Spektroskopia 13 C NMR
Węgiel jako pierwiastek posiada dwa naturalne izotopy: 12 C (98,8%) i 13 C (1,1%);
najbardziej rozpowszechniony izotop 12 C nie posiada spinu jądrowego (I=0), przez co nie
moŜe być wykorzystywany w spektroskopii NMR;
- jedynie izotop 13 C (I= ď ) moŜe być obserwowany w metodzie NMR;
⇒ 13 C NMR jest metodą znacznie mniej czułą niŜ 1 H NMR!
- statystycznie jedynie co setny atom węgla w cząsteczce moŜe być obserwowany za pomocą
spektroskopii NMR, dlatego teŜ technika 13 C NMR jest znacznie mniej czuła niŜ 1 H NMR;
- dodatkowe obniŜenie czułości spektroskopii 13 C NMR powoduje fakt, iŜ współczynnik
magnetogiryczny g dla jądra 13 C jest około czterokrotnie mniejszy niŜ odpowiednia wartość
g dla jądra 1 H ( g 13 C » ¼ g 1 H ) i wynosi 6728 s 1 gauss 1
⇒ stąd teŜ częstość podstawowa n 13 C , przy której obserwuje się rezonans jąder 13 C w danym
polu magnetycznym B 0 stanowi ¼ analogicznej wartości n 1 H w technice 1 H NMR;
Przykład: stosując poznany juŜ wcześniej wzór: \
moŜna obliczyć, iŜ dla zewnętrznego pola magnetycznego B 0 =14092 gauss częstość
podstawowa dla jąder 1 H wynosi 60 MHz, natomiast dla jąder 13 C ok. 15,1 MHz;
problem niskiej czułości rozwiązuje się za pomocą techniki uśredniania sygnałów połączonej
z moŜliwością szybkiej rejestracji widm metodą FT NMR (patrz: teoria do 1 H NMR).
Widmo 13 C NMR (porównanie z widmami 1 H NMR)
1) Przesunięcia chemiczne sygnałów
analogiczny jak w przypadku 1 H NMR wpływ podstawników na przesłanianie (lub odsłanianie)
jąder węgla 13 C;
- stosuje się równieŜ skalę przesunięć d – w przypadku spektroskopii 13 C NMR standardowe
pomiary dotyczą zakresu 0 ok. 220 ppm (1520 razy większe wartości przesunięć
chemicznych niŜ w 1 H NMR).
1
2) SprzęŜenia spinowospinowe
a) sprzęŜenia 13 C– 13 C
Prawdopodobieństwo spotkania dwóch jąder 13 C w odległości ≤3 wiązań bliskie zero!
⇒ w widmie 13 C NMR nie obserwuje się sprzęŜeń 13 C – 13 C (niekiedy tylko celowo wzbogaca
się cząsteczki badanego związku w izotop 13 C aby wyznaczyć stałe J 13 C 13 C );
b) sprzęŜenia 13 C 1 H
- jądra 13 C i 1 H sprzęgają się ze sobą przez jedno wiązanie ze stałymi J 1 13 C 1 H wynoszącymi
120300 Hz, natomiast przez dwa lub więcej wiązań ze stałymi J 13 C 1 H o wartościach <20 Hz;
- w rezultacie otrzymuje się bardzo skomplikowane i trudne do interpretacji widma;
- dlatego w standardowych pomiarach widma 13 C NMR stosuje się tzw. szerokopasmowe
odsprzęganie;
(w tym celu oprócz właściwego impulsu potrzebnego do rezonansu jąder 13 C próbkę naświetla
się promieniowaniem radiowym pokrywającym wszystkie częstości rezonansowe jąder 1 H
⇒ spiny protonów ulegają wtedy bardzo szybkim reorientacjom, w efekcie czego sprzęŜenie
ulega uśrednieniu i zeruje się);
- w rezultacie szerokopasmowego odsprzęgania otrzymuje się widmo singletowe 13 C NMR;
Przykład: widmo 13 C NMR 3metylopentanu wykonane na słabszej klasy spektrometrze
(25,15 MHz): a) bez szerokopasmowego odsprzęgania oddziaływań 13 C 1 H;
b) z szerokopasmowym odsprzęganiem oddziaływań 13 C 1 H.
widmo 13 C NMR (75,48 MHz) maleinianu dietylowego wykonane: a) w rutynowych
warunkach z zastosowaniem odsprzęgania wszystkich oddziaływań 13 C 1 H; b) bez
odsprzęgania oddziaływań 13 C 1 H (J 1 13 C 1 H ~140Hz); c) rozciągnięty sygnał metyleno
wych at. węgla (pełna struktura multipletowa sygnałów ⇒ widoczne równieŜ sprzęŜenia
J 2 13 C 1 H ~13 Hz).
Przykład:
zaletą wynikającą z odsprzęgania jest uzyskanie czytelnego i wzmocnionego widma kosztem
utraty takich waŜnych informacji jak struktura multipletowa sygnałów oraz ich integracja;
3) Integracja
w widmie odsprzęgniętym od protonów powierzchnia pod sygnałem nie odpowiada ilości
równocennych atomów węgla , odpowiedzialnych za jego powstanie;
⇒ jest to konsekwencją zastosowania odsprzęgania szerokopasmowego, które oprócz
eliminacji struktury multipletowej widma 13 C, powoduje wzmocnienie sygnałów;
za wzmocnienie odpowiada tzw. efekt Overhausera (OE, ang. Overhauser Effect),
- wzmocnienie sygnałów dla róŜnych atomów węgla jest niejednakowe ⇒ stąd informacja
wynikająca z całkowania odsprzęgniętego widma 13 C NMR ulega zaburzeniu i dlatego
w rutynowym widmie 13 C NMR pomija się krzywą integracji;
Przykład: I. Widmo 13 C NMR kwasu mrówkowego wykonane: a) bez odsprzęgania
szerokopasmowego; b) z odsprzęganiem oddziaływań 13 C 1 H (widoczne
wzmocnienie sygnału singletowego w porównaniu z liniami dubletu). II. Widmo
1,2,2trichloropropanu (at. węgla połączone z trzema lub dwoma at. wodoru dają
zazwyczaj najbardziej intensywne sygnały w widmie 13 C NMR, natomiast te, które
nie posiadają Ŝadnego at. wodoru sygnały najmniej intensywne).
II
I
silnemu wzmocnieniu nie ulegają zazwyczaj sygnały atomów węgla nie związanych
bezpośrednio z atomami wodoru (potocznie nazywanych „czwartorzędowymi”) co moŜe
stanowić pewną przesłankę podczas interpretacji widma węglowego;
4) Wzorce przesunięć chemicznych
wykorzystuje się równieŜ np. TMS, ale ze względu na bardzo słaby sygnał tego wzorca
w widmie za punkt odniesienia najczęściej ustala się sygnał pochodzący od rozpuszczalnika
(np. od CDCl 3 – tryplet, 77,0 ppm; dimetylosulfotlenekd 6 /DMSOd 6 / septet, 39,7 ppm, itd.);
PołoŜenie i wygląd sygnałów niektórych deuterowanych rozpuszczalników uŜywanych
w spektroskopii 13 C NMR
Techniki umoŜliwiające odzyskanie informacji utraconych przez uŜycie odsprzęgania
a) tzw. metoda „offresonance” – dzięki selektywnemu odsprzęganiu od protonów otrzymuje
się uproszczone widmo, w którym widoczne są jedynie sprzęŜenia 13 C 1 H przez jedno
wiązanie; sprzęgają się więc tylko te atomy węgla 13 C, które są bezpośrednio związane
z atomami 1 H; przy przewidywaniu krotności multipletów stosuje się regułę „N+1”;
Przykład: a) widmo 13 C NMR 1,2,2trichloropropanu wykonane metodą „offresonance”; b)
widmo butan2onu wykonane metodą „offresonance” w porównaniu ze
standardowym widmem 13 C NMR tego związku zarejestrowanym z szerokopasmo
wym odsprzęganiem.
a)
b)
b) metoda DEPT NMR (ang. Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)
dzięki specjalnie dobranym warunkom pomiarów, DEPT NMR umoŜliwia rozróŜnienie
w widmie 13 C NMR sygnałów pochodzących od grup CH 3 , CH 2 , CH oraz czwartorzędowych
atomów węgla;
- eksperyment wykonywany jest zazwyczaj w trzech etapach:
1) rejestracja standardowego widma 13 C NMR odsprzęgniętego szerokopasmowo,
w którym widoczne są sygnały od wszystkich atomów węgla w cząsteczce badanego
związku;
2) rejestracja widma metodą DEPT90, w którym widoczne są tylko sygnały pochodzące
od grup CH;
3) rejestracja widma metodą DEPT135, w którym sygnały pochodzące od grup CH 3
i CH skierowane są w górę od linii bazowej (sygn. dodatnie), natomiast te sygnały,
które pochodzą od grup CH 2 w dół od linii bazowej (sygn. ujemne).