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Organic Chemistry
 

Kernresonanzspektroskopie (NMR)

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Kernspintomographie oder NMR, Spektroskopie ist eine wichtige Methode zur Bestimmung der molekularen Struktur und Reinheit der Proben in der organischen Chemie.

Im NMR sind Spektroskopie Proben ein starkes Magnetfeld ausgesetzt. Bei Einwirkung bestimmter Atomkerne Übergang oder mitschwingen, zwischen diskreten Energieniveaus. Die Energielücke zwischen diesen Ebenen kann gemessen und als Spektren sichtbar gemacht werden. Diese Daten können verwendet werden, um die chemische Struktur der Probe zu erhellen.

Nicht alle Kerne haben die erforderlichen Eigenschaften, NMR-aktiv sein. Gemeinsamen Isotope untersucht sind, 1H, 2H, 13C, 19F und 31s.

Dieses Video stellen die Prinzipien hinter NMR, Schritt durch Beispiel Vorbereitung der NMR-Proben aus verschiedenen Stufen einer chemischen Reaktion, und mehrere Anwendungen zu diskutieren.

In der NMR-Instrument dienen flüssigem Stickstoff und Helium ein supraleitender Magnet abkühlen lassen. Der Magnet gilt ein konstantes Magnetfeld für eine Probe. Innerhalb der Stichprobe richten Atomkerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und Neutronen mit Feld Annahme einen energiearmen Zustand oder dagegen Annahme einen energiereichen Zustand.

Die Energiedifferenz zwischen den beiden Ebenen ist die Resonanzfrequenz, die Stärke der angewandten Bereich und die Art des Kerns abhängt. Für die Magnete im NMR verwendet ist der Wert in der Radio-Frequenz oder RF, Bereich.

Eine HF-Spule erregt die Probe mit einem Hochfrequenz-Impuls, bewegen die Niedrigenergie-Kerne in den höheren Zustand, bevor Sie wieder zurückkehren. Die Spule erkennt diese Veränderungen in der Magnetisierung, die als Gipfel angezeigt werden.

Die Stärke der NMR liegt in seiner Fähigkeit, Kerne, in diesem Fall Wasserstoff, von ihrer chemischen Umgebung zu unterscheiden. Elektronen auf benachbarte Atome werden blockieren oder "Schild", die Kerne von einigen des magnetischen Feldes. Dieses effektive Feld ändert sich die Resonanzfrequenz für die bestimmten Kerne, eine chemische Verschiebung genannt. In Ethanol haben die Methylenblau, Hydroxyl und Methyl Protonen alle einzigartigen Resonanzfrequenzen. Bestimmung der Fläche unter jeder Gipfel verdeutlicht die Anzahl der einzelnen Arten von Proton.

Da Instrumente mit unterschiedlichen magnetischen stärken die Resonanzfrequenzen verschieben werden, werden sie an eine standard-Molekül hinzugefügt, um die Probe, oft Tetramethylsilane oder TMS referenziert. Die chemische Verschiebung der Frequenzen ist sehr klein, oft in Teilen pro Million oder ppm berichtet.

Wenn Sie einen starken Magneten mit hoher Auflösung verwenden, werden Spitzen Subpeaks manchmal aufgeteilt. Ursache hierfür ist die benachbarte Kerne, von denen einige mit dem magnetischen Feld, einige gegen ausgerichtet sind; weiter verändern Feld wirksamere auf die Kerne angewendet. Im Äthanol 2 Methylen-Protonen den Methyl-Gipfel zweimal in eine Triole aufgeteilt und 3 Methyl-Protonen Methylen-Gipfel dreimal in einem Quartett aufgeteilt. Der Abstand der Spaltung oder J-Kupplung, bezieht sich auf den Abstand der Atomkerne, Beihilfe bei der qualitativen Entdeckung.

Nun, da Sie die grundlegenden Prinzipien hinter NMR verstehen, betrachten wir eine Beispielprozedur, die Proton NMR verwendet, um die Synthese von Chalcone aus einem Aldehyd und Keton zu überwachen.

Beginnen Sie mit einer Pasteurpipette ein Becherglas eine winzige Menge des Ausgangsmaterials hinzu. Bewegen in der Dunstabzugshaube und das Ausgangsmaterial mit 0,7 mL deuterierte Lösungsmittel verdünnen. Deuterierte Lösungsmittel dienen, da Deuterium Resonanzfrequenz außerhalb des Gültigkeitsbereichs für Protonen ist.

Mit Hilfe einer Pasteurpipette 0,7 mL verdünnten Ausgangsmaterial in einem Schlauch sauber 5 mm NMR, füllen die 4,5 – 5 cm. Cap NMR Unterrohr hinzu und beschriften Sie sie. Schütteln Sie das Rohr, kümmert sich um den um Kontakt zwischen der Probe und der Kappe zu vermeiden. Dann legen Sie das Rohr in den Spinner.

Reinigen Sie die Außenseite des Schlauches und Spinner mit 2-Propanol und Labor Gewebe. Legen Sie die Probe-Versammlung in der Tiefenbegrenzer und kalibrieren Sie die Einstecktiefe zu.

Nach der Kalibrierung, die Assembly Probe in das NMR-Spektrometer entweder manuell oder mit einem Auto-Sampler. Schließlich verwenden Sie einen Computer-Arbeitsplatz das NMR-Spektrum zu erwerben.

NMR-Spektren, die mit diesem Verfahren für jede der Ausgangsstoffe der Reaktion zu erzeugen. Für die Synthese von Chalcone sollten Spektren für Methoxybenzaldehyde und Methylacetophenone generiert werden.

Führen Sie dann die Probe-Synthese durch die Kombination der Ausgangs- und Reagenzien in einem Kolben um die Reaktion zu beginnen.

In 30 Minuten Abständen eine kleine aliquoten des Reaktionsgemisches mit einer Pasteurpipette entfernen und 3 Tropfen auf ein sauberes NMR-Röhrchen.

Dieses grobe Reaktionsprodukt mit deuterierte Lösungsmittel verdünnen und NMR mit dem zuvor beschriebenen Verfahren vorbereiten.

Da die Reaktion fortschreitet ein gelben Niederschlag bilden. Wenn die Reaktion beendet ist, waschen und den Niederschlag zu filtern und NMR-Spektren für das gereinigte Reaktionsprodukt zu generieren.

Nun, da wir in jeder Phase der chemischen Reaktion NMR-Spektren generiert haben, lassen Sie uns analysieren.

Die Gipfel der NMR-Spektren für jede der Ausgangsstoffe sind verschiedene Proton Gruppen innerhalb des Moleküls nach ihrer chemischen Verschiebungen und die Anzahl der Protonen, die einen Beitrag zu jeder Gipfel zugeordnet. Hier ordnen wir die 4 großen Proton-Gruppen für Methylacetophenone und Methoxybenzaldehyde, Kenntnis nehmend von der Aldehyd-Gipfel zwischen 9,5 und 10,5 ppm. Durch den Vergleich der NMR-Spektren der rohen Reaktionsprodukte zu verschiedenen Zeitpunkten, ist die Entwicklung der chemischen Reaktion, die Chalcone synthetisiert aufgeklärt. Z. B. Aldehyd-Gipfel vom Ausgangspunkt Material Methoxybenzaldehyde ist noch vorhanden, nach 30 min der Reaktion, aber ist nach 3 h, bedeutet die Vollendung der Reaktion vollständig verschwunden.

Durch die Untersuchung des Spektrums des gereinigten Produktes können wir jeder Gipfel ein Proton-Gruppe in die Chalcone Struktur zuweisen. Zum Beispiel untersuchen Gipfel 3 und 4, die wir sehen, dass ihre integrale sind beide eins, entsprechend Gruppen mit nur einem Proton.

Spitzen 3 und 4 sind sogenannte Dubletten unter Angabe einer benachbarten Proton. Beide haben J-Koppelung konstanten von 16 Hz, was darauf hindeutet, dass sich die Protonen befinden sich über ein E-Doppelbindung. Durch die Zuordnung alle NMR Gipfel des gereinigten Reaktionsproduktes, bestätigen wir die Synthese von einem reinen Chalcone.

NMR-Spektroskopie hat eine breite Palette von Anwendungen und ist in vielen wissenschaftlichen und medizinischen Bereichen eingesetzt.

In dieser Anwendung, Proton NMR dient zur Bestätigung der Synthese und Struktur von Diamidocarbene und Mononoamidocarbine, haben deren NMR-Spektren Peak-splitting Mustern. Diese Carbene generiert auch scheinbar unterschiedliche Reaktionsprodukte in Kombination mit weißem Phosphor; DAC1 generiert eine leuchtend rote Reaktionsprodukt, während MAAC2 ein helles orange Produkt hergestellt. Diese Unterschiede in der Reaktionsprodukte wurden bestätigt mit einer zweiten Anwendung der NMR, 31P NMR, die Spektren basierend auf Unterschiede in der Resonanzfrequenz der Phosphor-Kerne erzeugt.

Nukleare Magnetresonanztomographie oder MRT, wurde hier eine anatomische Karte des Gehirns zu generieren und die Hirnregionen von Interesse wählen verwendet. NMR-Spektroskopie wurde dann zur Spektren der wichtigsten Metaboliten zu generieren. Zu guter Letzt mittels MRI Veränderungen im Gehirn-Stoffwechsel in verschiedenen experimentellen Bedingungen wurden ausgewertet.

In dieser Anwendung wurde NMR verwendet, um die Bindungseigenschaften analysieren und schlagen eine 3D-Struktur eines Peptids Kupfer-Bindung. Zuerst, NMR-Spektren wurden verglichen, des Peptids ungebunden und Kupfer-gebundenen Staaten. Dann wurden mit fortgeschrittenen 2-dimensionaler NMR-Techniken, verschiedene mögliche Konformationen der Peptid-Struktur bewertet. Schließlich wurden diese NMR-abgeleitete strukturelle Zwänge verwendet, um eine vorgeschlagene 3-dimensionale Struktur für das ungebundene Peptid zu entwickeln.

Sie sah nur Jupiters Einführung in die NMR-Analyse. Sie sollten jetzt die zugrunde liegenden Prinzipien hinter NMR-Spektren-Generierung und Analyse sowie ein Verfahren zur NMR-Probenvorbereitung verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

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