Post on 21-Apr-2023
3
The NMR Spectrometer
http://www.youtube.com/watch?v=uNM801B9Y84&feature=related
4
?איך כימאים יודעים כיצד מולקולות נראות
:מתבססים על מספר מקורות מידע מגוונים כגון
תגובות כימיות
שיטות ספקטרוסקופיות מעידות על המבנה -תכונות פיסיקליות.NMRלרבות IR ,UV ,MS-הפנימי של המולקולות
ג "בפרק זה נסקור בקצרה את תאורית ספקטרוסקופית התמ
אינטגרציה , היסט כימי-תאוריה זו מכילה שלוש קומפוננטות.צימוד ספין-ופיצול
כל אחת מהקומפוננטות מספקת אינפורמציה להשלמת הפזל .המולקולרי
ג מתאימים גם לגרעינים "עקרונות התמ, 1H-NMR-אנו נתמקד ב.אחרים
הקדמה
ג "בדומה ליתר השיטות הספקטראליות גם שיטת התמ•לאינטרקציה שבין קרינה אלקטרומגנטית לבין קשורה
.חומר
( NMR= ג "תמ)ספקטרוסקופית תהודה מגנטית גרעינית •לאיבחון איכותי וכמותי המשמשת שיטה אנליטית היא
.של חומרים כימיים
במסגרת הקורס נלמד את העקרונות הבסיסיים של •ג באופן שיאפשר לנו פיענוח של ספקטרה וזיהוי "התמ
. מבנה מולקולרי של חומרים אורגנים
תהודה מגנטית גרעינית NMR
1946-נצפתה לראשונה ב NMRג"תופעת התמ•
לשימוש בכימיה השיטה הוכנסה בתחילת שנות הששים•.אורגנית
השיטה התפתחה גם בעוצמתה וגם ברבגוניותה בשנים •.שלאחר מכן
לשימוש FT-NMRעם הכנסת שיטות 70בסוף שנות ה•שהפך לתחום מדעי בפניNMR-שגרתי גדל השימוש ב
.עצמו
6
8
Nuclear Spinשלגרעינים רבים יש מומנט ג מנצלת את העובדה ''שיטת התמ•
הגרעינים מסודרים באופן , כשלא מופעל שדה מגנטי חיצוני. מגנטי, אבל כשמכניסים את הגרעינים לתוך שדה מגנטי חיצוני, אקראי
הגרעינים מסתובבים ומסתדרים במקביל או כנגד השדה המגנטי . החיצוני
נמצא αמצב ספין מכונה לשדה המגנטי החיצוניבמקבילשהסתדר גרעין•השדה המגנטי כנגדשהסתדר נמוך יותר מבחינה אנרגטית וגרעיןבמצב
כלומר -מבחינה אנרגטית במצב גבוה יותר נמצא βספין מכונה מצב החיצוני .יש הפרש אנרגיה בין שני המצבים
13
Two Energy States
.כאמור כיוון הספין הגרעיני יהיה עם או נגד כיוון השדה
פוטון בעל אנרגיה מתאימה יכול להיבלע ולשנות את כיוון הספין
(spinning proton flip)
14http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/nmr/nmr2.htm
שדה B0חיצוני
15
למגנט ישנם רגעים מגנטיים . 1האנלוגיים למומנט דיפול הקיים
בקשר כימי
של הגרעינים" הרגעים המגנטיים"הם קטנים מאוד אלא אם כן ישנו
. שדה מגנטי חיצוני. המצבים של המגנט הגרעיני הם רנדומאליים באוריינטציה שלהם
אז המגנטים Boלשדה מגנטי אם נכניס דוגמא , אולםהמתאימה יקבלו אוריינטציה
לשדה החיצוני ולכך שתי אפשרויותαעם כיוון השדה ולהם אנרגיה נמוכה
βונגד כיוון השדה להם אנרגיה גבוהה
16
הגרעינים טעונים חשמלית ולרבים מהם ספין שגורם להם
להתנהג כמגנט
הפרש האנרגיה
מתאים לתדר רדיו
גרעין עם ספין באנרגיה יוצר שדה , גבוהה יותר
בכיוון הפוך לשדה המגנטי החיצוני
ללא שדה
1/2המקרה של גרעין בעל ספין
B0
גרעין עם ספין באנרגיה יוצר שדה , נמוכה יותר
בכיוון השדה המגנטי החיצוני חיצוני
. ומומנט מגנטיIאיזוטופים בעלי ספין גרעיני •
.הספין גורם להם להתנהג כמו מגנטים קטנים
יהיו בעלי מסה אי זוגית או מספר אטומי אי זוגי גרעינים בעלי •של איזוגיאלה גרעינים בעלי מספר , ספין גרעיני מגנטי כלומר
ולכן המטען הגרעיני יגיב לשדה ( פרוטונים ונויטרונים)נוקלאוניםמגנטי
17
18
כלומר , בערך מסוים של השדה המגנטי מתקיימים תנאי תהודההמעבר האנרגטי ממצב אחד למשנהו מתרחש באורך גל המתאים
הספין חוזר לרמת הבסיס שלו נפלטת אנרגיה לתדרי רדיו וכאשר .באותו התדר
המתאים למעבר זה נמדד בשיטות שונות ומעובד signalהאות ג המתאים "תמNMRכך שבסופו של דבר מתקבל ספקטרום
. לגרעין זהאלו כתרשים של תדירות ג מזהה ומציג אותות "מכשיר תמ
NMR.תרשים זה קרוי ספקטרום -הבליעה כתלות בעוצמה
20
DE and Magnet Strength
שבו ½הסידור בעל האנרגיה הנמוכה יותר הוא זה
ואילו ,המגנטים הקטנים נמצאים בכוון השדה המגנטי החיצוני
המצב בעל האנרגיה הגבוהה הוא זה שבו המגנטים נמצאים בכוון
.הפוך לכוון השדה החיצוני
ההבדל בין שתי רמות האנרגיה הללו ניתן לביטוי באמצעות •:המשוואה
DE = h = h B0
2
הגירומגנטיהוא קבוע היחס γכאשר Gyromagnetic ratio
זהו קבוע פרופורציה המקבל ערך אופייני .מסוים עבור כל גרעין בעל ספין והוא מבטא את חוזקו של המגנט הגרעיני
B0עוצמת השדה המגנטי החיצוני
21
External Magnetic Field
אנרגיה גבוהה אנרגיה נמוכה<=יציבות נמוכה יציבות גבוהה
פרוטונים )כאשר גרעינים בעלי מספר איזוגי של נוקלאונים•מוכנסים לשדה מגנטי הם מתנהגים כמגנטים קטנים (ונויטרונים
הם יכולים להסתדר בשתי אוריינטציות ביחס לשדה מגנטי . ולכןהמגנטים הקטנים הללו B0,חיצוני עם או נגד כיוון השדה המגנטי
2I+1.יכולים להסתדר במספר מצבים מוגדרים אשר מספרם הוא
22
DEהספקטרוסקופיתהמשוואה = h מתארת את ההפרש באנרגיהגורם hתדירות הקרינה האלקטרומגנטית בין שני המצבים
.פלנקקבוע–פרופורציה RF radio frequencyהתדירות היא NMR-בספקטרוסקופיות
Boכתלות בחוזק השדה MHz 60-500בתחום
excited state ,ground state ,relaxation .מתאים הוא דטקטור
RF receiver
The energy difference between the two spin states
depends on the strength of the applied magnetic field
23
מספר הגרעינים המאכלסים את הרמה האנרגטית הנמוכה
.Nβומספר הגרעינים ברמה האנרגטית הגבוהה הוא Nαהוא
בולצמןי התפלגות "היחס בין שני המספרים הללו נקבע ע•
Nα/Nβ = e -ΔE/kT
24
כאשר משדרים תדירות מסוימת של גלי רדיו אל הספינים •של שתי רמות האנרגיה משתנה האיכלוסהתפלגות ,הגרעיניים
שבה מתאימה בדיוק לתדירות ל "הנתדירות הרדיו כאשר בשדה( פרצסיה)המגנטים הגרעיניים מסתובבים בתנועת נקיפה
B0.המגנטי החיצוני
מרמת הבסיס לרמה אנרגטית גבוהה יותר אנרגתימתרחש מעבר •חלק מהגרעינים , כלומר(. בדרך כלל בהפרשים של רמה אחת)
שנמצאו קודם ברמה הנמוכה מוקפצים לרמה הגבוהה יותר ואז -התדירות בNα.על חשבון גדלהNβהאוכלוסיה Hz נקראת
י"ונתונה עνתדירות התהודה
ν = γB0/2π26
.רדיוהאנרגטי מתרחש באורך גל המתאים לתדרי המעבר •
. באותו התדרנפלטת אנרגיה כאשר הספין חוזר לרמת הבסיס שלו וגם באופיו בשדה המגנטי החיצוני כלומר תדירות זו תלויה גם
.ובעוצמתו המגנטית של הגרעין הנתון
התדירויות שבהן הגרעינים המקובלים בכימיה אורגנית נכנסים Tesla ((kilogauss 23.49 2.35לתהודה בשדה שחוזקו
13C-ו 1Hהם בעלי ספין חציהגרעינים החשובים ביותר•
נכנס לתהודה 13Cגרעין האיזוטופ ,בחוזק שדה כזה ,למשל• MHz 100נכנס לתהודה 1Hואילו MHz 25.14בתדירות של
, השימוש הנפוץ במיוחד של פרוטונים לכן NMRבספקטרוסקופית• kilogauss 23.49מקובל לקרוא ל מכשיר בעל עצמת שדה של
13 .גם כאשר מודדים בו MHz 100,מכשיר של בשם C
27
.תחום התדירויות הנצפה בכל ספקטרום הוא צר
תחום MHz 100במכשיר של 13Cלמשל בספקטרום בסביבת Hz 5000בסך הכל ,התדירויות הוא חלק קטן מאוד
MHz 25.14תדירות הרזוננס שהיא
13Cהתחום הזה הוא מספיק רחב כדי להביא לכך שכל אטומי
.השונים ברוב התרכובות האורגניות יכנסו לרזוננס
28
.קונבנציונליםשל שדה ניתן לקבל בעזרת אלקטרומגנטים חוזק •
ניתן להשיג בעזרת (בעלי יתרונות ניכרים)שדות חזקים יותר •מוליכים אשר מקוררים -אלקטרומגנטים הבנויים מחומרים על
.י הליום נוזלי"לטמפרטורה נמוכה מאוד ע
של הגרעינים מרמת הבסיס לרמה אנרגתיהסיגנל המתאים למעבר •אנרגטית גבוהה יותר נמדד בשיטות שונות ומעובד כך שבסופו של
. המתאים לגרעין זהג''תמדבר מתקבל ספקטרום
:הספקטרום ניתן למדידה באחד משני אופנים•
בשיטה המסורתית של שימוש בגל רציף. א
continuous wave = CW
-. ב FT NMR השידור של אות הרדיו יכול להיות בצורת פולס יחיד.רב עצמה
29
continuous wave=CWבשיטה בגל רציף
חלק קטן יחסית מהקרינה המופעלת על החומר נבלע ומעורר חלק תגובה זו נקלטת βלרמה הגבוהה αמהגרעינים שברמה הנמוכה
. receiving coilי הסליל המקבל "ע
נסרק באופן רציף בין שני גבולות ,תחום התדירויות שנבדק•י כך שמשנים או את התדירויות של המשדר או את "הספקטרום ע .השדה המגנטי
.ספקטרום הבליעה נרשם באופן ישיר כפונקציה של תדירות•
התדירות הולכת וגדלה מימין לשמאל בדיוק כפי שמקובל לגבי •.התהליך כולו נמשך מספר דקות UV-ו IRספקטרום
31
Pulsed Fourier
Transform
Spectroscopy
32
Fourier transform (FT) spectrometersכאשר הפולס הוא
יהיה פולס יחיד radio frequency (rf)השדה המגנטי יהיה קבוע ו פולס
.כך שיעורר את כל הפרוטונים סימולטנית( חזק)רב עוצמה
-.ב FT NMR שידור של אות הרדיו יכול להיות
אשר מכסה באופן יעיל ,רב עצמהבצורת פולס יחיד tpאורכו של tpאת כל תחום התדירויות הרצוי ונמשך זמן מסוים
.מיקרושניותהוא מספר
בזוית ישרה לכוונו Xלאורך ציר B1הפולס יוצר שדה מגנטי מתנודד
Zאשר כוונו מוגדר במרחב בכוון ציר ,של השדה המגנטי הקבוע
לדוגמה הנבדקת יש ,Nβלבין Nαמכיוון שישנו הבדל קטן מאוד בין •M.מגנטיזציה נטו
הוא בכוון השדה החיצוני M-כוון של,Nβ-גדול מNαמכיוון ש • Z .כלומר בכוון,הקבוע
מטרתו של הפולס המשודר להסיט את המגנטיזציה בזוית מסוימת•י המשוואה"המבוטאת ע ,
θ = γB1tp34
90° .תהיה θ-כך שtpבוחרים את הזמן
π/2.הפולסים נקראים פולסים של
המגנטיזציה אשר הופרעה מהכוון המקורי
XYסובבת במישור Z,שלה לאורך ציר
כאשר גורמים לו לסטות מכוון ,כמו סביבון המסתובב בתנועת נקיפה .הציר של שדה הגרביטציה
-קולט ה ,כאשר הסתיים הפולס receiver coil את התנודה
.periodacquisitionהנקרא ,הנוצרת במשך הזמן
.זמן זה הוא לרוב מספר שניות
– Free Induction Decayהסיגנל שנוצר נקרא FID.
35
בזמן של תבנית מורכבת של גל אשר הולך ודועך לאפס זוהי •
acq-ה period - .
רלקסציההדעיכה מתרחשת מכיוון שהגרעינים הבודדים עוברים •עם שדות מגנטיים אינטרקציהי "חזרה למצב שווי המשקל שלהם ע
.מקומיים משתנים
,אשר נמצא במרחב הזמן FID ,-פורייה של הטרנספורמצית•
.הנמצא במרחב התדירויות,מתרגמת אותו לספקטרום
מצויר בדיוק באותו אופן FT,הספקטרום הזה שנקרא ספקטרום שבו מצויר
CW .ספקטרום
36
דעיכה
FT NMR-יתרונות רבים ל
הוא קטן מאודNβ-לNαכ ההבדל בין "בד. 1
ההבדל הוא בסדר MHz 200עבור פרוטונים במכשיר : לדוגמאג היא לרוב איננה "ולכן הספקטרוסקופיה של תמ1:105גודל של
– IRו UVאחרות כמו ספקטרליותרגישה בהשוואה לשיטות
.ג מאוד רגישה”התמהאלקטרוניקה של , לכן
,גדול יותרB0כלומר ,ככל שיש שדה מגנטי קבוע גדול יותר. 2
ניתן לראות זאת מתוך המשוואה .גדלNβ-וNαההבדל בין .בולצמןשלהתפלגות האקספוננציאלית
600-200 ,שהמכשירים המודרניים ,זה אומר שבשדות גדולים•
MHz שנקרא מה,High Field NMR הרבה יותר המדידהרגישות60-100 .יותר יחסית לרגישותם של המכשירים הישנים גדולה
MHz
37
FT NMRרבים נוספיםיתרונות
בנוסף לכך .מעוררים באופן סימולטנימסוג מסוים כל הגרעינים . 3 .ניתן להפעיל מספר רב של פולסים על הדוגמה
ומכיוון acquisition-לאחר כל פולס כזה מתרחשת תקופת ה
- FIDניתן לצבור ,י מחשב"מטופל ב אופן דיגיטלי ע FID-שה
פורייה טרנספורמציתעוקבים בזה אחר זה ולבצע בסופו של דבר את
בעוצמתההבליעה נעשית חזקה יותר , על הסכום של כולם כלומר
הרעשאלא גם ,לא רק שהבליעה נעשית חזקה יותר בעוצמתה4.
.ונעשה קטן יותרולכן הולך עובר מיצוע ,אשר הוא אקראי ,הטבעי
S/N ( Signal/Noise)ספקטרה משפרת את היחס nצבירה של
.זה בהשוואה למה שמתקבל מספקטרום בודדn0.5.בשיעור של 38
שהעשרתו הטבעית 13C ,דבר זה חשוב במיוחד לגבי גרעינים כמו
בלבד ובנוסף לכך רגישותו הטבעית נמוכה בהרבה מזו 1.1%היא.המימןגרעין של
במקרים הללו ישנה חשיבות רבה וצורך רב יותר להשתמש , לכן
במכשירים בעלי שדות גבוהים המבוססים על טרנספורמציות .פורייה
39
41
Excitation by RF Energy and
Subsequent Relaxation
אנימציהhttp://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/nmr/nmr2.htm
42
אורגנית הגרעינים השכיחים ביותר במחקר בכימיה
1H I = ½ ספיןהם בעלי:
13C
15N
19F
31P
29Si
בלתי פעילים הם 16O 12Cכמו I = 0הגרעינים הנפוצים בעלי .NMR-לחלוטין ב
I = 1 .גם הם בעלי ספין - 14N , 2Hגרעינים חשובים אחרים
כאשר הם נמצאים במולקולה אורגנית הם משפיעים על ספקטרום
כ זה פחות נפוץ ולא מודדים "אבל בד 13C ,הפרוטונים וספקטרום-את ספקטרום ה NMR של הגרעינים הללו.
הקדמה-מדידה
ניתן למדוד באופן כמותי תערובות של חומרים ידועים , לדוגמה•. ג שלהם''התמעל ידי ספקטרום
ג"התממודדים את ספקטרום , כאשר מבנה החומרים אינו ידוע•שלהם ומתאימים אותו לספריות ספקטרומים ידועות או
מפענחים את המבנה המולקולרי באופן ישיר על ידי חישובים . שפותחו לצורך זה
ג כדי להבחין "ניתן להשתמש בתמ, כאשר המבנה הבסיסי ידוע•וכן לגלות ממצאים פיזיים . בקונפורמציה של החומר בתמיסה
, העברת פזה, קונפורמציונליברמה המולקולרית כמו חילוף עומד לרשות החוקרים , כדי להשיג כל זאת. תמיסות ודיפוזיה
.ג"תממבחר רב של שיטות 43
מדידת הספקטרהמחייבים בדרך ,הנמדדים עבור פרוטונים CW,בספקטרה מסוג •
וזאת מגבלה לגבי חומרים ,ויותר mg 50כלל דוגמאות של .שלא ניתן לקבלם בכמויות גדולות
דוגמאות קטנות נדרשות FTספקטרה מסוג ל ,לעומת זאת•ושל בדרגות גבוהות של דיוק בהרבה והספקטרה המתקבלים הם
מספיקות דוגמאות 13Cלמשל עבור ספקטרה של .רזולוציהואילו עבור ספקטרה של פרוטונים mg 50-100בגודל של mg 1-5.מספיקים
חומר mg 1עבור 13Cספקטרום : לכמויות קטנות יותר כגון•mg 0.1-ופרוטונים ניתן לקבל ספקטרום מכמויות הקטנות מ
ניתן למדוד את הספקטרום עם מספר רב של פולסים ולקבל איכות .קטןמולקולריטובה מאוד עבור משקל
44
-הכנת הדוגמא
כ מועדף ממס אשר איננו נותן "בד ,ממיסים את הדוגמה בממס• NMR.-סיגנלים בספקטרום ה
D2O , d6-DMSO , C6D6.הממיסים המקובלים ביותר הם
,CDCl3 , CCl4 בחירת הממס נקבעת לרוב לפי מסיסות.הדוגמה
לרוב ,התמיסה מוכנסת לתוך מבחנה שמימדיה מדויקים מאוד•כאשר )10mmלעיתים נדירות מבחנות בקוטר mm 5.מבחנה בקוטר
(13C), (15N),(31P), (7Li)המסיסות נמוכה או כאשר מודדים ספקטרום
הדוגמה ממלאת את החלק התחתון של המבחנה , בריכוזים נמוכים cm 2-3.עד לגובה של
מגנטיים וכן -התמיסה חייבת להיות חופשית מחלקיקים פארה•מכיוון ,מזיהומים בלתי מסיסים ואסור שהיא תהיה צמיגה מדי
.שאז הרזולוציה נפגמת
TMS49סילאןמתיל -טטרהלרוב מכניסים חומר יחוס פנימי•
בין נמצאת כך שהדוגמה -probeאת המבחנה לתוך ה מכניסים • .שני הקטבים של השדה הקבוע
,לשניהסיבובים 30המבחנה מסתובבת סביב צירה בסביבות•
.זאת כדי לשפר עוד יותר את ההומוגניות
השולח אל אחד הוא המשדר ,סביב הדוגמה ישנם שני סלילים• receiving-הסליל השני הוא ה, הדוגמה תדירויות של גלי רדיו
coil פליטות-והוא קולט את הבליעות.
המגנט מכוון באופן כזה שתתקבל הומוגניות בדרגה הגבוהה •.ביותר האפשרית
.הספקטרום נלקח תוך שימוש במכשיר המפקח על המגנט•
CWהמכשיר הפשוט הוא מסוג
י מחשב והספקטרום מצויר באופן ”מפוקח ע FTמכשיר מסוג מדווחים כרשימה של בליעות לפי הספקטרהאת .אוטומטי
.התדירות ועוצמת הבליעה50
51
NMR Signals
.השוניםסוגי הפרוטונים ' מסמצביעים על מספר הסיגנלים •
של הפרוטון ההיסט הכימי מצביע על מיקום הסיגנל •
shielded or deshielded
למספר הפרוטונים נותנת אינדיקציה חוזק הסיגנל /עוצמת•
.הסוגמאותו
ים /האטומג "מעיד על מספר הפרוטונים עפיצול הסיגנל •
.ים/השכנ
י ייחוסם לתדירות"בפועל זה לא נוח לציין את הפיקים ע
MHz 24.15.-כולם קרובים ל ,מסוימת
ייתר .מדוייקתערכים אלו יהיו מאוד מסורבלים וקשים למדידה •
השינוי ממכשיר למכשיר ואפילו שינויים מיום ליום באותו ,על כן
יקשו עוד יותר על ,כאשר השדה החיצוני משתנה מעט ,מכשיר
.המדידה הזאת
.לכן נוח למדוד את השינויים בתדירויות מסטנדרט פנימי מסוים
את ההפרש הזה מחלקים בתדירות -Hz.שתי התדירויות נמדדות ב
המכשיר כדי לקבל ערכים מספריים חסרי מימד שאינם תלויים
.בשדה ויהיו בתחום נוח לשימוש
52
(TMS)סילאןמתיל טטרהסטנדרד פנימי
כתדר שאליו ( TMS)טטרמתילסילןנהוג לקבוע את זהו סטנדרד פנימי . ייוחסו תדרי הבליעה של גרעיני פרוטון שונים
.המוסף לדוגמא הנבדקת
מכיוון שהיסט בתדר התהודה המדויק של כל גרעין משתנה •
והתדר לא נוח לזכירה . בהתאם לשדה המגנטי שבו בוצעה המדידה
הוחלט ( MHz 400.132869התדר של בנזן , לדוגמא)ולשימוש
י "ע δ( לפרוטון)להגדיר את ההיסט הכימי
δ = [νs(Hz) – νTMS(Hz)]/operating frequency (MHz)
δppm = 106 × (ν- νTMS)/ νTMS
53
Si
CH3
CH3
CH3
H3C
המשך- (TMS)סילאןמתיל טטרה
זהה בכל מכשירהוא יהיה , של הסיגנלמיקומומודד את δ,הפרמטר
.ואיננו תלוי בסוג המכשיר
כשבר של השדה החיצוני מבוטאוהוא אין יחידות להיסט הכימי δppmנקרא דלתא ppmparts per million-במיליוניות
ביחד לתדירות TMS (Hz)-יחס ההיסט לשדה נמוך יותר מ)(.הכוללתהספקטרומטר
:נבחר כסטנדרד פנימי מכיוון שסילאןמתיל טטרה
,מפחמןאלקטרושליליהסיליקון פחות •
(highly shielded)הפרוטונים שלו מאוד מוגנים•
יחסית זולו ,בלתי רעיל ,נדיף ,אינרטיזהו ממס •
.והוא הוגדר כאפס,סיגנל אחדיש לו רק •
כלומר בשדה TMS-תמיד משמאל לפרוטונים של תרכובות אורגניות נמצאים •. נמוך ממנו
54
55
המשך -(TMS)סילאןמתיל טטרה
הנכתבים δבציור מראה את הערכים השכיחים של ערכי הסקלה
.תמיד מימין לשמאל
זאת מוסכמה של פיה מציינים את התדירויות החיוביות הגבוהות •
ביותר בצד שמאל ואת התדירויות החיוביות הנמוכות ביותר בצד ימין
מופיע בצד הימני הקיצוני והוא נקבע לפי TMSהסיגנל של •כאפס ההגדרה
שדה נמוך
Downfieldהיסט גבוה
שדה גבוהUpfield
היסט נמוך
מתייחסים לצד השמאלי ולצד ,מטעמים היסטורייםבערכים של השדה החיצוני אשר מתאים הימני של הספקטרום
ולא כמייצגים את התדירות הגבוהה (לתדירויות היחסיות.(והנמוכה של הספקטרום
שבו בצד שמאל כלומר ,צד הספקטרום של התדירות הגבוהה•כשדה נמוך מתואר δערכים גדולים של מופיעים
downfield
δהערכים של של הספקטרום שבו הצד הימני ,לעומת זאת•
Upfield .השדה הגבוהנקרא החלק של הם נמוכים
הפרוטונים ברוב החומרים האורגניים נכנסים לרזוננס -לדוגמא •– TMSמ downfieldשמאלהppm 10בתחום של
,אשר איננה תלויה בעצמת השדהδסקלה של ערכי , כאמור57
Chemical Shift לקרא
The Chemical ShiftThe reference point of an NMR spectrum is defined by
the position of TMS (zero ppm)
The chemical shift is a measure of how far the signal is
from the reference signal
The common scale for chemical shifts = d
d =distance downfield from TMS (Hz)
operating frequency of the spectrometer (MHz)58
לקרא
, ההיסט הכימי אינו תלוי בעצמת השדה המגנטי
( (ppmהיסט כימי מבוטא ביחידות של חלקים למיליון.נקבע לאפס TMSשל ( של הפרוטונים)כאשר ההיסט
מימני הסיליקון , הסיליקון אינו משפיע על מימנים שעליו לכןי האלקטרונים שלהם ולכן צריכים שדה חיצוני גבוה "ממוסכים ע
יבלעו בשדה גבוה שהוא היסט נמוך , שיהפוך להם ספין לעומת לכן.כלומר צד ימין בסקלה
מימנים ליד אטומים מושכי אלקטרונים כגון הלוגנים וטבעות יהיו ולכן שדה נמוך יכול לעורר אותם לכן יהיה להם היסט " עירומים"
.כימי גבוה צד שמאל של הסקלה
59
לקרא
ההיסט הכימי
כמורכב מקו בליעה אחד NMRעד עתה התיחסנו לספקטרום •.הנמצא בדוגמה ,עבור כל סוג של גרעין פעיל מבחינה מגנטית
היו נותנים פיק אחד של בליעה 13Cאו אטומי /אילו כל הפרוטונים ו
.הדבר היה חסר כל ערך ואינו נותן אינפורמציה מועילה
שינויים י "בפועל השינויים הקלים בהיסט הכימי נגרמים בעיקר ע
.בצפיפות האלקטרונית בסביבתו המיידית של כל אחד מהגרעינים
של הגרעין הנתון מכיוון האלקטרונים משפיעים על המיקרוסביבה
המנוגד לכוון השדה ,שהתנועה שלהם יוצרת שדה מגנטי קטן.החיצוני
60
61
. ,Beffתדירות הרזוננס של מימן תלויה בחוזק השדה האפקטיבי למעט כיוון המומנט )' אלקהשדה המגנטי פועל על פרוטון בדומה לפעולתו על
(.המגנטתלוי ומושפע ,Beffהשדה האפקטיבי , לכן
. מהצפיפות האלקטרונית שבסביבת הפרוטון
Bo השדה המגנטי המופעל ,Beהאלקהשדה המגנטי עם אינטרקצית'
מקטין את השפעת השדה Be-מאחר ו. ' האלקתלוי בצפיפות ,Beffלכן ,Boהמגנטי
כלומר האלקטרונים electrons are shield protons
shielding-גבוהה סביב למימן ה' האלקככול שצפיפות השדה
.ההגנה גדולה יותר ולכן ההיסט הכימי קטן
Beffective = B0 – Be
לקרא
האלקטרונים בסביבתו של הגרעין בתוך המולקולה ממסכים •ככל שהמיסוך גדול יותר יש . את השדה המגנטי בפני הגרעין
להגדיל את חוזק השדה המגנטי החיצוני על מנת להגיע לתנאי . תהודה
צפיפות , מיסוך-קיימים מקרים בהם הגרעין עובר אל•האלקטרונים שבסביבתו קטנה ואז יש להקטין את חוזק השדה
. מנת להגיע לתנאי תהודה-המגנטי על
62
63
צפיפות אלקטרונית מתקבלת לקבוצות דוחפות אלקטרונים בשכנות •שלו δולכן ההיסט הכימי המיסוך גדל , גבוהה בקרבת גרעין המימן
השדה גבוה(. TMSמתקרב לכיוון ההיסט הכימי של )קטן
צפיפות מתקבלת לקבוצות מושכות אלקטרונים בשכנות •ולכן ההיסט המיסוך קטן , בקרבת גרעין המימןאלקטרונית נמוכה
השדה נמוך( TMSמתרחק מהיסט הכימי של)שלו גדל δהכימי
• אתר למידה פעילה
• http://www.chem.ucalgary.ca/courses/3
51/Carey5th/Ch13/ch13-nmr-2b.html
64
האלקטרונים סביב לגרעינים משפיעים על השדה המגנטי האפקטיבי שהגרעין ירגיש
Beffective = Bapplied – Blocal
65
הפרוטונים הללו מרגישים
, שדה מגנטי אפקטיבי קטן לכן
לרזוננס בתדירות " יכנסו"
נמוכה יותר
הפרוטונים הללו מרגישים
שדה מגנטי אפקטיבי גדול
לרזוננס " יכנסו", יותר לכן
בתדירות גבוה יותר
לא מוגןסביבו בצפיפות נמוכה לכן ' האלקמוגןסביבו בצפיפות גבוה לכן ' האלק
Shildeddeshilded
היסט נמוך היסט גבוהשדה גבוה שדה נמוך
מגיע לרזוננס נקבעת לא רק אטום פחמן התדירות המדוייקת שבה כל
י שינויים זעירים בסביבה המגנטית "אלא גם ע ,B0י השדה החיצוני "ע
. אותה רואה כל אחד מהגרעינים
ייתן סיגנל התוצאה היא שכל אטום פחמן השונה מבחינה כימית ,שונה
יכנס לרזוננס בתדירות שהיא שונה מעט 13C ,כמו כןהאיזוטופ
.מהתדירות של אטומי הפחמן האחרים ולכן הסיגנל שייתן יהה שונה
רוב המכשירים יכולים להפריד סיגנלים הרחוקים זה מזה בשיעור • Hz 5000 ,כאשר מדובר על תחום של . Hz 0.5של
שונים יופיעו יחד הוא 13Cהסיכוי שבו שני סיגנלים של גרעיני • .מאוד נדיר
66
לקרא
( תדר התהודה)התדר המדויק בו מתרחש המעבר האנרגטי הנמדד
, בגרעין כלומרבשדה המגנטי האפקטיבי תלוי
. ובסביבה הכימית של הגרעין' בסביבה האלק
ניתן לקבל מידע על הסביבה הכימית של הגרעין לפי -משמעות הדבר
. תדר התהודה המגנטי שלו
ככל שהגרעין יותר אלקטרופוזיטיבי כך ההיסט בתדר , ככלל•. התהודה יהיה גדול יותר
ומתח בין קשרים ( אנאיזוטרופיה)זרמי טבעת גורמים נוספים כגון •. משפיעים גם הם על ההיסט בתדר
67
סביבה כימית של הפרוטונים יכולה להיות זהה או שונה
סיגנלים/הפיקיםיתקבלופ הסביבה "ע
Each set of chemically equivalent protons in a compound
gives rise to a signal in an 1H NMR spectrum of that compound
2'עמ. פ.לקרא סיכום א
69
אתילבנזןג פרוטון של "בספקטרום התמ
. בולעת בהיסט הכימי הנמוך ביותר (CH3)קבוצת המתיל היא
, בולעת בהיסט הכימי הגבוה ביותרהארומטיתהפנילקבוצת
' אלקדוחף פניל)דוחפת אלקטרונים ביותר במולקולה הפנילקבוצת
.במרחב לכן היא בולעת בהיסט הכימי הגבוה ביותר( כלומרמזומרית
נמצא בין שתי הקבוצות וגם הבליעה שלו (CH2)המתילןשל המימנים
. למתילהפנילנמצאת באמצע בין קבוצת
מושפעת רק הפנילהבליעה של קבוצת היתהיש לציין כי אילו
. 4-5ממשיכת האלקטרונים היא הייתה צריכה להיות בהיסט של
של האלקטרונים בטבעת (delocalization)איתור -אולם עקב האל
.7היא מוזזת להיסט כימי בסביבת הארומטית71
של משפחת החומרים של מתיל הליד1H-NMRספקטרום
CH3X=CH3F, CH3Cl, CH3Br, and CH3I
ישנה השפעה על הספקטרום של המתמירלפולריותנראה כי •אלקטרושליליות-.המימנים
המימניםבמתיל הליד שלושת •
משתנה ההליד-זההים
.משתנההמימניםולכן מיקום
-היסט כימינקרא השוני בתדירות
chemical shift
ישנו יחס הפוך בין צפיפות האלקטרונית סביב לאטום המימן
. לבין ההיסט כימי73
הסמוכים מהמימנים' אלקיותר מושך אלקטרושליליX-ככל ששדה לכן לבליעה יצטרכו פחות ממוסכים ' באלקענייםולכן הם
.יותרוההיסט הכימי יהיה גבוה יותר נמוךככל שהצפיפות האלקטרונית גבוהה נדרש שדה גבוה וערך , כלומר
.ההיסט הכימי נמוך
F > Cl > Br > Iאלקטרושלילימאוד אלקטרושליליפחות
סביב הגרעינים השכנים ' האלקסביב הגרעינים השכנים ' האלקלא מוגןבצפיפות נמוכה לכן מוגןבצפיפות גבוה לכן
Shildeddehilded
היסט נמוך היסט גבוהשדה גבוה שדה נמוך
ל "כנ, וניל, OH ,NH-מימנים סמוכים לפחמניםמימנים ליד
....וקטוניםאודהידים, ארומטיתטבעת 74
75
Location of Signals
ככל שהאטומים אלקטרושליליים •והיסט deshieldמקבלים יותר
.גדול יותר לערכים גבוהים יותר
ההשפעה קטנה עם המרחק•
הוספת עוד אטומים •אלקטרושליליים תגדיל את
.ההיסט הכימי
Electron withdrawal causes NMR signals to appear at
higher frequency (at larger d values)
Protons in electron-poor environments show signals at
high frequencies
76
Bottom line: The chemical shift of a peak
in an NMR spectrum tells you something
about the electronic environment in the
vicinity of the atom(s) that give rise to that
peak.
Tables correlating chemical shifts with
structure are readily available.
78
83
Shielded Protons
ל גדול בכדי לגרום לפרוטונים "הכוח של השדה המגנטי החיצוני צ shieldedמוסטים-"מוסתרים( "'בהשפעת שדה פנימי של אלק)
.להתהפך באותה תדירות
פרוטון עירוםG14.092-יבלע ב
"מוסתר"פרוטון G14.092-ירגיש פחות מ
מאוד " מוסתר"לפרוטון ידרש שדה גבוה מאוד
84
Protons in a Moleculeתלויה באופן ישיר בסביבה הכימית בה נתון NMR-הבליעה ב
(.המוקרן)הפרטון הבולע
ההיסט הכימי של פרוטונים שונים במולקולה יהיה שונה כתלות אטום אלקטרושלילי או טבעת ארומטית יגרומו .בסביבה הכימית
לא מוסתר לכן יוסט ויהיה בשדה -לא מוגן" עירום"למימן להיות מספרים גבוהים-נמוך
שדה גבוההיסט נמוך יותר מוסתרים
More Shielded
שדה נמוך מספרים גדוליםהיסט גבוה
Less Shielded
The protons show signals at higher frequencies because
they sense a larger effective magnetic field
benzene
87
In some cases, such as the benzene molecule,
the circulation of the electrons in the aromatic
orbitals creates a magnetic field at the
hydrogen nuclei which enhances the Bo field.
This phenomenon is called deshielding.
In this example, the Bo field is applied
perpendicular to the plane of the molecule.
The ring current is traveling clockwise if you look down at the
plane.
88
The electron density around each nucleus in a molecule varies
according to the types of nuclei and bonds in the molecule.
The opposing field and therefore the effective field at each
nucleus will vary. This is called the chemical shift
phenomenon.
d2.5 קשרים משולשיםThe alkyne proton shows a signal at a lower frequency
than it would if the electrons did not induce a magnetic
field
alkyne
91
The alkene and aldehyde protons also show signals at
higher frequencies
alkene aldehyde
93
Aldehyde Proton, d9-d10alkene, d5-d6
95
O-H and N-H Signals היסט כימי תלוי בריכוז
היסט כימי של deshield-יגרמו לקשרי מימן בתמיסות מרוכזות הפרוטונים כך שיתקבל סיגנל בסביבות
d3.5 for N-H and d4.5 for O-H
אפקט של קשרי )פרוטון מתחלף בין המולקולות יגרום להרחבת הפיק (. מימן
1H NMR spectrum of
1-bromo-2,2-dimethylpropane
The greater the chemical shift, the higher the frequency
The chemical shift is independent of the operating
frequency of the spectrometer97
Diamagnetic Anisotropy
The unusual chemical shifts associated with hydrogens
bonded to carbons that form bonds
The electrons are freer to move than the s electrons in
response to a magnetic field
101
עוצמת הסיגנלים בספקטרום ואינטגרציהלמספר פרופורציוניתשל הסיגנלים הבליעה CWבספקטרום
, לכן .הפרוטונים הנכנסים לרזוננס באותה התדירות של הסיגנל.השטח מתחת לפיק הבליעה פרופורציוני למספר הפרוטונים אשר זוהו
המימניםהאינטגרציה ומראה את מספר גובה המדרגה מודד את מספרים אלה נותנים מושג מסוים על , המספרים האמיתיים מנורמלים
.בדרך כלל 10%דיוק שאינו עולה על ,מידת הדיוק של האינטגרציה
102
Everything is Relative
Integration אינטגרציה
של 1H-NMRספקטרום
ClCH2OCH3כלורומטיל מתיל אתר
מכיל שני סוגי פיקים השונים בגודלם
יחסי השטחים שונים . ובמיקומם
הם פרופורציונאליים למספר המימנים
3.5 ppm ,5.5 ppm
3/2ויחסי האינטגרציה הם
103
NMR spectrometers are equipped
with automatic integrators to measure
peak areas.
פרופרציונאליגובה הפיק והשטח מתחת לכל פיק.י הסיגנל"ניתנים ע-למספר הפרוטונים המבוטאים
האינטגרציה נותנת את המספר היחסי של הפרוטונים בכל סיגנל(.אינו נותן מספר אבסולוטי אלא יחסי)
Integration Line
104
The area under each signal is proportional to the number
of protons that give rise to that signal
The height of each integration step is proportional to the
area under a specific signal
The integration tells us the relative number of protons
that give rise to each signal, not absolute number
1H NMR spectrum of
1-bromo-2,2-dimethylpropaneThe area under each signal is proportional to the number
of protons giving rise to the signal
105
106
Intensity of Signals
• The area under each peak is
proportional to the number of protons.
• Shown by integral trace.
=>
107
Bottom Line: The integration of an NMR
spectrum tells you the relative numbers of
hydrogen atoms that give rise to each peak.
.המצב הרבה יותר מורכב FTבספקטרה
חיוני שבין כל שני פולסים ,בכדי שהאינטגרציה תהיה אמינהיעברו כל הגרעינים רלקסציה מלאה עד להתפלגות שווי עוקבים
זהו בדרך כלל המצב עבור ספקטרום פרוטונים המשקל שלהםהפיקים , המצב שונה 13Cעבור בספקטרום .שנמדד בצורה נכונה
,ל מרות שכל פיק מייצג אטום פחמן אחד ,שונים מאד בעוצמתם
המגנטיזציה,כדי שתהיה רלקסציה .המוגדר מאוד מבחינה כימיתחייבת ל עבור אינטרקציה עם שדות מגנטיים , אשר עושה פרצסיה ,
,מתנודדים
.י מגנטים גרעיניים"במיוחד אלו אשר נגרמים ע•
109
• In a given strong external magnetic field, each
structurally distinct set of hydrogens in a
molecule has a characteristic resonance
frequency, just as each tubular chime in
percussion instrument has a characteristic
frequency. The drawing on the right depicts a set
of four chimes, with the frequency of each
designated by a colored sine wave. To discover
the frequency of a chime we can strike it with a
mallet and measure the sound emitted. This
procedure can be repeated for each chime in the
group so that all the characteristic frequencies
are identified
110
• The button beneath the drawing activates an
animation showing this for one chime. Clicking
on the illustration returns the original drawing.
An alternative means of aquiring the same
information is to strike all the chimes
simultaneously, and to subject the complex
collection of frequencies produced to
mathematical analysis. In the following diagram
the four frequencies assigned to our set of
chimes are added together to give a complex
summation wave. This is a straightforward
conversion; and the reverse transformation,
while not as simple, is readily accomplished,
provided the combination signal is adequately
examined and characterized..111
• A CW nmr spectrometer functions by irradiating each set of
distinct nuclei in turn, a process analagous to striking each
chime independently. For a high resolution spectrum this
must be done slowly, and a 12 ppm sweep of the proton
region takes from 5 to 10 minutes. It has proven much more
efficient to excite all the proton nuclei in a molecule at the
same time, followed by mathematical analysis of the complex
rf resonance frequencies emitted as they relax back to the
equilibrium state. This is the principle on which a pulse
Fourier transform spectrometer operates. By exposing the
sample to a very short (10 to 100 μsec(, relatively strong
(about 10,000 times that used for a CW spectrometer) burst
of rf energy along the x-axis, as described above, all of the
protons in the sample are excited simultaneously
112
• . The macroscopic magnetization model remains useful if we
recognize it is a combination of megnetization vectors for all the
nuclei that have been excited.
• The overlapping resonance signals generated as the excited
protons relax are collected by a computer and subjected to a
Fourier transform mathematical analysis. As shown in the
diagram on the left, the Fourier transform analysis, abbreviated
FT, converts the complex time domain signal emitted by the
sample into the frequency (or field) domain spectrum we are
accustomed to seeing. In this fashion a complete spectrum can
be acquired in a few seconds.
Because the relaxation mechanism is a first order process, the
rf signal emitted by the sample decays exponentially. This is
called a free induction decay signal, abbreviated FID. An
example of a FID signal may be seen by .
113