H NMR

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Gå til: navigation, søg
Broom icon.svg Formatering
Denne artikel bør formateres (med afsnitsinddeling, interne links o.l.) som det anbefales i Wikipedias stilmanual. Husk også at tilføje kilder!
Wikitext.svg
Searchtool.svg Eftersyn
Denne artikel bør gennemlæses af en person med fagkendskab for at sikre den faglige korrekthed.

H NMR er en spektroskopisk metode til at identificere molekyler. H NMR er udledt af NMR, der fortæller noget om, hvordan kulstof- og brintatomer er placeret i forhold til hinanden. I H NMR kan man bruge intensiteten af linjerne i spektret til at bestemme, hvor mange hydrogenatomer, der sidder på et carbonatom, og opsplitningsmønsteret giver information om, hvor mange hydrogenatomer, der sidder på naboatomerne. Hvis en linje er bred betyder det, at der sker en protonudvikling med omgivelserne. Dette ses ved vand samt -OH-, -NH- og –COOH-grupper. I C NMR, kan man bruge linjeplacering til at identificere grupper, idet denne metode giver et stort chemical shift område. I forhold til ved proton NMR har 13C-NMR et område, der er 15 gange større, mens linjerne har nogenlunde samme bredde. Det betyder at der bliver en større udbredelse af linjerne C NMR, og dette gør dem nemmere at tilegne forskellige grupper.

NMR kortlægger strukturen af carbon og hydrogen skelettet og metoden har mange fordele, men skal man have identificeret et helt ukendt stof, kan man ikke nøjes med at lave et NMR spektrum. Hvis man i stedet kombinerer det med IR, som fortæller noget om de funktionelle grupper og UV, der fortæller om molekylets konjugerede π elektron system kan man identificere meget komplicerede molekyler. For det meste bruges NMR til at fastslå at man har fået syntetiseret det ønskede stof, men i vores tilfælde får vi udleveret spektret af et helt ukendt stof, så man er nødt til at kende enten molekylarionen (M+) eller molekyleformlen for at kunne tilegne linjerne i spektret og identificere stoffet.


Kerner har en positiv ladning og de kan agere som små magneter. Udenfor et magnetfelt vil de pege i forskellige retninger, men placere man dem i et stærkt magnetisk felt, som betegnes Bo, vil kernerne indordne sig så de peger enten én vej eller 180° den modsatte vej. De vil altså opføre sig som et kompas gør i jordens magnetfelt. Kernerne kan altså befinde sig i to forskellige tilstande. Enten peger de i samme retning som det ydre magnetfelt, og har et spin på -½, kaldet β-tilstanden ellers sidder de antiparallelt med magnetfeltet, og har et spin på ½, kaldet α. Den retning, der er parallel med magnetfeltet har et lavere energiniveau end den antiparallelle, så kernerne foretrækker at sidde parallelt. Energiforskellen mellem de to niveauer kan beskrives således:

ΔE=h*γ/(2*pi)*Bo


Hvor h betegner Plancks konstant, som er 6,624×10-34 J•sek, og γ (gamma)er en proportionalitetskonstant som kaldes det magnetogyriske forhold, og denne konstant er forskellig fra kerne til kerne . Atomerne kan hoppe fra det ene energiniveau til det andet, hvis der enten tilføres energi til kerner med laveste energiniveau eller hvis kerner med højt energiniveau udsender energi i form af elektromagnetisk stråling. Energien har størrelsen ΔE. Frekvensen skal opfylde Bohrs frekvensregel:

vo=ΔE/h=γ/(2*pi)*Bo

Protoner absorbere ikke ved samme frekvens, med det afhænger af hvilke omgivelser de sidder i, og det gør så at man kan skelne dem fra hinanden. Hvor mange kerner der er i hver af de to forskellige tilstande afhænger af temperaturen. Tæt ved det absolutte nulpunkt vil der ikke være nogen kerner i det øvre energistadie, kaldet N(øvre), men alle kernerne vil være i det lavere energistadie, kaldet N(nedre). Forholdet mellem N(øvre) og N(nedre) kan beskrives således:

k= 1,380×10-23 J/K•molekyle T= den absolutte temperatur i Kelvin.

Når man optager et NMR spektrum, placere man prøven, der er homogent opløst i et passende opløsningsmiddel, i et magnetfelt, og så sender man en radiofrekvens puls ind på prøven og en computer tegner et spektrum over hvilke frekvenser der absorberes ved. Arealet under linjen afhænger af antallet af protoner der ændrer spin. En anden metode hvorpå man kan optage et NMR spektrum er ved FT NMR spektroskopi hvor man, i stedet for at exitere forskellige kerner hver for sig, exiterer alle kerner på samme tid ved at udsende en puls. Rækkevidden af frekvenser skal være stor nok til at alle kerner og det gøres ved at udsende en meget kort puls, så oscillatoren ikke er lang nok til at der dannes en solid fundamental frekvens. Når pulsen stoppes vil kernerne begynde at falde tilbage til den lave energitilstand og så udsender de elektromagnetisk stråling som kan optages af computeren

Kemisk shift[redigér | redigér wikikode]

Som nævnt ovenfor absorberer protoner ikke ved samme frekvens, med det afhænger af hvilke omgivelser de sidder i. Det lokale magnetfelt, B, som atomerne vil føle er forskelligt fra det ydre magnetfelt, Bo, da de er skærmet af elektronerne der omgiver dem. Elektrontætheden varierer afhængig af hvor de sidder i molekylet. Skærmningen modvirker magnetfeltet så det egentlige magnetfelt kernerne føler er:

B=Bo(1-σ)

Hvor σ er en skærmningsparameter.

Man angiver positionen af en linje i forhold til en reference, som er TMS, tetramethylsilan. For at kunne sammenligne spektre optaget i magnetfelter af forskellige styrker, angives positionen som en δ-værdi, der er defineret af afstanden fra linjens frekvens i Hz til linjen fra TMS divideret med resonans frekvensen, vo, i MHz. Δ får da enheden ppm. Linjen fra TMS sættes til at være δ=0,0 Skærmningsparameteren er stor hvis der er mange elektroner omkring det atom man kigger på. Elektrontætheden afhænger af hvor elektronegativt naboatomet er. Hvis en methylgruppe sidder på er carbonatom, har dette samme elektronegativtet så disse to grupper deler elektronerne ligeligt, men hvis methylgruppen sidder på et oxygenatom, vil denne trække elektronerne væk fra methylgruppen. Dette gør at gruppen bliver mindre skærmet, føler et stærkere magnetfelt og frekvensen hvorved den absorberer, bliver højere .

Ved at integrere arealet under toppene i et spektrum kan man måle antallet af hver slags protoner der er i stoffet. Hvis vi kigger på spektret over methyl 2,2-dimethylpropanoat:

C(CH3)3 COOCH3

vil man se to toppe. Den ene vil have intensiteten 3 (CH3), da dette carbon har 3 hydrogenatomer siddende på sig, og den anden vil have intensiteten 9 ((CH3)3C), da alle 9 hydrogenatomer sidder i ens kemiske omgivelser.

Opsplitningsmønster[redigér | redigér wikikode]

1H NMR

Der sker en opsplitning af toppe hvis der på naboatomer sidder H atomer. Dette sker fordi hydrogenatomerne kobler med de små magnetfelter fra nabokernerne. Hvis vi ser på en ethyl gruppe der sidder på et atom hvorpå der ingen H-atomer sidder:

CH3CH2-O-R

CH3 gruppen vil da blive påvirket af magnetfelter fra de 2 hydrogenatomer fra CH2 gruppen. Hvert af disse atomer kan da sidde enten i spin op eller spin ned. De kan begge være i spin ned, de kan begge være i spin op eller de kan være i hver sin tilstand


I det sidste tilfælde ophæver de to magnetfelter fra hver sin proton hinanden fordi de har henholdsvis spin ½ og spin -½. Linjen kommer da til at ligge ved chemical shift værdien for CH3. I de andre tilfælde forstærker de to spin hinanden laver to linjer: En ved lidt højere chemical shift og en ved lidt lavere chemical shift. I alt set der 3 linjer med intensitetsforhold 1:2:1. Den samme analyse kan laves for CH2 som giver 4 linjer pga. de 3 hydrogen atomer på methyl gruppen. Disse linjer har intensitetforholdet: 1:3:3:1.

En generel regel kaldes for n+1 reglen, og denne siger at linjen fra protoner der har n naboprotoner vil splitte op i n+1 toppe. Afstanden mellem linjerne i en multiplet kaldes spin-spin koblingskonstanten, J, og denne måles i Hz og kan ligge mellem 0 og 18 Hz.

Kemisk ækvivalente protoner giver ingen opsplitning. Protonerne der sidder på samme atom er ækvivalente og der er derfor ingen opsplitning. I molekyler hvor der er en symmetriakse vil der ikke være kobling mellem alle grupperne. Fx butan:

CH3CH2-CH2CH3

Butan vil give en kvartet og en triplet men –CH2 grupperne kobler ikke med hinanden pga. symmetriaksen. Atomer kan godt være kemisk ækvivalent uden at være magnetisk ækvivalent. Kerner er magnetisk ækvivalente når de har identiske chemical shifts og have de samme koblingskonstanter til alle andre kerner i molekylet. Det har molekyler der ingen dobbeltbindinger indeholder, da der omkring enkeltbindinger er fri drejelighed.