Instrumentalna NMR

1. 8. Nuklearna magnetna rezonantna sprktrometrija – Teorijske osnove (nuklearni spin, jezgro u
spoljašnjem magnetnom polju, rezonancija i relaksacija)
Većina jezgra (uključujući tu i vodonikovo jezgro – proton) kao i elektroni poseduju svoja magnetna polja.
Efekti ovih polja su slabi ali ako se izlože dejstvu dodatnog spoljašnjeg magnetnog polja jezgra mogu da
zauzmu specifične orijentacije, od kojih je svaka okarakterisana svojom potencijalnom energijom. Naučnici
(Blog i Parcel) su pronašli način za određivanje malih količina energije koju jezgra apsorbuju ili emituju pri
prelasku iz jednog energetskog nivoa u drugi.
ROTACIJA JEZGRA OKO SVOJE OSE - UGAONI MOMENAT.
ROTACIJA MAGNETNOG POLJA OKO JEZGRA – MAGNETNI MOMENAT.
Magnetne osobine jezgara
Magnetne osobine jezgara mogu se objasniti ako zamislimo da nuklearni naboj rotira oko svoje ose, jezgra.
ovako jezgro posude ugaoni momenat predstavljen s tim kvantnim brojem I. Vrednost spina kvantnog broja
mogu biti: 0; 1/2; 1/3; 1; 3/2...9/2. Itd zavisno od prirode jezgra. Jezgra koja sadrže ili neparan broj protona
ili neparan broj neutrona (ali ne oba neparna), imaju spin kvantni broj = polovina celog broja.
Npr 1
H, 11
B, 19
F, 31
P.
Broj protona Broj neutrona Spin k. broj I
Paran Paran 0 12
C, 16
O, 28
Si, 32
S.
Neparan Paran ½ 1
H, 15
N, 19
F, 31
P.
Paran Neparan ½ 13
C, (7,8) (9,10) (15,16)
Neparan Neparan 1 2
H, 14
N,
Neparan Paran 3/2 11
B, 75
Br,
Paran Neparan 5/2 127
J,
Kada se jezgro ovih elemenata (u obliku lopte) okreće oko svoje ose, rotirajući naboj stvara magnetno
polje, slično kao što to čini tok struje u namotaju žice. Prema tome paralelno sa osom rotacije postoji
nuklearni magnetni momenat koji je označen sa µ (µ). Kod jezgra kod kojih su broj protona i broj neutrona
oba neparna (vodonik 2
H ili azot 14
N) naboj je nesimetrično raspoređen tako da je spin ceo broj 1. Jezgra
gde je broj protona i neutrona oba paran, nemaju ugaoni momenat (I=0) i ne pokazuju magnetne osobine.
Pa su tako 12
C, 16
O, 32
S magnetno inertnim i ne mogu se proučavati u NMR eksperimentima što ima svoje
pogodnosti jer i C i O2 čine osnovne sastojke organskih jedinjenja pa njihova inertnost
u NMR eksperimentima omogućuje nesmetano proučavanje H2 jezgra.
Magnetna jezgra (I>0) pod dejstvom spoljašnjeg magnetnog polja zauzimaju posebne orijentacije pri čemu
svakoj takvoj orijentaciji odgovara određeni energetski nivo. Broj energetskog nivoa je kvantiran i zavisi od
brojne vrednosti spinskog kvantnog broja I i može se izraziti u sledećem nizu: I, I-1, I-2,...0,...-I.
Za neko jezgro postoji prema tome 2I+1 mogućih energetskih nivoa ili orijentacija. Kod vodonikovog
jezgra (protona) gde je (I=1/2) postoje samo dve orjentacije gde je jedna paralelna (m=1/2) sa primenjenim
magnetnim poljem (ima nižu energiju) a druga je antipararalelna sa magnetnim poljem (ima višu energiju).
Energije ta dva nivoa data su izrazima +µB0 i +µB0. B0 – intezitet primenjenog magnetnog polja.
→ →
Razlika energije između dve orijentacije H2 jezgra je ∆E= 2µB0. U opštem slučaju za bilo jezgro ova razlika
je data izrazom ∆E= 2µB0/I
E + µB0
E↑ 2µB0 kod H2 ∆E= µB0/I/2 -2µB0
E - µB0
--------------------I---------------------
Bez polja u mag polju

2. Nuklearna rezonanca
Izraz ∆E= 2µB0/I pokazuje da je ∆E delimično određena vrednosću magnetnog momenta µ koji je
karakteristična osobina za svaku vrstu jezgra. Tipične vrednosti za µ mogu se naći u tabelama za
proučavanje jezgra. Vrednost ∆E direktno je proporcijalna intenzitetu primenjenog magnetnog polja.
Kod NMR eksperimenata uobičajena je primena magnetnog polja oko 10.000 G (gausa). Za protone koji su
izloženi dejstvom ovog polja može se na osnovu µ izračunati da je ∆E=5,7*10-3
cal/mol što predstavljaju
izuzetno malu količinu energije. Na sobnoj temperaturi protoni poseduju toplotnu energiju koja je znatno
veća od ove, pa je dovoljna da održi skoro podjednako naseljenost oba nivoa.
Ako se odredi frekvencija na primer za protone I=1/2 a po jednačini ∆E= 2µB0 = h𝜈 , 𝜈=2µB0/h.
Izračunavanjem se dobija da se radi o frekvenciji tj talasnoj dužini iz oblasti radio-frekvencije. Ako se sada
protonima saopšti energija (∆E) ove frekvencije (izvor energije - radiofrekventni predajnik), proton na nižem
energetskom nivou može da „odskoči“ apsorbujući predatu mu energiju na viši ener. nivo. Ovaj proces
apsorpcije zove se magnetna rezonanca tj može se reći da jezgro rezonira pri odgovarajućoj frekvenciji.
Kombinovanjem izraza ∆E= 2µB0/I i 𝜈=∆E/h= µB0/I*h dobija se:
𝟐𝝅𝛎 =
𝟐𝝅𝝁
𝒉 𝑰
= 𝛄𝑩𝟎
Izraz je proširen sa 2π da bi se linearna frekfencija pretvorila u ugaonejedinice frekvence. Takođe i uveden
i parametar ϒ=2πµ / h𝜈, koji predstavlja karakterističnu osobinu jezgra i naziva se žiromagnetski odnos.
Ovaj izraz postavlja fundamentalnu jednačinu nuklearne magnetne rezonance. Definiše rezonantne uslove
kao funkciju frekvencije i jačine B0. To znači da pri konstantnom magnetnom polju (oko 14.000 gausa)
možemo da variramo frekvenciju energije sve dok se ne uspostave rezonantni uslovi kada jezgra počinju
da apsorbuju. Svaka vrsta jezgra će rezultati pri različitim 𝜈 što je definisano žiromagnetnim odnosom za
jezgro, tako se bez smetnje mogu ispitivati različite vrste jezgra ponaosob jer je velika razlika u rezonantnoj
frekvenciji između njih. Većina NMR instrumenata konstruisana je tako da se vrednost frekvencije održava
konstantno, a da se do rezonantnih uslova dolazi kontinualanom promenom jačine statičkog magnetnog
polja. Magnetno polje se može izražavati u gausima ili u cps ciklus po sekundi.
Rezime: ako se neko jezgro čiji je I>0 nađe u magnetnom polju B0, moguće da zauzme jedan od 2I+1
međusobno udaljenih energetskih nivoa. Razlike u energiji između ovih nivoa su male tako da toplotna
kretanja dovode do skoro potpuno izjednačenosti njihove naseljenosti. Mali višak jezgra na nižem ener.
nivou može se podići na viši ener. nivo apsorbovanjem energije zračenja u određenoj radiofrekventnoj
oblasti. Ako ovu apsorpciju možemo da registrujemo dobićemo NMR spektar uzorka. Međutim jezgra
naravno imaju mogućnost povratka na niži ener. nivo jer u suprotnom apsorpcija energije bi prestala onog
trenutka kada bi se ova jezgra podigla na viši nivo. U tom slučaju NMR signal bi bio toliko kratak da bi bilo
nemoguće registrovati.
Nuklearna relaksacija je pojava gde čestica koja je apsorbovala zračenje i time dovedena u pobudjeno
stanje, može da se vrati u prvobitno stanje emitovanjem zračenja. Ovo emitovanje može da bude:
1. Spontano (-);
2. Stimulisano elektromagnetnim poljem (+).
1. Spontana emisija u radiofrekventno oblasti talasnih dužina, praktično se ne odirgrava tj verovatnoća je
mala.

3. 2. Stimulisana emisija je moguća. Verovatnoća da će doći do apsorpcije energije iz elektromagnetnog polja
je identična je sa verovatnoćom da će doći do emisije iz istog elektromagnetnog polja. Ako je naseljenost
viših i nižih nivoa podjednaka apsorpcija od strane jezgra na nižem nivou tačno je uravnotežena
indukovanom emisijom od strane jezgra na višem nevou. Kada ne bi postojali drugi mehanizmi pomoću
kojih se održava veća naseljnost nižih nivoa NMR signal bi odmah pao na nulu. (apsorpcioini signal toliko
kratak da ga ne bi bilo).
Postoje dva takva mehanizma:
(1.) Spin-rešetka relaksacija ili transverzalna relaksacija - pobuđena jezgra predaju energiju drugim
jezgrima koji ih okružuju u rešetki. Ova energija se zadržava u sistemu ali se pojavljuje kao višak rotacione
ili vibracione energije raspoređene po celoj rešetci.
(2.) Spin-spin relaksacija - pobudjeno jezgro razmenjuje energiju sa drugim pobudjenim jezgrom ali ne
menja naseljenost pojedinih energetskih nivoa. kraće traje proces, manja naseljenost nižih nivoa zato što
su pikovi širi)
(1.) I (2.) I
B0 B0
1 i 2 utiču na širinu pikova.
Širok pik - kratka relaksaciona vremena (spin-spin)
Uski pikovi – dugačka relaksaciona vremena (spin rešetka)
Uski NMR ppikovi povezani su sa dugačkim relaksacionim vremenima a široki pikovi sa kratkim.
Čvrste materije i viskozne tečnosti imaju veoma krute rešetke tako da je tako da je spi-spin relaksacija
efikasna a pikovi su relativno široki. Ova proširenja ima za rezultat da su spektri praktično neupotrebljivi.
Kod viskoznih tečnosti i razblaženih rastvora relaksaciona vremena su dugačka (spin-rešetka), pa su pikovi
relativno oštri. Na proširivanje pika može uticati i homogenost magnetnog polja.

4. 10. NMR Osnovni delovi, uloga i radni parametri, Primena NMR
NMR spektrometer je veoma složen instrument. Zahteva jako magnetno polje, izuzetno snažne i precizno
kontrolisane izvore električne energije, kao i zahtev da se vrednost frekvence održava u jako uskom
intervalu. (Zato je i visoka cena).
90° U 90°
s n
S N
Roti. sonda
S, N - magnetno polje koje je konstantno u svim pravcima, naročito po celoj zapremini uzorka. Pored
glavnog magneta postoji dodatno magnetno polje. Jačina polja (s i n) ovog dopunskog magneta
kontinualno se menja u jednom uskom opsegu vrednosti. s i n se menja zbog postizanja rezonance.
Ukupna jačina magnetnog polja kojem je izložen uzorak jednak je zbiru jačina polja stalnog i dopunskog
magneta. Kada je jačina ukupnog magn polja = RF, dolazi do apsorpcije RF zračenja.
Radio frekfentni predajnik povezan je sa namotajima koji emituju energiju uzorku u pravcu upravnom na
pravac magnetnog polja.
Radio frekventni prijemnik povezan je sa namotajima koji okružuju uzorak. Ovi namotaji su postavljanji
normalno, kako u odnosu na magnetno polje tako i u odnosu na namotaje predajnika.
Sistem za registrovanje spektra sastoji se od pojačivača, integratora (integriše trake u jedan pik) i pisača.
Signal se prenosi na pisač gde se beleži signal.
Posuda za uzorak (sonda) je obično staklena epruveta koja je postavljena u šupljinu magneta. Epruveta
sa uzorkom rotira za svo vreme trajanja. Sadrži kalem prijemnika i kalem predajnika.
Osnovni radni parametri koje treba izabrati je su jačina magnetnog polja i frekvenca elektromagnetnog
zračenja. Izbor zavisi od jezgra koje se ispituje. Pri nekoj vrednosti magnetnog polja koje se konstantno
menja tokom eksperimenta, postižu se rezonantni uslovi i u tom trenutku omogućena je apsorpcija
radiofrekventne energije koju predajnik emituje svo vreme. Ovu apsorpciju registruje prijemnik (uloga
detektora) kao umanjenje intenziteta signala u odnosu na predajnik i to se na pisaču manifestuje kao
apsorpcioni pik.
Površina NMR signala (Pika) direktno je proporcionalna broju jezgra koja rezoniraju pri datim uslovima.
Tako reći spektrometar „broji protone“ je tako da se dobijaju podaci o različitoj vrsti protona koje molekul
sadrži. Kao pomoć za određivanje površine pikova instrumenti su snabdeveni interpretatorom koji ucrtava
integrisane površine pikova.
Tečnosti se mogu analizirati čiste ili razblažene a čvrste se rastvaraju (2 do 10 % rastvor) u pogodnom
rastvaraču. Idealni rastvarač ne sadrži vodonik (protone). CCl4, CDCl3, D2O, C6D6 (deuterijumski benzen).
9. NMR - karakteristike spektra (apcisa, ordinata, hemijski pomeraj), referentna jedinjenja,
interpretacija spektra

5. Položaj linija u NMR spektru određen je hemijskim pomerajem i govori nam za koliko je spektralna linija u
praksi pomerena od teorijske vrednosti pod uticajem okoline tj e-
gustine.
I. Uticaj elektrona
Posmatrano jezgro nije izolovano već je okruženo velikim brojem elektrona. Elektroni se obraću pod
uticajem spoljašnjeg magnetnog polja i pri tom obrtaju obrazuju sopstveno lokalno magnetno polje Bi, koje
se suprostavlja primenjenom magnetnom polju B0. Ovaj fenomen se zove dijamagnetična zaštita. Jezgro
se nalazi u stvarnom magnetnom polju Bi koje je nešto slabije od primenjenog B0.
Bi= B0-𝜎i*B0 = (1- 𝜎i)*B0
Bi – Stvarno magnetno polje
𝜎i – Konstanta zaklanjanja koja zavisi od elektronske gustine jedinjenja.
Metanol npr sadrži dve vrste protona koje potiču od OH i CH3 grupe, međutim zbog elektronegativnosti
kiseonika može se očekivati veća elektronska gustina kod CH3 nego oko OH protona tako da će i BiCH3 >
BiOH i zato je pik za CH3 udesno od pika OH grupe, potrbno je jače B0.
Intezitet OH CH3
B0
Hemijski pomeraj definisan je kao razlika rastojanja između položaja rezonantnog pika datog protona i
rezonantnog pika nekog referentnog jedinjenja (standarda).
𝜎i= Bref - Bi = (Bi- Bref)/B0 = (𝜈i- 𝜈ref)/V0 (ppm)
Najčešće korišćeno referentno jedinjenje je tetrametil silan (TMS), (CH3)4Si koji ima simetričnu strukturu
12 protona je indentično i pokazuje jedan oštar pik a javlja se i pri velikoj jačini B0. Hemijski inertan,
isparljiv i rastvara mnoga organska jedinjenja. Njegov položaj se uzima kao nula u NMR skali. Dodaje se u
svakom uzorku koji se snima tako da se
TMS pik javlja pri maksimalnoj vrednosti B0 (desno) a ostali na nižoj vrednosti (levo). Rastojanje između
pojedinačnih rezonantnih pika u NMR od TMS pika predstavlja hemijsko pomeranje za tu vrstu protona.
Pored TMS postoji i heksametildisiloksan C6H18OSi2 koji se koristi kao standard.
Drugi najčešće primenjivani način za izračunavanje hemijskog pomeraja predstavljaju bezdimenzionalne
jedinice 𝜎. U tom slučaju NMR skala je podeljena na 10𝜎 s tim što je za TMS 𝜎 =0. S obzirom da je opseg
skala 600 cps, proizilazi da 1𝜎 odgovara 60 cps. Kako je cps ustvari jedan milioniti deo stvarne vrednosti
B0 ubičajno je da se 𝜎 jedinice označaju kao ppm.
II. Uticaj susednih protona
Rastojanje između pikova u dubletu označava se sa J i izražava se kao cps i naziva se konstanta
sprezanja.
SPIN-SPIN Sprezanja
B0
+ -
A B A B
C C C C

6. Svaki od ova dva protona može da zauzme i paralelnu (+) ili antiparalelnu (-) orijentaciju u odnosu na
spoljašnje polje. Stvarna jačina polja koju oseća proton A može biti umanjena i uvećana pod uticajem B0. (
cepanje pika na 1+1 pik).
Ako je spin protona B paralelsn sa primenjenom magnetnim poljem B0 (+), stvarno polje će biti uvećano i
rezonantni položaj protona A biće pomeren u levo. Efekat je suprotan kod antiparalelne orijentacije. Pod
dejstvom n susednih protona dolazi do cepanja NMR signala nekog protona na n+1 pik. Primer kod CH3-
CH2-CH2-NO2. ( Rezonantna grupacija npr CH3- C je negativan od rezonancije H jezgra i imamo 3 pika,
aparat prepoznaje grupe atoma pa integriše njih u jedan pik...)
Interpretacija NMR spektra
NMR sadrži tri osnovne informacije:
1. Hemijski pomeraj 𝜎 – Govori o položaju pika u odnosu na pik referentne supstance, zbog uticaja e- iz
okoline teoretski položaj pika je različit od praktičnpog. (indentifikacija protona u odnosu na njegovu
elektronsku okolinu) Na njega utiče hibridizacija, elektronegativnost i XXXXXXX H. Veze.
2. Spin-spin sprezanje (ukoliko postoji - cepanje pikova na n+1)
3. Površine pikova
Analiziraju se uzorci u čvrstom stanju- u pogonom rastvaraču, tečnosti – koncetrovani i razblaženi i gasovi-
specijalne tehnike.
Rastvarači: CCl4, CDCl3, D2O, C6D6 (bez H atoma).
Primene:
1. Identifikacija molekula - određivanje strukture (konfiguracija, konformacija...);
2. Kvantitativna analiza - intenzitet signala ≈ broju jezgra osnovne;
3. Osnovne karakteristike o ispitivanom jedinjenju (strukturalna analiza)
a.) Utvrđivanje funkcionalnih grupa (O2, halogene, N2, CH3, OH) na osnovu 𝜎 vrednosti. ( aparat
prepoznaje rezonatne grupacije).
b.) Određivanje broja protona u neposrednom okruženju (na osnovu broja pikova u svakoj
rezonirajućoj grupaciji)-„Svaki pik = jedan proton (jezgro) koje rezonira“. Spektar koji se snimaju porede
se sa bibliotekom.
4. Kvantitativno određivanje molekulskih masa (iz odnosa inteziteta signala) % sastav komponenta u
smeši ili aktivnih komponenti. Nisu potrebni standardi, struktura jedinjenja ne mora biti poznata.
Analiza je brza, nedestruktivna a nedostatak je mala osetljivost, ne može za tragove.