NMR spektroskopisi - NMR spektroskopisi NMR Çalışma...

Info iconThis preview shows page 1. Sign up to view the full content.

View Full Document Right Arrow Icon
This is the end of the preview. Sign up to access the rest of the document.

Unformatted text preview: NMR spektroskopisi NMR Çalışma ilkesi: Çekirdeklerin 4-900 MHz (75m -0,33m) aralığındaki Radyo frekansı aralığındaki elektromanyetik ışınların absorpsiyonuyla dönme enerji seviyelerine uyarılmalarının ölçümüne dayanır. NMR spektroskopisi kovalent bileşiklerin yapılarının aydınlatılmasında kullanılır. 1 H, 11B, 13C, 15N, 31P, 19F vb. NMR ları vardır. Bu başlık altında 1H NMR ı incelenecektir. Atom çekirdeği ve elektronlar, atomu oluşturan yüklü taneciklerdir. Elektronlar kendi eksenleri etrafında dönerler yani bir "spin" hareketi yaparlar. Atom çekirdeklerinin çoğu da spin hareketi yapar. Elektronun ve en basit çekirdek yapıtaşları olan proton ve nötronun spin kuantum sayısı, I, veya spin değerleri 1/2 dir. Atom çekirdeklerinde proton ve nötron sayıları çift sayılı ise (4He, 12C, 160 çekirdeklerinde olduğu gibi) bu çekirdeklerin net spini yoktur(I=0). Eğer çekirdekteki nötron ve proton sayıları tek sayılı ise, yani nötron ve proton sayılarının toplamı çift sayılı ise, çekirdeğin net spini tam sayılıdır. Örneğin, 2H, 6Li ve 14N gibi çekirdeklerin net spini I =1 e, 10B çekirdeğinin net spini 3 e eşittir. Atom çekirdeğinin proton sayısı veya nötron sayısı tek sayılı ise, spini yarımlı değer alır. Buna örnek olarak, spini 1/2 olan 1H,13C, 15N, 19F, 31P, 57Fe, spini 3/2 olan 7Li, 11B, 79Br, 81 Br, 35Cl, 37CL, 23Na, 53Cr,63Cu, 61Ni, spini 5/2 olan 55Mn, 127I ve spini 7/2 olan 59CO çekirdekleri verilebilir. + + Bu tablodan her bir atomun NMR da kaç pik vereceği (2I+1) bulunur. Doğal bollukların büyüklüğü bunun daha hassas ölçümleri göstereceğini belirtir. Kuantum mekaniğine göre spin hareketine giren yüklü bir taneciğin açısal momenti kuantlaşmış olup bu açısal momentumun belli bir eksen yönünde (2I+1) bileşeni vardır. Bu bileşenler herhangi bir manyetik alanın yokluğunda eşenerjili olup, bunların sayısı tam sayılı I değerleri için, I, I-1,,,,,,,,0,,,,,,,, -(I-1), -I Yarım sayılı I değerleri için, I, I-1,,,,,,,,1/2,-1/2,,,,,,,, -(I-1), -I kadardır. Kendi ekseni etrafında dönen yüklü bir parçacık dairesel bir elektrik alanı oluşturacağından, bu akım bir manyetik alan yaratır. Bu ise, spin hareketi yapan yüklü bir taneciğin küçük bir mıknatıs gibi davranacağı ve dolayısı ile dıştan uygulanan bir manyetik alandan etkileneceği anlamına gelir. Spin kuantum sayısı 1/2 olan bir çekirdek için manyetik Spin alanda, 2(1/2) + 1 = 2 enerji düzeyi oluşur. Bunlardan daha kararlı yani daha düşük enerjili olanı spin hareketi yapan çekirdeğin oluşturduğu manyetik alanın dışarıdan uygulanan manyetik alan ile aynı yönde olduğu duruma karşı gelir. Daha az kararlı, yani daha yüksek enerjili olan ise iki manyetik alanın birbirine ters olduğu duruma karşı gelir. İki düzey arasındaki fark kadar (EB – EA) bir enerjiyi gelir. bir absorplayan çekirdek, spininin dış manyetik alana ters olduğu yüksek enerjili konuma gelir. Manyetik alan içinde tutulan yüklü bir taneciğin oluşturduğu manyetik dipol, bu alan içinde Larmor dönmesi hareketini yapar. Periyodik türden olan bu hareketin frekansı, (Larmor frekansı) υ, Hz Hz cinsinden yandaki eşitlik ile verilir. cinsinden ν= µβHo 2πI µ ; manyetik moment β ; tek bir nükleer magneton değeri (5,0505x10-31 J/G). Ho; Uygulanan manyetik alanın manyetik akı yoğunluğu (tesla veya gauss) dur. Yandaki şekilde spin kuantum sayısı I=1/2, (2I+1) =2 olan bir atomda çekirdeğe ait manyetik alanda iki tane enerji yarılması gözlenir. Alttaki şekilde ise spin kuantum sayısı I=1, (2I+1) =3 olan atomda çekirdeğe ait 3 adet enerji yarılması ve buna bağlı alınan spektrumda 3 pik gözlenir. –1 E 0 +1 Nükleer Spin Halleri arasındaki Enerji Farkı + ∆E + Artan manyetik alan kuvveti ∆E ' Manyetik alan yokken enerji farkı da yoktur. Manyetik NMR spektroskopisi yöntemi ile en fazla incelenen çekirdek olan protonun 14092 Gauss'luk (1T= 10 000 Gauss) manyetik alanda temel enerji düzeyinden uyarılmış enerji düzeyine çıkarılabilmesi için absorplaması gereken enerji ve bu enerjiye karşı gelen frekans kolayca hesaplanabilir. Proton için µ = 2,7927 nükleer magnetondur. ( mIB ,m IA , sırasıyla yüksek ve ,m sırasıyla düşük enerjili düzeyin manyetik kuantum sayılarıdır. düşük ∆ E= µ β Ho (m IA - mIB) ∆ E = 2,7927(5,0505x10-31 J/G )(14092 G )(1/2 -(-1/2) = E= Ho I 1/2 3,98x10-26 J dür bu enerjiye karşı gelen frekans ise ∆ E = hν 3,98x10-26 J = (6,6256 x 10-34 J.s) ν ν = 6,00 x 107 s-1 = 60,0 MHz Bu sonuca göre, manyetik akı yoğunluğu yaklaşık 14 kG olan proton NMR spektrofotometrelerinde kullanılması gereken radyo frekans kaynağının 60 MHz'lik ışıma yayması gerekir. Her bir çekirdeğin mI, I ve µ değerleri farklı olduğundan, değişik yayması çekirdeklerin rezonansa geldikleri frekanslar da farklıdır. çekirdeklerin Manyetik alan içinde, ışık absorpsiyonu olayı gerçekleşmeden önce yüksek enerji Manyetik düzeyindeki çekirdeklerin düşük enerji düzeyindeki çekirdeklere oranı Boltzmann dağılım yasası ile bulunabilir: yasası Bu oran, 25°C da ve 14092 G'luk manyetik akı yoğunluğunda hidrojen çekirdekleri için Bu hesaplanırsa, µ = 2,7927 nükleer magneton, β = 5,050510-31 J/G, I = 1/2 ve k = 1,381 X 10-23 J/K değerleri ile, J/K NB =e NA − µβHo IkT = 0.99999 bulunur. Görüldüğü gibi ışık absorpsiyonu olayı gerçekleşmeden bulunur. önce bile iki enerji düzeyindeki dağılım hemen hemen aynıdır. Bu oranın 1,00000 e eşit olması ile sistem doygunluğa ulaşır ve artık ışık absorplamaz. ışık Kimyasal Kayma Kimyasal Her bir çekirdek için ayrı bir rezonans frekansının kullanılması Her gereklidir. Bu yüzden NMR spektrometreleri bir veya birkaç çekirdeğin incelenmesi için tasarlanmıştır. Kimyada karşılaşılan maddelerin çok büyük bir kısmında hidrojen atomu bulunduğundan yöntemin önce protonlar için incelenmesi uygun olur. Protonun 1/2 olan spin değeri nedeniyle manyetik alan içinde tutulduğunda iki spin enerji düzeyi oluşur. Uygun bir radyo dalgası fotonu ile etkileştiğinde proton manyetik rezonansa gireceğinden, NMR yöntemiyle bir örnekte hidrojen atomu olup olmadığını anlamak ve varsa ne kadar hidrojen atomu olduğunu ölçmek mümkündür. Ancak, yöntemin gücü bu kadarla kısıtlı değildir. Buraya kadar çekirdeklerin manyetik rezonansları tartışılırken, bunların atomlarda elektronlarla beraber olduğu düşünülmedi. Bu elektronların etkisinde olmayan yalın bir çekirdeğin maruz kaldığı dış manyetik alan değeri ile elektron bulutuyla sarılı bir çekirdeğin hissettiği dış manyetik alan değeri farklıdır. Çekirdeği saran elektron bulutunun dıştan uygulanan manyetik alan içindeki hareketi sonucu bir manyetik alan oluşur ve bu alan dış manyetik alana ters yönde olup dıştan uygulanan alanın etkisini azaltır. Bu nedenle, elektronlarla sarılı bir çekirdeğin belli bir radyo dalga fotonu ile rezonansa girebilmesi için dıştan uygulanan alan değerini biraz daha arttırmak gereklidir. Elektronların bu etkisine perdeleme etkisi denir. Elektronların çekirdeği dış, manyetik alana karşı ne kadar perdeleyeceği, o çekirdeğin maruz kaldığı elektron yoğunluğuna bağlıdır ve (σ ile gösterilen perdeleme sabiti ile yoğunluğuna verilir: verilir: Atom manyetik alana maruz kaldığında elektronları uygulanan manyetik alan yönünde veya ters yönde hareket eder, çekirdek ise manyetik alana zıt yönlenir. Ho - σ Ho = Ho( 1 - σ) = H Ho eşitliğine göre dıştan uygulanan Ho manyetik alan şiddetinin σ kadar olan bir kesri, eşitliğine elektron perdelemesi nedeniyle çekirdek tarafından hissedilmemektedir. Oksijen atomu karbon atomuna göre daha elektronegatif olduğu için C-H bağındaki hidrojen atomunun çekirdeği, O-H bağındaki hidrojen atomu çekirdeğine göre daha fazla bir elektron yoğunluğunun etkisinde kalır. Bu nedenle σC-H değeri, σO-H değerinden daha büyük olur. C-H protonunun, belli bir frekanstaki radyo dalgası fotonu ile rezonansa girmesi için O-H protonuna göre daha fazla bir manyetik alan uygulanmalıdır. Böylece, manyetik alan taraması sırasında CH30H gibi bir molekülde O-H ve C-H türü Böylece, 0H protonlar farklı alan değerlerinde NMR pikleri oluştururlar. Ayrıca CH30H molekülünde protonlar 0H üç tane C-H türü ve bir tane O-H türü proton olduğundan, elde edilecek C-H NMR piki, O-H NMR pikine oranla üç kat daha şiddetli olarak gözlenir. piki, Farklı kimyasal çevreye sahip çekirdeklerin uygulanan radyo dalgası fotonu ile farklı Farklı manyetik alanlarda rezonansa girmesine kimyasal kayma adı verilir. Kimyasal kaymanın hangi ölçüde ortaya çıkacağını, molekülde bulunan π elektronlarının manyetik alan varlığında yaptığı hareketler sonucu oluşan manyetik alanın yönünü de etkiler. δ = (υ - υ REF) x106 / υ spektr OH CH3 CH2 n:komşu H sayısı Spin-spin Etkileşmesi Çekirdeklerin spin enerji düzeyleri bu çekirdeklere komşu ve spini olan başka çekirdekler tarafından değişikliğe uğratılır. Manyetik ve kimyasal çevre yönünden eşdeğer çekirdekler birbirinin NMR hatlarını etkilemez. Spin-spin etkileşmesi sonucu belli bir çekirdeğin NMR hattı, I spin değerine sahip n tane komşu(en fazla 3 bağ uzaklıktaki) çekirdek tarafından (2nI + 1) kısma yarılır ve bu hat yarılmasına spin-spin yarılması denir. OH bağındaki H çekirdeği hareketli olduğu için komşu çekirdeklerden etkilenmez. İki komşu eşdeğer H arasında kalan H ler, komşu H sayılarının toplamının 1 fazlasına yarılır. Komşu H ler eşdeğer değilse komşu H sayısı toplamının 2 katına yarılır. Bu spin-spin yarılmasının miktarı, J ile gösterilen ve birimi Hz olan spin-spin yarılma sabiti ile belirlenir. Buradaki n değeri proton spinini etkileyen eşdeğer ve I = 1/2 spinine sahip çekirdeklerin sayısıdır. Buna göre piklerin şiddet oranları yukarıda görülen Pascal üçgeninden bulunabilir. CH3-CH2-OH molekülünün NMR spektrumu Asetonun 1H NMR spektrumu O C H3C CH3 Sinyal acetone Yüksek alan Düşük alan (CH3)4Si (CH TMS Kimyasal kayma δ = Sinyalin frekansı-TMS nin frekansı(Hz).106 Spektrometrede kullanılan radyodalga frekansı(Hz) Metil Asetatın 1H NMR spektrumu O b H3C a C O CH3 2 farklı sinyal/ 2 tiphidrojen b a Yüksek Alan Çekirdek perdelenir. methyl acetate : Düşük Alan ; Elektronegatif atoma bağlı çekirdek perdelenmez. 1 H NMR – 3 sinyal, 3 tip hidrojen Pikin Integral değeri H sayısı hakkında bilgi verir. O C H3C a O b H2 C benzyl acetate 5H b Düşük Alanperdelenmez c 2H a 3H TMS Yüksek alan -perdelenir İntegral değeri C6H5-CH2-CH2-O-CO-CH3 molekülünün 1H NMR spektrumu NMR spektrometreleri NMR spektrometresinde kullanılan mıknatıs elektromıknatıs veya sürekli mıknatıs olabilir. Elektromıknatısın manyetik alan değeri daha kolay değiştirilebildiğinden hem manyetik alan taraması hem de birkaç çekirdeğin aynı spektrometre ile incelenebilmesi mümkün olur. Ancak elektromıknatısın açığa çıkan ısı nedeniyle çok iyi soğutulması gerekir. Ayrıca elektromıknatısın kararlılığı kolayca sağlanamaz. 220 MHz ve daha büyük değerleri uygulayan aletlerde süper iletken mıknatıslar kullanılır ve bunların sıvı helyum sıcaklığında (4 K) çalıştırılması gerekir. Mıknatısın kutupları arasında 2-3 cm lik bir uzaklık bulunur. Işık kaynağı olarak bir radyo frekans jeneratörü kullanılır. Radyo frekans ışını örneğe manyetik alan yönüne dik olacak biçimde uygulanır. Normal uygulamalarda radyo frekans jeneratörünün yaydığı frekansının sabit kalması sağlanır ve manyetik alan değeri uygun bir elektronik devre yardımı ile değiştirilir. Çift rezonans yönteminin uygulandığı durumlarda ise manyetik alan değeri sabit tutulur ve ana radyo frekans kaynağının yaydığı ışının frekansı taranır. Bu sırada ikinci radyo frekans kaynağı ise seçilen belli bir çekirdeği ışınlamakta kullanılır. Spektrometrenin dedektörü olarak bir radyo frekans dedektörü kullanılır. Rezonans olduğu zaman dedektör bu olayı bir gerilim düşmesi olarak algılar. NMR spektrometrelerinde ayrıca piklerin altındaki alanları ölçebilmek için pik alanlarını integre edecek elektronik bir devre yerleştirilmiştir. ölçebilmek Pulslu Spektrometreler (FT-NMR) NMR spektrumu frekans ya da manyetik alan taraması yerine. molekülde bulunan ve çeşitli NMR kimyasal çevrelere sahip tüm çekirdeklerin aynı anda uyarılmasını sağlayacak şekilde bir uyarma yapılarak da elde edilebilir. Bunun için geniş bir frekans aralığına sahip radyo frekans ışın demeti örneğe pulslar halinde uygulanır. Bu yöntem özellikle doğal bolluğu az olan çekirdeklerin NMR sinyallerini elde etmek için kullanılır. Bu tür çekirdekler içinde en önemlisi 13 13C çekirdeğidir. 1-30 ms süren pulsların birkaç saniye aralıklarla birbiri peşine yüzlerce kez çekirdeğidir. uygulanması ile spektrum yüzlerce kez kaydedilmiş olur. Alette bulunan bir bilgisayar yardımıyla yüzlerce kez elde edilen bu bilgi kısa bir süre içinde birbirine eklenir ve 13C çekirdeğinin doğal bolluğunun çok az olmasından kaynaklanan duyarlık düşüklüğü böylece giderilmiş olur. Puls şeklinde uygulanan uyarmadan sonra elde edilen spektrum bilgisi, zaman ölçeğindedir. Bu bilginin frekans ölçeğine dönüştürülmesi amacı ile spektrometrenin bünyesinde bulunan bir bilgisayar yardımı ile ters Fourier Transformasyonu işlemi gerçekleştirilir ve frekans ölçekli spektrum elde edilir. Bu yüzden pulslu nmr spektroskopisi yöntemine FT NMR yöntemi adı da verilir. yöntemine Analitik Uygulamalar Analitik 1 H-NMR için 20-50 mg kütlesindeki örnek 0,5 mL çözücüde çözülerek 15 cm uzunluğunda H-NMR ve 0,5 cm çapında bir tüp içinde manyetik alana yerleştirilir. NMR spektrumları daha çok saf haldeki bileşiklerin nitel analizinde ve yapılarının belirlenmesinde kullanılır. Nitel analizde kimyasal kayma değerleri tablolardaki değerlerle karşılaştırılır. Ayrıca spin-spin yarılma sabitleri ve piklerin altındaki alan değerleri kullanılarak nitel analiz gerçekleştirilir. Elde edilen spektrumlar şüphelenilen maddenin kataloglardaki spektrumu ile de karşılaştırılır. Ayrıca IR, Raman kütle, UV ve GB spektrumlarının ve kaynama noktası, erime noktası ve kapalı formül gibi bilgilerin değerlendirilmesi de nitel analizi kolaylaştırır. erime NMR spektroskopisi ile nicel analiz de gerçekleştirilebilir. Ancak yöntem bu amaçla NMR kullanılırken duyarlığın çok az olduğu bilinmelidir. NMR spektroskopisi örneği tahrip etmeyen bir yöntemdir. Bu yöntemle bazı karışımların nicel analizi de yapılabilir. Bunun için karışımdaki bileşenlerin birbiri ile çakışmayan piklerinden yararlanılır. Nicel analiz için çoğu kez derişimi bilinen bir iç standart maddesi kullanılır. İç standart maddesinin hem örneğe hem de kalibrasyon doğrusunu oluşturmakta kullanılan standart çözeltilere aynı miktarda eklenmesi gerekir. miktarda NMR yöntemi ile maddeler genellikle çözelti içinde incelenir. Maddenin çözücü içinde NMR yaklaşık %10 kadar çözünebilmesi gereklidir. Çözücüler. proton içermeyen türdendir. Bunlar arasında karbontetraklorür (CCI4), karbon disülfür (CS2), döterokloroform (CDCI3) Bunlar döterobenzen (C6D6), hekzadöterodimetilsulfoksit ((CD3)2SO) , hekzadöteroaseton döterobenzen SO) ((CD3)2CO) sayılabilir. Bu çözücülerin polarlık dereceleri birbirinden oldukça farklı ((CD CO) olduğundan bir maddenin bir çözücüde elde edilen spektrumu başka bir çözücüde elde edilene göre bazı küçük değişiklikler gösterebilir. Bu nedenle spektrumun hangi çözücü kullanılarak elde edildiğinin belirtilmesi gerekir. Örneğin CHCl3 molekülündeki proton için kullanılarak siklohekzan çözücsünde δ = 7.3 ppm, benzen çözücüsünde ise δ = 6.74 ppm kimyasal kayma değerleri ölçülür. Burada benzen kloroforma karşı Lewis bazı olarak etki göstermekte ve bu yüzden perdeleme derecesi artmaktadır. göstermekte NH SH ve OH protonlarına ait NMR sinyalleri kullanılan çözücünün polarlık derecesinden NH çok önemli ölçüde etkilenirler. Bu etkileşme. çözücü ile bu grupların yaptığı hidrojen bağlarından ötürüdür. Hidrojen bağının etkisi aynı çözücü ile çalışıldığında maddenin derişimi değiştirilerek de görülebilir. Örneğin; CH3CH20H bileşiğinin OH protonuna ait NMR piki bu madde CCl4 çözücüsü içinde çözünmüşse δ = 2.3 ppm değerinde saf sıvı halinde iken ise δ = 5 ppm değerinde gözlenir. Saf halde alkol moleküllerinin arasında hidrojen bağlarının oluşması sonucu bu protonun hissettiği elektron yoğunluğu azalır yani daha az perdelenir ve bu yüzden kimyasal kayma değeri artar. Sıcaklığın arttırılması ile hidrojen bağları bozulacağından bu tür protonlara ait NMR sinyali daha küçük kimyasal kayma değerlerinde gözlenir. Molekül içi türden hidrojen bağları ise sıcaklık ve derişim değişikliklerinden az etkilendiği için bu tür bağlardaki protonların NMR sinyali sıcaklığa ve derişime bağlı değildir. Örneğin; salisilaldehitin OH protonunun CCl4 çözeltisindeki kimyasal kayma değeri δ = 10,9 ppm olup bu madde saf halde iken elde edilen kimyasal kayma değeri δ = 11,2 ppm dir. ppm Karmaşık bir NMR spektrumunu basitleştirmenin yani birbirine çok yakın çıkan pik Karmaşık gruplarını birbirinden daha belirgin olarak ayırmanın daha basit bir yolu örneğe kimyasal kayma reaktifi adı verilen para manyetik Eu(III) kompleksini eklemektir. adı Bu maddenin varlığında bazı organik bileşiklerin NMR pikleri daha büyük kimyasal Bu kayma değerlerine kayar ve birbirinden iyice ayrılır. Bu yolla elde edilen kaymalar 20 ppm kadar olabilir. Bu yöntemin başarılı olabilmesi için organik molekülde bağlanmaya katılmamış elektronların bulunması gereklidir. Bu nedenle bu yönteme aminler, alkoller, ketonlar, Aldehitler, eterler, esterler ve nitrillerde başvurulabilir. aminler, Çeşitli fonksiyonel gruplara ait kimyasal kayma aralıkları Çeşitli fonksiyonel gruplara ait kimyasal kayma değerleri proton tipi tipi Kimyasal kayma (δ ), proton tipi proton tipi ppm Kimyasal kayma (δ ), ppm H C R 0,9-1,8 H C C C 2, 5 H C C O C 1,6-2,6 H H C Ar 2,3-2,8 H C C 2,1-2,5 C C 4,5-6,5 Çeşitli fonksiyonel gruplara ait kimyasal kayma değerleri proton tipi tipi Kimyasal kayma (δ ), proton tipi proton tipi ppm Kimyasal kayma (δ ), ppm H Ar O 6,5-8,5 H C Cl 3,1-4,1 H C 9-10 H C Br 2,7-4,1 H C NR 2,2-2,9 H C O 3,3-3,7 Çeşitli fonksiyonel gruplara ait kimyasal kayma değerleri proton tipi tipi Kimyasal kayma (δ ), ppm H H H NR OR OAr O 1-3 0,5-5 6-8 HO C 10-13 ...
View Full Document

Ask a homework question - tutors are online