Organik moleküllerin genelde H, C içeriğinin fazla olması ve molekül içerisindeki bu iki atom grubu hakkında fikir sahibi olundugunda, yapısının tayininde çok kolaylık saglaması son yıllarda NMR'nin yapısal analiz için kaçınılmaz olmasını ortaya çıkarmıştır.
Bir organik kimyacı için NMR spektrum yorumlanması ön planda olmasına rağmen, spektrum ölçümlerinin hangi mantığa dayandığının anlaşılması ve bu mantığın spektrumları yorumlanırken dikkate alınması çok çok önemlidir.
Genellikle atom ve özellikleri anlatılırken, çekirdek etrafında bulunan elektronların hem çekirdek etrafında hemde kendi ekseni etrafında döndüğünün anlatılması yanında, çekirdekte bulunan proton ve nötronların hareketleri hakkında pek açıklama yapılmaz. Bu da çekirdegin hareketi hakkında az bilgi ve fikir sahibi olmamıza neden olur.
Aslında çekirdekteki protonlarda kolay anlaşılması açısından çekirdek etrafında hareket eden elektronların kendi ekseni etrafında dönmesi gibi kendi ekseni etrafında dönme hareketleri yapar demek çok da yanlış olmaz.
Bu kendi ekseni etrafında dönme (Spin) hareketinin dogal bir sonucu olarak ta -1/2 ve +1/2 şeklinde iki yönelmeden bahsedilir. Bu iki yönelme I= 0 (çif sayıda proton (ve nötron) içeren atomlar, 12C, 16O, 2D vb yada 1/2 degerini ortaya koymaktadır. (Bazı çekirdeklerin I= 1,2,3.. vb yada 1/2, 3/2, 5/2 gibi degerler almasıda mümkündür)
Çekirdekte bulunan protonların spinlerinden kaynaklanan elektromanyetik davranı?ları, proton ve nötronları ve bunlardan kaynaklanan elektromanyetik etkile?imlerin birbirleri ile yok edilmesi yada yok edilememesi mantığı ile ba?lar.
Bir orbitalde bulunan iki elektron gibi, ters yönde spin yapan protonlar birbirlerinin elektromanyetik etkilerini sıfırlarlar. Bu sayede çekirdegin belirli bir manyetik alanı olmadığını söyleyebiliriz.
Kendi manyetik alanı olmayan taneciklerde manyetik alandan etkilenmezler. (C12, O16 vb.)
Organik kimyada en sık kullanılan elemetler 1H, 13C, 19F, 31P hepside I=1/2 degerine sahiptir
.
NMR çalışma mantığı kısaca şöylece açıklanabilir.
1. Kendi ekseni etrafında dönen yüklü parçacıklar elektiriksel ve magnetik alan oluştururlar.(m)
2. Bu atomlar daha güçlü bir magnetik alana koyulduklarında (B0), +1/2 ve -1/2 olmak üzere iki magnetik sipin ortaya çıkar. Uygulanan dış magnetik alanın yönüne baglı olarak atomun kendi sipininden kaynaklanan manyetik alan toplanır yada çıkarılır, böylece daha yüksek ve daha düşük enerjili çekirdekler ortamda bulunmaya başlar.
3. Çekirdekte oluşan manyetik alanın çok küçük, uygulanan manyetik alanın ise göreceli olarak çok büyük olması, çıkarma ve toplama sonucu ortaya çıkan farkın oldukça küçük olmasını ortaya koyar. Bu fark aslında uygulanan dış magnetik alanlar ile degişmektedir. Her hangi bir dış magnetik alan uygulanmadığında bu enerji farkının olmayacagı açıktır.
4. NMR spektroskopisi temelde, dışarıdan uygulanan ek magnetik alanla ortaya çıkan farklılığın, radio frekansları gönderilerek eşitlenmeye çalışılması (rezonans) temeline dayanmaktadır.
UV ve IR ye göre çok çok küçük fark olan bu durum için radio frekansı yeterli gelmektedir.
NMR spektroskopisinde de diger spektrofotometrelerde olduğu gibi örnek seyreltik ortamda incelenmelidir. Bunun için NMR si alınacak örnek çözelti NMR için hazırlanmış 5 mm çapında 15 cm büyüklüğünde cam tüp içerisine (NMR tüpü) alınır ve güçlü magnetik alanın arasına koyulur. Örnek üzerine uygun enerjide radio frekansı gönderilir. Sonra örnegin absorbladığı radio frekansını emitte etmesi beklenir ve dedektör yardımı ile tekrar yayınlanan frekans algılanır. Bu degişim dışarıdan uygulanan magnetik alanla ilişkili olduğundan ölçüm boyunca uygulanan manyetik alan sabit tutulmalıdır.
Protonların birbirinden farklı davranmasının nedeni etrafındaki elektron yogunluğu olarak açıklanmaktadır.
Protonun gösterecegi manyetik özelliklerin aslında eşit ama etrafındaki elektron yogunluğunun etkisiyle manyetik ortamda farlılık gösterdiği kabul edilirse, NMR spektroskopisinin verecegi spektrumların anlaşılması da oldukça kolaylaşır.
Yukarıda bahsedilen uygulanan magnetik alana göre bu farklılık oldukça küçüktür ve milyonda bir (parts per million=ppm) olarak ifade edilir.
.Genelde NMR de magnetik alan farklılıklarının verilmesi yerine frekans skalası kullanılır. Organik moleküllerin proton rezonansları 0-12 ppm arasına düşer. Bu küçük aralığın incelenmesi ve hidrojen farklılıklarının anlaşılabilmesi için oldukça duyarlı cihaz ve sistem gerekmektedir.
NMR sinyalleri dışarıdan uygulanan magnetik alan ve radio frekanslarına baglı olarak degişmektedir. Buda standartlaştırma gerekliliğini ortaya çıkarır standart bir magnetik alanda radiofrekansı degişikliği yada standart radio frekansı altında magnetik alan degişikliği ile incelenir.
Bu problemi ortadan kaldırmak için NMR ölçümleri esnasında bir standart madde eklenmesi gerekir. Bu madde hidrojen atomunu elektron yogunlugunu elektronegativitesi ile çok etkilemeyen ve çözünürlük problemi olmayan tetrametilsilan -TMS dir. TMS nin tüm hidrojenleri eşdegrdir ve aynı noktada çıkar bu nokta referans olarak alınır(O noktası) bu noktaya göre diger hidrojen atomlarının nerede çıktığının yorumuna ise kimyasal kayma denir, birimi ppm dir ve d simgesi ile işaretlendigirilir..
NMR ölçümlerinin alınmasında da spektrumu alınacak moleküllerin bir birlerinden oldukça uzak olması -seyreltik- en tercih edilen durumdur. Çözücü olarak kullanılan madelerde de genelde hidrojen atomlarının bulunması spektrumda şiddet problemini ortaya çıkarmaktadır. Hidrojen içermeyen çözücüler CCl4 gibi bulunmakla birlikte genelde her madde için çözünürlükleri iyi olmamaktadır. Çözüm olarak magnetik alandan etkilenmeyen dötero yapıları kullanılmaktdır. En yaygın olarak kullanılan ve ilk denenen çözücü dötero kloroform olmakla birlikte, dötero su, etilalkol, dimetilsülfoksit gibi çözücüler de yaygın olarak kullanılmaktadır.
From the previous discussion and examples we may deduce that one factor contributing to chemical shift differences in proton resonance is the inductive effect. If the electron density about a proton nucleus is relatively high, the induced field due to electron motions will be stronger than if the electron density is relatively low.
Bekide NMR spektrum yorumu yapmadan önce kaba bir bakış için bilinmesi gereken hidrojen atomu etrafındaki elektron yogunluğudur diyebiliriz. TMS ile karşılaştırıldıgında bir hidrojen atomunun etrafındaki elektron yogunluğu baglı bulundugu atomların elektronegativitesine, perdeleme yada perdelememe etkisine baglı olarak degişecektir. TMS değeri 0 ppm olarak kabul edildiginde Si elektronegativitesinin C elektronegativitasinden az olması nedeni ile karbon atomuna baglı hidrojen atoplarında dahi elektron yoğunluğunun TMS ye göre daha az oldugunu ve perdelemenin daha az olacagını anlarız. Böylece rf sinyallerinin çekirdekteki protonlara ulaşması ve geri dönüşü- dolayısylede-uyarma ve rezonansın daha kolay olacagı anlaşılır. Daha az bir magnetik alan gerektirmeside ppm olarak 0 degerinden yavaş yavaş artış göstermeye neden olur. Bunun için elektro negatif atom içermeyen moleküllerde karbon atomuna baglı C-H lar 0-1gibi küçük degerlerde çıkarlar. RCOOH asit protonu gibi etrafında oldukça az elektron yogunluğu bulunan-perdelemesi çok çok az olan- hidrojen atomların kimyasal kayması ise oldukça fazladır yaklaşık olarak 11-12 ppm civarına kadar kayar.
Her ne kadar proton kimyasal kayma degerleri için tablolar hazırlanmışsa da çoğu zaman iyi bir organik temeli ile yaklaşık olarak pikleri ve yerlerini tahmin etmek mümkün olmaktadır. Her zaman bu kalabalık tabloya bakmak gereksiz olsada, bazen karışık ve büyük moleküller için gerekli olmaktadır.
NMR spektrumunda sinyal güçleri çözeltideki madde konsantrasyonlarına baglıdır. Böylece seyreltik olan çözeltiler azyıf sinyaller verir. Derişimi artırmak pik şiddetininde artması sonucunu dogurur. Aynı konsantrasyonda farklı maddelerin piklerinin alınması ile de pik şiddetlerinin eşdeger hidrojen sayılarına baglı olarak degiştiği gözlenir. 6 eşdeger hidrojen içeren benzen ve 12 eşdeger hidrojen içeren siklohekzanın eşdeger konsantrasyonda NMR spektrumları alınırsa. Siklohekzan NMR spekrum pik intensitisi-şiddeti-benzenin iki katı çıkar.
Bu bir molekülde farklı sayıda eşdeger hidrojen olması temeline dayanan çok faydalı bilgiler verir. Bu bilgi kimyasal kayma yanında kaç tane hidrojen atomu içerdigi bilgisi ile birleştirildiginde, molekülün hangi hidrojenlerinin nerede çıktıgının anlaşılmasında büyük kolaylık saglar.
Burada her bir pikin kaç hidrojene denk düştügünün bilinmesi biraz sorunlu olmakla beraber, piklerin birbirlerine oranından hidrojen sayıları bagıl olarak hesaplanabilir. Yani kesin sayılar yerine birbirlerine göre katsayılar şeklinde bulunur. Basit molekül formülü hesabına benzeyen bu integrasyon yönteminde yaklaşık degerleri tahmin etmek çogu zaman mümkündür.
Hetero atomlara direk baglı hidrojen atomlarının diger atomlarda bulunan elektrob çiftleri ile hidrojen bağı yaptıgı çok iyi bilinen bir gerçektir. Hidrojen bağı yapma esnasında protonun elektron yogunluğundaki degişikliklerinde anlaşılması çok kolay olacaktır. Bir protonun kimyasal kaymasının etrafındaki elektron yogunluğuna bağlı oldugu düşünüldüğünde, hidrojen bagı yapma ihtimali olan protonların nerede çıkacagının tam belirli olmayacagı kesindir. Normal NMR piklerine göre daha yayvan ve şiddeti daha az uyum içerisinde ki bu pikler çogu zaman çözelti ortamına agırsu diye adlandırılan D2O eklenmesiyle kaybolurlar. Burada çözücü içerisine eklenen agırsudan döteryum atomları molekülün hetero atomuna baglı protonlarla yerdegiştirip pikin kaybolmasına neden olmaktadırlar.
Proton kimyasal kayma degerlerinde çift ve üçlü bağların pik degerlerinde beklenen elektron yogunlugu degerlerden biraz farklılık gözlenir. Bu durum p-elektron etkisi diye açıklanır. Çift bağlarda yada üçlü baglarda elektronların haketetliliği ve etkisi katılma tepkime mekanizmaları düşünüldügünde kolayca anlaşılşır. Kimyasal kayma degerlerinin elektron yogunluğu ilişkisi ve p-bağlarının elektron loblarının uzandıgı geometri (HOMO) ile karşıt bağlarının (LUMO) bulundugu alanlar göz önünde bulunduruldugunda beklenmeyen bu degerlerin aslında oldukça mantıklı oldugu kolayca anlaşılır. İndüktif olarak bağ üzerinden elektron çekme yada verme dışında komşu gruplardaki elektron yoğunlugununda protonu etkilemesi oldukça önem kazanır. Örnek olarak benzen halkası üzerindeki protonların 7.2 ppm civarı çıkmasının nedeni, hidrojen atonlarının benzen halkası düzleminde bulunması p-elektronlarının ise molekül düzleminin üzerinde ve altında bulunması- perdelememe- bölgesi bulunmasıdır. Her ikisininde p-yapısı içermesine ragmen aromatik hidrojenlerin (7.3 ppm) alken yapısına (5-6 ppm) göre daha da yukarıda çıkmasının sebebi benzen halkasında rezonans dolayısıyle indüktif etkinen biraz daha fazla gözlenmesidir. Ayrıca benzen halkasının arometik yapısı elektron bulutunun sürekli aynı yönde hareket etmesine ve kendi içerisinde yeni bir magnetik alan oluşturmasıda dikkatten kaçmamalıdır. Bu kendi kendine oluşturdugu magnetik alan aromatik hidrojenlerin elektron yogunlugu dışında birde ektra magnetik alana maruz kalmalarına neden olur.
Alkin yapısında ise p-bağı elektronları protonla aynı düzlemde ve elektron yogunlugunun hidrojenler üzerinde toplanmasına neden olması dolayısıyle, alkinde hidrojenler elektronca zenginleşmiş böylecede kimyasal kayma alkendeki kadar fazla olamamıştır (4-5 ppm).
Şimdiye kadar anlatılanlardan basitçe eşdeger hidrojenlerin aynı kimyasal kayma degerlerine sahip olacagını ve aynı degerde (ppm) çıkacağını anladık. Bu yaklaşımla düşünüldüğünde belli bir ppm de düz çizgiler şeklinde beklenen NMR spektrumları genellikle gidrojen sayılarına baglı olarak ve özelliklede komşu karbon atomundaki hidrojen atomlarına baglı olarak çoklu piklerin örtüşmesi şeklinde gözlenir. İlginç olan bo piklerin çogu zaman simetrik bir şekil vermesidir. Komşu iki karbon atomu üzerinde kimyasal çevreleri farklı hidrojen atomları bulunduran moleküllerin NMR spektrumlarında beklenen yerde ama tek bir çizgiden çok o pikin yarılmış şekilleri gözlenir.
Buna neden hidrojen atomlarının çekirdeklerinin kendi ekseni etrafında döme (spin) yaparak kendi içinde magnetik alan oluşturması ve bu kendi magnetik alanındanda komşu karbonda bulunan hidrojen atomlarının etkilenmesidir. Komşuda bulunan hidrojenlerin spinlerine baglı olarak (-1/2 ve + 1/2) her bir hidrojen piki-çizgisi- ikiye yarılır. Bu sayede komşuda bulunan hidrojen sayısından bir fazla pik gözlenmiş olur. Kısaca CH3 pikleri dörtlü, CH2 pikleri üçlü CH pikleri ise ikili olarak çıkmış olur. CH2 ve CH ifadelerinde sadece bir tarafta komşu hidrojenler oldugu kabul edilmiştir. Her iki tarafında da hidrojen atomu içeren komşuların toplam hidrojen sayılarına dikkat edilmelidir.
CH3-CH2-CHCl2 için CH3 pikleri komşu CH2 ye bağlı olarak üçlü- CH2 pikleri komşu CH3 ve CH a baglı olarak dörtlü-CH pikleri komşu CH2 ye baglı olarak üçlü çıkacaktır.
Aşağıda bazı NMR spektrum örnekleri verilmiştir. Eşdeger hidrojen kimyasal kayma ve yarılmalara dikkat ediniz.
Bazı H-NMR Örnekleri
Spin spin eşleşmesinde dikkat edilmesi gereken şey henhangi bir hidrojenin yardıgı diger hidrojen aynı hidrojeni aynı dagerde yarar. Bunun anlamı pik tepecikleri arası uzaklıklara bakıldıgında (J degeri) aynı degerde başka yarılmalarda olmasıdır ki bu da hangi hidrojenin hangi hidrojenle eşleştiginin anlaşılmasında büyük kolaylık saglar. J degerleri hem hidrojenin çevresel etkilerini hemde kimle etkileştiğinin anlaşılmasında kolaylıklar saglamaktadır. İkinci dikkat edilmesi gereken konu ise pik yarılmalarındaki simetridir. spin spin eşleşmesinden kaynaklanan piklerde yarılma çok simetriktir ve pikler dıştan içe dogru büyür. Yani en dışta kalan en küçük en içte olansa en büyüktür, bunun nedeni binom açılımı benzeri bir yarılma şeması ile daha kolay anlaşılır.
Komşu hidrojenlerin eşit kimyasal çevreye sahip olmamaları durumunda piklerin geometrik şekillerindeki simetrinin bozulacagına ve bazen karışabilecegine dikkat ediniz. Aynı J- degerine sahip olmayan protonların yarılmaları komşu hidrojen atomlarının sayısından bir fazla yarılma gözlenir ifadesini yanlış çıkarır ve beklenenden daha fazla sayıda pik gözlenmesine neden olur.
Örnek olarak alkenik yapıdaki hidrojenler indüktif açıdan eşdeger düşünülmesine ragmen konformasyonel ferklılıkları dolayısı ile kimyasal çevreleri birbirinden farklıdır. Alken yapısında bu durum çogunlukla simetrik pik gözlenmesine engel olur komşuda bulunan hid rojenlere göre, ikili, ikilinin ikilisi, ikilinin ikilisinin ikilisi şeklinde gözlenir.