A4.7 Grundideen i 1H-NMR

NoteDet skal du kunne
  • forklare grundideen i 1H-NMR: hydrogenkerner i et magnetfelt absorberer radiobølger
  • forklare, hvad skærmning er, og hvordan den bestemmer et signals plads
  • forklare, hvad kemisk skift er, og hvorfor det måles i ppm i forhold til TMS
  • aflæse aksen i et NMR-spektrum

En MR-scanner på hospitalet tager billeder af kroppens indre uden røntgenstråler. Den ser hydrogenatomerne i kroppens vand og fedt. Kemikerens NMR-spektrometer bygger på samme princip, men bruger det til noget andet: at se, hvordan hydrogenatomerne sidder i et molekyle. Et IR-spektrum viser, hvilke funktionelle grupper et stof har. Et NMR-spektrum viser, hvordan carbonskelettet hænger sammen.

NMR står for nuclear magnetic resonance, altså kernemagnetisk resonans. 1H betyder, at det er kernerne i almindelige hydrogenatomer, man måler på.

Hydrogenkernen er en lille magnet

Kernen i et hydrogenatom opfører sig som en lillebitte magnet. Normalt peger kernerne i alle retninger. Men i et stærkt magnetfelt har en hydrogenkerne kun to muligheder: den kan pege med feltet eller mod feltet.

Figur 1: Hydrogenkerner uden magnetfelt og i et stærkt magnetfelt.

Det kræver energi at vende en kerne, så den peger mod feltet. Energien kan komme fra en radiobølge, men kun hvis radiobølgen har præcis den rigtige frekvens. Det er resonans, ligesom gyngen i afsnit A4.4. Et NMR-spektrometer måler, hvilke frekvenser prøven absorberer.

Den rigtige frekvens afhænger af, hvor stærkt et magnetfelt kernen mærker: jo stærkere felt, jo højere frekvens. Hvis alle hydrogenkerner mærkede det samme felt, ville de alle absorbere ved samme frekvens, og spektret ville kun have ét signal. Det har det ikke, og grunden er elektronerne.

Skærmning

En hydrogenkerne i et molekyle er omgivet af elektroner. Elektronerne bevæger sig i magnetfeltet og danner selv et lille magnetfelt, som peger den modsatte vej. De skærmer kernen, så den mærker et lidt svagere felt end det, magneten laver.

Figur 2: Elektronerne omkring en hydrogenkerne skærmer den mod magnetfeltet.
  • En kerne med mange elektroner omkring sig er godt skærmet. Den mærker et svagere felt og absorberer ved en lavere frekvens.
  • En kerne med få elektroner omkring sig er dårligt skærmet. Den mærker et stærkere felt og absorberer ved en højere frekvens.

Hvor mange elektroner der er omkring en hydrogenkerne, afhænger af dens naboer i molekylet. Sidder der et elektronegativt atom som oxygen i nærheden, trækker det elektroner væk, og kernen bliver dårligere skærmet.

Det er hele ideen: hydrogenatomer med forskellige omgivelser i molekylet giver hvert sit signal.

Den mystiske x-akse

Forskellene i skærmning er bittesmå. Frekvenserne for to slags hydrogenkerner afviger kun nogle få milliontedele fra hinanden. Derfor viser aksen ikke selve frekvensen. Den viser, hvor langt et signal ligger fra et fast nulpunkt.

Nulpunktet er signalet fra stoffet TMS, tetramethylsilan, Si(CH3)4. De tolv hydrogenatomer i TMS er ens og meget godt skærmet, så TMS giver ét signal, som ligger længere til højre end næsten alle andre.

Afstanden fra TMS kaldes det kemiske skift. Det har symbolet δ, det græske delta, og beregnes sådan:

\[ \delta = \frac{\text{signalets afstand fra TMS i Hz}}{\text{spektrometrets frekvens i MHz}} \]

En hertz divideret med en megahertz er en milliontedel. Derfor er enheden ppm, parts per million, altså milliontedele.

Figur 3: Det kemiske skift er det samme på to forskellige spektrometre.

Hvorfor gøre det så indviklet? Fordi afstanden i hertz afhænger af apparatet. Et spektrometer med en dobbelt så stærk magnet giver dobbelt så store afstande. Når man dividerer med spektrometrets frekvens, forsvinder den forskel. Det kemiske skift for en bestemt slags hydrogenatom er det samme på alle spektrometre i verden, og derfor kan det slås op i en tabel.

NoteEksempel: fra hertz til ppm

På et spektrometer med frekvensen 300 MHz ligger et signal 1095 Hz fra signalet fra TMS. Beregn det kemiske skift.

Beregning

\[ \delta = \dfrac{1095\ \mathrm{Hz}}{300\ \mathrm{MHz}} = 3{,}65\ \mathrm{ppm} \]

Konklusion

Det kemiske skift er 3,65 ppm. På et spektrometer med frekvensen 600 MHz ville det samme signal ligge 2190 Hz fra TMS, og det kemiske skift ville stadig være 3,65 ppm.

Sådan læses aksen

Figur 4: Aksen i et NMR-spektrum med nogle typiske signaler.
  • Nulpunktet, TMS, står til højre, og det kemiske skift vokser mod venstre.
  • Et signal til højre, med et lavt kemisk skift, kommer fra hydrogenkerner, der er godt skærmet.
  • Et signal til venstre, med et højt kemisk skift, kommer fra hydrogenkerner, der er dårligt skærmet.

De fleste signaler ligger mellem 0 og 12 ppm.

Et første spektrum

Figur 5: NMR-spektret af methylethanoat.

Methylethanoat har to methylgrupper, og de har forskellige omgivelser. Derfor har spektret to signaler.

  • Den røde methylgruppe sidder ved siden af C=O. Den giver signal A ved 2,05 ppm.
  • Den blå methylgruppe sidder direkte på et oxygenatom. Oxygen er elektronegativt og trækker elektroner væk fra hydrogenkernerne. De er dårligere skærmet, så signal B ligger længere til venstre, ved 3,67 ppm.

Det lille signal ved 0 ppm er TMS, som er sat til prøven.

Farverne går igen i resten af kapitlet: en ring om en gruppe i strukturen har samme farve som gruppens signal i spektret.

Fire oplysninger i ét spektrum

Et NMR-spektrum giver fire slags oplysninger. De næste afsnit tager dem én ad gangen.

Oplysning Den fortæller Afsnit
antallet af signaler hvor mange slags hydrogenatomer molekylet har A4.8
det kemiske skift hvilke omgivelser hydrogenatomerne har A4.9 og A4.12
integralet hvor mange hydrogenatomer der er af hver slags A4.10
opsplitningen hvor mange hydrogenatomer der sidder på nabocarbonatomet A4.11
VigtigtTil den skriftlige prøve
  • Du bliver ikke bedt om at forklare fysikken bag NMR. Du skal kunne bruge spektret.
  • Brug ordene rigtigt: et signal ligger ved et kemisk skift, som måles i ppm.
  • Husk retningen: højt kemisk skift står til venstre og betyder dårlig skærmning, fx fordi der sidder et elektronegativt atom i nærheden.
NoteKort sagt
  • En hydrogenkerne er en lille magnet. I et magnetfelt kan en radiobølge med den rigtige frekvens vende den.
  • Elektronerne omkring kernen skærmer den mod magnetfeltet. Dårligt skærmede kerner absorberer ved en højere frekvens.
  • Hydrogenatomer med forskellige omgivelser giver hvert sit signal.
  • Det kemiske skift, δ, er signalets afstand fra TMS, målt i ppm. Det er det samme på alle spektrometre.
  • Aksen har 0 til højre. Jo længere til venstre et signal ligger, jo dårligere er hydrogenkernerne skærmet.
  • Elektronegative atomer i nærheden trækker elektroner væk og giver et højere kemisk skift.