Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (Nmr)Nmr Yönteminin Temeli Çekirdeği

Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (nmr)NMR yönteminin temeli çekirdeği
Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (nmr)NMR yönteminin temeli çekirdeği

NÜKLEER MANYETİK REZONANS SPEKTROSKOPİSİ (NMR)

01 Giriş
02 Durulma Olayı
03 NMR Spektrofotometresi
0301 Örnek Hazırlama
0302 Kimyasal Kayma
0303 Spektrum Yorumlanması

01 GİRİŞ

NMR yönteminin temeli çekirdeğin manyetik özelliğine dayanır Bu yöntemde ışın enerjisi elektronlar tarafından değil çekirdek tarafından absorplanmaktadır
Atomda bulunan çekirdek kendi ekseni etrafında bir dönme hareketi yapar Çekirdek pozitif yüklü olduğu için çekirdeğin sahip olduğu yükte bu dairesel yörüngede hareket eder Bu yörüngesel hareket elektrik akımı oluşturur Her elektrik akımı çevresinde manyetik bir alan oluşturur Çekirdek kendi ekseni etrafnda döndüğü için açısal momentuma da sahiptir

Elektronlarda olduğu gibi çekirdeklerde de spin kuantum sayıları vardır Çekirdeğin spin kuantum sayısı I, çekirdekte bulunan proton ve nötronların sayısına göre değişmektedir Spin kuantum sayısı bir elementin izotopları için farklı değerler alır Çekirdekte bulunan nötron ve proton sayısına göre spin kuantum sayıları belirlenemez Fakat aşağıdaki kurallarla açıklanabilir

1) Çift-çift çekirdek: Kütle ve atom numaraları çift olan elementler 12C, 16O örnek verilebilir C’un çekirdeğinde 6 proton , 6 nötron bulunur Bu gruba dahil olan tüm izotopların spin kuantum sayıları I= O dır

2) a) Tek –tek çekirdekler: Kütle ve atom numaraları tek olan elementler Bu gruptaki elementlerin proton sayıları tek, nötron sayıları çifttir 1H, 11B, 19F,31P izotopları örnek verilebilir H’in 1 protonunu sıfır nötronu vardır Florun 9 protonu (tek) ve 10 nötronu (çift)vardır

b) Tek-çift çekirdekler: Kütle numaraları tek, atom numaraları çift olan elementler Bu gruptaki elementlerin proton sayıları çift, nötron sayıları tektir 13C, 17O ,33S izotopları örnek verilebilir C ‘un 6 protonunu (çift), 7 nötronu (tek) vardır

2a ve 2b deki elementlerin spin kuantum sayıları I= ½ ve bunun tek katlarıdır
I= 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2 gibi

3) Çift-tek çekirdekler: Kütle numaraları çift, atom numaraları tek olan elementlerdir Bu gruptaki izotopların nötron ve proton sayıları tektir 2H(D), 10B, 14N, 18O örnek olarak verilebilir H’in 1 (tek) protonu ve 1(tek) nötronu bulunmaktadır Bu gruptaki elementlerin spin kuantum sayıları tam saylardan oluşmaktadır
I= 1, 2, 3, 4, gibi

NMR için önemli bazı elementlerin spin kuantum sayıları
İzotop Spin kuantum sayısı % Doğada bulunma oranı
1H 1/2 9998
2H(D) 1 0016
10B 3 1883
11B 3/2 8117
13C 1/2 1108
14N 1 99635
15N 1/2 0,365
17O 5/2 0,037
19F 1/2 10000
23Na 3/2 10000
29Si 1/2 470
31P 1/2 10000
33S 3/2 074

Bir elementin NMR spektroskopisinin gözlenebilmesi için I0 olması gerekmektedir Bu nedenle 1 gruptaki izotoplar NMR da aktif değildir

Bir çekirdeğin açısal momentumu , o çekirdeğin manyetik kuantum sayılarına göre değişir
Manyetik kuantum ile spin kuantum arasında
m =(2I+1) bağıntısı vardır Bu eşitliğe göre spin kuantum sayısı I= ½ olan olan bir çekirdeğin
m=(2 x 1/2 +1) = 2 manyetik kuantum sayısı vardır
Bu manyetik kuantum sayıları bize çekirdeğin manyetik bir alana girdiği zaman yarıldıkları enerji seviyelerini verir
Manyetik kuantum sayıları spin kuantum sayılarının (+) ve (-) değerleri arasında bulunan bütün değerleri alırlar Ancak iki kuantum sayısı arasındaki fark m yalnız 1 olabilir Yukarıdaki örnekte I=1/2 olan çekirdeğin manyetik kuantum sayısının 2 olduğunu bulmuştuk
m = +I, , -I
Bu nedenle m= +1/2 m= -1/2 olabilir (m=1)
Spin kuantum sayısı 2 olan bir çekirdeğin I=2 ise manyetik kuantum sayısı m=(2 x 2+1) =5 dir
m = +2, +1, 0, -1, -2
Bir atom çekirdeği manyetik bir alanda farklı enerji seviyelerine ayrılırlar Protonun manyetik bir momentumu vardır ve bu momentum vektöreldir Protonun manyetik momenti, manyetik alanın yönü ile paralel ve anti paralel olarak yönlenir Böylece portonun iki farklı yönlenmesi olur Eğer protonun manyetik yönlenmesi dış manyetik alan ile paralel ise, protonun potansiyel enerjisi daha düşüktür
Bu olayı bir örnek ile açıklarsak eğer 2H(D) döteryumun I= 1 olduğundan m= (2I+1) den m= 3 tür m = +1, m=0, m =-1
Döteryum manyetik alan içerisine girdiğinde enerji seviyesi 3’e yarılacaktır

NMR deneyleri alt enerji seviyesinde bulunan bir çekirdeğin, manyetik alan içerisinde, dışarıdan verilen bir enerji ile üst enerji seviyesine geçmesi ile gerçekleşir Proton manyetik alan etkisi ile 2 farklı enerji seviyesine yarılır Alt seviyede bulunan proton (manyetik momenti manyetik alan ile aynı yönde) enerji alarak üst seviyeye geçer Yani manyetik moment manyetik alan il zıt yönde olur Bu olaya spin çevrilmesi veya rezonas olayı denir Rezonans olayı için dışarıdan verilecek enerji iki seviye arasındaki enerji kadar olmalıdır-
02 Durulma Olayı
NMR spektroskopisinde rezonans olayı sonucunda üst enerji seviyesine geçen protonun, fazla enerjisini vererek tekrar alt seviyeye dönmesi gerekmektedir Proton alt seviyeye dönmeden aynı örnekten tekrar sinyal alınması mümkün değildir
Protonun üst enerji seviyesindeyken fazla enerjisini vererek tekrar alt seviyeye dönmesi olayına durulma denir Durulma için geçen zamana da durulma zamanı denir İki çeşit durulma vardır
1) Spin-Örgü durulması
2) Spin –Spin durulması
Protonun üst seviyeden alt seviyeye inerken fazla enerjisini ışın halinde dışarıya vermesi söz konusu değildir Bu olay radyo dalgaları bölgesinde olanaksızdır
Çözelti içerisinde bulunan gaz, sıvı, katı, çözücü moleküllerinin hepsine örgü denir Bu moleküller termal hareketler sonucu çeşitli manyetik alanlar meydana getirirler Bu yüklü taneciklerin kendilerine has dönme hareketleri vardır Bu oluşan alanların bazılarının frekansı, çekirdeğin presesyon hareketinin frekansına uyar ve rezonans koşulu oluştuğundan enerji örgüye verilir Örgüye verilen enerji kinetik enerjiye çevrilir Spin-örgü durulması için geçen zaman T1 10-2-102 arasında değişir
Spinleri farklı iki çekirdekten bir tanesi üst seviyeden alt seviyeye geçerken, ikinci çekirdek alt seviyeden üst seviyeye geçerBöyle bir durumda genel populasyonda bir değişiklik olmaz Bu olaya spin-spin durulması denir ve bu olay için geçen süre T2 dir Genel olarak T2 T1 dir Sıvılarda ve gazlarda T1 ve T2 genelde birbirine eşittir
Durulma zamanları NMR spektrumundaki piklerin genişliği ile direk bağlantılıdır Durulma zamanının fazla olması rezonansın dar bir frekans bölgesinde olduğunu gösterir ve buda pik genişliğinin dar olduğunu gösterir
03 NMR Spektrofotometresi
NMR spektrofotometresi 4 ana bölümden oluşur
1) Kutup uçları arasında yüksek derecede homojen alan içeren mıknatıs
2) Radyo frekans vericisi
3) Radyo frekans alıcısı
4) Kaydedici
Örnek (proton içeren herhangibir bileşik) homojen alan içerisine koyulur Daha homojen bir alan elde etmek için numune döndürülür Manyetik alanda proton farklı enerji seviyelerine dağılır Radyo frekans vericisi tarafından oluşturulan değişken alan numune üzerine gönderilir Radyo frekans vericisinin oluşturduğu değişken alanın frekansı rezonans koşulunu sağladığı zaman enerji absorplanır Böylece kaybolan enerji radyo frekans alıcısı tarafından ölçülerek kaydedici tarafında sinyal olarak kaydedilir
Bir NMR spekturumubize şu bilgileri verebilir:
1) NMR spektrumunda kaç çeşit proton olduğunu
2) Sinyal gruplarının yerleri protonun türünü gösterir (aromatik, alifatik, olefinik)
3) Sinyal gruplarındaki yarılmalar komşu gruptaki proton sayısını ve bağ özelliğini verir
4) Sıcaklık değiştirilerek moleküldeki bulunan prosesler belirlenebilir
5) Sinyal gruplarının altında kalan alanların integrasyonu, protonların sayıları hakkında bilgi verir
0301 Örnek Hazırlama
NMR spektrometresinde standart olarak genellikle tetrametilsilan (TMS) kullanılır Bu maddenin standart olarak seçilmesinin sebebi ucuz olup alımının kolay olası, kimyasal maddeler ile reaksiyona girmemesi, kaynama noktasının 15ºC olduğundan spektrum alındıktan sonra numunenin hafif ısıtılması veya çözücünün vakum ile uçurulması ile kolayca ortamdan uzaklaşması ve 12 tane eşdeğer protona sahip olduğundan çok az kullanımında bile şiddetli sinyal vermesidir
CW tekniği (değişken dalga) ile çalışsan NMR cihazlarında 10-50 mg madde, FT tekniği (Forier Transform) ile çalışan cihazlar için ise 1 mg madde analiz için yeterlidir Numune uygun bir çözücüde çözdürülerek sonra içerisinden alınan 05 mL çözelti az miktarda TMS ile karıştırılarak çapı 5 mm uzunluğu 18 cm olan NMR tüplerine koyulur Çözücüde seçilirken protonunun olmamasına veya tüm proteinlerinin döteryumla yer değiştirmiş olmasına dikkat edilmelidir Ayrıca çözücünün polaritesinin numuneyi çözmeye uygun olması da gerekmektedir Bu parametreler göz önüne alındığı taktirde CDCl3 bu yöntem için en iyi çözücüdür
0302 Kimyasal Kayma
NMR yönteminde protonlar bağlı oldukları atomlara ve konumlara göre farklı bölgelerde rezonans olurlar Protonların çevresinde bulunan manyetik alan dış manyetik alandan farklıdır Bu nedenle de protonlar farklı frekanslarda rezonans olurlar

Yukarıdaki molekülde iki tane metil grubu bulunmaktadır Fakat bu metil grupları farklı kimyasal çevreye sahipler Metillerden biri direk C atomuna bağlı iken diğeri daha elektro negatif bir atom olan O atomuna bağlı Bu nedenle metil gruplarındaki protonlar spektrumda farklı bölgelerde rezonans olurlar
Elektronlar yüklü cisimler oldukları için bir manyetik alan uygulandığında ekstra hareket yaparlar ve bu hareket bir elektrik akım oluşturur Bu nedenle de çekirdek etrafında sekonder manyetik alan oluşur Lenz yasasına göre dış manyetik alan, elektron akımı ile ikinci bir lokal manyetik alan meydana getirirse, oluşan manyetik alanın yönü dış manyetik alanın yönüne zıttır Bu nedenle çekirdek etrafındaki dış manyetik alan (Ho) şiddeti azalır Yani dış manyetik alan elektronlar tarafından perdelenir Bu olaya perdelenme (shielding) denir
Bir protonun rezonans olabilmesi için, proton çevresinde bulunan lokal manyetik alan (Hlok) önemlidir Lokal manyetik alan şiddeti de perdelenme sabitine bağlıdır Her protonun perdelenme sabiti farklıdır Çünkü protonların kimyasal çevreleri ve çevrelerinde bulunan elektron yoğunlukları farklıdır Protonların Hlok farklı olduğu içinde protonların rezonansı için farklı frekanslara ihtiyaç duyulacaktır Bu nedenle de protonların farklı bölgelerde rezonans olacaktır Bu olaya kimyasal kayma denir Kimyasal kayma işaret ile gösterilir Her cihazdaki kimyasal değeri farklılık göstereceği için kimyasal kaymayı şu şeklide formüle edebiliriz

= ( numunenin rezonans frekansı / cihazın frekansı) x 106

Bu formül kullanıldığı sürece kimyasal kayma değerleri cihazın manyetik alan şiddetine bağlı olmayacaktır Örneğin 60 MHz spektrum alındığında CH3 için kimyasal kayma hesaplandığında

= 141/60= 2,35 ppm olarak bulunurken aynı örnek100 MHz spektrumunda da
= 235 /100= 2,35 ppm olarak bulunacaktır

0303 Spektrum Yorumlanması

NMR spektrumundaki pikler bize neyi ifade eder? Bu soruya yanıt verebilmek için önce şunları bilmemiz gerekmektedir

1 Bir protonun veya özdeş protonların rezonans pikleri komşu protonlar tarafından yarılır ve bu yarılma sayısı komşu protonun sayısına bağlıdır Spin kuantum sayısı I=1/2 olan çekirdekler için komşu proton sayısı n ise pik yarılmasında gözlenecek çizgi sayısı (n+1) dirI= ½ den farklı olan çekirdeklerde ise yarılma sayısı su şekilde formül edilebilir

k=2nI+1

2 Oluşan çizgilerin şiddetler paskal üçgeni ile ifade edilir

Etkileşen proton sayısı (n) Çizgi Şiddetleri Adlandırma

0 1 Singlet
1 1 1 Dublet
2 1 2 1 Triplet
3 1 3 3 1 Kuvartet
4 1 4 6 4 1 Pentet
5 1 5 10 10 5 1 Hekstet
6 1 6 15 20 15 6 1

Bir protonun komşu protonla etkileşerek onu kaça yaracağı

k= 2nI+1 formülünden hesaplanacağını görmüştük Bu durumu aşağıdaki örneklerle inceleyelim

C1 atomuna bağlı iki tane CH3 grubu bağlı bulunmaktadır Bu metil grupları eşdeğer olduğundan ve toplam 6 tane protona sahip olduğundan C1 protonunu 7’ye yaracaktır Yani heptet bir sinyal verir

C1 atomuna bağlı CH3 ve CH2 grupları bulunmaktadır Bu iki grubun etkileşme sabitler birbirine yakın olduğu için yukarıdaki formül kullanılabilir Yani C1 atomuna toplam 5 protonun etkisi vardır Bu nedenle yarılma sayısı (n+1) den 6’dır

Yukarıdaki örnekte Cl atomuna bağlı olan CH2 (C1) grubu komşu CH2 (C2) tarafından 3’e yarılır ve Cl atomuna bağlı olduğu için daha aşağı alanlarda rezonans olurC2 karbonundaki proton toplam 5 tane komşu proton tarafından 6 ya yarılır C3 deki protonda C2 deki proton tarafından 3 ‘e yarılır

Bir başka örnek ise CH3CH2OH dir En düşük manyetik alanda (en solda) gözlenen ve diğer protonlarla etkileşmeyen pik OH grubuna ait, diğer pikler ise CH2 ve CH gruplarına ait

C1 atomuna bağlı CH3 ve CH grupları bulunmaktadır Bu iki grubun etkileşme sabitleri birbirinden farklı olduğu için spektrumunda farklı bir görüntü olacak Öncelikle CH daki proton C1 ‘i (n+1) formülüne dayanarak ikiye ayıracaktır Daha sonra CH3 deki protonların etkisi ile oluşan her bir dublet çizgici tekrar dublete ayrılır Yani burada bir protonun farklı iki proton tarafından yarılması olayı gerçekleşir

Yukarıdaki NMR spektrumu incelecek olursak yapıda farklı kimyasal çevreye sahip CH2 ve CH3 grupları var CH2 Oksijene bağlı olduğu için daha aşağı alanda rezonans olur ve komşu CH3 tarafından 4’yarılır CH3 ise CH2 tarafından 3’e yarılır

Bu örnekte ise H1 ve H2 protonu eşdeğer olduğu kabul edilirse H1 protonu, H2 protonu ve CH2 protonu ile etkileşecek Eğer etkileşmeleri aynı olsaydı H1 protonu quartet bir yarılmaya uğrayacaktı ( toplam 3 proton olduğu için n+1 den 4 yarılma) Fakat etkileşmeleri farklı olduğu için önce H2 protonu tarafından ikiye (dublet) bölünür Daha sonra bu dublet CH2 protonu tarafından triplete yarılacaktır Sinyal grubu ise altı çizgiden oluşacaktır

Bir çekirdek etrafında elektron yoğunluğu ne kadar fazla ise (elektron verici bir sübstitüent bağlanması) meydana gelecek olan alan şiddeti de fazla olacağından,kimyasal kayma yüksek alanda gözlenecektir Tam tersi durumda, bir çekirdek etrafında elektron yoğunluğu ne kadar azalır ise (elektron çekici bir sübstitüent bağlanması) kimyasal kayma aşağı alanda gözlenecektir

Benzen halkasının tüm protonları eş değer olduklarından 6 protonda =727 ppm de rezonans olur Fakat halkaya e çekici bir sübstitüent bağlandığı zaman, halkadaki e yoğunluğu azalacağı için protonların perdelenmesi azalır Bu nedenle tüm protonların kimyasal kayma değerleri düşük alana kayar