NMR-spektroskopi

Fordi man ved NMR kun kigger på forskellige isotoper af hydrogen. Altså hvordan de er placerede i forhold til hinanden, og hvilke kræfter de bliver påvirket af, så man kan finde strukturen af ens organiske stof.

Det er ikke alle isotoper af et grundstof som er NMR-aktiv.

For carbons vedkommende er det kun 13-C, som der kun findes ca. 1,1 % af i naturligt carbon. 12-C og 14-C er NMR inaktive og kan ikke detekteres i et NMR spektrometer.

For hydrogens vedkommende er der jo tre isotoper:
1-H (findes der ca. 99,9% af), 2-H (ellere deuterium, D) og 3-H (tritium, radioaktiv). Igen her er det 1H som er NMR aktiv, men faktisk kan 2-H (D) faktisk også detekteres under specielle teknikker. Men normalt vil man ikke kunne se D.

Oxygen som hovedsagligt består af 16-O, den er inaktiv.

Det er ikke højderne man ser på i et NMR spektrum, men arealet under "peaken", dvs integralet. Man kan godt have en lav peak, men med at stort integral.

Når man taler om at en atom kerne ikke er NMR aktiv, så betyder det at dens kernespin (I) er nul (I=0).

Det gælder for bl.a. 12-C og 16-O

Kerner med kernespinnet nul kan forudsiges ved at tælle deres protoner og neutroner. Hvis de har et lige antal protoner og neutroner, dvs. 6 p + 6 n for 12-C og 8 p + 8 n for 16-O, så er deres kernespin lig med nul, og de er derfor ikke NMR aktive.


Har de derimod et ulige antal protoner og neutroner:

1 proton og 1 neutron som i deuterium (2-H), så er kernespinnet I = 1

Eller for 14-N (hvor der er 7p+7n). De er derfor NMR aktive, men det kræver specielle teknikker for at detektere dem.


Tilsidst er der så dem hvor summen af protoner og neutroner er ulige:

1 p + nul n = 1-H

6 p + 7 n = 13-C

9 p + 10n = 19-F osv.

De har så et kernespin på 1/2 (og 3/2, 5/2 osv)

De er det man vil kalde normalt NMR aktive.

Håber det gav lidt lys over hvilke kerner der kan ses og andre ikke kan. Det kræver dog en noget dybere forklaring (kvantemekanisk) på hvorfor det så forholder sig sådan.

Tak for forklaringerne.
Vores lærer har nok forenklet det, da han forklarede os om det (det er begrænset, hvor meget man kan nå at lære i en lektion).

I #0 skulle der egentlig stå:
"Ved NMR-spektroskopi kan du sammenligne højderne på H-spektrene (hvis der er flere for et stof) for at finde forholdet mellem alle H'erne i stoffet. Hvorfor kan man ikke gøre det med C?"

Altså C i stedet for O. Som #2 rettede mig, så er det ikke højderne, men arealet under peaket (men egentlig ikke så relevant for mig endnu, eftersom vi ikke har lært integralregning...)

Grunden til at man ikke kan "integrere" et 13-C NMR spektrum ligesom man kan i et protonspektrum skyldes, den optage teknik man anvender til optagelse af et 13-C spektrum.

I et proton spektrum når kernerne at henfalde til Boltzmann ligevægt/fordeling før kernerne igen bliver exciteret/bestrålet. Derfor får man et kvantitativ billed af hvor mange protoner der gemmer sig under en peak.

I 13-C optagelsen, der er 13-C kernerne meget længere om at nå en Boltzmann fordeling, og det venter man ikke på. Man bestråler så igen før denne ligevægt har indtsillet sig. Derfor får man ikke et kvantitativt billed. Man kan dog så vælge at forlænge tiden mellem de enkelte pulser af radiostråling til excitationen, så Boltzmann ligevægten kan indstille sig. Men så vil optagetiden simpelthen tage meget lang tid, typisk rigtig mange timer, og det gider man ofte ikke vente på.

Det er meget sjældent at man har behov for at vide hvor mange C atomer der gemmer sig i en peak i et 13-C spektrum. Det kan man finde ud af på andre og nemmere måder, f.eks. massespektrometri. Jeg har endnu aldrig optaget et 13-C spektrum til kvantificering, og jeg har efterhånden kørt adskille tusinde spektre.

Lige en ting mere. I og med at der kun er ca. 1,1 % af 13-C atomer i en naturlig prøve, så er følsomheden meget dårlig og det gør også at man ikke kvantificere et 13-C spektrum.

I et protonspektrum, der er det jo stik modsat, man har rigeligt med NMR aktive protoner, og det betyder også kortere optagetid.

Meget interessant :) Det er vist alle mine spørgsmål for nu.
Jeg kan se, der er nok læsemateriale til denne efterårsferie for mit vedkommende...

Orv, jeg kom lige i tanke om et lidt mere teknisk spørgsmål.

Når der kommes en prøve ned i et NMR-spektroskop, skal det så både igennem to forskellige undersøgelser - en for 1-H og en for 13-C (i kemilektionen fik vi nogle spektre, som vi skulle analysere, og der var to spektre for det samme stof: Et for H og et for C)?
Hvad hvis stoffet er ekstremt stort, kan det ikke blive ret besværligt at identificere de forskellige peaks med "tabelværdier" (altså at CH3-R ligger ved xx ppm)?
Og gælder NMR det både for organiske og uorganiske stoffer?

Man kører proton og carbon-13 spektre hver for sig. De kan ikke køres samtidigt.

Tabelværdier er kun vejledende, da de er fremkommet rent empirisk. I praksis er det mere erfaringen der kommer tale. For man kan sagtens have et organisk molekyle hvor en CH3 f.eks. ikke ligger der man normalt vil forvente det, og det kan så skyldes nogle strukturelle spidsfindigheder ved netop det ene molekyle.

FOr organiske molekyler er det 1H, 13C og til nød 19-F og 31-P man kører. Det er uhyre sjældent at man kører på andre kerner da de sjældent forefindes i et organisk molekyle.

I uorganisk kemi kører man sjældenere NMR, men det kan lade sig gøre. Man kan f.eks. have en organisk ligand koordineret til et metalatom. Har man derimod overgangsmetaller tilstede kan det komplicere tingene yderligere pga. uparrede d-elektroner. Men det er for vidtgående at komme ind på det her.

Men indenfor den organiske kemi er NMR den mest værdifulde teknik man har til strukturopklaring. Sammenholdt med massespektrometri kan man løse slev meget kompliceret strukturer. Men der findes også talrige eksempler på at man ikke kan løse strukturen vha NMR teknikker, og så har man faktisk kun en løsning, og det er at lave en perfekt krystal og så løse røntgenstrukturen. Det svarer faktisk til at man tager et fotografi af sit molekyle. Det er ofte noget man gør hvis man har med chirale (spejlbilledisomere) at gøre. Der kan man ikke umiddelbart se på NMR hvilken enantiomer man har, kun røntgen kan give en svaret.

Men det er ofte ret svært at lave en perfekt krystal, men det kan dog løses efter en masse møje og besvær.

Tak for alle forklaringerne! Det opklarede en del.

Så jeg har ikke flere spørgsmål for denne omgang, men de skal nok komme senere, når jeg ikke synes min lærer forklarer det grundigt nok :)