«اسپکتروفتومتری تشدید مغناطیسی هسته NMR»
وقتی پروتونی را در میدان مغناطیسی خارجی قرار می دهیم حاصل قرار گرفتن آن ایجاد چرخشی دیگر است. به فرکانس چرخش پروتون در میدان مغناطیسی فرکانس تقدمی پروتون ها می گویند و پروتونها به این ترتیب می توانند امواجی هم فرکانس با فرکانس چرخش را جذب کنند و جذب و نشر انرژی در پروتون ها اتفاق می افتد.
در ساخت دستگاه NMR به دو طریق می توان عمل کرد.
1- تغییر میدان مغناطیسی
2- تغییر فرکانس رادیویی
دستگاهی که در آن فرکانس ثابت است و میدان را به میزان مختصر تغییر می دهیم ساده تر است.
دستگاههای NMR میدان آنها در محدوده کوچکی تغییر می کند و فرکانس ثابتی به همه پروتون ها می تابد.
بنابراین این نوع دستگاه یک میدان اولیه ثابت و یک میدان ثانویه متغیر دارد که sweep generator این کار را انجام می دهد. به این دستگاهها دستگاه continuous wave (c.w) میگویند.
دستگاههای جدید FT-NMR یا pulse-NMR
به این دستگاهها pulse NMR system گویند. هر پالس شامل تمام فرکانس هایی است که برای رزونانس رسیدن تمام پروتونها لازم است که در 0.01 ثانیه فراهم می شود. میدان در آنها ثابت است و فرکانس تغییر می کند Magnet باید همواره روشن باشد تا یکنواختی میدان به هم نخورد در زمان کوتاه پالسی به نمونه فرستاده می شود که حاوی تمام فرکانس هایی است که برای به رزونانس رسیدن همه پروتون ها لازم است.
1- با این روش می توان تعداد زیادی طیف را در فواصل زمانی کوتاه گرفت
2- همچنین می توان از هسته هایی با فراوانی کم هم می توان طیف گرفت.(افزایش حساسیت)
3- از نمونه، با مقدار کم طیف بگیریم
طیف گیری از نمونه مقدار کم: زیرا با این دستگاهها می توان در زمان کوتاه تعداد Scanها را زیاد کرد که با جمع کردن پیک ها noise به اندازه پیک اصلی افزایش نمی یابد. افزایش شدت پیک ها با رادیکال تعداد اسکن متناسب است. اما از حدی بیشتر با افزایش تعداد اسکن هم طیف خوبی نمی گیریم و فقط باید مقدار نمونه را زیاد کنیم.
برای یکنواخت (ثابت) بودن میدان لازم است مگنت دائما روشن باشد. روشن بودن دائمی مگنت گرماایجاد می کند با استفاده از chiller آن را خنک می کنیم. مگنت دستگاه ما الکترومگنت فرکانس 80HTZ و میدان حدود 2Tesla است. البته از80HTZ به بالا دیگر از الکترو مگنت استفاده نمی شودو به جای آن از مواد ابر رسانا superconductive برای ایجاد میدان استفاده می شود اما این مواد در دمای زیر صفر این خاصیت را دارند که برای تامین این دما از ازت یا هلیم مایع استفاده می شود. (عیب آن)
هر چه میدان را قویتر کنیم R(resolution)بیشتر می شود.
دستگاه قدیمC.W-NMR
میدان در محدوده کوچکی تغییر می کند و فرکانس ثابتی به همه پروتون ها می تابد.
محل جذب پروتون ها در NMR را محل شیفت شیمیایی پروتون ها می گویند. محل شیفت اطلاعات زیادی راجع به ساختمان جسم و محل قرار گرفتن پروتون ها به ما می دهد.
محل جذب:
محل شیفت شیمیایی را بر مبنای استانداردی به نام TMS تترامتیل سیلان بیان می کنیم جذب TMS در صفر PPM است مهمترین عامل موثر بر شیفت شیمیایی الکترونهای های اطراف پروتون است هر چه eها بیشتر روی پروتون ها اثر شیلدینگ بگذارند اثر میدان مغناطیسی کم شده و باید بر شدت میدان مغناطیسی افزوده شود.
TMS محافظت شده ترین پروتونها ها را دارد بنابراین به شدت از میدان مغناطیسی کم می کند و باید بر شدت میدان افزوده شود. بنابراین صفر بالاترین میدان مغناطیسی را دارد.
یک قطره TMS به همه نمونه ها اضافه می شود برای اینکه پیک صفر داشته باشیم- چون TMS 12 پروتون دارد که از لحاظ شیمیایی یکسان هستند با یک قطره جواب می دهد. در 27°C به جوش می آید و از نمونه ها به راحتی جدا می شود.تنها مشکل TMS اینست که با حلال های مائی قابل اختلاط نیست.
برای طیف از حلال مائی: TMS را در لوله مویین می ریزیم و آن را در لوله NMR می اندازیم (استاندارد خارجی )ویا از DSS سدیم 2,2 دی متیل، سیلاپنتا سولفونات استفاده می کنیم . این ماده هم با یک قطره یک پیک شارپ می دهد.
استفاده از استاندارد خارجی دقت زیادی ندارد بعلت عدم یکنواختی اثرمیدان بر نمونه واستاندارد .
با دستگاه NMR قدیمی(CW-NMR) حدود 50mg نمونه و 0.5cc حلال لازم داریم در دستگاه جدید با 5mg هم می توان طیف گرفت.
وقتی از ماده ای مثل اتیل بروماید طیف می گیریم دو نوع پروتون داریم.
برای یافتن تعداد پروتون ها در هر محل احتیاج به انتگرال گیری داریم.
بنابراین قلم را طوری تنظیم می کنیم که جایی که پیک ندارد خط صاف رسم کند و ابتدای هر پیک متناسب با تعداد پروتون ها بالا رود.پروتون های تحت تاثیر اسپین پروتون ها کربن مجاور هم قرار می گیریند که باعث شاخه دار شدن پیک ها می شود.
تعداد شاخه ها= تعداد پروتون های کربن مجاور +1
وقتی پروتونی از دو طرف تحت تاثیر اسپین کربن مجاور قرار بگیرد فواصل شاخه ها J گفته
می شود.اگر هر دو کربن مجاور یک پروتون با یک J اثر بگذارند بعضی شاخه ها روی هم می افتند.بنابراین تعداد شاخه ها از فرمول (nA+nB+1) بدست می آید.مقدار J گاهی برای شناسایی ترکیب به کار می رود و در ترکیبات ترانس مقدار J بیشتر است و برای شناسایی شکل فضایی ترکیب به کار می رود.
قسمت های مختلف دستگاه NMR:
1- میدان اولیه ثابت Magnet
2-میدان ثانویه متغییر sweep generator
3- فرستنده امواج رادیویی
4- گیرنده امواج رادیویی
5- رکوردر
6- لوله محتوی نمونه
تهیه نمونه:
مهمترین حلال بدون پروتون در NMR ،ccl4 است اگر ترکیب در آن حل شود ، بعدCDCL3 کلروفرم دو تره و بعد CD3OD متانول دوتره و D2O و در نهایت DMSO دی متیل سولفوکساید استفاده می شود(هر چه تعداد D در حلال بیشتر شود گران تر می شود.)
حلال های دو تریوم صد در صد خالص نیستند و پیک حلال دیده می شود مثلا پیک پروتون کلرفروم مربوط به CDCL3 در 7.22ppm ظاهر می شود معمولا حلال های 99.5% استفاده می شود البته 99.999% هم وجود دارد که خیلی گران است.
اگر جسم در هیچ کدام از حلال های گفته شده حل نشد در CF3COOH حل می کنیم پروتون اسید پیک می دهد.
اگر در حدود ppm12-11 ببینیم احتمال می دهیم پیک اسید است برای مطمئن شدن بعد از طیف گرفتن یکی دو قطره آب دو دوتره اضافه می کنیم و دوباره پیک می گیریم اگر پیک شدتش خیلی کم شد پروتون اسید بوده که قابل تبادل بوده است.
برای کالیبراسیون دستگاه NMR از ترکیبی استفاده می شود که پیک های sharp داشته باشد، مثل اتیل بنزن که سه نوع پروتون و سه پیک دارد.
روش کار C.W-NMR:
برای کالیبراسیون دستگاه، نمونه اتیل بنزن را داخل لوله NMR ریخته و داخل Magnet می گذاریم و با 20 دور در ثانیه آن را می چرخانیم .
هر 60HZ=1 ppm
زمان sweep (اسکن)، 50 ثانیه است.
با استفاده ازsweep zero، TMS را روی صفر تنظیم می کنیم.
شدت پیک ها را با Spectrum amplitude تنظیم می کنیم.
هدف از استفاده اتیل بنزن تنظیم دستگاه و اطمینان از تعداد شاخه هایی است که دستگاه می دهد.
بعد از گرفتن طیف، انتگرال گیری را انجام می دهیم و برای این کار دکمه INT را می زنیم.
سپس دکمه reset را می زنیم برای اینکه مطمئن شویم که قلم ثبات به بالای کاغذ بر خورد
نمی کند ابتدا قلم را بالا آورده و انتگرال می گیریم و بعد از اطمینان از مناسب بودن شدت انتگرال انتخاب شده ، قلم را پایین می آوریم و انتگرال می گیریم.
برای در آوردن نمونه spin را قطع کرده و دکمه eject را می زنیم.
با پیچ vertical قلم را پایین می آوریم ،کنترل عمودی و پیک را رسم می کنیم اگر شدت زیاد بود شدت را کم می کنیم تنظیم شدت با spectrum amplitude است.
نمونه: بوتیریک اسید
برای مشاهده پیک اسید عرض صفحه را دو برابر می کنیم و برای اینکه روی پیک های قبلی نیفتاد قلم را بالا می آوریم و برای مشاهده پیک اسید off set 600HZ=5ppm می کنیم و مقدار offset را با محل جذب جمع می کنیم در اینجا 6ppm را off set کردیم.
وقتی پیک ها از هم فاصله کمی داشته باشند. انتگرال پیوسته می گیریم زیرا خط پایه مشخص نیست تا برای پیک بعدی روی آن reset کنیم.
روش کار pulse-NMR
در شروع کار باید از یکنواخت بودن میدان مطمئن شویم که مشخص کننده میدان ثابت، سیگنال دوتریوم است. یعنی اصطلاحا" میدان را روی سیگنالی که از دوتریوم می آید lock می کنیم. (Lock D2) تا وقتی Lock برقرار باشد میدان هموژن است و می توان طیف گرفت. تا وقتی چراغ روشن باشد و اگر به هر دلیلی lock از دست برود مانند رفتن برق و ... هموژن بودن از بین رفته و حتی روی پیک های گرفته شده نمی توان حساب کرد و باید مجددا طیف گرفت. برای تامین سیگنال دوتریوم در همه حلالها دوتریوم داریم و حتی اگر نمونه تترا کلرید کربن (بهترین حلال) حل شود باز هم مقداری کلروفرم دوتره برای برقراری lock به آن اضافه می کنیم .
طیف گیری از هسته های با فراوانی کمتر: 13C در این مورد مهم است زیرا با فراوانی1.1% دارای اسپین 2/1 است. استفاده از طیف 13C وقتی اهمیت دارد که مثلا آلکان داریم زیرا تمام آلکان ها در PNMR پیک مشابه در ناحیه ppm 101-0.9 می دهند. اما محل جذب آلکانها در 13CNMR در محدوده بیشتر 15-35ppm است بنابراین در طیف 13C هر کربنی یک پیک می دهد مگر دو کربن که شرایط کاملا یکسان داشته باشند، یعنی محدوده وسیع طیف 13C سبب می شود کربن ها با اختلاف جزئی نیز با فواصل مناسب ppm 6-5 از هم جدا شوند.
محدوده جذب در PNMR ، 0-15ppm ولی در 13CNMR ، O-200ppm است که سبب ایجاد پیک های مستقل می شود.
مثلا در طیف PNMR اتیل بنزن 3 پیک زیر را دیدیم.
1- شاخه ppm 1
2- 4 شاخه 2ppm
3- پیک آروماتیک 7ppm
ولی در طیف 13CNMR اتیل بنزن 6 پیک می بینیم.
در طیف 13C ، splitting شاخه شاخه شدن نداریم. زیرا اثر پروتونها بر C را خودمان با عمل decoupling از بین می بریم تا طیف ساده تر شود و در مورد اثر 13C بر 13C هم احتمال کنار هم قرار گرفتن و مزدوج شدن دو 13C حدود صفر است پس در طیف 13CNMR پیک ها یک شاخه است و سطح زیر پیک نداریم.
بعلاوه ارتفاع پیک ها که نشان دهنده تعداد 13C در یک موقعیت خاص می باشد، هیچ اطلاعی در مورد ساختمان جسم نمی دهد، چون وجود 13C در مولکول، اتفاقی است و حتی ممکن است وقتی طیف کربن های همسان روی هم افتاده پیک کوچکتری ببنیم.
بنابراین در 13CNMR تنها محل شیفت شیمیایی است که اطلاعاتی در مورد ساختمان جسم می دهد.
کار با دستگاه pulse-NMR :
گرفتن طیف هیدروژن اتیل بنزن و طیف کربن اتیل بنزن: در دستگاه یک مخزن آب برای خنک کردن مگنت وجود دارد. نمونه می چرخد تا تحت تاثیر یکنواخت میدان قرار گیرد.
همانند دستگاه قبل ارتفاع نمونه ها را تنظیم کرده و در مگنت قرار می دهیم. سپس Spin را روشن می کنیم. نمونه شروع به چرخش می کند. سیگنال دوتریوم را پیدا کرده و در وسط صفحه تنظیم می کنیم سپس دکمه lock را می زنیم تا lock D2 برقرار شود و چراغ روشن شود و میدان یکنواخت گردد. برای کالیبره کردن دستگاه NMR از اتیل بنزن طیف می گیریم دستگاه وقتی تنظیم است که با یک scan طیف خوبی از اتیل بنزن بگیریم. برای طیف کربن وقتی تنظیم است که با یک Scan طیف خوبی را اتیل بنزن 80% بگیریم پس از گرفتن طیف انتگرال می کنیم.
منبع: وب شیمی www.WebShimi.ir
