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- 1}H 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

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

Procedure

1. הכנת חומר התחלה של NMR

הוסף ~ 10 מ"ג חומר מתחיל לצינור NMR נקי.
להמיס את החומר ההתחלתי ~ 0.7 mL deuterated ממס (לדוגמה נתון CDCl₃). גובה מתאים של הממס לספקטרום טוב הוא 4.5-5 ס"מ.
כיפה צינור NMR בזהירות ולכתוב את שם המדגם על הכובע.
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.
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.
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.
מקם את הדגימה בספקטרומטר NMR. כאן נעשה שימוש בספקטרומטר 400 מגה-הרץ של Varian, המצויד בדגימה אוטומטית.
לאחר השלמת מדידת NMR, לעבד את הספקטרום ולהקצות את הפסגות בספקטרום.

2. הכנת סינתזה של 3 M NaOH וכלקון

יש להוסיף 60 מ"ג NaOH לבקבוק נפחי של 50 מ"ל.
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.
יש להוסיף 10 מ"ל אתנול לבקבוקון עגול בגודל 50 מ"ל המצויד בברז ערבוב מגנטי.
לאחר מכן, להוסיף 680.5 מ"ג 4-methoxybenzaldehyde ו 5 מ"ל פתרון NaOH מוכן בשלב 2.1 לאותו בקבוקון.
מוסיפים 671 מ"ג 4-מתיל-אצטופנון לאחר מכן לתמיסה המעורבת ומכסים את הבקבוק ומערבבים בטמפרטורת החדר.
עקוב אחר התקדמות התגובה על-ידי ¹H NMR במרווחי זמן של 30 דקות (ראה שלב 3) עד לצריכה מלאה של חומרים התחלתיים.
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.
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.
מוסיפים כ-3 טיפות של תערובת תגובה לצינור NMR באמצעות פיפטה פסטר ושוטפים את הפיפטה בממס מפוזר.
חזור על שלבים 1.2–1.8.

3. פרשנות קצרה של ספקטרום NMR

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

Results

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

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

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

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.

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.

איור 5. ^{ספקטרום}NMR 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.

Application and Summary

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.

References

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).
Table adapted from Graham Solomons, T. W. Fryhle, C. B., Organic Chemistry, 10^th edition, Wiley, p. 387, 418 (2011).
Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., Wothers, P. Proton nuclear magnetic resonance. Organic Chemistry, Chapter 11, Oxford University Press, 269 (2001).
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).

1. הכנת חומר התחלה של NMR

הוסף ~ 10 מ"ג חומר מתחיל לצינור NMR נקי.
להמיס את החומר ההתחלתי ~ 0.7 mL deuterated ממס (לדוגמה נתון CDCl₃). גובה מתאים של הממס לספקטרום טוב הוא 4.5-5 ס"מ.
כיפה צינור NMR בזהירות ולכתוב את שם המדגם על הכובע.
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.
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.
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.
מקם את הדגימה בספקטרומטר NMR. כאן נעשה שימוש בספקטרומטר 400 מגה-הרץ של Varian, המצויד בדגימה אוטומטית.
לאחר השלמת מדידת NMR, לעבד את הספקטרום ולהקצות את הפסגות בספקטרום.

2. הכנת סינתזה של 3 M NaOH וכלקון

יש להוסיף 60 מ"ג NaOH לבקבוק נפחי של 50 מ"ל.
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.
יש להוסיף 10 מ"ל אתנול לבקבוקון עגול בגודל 50 מ"ל המצויד בברז ערבוב מגנטי.
לאחר מכן, להוסיף 680.5 מ"ג 4-methoxybenzaldehyde ו 5 מ"ל פתרון NaOH מוכן בשלב 2.1 לאותו בקבוקון.
מוסיפים 671 מ"ג 4-מתיל-אצטופנון לאחר מכן לתמיסה המעורבת ומכסים את הבקבוק ומערבבים בטמפרטורת החדר.
עקוב אחר התקדמות התגובה על-ידי ¹H NMR במרווחי זמן של 30 דקות (ראה שלב 3) עד לצריכה מלאה של חומרים התחלתיים.
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.
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.
מוסיפים כ-3 טיפות של תערובת תגובה לצינור NMR באמצעות פיפטה פסטר ושוטפים את הפיפטה בממס מפוזר.
חזור על שלבים 1.2–1.8.

3. פרשנות קצרה של ספקטרום NMR

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

Skip to...

0:00

Overview

1:11

Principles of NMR

4:01

Preparation of the Starting Material

5:30

Collection of Reaction Product for NMR

6:22

Results

7:53

Applications

9:43

Summary

Videos from this collection:

article

Now Playing

ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR)

Organic Chemistry

246.7K Views

article

מבוא קטליזה

Organic Chemistry

34.1K Views

article

הרכבה של מערכת ריפלוקס לתגובות כימיות מחוממות

Organic Chemistry

166.3K Views

article

ביצוע תגובות מתחת לטמפרטורת החדר

Organic Chemistry

70.3K Views

article

העברת קווי שלנק של ממיסים

Organic Chemistry

41.5K Views

article

דיית נוזלים עם רכיבה על אופניים להפשרת משאבת הקפאה

Organic Chemistry

55.9K Views

article

הכנת ריאגנטים וציוד נטולי מים

Organic Chemistry

79.1K Views

article

טיהור תרכובות על ידי תיקון

Organic Chemistry

705.3K Views

article

הפרדת תערובות באמצעות משקעים

Organic Chemistry

157.2K Views

article

מיצוי נוזלי מוצק

Organic Chemistry

237.1K Views

article

אידוי סיבובי להסרת ממס

Organic Chemistry

212.3K Views

article

זיקוק שברים

Organic Chemistry

332.8K Views

article

גידול גבישים לניתוח עקיפה של קרני רנטגן

Organic Chemistry

32.3K Views

article

Performing 1D Thin Layer Chromatography

Organic Chemistry

288.4K Views

article

כרומטוגרפיה של עמודה

Organic Chemistry

358.4K Views

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved