التصوير بالرنين المغناطيسي في عملية التمثيل الغذائي للدماغ في ظروف تجريبية مختلفة.

في هذا التطبيق ، تم استخدام الرنين المغناطيسي النووي لتحليل خصائص الربط واقتراح هيكل ثلاثي الأبعاد لببتيد ملزم بالنحاس. أولا ، تمت مقارنة أطياف الرنين المغناطيسي النووي للحالات غير المنضمة والمرتبطة بالنحاس. بعد ذلك ، باستخدام تقنيات الرنين المغناطيسي النووي ثنائية الأبعاد الأكثر تقدما ، تم تقييم المطابقات المحتملة المختلفة لبنية الببتيد. أخيرا ، تم استخدام هذه القيود الهيكلية المشتقة من الرنين المغناطيسي النووي لتطوير هيكل ثلاثي الأبعاد مقترح للببتيد غير المرتبط.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتحليل الرنين المغناطيسي النووي. يجب أن تفهم الآن المبادئ الأساسية وراء توليد أطياف الرنين المغناطيسي النووي وتحليلها ، بالإضافة إلى إجراء لإعداد عينة الرنين المغناطيسي النووي.

شكرا للمشاهدة!