วิธีการอ่านสเปกตรัม NMR จากพื้นฐาน (การเลื่อนทางเคมี อัตราส่วนการบูรณาการ การมีปฏิสัมพันธ์)

คอลัมน์นี้ให้คำอธิบายที่เข้าใจง่ายเกี่ยวกับสิ่งที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากสเปกตรัม NMR (การเลื่อนทางเคมี อัตราส่วนการบูรณาการ การมีปฏิสัมพันธ์)

สิ่งที่เราสามารถเรียนรู้จากสเปกตรัม NMR

มีสามสิ่งหลักๆ ที่เราสามารถเรียนรู้จากสเปกตรัม NMR
ข้อมูลแรกคือข้อมูลเกี่ยวกับแกนนอน เรียกว่า การเลื่อนของสารเคมี แกนนอนประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับประเภทของหมู่ฟังก์ชันและโครงสร้างของโมเลกุล จากตำแหน่งที่สเปกตรัมปรากฏ (ค่าตัวเลขบนแกนนอน) เราสามารถทำนายได้ว่าโมเลกุลที่ต้องการวัดนั้นมีหมู่ฟังก์ชันและโครงสร้างของโมเลกุลประเภทใด
ประการที่สองคืออัตราส่วนการผสานรวม (อัตราส่วนพื้นที่สัญญาณ) เมื่อเปรียบเทียบค่าอินทิกรัลของแต่ละสัญญาณแล้ว จะสามารถเปรียบเทียบจำนวนกลุ่มฟังก์ชันที่มีอยู่ในโมเลกุล และรับข้อมูลเกี่ยวกับอัตราส่วนการผสมของตัวอย่างผสมที่ประกอบด้วยโมเลกุลหลายโมเลกุลได้
ประการที่สามคือการแยกสัญญาณที่เรียกว่าคัปปลิ้ง สัญญาณจะถูกแยกออกเนื่องจากอิทธิพลของสปินนิวเคลียร์อื่นที่อยู่ใกล้สปินนิวเคลียร์ที่สนใจ รูปที่ 1 แสดงให้เห็น ¹สเปกตรัม NMR ของเอธานอล สัญญาณของกลุ่มเมทิลและเมทิลีนแสดงให้เห็นว่าสัญญาณไม่ใช่สัญญาณเดี่ยว แต่ถูกแยกออกเป็นสัญญาณหลายสัญญาณ เนื่องจากรูปแบบการแยกสัญญาณขึ้นอยู่กับจำนวนและประเภทของสปินนิวเคลียร์อื่น ๆ ที่อยู่ใกล้เคียง จึงสามารถทำนายสารแทนที่ที่มีอยู่ในระบบจากรูปแบบการแยกได้

สาเหตุที่ทำให้เกิดความต่างของแกนนอน (การเลื่อนทางเคมี)

ตัวอย่างตารางเลื่อนเคมีของ ¹H

รูปที่ 3 แสดงแผนภาพความสัมพันธ์ของกลุ่มฟังก์ชันทั่วไปและ ¹ตำแหน่งสัญญาณ HNMR ในสเปกตรัม NMR ด้านขวามักเรียกว่าด้านสนามสูงและด้านซ้ายเรียกว่าด้านสนามต่ำ สัญญาณที่ปรากฏที่ 0 ppm คือสัญญาณของวัสดุอ้างอิง TMS (เตตระเมทิลไซเลน) ค่าการเลื่อนทางเคมีคือค่าตัวเลขที่แสดงการเลื่อนจากสัญญาณอื่น ดังนั้น จึงจำเป็นต้องปรับเทียบจุดอ้างอิงด้วยวัสดุอ้างอิง เช่น TMS เป็นต้น ¹สัญญาณ H จากโซ่อัลคิล เช่น เมทิล เมทิลีน และเมทีน มักปรากฏใกล้ 1 ppm และดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ¹สัญญาณ H ใกล้กลุ่มแอลกอฮอล์และอีเธอร์กับอะตอมออกซิเจนข้างเคียงและ ¹สัญญาณ H ที่มาจากกลุ่มอะมิโนที่มีอะตอมไนโตรเจนอยู่ข้างเคียงจะถูกตรวจพบที่ระดับใกล้ 3ppm ถึง 4ppm
สัญญาณที่ปรากฏใกล้ 5 ppm เป็นสัญญาณที่ได้มาจากอัลคีน ¹สัญญาณ H นอกจากนี้ ¹สัญญาณ H ที่ได้จากวงแหวนอะโรมาติกจะสังเกตได้ประมาณ 7 ppm และสัญญาณที่ได้จากกลุ่มฟอร์มิล เช่น อัลดีไฮด์จะปรากฏประมาณ 9 ppm สัญญาณที่ได้จากกลุ่มคาร์บอกซิลและฟีนอลจะปรากฏประมาณ 11 ppm ตำแหน่งที่สัญญาณปรากฏขึ้นทำให้สามารถคาดเดาประเภทของกลุ่มฟังก์ชันได้คร่าวๆ

เมื่อดำเนินการวิเคราะห์โครงสร้างโดยใช้ NMR โปรดระวังการแลกเปลี่ยนน้ำหนักในกรณีที่มีกลุ่ม OH หรือ COH รวมอยู่ด้วย
ในสารละลาย NMR ตัวอย่างจะถูกละลายในตัวทำละลายหนักสำหรับการวัด หากตัวทำละลายที่จะใช้คือน้ำหนักหรือเมทานอลหนัก การแลกเปลี่ยนน้ำหนักจะเกิดขึ้นระหว่าง D(²H) ในโมเลกุลตัวทำละลายและ ¹H ในกลุ่ม OH หรือ COH และ ¹อาจไม่สามารถสังเกตเห็นสัญญาณ H จากกลุ่ม OH หรือ COH

อัตราส่วนการบูรณาการ

ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับการใช้อัตราส่วนการผสานรวม รูปที่ 4 แสดงสูตรโครงสร้างของเบนซิลอะซิเตทและ ¹สเปกตรัม H เมื่อพิจารณาโครงสร้างโมเลกุลของเบนซิลอะซิเตท เราสามารถเดาได้ว่า ¹สัญญาณ H จะถูกสังเกตในสามพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับ CH₃ กลุ่ม ช.₂ กลุ่มและกลุ่มอะโรมาติก
ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อดูใกล้ๆ จะพบว่าเบนซิลอะซิเตทมีสามอย่าง ¹Hs มาจาก CH₃, สอง ¹Hs มาจาก CH₂และห้า ¹Hs ที่ได้จากการแทนที่ CH หนึ่งตัว อัตราส่วนการรวมสัญญาณแต่ละตัวจะคำนวณได้เป็น CH₃:ช₂:CH = 3:2:5 ซึ่งบ่งชี้ว่าค่าที่ทำนายจากโครงสร้างและค่าที่วัดได้จริงตรงกัน
นอกจากนี้ยังเห็นได้ว่า CH₃ ถูกเลื่อนไปทางซ้ายจากบริเวณที่ ¹สัญญาณ H มาจาก CH₃ มักสังเกตเห็นได้บ่อยครั้ง (ประมาณ 1 ppm) เนื่องมาจากอิทธิพลของอะตอม O ข้างเคียง
ตัวอย่างการใช้ค่าอัตราส่วนการบูรณาการในตัวอย่างแบบผสม ได้แก่

• การประเมินเชิงปริมาณสัมพันธ์โดยการเปรียบเทียบค่าการบูรณาการของแต่ละองค์ประกอบ
• การประเมินเชิงปริมาณสัมบูรณ์โดยใช้สารมาตรฐานที่มีความบริสุทธิ์ที่ทราบ (q-NMR)
• การคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยเปรียบเทียบค่าการผสานก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยา

ในทั้งสองตัวอย่าง สิ่งสำคัญคือการค้นหาสัญญาณที่เฉพาะกับแต่ละส่วนประกอบและสามารถรวมเข้าด้วยกันได้อย่างถูกต้อง (กล่าวคือ ไม่ทับซ้อนกับสัญญาณอื่นๆ)

ค่าคงที่ของคัปปลิ้งและสปิน-สปิน "J"

ในที่สุด เราจะแนะนำการมีปฏิสัมพันธ์ การมีปฏิสัมพันธ์หมายถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินนิวเคลียร์ที่สนใจและสปินนิวเคลียร์ข้างเคียงอื่น ในการวัด 1 มิติ ¹ปฏิสัมพันธ์ NMR หรือ "การจับคู่" เกิดขึ้นเมื่อสปินนิวเคลียร์อยู่ใกล้กันและเหนี่ยวนำให้เกิดการแยกสัญญาณ NMR หน่วยของความกว้างการแยกของการจับคู่สปินแสดงเป็นเฮิรตซ์ ตัวเลขนี้เรียกว่าค่าคงที่การจับคู่สปินหรือค่าคงที่การจับคู่ J (ค่า j)

นอกจากนี้ยังทราบกันดีว่าความกว้างของการแยกจะมีค่า j เท่ากันเมื่อจับคู่กัน ในสารประกอบในรูปที่ 5 Ha และ Hx จะถูกจับคู่ ดังนั้นความกว้างของการแยกของทั้ง Ha และ Hx จึงมีค่าเท่ากัน คือ 6hz ดังนั้น เมื่อสังเกตเห็นจุดสูงสุดของการแยก ข้อมูลค่า j สามารถใช้เพื่อกำหนดว่าสัญญาณใดจะถูกจับคู่กัน

รูปแบบการแยกเนื่องจากการจับคู่

ให้เราอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับรูปแบบการแยกสัญญาณที่เกิดจากการจับคู่ สัญญาณที่ไม่ได้แยกสัญญาณเรียกว่าซิงเกลต์ แสดงด้วยสัญลักษณ์ "s" สัญญาณที่แบ่งสัญญาณออกเป็นสองส่วนเรียกว่าดับเบิลต์ แสดงด้วยสัญลักษณ์ "d" สัญญาณที่แบ่งสัญญาณออกเป็นสามส่วนเรียกว่าทริปเล็ต แสดงด้วยสัญลักษณ์ "t" ทริปเล็ตมีอัตราส่วนความแรงของสัญญาณ 1:2:1 สัญญาณที่แยกออกเป็นสี่ส่วนเรียกว่าควอเต็ต แสดงด้วยสัญลักษณ์ "q" อัตราส่วนความแรงของสัญญาณสำหรับควอเต็ตคือ 1:3:3:1 สัญญาณที่มีห้าส่วนขึ้นไปเรียกว่ามัลติเพล็ต แสดงด้วยสัญลักษณ์ "m"
การใช้ ¹สเปกตรัม H NMR ของเอธานอลเป็นตัวอย่าง เราจะอธิบายการแยกตัวของ ¹สัญญาณ H เน้นที่สัญญาณที่ได้จาก CH₃ กลุ่มประมาณ 1ppm จำนวน ¹H ใกล้ๆ CH₃ กลุ่มคือ 2 (คู่กับ CH₂ กลุ่ม) จึงแบ่งเป็น 2+1=3.
การดูสัญญาณที่ได้จาก CH₂ กลุ่มประมาณ 3.5 ppm จำนวน ¹H ใกล้ๆ CH₂ กลุ่มคือ 3 (คู่กับ CH₃ กลุ่ม) ซึ่งแยกเป็น 3+1=4.
เพราะสัญญาณ OH รอบ 5ppm ไม่ได้จับคู่กับบริเวณใกล้เคียง ¹H ไม่แยกตัวและอยู่ในสถานะซิงเกิลต์ โดยพื้นฐานแล้ว เราจะเห็นได้ว่าสัญญาณแยกตัวเป็น "n+1" โดย "n" หมายถึงจำนวนสปินของนิวเคลียสที่จัดวางรอบสปินของนิวเคลียสที่สนใจ

ผลิตภัณฑ์