رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)یک روش طیف سنجی است که برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والا نسبت به طیف سنجی مادون قرمز برخوردار است . بسیاری از هسته ها را می توان با فنون NMR مطالعه کرد ، ولی هیدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرند .
رزونانس مغناطیسی هسته ای ما را از تعداد هر نوع هیدروژن مطلع می سازد . به علاوه این روش ، اطلاعاتی راجع به طبیعت محیط اطراف این گونه اتمهای هیدروژن به دست می دهد .
حالات اسپین هسته
بسیاری از هسته های اتمها دارای خصلتی هستند که اسپین خوانده می شود : هسته ها به گونه ای رفتار می کنند که گویی در حال چرخش هستند . در حقیقت اتمهایی که عدد جرمی فرد ، عدد اتمی فرد یا هر دو را دارند ، دارای گشتاور زاویه اسپین کوانتایی و گشتاور مغناطیسی هستند . معمولیترین هسته هایی که دارای اسپین هستند ، عبارتند از:
گشتاور مغناطیسی هسته
در یک میدان مغناطیسی ، حالات اسپین انرژی یکسانی را نخواهند داشت ، زیرا یک هسته ذره ای باردار بوده و هر ذره باردار متحرک خود تولید میدان مغناطیسی می کند . بنابراین ، یک هسته دارای گشتاور مغناطیسی ( ) است که به وسیله بار و اسپین آن تولید می شود . یک هسته هیدروژن می تواند اسپینی موافق جهت عقربه های ساعت (2/1+)یا مخالف جهت عقربه های ساعت (2/1-)داشته باشد و در این دو حالت ̦گشتاورهای مغناطیسی خود را یا در جهت میدان و یا در خلاف جهت آن قرار می دهند(شکل 1)
هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی به کار برده شود ، حالت اسپین دژنره به دو حالت ، با ترازهای انرژی نابرابر شکافته می شوند(شکل 2) .
جذب انرژی
پدیده رزونانس مغناطیسی هسته ای هنگامی رخ می دهد که هسته های هم جهت میدان اعمالی شده انرژی جذب کرده و جهت اسپین خود را نسبت به آن تغییر دهند (شکل 3) .
در یک میدان مغناطیسی اعمال شده ، پروتونها شروع به حرکت تقویمی و جذب انرژی می کنند . این پدیده شبیه به آن چیزی است که در یک فرفره مشاهده می شود . بر اثر تاثیر میدان جاذبه زمین ، فرفره شروع به لرزش یا چرخش حول محور خود می کند .
یک هسته چرخنده نیز تحت تاثیر میدان مغناطیسی اعمال شده ̦ همان گونه عمل می کند .هنگامی که میدان مغناطیسی به کار افتد ̦ آن هسته شروع به چرخش حول محور اسپین خود می کند که دارای فرکانس زاویه ای(فرکانس لارمور ) است .
این فرکانس مستقیما متناسب با قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده است . با ایجاد چنین فرکانسی ، دو میدان جفت شده و انرژی تابش ورودی به هسته منتقل می گردد و موجب تغییر اسپین می شود . این عمل رزونانس نامیده می شود .
هسته های مازاد آنهایی هستند که اجازه مشاهده رزونانس را می دهند . هنگامیکه جمعیت هر دو تراز برابر گردد , در آن صورت حالت اشباع شدگی رخ داده و رزونانسی مشاهده نمی شود . اشباع شدگی هنگامی بسرعت رخ می دهد که قدرت سیگنال RF بسیار زیاد باشد . با افزایش فرکانس دستگاه , اختلاف انرژی بین دو حالت فزونی یافته , و در نتیجه جمعیت مازاد افزایش می یابد .
تغییر مکان شیمیایی و اثر مانع
اهمیت رزونانس مغناطیسی هسته ای از آن جا آشکار می شود که در یک مولکول ، تمام پروتون ها در یک فرکانس رزونانس نمی کنند . این بدین دلیل است که پروتون های مولکول توسط الکترونها احاطه شده و محیط الکترونی هر یک از پروتونها بطور جزیی با دیگر پروتونها فرق می کند . به عبارت دیگر ، پروتونها توسط الکترونهایی که آنها را احاطه کرده اند پوشیده یا محافظت می شوند . در یک میدان معناطیسی ، الکترونهای ظرفیتی پروتونها می چرخند . این چرخش که جریان دیامغناطیس محلی خوانده می شود ، تولید میدان مغناطیسی متضادی می کند که در جهت مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده عمل می نماید . این اثر که مانع دیامغناطیسی یا آنیزوتروپی دیا مغناطیسی نامیده میشود.
در یک اتم ، جریان مغناطیسی محلی تولید یک میدان مغناطیسی ثانویه می نماید که دارای جهتی مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده است . در نتیجه آنیزوتروپی دیا مغناطیس ، پروتون در مولکول بسته به دانسیته الکترونی اطراف آن از جانب میدان مغناطیسی اعمال شده محافظت می شود . هر قدر دانسیته الکترونی اطراف یک هسته بیشتر باشد میدان مغناطیسی تولید شده توسط الکترونها ، که در جهت عکس میدان اعمال شده است ، بیشتر خواهد بود .
در یک محلول برای محاسبه جابجایی شیمیایی از یک ترکیب شاهد استفاده می شود و فرکانس رزونانس هر پروتون نمونه نسبت به آن سنجیده می شود . به عبارت بهتر ، اختلاف فرکانس اندازه گیری می شود . ماده شاهد استاندارد ، تترا متیل سیلان بوده که به TMS موسوم است . علت استفاده از این ماده این است که پروتونهای گروههای متیل آن بیش از اکثر ترکیبات محافظت می شود .
برای محاسبه تغییر مکان شیمیایی از رابطه زیر استفاده می شود و قابل ذکر است که تغییر مکان شیمیایی بر حسب واحد Hz برای دستگاه های NMR با قدرت متفاوت ، یکسان نمی باشد در صورتی که بر حسب واحد ppm مقدار آن برای تمامی دستگاه ها ، مقداری ثابت می باشد .
شامل 305 اسلاید powerpoint
دانلود پاورپوینت کاربرد طیف سنجی در شیمی آلی