Zastosowanie spektroskopii NMR do określania struktury związków organicznych Atomy zbudowane są z jąder atomowych i powłok elektronowych. Modelowo można stwierdzić, że jądro atomowe jest kulą, w której ładunek dodatni jest rozmieszczony równomiernie. Kula ta wiruje wokół swojej osi, czyli ma moment pędu zwany także spinem jądrowym i ładunek jej porusza się po torach kołowych wokół osi rotacji. Każdy prąd elektryczny związany jest z polem magnetycznym. A zatem wirujące jądro atomowe wytwarza pole magnetyczne, które ilościowo opisywane jest wektorem magnetycznego momentu pędu, umieszczonym na osi obrotu jądra. Gdy nie ma pola magnetycznego wektory te ustawione są w przestrzeni chaotycznie i jądra te mają identyczną wartość energii. Pod wpływem przyłożonego stałego pola magnetycznego jądra atomowe i przypisane im wektory magnetycznego momentu pędu ulegają uporządkowaniu. zęść z nich ustawia się równolegle (zwrot zgodny ze zwrotem przyłożonego pola magnetycznego), a część antyrównolegle (zwroty przeciwne). Jądra atomowe ustawione równolegle mają niższą energię. Ilościowe obsadzenie poziomów wyznaczane jest przez rozkład Boltzmanna. Z uwagi na to, że różnica energii pomiędzy tymi poziomami jest niewielka, nadmiar jąder atomowych w niższym stanie energetycznym też jest niewielka. Zgodnie z teorią nadmiar ten jest miarą prawdopodobieństwa wzbudzenia a tym samym miara czułości eksperymentu. Stąd też należy używać możliwie silnego pola magnetycznego, gdyż różnica energetyczna pomiędzy poziomami rośnie proporcjonalnie do wzrostu natężenia pola magnetycznego. Są jednak pewne ograniczenia konstrukcyjne, gdyż do uzyskania prawidłowego widma NMR wymagane jest nie tylko silne, lecz także maksymalnie stabilne i jednorodne pole magnetyczne. Gdy próbkę zawierającą jądra magnetyczne (np. protony) i umieszczoną w stałym polu magnetycznym naświetlimy promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej częstotliwości, to nastąpi absorpcja tego promieniowania czyli zajdzie zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR Nuclear Magnetic Resonance). zęstotliwość rezonansowa jest określona wzorem na tzw. warunek rezonansu, gdzie γ oznacza współczynnik żyromagnetyczny, który charakteryzuje poszczególne jądra magnetyczne i decyduje o ich podstawowej częstotliwości rezonansowej. Fakt absorpcji promieniowania można zarejestrować, co obserwujemy jako sygnał w widmie NMR. Widmo NMR jest obiektem dość skomplikowanym i aby je właściwie zinterpretować należy rozłożyć na mniejsze elementy składowe, które można analizować praktycznie niezależnie. Podstawowymi elementami widma protonowego ( 1 NMR), charakteryzującymi występujące w nim sygnały, są: a) ilość b) położenie c) intensywność i d) rozszczepienie sygnałów. Ilość sygnałów w widmie informuje o ilości nierównocennych grup protonów. Pod względem magnetycznym protony w cząsteczkach związków chemicznych tworzą grupy. Protony w grupie mają te same otoczenie czyli są identyczne (równocenne), natomiast, jeśli rozpatrujemy protony pomiędzy grupami, to mają one inne otoczenie czyli są różne (nierównocenne). Wszystkie równocenne protony (w grupie) dają jeden sygnał, natomiast protony nierównocenne dają oddzielne sygnały. Stąd też ilość sygnałów w widmie jest równa ilości nierównocennych grup protonów. Bardzo często wykorzystuje się widma NMR w celu weryfikacji przypuszczeń co do struktury produktów reakcji, a pierwszym kryterium tej weryfikacji jest ilość sygnałów w widmie. Dlatego też niezbędne jest prawidłowe określenie ile sygnałów powinno być w widmie badanego
związku. Są dwie metody służące temu celowi. Pierwszą z nich można nazwać metodą symetrii. Polega ona na tym, ze dla wzoru strukturalnego rozpatrywanego związku należy znaleźć wszystkie występujące w nim elementy symetrii (płaszczyzny, osie, punkty). Protony lub grupy protonów a 3 leżące symetrycznie względem znalezionych elementów symetrii są równocenne. Druga metoda jest nazwana metodą podstawienia. Aby sprawdzić równocenność wybranych dwóch grup protonów wykonujemy kolejno myślowe operacje zastąpienia (podstawienia) protonów w tych grupach umowną grupą Z. Następnie należy rozważyć w jakiej relacji są względem siebie Z Z b 3 3 homotopowe 2 2 3 O O 3 3 identyczne Z 3 3 3 3 N 3 3 a 3b diastereotopowe O O l 3 3 diastereoizomery 3 l 2 Z a 3 b O O enancjotopowe 3 3 O O produkty podstawienia. Jeżeli są one identyczne, to rozpatrywane protony są homotopowe czyli równocenne. Gdy zaś są to enancjomery, to protony są enancjotopowe. Są one równocenne w środowisku niechiralnym, lecz nierównocenne w środowisku chiralnym. Gdy z kolei są to diastereoizomery to protony są diastereotopowe czyli nierównocenne. Protony związane z tym samym atomem zazwyczaj są 3 równocenne. Gdy jednak Z sąsiedni atom węgla jest centrum stereogenicznym, to O wtedy stają się nierównocenne. Szczególnie wyraźnie widać to OO Z Z O O enancjomery Z 3 OO 3 O diastereoizomery OO Z O 3 diastereotopowe OO O O Z Z 3 3 O OO OO
na wzorach Newmana, które pokazują, że obrót wokół wiązania - nie ujednolica otoczenia rozpatrywanych protonów. Położenie sygnałów w widmie jest ściśle związane z pojęciem przesunięcia chemicznego. Jest to przesunięcie położenia sygnału absorpcji w widmie NMR spowodowane przesłanianiem lub odsłanianiem protonów przez elektrony. Najbliższym otoczeniem elektronowym protonów są ich własne elektrony. Podstawowy mechanizm powstawania zjawiska przesunięcia chemicznego polega na przesłanianiu (ekranowaniu) protonów właśnie przez te elektrony. Ogólny wzór na warunek rezonansu należy zmodyfikować wprowadzając stałą ekranowania σ. Ekranowanie protonów przez elektrony wynika z tego, że elektrony również oddziałują z przyłożonym polem magnetycznym tworząc tzw. indukowane pole magnetyczne, które jest skierowane przeciwnie do pola przyłożonego. O sile ekranowania decyduje gęstość elektronowa (wielkość ładunku w jednostce objętości). Gdy gęstość elektronowa jest większa natężenie indukowanego pola magnetycznego tez jest większe czyli proton jest silniej ekranowany (przesłaniany). Gdy z kolei gęstość elektronowa jest mniejsza, to natężenie indukowanego pola magnetycznego jest mniejsze czyli proton jest słabiej ekranowany, a zatem względnie odsłaniany. Przechodząc do opisu bardziej ilościowego stwierdzamy, że częstotliwość rezonansowa wyznaczana jest wielkością efektywnego pola magnetycznego działającego bezpośrednio na proton. 0 Beff = B 0 + Bind eff = 0 - ind 2 5 O Efektywne pole magnetyczne jest sumą wektorową a różnicą skalarną pola magnetycznego przyłożonego i indukowanego. Gdy w cząsteczce są atomy o elektroujemności większej niż elektroujemność węgla, to wskutek efektu indukcyjnego następuje wyciąganie eff eff elektronów z atomów bezpośrednio z nim związanych, przez co zmniejsza się gęstość elektronowa wokół tych atomów. W efekcie tego protony są względnie odsłaniane. Istnieją jednak przypadki, kiedy protony są odsłaniane bezwzględnie. Dzieje się to wtedy, gdy w cząsteczce są wiązania ind ind wielokrotne. Elektrony π wiązań wielokrotnych oddziałują z przyłożonym polem magnetycznym tworząc pole indukowane, którego linie sił układają się tak, że wzmacniają pole przyłożone jak to się dzieje np. w benzenie i grupie aldehydowej, czyli jest to rzeczywiste odsłanianie. Natomiast w etynie linie sił
indukowanego pola magnetycznego układają się tak, że obserwujemy przesłanianie występujących w nim protonów. Wartości przesunięcia chemicznego nie podaje się w bezwzględnych jednostkach częstotliwości (z), lecz w skali względnej i bezwymiarowej definiowanej następująco: ν ν - wz. = ν 0 3000 z δ = = 0 15 10-6 = 0 15 ppm 0 200 Mz gdzie ν to częstotliwość rezonansowa danej grupy protonów ν wz. częstotliwość rezonansowa wzorca (najczęściej jest to TMS - tetrametylosilan) ν 0 częstotliwość podstawowa aparatu. Przyczyny stosowania bezwymiarowej skali względnej: a) aparaty o różnej częstotliwości podstawowej b) duże liczby bezwzględne c) różne rozpuszczalniki d) różne stężenie i temperatura próbek Po zbadaniu wielu związków organicznych ujęto w tablicach podstawowe zakresy przesunięć chemicznych wielu charakterystycznych grup protonów, co umożliwia ich identyfikację. Intensywność sygnałów rozumiana jako pole powierzchni pod sygnałami jest wprost proporcjonalna do ilości protonów, od których pochodzi sygnał. Jednak na współczynnik proporcjonalności wpływa wiele czynników i jego wartość jest praktycznie przypadkowa, lecz identyczna dla wszystkich sygnałów w każdym jednostkowo zarejestrowanym widmie. Z wartości tych pól powierzchni (integracji, całkowania) można uzyskać informację o proporcji ilości protonów, od których pochodzą poszczególne sygnały. Np. jeśli w widmie są trzy sygnały o proporcji pól powierzchni 12:8:16 to po sprowadzeniu do najmniejszych liczb naturalnych uzyskujemy proporcję 3:2:4. Rzeczywista ilość protonów jest jednym z wariantów wielokrotności podstawowej proporcji: 3:2:4; 6:4:8; 9:6:12; 12:8:16; 15:10:20 itd. Jeśli znamy wzór sumaryczny i tym samym całkowitą liczbę protonów w cząsteczce to korzystając z uzyskanej z widma proporcji można łatwo obliczyć rzeczywiste ilości protonów odpowiadające poszczególnym sygnałom. Jeśli natomiast w cząsteczce występuje specyficzna grupa funkcyjna, dająca widmie charakterystyczny sygnał np. grupa aldehydowa (-O) lub karboksylowa (-OO), to wartość pola powierzchni pod tym sygnałem może służyć jako punkt wyjścia do dalszych obliczeń. Wcześniej stwierdzono, że liczba sygnałów w widmie jest określona ilością grup protonów nierównocennych. Jednakże nawet pobieżna obserwacja widm zdaje się wskazywać, że sygnałów tych jest więcej. Spowodowane jest to rozszczepieniem sygnałów wyniku występowania zjawiska sprzężenia spinowo-spinowego. Zjawisku temu ulegają nierównocenne protony najczęściej usytuowane przy sąsiadujących atomach węgla. Rozszczepienie sygnałów informuje nas o liczebności sąsiadujących protonów względem grupy rozpatrywanych protonów. Rozpatrzymy sygnał pochodzący od protonów drugorzędowych we następującym fragmencie cząsteczki: -- 2 -. Pole magnetyczne, jakie odczuwają protony drugorzędowe jest nieco silniejsze (jeśli orientacja protonu trzeciorzędowego jest zgodna z kierunkiem linii sił przyłożonego pola) lub nieco słabsze (jeśli orientacja jest przeciwna do linii sił
przyłożonego pola. A zatem w przypadku jednej połowy cząsteczek następuje nieznaczne zwiększenie częstotliwości rezonansowej, a w przypadku drugiej połowy nieznaczne zmniejszenie tej częstotliwości. Sygnał zostaje rozszczepiony na dwie składowe o równej intensywności, czyli dublet. Jeśli idzie o sygnał protonu trzeciorzędowego, to należy uwzględnić wpływ obu protonów drugorzędowych. Istnieją cztery równie prawdopodobne kombinacje ustawienia spinów dwóch protonów, z których dwie są równocenne energetycznie. Trzeciorzędowy proton odczuwa obecność każdego z tych trzech pól i jego sygnał zostaje rozszczepiony na trzy składowe znajdujące się w równej odległości od siebie, czyli tryplet o względnej intensywności składowych 1:2:1. Podwojona intensywność środkowej linii wynika z podwójnego udziału obu równocennych kombinacji spinów. Proporcje intensywności składowych w multipletach powstałych w wyniku oddziaływania większej liczby spinów można wyliczyć z tzw. trójkąta Pascala. Odległość między liniami multipletu jest miarą efektywności sprzężenia spinowospinowego (większa odległość silniejsze sprzężenie, mniejsza odległość słabsze sprzężenie) i nazywa się stałą sprzężenia, J. Multiplety pochodzące od grup protonów sprzęgających się charakteryzują się identyczną wartością stałej sprzężenia i stąd można je rozpoznać. Wartość stałej sprzężenia, mierzona w hercach [z = s -1 ], pozostaje taka sama bez względu na przyłożone pole magnetyczne, czym się różni od przesunięcia chemicznego. Gdy jest to konieczne, można te wielkości rozróżnić rejestrując widma przy dwóch różnych natężeniach pola magnetycznego. Mierzone w hercach odstępy między sygnałami, wynikające ze sprzężenia, pozostają takie same, a zmieniają się odstępy między sygnałami związane z przesunięciem chemicznym wyrażonym w hercach (wartość przesunięcia chemicznego w skali δ pozostaję stała. Wartość stałej sprzężenia zależy w dużym stopniu od zależności strukturalnych między sprzężonymi protonami, co jest powszechnie wykorzystywane do rozróżniania izomerów geometrycznych. J = 2-6 z J = 5-14 z Protony wicynalne J zmienia się ze zmianą kąta dwuściennego konformacja synklinalna konformacja antyperiplanarna J = 2-15 z J = 10-21 z J = 0-7 z J = 2-13 z Protony winylowe Na podstawie wartości J łatwo rozróżnić izomery E i Z
Literatura: 1. R.T. Morrison, R.N. Boyd, hemia organiczna, tom I, PWN 1985, s.487-511. 2. W. Zieliński, A. Rajca - Metody spektroskopowe 3. A. Zschunke - Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego w chemii organicznej. 4.. Günther - Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego.