Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie

Kernspinresonantie, of NMR, spectroscopie is een belangrijke methode voor het bepalen van de moleculaire structuur en zuiverheid van monsters in de organische chemie.

Bij NMR-spectroscopie worden monsters blootgesteld aan een sterk magnetisch veld. Bij blootstelling gaan bepaalde kernen over, of resoneren, tussen afzonderlijke energieniveaus. Het energieverschil tussen deze niveaus kan worden gemeten en gevisualiseerd als spectra. Deze gegevens kunnen worden gebruikt om de chemische structuur van het monster te verduidelijken.

Niet alle kernen hebben de vereiste eigenschappen om NMR-actief te zijn. Veel bestudeerde isotopen zijn 1H, 2H, 13C, 19F en 31P.

Deze video introduceert de principes achter NMR, begeleidt voorbeeldvoorbereidingen van NMR-monsters uit verschillende stadia van een chemische reactie en bespreekt verschillende toepassingen.

In het NMR-instrument worden vloeibare stikstof en helium gebruikt om een supergeleidende magneet af te koelen. De magneet brengt een constant magnetisch veld aan op een monster. Binnen het monster zullen atoomkernen met een oneven aantal protonen en/of neutronen zich ofwel uitlijnen met het veld, waardoor een lage energietoestand wordt aangenomen, of er tegenin, waardoor een hoge energietoestand wordt aangenomen.

Het energieverschil tussen de twee niveaus is de resonante frequentie, die afhangt van de sterkte van het toegepaste veld en het type kern. Voor de magneten die in NMR worden gebruikt, ligt de waarde in het radiofrequentiebereik, of RF-bereik.

Een RF-spoel prikkelt het monster met een radiofrequentiepuls, waardoor de lage energiekernen naar de hogere toestand worden verplaatst, voordat ze terugkeren. De spoel detecteert deze veranderingen in magnetisatie, die worden weergegeven als pieken.

De kracht van NMR ligt in het vermogen om kernen te onderscheiden, in dit geval waterstof, door hun chemische omgeving. Elektronen op naburige atomen zullen de kernen blokkeren, of "afschermen", van een deel van het magnetische veld. Dit effectieve veld verandert de resonante frequentie voor de specifieke kernen, genoemd een chemische verschuiving. In ethanol hebben de methyleen-, hydroxyl- en methylprotonen allemaal unieke resonantiefrequenties. Het bepalen van het gebied onder elke piek verduidelijkt het aantal van elk type proton.

Aangezien instrumenten met verschillende magnetische sterktes de resonante frequenties verschuiven, worden ze gerefereerd naar een standaardmolecuul dat aan het monster is toegevoegd, vaak tetramethylsilaan, of TMS. De chemische verschuiving van de frequenties is erg klein, vaak gerapporteerd in delen per miljoen, of ppm.

Bij gebruik van een sterke magneet met hoge resolutie, zullen pieken soms splitsen in subpieken. Dit wordt veroorzaakt door de naburige kernen, waarvan sommige zijn uitgelijnd met het magnetische veld, sommige er tegenin; verandering van het effectieve veld dat op de kernen wordt toegepast. In ethanol splitsen de 2 methyleenprotonen de methylpiek twee keer in een triplet, en de 3 methylprotonen splitsen de methyleenpiek drie keer in een kwartet. De afstand van de splitsing, of J-koppeling, is gerelateerd aan de afstand van de kernen, wat helpt bij kwalitatieve ontdekking.

Nu u de basisprincipes achter NMR begrijpt, laten we een voorbeeldprocedure bekijken die proton-NMR gebruikt om de synthese van chalcone uit een aldehyde en keton te volgen.

Begin met een kleine hoeveelheid van het uitgangsmateriaal toe te voegen aan een beker met behulp van een Pasteur-pipet. Ga naar de afzuigkap en verdun het uitgangsmateriaal met 0,7 mL gedeutereerd oplosmiddel. Gedeuteerde oplosmiddelen worden gebruikt, omdat de resonantiefrequentie van deuterium buiten het bereik voor protonen ligt.

Gebruik een Pasteur-pipet om 0,7 mL van het verdunde uitgangsmateriaal toe te voegen aan een schone 5 mm NMR-buis, waarbij de bodem 4,5 - 5 cm wordt gevuld. Sluit de NMR-buis af en label hem. Schud de buis voorzichtig, zorg ervoor dat er geen contact tussen het monster en de dop is. Plaats vervolgens de buis in de spinner.

Reinig de buitenkant van de buis en spinner met 2-propanol en laboratoriumdoekjes. Plaats vervolgens de monsterassemblage in de dieptemeter en kalibreer de invoegdiepte.

Na kalibratie laadt u de monsterassemblage in de NMR-spectrometer, hetzij handmatig of met behulp van een autosampler. Gebruik ten slotte een computerwerkstation om het NMR-spectrum te verkrijgen.

Genereer NMR-spectra met deze procedure voor elk van de uitgangsmaterialen van de reactie. Voor de synthese van chalcone moeten spectra worden gegenereerd voor zowel methoxybenzaldehyde als methylacetofenon.

Voer vervolgens de monstersynthese uit door de uitgangsmaterialen en reagentia in een kolf te combineren om de reactie te starten.

Verwijder elke 30 minuten een kleine aliquot van het reactiemengsel met behulp van een Pasteur-pipet en voeg 3 druppels toe aan een schone NMR-buis.

Verdun dit ruwe reactieproduct met gedeutereerd oplosmiddel en bereid het voor op NMR volgens de eerder beschreven procedure.

Naarmate de reactie vordert, zal zich een gele neerslag vormen. Wanneer de reactie voltooid is, was en filtreer de neerslag en genereer NMR-spectra voor het gezuiverde reactieproduct.

Nu we NMR-spectra hebben gegenereerd in elk stadium van de chemische reactie, laten we ze analyseren.

De pieken van de NMR-spectra voor elk van de uitgangsmaterialen worden toegewezen aan verschillende protongroepen binnen het molecuul volgens hun chemische verschuivingen en het aantal protonen dat bijdraagt aan elke piek. Hier wijzen we de 4 belangrijkste protongroepen voor methylacetofenon en methoxybenzaldehyde toe, waarbij we de aldehydepiek tussen 9,5 en 10,5 ppm opmerken. Door de NMR-spectra van de ruwe reactieproducten op verschillende tijdstippen te vergelijken, wordt de evolutie van de chemische reactie die chalcone synthetiseert verduidelijkt. Bijvoorbeeld, de aldehydepiek van het uitgangsmateriaal methoxybenzaldehyde is na 30 min reactie nog steeds aanwezig, maar is na 3 uur volledig verdwenen, wat de voltooiing van de reactie betekent.

Door he