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핵 자기 공명 (NMR) 분광기
 
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핵 자기 공명 (NMR) 분광기

Overview

출처: 헨릭 순데른 박사연구소 – 찰머스 공과대학

핵 자기 공명 (NMR) 분광기는 유기 화학자에게 중요한 분석 기술입니다. NMR의 도움으로 유기농 실험실의 작업이 대단히 촉진되었습니다. 분자의 구조에 대한 정보를 제공할 뿐만 아니라 시료의 내용과 순도를 결정할 수 있습니다. 열 분석 및 질량 분석(MS)과 같은 유기 화학자에게 일반적으로 발생하는 다른 기술과 비교하여 NMR은 시료의 회수가 중요할 때 가치가 있는 비파괴적 방법입니다.

유기 화학자에게 가장 자주 사용되는 NMR 기술중 하나는 양성자(1H) NMR입니다. 분자에 존재하는 양성자는 주변 화학 환경에 따라 다르게 작동하여 구조를 해명 할 수 있습니다. 더욱이, 시작 물질의 NMR 스펙트럼을 최종 제품의 것과 비교하여 반응의 완성을 모니터링할 수 있다.

이 비디오는 NMR 분광법을 유기 화학자의 일상 업무에서 어떻게 사용할 수 있는지 를 보여줍니다. 다음은 다음과 같습니다: i) NMR 샘플의 준비. ii) 반응을모니터링하기 위해 1 H NMR을 사용합니다. iii) 1H NMR의 반응으로부터 얻은 제품을 식별합니다. 도시될 반응은 알데히드(1)와케톤(2)(계획1)로부터E-샬콘(3)의 합성이다. 1

Scheme 1
계획 1. 합성 (2E)-3-(4-메톡시페닐)-1-(4-메틸페닐)-2-propen-1-1.

Principles

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홀수 질량 또는 원자번호를 갖는 핵은 스핀이라는 특성을 가지며, NMR을 사용하여 수소(1H),탄소(13C),인(31P)과 같은 원소를 검출할 수 있게 한다. 스핀은 무작위이며 임의의 방향으로 회전합니다. 그러나, 외부 자기장을 적용함으로써 이러한 핵은 적용된 자기장에 또는 일치한다. 이 두 국가는 다른 에너지 수준을 가지고: 저에너지 상태와 높은 에너지 상태. 전자기 방사선을 가진 조사는 저에너지 상태가 고에너지 상태로 뒤집히게 합니다. 방사선이 중단되면 핵이 이완을 겪고 무료 유도 부패 (FID)가 얻어집니다. FID는 NMR 스펙트럼의 피크를 제공하기 위해 변형된 푸리에입니다. 상이한 원소는 다른 화학적 변화로 이어지는 주파수가다르다(표 1). NMR 스펙트럼은 화합물에 대한 다양한 유형의 정보를 제공할 수 있습니다. 피크의 일체형은 그것에 의해 표현된 양성자의 수를 제공하고, 커플링 상수(J-커플링)는 양성자의 상관관계를 제공하고, 피크의 분할 패턴은 얼마나 많은 다른 NMR 활성 핵이 근처에 있는지 를 알려줍니다 (종종 '이웃'이라고도 함).

1H NMR은 1H 핵을 측정하기 때문에 중음 솔벤트를 사용하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 용매 신호의 소음에 관심의 신호가 손실됩니다.

양성자 유형 시프트 (δ, ppm) 탄소의 종류 시프트 (δ, ppm)
1° 알킬, RCH3 0.8–1.2 1° 알킬, RCH3 0–40
2° 알킬, R2CH2R 1.2–1.5 2° 알킬, R2CH2R 10–50
3° 알킬, RCHR2 1.4–1.8 3° 알킬, RCHR2 15–50
앨리릭, R2C=CRCH3 1.6–1.9 알케네,C=C 100–170
케톤, RC(=O)CH3 2.1–2.6 아릴, 방향족 반지의 C 100–170
이더, ROCH2R 3.3–3.9 알코올 또는 에테르, R3C또는 50–90
알코올, HOCH2R 3.3–4.0 카복실산 또는 에스테르,
RC(=O)OR
160–185
비닐, R2C =CH2 4.6–5.0 알데히드 또는 케톤,
RC(=O)R
182–215
비닐, R2C = CRH 5.2–5.7
아로마, 아르H 6.0–8.5
알데히드 RC(=O)H 9.5–10.5
알코올 하이드록실, ROH 0.5–6.0
카복실릭, RC(=O)OH 10–13

표 1. 일반적인 양성자 및 탄소 NMR 화학 적 변화. 2

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Procedure

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1. NMR 시작 재료의 준비

  1. 깨끗한 NMR 튜브에 ~ 10 mg의 시작 재료를 추가합니다.
  2. 시작 물질을 ~0.7mL 의 유족 용매(예: CDCl3)로용해한다. 좋은 스펙트럼에 대한 용매의 적절한 높이는 4.5-5cm이다.
  3. NMR 튜브를 조심스럽게 캡에 캡하고 캡에 샘플 이름을 작성합니다.
  4. 샘플을 부드럽게 흔들어 모든 재료가 용해되었는지 확인합니다. 용매와 캡 사이의 접촉을 피하기 위해주의, 이는 샘플의 가능한 오염으로 이어질 수 있습니다.
  5. NMR 튜브를 조심스럽게 스피너에 삽입합니다. 스피너는 자석에 삽입되면 회전하여 전체 샘플이 균일한 자기장을 경험하도록 합니다. 지문과 먼지를 제거하기 위해 NMR 튜브와 스피너의 외부를 2 프로판올 및 실험실 조직으로 청소하십시오.
  6. 스피너를 샘플 깊이 게이지에 배치하여 NMR 튜브의 바닥이 분광기를 손상시킬 수 있는 NMR 프로브에 너무 멀리 삽입되지 않도록 합니다. 다른 프로브는 샘플 깊이가 다르며 사용자는 특정 깊이 게이지를 알고 있어야 합니다.
  7. 샘플을 NMR 분광계에 배치합니다. 여기서 자동 샘플러가 장착된 바리안 400 MHz 분광계가 사용되었습니다.
  8. NMR 측정이 완료된 후 스펙트럼을 처리하고 스펙트럼의 피크를 할당합니다.

2. 3 M NaOH 및 찰콘 합성 준비

  1. 추가 60 mg NaOH 에 50 mL 볼륨 플라스크.
  2. 플라스크의 절반에 탈이온수를 추가하여 NaOH를 녹입니다. 마크에 도달할 때까지 물을 더 추가하여 용액을 더 희석시.
  3. 마그네틱 스터디 바가 장착된 50mL 라운드 하단 플라스크에 10mL 에탄올을 넣습니다.
  4. 그 후, 680.5 mg 4-메톡시벤잘데히드와 5mL NaOH 용액을 동일한 플라스크에 2.1단계로 제조하였다.
  5. 671 mg 4-메틸레이스토페논을 교반 용액에 넣고 플라스크를 캡하고 실온에서 저어줍니다.
  6. 시작 재료의 전체 소비까지 30 분 간격 (3 단계 참조)에서 1H NMR에 의해 반응의 진행 상황을 모니터링합니다.
  7. 반응이 완료되면 5mL 물을 추가합니다(~3h). 생성된 침전물을 걸레로 걸이고 20mL 1:2 에탄올/물로 세척합니다. 침전 공기를 건조하게 하십시오.
  8. 획득 된 제품의 수율을 계산합니다. 단계 1.2.2.7에 따라 NMR 샘플을 준비합니다. 1H NMR로 순도를 확인하십시오. 순수하지 않은 경우 에탄올로 재결정화를 통해 제품을 정화하십시오.
  9. 파스퇴르 파이펫을 사용하여 NMR 튜브에 약 3 방울의 반응 혼합물을 추가하고 유족 용매로 파이펫을 헹굴하십시오.
  10. 1.2-1.8 단계를 반복합니다.

3. NMR 스펙트럼의 간략한 해석

  1. 적절한 프로그램(예: MestReNova)으로 스펙트럼을 처리합니다.
  2. 표 1의NMR 이동과 다른 피크의 상관 관계를 구분합니다. 화학 적 변화는 양성자가 존재하는 환경의 유형을 암시합니다.
  3. 피크를 통합하여 각 피크에 해당하는 수소를 제공합니다. 모든 피크를 통합하면 상대적인 수의 총 양성자가 있습니다.
  4. 이웃 수를 나타내는 양성자 피크의 분할을 평가합니다.
  5. J 커플링을 측정하여 양성자가 서로 어떻게 연결되는지 확인합니다.

핵 자기 공명, 또는 NMR, 분광법은 유기 화학에서 시료의 분자 구조 및 순도를 결정하는 중요한 방법입니다.

NMR 분광법 샘플에서 강한 자기장에 노출됩니다. 노출 시 특정 핵 전환 또는 공명, 신중한 에너지 수준 사이. 이러한 수준 사이의 에너지 격차를 측정하고 스펙트럼으로 시각화할 수 있습니다. 이 데이터는 시료의 화학 구조를 해명하는 데 사용될 수 있다.

모든 핵이 NMR 활성이어야 하는 필수 특성을 갖는 것은 아닙니다. 연구된 일반적인 동위원소는 1H, 2H, 13C, 19F 및 31P입니다.

이 비디오는 NMR의 원리를 소개하고, 화학 반응의 다른 단계에서 NMR 샘플의 예제 준비를 단계별로 살펴보고, 여러 응용 분야에 대해 논의합니다.

NMR 기기에서 액체 질소와 헬륨은 초전도 자석을 냉각하는 데 사용됩니다. 자석은 시료에 일정한 자기장을 적용합니다. 시료 내에서, 양성자 및/또는 중성자의 홀수를 가진 원자 핵은 필드와 정렬됩니다, 저에너지 상태를 채택, 또는 그것에 대하여, 고에너지 상태를 채택.

두 수준 사이의 에너지 차이는 공진 주파수이며, 이는 적용 된 필드의 강도와 핵 유형에 따라 달라집니다. NMR에 사용되는 자석의 경우 값은 무선 주파수 또는 RF, 범위에 있습니다.

RF 코일은 무선 주파수 펄스로 샘플을 흥분시키고 낮은 에너지 핵을 더 높은 상태로 이동한 후 다시 되돌리는 다. 코일은 피크로 표시되는 자화의 이러한 변화를 감지합니다.

NMR의 강도는 핵을 구별하는 능력에 있다, 이 경우 수소, 그들의 화학 환경에 의해. 인접한 원자에 있는 전자는 자기장의 일부에서 핵을 막거나 "방패"합니다. 이 효과적인 필드는 화학 적 변화라고 불리는 특정 핵에 대한 공진 주파수를 변경합니다. 에탄올에서 메틸렌, 하이드록실, 메틸 양성자는 모두 독특한 공명 주파수를 가지고 있습니다. 각 피크 아래 영역을 결정하는 것은 양성자의 각 유형의 수를 해명한다.

서로 다른 자기 강도를 가진 계측기는 공진 주파수를 이동하기 때문에, 그들은 시료에 추가 된 표준 분자에 참조, 종종 테트라메틸릴레인, 또는 TMS. 주파수의 화학 적 변화는 매우 작고 종종 백만 당 부품 또는 ppm에보고됩니다.

고해상도의 강한 자석을 사용하는 경우 피크가 때때로 하위 피크로 분할됩니다. 이것은 인접한 핵에 의해 발생하며, 그 중 일부는 자기장에 정렬되고 일부는 반대합니다. 핵에 적용되는 효과적인 필드를 더욱 변화시키는 것이다. 에탄올에서는 메틸 피크를 두 번 삼중으로 나누고, 3메틸 양성자는 메틸렌 피크를 세 번 사중주로 나눕다. 분할, 또는 J-커플링의 거리는 핵의 거리와 관련이 있으며, 질적 발견을 돕는다.

이제 NMR의 기본 원리를 이해하게 되었으므로 양성자 NMR을 사용하여 알데히드와 케톤에서 샬콘합성을 모니터링하는 예제 절차를 검토해 보겠습니다.

먼저 파스퇴르 파이펫을 사용하여 비커에 작은 양의 시작 재료를 추가합니다. 연기 후드로 이동하고, 중음 용매의 0.7 mL로 시작 재료를 희석. 중수소의 공진 주파수가 양성자의 범위를 벗어나기 때문에 유정 된 용매가 사용됩니다.

파스퇴르 파이펫을 사용하여 희석된 시작 재료의 0.7mL을 깨끗한 5mm NMR 튜브에 추가하여 아래쪽 4.5-5cm를 채웁니다. NMR 튜브를 캡하고 라벨을 붙입니다. 샘플을 사용하여 뚜껑 사이의 접촉을 피하기 위해 주의를 기울여 튜브를 부드럽게 흔들어 줍니다. 그런 다음 튜브를 스피너에 삽입합니다.

2-프로판올 및 실험실 조직을 사용하여 튜브와 스피너의 외부를 청소하십시오. 그런 다음 샘플 어셈블리를 깊이 게이지에 넣고 삽입 깊이를 보정합니다.

보정 후 샘플 어셈블리를 수동으로 또는 자동 샘플러를 사용하여 NMR 분광계에 로드합니다. 마지막으로 컴퓨터 워크스테이션을 사용하여 NMR 스펙트럼을 획득합니다.

반응의 각 시작 재료에 대해 이 절차를 사용하여 NMR 스펙트럼을 생성합니다. 샬콘의 합성을 위해, 스펙트럼은 메톡시벤잘데히드와 메틸레이스토프논 모두에 대해 생성되어야 한다.

다음으로, 플라스크에서 시작 재료와 시약을 결합하여 시료 합성을 수행하여 반응을 시작한다.

30분 간격으로 파스퇴르 파이펫을 사용하여 반응 혼합물의 작은 알리쿼트를 제거하고 깨끗한 NMR 튜브에 3방울을 추가합니다.

이 조반응 제품을 중성 용매로 희석하고, 이전에 설명한 절차를 사용하여 NMR을 준비한다.

반응이 진행됨에 따라 노란색 침전제가 형성됩니다. 반응이 완료되면 침전물을 세척 및 필터링하고 정제 된 반응 제품에 대한 NMR 스펙트럼을 생성합니다.

이제 화학 반응의 각 단계에서 NMR 스펙트럼을 생성했습니다.

각 시작 물질에 대한 NMR 스펙트럼의 피크는 화학 적 변화와 각 피크에 기여하는 양성자의 수에 따라 분자 내의 다른 양성자 그룹에 할당됩니다. 여기서, 우리는 메틸레이스토페논과 메톡시벤잘데히드에 대한 4개의 주요 양성자 그룹을 할당하여 9.5와 10.5 ppm 사이의 알데히드 피크를 지적합니다. 다른 시점에서 원유 반응 제품의 NMR 스펙트럼을 비교하여, chalcone을 합성하는 화학 반응의 진화가 해명된다. 예를 들어, 시작 물질메톡시벤잘데히드로부터의 알데히드 피크는 반응 30분 후에도 여전히 존재하지만, 3시간 후에 완전히 사라지며 반응의 완성을 의미한다.

정제된 제품의 스펙트럼을 검사함으로써 각 피크를 샬콘 구조의 양성자 그룹에 할당할 수 있습니다. 예를 들어 피크 3과 4를 검사하면 주체가 둘 다 하나뿐이며 양성자 하나가 포함된 그룹에 해당되는 것을 볼 수 있습니다.

봉우리 3과 4는 인접한 양성자 하나를 나타내는 이중이라고합니다. 둘 다 16Hz의 J-커플링 상수를 가지고 있으며, 이는 양성자가 E-이중결합을 가로질러 위치하고 있음을 시사합니다. 정제된 반응 제품의 모든 NMR 피크를 할당함으로써, 우리는 순수한 샬콘의 합성을 확인합니다.

NMR 분광법은 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 많은 과학 및 의료 분야에서 사용됩니다.

이 응용 프로그램에서 양성자 NMR은 디아마이도카르벤과 모노노아마이도카르빈의 합성 및 구조를 확인하는 데 사용되며, NMR 스펙트럼은 다른 피크 분할 패턴을 가지고 있습니다. 이 카베인은 또한 백색 인과 결합될 때 겉보기에 다른 반응 제품을 생성했습니다; DAC1은 밝은 빨간색 반응 제품을 생성한 반면 MAAC2는 밝은 오렌지 제품을 생산했습니다. 반응 제품의 이러한 차이는 인 핵의 공진 주파수의 차이에 기초하여 스펙트럼을 생성하는 NMR, 31P NMR의 두 번째 응용 프로그램을 사용하여 확인되었다.

여기서, 핵 자기 공명 화상 진찰, 또는 MRI는, 두뇌의 해부학지도를 생성하고 관심있는 두뇌 지구를 선택하기 위하여 이용되었습니다. 그런 다음 NMR 분광법은 주요 대사 산물의 스펙트럼을 생성하는 데 사용되었습니다. 마지막으로, 다른 실험 조건에서 뇌 대사에 MRI 변화를 사용 하 여 평가 했다.

본 출원에서, NMR은 결합 성질을 분석하고 구리 결합 펩타이드의 3D 구조를 제안하는 데 사용되었다. 첫째, NMR 스펙트럼은 펩타이드의 언바운드 및 구리 바운드 상태에 대해 비교되었다. 이어서, 보다 진보된 2차원 NMR 기술을 사용하여 펩티드 구조의 상이한 잠재적 적합성을 평가하였다. 마지막으로, 이러한 NMR 유래 구조적 제약은 언바운드 펩티드에 대한 제안된 3차원 구조를 개발하는 데 사용되었다.

방금 JoVE의 NMR 분석 소개를 시청했습니다. 이제 NMR 스펙트럼 생성 및 분석의 기본 원칙과 NMR 샘플 준비 절차를 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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시작재료(그림 12)의스펙트럼을 최종 생성물의스펙트럼(도 5)과비교하여 스펙트럼 간의 명확한 차이를 관찰할 수 있으며, 이는 샬콘의 형성을 나타낸다. 반응의 끝점은 다른 시간 간격으로 NMR 샘플을 채취하여 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 알데히드 양성자 피크(C(=O) H)(1)는 도 3에서 볼 수 있지만 도 4에서는볼 수 없으며, 3h 후 반응의 완료를 의미한다. 봉우리의 일체형, 분할 패턴 및 J-커플링을 살펴보면, 샬콘의 구조를 검증할 수 있다. 피크의 일체형(피크 아래 의 숫자, 도 5)은제품에서 발견되는 수소의 양과 상관관계가 있는 수소의 상대적 양을 보여준다. 또한 분할 패턴은 이웃 의 수를 나타냅니다. 예를 들어, 피크(5)와 (1)는 둘 다 단일값으로, 3개의 일체가 있는 근처에 있는 이웃이 각각 MeO 및 Me-group과 상관관계가 없음을 나타냅니다. 스펙트럼의 화학적 변화를 표 1과 비교하여 MeO 단이 3.80 ppm및 Me-group에서 2.45 ppm으로 단일t에 해당한다는 것을 해명할 수 있다. 더욱이, 이중 결합의 형성은 두 개의 더블트(그림 5),7.80 및 7.44 ppm으로 볼 수 있습니다. 16Hz의 J-커플링을 보면 E-알케인의 형성을 나타냅니다. Z-alkene은 전형적으로 10-12Hz의 값이 작으며,방향족 피크를 할당하면 구조를 검증한다(도5). 4

Figure 1
그림 1. 4-메틸레이스토페논의 1H NMR 스펙트럼을 할당하여 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2. 4-메톡시벤잘데히드의 1H NMR 스펙트럼을 할당.

Figure 3
그림 3. 잔류 알데히드 피크를 보여주는 30 분 후 원유 1H NMR 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4. 원유 1H NMR 스펙트럼 은 3 h 후 알데히드 잔류 피크를 표시하지 않습니다.

Figure 5
그림 5. 1작업 후 얻은 제품의 H NMR 스펙트럼. 삽입된 사진은 알케네의 J-커플링을보여 주며, 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

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Applications and Summary

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NMR은, 예를 들어, 반응 중간체를 검출하는 데 사용될 수 있으며, 반응 메커니즘의 용해성 작업을 용이하게 한다. NMR의 도움으로 약물 개발에 중요한 분자 운동과 상호 작용을 관찰 할 수도 있습니다. 또한 NMR은 고체 재료에 대한 구조적 정보를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 관찰된 재료 특성에 대한 근거를 제공합니다. NMR의 그밖 응용은 자기 공명 화상 진찰 (MRI)가 의학 진단을 위해 빈번히 이용되는 의학의 필드에서 찾아냅니다. NMR은 또한 대사 지문을 제공하는 유기체에 의해 배설된 다른 대사산물을 검출하기 위해 메타볼로믹스에도 사용되었습니다. NMR의 사용은 넓습니다. 단일 분자의 구조를 결정하는 것에서부터 인간의 뇌의 이미징에 이르기까지.

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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).

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