Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi Atomu oluşturan yüklü taneciklerden elektronlar, kendi etraflarında dönerler yani bir “spin” hareketi yaparlar. Atom çekirdeklerinin çoğu da “spin” hareketi yaparlar. Atom çekirdeklerinde proton ve nötron sayıları çift sayılı ise (4He, 12C, 16O gibi) bu çekirdeklerin net spini yoktur. Çekirdekteki nötron ve proton sayıları tek sayılı ise yani nötron ve proton sayılarının toplamı çift sayılı ise çekirdeğin net spini tam sayıdır. Çekirdekteki nötron veya proton sayısı tek sayılı ise spini yarımlı değer alır.

Kendi ekseni etrafında dönen yüklü bir parçacık, dairesel bir elektrik alanı oluşturur ve bu akım bir manyetik alan yaratır. Spin hareketi yapan yüklü bir tanecik, küçük bir mıknatıs gibi davranır ve dolayısıyla dıştan uygulanan bir manyetik alandan etkilenir. Manyetik alan içinde tutulan yüklü bir taneciğin oluşturduğu manyetik dipol, bu alan içinde Lamor dönmesi hareketini yapar.

Manyetik alan etkisinde olan ve spin hareketi yapan ve net spini olan çekirdek h enerjisine sahip bir ışıma ile etkileşirse, bu ışımanın frekansı Lamor hareketinin frekansına eşit olduğu zaman rezonans koşulu sağlanmış olur ve ışık absorplanır. Manyetik alan içinde tutulan bir çekirdeğin elektromanyetik ışımayı önemli ölçüde absorplaması için, örnek içerisindeki bolluğu çok olmalı ve büyük bir manyetik moment değerine sahip olmalıdır. Bu iki özelliği bir arada taşıyan çekirdekler 1H, 19F, 31P’dur.

Uygun bir radyo dalgası fotonu ile etkileştiğinde proton manyetik rezonansa gireceğinden 1H-NMR yöntemiyle bir örnekte hidrojen atomu olup olmadığını anlamak ve varsa ne kadar hidrojen atomu olduğunu ölçmek mümkündür. Farklı kimyasal çevreye sahip çekirdeklerin uygulanan radyo dalgası fotonu ile farklı manyetik alanlarda rezonansa girmesine kimyasal kayma denir. Kimyasal kayma değerlerini birbirleri ile karşılaştırabilmek ve tablo haline getirebilmek için incelenen örnekle beraber bir karşılaştırma maddesinin de kullanılması gerekir. ????

NMR ‘ın Çalışma İlkesi Bazı elementlerin çekirdekleri ve elektronları güçlü bir manyetik alana maruz kaldığında, 4-900 MHz (75m -0,33m) aralığındaki Radyo frekansı aralığındaki elektromanyetik ışınların absorpsiyonuyla, dönme enerji seviyelerine uyarılır. Oluşan bu yeni düzeyler arasındaki enerji farkı çok küçük olup, bu düzeyler arasındaki geçişler, ancak uzun dalga boylu (veya düşük frekanslı) ışın absorpsiyonu ile gerçekleştirilirler. Çekirdek ve elektronların manyetik alanda absorpsiyonu sıra ile nükleer manyetik rezonans (NMR) ve elektron spin rezonans (ESR) teknikleriyle incelenir. NMR spektroskopisi kovalent bileşiklerin yapılarının aydınlatılmasında kullanılır. 1H, 11B, 13C, 15N, 31P, 19F vb. NMR’ ları vardır.

NMR nerelerde kullanılır ? Organik maddelerin Kimyasal yapılarının belirlenmesinde Tıbbi Görüntüleme Uygulamalarında Proteinlerin Araştırılmasında Kantitatif Analizlerde

Elektromanyetik Spektrum E = hn n = c / l

NMR ALIRKEN NE OLUYOR? Manyetik Alan Radyo dalgası Örnekteki Nükleer mıknatıs Radyo dalgası Felix Bloch Edward Purcell

Nükleer Spin NMR Spektrum NMR mıknatıs NMR Spectrumu Manyetik Alan Nükleer manyetik dipol Radyo frekansının gelişiyle frekansın nükleer dönmesi ölçülür. NMR mıknatıs NMR Spektrum NMR Spectrumu keskinlik frekans

Kuantum mekaniğine göre spin hareketine giren yüklü bir taneciğin açısal momenti kuantlaşmış olup bu açısal momentumun belli bir eksen yönünde (2I+1) bileşeni vardır. Spin kuantum sayısı 1/2 olan bir çekirdek için manyetik alanda, 2(1/2) + 1 = 2 enerji düzeyi oluşur ve 2 tane enerji yarılması görülür.

Spin kuantum sayısı I=1, (2I+1) =3 olan atomda çekirdeğe ait 3 adet enerji yarılması ve buna bağlı alınan spektrumda 3 pik gözlenir.

Bu cihazlar kimyacıların yanı sıra; fizikçi, biyokimyacı, eczacı ve hekimler tarafından da moleküllerin yapı tayininde ve bazı fiziksel özelliklerinin incelenmesinde kullanılmaktadır. Tıp biliminde tanı ve tedavi amacı ile uygulanmaya başlanan NMR görüntüleme yöntemi, her geçen gün ülkemizde de yaygınlaşmakta olup Röntgen cihazlarının kullanımını zamanla tamamen ortadan kaldıracaktır. NMR görüntüleme yönteminin a) radyo dalgaları ile çalışması nedeniyle insan sağlığına zararsız olması, b) iyonlaştırıcı ışın kullanılmaması, c) katı ve yumuşak doku ayrımı yapabilmesi, d) gerektiğinde yumuşak dokuyu ön plana çıkarması, e) anatomik bilgilerin yanı sıra, fizyolojik bilgiler vermesi,

Tüm NMR deneyleri, alt enerji seviyesinde bulunan bir çekirdeğin dışarıdan verilen bir enerji ile üst enerji seviyesine geçmesi ile gerçekleşir. Proton, manyetik alan içerisine getirildiği zaman,iki farklı enerji seviyesine dağılır. Alt seviyede bulunan proton (manyetik momenti dış manyetik alan ile paralel olan) enerji alarak üst seviyeye geçer. Protonun manyetik momenti dış manyetik alanın yönü ile antiparalel yönlenir. Bu olaya spin çevrilmesi veya genel olarak rezonans denir.

Çekirdeğin Spin Kuvantum Sayısı Elektronda olduğu gibi atom çekirdeğinin de spin kuvantum sayısı vardır. Çekirdeğin spin kuvantum sayısı I, çekirdekte bulunan proton ve nötronların sayısına göre değişmektedir. Bir elementin izotopları farklı spin kuvantum sayısına sahiptir. Atom çekirdekleri, içerdikleri proton ve nötron sayılarına göre üç grup altında toplanırlar.

1) Çift-Çift Çekirdekler: Kütle numarası ve atom numarası çift sayı olan elementler bu gruba girerler. Bu izotopların proton ve nötron sayıları çifttir. Örneğin, 12C ve 16O bu gruba dahildirler. 12C çekirdeğinde 6 proton ve 6 nötron bulunur. Aynı şekilde 16O çekirdeğinde de eşit sayıda, 8 proton ve 8 nötron bulunur. Bu gruba dahil olan tüm izotopların spin kuvantum sayıları I = 0'dır. Bu elementler NMR spektroskopisinde aktif değildirler.

2a) Tek-Tek Çekirdekler: Kütle numarası ve atom numarası tek olan elementlerdir. Bu gruba dahil elementlerin proton sayısı tek, nötron sayısı çifttir. Örneğin; 1H, 11B, 19F, 31P bu gruba ait olan izotoplardır. 1H yalnız tek bir proton içerir, nötronu yoktur. 19F'un 9 protonu ve 10 nötronu vardır. Bu elementler NMR spektroskopisinde aktiftirler.

2b) Tek-Çift Çekirdekler: Kütle numarası tek, atom numarası çift olan elementlerdir. Bu gruba ait olan elementlerin proton sayısı çift, nötron sayısı tektir. Örneğin, 13C, 170, 33S bu gruba giren izotoplardan bazılarıdır. 13C'ün 6 protonu ve 7 nötronu vardır. Aynı şekilde 170'de 8 proton ve 9 nötron bulunur. Bu elementler NMR spektroskopisinde aktiftirler. Genel olarak ikinci gruba dahil olan elementlerin spin kuvantum sayıları I = 1/2 ve tek katlarıdır.

3) Çift-Tek Çekirdekler: Kütle numarası çift, atom numarası tek olan elementlerdir. Bu gruba dahil olan izotopların nötron ve proton sayısı tektir. Örneğin; 2H (D), 10B, 14N, 180 bu gruba dahildir. 2H'nin bir protonu ve bir nötronu vardır. 14N'un 7 protonu ve 7 nötronu bulunur. Bu grupta bulunan elementlerin spin kuvantum sayısı tam sayılardan oluşur, Bu elementler NMR spektroskopisinde aktiftirler. l = 1, 2, 3, 4, 5 gibi.

Görüldüğü gibi, spin kuvantum sayısına göre, izotoplar üç grup altında toplanır. Eğer bir çekirdekte proton ve nötron sayısı çift ise, bu parçacıkların dönüşümleri birleşir, yani bir nükleon bir yönde dönüyorsa diğer nükleon aksi yönde döner ve çekirdek toplam net dönüşüm göstermez. Bu nedenle birinci gruba dahil olan izotopların spin kuvantum sayısı I = 0'dır. Bir elementin NMR spektroskopisinde gözlenebilmesi için o elementin spin kuvantum sayısının I > 0 olması gerekir.

NMR Ölçümü için Numunelerin Hazırlanması Ölçülecek olan numunenin bir çözücü içerisinde çözülmesi şarttır. Hazırlanan numune NMR tüpüne konur. NMR tüpü 18 cm boyunda 0.5 cm çapında özel bir camdan imal edilmiştir (Şekil 18). Ölçülecek numunenin çözeltisi hazırlandıktan sonra özel cam krozeden süzülmesi tavsiye edilir. Ortamda herhangi bir yabancı maddenin olmaması gerekir. Özellikle çözelti içerisinde yüzen, çıplak gözle zor görülen çok küçük parçacıklar (örneğin; filtre kağıdının tüyleri) manyetik alanın homojenliğini bozar ve pikler genişler.

Tüpe doldurulan numune yüksekliğinin 4-5 cm civarında olması gerekir. Çözücü miktarı az olduğu zaman spektrum kaydı mümkün olmaz. Aşırı çözücü alındığı zaman da, hem maddenin konsantrasyonu azalmış olur, hem de pahalı çözücü boş yere kullanılmış olur. Bunun yanı sıra, aşırı çözücü ile dolu bir tüp dönme sorunu yaratır.

NMR ölçümlerinde çözücü seçimi önemlidir. Alınan çözücü miktarı (500 mg) ile numune miktarını (150 mg) kıyasladığımız zaman, çözücü miktarının 10-100 katı daha fazla olduğunu görmekteyiz. Böyle bir durumda, eğer çözücü molekülleri proton içeriyorsa, bunların sinyalleri de NMR spektrumunda gözlenecek ve pik şiddetleri, numuneye ait piklerin 10-100 katı olacaktır. Bu durumda çözücü pikleri, numune pikleri ile çakışacak ve spektrum yorumu yapmak mümkün olmayacaktır.

O halele, seçilecek olan çözücüde aranacak bazı özelliklerin olması gerekir. Çözücü, ya proton içermemeli, (karbon tetraklorür, tetrakloretilen, karbondisülfür gibi), ya da çözücü protonları döteryum (D) ile değiştirilmelidir. Proton içermeyen çözücülerden CCI4 sık kullanılır ve en ucuz çözücüdür. Ancak, polaritesinin düşük olması, her zaman kullanım alanını sınırlamaktadır. Polar bileşiklerin çözünebilmesi için, polar çözücülerin kullanılması gerekir. En yaygın kullanılan döteryumlu polar çözücü kloroform ve sudur (CDCI3, D2O).

Spektrumu kaydedilecek bileşiğin çözeltisine TMS ilave edilir ve NMR spektrumu kaydedilir, herhangi bir protonun rezonans frekansının standardın (TMS ) rezonans frekansına olan uzaklığına kimyasal kayma denir. 13

Pik Yerlerinin Belirlenmesi: NMR Spektrumlarında Skala Protonların farklı manyetik alanların etkisi altında kalarak, farklı yerlerde rezonans olduklarını kalitatif olarak açıkladıktan sonra, rezonansların bir skala ile belirlenmesi gerekir. Rezonans yerlerinin belirlenmesi için standart bir sinyal alınır ve diğer rezonansların standart sinyalinden olan uzaklığı Hz olarak verilir, böylece sinyallerin yerleri saptanmış olur. NMR ölçümlerinde standart olarak tetrametilsilan (TMS) kullanılır.

TMS'ın standart olarak kullanılması, bu bileşiğin bir çok özelliğinden kaynaklanmaktadır. Standardın en büyük özelliği; organik bileşiklerin % 99'dan daha fazla bir bölümünün, standart sinyalinin solunda rezonans olmasıdır.

1) TMS, ucuz olup temin edilmesi kolaydır. 2) TMS, ölçülen bileşiklerle kesinlikle reaksiyona girmez. 3) TMS'in kaynama noktası Kp =27°C olduğundan, spektrum kaydından sonra, numunenin hafif ısıtılması veya çözücünün vakumda uçurulması ile TMS kolayca ortamdan uzaklaştırılabilir. Bu nedenle TMS herhangi bir şeklide safsızlık oluşturmaz. 4) TMS'in 12 tane eşdeğer protonu olduğundan, konsantrasyonu düşük tutulsa bile şiddetli bir sinyal elde edilir.

Bir bileşiğin kapalı formülü verildiği zaman, o molekülde bulunan çift bağ ekivalenti (molekülde bulunan çift bağ ve halka sayısının toplamı) eşitliği aracılığı ile kolayca bulunur. Molekülde halojen atomu varsa bunlar bir proton olarak dikkate alınır. Örneğin bu eşitliği benzen halkasına (C6H6) uyguladığımızda bulunur. Bu değer, benzen molekülünde üç çift bağın ve bir de siklik yapının olduğu anlamına gelir. Ancak, elde edilen çift bağ ekivalent sayısından, kaç çift bağ veya kaç siklik yapının olduğuna doğrudan karar vermek mümkün değildir.

Elektron Yoğunluğunun Kimyasal Kaymaya Etkisi

En elektronegatif halojen flor olduğundan, CH3F molekülünde protonların çevresinde elektron yoğunluğu, diğer metil halojenür bileşiklerine göre daha azdır. Bu nedenle, kimyasal kayma değeri en fazla aşağı alana kayan bileşik, CH3F'dir (δ = 4.3 ppm). Karbon atomuna bağlı halojen sayısı arttıkça, kimyasal kayma değerlerinin de o oranda aşağı alana doğru kaydığını ve sonuçta indüktif etkinin kimyasal kayma üzerine olan etkisinin toplamsal olduğunu, Tablo III.3'ten görmekteyiz.

Hibritleşmenin kimyasal kaymaya etkisi : Proton etrafındaki elektronların s karakteri, protonun bağlı olduğu karbonun hibritleşme türüne bağlı olarak sp3 < sp2 < sp sırasında artar, s Karakterinin artması elektronların daha sıkı tutulması nedeniyle proton etrafındaki elektron yoğunluğunun azalmasını sağlayacağından proton daha az perdelenir ve δ artar.

Sübstitüe Aromatik Bileşiklerin Kimyasal Kayma Değerleri ve Sübstitüent Etkisi Benzen halkasında, tüm protonlar eşdeğer olduğundan, 6 proton 7.27 ppm'de rezonans olur. Benzen halkasına herhangi bir substituent bağlandığı zaman, sübstitüentin elektronik yapısına bağlı olarak, halkada elektron yoğunluğu artar veya azalır. Halkaya elektron çekici bir grup bağlandığı zaman, halkada elektron yoğunluğu azalacağından, halka protonlarının perdelenmesi de azalır. Sonuçta, tüm protonların kimyasal kayma değerleri, aşağı alana doğru kayar.

NMR Sinyalleri • Sinyallerin sayısı kaç değisik çesit proton olduğunu gösterir. • Sinyallerin pozisyonu (kimyasal kayma) protonun ne miktarda perdelendiğini gösterir. • Sinyallerin siddeti o tip protonlardan kaç adet olduğunu beliritir. • Sinyallerin yarılması komsu atomların üzerinde kaç adet proton olduğunu belirtir

Doymamışlık derecesi = 2 molekülde iki adet çift bağ vardır Doymamışlık derecesi = 2 molekülde iki adet çift bağ vardır. NMR spektrumunda bir adet Singlet pik görüldüğünden molekülde tek çeşit proton vardır diyebiliriz. O halde molekül hem iki adet ikili bağ içerecek hem de 12 proton simetrik bir şekilde yer alacak. Böylece molekülün açık formülü şöyle olmalıdır.

Sinyal Yüksek alan Düşük alan TMS Asetonun 1H NMR spektrumu (CH3)4Si Kimyasal kayma = Sinyalin frekansı-TMS nin frekansı(Hz).106 Spektrometrede kullanılan radyodalga frekansı(Hz)

Metil Asetatın 1H NMR spektrumu 2 farklı sinyal/ 2 tiphidrojen a b b a Yüksek Alan : Çekirdek perdelenir. Düşük Alan ; Elektronegatif atoma bağlı çekirdek perdelenmez.

3 H 5 H 2 H 1H NMR – 3 sinyal, 3 tip hidrojen Pikin Integral değeri H sayısı hakkında bilgi verir. b a 3 H 5 H 2 H a b TMS c Yüksek alan -perdelenir Düşük Alan-perdelenmez

Metil etil keton

Esdeğer protonların esit kimyasal kayma gösterir.

Her pikin altındaki alan proton sayısı ile doğru orantılıdır. • Đntegral çizgisi ile gösterilir (çizginin uzunluğu veya yüksekliği önemlidir).

molekülünde iki metil grubu vardır molekülünde iki metil grubu vardır. Bunların biri karbon atomuna, diğeri ise daha elektronegatif olan oksijen atomuna bağlı olup, ilgili spektrumdan da görüldüğü gibi, farklı yerlerde rezonans olurlar (Şekil 12).

p-metilbenzilnitrilin (Şekil 14) NMR spektrumunda farklı bölgelerde üç pik grubu görülmektedir. Bu, molekül yapısında, üç farklı proton grubunun olduğunu ortaya koymaktadır. Molekülde aromatik, metilen ve metil protonları bulunmaktadır.

Molekül formülü C9H10O olan bir bileşiğin yapısal formülü nedir?