นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ของคาร์บอน-13
การ เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ของคาร์บอน-13 (C13) (โดยทั่วไปรู้จักกันในชื่อสเปกโทรสโกปี NMR ของคาร์บอน-13หรือสเปกโทรสโกปี NMR 13Cหรือบางครั้งเรียกง่ายๆ ว่าNMR ของคาร์บอน ) คือการประยุกต์ใช้สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)กับคาร์บอนซึ่งคล้ายคลึงกับNMR ของโปรตอน ( 1¹³C NMRตรวจจับเฉพาะ ¹³C NMR เท่านั้นไอโซโทปCไอโซโทปคาร์บอนหลักคือ 12Cไม่สร้างสัญญาณ NMR แม้ว่าจะมีความไวน้อยกว่า สเปกโทรสโกปี 1H NMR ประมาณ 1 ล้านเท่า แต่ สเปกโทรสโกปี 13C NMR ก็ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการจำแนกสารประกอบอินทรีย์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจาก สเปกตรัม 13C -NMR ที่แยก 1H ออกนั้นง่ายกว่า มีความไวต่อความแตกต่างในโครงสร้างทางเคมีมากกว่า และจึงเหมาะสมกว่าสำหรับการระบุโมเลกุลในสารผสมที่ซับซ้อน [ 1 ] ในขณะเดียวกัน สเปกตรัมดังกล่าวขาดข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับอัตราส่วนอะตอมของนิวเคลียสคาร์บอนประเภทต่างๆ เนื่องจากผลกระทบของนิวเคลียร์โอเวอร์เฮาเซอร์ที่ใช้ใน สเปกโทรสโกปี 13C -NMR ที่แยก 1H ออก จะเพิ่มสัญญาณจากอะตอมคาร์บอนที่มี อะตอม ไฮโดรเจนติดอยู่มากกว่าอะตอมคาร์บอนที่มีอะตอมไฮโดรเจนน้อยกว่า และเนื่องจากการผ่อนคลายอย่างสมบูรณ์ของ นิวเคลียส 13Cมักจะไม่เกิดขึ้น (เพื่อลดเวลาในการทดลอง) และนิวเคลียสที่มีเวลาการผ่อนคลายสั้นกว่าจะสร้างสัญญาณที่เข้มข้นกว่า
ไอโซโทปหลักของคาร์บอน คือ ไอโซโทป 12Cมีเลขควอนตัมสปินเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก และตรวจจับไม่ได้ด้วย NMR ส่วน 13C ซึ่งมีเลขควอนตัมสปินเป็น 1/2 มีปริมาณน้อยกว่า (1.1%) ในขณะที่นิวเคลียสยอดนิยมอื่นๆ เช่น 1H , 19F , 31Pมีปริมาณมากถึง 100 %
การเปิดรับ
สเปกโทรสโกปี 13C NMR มีความไวต่อคาร์บอนน้อยกว่าสเปกโทรสโกปี 1H NMR ต่อไฮโดรเจนมาก (ประมาณ 4 อันดับความแรง) เนื่องจาก ความอุดมสมบูรณ์ ของ 13C ต่ำกว่า (1.1%) เมื่อเทียบกับ1H (>99%) และเนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ต่ำกว่า (0.702 เทียบกับ 2.8) กล่าวอีกนัยหนึ่งอัตราส่วนไจโรแมกเนติก ( 6.728284 10 7 rad T −1 s −1 ) มีค่าเพียง 1/4 ของ1H [ 2 ]
ในทางกลับกัน ความไวของ สเปกโทรสโก ปี 13C NMR ได้รับประโยชน์ในระดับหนึ่งจากปรากฏการณ์นิวเคลียร์โอเวอร์เฮาเซอร์ซึ่งช่วยเพิ่มความเข้มของสัญญาณสำหรับอะตอม13C ที่ไม่ใช่ ควอเทอร์นารี
การเปลี่ยนแปลงทางเคมี
ข้อเสียใน "การรับรู้" ได้รับการชดเชยด้วยความไวสูงของ สัญญาณ 13 C NMR ต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีของนิวเคลียส กล่าวคือ "การกระจาย" ของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีนั้นมาก ครอบคลุมเกือบ 250 ppm การกระจายนี้สะท้อนให้เห็นว่านิวเคลียสที่ไม่ใช่1 H ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสถานะกระตุ้น ("การมีส่วนร่วมของพาราแมกเนติก" ต่อเทนเซอร์การกำบัง การมีส่วนร่วมของพาราแมกเนติกนี้ไม่เกี่ยวข้องกับพาราแมกเนติซึม ) [ 3 ] ตัวอย่างเช่น สัญญาณ 1 H NMR ส่วนใหญ่สำหรับสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่จะอยู่ภายใน 15 ppm
มาตรฐานอ้างอิงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสำหรับ 13 C คือคาร์บอนในเตตระเมทิลไซเลน (TMS) [ 4 ] ซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมีถูกกำหนดไว้ที่ 0.0 ppm ที่อุณหภูมิทุกระดับ
ค่าการเลื่อนทางเคมีทั่วไปใน13C -NMR
ค่าคงที่การคู่ควบ
โดยปกติแล้ว การคู่ควบ โฮโมโนเคลียร์13C - 13Cจะสังเกตได้เฉพาะในตัวอย่างที่เสริมด้วย13Cเท่านั้น ช่วงความถี่สำหรับพันธะเดี่ยว1J ( 13C , 13C ) อยู่ที่ 50–130 เฮิรตซ์ ส่วนพันธะคู่2J ( 13C , 13C ) อยู่ใกล้ 10 เฮิรตซ์
แนวโน้มของ J( 1 H, 13 C) และ J( 13 C, 13 C) คล้ายคลึงกัน ยกเว้นว่า J( 1 H, 13 C) จะมีค่าน้อยกว่าเนื่องจากค่าโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ของ 13 C มีค่าน้อย ค่าของ 1 J( 1 H, 13 C) อยู่ในช่วง 125 ถึง 250 เฮิรตซ์ ส่วนค่าของ2 J( 1 H, 13 C) อยู่ใกล้ 5 เฮิรตซ์ และมักจะเป็นค่าลบ
การดำเนินการ
ความไว
ผลจากการรับสัญญาณต่ำ สเปกโทรสโกปี 13C NMR จึงประสบปัญหาที่ไม่พบในสเปกโทรสโกปีโปรตอน NMR มาตรการหลายอย่างสามารถนำมาใช้เพื่อชดเชยการรับสัญญาณต่ำของนิวเคลียสนี้ได้ ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กสนามสูงที่มีรูภายในกว้างกว่าสามารถรับหลอดตัวอย่างขนาดใหญ่ขึ้นได้ (โดยทั่วไป มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. สำหรับ13C NMR เทียบกับ 5 มม. สำหรับ1H NMR) สารผ่อนคลายช่วยให้สามารถพัลส์ได้เร็วขึ้น[ 5 ]สารผ่อนคลายทั่วไปคือโครเมียม(III) อะเซทิลอะเซโทเนตสำหรับตัวอย่างทั่วไป การบันทึก สเปกตรัม 13C NMR อาจใช้เวลาหลายชั่วโมง เมื่อเทียบกับ 15–30 นาทีสำหรับ1H NMR ไดโพลนิวเคลียร์อ่อนกว่า ความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะอัลฟาและเบตาคือหนึ่งในสี่ของโปรตอน NMR และ ความแตกต่าง ของประชากรโบลต์ซมันน์ก็ลดลงตามไปด้วย[ 6 ] มาตรการสุดท้ายในการชดเชยการรับสัญญาณต่ำคือการเสริมไอโซโทป
โพรบ NMR บางชนิดที่เรียกว่าไครโอโพรบ ให้สัญญาณที่เพิ่มขึ้น 20 เท่าเมื่อเทียบกับโพรบ NMR ทั่วไป ในไครโอโพรบ อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างและรับสัญญาณ RF จะถูกรักษาไว้ที่อุณหภูมิประมาณ 25K โดยใช้ก๊าซฮีเลียม ซึ่งช่วยเพิ่มความไวได้อย่างมาก[ 7 ] ข้อเสียคือไครโอโพรบมีราคาแพง
โหมดการเชื่อมต่อ
ภาวะแทรกซ้อนที่อาจเกิดขึ้นอีกประการหนึ่งเกิดจากการมีค่า คงที่ การคัปปลิ้ง J พันธะเดี่ยวขนาดใหญ่ ระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจน (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 100 ถึง 250 Hz) แม้ว่าการคัปปลิ้งเหล่านี้อาจให้ข้อมูลได้ แต่ก็อาจทำให้สเปกตรัมซับซ้อนและลดความไวลง ด้วยเหตุผลเหล่านี้สเปกตรัม 13C-NMR จึงมักถูกบันทึกโดยใช้การแยกการคัปปลิ้ง NMR ของโปรตอนการคั ปปลิ้งระหว่างคาร์บอนสามารถละเลยได้เนื่องจากความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของ 13Cต่ำดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับสเปกตรัม NMR ของโปรตอนทั่วไปซึ่งแสดงมัลติเพล็ตสำหรับแต่ละตำแหน่งของโปรตอน สเปกตรัม NMR ของคาร์บอนจะแสดงยอดเดียวสำหรับแต่ละอะตอมคาร์บอนที่ไม่สมมูลทางเคมี[ 8 ]
นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับ1H NMR ความเข้มของสัญญาณมักจะไม่เป็นสัดส่วนกับจำนวน อะตอม 13C ที่เทียบเท่ากัน แต่ความเข้มของสัญญาณจะได้รับอิทธิพลอย่างมากจาก (และเป็นสัดส่วนกับ) จำนวนสปิน โดยรอบ (โดยทั่วไปคือ1H ) การคำนวณเชิงปริมาณจะมีความแม่นยำมากขึ้นหากเวลาหน่วงนาน กล่าวคือ หากเวลาหน่วงเกินกว่า เวลาการคลายตัวอย่างมาก
โหมดการบันทึก สเปกตรัม 13C ที่พบได้บ่อยที่สุด คือการแยกสัญญาณรบกวนโปรตอน (เรียกอีกอย่างว่าการแยกสัญญาณรบกวน โปรตอน หรือบรอดแบนด์) การแยกสัญญาณนอกเรโซแนนซ์ และการแยกสัญญาณแบบเกต โหมดเหล่านี้มีจุดประสงค์เพื่อจัดการกับค่า J ขนาดใหญ่สำหรับ13C - H (110–320 Hz), 13C - C - H (5–60 Hz) และ13C - C - C - H (5–25 Hz) ซึ่งหากไม่เป็นเช่นนั้นจะทำให้การตีความสเปกตรัม 13C ที่มีโปรตอนคู่สมบูรณ์ทำได้ยาก[ 9 ]
ในการแยกสัญญาณรบกวนโปรตอน ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมส่วนใหญ่ ตัวแยกสัญญาณรบกวนจะฉายรังสีตัวอย่างด้วย คลื่นความถี่วิทยุในช่วงกว้าง (ประมาณ 1000 เฮิรตซ์) ครอบคลุมช่วง (เช่น 100 เมกะเฮิร์ตซ์ สำหรับสนามแม่เหล็ก 23,486 เกาส์) ที่โปรตอนเปลี่ยนสปินนิวเคลียร์ การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของสปินโปรตอนจะสร้างการแยกสัญญาณแบบเฮเทอโรนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ เพิ่มความแรงของสัญญาณคาร์บอนเนื่องจากปรากฏการณ์นิวเคลียร์โอเวอร์เฮาเซอร์ (NOE) และทำให้สเปกตรัมง่ายขึ้น โดยที่คาร์บอนที่ไม่สมดุลแต่ละตัวจะสร้างยอดพีคแบบซิงเกิล
อะตอมทั้งสองชนิด ได้แก่ คาร์บอนและไฮโดรเจน ต่างก็มีสปินและมีการทำงานใน NMR โดยทั่วไปแล้ว ปรากฏการณ์นิวเคลียร์โอเวอร์เฮาเซอร์จะเกิดขึ้นเมื่ออะตอมชนิดใดชนิดหนึ่งจากสองชนิดถูกฉายรังสี ในขณะที่สเปกตรัม NMR ของอะตอมอีกชนิดหนึ่งถูกกำหนด หากความเข้มของการดูดกลืนของอะตอมที่สังเกต (เช่น อะตอมที่ไม่ถูกฉายรังสี) เปลี่ยนแปลงไป การเพิ่มขึ้นก็จะเกิดขึ้น ผลกระทบอาจเป็นบวกหรือลบก็ได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมที่เกี่ยวข้อง[ 10 ]
ความเข้มสัมพัทธ์ไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากคาร์บอนบางชนิดมีเวลาการผ่อนคลายสปิน-แลตติซ ที่นานกว่า ในขณะที่บางชนิดมีการเพิ่มประสิทธิภาพ NOE ที่อ่อนกว่า[ 9 ]
ในการแยกสัญญาณรบกวนแบบเกต ตัวแยกสัญญาณรบกวนจะถูกเกตเปิดในช่วงต้นของความล่าช้าการเหนี่ยวนำอิสระ แต่จะถูกเกตปิดสำหรับความล่าช้าของพัลส์ ซึ่งส่วนใหญ่จะป้องกันการเพิ่มขึ้นของ NOE ทำให้สามารถเปรียบเทียบความแรงของ ยอด 13 C แต่ละยอดได้อย่างมีความหมายโดยการอินทิเกรต โดยมีค่าใช้จ่ายคือความไวโดยรวมลดลงครึ่งหนึ่งถึงสองในสาม[ 9 ]
ด้วยการแยกสัญญาณรบกวนแบบออฟเรโซแนนซ์ ตัวแยกสัญญาณรบกวนจะฉายรังสีตัวอย่างที่ความถี่ 1000–2000 Hz ขึ้นไปหรือ 2000–3000 Hz ลงมาของความถี่เรโซแนนซ์ของโปรตอน วิธีนี้จะช่วยรักษาการเชื่อมต่อระหว่างโปรตอนที่อยู่ติดกับอะตอม C 13 อะตอม โดยตรงแต่ส่วนใหญ่จะกำจัดโปรตอนอื่นๆ ออกไป ทำให้สามารถมองเห็นมัลติเพล็ตแคบๆ ได้โดยมีพีคพิเศษหนึ่งพีคต่อโปรตอนที่ถูกผูกไว้ (เว้นแต่ว่าโปรตอนเมทิลีนที่ถูกผูกไว้จะไม่เท่ากัน ซึ่งในกรณีนี้อาจสังเกตเห็นคู่ดับเบิลเล็ตได้) [ 9 ]
การปรับปรุงภาพโดยปราศจากความบิดเบี้ยวด้วยสเปกตรัมการถ่ายโอนโพลาไรเซชัน
การเพิ่มประสิทธิภาพแบบไร้การบิดเบือนโดยการถ่ายโอนโพลาไรเซชัน (DEPT) [ 11 ]เป็นวิธีการ NMR ที่ใช้ในการตรวจสอบการมีอยู่ของ อะตอม คาร์บอนปฐมภูมิ ทุติยภูมิ และตติยภูมิการทดลอง DEPT แยกความแตกต่างระหว่างกลุ่ม CH, CH และ CH โดยการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์มุมการเลือก (มุมปลายของ พัลส์ 1 H สุดท้าย): มุม 135° ให้ CH และ CH ทั้งหมด ในเฟสตรงข้ามกับ CH ; มุม 90° ให้เฉพาะกลุ่ม CH เท่านั้น ส่วนกลุ่มอื่น ๆ จะถูกระงับ; มุม 45° ให้คาร์บอนทั้งหมดที่มีโปรตอนติดอยู่ (โดยไม่คำนึงถึงจำนวน) ในเฟส
สัญญาณจากคาร์บอนควอเทอร์นารีและคาร์บอนอื่นๆ ที่ไม่มีโปรตอนเกาะอยู่จะไม่มีอยู่เสมอ (เนื่องจากไม่มีโปรตอนเกาะอยู่)
การถ่ายโอนโพลาไรเซชันจาก1Hไปยัง13Cมีข้อดีรองลงมาคือช่วยเพิ่มความไวเหนือ สเปกตรัม 13C ปกติ (ซึ่งมีการเพิ่มประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อยจากปรากฏการณ์นิวเคลียร์โอเวอร์เฮาเซอร์ (NOE) เนื่องจากการแยกตัวของ1H )
สเปกตรัมการทดสอบโปรตอนที่แนบมาด้วย
อีกวิธีหนึ่งที่มีประโยชน์ในการกำหนดจำนวนโปรตอนที่คาร์บอนในโมเลกุลยึดติดอยู่คือการใช้การทดสอบโปรตอนที่ยึดติด (APT) ซึ่งสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างอะตอมคาร์บอนที่มีไฮโดรเจน ยึดติดเป็นจำนวนคู่หรือคี่ ได้ ลำดับสปินเอคโคที่เหมาะสมสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างระบบสปิน S, I S และ I S, I S ได้ โดยระบบแรกจะปรากฏเป็นยอดบวกในสเปกตรัม ในขณะที่ระบบหลังจะปรากฏเป็นยอดลบ (ชี้ลงด้านล่าง) ในขณะที่ยังคงความเรียบง่ายของสเปกตรัมไว้ เนื่องจากยังคงเป็นการแยกโปรตอนแบบบรอดแบนด์อยู่
แม้ว่าเทคนิคนี้จะไม่สามารถแยกแยะกลุ่ม CH ได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ง่ายและเชื่อถือได้มากจนมักถูกนำมาใช้เป็นความพยายามครั้งแรกในการกำหนดจุดสูงสุดในสเปกตรัมและอธิบายโครงสร้าง[ 12 ]นอกจากนี้ สัญญาณจากคาร์บอนควอเทอร์นารีและคาร์บอนอื่นๆ ที่ไม่มีโปรตอนติดอยู่ยังคงสามารถตรวจจับได้ ดังนั้นในหลายกรณีจึงไม่จำเป็นต้องใช้สเปกตรัม13 C แบบดั้งเดิมเพิ่มเติม ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบเหนือ DEPT อย่างไรก็ตาม บางครั้งอาจเป็นไปได้ที่สัญญาณ CH และ CH มีค่าการเลื่อนทางเคมีที่เท่ากันโดยบังเอิญ ส่งผลให้เกิดการหักล้างในสเปกตรัม APT เนื่องจากเฟสตรงข้าม ด้วยเหตุนี้ จึงมีการเก็บสเปกตรัม 13 C{ 1 H} แบบดั้งเดิมหรือ HSQC ในบางครั้งด้วย
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- สเปกตรัม NMR ของคาร์บอนซึ่งมีสเปกตรัมของเอทิลฟทาเลตและเอทิลเอสเทอร์ของกรดออร์โธฟทาลิก อยู่ 3 แบบ ได้แก่ แบบคู่ควบสมบูรณ์ แบบแยกคู่ควบสมบูรณ์ และแบบแยกคู่ควบนอกเรโซแนนซ์ (ตามลำดับนี้)
- สำหรับตารางแสดงค่าการเลื่อน C 13 ค่าและค่าคงที่การเชื่อมต่อโดย ละเอียด