12.13: Використання спектроскопії ЯМР ¹ ³C

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23911

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Інтерпретація спектрів ЯМР ¹³ С не є частиною хімії 350; отже, ви можете опустити Розділ 13.7. Зацікавлені студенти можуть захотіти прочитати цей розділ з метою збагачення.

Особливості спектра ЯМР С-13

Бутан показує два різні піки в спектрі ЯМР ¹³ С, нижче. Відзначимо, що: хімічні зрушення цих піків не сильно відрізняються від метану. Вуглеці в бутані знаходяться в аналогічному середовищі, що і в метані.

У бутані є два різних вуглецю: метил, або CH ₃, вуглець, і метилен, або CH ₂, вуглець.
метиловий вуглець поглинає трохи вище поля, або при меншому зсуві, близько 10 ppm.
метиленовий вуглець поглинає при трохи нижньому полі або при більш високому зсуві, близько 20 ppm.
інші фактори, будучи рівними, метиленові вуглеці проявляються на трохи вищому зсуві, ніж метилові вуглеці.

Малюнок ЯМР2. ^{Імітований 13} С ЯМР-спектр бутану (показуючи лише верхню частину спектра).

У спектрі ¹³ С ЯМР пентану (нижче) ви можете побачити три різні піки, хоча пентан просто містить метилові вуглеці та метиленові вуглеці, такі як бутан. Що стосується спектрометра ЯМР, пентан містить три різні види вуглецю в трьох різних середовищах. Цей результат походить від симетрії.

Малюнок NMR3. ¹³ С ЯМР спектра пентану. Джерело: SDBSWeb: http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/ (Національний інститут передових промислових наук і технологій Японії, 15 серпня 2008 р.)

Симетрія є важливим фактором спектроскопії. Природа говорить:

атоми, які є симетрично-нееквівалентними, можуть поглинати при різних зрушеннях.
атоми, які є симетрично-еквівалентними, повинні поглинати з однаковим зрушенням.

Щоб дізнатися про симетрії, візьміть модель пентана і виконайте наступне:

переконайтеся, що модель скручена в максимально симетричну форму: приємну «W».
вибрати один з метилових вуглеців, щоб зосередитися на.
поверніть модель на 180 градусів так, щоб ви дивилися на ту ж «W» але з іншого боку.
Зверніть увагу, що метил, на якому ви зосереджувалися, просто переключився місцями з іншою метильною групою. Ці два вуглеці є симетрично-еквівалентними за допомогою дворазового обертання.

Анімація NMR1. Тривимірна модель пентану. Візьміть модель за допомогою миші і поверніть її так, щоб ви переконалися, що другий і четвертий вуглець симетрично еквівалентні, а ось третій вуглець - ні.

За цим же процесом можна помітити, що другий і четвертий вуглеці по ланцюжку також симетрично еквівалентні. Однак середній вуглець не є; він ніколи не перемикається місцями з іншими вуглецями, якщо ви обертаєте модель. Існує три різні набори нееквівалентних вуглецю; ці три групи не однакові один з одним відповідно до симетрії.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Визначте, скільки в еквіваленті вуглецю є в кожному з наступних з'єднань. Скільки піків ви очікуєте в кожному спектрі ЯМР ¹³ С?

Практично кажучи, в спектрі тільки стільки місця від одного кінця до іншого. У якийсь момент піки можуть бути настільки переповнені разом, що ви не можете відрізнити одне від іншого. Ви можете очікувати побачити десять різних піків у ейкозані, двадцятивуглецевому алкановому ланцюзі, але коли ви подивитеся на спектр, ви можете побачити лише сім різних піків. Це може засмутити, тому що експеримент, здається, не погоджується з вашими очікуваннями. Однак ви будете використовувати ряд методів разом, щоб мінімізувати проблему введення в оману даних.

Спектр C-13 ЯМР для етанолу

Це простий приклад спектру ЯМР С-13. Не турбуйтеся про масштаб зараз - ми розглянемо це через хвилину.

Примітка

Примітка: Спектри ЯМР на цій сторінці були отримані з графіків, взятих з Базової системи спектральних даних для органічних сполук (SDBS) Національного інституту матеріалів та хімічних досліджень в Японії.

Є два піки, тому що є два різних середовища для вуглецю. Вуглець в групі СН ₃ приєднується до 3 водню і вуглецю. Вуглець групи СН ₂ приєднується до 2 водню, вуглецю і кисню. Ці дві лінії знаходяться в різних місцях спектру ЯМР, оскільки їм потрібні різні зовнішні магнітні поля, щоб привести їх до резонансу на певній радіочастоті.

Спектр C-13 ЯМР для більш складної сполуки

Це спектр C-13 ЯМР для 1-метилетилпропаноату (також відомий як ізопропілпропаноат або ізопропілпропіонат).

Цього разу в спектрі є 5 ліній. Це означає, що для атомів вуглецю в сполуці повинно бути 5 різних середовищ. Це розумно від структури?

Ну - якщо порахувати атоми вуглецю, їх 6. Так чому тільки 5 рядків? При цьому два вуглецю знаходяться в точно одному середовищі. Вони кріпляться до точно таких же речей. Подивіться на дві групи CH ₃ з правого боку молекули.

Ви можете розумно запитати, чому вуглець у CH ₃ зліва також не знаходиться в тому ж середовищі. Так само, як і праворуч, вуглець приєднаний до 3 водню та іншого вуглецю. Але схожість не є точною - вам доведеться гнатися за схожістю і по решті молекули, щоб бути впевненим.

Вуглець у лівій групі CH ₃ прикріплений до атома вуглецю, який, в свою чергу, прикріплений до вуглецю з двома киснем на ньому - і так далі вниз молекулою. Це не зовсім таке ж середовище, як вуглеці в правій групі CH ₃. Вони прикріплені до вуглецю, який прикріплений до одного кисню - і так далі вниз молекули. Ми розглянемо цей спектр знову детально на наступній сторінці - і розглянемо ще кілька подібних прикладів. Це все стає простіше, чим більше прикладів ви дивитеся на.

На даний момент все, що вам потрібно зрозуміти, це те, що кожен рядок у спектрі C-13 ЯМР розпізнає атом вуглецю в одному конкретному середовищі в сполуці. Якщо два (або більше) атоми вуглецю в з'єднанні мають абсолютно однакове середовище, вони будуть представлені однією лінією.

Примітка

Ви можете задатися питанням, чому все це працює, оскільки лише близько 1% атомів вуглецю становлять С-13. Це єдині, підхоплені цією формою ЯМР. Якщо у вас була одна молекула етанолу, то шанси лише приблизно 1 на 50 з того, що в ній є один атом С-13, і лише близько 1 з 10,000 обох C-13.

Але ви повинні пам'ятати, що ви будете працювати зі зразком, що містить величезну кількість молекул. Прилад може вловлювати магнітний ефект ядер С-13 у вуглеці групи СН ₃ і вуглецю групи СН ₂, навіть якщо вони знаходяться в окремих молекулах. Там немає необхідності, щоб вони були в одному і тому ж.