تحليل و تفسير طيف سنجي NMR به زبان ساده

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) اطلاعات با ارزشي را در مورد ساختار یک ترکیب به ما مي دهد و كليد دستيابي به اين اطلاعات در نحوه و روش تفسير و تحليل آزمون NMR است . دو نوع nmr نسبت به بقه بيشتر كاربرد دارند 13C-NMR كه به بررسي كربن هاي تركيب مي پردازد و H-NMR كه هسته اتم هيدروژن در آن مورد بررسی قرار می‌گیرد. طیف سنجی H-NMR به طور قابل توجهی پیچیده تر از 13C-NMR است. در نتيجه تفسیر آن دشوارتر است. با این حال ، پیچیدگی اضافی، اطلاعات اضافی را به به دنبال دارد. در تفسیر13C-NMR ، ما اساساً فقط روی دو چیز تمرکز کردیم ، اینکه چه تعداد پيك کربن وجود دارد و در کجا واقع شده اند (جابجايي شیمیایی). هر دوی این ها در H-NMR نیز مهم هستند، اما دو عامل دیگر "انتگرال گيري يا همان سطح زير پيك " و "شکافتگی اسپین-اسپین " نیز مفید هستند.

به طور كلي چهار فاكتور براي تفسير در طیف سنجی H-NMR  را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

1-  تعداد مجموعه ي پيك : تعداد دسته‌ اتم‌های هیدروژن هم‌ارز

2- جابجايي شیمیایی (فرکانس) هر مجموعه ي پيك : كه تحت تاثير گروه­های عاملي، الکترونگاتیوی، الکترون­های پای ( پيوند دوگانه) و ... مي باشد.

3- انتگرال يا مساحت زير  هر مجموعه پيك: سطح زیر پیک به طور مستقیم با تعداد اتم‌های هیدروژن  متناسب است.

3H ⇒ CH3 group

2H ⇒ CH2 group

1H ⇒ CH or OH group

4- شكافتگي هر مجموعه پيك: پيك ‌ها به دلیل جفت‌شدگی (کوپلینگ) بین پروتون‌های مجاور در مولکول، به چند گروه شکافته می‌شوند.  براي مثال اگر پيك چهارشاخه باشد نشان دهنده اين است كه سه اتم هيدروژن هم ارز در همسايگي آن وجود دارد و بالعكس اگر دو اتم هيدروژن هم ارز در همسايگي هيدروژن مورد بررسي باشد ما يك پيك سه شاخه مشاهده مي كنيم.

 

تعداد مجموعه ي پيك

 

1- هيدروژن­ های غیر هم ارز دارای محیط شیمیایی و مغناطيسي مختلفی هستند و سیگنال های مختلفی می­ دهند و هيدروژن های هم ارز داراي محیط شیمیایی و مغناطيسي یکسانی هستند بنابراين ما يك مجموعه پيك مي بينيم. بنابراین تعداد مجموعه سیگنال ها به شما می گوید که انواع مختلفی از هیدروژن وجود دارد. در تصوير پايين چند نمونه از هيدروژن هاي هم ارز و غير هم ارز را مشاهده مي نماييد. در طيف NMR هر كدام از تركيب هاي زير ما فقط دو مجموعه پيك مي بينيم.

 

 

پس نكته مهم در اين قسمت آن است كه بررسی کنید که تعداد مجموعه های سیگنال در طیف شما با ساختاری که فکر می کنید واقعاً دارید مطابقت داشته باشد! در غیر این صورت ، ساختار نیاز به اصلاح دارد!

 

جابجايي شيميايي 

 

در  بیشتر تركيب ها، جابجایی شیمیایی اتم هیدروژن، مقداری بین ۰ و 14 مي باشد. این گستره را به خوبی می‌توان به بخش‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد که هر بخش، مشخصه ساختاری خاصی را بیان کند كه تحت تاثير گروه­های عاملي، الکترونگاتیوی، الکترون­های پای ( پيوند دوگانه) و ... مي باشد در تصوير زير جزيئات آن را مشاهده مي نماييد.

 

 

اما چگونه آنچه را که از جابجايي شیمیایی طيف می بینيم استفاده کنيم؟

1-  هیدروژن های OH را تشخیص دهید.

 همانطور كه در جدول فوق مي بينيد OH می تواند در جاهاي متفاوتي ظاهر شود و به راحتی باعث شود شما يك نتیجه گیری اشتباهی داشته باشید. بنابراین شناختن OH ها برای اینکه شما را گیج نکنند بسیار مفید است. سه عامل شناسایی سیگنال های OH:

- آنها همیشه داراي انتگرال 1H  مي­باشند،

- به طور معمول به صورت تک و تا حدودی پهن ظاهر می شوند.  سیگنال های C-H تمایل به باريك بودن دارند و هر سیگنال C-H که داراي انتگرال يك باشد شود، داراي شکافتگي قابل توجهی مي باشد.

 - اگر سیگنال OH دارید، ممكن است يك سیگنال های C-H نیز در 3 مشاهده كنيد.

 

2- شروع به بررسي طيف كنيد و اگر در نواحي زير پيكي وجود داشت گروه عاملي آن را مشخص كنيد:

  آیا در ناحيه  9 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده آلدهید است.

آیا در ناحيه  7 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده تركيب آروماتيك است.

آیا در ناحيه  5 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده آلكن است.

آیا در ناحيه  3 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده الكل، اتر يا استر است.

آیا در ناحيه  2 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده كتون، تركيب آروماتيك يا آلكن است.

آیا در ناحيه  1 چیزی دارم؟ اگر بله ... نشان دهنده برخی از کربن های آلکیل غیرفعال است.

 

شدت يا نسبت سطح زير پيك ( انتگرال)

 

تمام هیدروژن ها به يك اندازه پيك می دهند اما وقتی هیدروژن هم ارز وجود داشته باشد ، پيك حاصل بر این اساس ضرب در تعداد هيدروژن هاي هم ارز می شود نكته مورد بررسي ارتفاع پيك نیست ، بلکه مساحت سطح زير پيك  است.  به طور كلي سطح زیر پیک  به طور مستقیم با تعداد اتم‌های هیدروژن تولیدی متناسب است. امروزه، این انتگرال‌گیری توسط نرم‌افزارها انجام می‌شود . این نسبت ها بصورت عدد کامل مي باشد (2: 1 ، 3: 1 ، 3: 2 و غیره.)  بنابر اين نسبت های "رایانه" را به نسبت های ساده تبدیل کنید. براي مثال در شكل شماره 2 نسبت سطح زير پيك 3 به 2 است.

 

شکافتگی اسپین اسپین

 

در H-NMR پيك های هیدروژن به طور معمول پيك ها  به دلیل جفت‌شدگی (کوپلینگ) بین پروتون‌های مجاور در مولکول، به چندین خط شكافته می شوند. تعداد خطوط موجود در یک مجموعه سیگنال چیزی در مورد C-H که باعث ایجاد سیگنال می شود به ما نمی گوید (چه یک گروه CH3 باشد یا CH2 و چه اکسیژنه ...) اما این شكافتگي به ما چیز دیگری می گوید که واقعاً مفید است: چه نوع گروه های CH به گروه مورد بررسي متصل هستند! شكافتگي چیزی در مورد خود گروه به ما نمی گوید ، اما اطلاعات بسیار خوبی در مورد گروه های همسایه ارائه می دهد.

 

نكاتي كه بايد در تفسير طيف NMR  به آن دقت كرد:

پيك حلال:

نمونه همیشه در یک حلال رقیق می شود. به طور معمول از CDCl3 يا ساير حلال هاي دوتره استفاده مي شود، مخصوصاً به دلیل اینکه H ندارد! با این حال ، کاملاً خالص نیستند و معمولاً با مقدار کمی از فرم غير دوتره خود همراه هستند كه آن در طيف nmr ظاهر مي شود این پيك را نادیده بگیرید!

پيك مرجع:

پيك ظاهر شده در ناحيه صفر را حساب نکنید. یک ماده شیمیایی مرجع [(CH3) 4Si]  يا همان TMS معمولاً وجود دارد که برای تعریف نقطه "صفر" به نمونه اضافه می شود.

 پيك آب:

معمولاً کمی رطوبت در محلول وجود دارد زیرا داخل بطری حلال دوتره  می شود. اما اغلب بسته به عوامل پیوند هیدروژن از بین می رود.

مراقب همپوشانی باشید:

 همپوشانی بيشتر در اثر تداخل پيك ها بوجود مي آيد و بیشتر در مناطق بنزن (7) و همچنین در ناحیه آلکیل (1) معمول است ، اما در جاهای دیگر نیز اتفاق می افتد. سیگنال های OH نیز اغلب با سیگنال های دیگر تداخل دارند.                                    

 

 

و در نهايت بررسی کنید که ساختاری که معتقدید واقعاً وجود دارد ، تعداد پيك های شما ، جابجايي شیمیایی شما ، انتگرال شما و شكافتگي های شما را نشان می دهد. در غیر این صورت ، ساختار شما باید اصلاح شود!