-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Minden spektrumot a Müncheni LMU Egyetem szerves kémia tanszékén BRUKER ARX 300, illetve AMX600 készülékkel mértek ki.

Az oldallal kapcsolatban felmerülõ kérdésekkel fordulhat:
Claudia Dubler          email: cld@org.chemie.uni-muenchen.de
David Stephenson     email: dss@org.chemie.uni-muenchen.de
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 

    Mindenekelõtt néhány szót saját NMR-es tapasztalataimról. Szakmai gyakorlat keretében betekintést nyertem az NMR ipari alkalmazásába. Magyarországon a gyógyszergyárak elõszeretettel alkalmazzák az NMR-t szerves molekulák rutinszerû szerkezetazonosításához. Tapasztalataim szerint a többi nagymûszeres analitikai módszer mellett (MS, IR) az NMR szolgáltatja a legtöbb információt a molekulák szerkezetével és dinamikájával kapcsolatban.
 

1. Kémiai eltolódás, inkrementumok (német nyelvû hivatkozás)

    Ebben a részben néhány egyszerû példán keresztül szemléltetik ismert szerkezeti képletû molekulák jelhozzárendelését ¹H- és ¹³C-NMR spektrumukban. Az asszignációhoz inkrementumtáblázat szükséges, amely itt nem áll rendelkezésre. Az inkrementumok alapján becsülhetõ a molekula protonjainak (szénatomjainak) kémiai eltolódása. A számítás hátránya az, hogy csak alap funkciós csoportokra (pl. helyettesített aromások) ad jó közelítést, nagyobb molekulák esetén már nem használható (pl. helyettesített aromás gyûrû funkciós csoportjaihoz további szubsztituensek kapcsolódnak.)

Itt a kémiai eltolódással és inkrementumokkal kapcsolatos feladatok találhatók.

Néhány megfontolandó kérdés és a válaszok:

  a, Honnan ismerhetõ fel, hogy ¹H- vagy ¹³C-NMR spektrumról van szó?
      A skáláról. Az ¹H spektrumok mérési tartománya kb. 0-10 ppm, a ¹³C spektrumoké kb. 0-200 ppm.

  b, Melyik az oldószer jele?
      Nem mondható meg egyszerûen. Tudni kell, milyen eltolódásnál jön az oldószer jele, és milyen csatolási képe van az oldószer jelének. A jelek eltolódása és felhasadása az oldószertõl függ. Az oldószerekrõl itt látható információ.

  c, Mihez szükséges a deutérium az oldószerben?
      A mágneses mezõ állandóságát garantálni. Ingadozások lépnek fel, amelyeket a spektrométer (bizonyos határok között) képes kiegyenlíteni (Lock). A mágneses mezõ homogenitásának garantálásához a mintát teljesen fel kell oldani, a csövecskét egy bizonyos magasságig kell tölteni (kb. 5 cm).

  d, Miért kell az oldathoz TMS-t adni?
      Az Y-tengely kezdetét (eltolódás) a mérés nem határozza meg. Szükség van egy jelre, amelynek az eltolódása ismert. Pl. TMS, oldószer stb.

  e, Miért tart normális esetben egy ¹³C-NMR spektrum felvétele sokkal tovább, mint egy ¹H-NMR spektrumé? Lerövidíthetõ a ¹³C mérési idõ?
      A természetben az ¹H atom gyakorlatilag 100%-ban fordul elõ, ezzel szemben a ¹³C atom csak 1.1%-ban. Ezért a legtöbb szénatom a mérés számára „szükségtelen", mivel nem érzékelhetõk. Csak 1.1% áll a méréshez rendelkezésre, ennek megfelelõen sokáig kell mérni. Ezen kívül a ¹³C magok gyengébb mágnesek, mint az ¹H magok. Egy ¹³C mag gammája, a giromágneses együttható csak negyed akkora, mint egy protoné. Ezt ki lehet küszöbölni, ha ¹³C jelzett anyagokat (minden szénatomot a molekulában) alkalmaznának. (nagyon drága lenne)

f, Az alábbi ábrán az aldehidek, ketonok, karbonsavak és észterek jellemzõ kémiai eltolódásai láthatók.
 

2. Csatolások (német nyelvû hivatkozás)

    Egy-egy általános módszer látható itt hidrogénjelek multiplicitásának meghatározásához. Ha a kérdéses hidrogéneket tartalmazó szénhez nem kapcsolódik olyan szénatom, amelyen hidrogének vannak, akkor nincs multiplett jelfelhasadás (kivéve metilén-csoportot és kiralitáscentrumot tartalmazó molekulák esetén, amelyekben a metilén-protonok diasztereotópia viszonyban vannak, így a különbözõ csatolási állandó miatt külön adnak jelet).
    Minden egyes szomszédos szénatomon levõ protonok által okozott további jelfelhasadás:

Multiplett-felhasadás = N(X) * 2 * 1/2 + 1, N(X): a szomszédos szénhez kapcsolódó hidrogének száma.

    Aromás vegyületeknél a jelfelhasadás mértéke az orto, meta, para sorrendben csökken.

       szénjelek multiplicitásának meghatározásához

N: a vizsgált szénatomhoz közvetlenül kapcsolódó protonok száma
A szénatom így létrejött multiplett felhasadása = N(A)*2*1/2+1
Ha a vizsgált szénatomhoz nem kapcsolódik további protonált szénatom, akkor nincs további felhasadás, ha kapcsolódik, akkor
  alifás lánc esetén:
    minden további protonált szomszédos szénatomra érvényes:
    a járulékos felhasadások száma = N(X)*2*1/2+1, N(X): a vizsgált szénatommal szomszédos protonált szénatomok száma.
  aromások:
  -CH- meta helyzetben  -> (1 * 2 + 1/2 + 1) = 2 vonal ( kb. 5 Hz )
a következõk pedig legtöbbször nem is láthatók:
-CH- orto helyzetben : csatolási állandó kb. 0 Hz
-CH- para helyzetben: csatolási állandó kb. 0 Hz

(direkt csatolás egy kötésen keresztül, csatolás több kötésen keresztül)

A szerves kémiában más magok is elõfordulnak, amelyeknek van I > 0 eredõ magspinjük (I = 1/2 : ¹⁹F, ³¹P, ¹⁵N,...  I = 1 : ²D, ...)

        hidrogének csatolása heteroatomokkal
 
    Minden protonált szénatomra a következõ az eljárás:
Ha a szomszédos szénatom I>0 magspinkvantumszámú atommal nincs helyettesítve, akkor nincs felhasadás, ha helyettesített, akkor minden olyan magra, amely a vizsgált szénnel szomszédos és I>0 magspinkvantumszámú atommal helyettesített, érvényes:
A járulékos multiplett felhasadások száma = N(X) * 2 * I(X) + 1

N(X): I>0 magspinkvantumszámú magok száma a vizsgált szénatom szomszédságában
I(X): ¹H, ¹⁹F, ²D, ³¹P, ¹⁵N, ...magspinkvantumszáma.

        szénatomok csatolása heteroatomokkal
 
A: Ha a vizsgált szénatom nincs I>0 magspinkvantumszámú atommal szusztituálva, akkor nincs további felhasadás. Továbbiak a B pontban.
Ha szubsztituált, akkor minden I>0 magfajtára érvényes: járulékos multiplett felhasadás = N(X) * 2 * I(X) + 1
N(X): I>0 magok száma a szubsztituál szénatomon
I(X): ¹H, ¹⁹F, ²D, ³¹P, ¹⁵N, ...) magspinkvantumszáma

B: a vizsgált szénatomhoz kapcsolódik-e olyan mag, amelynek magspinkvantumszáma I>0?
     Nem: nincs felhasadás
     Igen: minden szomszédos I>0 maggal helyettesített X szénre érvényes:
 Minden I>0 magfajtára érvényes:
Járulékos multiplett felhasadás = N(X) * 2 * I(X) + 1
N(X): a szomszédos X szénatomon levõ I>0 magok száma
I(X): ¹H, ¹⁹F, ²D, ³¹P, ¹⁵N, ... magspinkvantumszáma

Itt feladatok találhatók spektrumokkal:

1. Az ecetsav-etil-észter spektrumában tapasztalható multiplett felhasadások
2. p-metoxi-benzoesav-metilészter spektrumában tapasztalható multiplett felhasadások
3. Szerkezetazonosítás
4. Szerkezetazonosítás
5. Szerkezetazonosítás

További feladatok és a válaszok:

  a, Egy CDCl₃-ban oldott minta ¹³C spektrumában az oldószer triplettjét látja 77 ppm-nél. Indokolja!
      A deutériumnak eredõ spinje van, I=1. A felhasadás számítása: felhasadás=n*I*2+1
n: a deutérium, vagy ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁵N magok száma
I: a megfelelõ izotóp magspin-kvantumszáma
Felhasadás(CDCl₃)=1*1*2+1=3 (triplett)

  b, Az etilcsoport ¹H spektrumában a metil csoport jele is triplettnek látszik. Itt a középsõ csúcs nagyobb, mint a két szélsõ. A CDCl₃ ¹³C spektrumában mindhárom vonal közel azonos nagyságú.
        Indoklás:
          Hasonlítsa össze ugyanazt ugyanazzal: egyszer van egy csatolás két protonnal I=1/2, és a CDCl₃-ban egy csatolás egy deutériummal I=1. A CDCl₃ csatolási képének magyarázata az elõzõ kérdésnél látható. Teljesen más ez pl. az etil-acetátnál. A metilcsoport triplettje a protonok csatolásából ered a szomszédos metilén csoport két protonjával. Csatolás: (CH₃-CH₂-)=2*1/2*2+1 (triplett).

  c, Miért lát csak egy jelet az ¹H spektrumban a CDCl₃-tól? Indoklás.
      A CDCl₃-nak mindig csak egy kis része CHCl₃. Mivel a protonok mérése nagyon érzékeny, ezért a CHCl₃-at jól lehet látni.

  d, Ezt a kapcsolatot, amelyet a CDCl₃ az ¹H spektrumban ad, láthatja a ¹³C spektrumban is?
      Igen. A kis csúcs a nagy tripletten belül a CHCl₃-é. Mivel egy ¹H lecsatolt ¹³C spektrumról van szó, a CHCl₃-nak csak egy szingulettje jelenik meg (nincs dublett).
 

3. Spinrendszerek (német nyelvû hivatkozás)

Az alábbi példákon spinrendszerek láthatók. A megoldásban feltüntették a példamolekula ¹H-NMR spektrumát is.
Két szerkezetazonosítási feladat is látható. Azonosítani kell a spinrendszereket is. A második példában a molekula kiralitáscentrumot tartalmaz, így a metilén-hidrogének diasztereotópok lesznek (a spektrumban külön-külön jelennek meg).

Itt számos szerkezetazonosítási feladat található az egydimenziós spektrumokkal kapcsolatban. A feladatok különbözõ nehézségi fokúak.
 

4. DEPT spektrumok (német nyelvû hivatkozás)

A DEPT módszerrel meg tudjuk fejteni, hogy melyik ¹³C-jel melyik C-, CH-, CH₂-, vagy CH₃-csoporthoz tartozik.

Itt szerkezetazonosítási feladatok találhatók spektrumokkal és a megoldással. Felülrõl a harmadik spektrum a DEPT.

Feladatok és válaszok:

a, Mirõl ismerhetõ fel a DEPT és a ¹³C-NMR spektrum? Indokolja!
    A DEPT spektrumban nem, vagy alig látható az oldószer jele. Indoklás: A DEPT-kísérletben csak a CH-, CH₂- és CH₃-csoportokat mérik és nem a CD-, CD₂-, CD₃-csoportokat. Olyan kevés a protonált oldószer mennyisége, hogy a DEPT és a ¹³C spektrumban nem látszik. A ¹³C-kísérletben CD-, CD₂- és CD₃-csoportokat is mérnek. A csatolások ennek megfelelõen az oldószereknél láthatók. Ennek azonban vannak elõnyei: olyan jelek is kimutathatók a DEPT-tel, amelyek a ¹³C spektrumban az oldószer jele alá esnének.

b, Milyen DEPT spektrumok léteznek?
    DEPT135: CH₃-, CH- jele felfelé, CH₂- jele lefelé áll. DEPT45: CH₃-, CH₂-, CH- jele felfelé áll. DEPT90: CH jele felfelé áll.

c, Hogyan lehet egy DEPT spektrumot kalibrálni, ha nem áll rendelkezésre oldószerjel?
    TMS-t kell a mintához adni. Ezzel egyidejûleg az az elõny is adódik, hogy a jelek fázisát helyesen be lehet állítani. (a CH₃- csoportnak a TMS-tõl felfelé kell látszani). Vegye a kalibrált ¹³C spektrumot, keressen egy éles csúcsot, amelyet a DEPT spektrumban ismét megtalál.

d, A CH₂-csoportok jelei a DEPT135 spektrumban lefelé mutatnak. Ez automatikusan így van, vagy kell valamit tenni?
    A CH₂- csoportok nem mutatnak automatikusan lefelé! Fáziskorrekció során lesznek kiigazítva. Ehhez tudni kell egy jelrõl, hogy CH₂-, vagy CH-, CH₃- jel e. Ha ez az egy jel fáziskorrigált lett, akkor az összes többi jel helyesen fog állni. Erre alkalmas jel például a TMS jele.

e, A méréseket 300, 400 és 600 MHz-es készülékeken végezték. Milyen jelentései vannak a 300, 400, 600 számoknak?
    Ezek azok a frekvenciák, amelyeken a protonokat mérik.

f, Miért érzékenyebb készülék a 600-as, mint a 300-as készülék?
   A Boltzmann-eloszlás miatt 600 MHz-en az energianívók felhasadásának mértéke nagyobb.

g, Milyen frekvencián mérik az ¹H és a ¹³C spektrumot?
 
 

    ¹H spektrumban a 4.1 ppm kémiai eltolódás 1234 Hz-nek felel meg. Az átszámítási faktor 300.
¹³C spektrumban a 77 ppm kémiai eltolódás 5811 Hz-nek felel meg. Az átszámítási faktor 75.
    A kémiai eltolódás Hz-ben=kémiai eltolódás ppm-ben * bázisfrekvencia.
A ppm egységet csak azért használják, hogy a készülékspecifikus komponenseket eltüntessék. Ezáltal különbözõ készülékeken készült spektrumok egymással könnyebben összehasonlíthatók. A Hz-ben megadott adatra azért van szükség, hogy a csatolást két csatoló partner között megállapítsák (pl. két proton között, protonok és fluor között, proton és szén között, szén és deutérium között stb.).

    A mérési idõ számítása ¹H, ¹³C, DEPT spektrumok felvételéhez.

    Itt egy ¹H-, egy ¹³C- és egy DEPT spektrum felvételéhez használt pulzusprogram látható a mérési paraméterekkel.
 

5. A 2D kísérlet

Itt hat jelhozzárendelési feladat található spektrumokkal és a megoldással.

Feladatok, válaszok:

a, Hogyan zajlik egy kétdimenziós mérés?
    Az F1 tengelyen hagyományos ¹H, illetve ¹³C NMR spektrumokat mérnek, körülbelül 2024 pontot (vagy többet) vesznek fel. Az F2 tengely adatait ennek segítségével kiszámítják úgy, hogy az F1-et 100-szor (vagy többször) különbözõ várakozási idõkkel mérik.

Egy COSY pulzusprogram és értelmezése:
(A 2D kísérlet elvi mérési módja)

Egy 2D spektrumhoz mindig n db ¹H illetve n db ¹³C spektrumot mérnek. Minden átmenetnél egy meghatározott paramétert változtatnak.

COSY pulzusprogram magyarázata:

1. d1 sec-ot várnak, amíg a rendszer biztosan alapállapotba kerül.
2. p1 sec hosszúságú 90^o-os pulzust adnak.
3. d0 egy változó hosszúságú várakozási idõ, amely- az ötödik lépés után visszatérve az elsõ ponthoz- INO sec-mal hosszabbodik. (ld. F1 tengely képzése.)
        1. mérés: d0₁=INO=1/SW(F1), SW(F1): az F1 tengely hossza (ppm-ben)
        2. mérés: d0₂=d0₁+INO
4.  p1 sec hosszúságú 90^o-os pulzus.
5.  A FID mérése aq sec-ig.
Vissza az 1. ponthoz ns-szer. (ns: Number of Scans ->F2) ld.: az ¹H spektrumot az F2 tengelyen ns-szer veszik fel.
Vissza az 1. ponthoz n-szer (n=TD(F1)): d0 a következõ körben növekszik.
6. d1 sec várakozási idõ.
Kész!

A fent említett pulzusprogramot n*ns-szer hajtják végre.

 Mennyi ideig tart egy COSY felvétel, ha a spektrumszélesség 9.005 ppm, a FID idõtartama 0.379 sec és a relaxációra 2 sec jut? A mérések száma 16, az F1 tengelyen 256 mérést végzünk. Az F1 és F2 tengely hossza azonos. A gerjesztõ pulzus hossza 10,5 ms.

d0 számítása: d0₁=INO=1/SW(F1)
    d0₂=2*1/SW(F1), stb.
    d0₂₅₆=256*1/SW(F1)

d0 = 256/[2*9.005 ppm*300 Hz/ppm]=0.047 s

Egy mérés idõtartama: mivel a p1 gerjesztõpulzus nagyon rövid idejû, ezért elhanyagolható. d1+(p1)+d0+(p1)+acqu= 2+0,047+0,379=2,426 s
A pulzusprogram az F2 tengely képzésére mindig 16-szor, az F1 tengely képzésére mindig 256-szor fut le.
512*16*2,426=9937 s=2,76 óra.

b, Melyik irányban van jobb felbontás? (F1 vagy F2)
    Az F1 irányban, mert 2024 vagy több pontot vesznek fel. Az F2 irányban 100 vagy több pontot vesznek fel.

c, Mit jelentenek a rövidítések?
    COSY: Correlated Spectroscopy
    NOESY: Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy
    HETCOR: Heteronuclear Correlated Spectroscopy

d, Mind a COSY, mind a NOESY H-H korrelált spektrumok. Mi a különbség?
    A COSY-nál szomszédos szénatomokon levõ hidrogének csatolnak egymással, amelyek egymástól több kötés távolságra vannak. A NOESY-nál az egymáshoz térben közel került protonok csatolnak.

e, Az aromás kémiai eltolódás tartományban nagyon sok jele van és tudni akarja, melyik kvaterner és melyik CH- szén jele. Mit méretne?
    Egy 30 perces DEPT135-öt. HETCOR-t nem, a C-H korreláció miatt. Ez ugyan hozza ezeket az információkat, de a mérés legalább 3 órát tart. A HETCOR-ral járulékos információkat kap: melyik proton melyik szénatomhoz kapcsolódik.

f, Mit jelent a NOE? Mi ez? Hol válik észlelhetõvé?
    NOE=Nuclear Overhauser Effect
    A NOE térbeli effektus. Például lecsatolt ¹³C spektrumokban válik észlelhetõvé. Azoknak a szénatomoknak a jelei, amelyekhez H-ek kapcsolódnak, általában nagyobb jelet adnak a lecsatolt ¹³C spektrumban, mivel a protonok lecsatolásával a NOE fellép.

g, Rendezze mérési idejük szerint a következõ spektrumtípusokat: ¹H, ¹³C (lecsatolt), DEPT, ¹³C (csatolt), ¹³C (quant.), COSY, NOESY, HETCOR, COLOC.

Növekvõ mérési idõ szerint:

-¹H: ¹H gyakorisága kb. 100 %
-DEPT: ¹³C gyakorisága kb. 1,2 %, a kvaterner szénatomok nem adnak jelet, nincs NOE.
-¹³C csatolt: a FID felvétele alatt a protonok kémiai eltolódás tartományában a H-eket besugározzák (lecsatolás ->van NOE).   A NOE által a jelek erõsödnek.
-COSY
-HETCOR
-¹³C quant., ¹³C csatolt
-NOESY
-COLOC

h, Ön egy minta ¹³C spektrumát mérte meg 4000-es akkumulációval (összegképlet C₁₈H₁₈O₄, 10 mg oldva 5 ml CDCl₃-ban). Ön mégegyszer elõállítja ezt az anyagot, de csak 5 mg-ot kap. Meddig kell mérni a spektrumot, hogy az elsõhöz hasonlót kapjon?

Mérés idõtartama: 1. mérés: 10 mg: 3 óra 16 perc
                              2. mérés: 5 mg:   ?
A mennyiség felezõdik: 4-szeres mérési idõ!
                                              5 mg: 13 óra 4 perc.

Itt különbözõ nehézségi fokú feladatok találhatók a 2D kísérlettel kapcsolatban, spektrumokkal.

Itt táblázatok találhatók az oldószerekrõl, standardekrõl, védõcsoportokról és csatolásokról.

Itt fontosabb részspektrumok találhatók a karboxil-csoportokról és a szubsztituált aromásokról.