Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Organic Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR)
 
Click here for the English version

ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR)

Overview

מקור: המעבדה של ד"ר הנריק סאנדן – אוניברסיטת צ'למרס לטכנולוגיה

ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR) היא טכניקת ניתוח חיונית לכימאים אורגניים. בעזרת NMR, העבודה במעבדה האורגנית כבר הקלה מאוד. לא רק שהוא יכול לספק מידע על המבנה של מולקולה, אלא גם לקבוע את התוכן והטוהר של מדגם. בהשוואה לטכניקות אחרות הנפוצות לכימאים אורגניים - כגון ניתוח תרמי וספקטרומטריית מסה (MS) - NMR היא שיטה לא הרסנית בעלת ערך כאשר התאוששות המדגם חשובה.

אחת הטכניקות הנפוצות ביותר של NMR עבור כימאי אורגני היא פרוטון (1H) NMR. הפרוטונים הקיימים במולקולה יתנהגו אחרת בהתאם לסביבה הכימית הסובבת אותה, מה שיאפשר להבהיר את המבנה שלה. יתר על כן, ניתן לפקח על השלמת תגובה על ידי השוואת ספקטרום NMR של החומר ההתחלתי לזה של המוצר הסופי.

וידאו זה מדגים כיצד ספקטרוסקופיית NMR יכולה לשמש בעבודה היומיומית של כימאי אורגני. להלן יוצגו: i) הכנת מדגם NMR. ii) שימוש ב- 1H NMR כדי לעקוב אחר תגובה. iii) זיהוי המוצר המתקבל מתגובה עם 1H NMR. התגובה שתופיראה היא סינתזה של E-chalcone (3) מאלדהיד (1) וקטון (2) (תוכנית 1). 1

Scheme 1
מזימה 1. סינתזה של (2E)-3-(4-מתוקסיפניל)-1-(4-מתילפניל)-2-propen-1-אחד.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

גרעינים עם מסה אי זוגית או מספר אטומי יהיו בעלי מאפיין הנקרא ספין, מה שיאפשר להשתמש ב- NMR כדי לזהות אלמנטים כגון מימן (1H), פחמן (13C) וזרחן (31P). הספינים אקראיים ומסתובבים בכיוונים אקראיים; עם זאת, על ידי החלת שדה מגנטי חיצוני גרעינים אלה יתיישרו עם או נגד השדה המגנטי המיושם. לשתי המדינות האלה יש רמות אנרגיה שונות: מצב של אנרגיה נמוכה ומצב של אנרגיה גבוהה. הקרנה עם קרינה אלקטרומגנטית תגרום למצב האנרגיה הנמוכה להתהפך למצב של אנרגיה גבוהה. כאשר הקרינה נפסקת, הגרעינים יעברו הרפיה ומתקבלת ריקבון אינדוקטיבי חופשי (FID). ה- FID הוא פורייה שהפך לתת את הפסגות של ספקטרום NMR. אלמנטים שונים יהיו תדרים שונים המובילים לשינויים כימיים שונים(טבלה 1). ספקטרום NMR יכול לספק סוגים שונים של מידע על תרכובת; האינטגרל של שיא מספק את מספר הפרוטונים המיוצגים על ידי אותו, קבוע צימוד (J-צימוד) נותן את המתאם של הפרוטונים, ואת דפוס פיצול של שיא אומר כמה גרעינים אחרים NMR פעיל נמצאים בקרבת מקום (המכונה לעתים קרובות "שכנים").

מאז 1H NMR מודד 1גרעיני H חשוב להשתמש ממיסים deuterated; אחרת אות העניין יאבד ברעש של אות הממס.

סוג הפרוטון משמרת (δ, ppm) סוג הפחמן משמרת (δ, ppm)
1° אלקיל, RCH3 0.8–1.2 1° אלקיל, RCH3 0–40
2° אלקיל, R2CH2R 1.2–1.5 2° אלקיל, R2CH2R 10–50
3° אלקיל, RCHR2 1.4–1.8 3° אלקיל, RCHR2 15–50
אלילית, R2C =CRCH3 1.6–1.9 אלקן, C=C 100–170
קטון, RC(=O)CH3 2.1–2.6 אריל, C בטבעת ארומטית 100–170
אתר, ROCH2R 3.3–3.9 אלכוהול או אתר, R3COR 50–90
אלכוהול, HOCH2R 3.3–4.0 חומצה קרבוקסילית או אסתר,
RC(=O)OR
160–185
ויניליק, R2C =CH2 4.6–5.0 אלדהיד או קטון,
RC(=O)R
182–215
ויניליק, R2C = CRH 5.2–5.7
ארומטי, ארH 6.0–8.5
אלדהיד RC(=O)H 9.5–10.5
הידרוקסיל אלכוהול, ROH 0.5–6.0
קרבוקסילית, RC(=O)OH 10–13

טבלה 1. פרוטון משותף ופחמן NMR כימי שינויים כימיים. 2

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הכנת חומר התחלה של NMR

  1. הוסף ~ 10 מ"ג חומר מתחיל לצינור NMR נקי.
  2. להמיס את החומר ההתחלתי ~ 0.7 mL deuterated ממס (לדוגמה נתון CDCl3). גובה מתאים של הממס לספקטרום טוב הוא 4.5-5 ס"מ.
  3. כיפה צינור NMR בזהירות ולכתוב את שם המדגם על הכובע.
  4. לנער את המדגם בעדינות כדי להבטיח כי כל החומר נמס. יש להקפיד להימנע ממגע בין הממס לבין המכסה, אשר עלול להוביל לזיהום אפשרי של המדגם.
  5. הכנס את צינור NMR בזהירות לתוך ספינר. המסובב יסתובב פעם אחת מוכנס לתוך המגנט כדי להבטיח כי המדגם כולו חווה שדה מגנטי הומוגני. נקה את החלק החיצוני של צינור NMR וספינר עם 2 פרופנול ורקמות מעבדה על מנת להסיר טביעות אצבעות ולכלוך.
  6. מניחים את הספינר במד עומק מדגם כדי להבטיח כי החלק התחתון של צינור NMR אינו מוכנס רחוק מדי לתוך הבדיקה NMR כמו זה יכול לגרום נזק ספקטרומטר. בדיקות שונות יש עומק מדגם שונה המשתמש צריך להיות מודע מד העומק הספציפי.
  7. מקם את הדגימה בספקטרומטר NMR. כאן נעשה שימוש בספקטרומטר 400 מגה-הרץ של Varian, המצויד בדגימה אוטומטית.
  8. לאחר השלמת מדידת NMR, לעבד את הספקטרום ולהקצות את הפסגות בספקטרום.

2. הכנת סינתזה של 3 M NaOH וכלקון

  1. יש להוסיף 60 מ"ג NaOH לבקבוק נפחי של 50 מ"ל.
  2. ממיסים את NaOH על ידי הוספת מים דה-יוניים לחצי מהבקבוקון. לדלל את הפתרון עוד יותר על ידי הוספת מים נוספים עד הסימן הוא הגיע.
  3. יש להוסיף 10 מ"ל אתנול לבקבוקון עגול בגודל 50 מ"ל המצויד בברז ערבוב מגנטי.
  4. לאחר מכן, להוסיף 680.5 מ"ג 4-methoxybenzaldehyde ו 5 מ"ל פתרון NaOH מוכן בשלב 2.1 לאותו בקבוקון.
  5. מוסיפים 671 מ"ג 4-מתיל-אצטופנון לאחר מכן לתמיסה המעורבת ומכסים את הבקבוק ומערבבים בטמפרטורת החדר.
  6. עקוב אחר התקדמות התגובה על-ידי 1H NMR במרווחי זמן של 30 דקות (ראה שלב 3) עד לצריכה מלאה של חומרים התחלתיים.
  7. הוסף 5 מ"ל מים כאשר התגובה הגיעה להשלמה (~ 3 שעות). לסנן את המשקעים וכתוצאה מכך לשטוף אותו עם 20 מ"ל 1:2 אתנול / מים. תן לאוויר לייבש את המשקעים.
  8. חשב את התשואה של המוצר המתקבל. הכן מדגם NMR לפי שלב 1.2.2.7. בדוק טוהר עם 1H NMR. אם לא טהור, לטהר את המוצר באמצעות recrystallization עם אתנול.
  9. מוסיפים כ-3 טיפות של תערובת תגובה לצינור NMR באמצעות פיפטה פסטר ושוטפים את הפיפטה בממס מפוזר.
  10. חזור על שלבים 1.2–1.8.

3. פרשנות קצרה של ספקטרום NMR

  1. לעבד את הספקטרום עם תוכנית מתאימה (לדוגמה נתון MestReNova).
  2. לתאם את הפסגות השונות למשמרות NMR בטבלה 1. השינויים הכימיים נותנים רמז לסוג הסביבה שבה הפרוטונים קיימים.
  3. שלב את הפסגות כדי לתת את מספר המימנים המתאימים לכל שיא. שילוב של כל הפסגות נותן מספר יחסי של פרוטונים כוללים.
  4. להעריך את הפיצול של פרוטונים פסגות, אשר מציינים את מספר השכנים.
  5. מדוד את צימוד J כדי לראות איך הפרוטונים מחוברים זה לזה.

תהודה מגנטית גרעינית, או NMR, ספקטרוסקופיה היא שיטה חשובה לקביעת המבנה המולקולרי ואת טוהר הדגימות בכימיה אורגנית.

בדגימות ספקטרוסקופיה NMR נחשפות לשדה מגנטי חזק. עם החשיפה, גרעין מסוים מעבר, או מהדהד, בין רמות אנרגיה דיסקרטיות. ניתן למדוד ולדמיין את פער האנרגיה בין רמות אלה כספקטרום. נתונים אלה יכולים לשמש כדי לברוח את המבנה הכימי של המדגם.

לא לכל הגרעינים יש את המאפיינים הנדרשים להיות NMR פעיל. איזוטופים נפוצים שנחקרו הם 1H, 2H, 13C, 19F ו 31P.

וידאו זה יציג את העקרונות מאחורי NMR, צעד דרך הכנות לדוגמה של דגימות NMR משלבים שונים של תגובה כימית, ולדון במספר יישומים.

במכשיר NMR, חנקן נוזלי והליום משמשים לקירור מגנט מוליך-על. המגנט מחיל שדה מגנטי קבוע על מדגם. בתוך המדגם, גרעינים אטומיים עם מספר אי זוגי של פרוטונים ו/או נייטרונים יתיישרו עם השדה, יאמצו מצב של אנרגיה נמוכה, או נגדו, ויאמץ מצב של אנרגיה גבוהה.

הפרש האנרגיה בין שתי הרמות הוא תדר התמודה, אשר תלוי בעוצמת השדה המיושם ובסוג הגרעין. עבור המגנטים המשמשים ב- NMR, הערך הוא בטווח תדר הרדיו, או RF.

סליל RF מרגש את המדגם עם פעימת תדר רדיו, מזיז את גרעיני האנרגיה הנמוכה למצב גבוה יותר, לפני החזרה לאחור. סליל מזהה שינויים אלה מגנטיזציה, אשר מוצגים פסגות.

כוחו של NMR טמון ביכולתו להבחין גרעינים, במקרה זה מימן, על ידי הסביבה הכימית שלהם. אלקטרונים על אטומים שכנים יחסמו, או "מגן", את הגרעינים מחלק מהשדה המגנטי. שדה יעיל זה משנה את תדירות התהודה עבור הגרעינים המסוימים, הנקראים שינוי כימי. באתנול, לנתילן, להידרוקסיל ולתיל פרוטונים יש תדרי תהודה ייחודיים. קביעת האזור מתחת לכל פסגה מערערת את המספר של כל סוג של פרוטון.

מכיוון שמכשירים בעלי עוצמות מגנטיות שונות יעבירו את תדרי המהדהד, הם מוזכרים למולקולה סטנדרטית שנוספה לדגימה, לעתים קרובות טטרם אתילסילאן, או TMS. השינוי הכימי של התדרים הוא קטן מאוד, מדווח לעתים קרובות בחלקים למיליון, או ppm.

בעת שימוש במגנט חזק ברזולוציה גבוהה, פסגות יתפצלו לעתים לתת-חלוקות. זה נגרם על ידי הגרעינים השכנים, שחלקם מיושרים עם השדה המגנטי, חלקם נגד; שינוי נוסף של השדה האפקטיבי שהוחל על הגרעינים. באתנול, שני הפרוטונים של המתילן פיצלו את פסגת המתיל פעמיים לשלישייה, ו-3 פרוטוני המתיל פיצלו את פסגת המתילן שלוש פעמים לרביעייה. המרחק של הפיצול, או J-צימוד, קשור למרחק של הגרעינים, סיוע גילוי איכותי.

עכשיו שאתה מבין את העקרונות הבסיסיים מאחורי NMR, בואו לסקור הליך לדוגמה המשתמשת פרוטון NMR כדי לפקח על הסינתזה של כלקון מן אלדהיד ו קטון.

התחל על ידי שימוש פיפטה פסטר להוסיף כמות זעירה של החומר ההתחלתי. עברו למכסה המנוע, ודללו את החומר ההתחלתי עם 0.7 מ"ל של ממס מפוטר. ממיסים מפורזים משמשים, כמו תדר מהדהד של דיטריום הוא מחוץ לטווח עבור פרוטונים.

השתמש פיפטה פסטר כדי להוסיף 0.7 מ"ל של חומר התחלה מדולל לתוך צינור NMR נקי 5 מ"מ, מילוי התחתון 4.5-5 ס"מ. כיפה צינור NMR ולתייג אותו. לנער בעדינות את הצינור, דואג להימנע ממגע בין המדגם ואת הכובע. לאחר מכן, הכנס את הצינור לתוך ספינר.

נקה את החלק החיצוני של הצינור וספינר באמצעות 2 פרופנול ורקמות מעבדה. לאחר מכן הנח את ההרכבה לדוגמה במד העומק וכייל את עומק הכניסה.

לאחר הכיול, טען את ההרכבה לדוגמה לספקטרומטר NMR באופן ידני או באמצעות סמפלר אוטומטי. לבסוף, השתמש בתחנת עבודה במחשב כדי לרכוש את ספקטרום NMR.

צור ספקטרום NMR באמצעות הליך זה עבור כל אחד מחומרי ההתחלת של התגובה. עבור הסינתזה של כלקון, ספקטרום צריך להיווצר הן עבור methoxybenzaldehyde ו methylacetophenone.

לאחר מכן, לבצע את סינתזת המדגם על ידי שילוב החומרים ההתחלתיים ריאגנטים בבקבוקון כדי להתחיל את התגובה.

במרווחים של 30 דקות, להסיר aliquot קטן של תערובת התגובה באמצעות פיפטה פסטר ולהוסיף 3 טיפות צינור NMR נקי.

לדלל מוצר תגובה גולמי זה עם ממס deuterated, ולהתכונן NMR באמצעות ההליך המתואר בעבר.

ככל שהתגובה תתקדם, יתגבש מזרז צהוב. כאשר התגובה הושלמה, לשטוף ולסנן את המשקעים וליצור ספקטרום NMR עבור מוצר התגובה המטוהר.

עכשיו שיצרנו ספקטרום NMR בכל שלב של התגובה הכימית, בואו לנתח אותם.

הפסגות של ספקטרום NMR עבור כל אחד מהחומרים ההתחלתיים מוקצות לקבוצות פרוטונים שונות בתוך המולקולה בהתאם לשינויים הכימיים שלהם ומספר הפרוטונים התורמים לכל שיא. כאן, אנו מקצים את 4 קבוצות הפרוטון הגדולות עבור מתיל-אצטופנון ומתוקסיברנזלדהיד, ומציינים את פסגת אלדהיד בין 9.5 ל-10.5 ppm. על ידי השוואת ספקטרום NMR של מוצרי התגובה הגולמית בנקודות זמן שונות, האבולוציה של התגובה הכימית כי מסונתז כלקון הוא מובהר. לדוגמה, פסגת אלדהיד מחומר ההתחלה methoxybenzaldehyde עדיין נוכח לאחר 30 דקות של תגובה, אבל נעלם לחלוטין לאחר 3 שעות, המסמל את השלמת התגובה.

על ידי בחינת הספקטרום של המוצר המטוהר אנו יכולים להקצות כל שיא לקבוצת פרוטון במבנה של כלקון. לדוגמה, בחינת פסגות 3 ו -4 אנו רואים את האינטגרלים שלהם הם שניהם, המקבילים לקבוצות המכילות פרוטון אחד בלבד.

פסגות 3 ו -4 נקראות מה שנקרא כפולות המצביעות על פרוטון סמוך אחד. לשניהם יש קבועי J-צימוד של 16 הרץ, מה שמצביע על כך שהפרוטונים ממוקמים על פני קשר כפול E. על ידי הקצאת כל פסגות NMR של מוצר התגובה המטוהר, אנו מאשרים את הסינתזה של כלקון טהור.

ספקטרוסקופיית NMR כוללת מגוון רחב של יישומים והיא משמשת בתחומים מדעיים ורפואיים רבים.

ביישום זה, פרוטון NMR משמש כדי לאמת את הסינתזה והמבנה של דיאמידוקרבנה ומונונואמידוקרבין, אשר ספקטרום NMR יש דפוסי פיצול שיא שונים. carbenes אלה גם יצרו מוצרי תגובה שונים לכאורה בשילוב עם זרחן לבן; DAC1 יצר מוצר תגובה אדומה בוהקת, ואילו MAAC2 ייצר מוצר כתום בוהק. הבדלים אלה במוצרי תגובה אושרו באמצעות יישום שני של NMR, 31P NMR, אשר מייצר ספקטרום המבוסס על הבדלים בתדר מהדהד של גרעיני זרחן.

כאן, הדמיית תהודה מגנטית גרעינית, או MRI, שימשה ליצירת מפה אנטומית של המוח ולבחור את אזורי העניין במוח. אז ספקטרוסקופיית NMR שימשה ליצירת ספקטרום של מטבוליטים מפתח. לבסוף, באמצעות שינויי MRI בחילוף החומרים במוח בתנאים ניסיוניים שונים הוערכו.

ביישום זה, NMR שימש כדי לנתח את המאפיינים מחייב ולהציע מבנה 3D של פפטיד נחושת מחייב. ראשית, ספקטרום NMR הושווה עבור מצבים לא מאוגדים ונחושת של הפפטיד. לאחר מכן, באמצעות טכניקות NMR דו-ממדיות מתקדמות יותר, נבדקו קונפורמציות פוטנציאליות שונות של מבנה הפפטיד. לבסוף, אילוצים מבניים אלה שמקורם ב- NMR שימשו לפיתוח מבנה תלת מימדי מוצע לפפטיד הלא מאוגד.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לניתוח NMR. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות הבסיסיים מאחורי ייצור ספקטרום NMR וניתוח, כמו גם הליך להכנת מדגם NMR.

תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

על ידי השוואת הספקטרום של החומרים ההתחלתיים (איורים 1 ו -2) לזה של המוצר הסופי (איור 5) ניתן להבחין בהבדל ברור בין הספקטרום, המציין היווצרות של הכלקון. ניתן לקבוע את נקודת הקצה של התגובה על ידי לקיחת דגימות NMR במרווחי זמן שונים; לדוגמה, ניתן לראות את פסגת הפרוטון של אלדהיד (C(=O)H) (1) באיור 3 אך לא באיור 4, המסמל את השלמת התגובה לאחר 3 שעות. על ידי התבוננות באינטגרלים, דפוסי פיצול, ו J-צימודים של הפסגות, ניתן לאמת את המבנה של כלקון. האינטגרלים של הפסגות (מספרים מתחת לשיא, איור 5) מראים את הכמות היחסית של המימנים הקיימים, שאמורים לתאם את כמות המימנים שנמצאת במוצר. יתר על כן, דפוס הפיצול נותן אינדיקציה למספר השכנים; לדוגמה, שיא (5) ו - 1) - שניהם רווקים - מצביעים על אף שכנים בקרבת מקום עם אינטגרלים של 3 בקורלציה עם MeO- ו- Me-group בהתאמה. על ידי השוואת השינויים הכימיים בספקטרום עם טבלה 1 ניתן להבהיר כי קבוצת MeO תואמת את הסינגל ב 3.80 ppm ואת קבוצת Me ל 2.45 ppm. יתר על כן, היווצרות הקשר הכפול יכולה להיראות כשני כפולים (איור 5), 7.80 ו-7.44 ppm. התבוננות J-צימוד של 16 הרץ מציין היווצרות של E-alkene; ל-Z-alkene יש בדרך כלל ערך קטן יותר של 10-12 הרץ.3 הקצאת הפסגות הארומטיות מאמתת את המבנה (איור 5). 4

Figure 1
איור 1. ספקטרום 1H NMR של 4-מתיל-אצטופנון אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2. ספקטרום NMR 1H של 4-methoxybenzaldehyde. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3. ספקטרום גולמי 1H NMR לאחר 30 דקות המציג את שיא האלדהיד השיורי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4. ספקטרום גולמי 1H NMR לאחר 3 שעות מראה שום שיא שיורית אלדהיד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5. ספקטרוםNMR H אחד של המוצר המתקבל לאחר בדיקה. התמונה שנוספה מציגה את הזיווגים של האלקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

NMR יכול, למשל, לשמש כדי לזהות מתווכים תגובה, להקל על העבודה בהבהרה של מנגנון תגובה. בעזרת NMR ניתן גם לצפות בתנועות מולקולריות ואינטראקציות חשובות לפיתוח תרופות. יתר על כן, NMR יכול לתת מידע מבני על חומרים מוצקים; למשל כדי לספק רציונל למאפיינים חומריים שנצפו. יישומים אחרים של NMR ניתן למצוא בתחום הרפואה, שבו הדמיית תהודה מגנטית (MRI) משמש לעתים קרובות לאבחון רפואי. NMR שימש גם מטבולומיה כדי לזהות מטבוליטים שונים מופרש על ידי אורגניזם ובכך לספק טביעת אצבע מטבולית. השימושים של NMR רחבים; החל בקביעת המבנה של מולקולה בודדת ועד הדמיה של המוח האנושי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. Ta, L., Axelsson, A., Bijl, J., Haukka, M., Sundén, H., Ionic Liquids as Precatalysts in the Highly Stereoselective Conjugate Addition of α,β-Unsaturated Aldehydes to Chalcones. Chem. Eur. J. 20 (43), 13889-13893 (2014).
  2. Table adapted from Graham Solomons, T. W. Fryhle, C. B., Organic Chemistry, 10th edition, Wiley, p. 387, 418 (2011).
  3. Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., Wothers, P. Proton nuclear magnetic resonance. Organic Chemistry, Chapter 11, Oxford University Press, 269 (2001).
  4. Wu, X.-F., Neumann, H., Spannenberg, A., Schulz, T., Jiao, H., Beller, M.,Development of a General Palladium-Catalyzed Carbonylative Heck Reaction of Aryl Halides. J. Am. Chem. Soc. 132 (41), 14596-14602 (2010).

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter