رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) یک روش طیف‌سنجی است که برای شیمیدان‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. این روش بر اساس اندازه‌گیری جذب تابش الکترومغناطیسی در ناحیه فرکانس رادیویی تقریبا 4 تا 900 مگاهرتز است. برخلاف طیف‌سنجی UV-VIS و IR که الکترون‌های بیرونی در فرایند جذب شرکت داشتند، در طیف‌سنجی NMR هسته اتم‌ها در جذب دخالت دارند. علاوه بر این، برای اینکه هسته‌ها حالت‌های انرژی موردنیاز برای جذب را ایجاد کنند، لازم است آنالیت را در یک میدان مغناطیسی شدید قرار دهیم. مطالعه بسیاری از هسته‌ها با NMR قابل انجام است ولی هیدروژن و کربن به‌طور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرند. رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) اطلاعاتی از ساختار مولکول مورد نظر همچون تعداد هیدروژون و کربن، نوع هیدروژن‌ها و محیط شیمیایی اطراف هیدروژن‌ها به‌دست می‌دهد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.
مقدمه
آسایش هسته
پروتون‌های معادل و غیر معادل
جابجایی شیمیایی
شکافتگی اسپین-اسپین
عوامل موثر بر جابه‌جایی شیمیایی در NMR
نتیجه گیری
1- مقدمه
مبنای نظری طیف‌سنجی NMR توسط دبلیو پائولی (W.Pauli) در سال 1924 ارائه شد. او پیشنهاد کرد که هسته‌های اتمی خاصی دارای خواص اسپین و گشتاور مغناطیسی هستند و قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی منجر به تقسیم سطوح انرژی آنها می‌شود. در طول دهه بعد، این فرضیه‌ها به صورت تجربی تأیید شدند. با این حال، تا سال 1946 بود که فلیکس بلوخ (Felix Bloch) در استنفورد و ادوارد پرسل (Edward Purcell) در هاروارد، که به طور مستقل کار می‌کردند، نشان دادند که هسته‌ها تابش الکترومغناطیسی را در یک میدان مغناطیسی قوی در نتیجه تقسیم سطح انرژی که توسط میدان مغناطیسی القا می‌شود جذب می‌کنند. . این دو فیزیکدان جایزه نوبل فیزیک سال 1952 را به خاطر کارهایشان به‌طور مشترک برنده شدند [1].
دو نوع کلی از طیف‌سنج‌های NMR در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ طیف‌سنج‌های موج پیوسته (CW)و پالسی یا تبدیل فوریه (FT-NMR) که امروز اکثر دستگاه‌های NMR از نوع FT هستند و استفاده از دستگاه‌های CW عمدتا محدود به کاربردهایی مانند تعیین میزان هیدروژناسیون در فرآیندهای نفت، تعیین آب در روغن‌ها، محصولات غذایی و مواد کشاورزی می‌باشد.در هر دو نوع دستگاه، نمونه در یک میدان مغناطیسی قدرتمند در حد چندین تسلا قرار می‌گیرد. طیف‌سنج‌های CW مشابه ابزارهای جذب نوری هستند، زیرا سیگنال جذبی با اسکن آهسته فرکانس منبع ثبت می‌شود. در طیف‌سنج‌های پالسی (FT)، نمونه با پالس‌های دوره‌ای انرژی رادیوفرکانسی (RF) که مستقیما از طریق نمونه در زوایای قائم به میدان مغناطیسی هدایت می‌شوند تابش می‌شود. این پالس‌ها یک سیگنال حوزه زمان را ایجاد می‌کنند. سپس این سیگنال با استفاده از تبدیل فوریه به سیگنال حوزه فرکانس تبدیل می‌شود تا طیفی مشابه با طیفی که با استفاده از دستگاه‌های CW به دست می‌آید ارائه دهد [1].
1-1- عدد کوانتومی اسپین هسته (I)
اساس فیزیکی طیف‌سنجی NMR در خواص مغناطیسی هسته‌های اتمی نهفته است که با عدد کوانتومی اسپین (I) مشخص می‌شود. هسته اتم‌ها به‌دلیل دارا بودن پروتون و نوترون باردار می‌باشد و حرکت هر بار چرخان در داخل هسته، میدان مغناطیسی تولید می‌کند؛ بنابراین هسته‌ها دارای گشتاور مغناطیسی و بعضا دارای دو قطبی مغناطیسی هستند. توزیع بار هسته به تعداد و نوع نوکلئون‌های هسته بستگی دارد، بنابراین عدد کوانتومی اسپینی مختلفی را می‌توان به هر هسته نسبت داد. پروتون‌ها و نوترون‌ها دارای عدد کوانتومی اسپین 1/2 هستند و باتوجه به چگونگی جفت شدن آنها در هسته، عدد کوانتومی اسپین خالص هسته (I)، می‌تواند صفر یا غیرصفر شود. اگر اسپین همه ذرات جفت شده باشند، اسپین خالص وجود ندارد و عدد کوانتومی اسپین هسته، صفر می‌شود که به آنها هسته‌هایی با اسپین صفر می‌گویند. در هسته‌هایی مانند 612C، 818O و 1632S، که تعداد پروتون و نوترون هر دو زوج است عدد کوانتومی اسپین هسته صفر است و این هسته‌ها، گشتاور مغناطیسی و چهارقطبی الکتریکی ندارند و در طیف‌سنجی NMR فعال نمی‌باشند. هسته‌هایی با تعداد پروتون یا نوترون فرد (به‌عبارت دیگر دارای عدد جرمی فرد)، عدد کوانتومی اسپین آنها کسری و به صورت 1/2، 3/2 و… می‌باشد. هسته‌هایی که عدد کوانتومی اسپین آنها 1/2 است (همانند 11H، 613C، 919F، 1531P و 715N ) مهم ترین هسته‌های قابل بررسی توسط NMR می‌باشند. هسته‌های پروتون (11H) و کربن (613C) بیش از 90 درصد مطالعات NMR را به خود اختصاص داده‌اند. به‌طور کلی یک هسته در یک میدان مغناطیسی ثابت و یکنواخت بر اساس عدد کوانتومی اسپین خاص خود، می‌تواند 2I+1 جهت‌گیری داشته باشد. برای مثال هسته‌ای مثل 11H که عدد کوانتومی اسپین آن 1/2 است، دو جهت گیری مجاز خواهد داشت. هسته‌هایی که عدد کوانتومی غیرصفر دارند، گشتاور مغناطیسی هسته‌ای ایجاد می‌کنند. جهت‌گیری مجاز بردار گشتاور مغناطیسی هسته‌ای در یک میدان مغناطیسی با عددکوانتومی گشتاور زاویه‌ای اسپین هسته (mI) مشخص می‌شود که می‌تواند مقادیر -I,…,I را داشته باشد. اگر I=1/2 باشد، mI=±1/2 و جهت گیری‌های گشتاور مغناطیسی آنها همسو و ناهمسو با میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرد. اگر عدد کوانتومی اسپین هسته‌ای برابر یک باشد، mI می‌تواند مقادیر1+ ،0، 1- را داشته باشد که مربوط به جهت گیری‌های همسو، عمود و ناهمسو با میدان مغناطیسی خارجی می‌باشند. در عدم حضور میدان مغناطیسی خارجی، تمام جهت گیری‌ها همترازند ولی در حضور میدان مغناطیسی خارجی این همترازی از بین رفته (شکل.1) و اختلاف انرژی به وجود می‌آید که این اختلاف انرژی با فرکانس تابش رادیوئی (RF) مطابقت دارد [2,3].
شکل1. جداسازی انرژی بین حالت‌های اسپین هسته‌ای بدون میدان مغناطیسی و با افزایش قدرت میدان B0ا[3]
2-1- بررسی طیف NMR
برای بررسی یک طیف NMR و ویژگی‌های اساسی آن، طیف پروتون NMR اتیل فرمات در شکل 2 آورده شده است. این طیف در میدان مغناطیسی 1.4 و فرکانس 60 مگاهرتز اندازه‌گیری شده است. علاوه بر سیگنال‌های مشاهده شده در فرکانس‌های مختلف، منحنی پله‌ای نشان داده است که توسط یک انتگرال گیر تولید می‌شود که ارتفاع این پله‌ها نواحی زیر خطوط طیفی مربوطه متناسب است. نکات زیر از این طیف مشهود است:
سیگنال‌های تشدید یا گروه‌هایی از سیگنال‌های تشدید برای پروتون‌ها یافت می‌شود که به علت قرار گرفتن پروتون‌ها در محیط‌های شیمیایی مختلف است. این سیگنال‌ها توسط جابجایی شیمیایی از هم جدا می‌شوند.
مساحت زیر سیگنال‌های تشدید متناسب با تعداد پروتون‌هایی است که آن سیگنال‌ها را ایجاد می‌کنند و تعداد آنها را با استفاده از انتگرال گیر می‌توان به‌دست آورد.
همه سیگنال‌ها یکتایی نیستند. برخی سیگنال‌ها به شکل دوتایی، سه‌تایی، چهارتایی و …. مشاهده می‌شوند که در نتیجه جفت شدن اسپین-اسپین (یک برهمکنش مغناطیسی بین هسته‌های مختلف) می‌باشد [3].
شکل2. طیف 1H NMR اتیل فرمات [3]
2- آسایش هسته
با جذب تابش رادیوئی تعداد بسیار کمی از هسته‌ها (یک در هزار) به تراز بالاتر می‌روند که نتیجه آن طیف NMR است. مکانیسم برانگیختگی هسته و بازگشت آن به حالت اولیه را آسایش هسته می‌گویند. اگر هسته‌های برانگیخته بدون انتشار انرژی به تراز اولیه برگردند دو حالت اتفاق می‌افتد. در حالت اول، هسته برانگیخته انرژی خود را به هسته‌های مجاور در شبکه مولکولی منتقل می‌کند. بنابراین انرژی در داخل سیستم باقی مانده و انرژی انتقالی و اسپینی شبکه مولکولی افزایش می‌یابد. این حالت در نمونه‌های مایع و گاز اتفاق می‌افتد که آن را آسایش اسپین-شبکه می‌نامند. در این حالت پیک‌های جذبی باریک و قدرت تفکیک زیادی خواهیم داشت.
در حالت دوم، هسته برانگیخته انرژی خود را توسط تعویض اسپین به هسته‌های مجاور انتقال می‌دهد، بنابراین زمان آسایش کم و پیک‌های پهنی حاصل می‌شود. در نمونه‌های جامد که هسته‌های آنها به هم نزدیک است این حالت اتفاق می‌افتد و آن را آسایش اسپین-اسپین می‌نامند [4].
3- پروتون‌های معادل و غیر معادل
پروتون‌هایی که از نظر شیمیایی، شیمی فضایی و مغناطیسی معادل هستند را پروتون‌های معادل یا یکسان می‌گویند. در غیر اینصورت به آنها پروتون‌های غیرمعادل گفته می‌شود. هر گروه پروتون معادل در یک مولکول را با حروف a,b,c و … نشان می‌دهند. پروتون‌های معادل همگی در یک شدت میدان مغناطیسی جذب دارند. تعداد پروتون‌های معادل برابر با تعداد پیک‌ها در طیف پروتون NMR می‌باشد. به عنوان نمونه اتیل کلرید دو گروه پروتون معادل دارد [4].
CH3-CH2-Cl (اتیل کلرید)
4- جابجایی شیمیایی
تغییرات محل خطوط رزونانسی یک هسته را بر حسب موقعیت شیمیایی آن، جابجایی شیمیایی می‌نامند. هنگامی که یک مولکول در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، چرخش الکترون‌های پیوندی به دور پروتون منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی القایی می‌شود که این میدان ممکن است همسو یا مخالف جهت میدان مغناطیسی اعمالی باشد. این میدان القایی می‌تواند شدت میدان موثر برای ایجاد تشدید پروتون را افزایش داده یا کم کند. در حالتی که میدان القا شده با میدان مغناطیسی اعمالی مخالفت نماید می‌گوییم پروتون محافظت شده (Shield) و اگر این میدان القایی میدان مغناطیسی اعمالی را تقویت کند می‌گوییم محافظت نشده (Deshield) است. در شکل 3 می‌توان اثر میدان مغناطیسی کوچک ایجاد شده از الکترون در حال چرخش به دور پروتون را که مخالف جهت میدان اعمالی است مشاهده نمود. اهمیت طیف‌سنجی NMR در شیمی بر اساس توانایی آن در تشخیص یک هسته خاص با توجه به محیط آن در مولکول است. برای مثال، ترکیبی مانند بنزیل استات سه سیگنال مختلف در NMR تولید می‌کند (شکل4) که هر کدام برای پروتون‌های گروه‌های فنیل، متیلن و متیل است [3,4]
شکل3. محافظت شدن پروتون در میدان مغناطیسی B0ا [3]
شکل4. طیف 1H NMR بنزیل استات [3]
5- شکافتگی اسپین-اسپین
در طیف‌های NMR پیک‌های جذبی پروتون‌های مجاور توسط اثر متقابل پروتون‌های مجاور چند شاخه می‌شوند که تعداد این شاخه‌ها برابر با n+1 (n تعداد پروتون‌های مجاور) است. همانند الکترون‌ها که در اطراف پروتون باعث جابجایی نوارهای جذبی NMR به میدان‌های بالاتر یا پایین‌تر می‌شود، پروتون‌های در حال اسپین نیز در میدان مغناطیسی مانند یک آهنربای کوچک در حال دوران با جهت‌گیری موافق با مخالف جهت میدان، عمل می‌کنند. در نتیجه موجب تغیر میدان آهنربایی موثر شده و موقعیت پیک جذبی یک گروه پروتون توسط گروه مجاور کمی تغییر می‌کند و این در صورتی است که اسپین آنها مختلف باشد. در دستگاه‌های NMR با قدرت تفکیک زیاد، نوارهای جذبی به صورت چند شاخه مشاهده می‌شوند که این عمل را جفت شدن (شکافتگی) اسپین-اسپین می‌نامند که فقط بین پروتون کربن‌های همسایه (مانند -CH2-CH3) صورت می‌گیرد. قدرت تفکیک دستگاه مهم ترین عامل در جداسازی پیک‌ها و مشاهده الگوی شکافتگی است. فاصله شاخه‌ها از یکدیگر مقدار ثابتی است که آن را ثابت جفت شدن (J) می‌نامند. این مقدار برای پروتون بین15-0 هرتز است و به شدت میدان آهنربایی اعمالی بستگی ندارد، در نتیجه این مقدار برخلاف جابجایی شیمیایی با تغییر میدان اعمالی همیشه ثابت باقی می‌ماند [4].
6- عوامل موثر بر جابه‌جایی شیمیایی در NMR
1-6- اثر القایی
محیط الکترونی پیرامون هسته وابسته به گروه‌های مجاور آن است. اگر استخلاف الکترونگاتیوی بیشتری داشته باشد، چگالی الکترونی محیط اطراف هسته کاهش می‌یابد و در اصلاح هسته ناپوشیده (deshield) می‌شود؛ در مقابل اگر گروه‌های مجاور هسته الکتروپوزیتیو باشند، چگالی الکترونی محیط اطراف هسته افزایش و در اصطلاح هسته پوشیده (shield) می‌شود. بنابراین، ارتباط مستقیمی بین الکترونگاتیوی اتم‌ها و جابه‌جایی شیمیایی هر هسته وجود دارد (جدول.1)
جدول1. مقایسه تغییرات جابه‌جایی شیمیایی CH3X با الکترونگاتیوی
X
F
OH
NH2
Br
I
SH
H
الکترونگاتیوی
4.0
3.5
3.0
2.8
2.5
2.5
2.1
جابجایی شیمیایی
4.26
3.4
2.5
2.7
2.2
2.1
0.23
2-6- اثر هیبرید شدن
اثر هیبرید شدن، یکی دیگر از عوامل موثر بر تغییرات جابه‌جایی شیمیایی هسته مورد مطالعه در NMR است. هیبریدهای گوناگون توزیع الکترونی اطراف هسته را تحت تاثیر قرار می‌دهند. هر چه خصلت s در هسته بیشتر باشد، الکترونگاتیوی آن افزایش یافته و در میدان پایین‌تر (فرکانس‌های بالاتر) رزونانس خواهد کرد (جدول.2)
جدول.2 اثر هیبرید بر جابه‌جایی پروتون و کربن
جابه‌جایی شیمیایی کربن
جابه‌جایی شیمایی پروتون
هیبرید
ترکیب
7.26
0.86
SP3
C2H6
122.1
5.25
SP2
C2H4
3-6-پیوند هیدروژنی
تحت تاثیر نوع حلال و غلظت نمونه می‌باشد و جابه‌جایی ثابتی را نمی‌توان برای یک پروتون اسیدی در یک مولکول در نظر گرفت مگر اینکه حلال، درجه حرارت و غلظت نمونه مشخص شده باشد[2].
7.نتیجه گیری
طیف NMR برای شناسایی و تعیین تعداد و موقعیت اتم‌ها در یک مولکول به کار می‌رود. برخی از هسته‌ها مانند الکترون به دور محورهای خود حرکات چرخشی دارند و در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، یک هسته در حال چرخش فقط تعداد محدودی جهت گیری پایدار دارد. رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) هنگامی ایجاد می‌شود که یک هسته در حال چرخش در معرض تابش امواج رادیویی قرار گیرد و در حضور یک میدان مغناطیسی از یک جهت گیری با انرژی پایین‌تر به یک جهت گیری با انرژی بالاتر برانگیخته شود. انرژی مورد نیاز برای برانگیختگی تحت تاثیر نوع و محیط پیرامون هسته تغییر می‌کند. هسته‌های در حال چرخش در میدان مغناطیسی خارجی در فرکانس‌های مختلف تغییر جهت می‌دهند بنابراین فرکانس متفاوتی از تابش جذب شده لازم است تا باعث تغییر جهت چرخش شود که از این فرکانس می‌توان برای تجزیه کیفی استفاده کرد. در اثر جذب پروتون‌های در حال چرخش شدت تابش کاهش می‌یابد که این با تعداد هسته‌های موجود در نمونه ارتباط دارد و می‌تواند برای شناسایی‌های کیفی به‌کار برده شود. عوامل مختلفی همچون جابجایی شیمیایی و شکافتگی اسپین-اسپین در طیف نهایی NMR تاثیر گذار است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Skoog, Douglas A., F. James Holler,Stanley R. Crouch. “Principles of instrumental analysis. Cengage learning” 7th Edition, 2017.
۲ – دکتر حسن کی پور، محمدحسن زبرجدیان، ” اصول و تکنیک‌های NMR”،چاپ اول، همدان، مرکز نشر دانشگاه بوعلی سینا،صفحات83-6، (1393)
۳ – Gunther, Harald,Harald Gunther. NMR spectroscopy: basic principles, concepts,applications in chemistry. Chichester, UK: John Wiley & Sons, 1994.
۴ – دکتر محمد ادریسی، “روش‌های کلاسیک و دستگاهی در شیمی تجزیه” چاپ اول، تهران، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صفحات 361-379، (1387)
