Laitteistot ja menetelmät Reaktion seuranta NMR

>Teoria Harjoitukset

Mitä on NMR-spektroskopia? (Nuclear Magnetic Resonance)

NMR on molekyylien rakennetutkimuksen perusväline. Se on ainoa menetelmä, jolla voidaan ratkaista rakenne sekä kiinteästä, nestemäisestä että kaasumaiseste näytteestä. Yleensä näytteistä ajetaan ¹H ja ¹³C NMR-spektrit. Molekyylin kolmiulotteisen rakenteen selvittämisessä auttavat 2D NMR-spektrit.

Mihin NMR:n teoria perustuu?

NMR:n teorian hallitseminen vaatii hyvää kvanttimekaniikan osaamista. Tässä asiaa yritetään selittää yksinkertaisesti.

Useimmilla atomiytimillä on magneettinen ominaisuus eli spin. Magneettikenttä suuntaa nämä spinit vastaamaan energiatasoja. Kaikkein yksinkertaisimmassa tapauksessa suuntia ja energiatasoja on kaksi (¹H ja ¹³C NMR). Tasojen välin määrää kentän voimakkuus. Spinit asettuvat energiatasoille Boltzmannin jakautuman mukaan. Lämpötila ja magneettikenttä määräävät spinien lukumäärän energiatasolla.

Ulkopuolisessa magneettikentässä spinit saadaan nostettua alemmalta energiatasolta ylemmälle, kun virittävä energia on yhtä suuri kuin tasojen energiaero. Virittävä energia on resonanssissa spinsysteemin energiaeron kanssa. Jokaisella ytimellä on oma tajuus. Kaikki nämä taajuudet ovat radiotaajuusalueella, jolloin virittävä energia on ns. rf-pulssi.

Spinsysteemi palautuu aikaisempaan tasapainotilaansa pulssin jälkeen ja indusoi näytteen ympärillä olevaan kelaan jännitteen. Tämä jännite vahvistetaan ja havaitaan. Havaittua NMR-signaalia kutsutaan FIDiksi (Free Induction Signal). Kun tähän signaalin tehdään Fourier-muunnos, saadaan värähtelyn spektrikomponentit. Spinsysteemissä jokainen spin on voimakkaan magneettikentän lisäksi vuorovaikutuksessa myös viereisten spinien magneettikenttien kanssa, jolloin jokainen spin resonoi hieman eri taajuudella. Tämän seurauksena NMR-spektri kuvaa molekyylin rakennetta ja ympäristöä.

Protonispektrin mittaaminen kestää yleensä noin 15 min ja hiilispektrin 1-2 h.

Minkälainen on NMR-laitteisto?

NMR-signaalin synnyttämiseen tarvitaan voimakas magneettikenttä sekä laitteisto, joka lähettää rf-pulsseja ja vastaanottaa näytteen lähettämän signaalin. Nykyään laitteissa käytetään suprajohdemagneetteja. Elektroniikkaosa on iso radio-lähetin-vastaanotin ja laitteistoa ohjataan tietokoneella.

Miten NMR-näyte valmistetaan?

Yleensä NMR-näyte liuotetaan orgaaniseen deuteroituun liuottimeen, suodatetaan tarvittaessa ja siirretään lasiseen NMR-putkeen. NMR-putki lasketaan paineilman avulla laitteiston magneettiin. Näyttettä tarvitaan suhteellisen paljon verrattuna useisiin muihin analyysimenetelmiin (¹H NMR-mittaukseen n. 1-5 mg). Useimmissa tapauksissa näyte saadaan kuitenkin takaisin haihduttamalla liuotin pois.

Mitä NMR-spektreistä saadaan selville?

NMR-spektrien avulla pystytään selvittämään hyvinkin monimutkaisen molekyylin rakenne.

Esimerkit ¹H ja ¹³C NMR-spektreistä

Kuva 1. Etyyliasetaatin ¹H NMR-spektri.

Kuva 2. Etyyliasetaatin ¹³C NMR-spektri.
Kuvien lähde: http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/cre_search.cgi