Chimici utilizzano spesso spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per determinare la struttura dei composti organici. I dati da protone-NMR sarà una serie di "picchi" su un grafico. È possibile utilizzare questi dati per dedurre una sorprendente quantità di informazioni sulla struttura della molecola. A volte può essere utile misurare le costanti di accoppiamento, la distanza tra diversi picchi in un gruppo di picchi. Se si dispone di un semplice gruppo di cime come un doppietto, una terzina o un quartetto, questo sarà solitamente abbastanza semplice. È non possibile, tuttavia, trovare una costante di accoppiamento per multipletti più complesse.
Istruzioni
• Cominci a riflettere su come funziona la NMR. Proprio come gli elettroni, protoni e neutroni hanno una proprietà chiamata spin. Un nucleo di idrogeno ha un solo protone solitario, quindi ha due stati di spin possibile, o spin = + 1/2 o spin = -1/2. Normalmente questi due Stati hanno uguale energia. Quando si posiziona il campione in un campo magnetico, tuttavia, il nucleo di idrogeno si comporta un po' come un minuscolo magnete nel senso che si può sia allineare con il campo, nel qual caso avrà uno stato di spin, o linea contro il muro, nel qual caso sarà avere l'altro. Gli Stati di due spin ora hanno energia disuguale. In qualsiasi momento dato, la maggior parte dei nuclei di idrogeno in una data popolazione sarà nello stato di spin di bassa energia, ma una piccola frazione sarà nello stato maggiore. Quando il campione è irradiato con onde radio, i fotoni radio saranno assorbiti dai nuclei di idrogeno se e solo se la loro energia è uguale alla differenza di energia tra gli Stati di due spin.
• Si noti che la nube dell'elettrone intorno ad un atomo di idrogeno si muoverà in un modo che crea un piccolo campo magnetico, campo magnetico esterno molto più grande di contrastare. Di conseguenza, il più ricco di elettroni dell'atomo di idrogeno, minore sarà la differenza di energia tra gli Stati di spin. A seconda del loro ambiente nella molecola, alcuni atomi di idrogeno sarà più ricco di elettroni rispetto ad altri. Un atomo di idrogeno attaccato ad un ossigeno, ad esempio, sarebbero molto più carente di elettroni di uno collegato a un - gruppo metilico CH3.
• Ricordiamo che i dati NMR sono sotto forma di un grafico che utilizza tetrametilsilano come riferimento. In altre parole, anziché visualizzare la frequenza delle onde radio che sono stati assorbiti, il grafico Visualizza la differenza in Hz tra la frequenza assorbita dal tetrametilsilano e quella assorbita dal vostro campione diviso per la frequenza di spettrometro in MHz. Le unità risultanti sono ppm o parti per milione. Il numero di ppm aumenta man mano che si scende il grafico verso sinistra e diminuisce man mano che si va verso destra. Ciò significa che la frequenza delle onde radio assorbite dagli aumenti del campione mentre andate verso sinistra.
• Si noti che per gli atomi di idrogeno situati ad che altri atomi di idrogeno sono attaccati ad atomi di carbonio vicini, ci sono parecchie possibilità diverse. Gli idrogeni vicini potrebbero essere spin + 1/2 o spin -1/2 ed entrambe queste situazioni si troverà in diverse molecole nella soluzione in un dato momento. Se il prossimo è allineato con il campo magnetico, che rafforzerà il campo sentita dal primo atomo di idrogeno e quindi aumentare la frequenza della radiazione assorbe. Se il prossimo è allineato contro il campo magnetico, farà diminuire il campo sentito dal primo atomo di idrogeno, e quindi la frequenza della radiazione assorbe pure. Questo effetto è chiamato accoppiamento spin-spin, e la differenza in Hz tra le cime creato dall'accoppiamento spin-spin è chiamata la costante di accoppiamento. È importante notare che i nuclei equivalenti non coppie con a vicenda.
• Iniziare con la situazione più semplice: una costante di accoppiamento per un doppietto (due picchi). Convertire il valore di ppm (lo spostamento chimico) per ogni picco in un valore espresso in hertz (Hz) moltiplicandolo per la frequenza di spettrometro in MHz. Se le due cime hanno spostamenti chimici di 0,89 e 0,91 ppm, per esempio e la frequenza di spettrometro è 90 MHz, gli spostamenti chimici come espressa in Hertz sono 80,1 e 81,9 e la costante di accoppiamento è solo diversi tra loro: 81,9-80.1 = 1,8 Hz.
• Affrontare una situazione leggermente più difficile..--due vicini chimicamente equivalente (cioè vicini che sono nello stesso ambiente chimico, come due atomi di idrogeno su un - gruppo CH2). Questi si trasformerà il primo idrogeno in un tripletto. In questo caso, la costante di accoppiamento sarà pari alla differenza in Hz tra una delle cime laterali e il picco centrale. Proprio come con il farsetto, è necessario convertire da ppm a Hz prima di calcolare la costante di accoppiamento. Se la tripletta ha picchi con 80, 88 Hz e 96 Hz, ad esempio, la costante di accoppiamento sarebbe 8 Hz, perché sia il picco di 80 Hz e il picco di 96Hz sono 8 Hz dal picco centrale.
• Si consideri una situazione leggermente più interessante, dove un picco è diviso da tre vicini chimicamente equivalenti. Potremmo avere un idrogeno su un atomo di carbonio, ad esempio, che è collegato a un gruppo metile (-CH3); tre atomi di idrogeno del gruppo metilico dividerà il picco del nostro primo dell'idrogeno in un quartetto di quattro picchi. La distanza tra qualsiasi due picchi adiacenti nel quartetto sarà la costante di accoppiamento. Se le quattro cime sono 80 Hz, 88, 96 Hz e 104 Hz, ad esempio, la costante di accoppiamento nuovamente sarebbe 8 Hz, poiché la differenza tra qualsiasi due picchi adiacenti è 8 Hz.
Consigli & Avvertenze
- È molto difficile calcolare la costante di accoppiamento per multipletti complesse e situazioni dove gli idrogeni vicini non sono chimicamente equivalenti, nel qual caso ci può essere diversa costanti di accoppiamento per ciascuno. In genere non è necessario calcolare la costante di accoppiamento per risolvere problemi di base NMR, tuttavia, perché il numero di picchi in un gruppo e la sua posizione è in realtà molto più utile che le costanti di accoppiamento come regola generale.