Konvensiyonal NMR
spektroskopisi çok hassas değildir. Bunlarla mikrogram seviyelerinde madde ile
iyi bir proton spektra alınması zordur, zaman alır, ve bazen da olanaksızdır.
Bu durum C-13 NMR spektroskopinin de gelişmesini engellemiştir. C-13 doğal
izomeri çok azdır ve magnetogrik oranı protona göre oldukça düşüktür; verdiği
bir NMR sinyali protonun sinyalinden 6000 kat daha düşüktür. Bu durumda, çok az
C-13 içeren örneklerin iyi birer spektrumunun alınabilmesi için sinyallerin 24
saat veya daha uzun süre kaydedilmesi ve ortalamasının alınması gerekir.
Örneğin, pentan-1-ol bileşiği için, tek bir ölçüm (a) ve 200 ölçümün ortalaması
(b) alınarak çizilmiş 13C NMR spektrumları Şekil-27’de verilmiştir. 27(a)’da
görüldüğü gibi, tek ölçüm halinde sinyal/gürültü oranı çok düşük, yani gürültü
bantları çok baskındır. Sinyal ortalama yöntemine göre alınan 27(b) spektrumu
temiz ve anlaşılabilir yapıdadır.
Pulslu, fourier
transform NMR spektrometrelerin geliştirilmesiyle 1970'den sonra NMR
ölçümlerinin hassasiyetleri artırıldı; böylece bu yöntemin, mikrogram seviyelerde
doğal karbon-13 ve proton içeren kimyasal veya biyolojik maddelere rutin
uygulama alanları genişledi. Yüksek hassasiyetin esası Fourier transform
infrared spektroskopide olduğu gibidir. Her ikisinde de, bir spektrumunun
rezolusyon elementlerinin tamamı çok kısa bir süre içinde ölçülür; sonuçta,
frekans-bölgeli bir spektrum yerine zaman-bölgeli bir spektrum alınır.
Zaman-bölgeli bir
spektrum birkaç saniye veya daha kısa bir süre içinde tamamlanır; böylece,
spektrayı yüzlerce veya binlerce kez tekrarlayarak ortalama değerlerin
bulunması ve sinyal/gürültü oranından kaynaklanan hatanın çok aza indirilmesi
mümkün olur. Zaman-bölgeli spektrum sonra, bir dijital kumputer ile Fourier
dönüşümü yapılarak frekans- bölgeli spektruma çevrilir.
Şekil-27: Pentan-1-ol’ün
(a) geleneksel NMR yöntemiyle, ve (b) FT NMR sinyal ortalama tekniğiyle alınmış
spektrumları
Fourier dönüşümlü
veya pulslu NMR çalışmalarda örnek, kısa süreli, yüksek pulslu radyo-frekanslı
ışınla periyodik olarak ışınlandırılır. Çekirdekler enerjiyi absorblar ve
presesyon başlar, kompleks bir sinyal meydana gelir. Oluşan FID, "serbest
indüksiyon parçalanma sinyal"i zamanın fonksiyonu olarak kaydedilir. Tipik
olarak 1-10 m s'lik pulslar kullanılır ve pulslar arasındaki
gözlem süresi ~1 s'dir. FID, spektruma dönüştürülür. (Şekil-28)
Şekil-28: Fourier dönüşümlü NMR spektrumu
şematik görünümü
Zaman-Bölgeli
Parçalanma Spektrumları: Periyodik
pulslar IR Fourier dönüşümlü spektroskopideki interferometre ile ayni
fonksiyondadır; pulslar arasındaki periyotlar içinde bir zaman-bölgeli spektrum
verirler (Şekil-29 b ve c). Bunlar serbest indüksiyon parçalanma sinyalleridir
ve çekirdeklerin, ışın pulsu ile yaratılan uyarılmış halden kendi temel hallerine
geri dönüşleri sırasında çıkarılırlar. Emitlenen ışının frekansları, geleneksel
bir NMR spektrumunda çıkan absorpsiyon frekansları ile aynıdır.
Şekil-29(b) tek bir
çekirdek tipinin bulunduğu ve uyarma frekansının bu çekirdeğin rezonans
frekansının tam aynisi olduğu haldeki parçalanma sinyalini gösterir. Şekil-29(c)
ise birden fazla tipteki çekirdeğin uyarıldığı zamanki parçalanma sinyalinin
grafiğidir. Bunda, farklı frekanslardaki ışınlar arasında etkileşim olduğundan,
daha karmaşık bir zaman-bölgeli algılama görülür.
Serbest indüksiyon
parçalanma sinyali eğrileri mantıklı her frekans bileşimi için tek ve özel bir
görünümdedir. Bir Michelson interferometre ile elde edilen infrared
zaman-bölgeli bir spektrumun, geleneksel infrared bir spektrumdaki gerekli tüm
bilgileri içermesi gibi, serbest-indüksiyon parçalanma spektrumu da normal bir
frekans-bölgeli NMR spektrumu için gerekli bilgileri içerir.
Zaman-bölgeli
veriler hızlı bir fourier dönüşümü programlı dijital bir bilgisayar ile
frekans-bölgeli verilere çevrilebilir. İki tip spektra arasındaki ilişki
Şekil-30’da gösterilmiştir. C-13'ün frekans-bölgeli spektrumundaki dört pik
karbon çekirdeği ile üç proton arasındaki birleşmeden dolayıdır. Şekil-30(a)'da
kimyasal kayma d, ve kapling sabiti J bilgilerini içeren
zaman-bölgeli spektrumun kısımları gösterilmiştir.
Şekil-29: (a): Pulslu NMR için giriş
sinyali-zaman ilişkisi, (b): tek bir tip çekirdeğin bulunduğu haldeki serbest
indüksiyon parçalanma sinyali, (c) birkaç tip çekirdeğin bulunduğu haldeki
serbest indüksiyon parçalanma sinyali
Şekil-30: (a) Serbest indüksiyon parçalanma
spektrumu, (b) 13C ve protonlar arasındaki spin-spin bağlanmasını
gösteren 13C spektrumu
Karbon-13 NMR (CMR) spektrumu, proton NMR spektrumla aynı
temel prensiplere göre elde edilir; ancak kullanılabilir bir spektrumun
alınması CMR için biraz daha zordur ve daha sofistike cihazlara gereksinim
vardır. C-13 atomları ve protonlar arasındaki etkileşimi kırmak için çok iyi
yöntemler geliştirilmiştir; böylece, spektrumda her C tipi için tek bir hat
bulunur. Karbonda magnetik olarak aktif olan C-13 izotopu %1.1 kadardır, yani
çok az C-13 çekirdek vardır; dolayısıyla CMR
proton NMR’dan daha az duyarlıdır.
Karbon-13 NMR’ı, organik ve biyokimyasal yapıları açıklamak
bakımından proton NMR'ına göre bazı avantajlara sahiptir.
·
C-13 NMR'dan molekülün çevresinden çok iskeleti
hakkında bilgi alınır.
·
C-13 ve C-12 atomları arasında heteronükleer
(çok çekirdekli) spin bağlanması olmaz, çünkü C-12'nin spin kuvantum sayısı
sıfırdır.
·
Sinyallerin sayısı molekülde kaç tane farklı
karbon olduğunu, veya eşdeğer karbonlar takımının kaç tane olduğunu gösterir.
·
Kimyasal kayma, karbon atomunun hibridizasyonunu
(sp3, sp2, sp) tanımlar. Kimyasal kayma, bir karbon atomunun bir diğerine göre
elektronik konumu hakkında bilgi verir.
·
13C izotopu çok az olduğundan, bir 13C’ün
bir diğeriyle spin-spin kapling yapabilmesi zordur; bu nedenle spektrumlar C-C
pik ayrılması göstermez. 13C sinyallerinin ayrılmaları protonlar
tarafından gerçekleştirilir.
·
Proton NMR spektrumda her bir protonun konumu
için çoklu pikler oluşmasına karşın, C NMR’da kimyasal olarak eşdeğer konumda
olmayan her karbon için sadece bir tek pik görülür.
·
C-13'deki kimyasal kaymalar, organik
bileşiklerde 200 ppm'e kadar çıkar, (protonda 0-20 ppm); kimyasal kayma
aralığının yüksek olması piklerin üst üste düşme olasılığını azaltır. Bu
özellik, molekül ağırlığı 200-400 aralığındaki bileşiklerin her karbon rezonans
pikinin gözlenebilmesi bakımından önemlidir.
Tablo-8’de, çeşitli kimyasal ortamlarda, 13C-NMR
kimyasal kaymaları gösteren çizelgeler verilmiştir.(kaymalar tetrametilsilana
(TMS) göre relatif değerlerdir).
Tablo-8: 13C-NMR
Kimyasal Kayma Çizelgeleri
3.
Birleştirilmiş 13C ve 1H Spektrumları
1H-pirrol-2-karbaldehit
ve 1,2,2-trikloropropan’ın birleştirilmiş 13C ve 1H
spektrumları
4.
Pik Bölünmesi(Splitting)
CMR spektrada karbon-karbon pik spliting görülmediği için
spektra oldukça basittir. Ayrıca, protonların absorpsiyon pikleri de bulunmaz;
çünkü skala dışında kalırlar. Ancak bir karbon atomu üzerinde bulunan veya daha
uzaktaki bir karbona bağlı olan protonların neden olduğu karbon sinyalindeki
bölünme görülebilir. Bu istenmeyen bölünme, C-13 spininin protondan “dekapling”
edilmesiyle uzaklaştırılabilir. Dekapling işlemi, uygulanan ışının frekansına
bağlı olarak farklı şekillerde yapılabilir: (a) Proton spin dekapling, (b)
off-rezonans dekapling, (c) DEPT
(a)
Proton Spin Dekapling: Proton-dekapıld
spektrumda piklerde hiç bölünme görülmez. Tek pikler vardır; bunların her biri,
molekülde bulunan bir karbonu veya ekivalan karbonlar grubunu gösterir. Bu tür
spektrumlar daha çok yapısal analizlerde kullanılır. (Örnek-1)
(b)
Off-Rezonans Dekapling: İkinci
dekapling (off-rezonans denir) metoduna göre elde edilen bir spektrumda, bir
karbon sinyali, eğer o karbona bağlı protonlar varsa, bölünme gösterir. Bu
durumda sadece C(13)-H kapling gözlenir; fakat C(13)-C-H ve C(13)-C-C-H
kaplingler bulunmaz. Bu tip spektrumlara “proton-kapıld spektrum”
denilmektedir. Her karbon pikindeki sinyallerin sayısından, kaç tane proton
bağlı olduğu bilinir: 13C sinyalleri, sadece kendilerine bağlı
protonlar tarafından bölünebilirler; bir karbonda n proton varsa, verdiği
sinyal bölünmesi n+1 kuralına uyar. (Örnek-2)
(c). DEPT Metodu: DEPT (Distortionless Enhancement by
Polarization Transfer). Proton-dekapıld metodunda 13C ve buna
bağlı hidrojenler arasıdaki spin-spin kapling bilgileri kaybolur. Bu bilgiler
DEPT yöntemiyle elde edilebilmektedir. DEPT, CH3, CH2,
CH, ve kuvaterner karbonların verdiği 13C sinyalleri ayırabilen bir
enstrümantal tekniktir. Yöntemde, 1H ve 13C aralığını
kapsayan bir seri kompleks puls uygulanır; sonuçta, CH3, CH2
ve CH sinyalleri değişik fazlar gösterirler:
CH3 ve CH karbonlar pozitif sinyaller
olarak kaydedilir; CH2 karbonlar negatif sinyaller olarak
kaydedilir; Kuvaterner karbonlar DEPT metotta sinyal vermezler.
Normal spektrum tüm karbonları gösterir. Aynı örneğe DEPT
metodu uygulandığında kuvaterner karbon dışında kalan bir spektrum elde edilir
(broad band decoupled). Pulslar değiştirilerek CH3, CH2
ve CH ile ilgili bilgiler toplanır.(Örnek-3)
ÖRNEK-1:
Etil fenilasetatın proton-dekapıld ve proton-kapıld spektrumları
ÖRNEK-2: 1,2,2-trikloropropanın off-rezonans dekapling spektrum
ÖRNEK-3: 3,7-Dimetilokt-6
enalın DEPT spektrumu
5. Kimyasal Kayma
(Shifting)
CMR spektrumda kimyasal kayma, temelde, proton NMR
spektrumda olduğu gibidir. Her karbon çekirdeğinin, diğer eşdeğer olmayan
çekirdeklerden farklı, kendi elektronik çevresi vardır. Çekirdek, bu nedenle
oluşan farklı magnetik alanı algılar ve uygulanan alan kuvvetinden değişik bir
değerde absorpsiyon yapar. CMR’deki kaymalar bazı yönlerden proton NMR’dan
farklıdır. CMR’de kimyasal kaymalar daha büyüktür; skala d = 0-200 aralığındadır ki bu aralık, proton
NMR skalasından 30 kat kadar daha büyüktür.
Hibridizasyon: Kimyasal
kaymalardan en büyüğü ve en önemlisi karbonun hibridizasyonundan dolayı meydana
gelir. Böyle bir olasılık proton için olası değildir.
ÖRNEK: 1-Okten
Alken karbonlar düşük alanda absorpsiyon yaparlar.
sp3-hibridlenmiş karbonlar d
= 14.1-34.0 aralığında
sp2- hibridlenmiş karbonlar d
= 113 and 140 aralığında
ÖRNEK: Etilbenzen
Aromatik karbonlar da sp3-hibridizedir ve alken karbonlarda
olduğu gibi düşük alanda absorpsiyon yaparlar. Etilbenzen spektrumunda
birbirinden uzakta iki pik grubu görülür. Bu gruplardan biri yan-zincir (sp3-hibridize)
karbonlarına, diğeri halka (sp2-hibridize) karbonlarına aittir; aralarında 100
ppm kadar aralık bulunur.
Sübstitüentlerin
Etkisi: Sübstitüentlerin etkisi hibridleşmeye eklenen bir özelliktir.
Proton NMR’da olduğu gibi, ne kadar çok konumda, ne kadar çok sübstitüent
bulunursa çekirdeğin korunması o kadar azalır ve sinyal düşük alanlara kayar;
karbon NMR durumunda, değişik paternler nedeniyle bu etki daha da fazla olur.
sp3-hibridize karbonlar tarafından yapılan absorpsiyonlarda birkaç sübstitüentin
etkisine bakarak bu paternler hakkında bilgi edinilebilir.
Örnek olarak, doymuş bir hidrokarbon zincirinin çeşitli
karbonları tarafından yapılan absorpsiyonlarda klor atomunun etkisine bakalım.
n-pentan ve 1-kloropentan için elde edilen veriler:
C1 sinyalinde d
13.7’den 44.3’e çıkmış, yani 30.6 ppm artarak en fazla yüksek alan düşüşü
kayması göstermiştir; sübstitüentin karbonda yarattığı bu kaymaya alfa-etkisi
denilmektedir. C2 sinyalinde klor yine bir alan düşmesi yaratır, 32.7-22.6 =
10.1 ppm; bu da beta etkisi olarak tanımlanır. C3’de, düşük alan kayması
tersine dönmüş, absorpsiyon yüksek alana kaymıştır. 34.5-29.2 = -5.3 ppm; bu
duru gama-etkisi olarak tanımlanır.Gama karbonun yanında önemsiz derecede klor
etkisi de görülür.
Alkil gruplarının etkisi, diğer sübstitüentlere kıyasla daha
düşüktür. Alkenler ve aromatik halkada, (çift bağlar içerirler) geometrik
izomerizasyon sp3-hibridize karbonun absorpsiyonunda önemli bir etkidir.
