תמ"ג פחמן (C)

ספקטרום  התמ''ג החד-מימדי של ¹³פחמן הרבה פחות רגיש מאשר ספקטרום התמ''ג של פרוטונים, לעומת זאת טווח ההיסטים הכימיים גדול בהרבה (כ-‎200 ppm‌ לעומת כ-‎10 ppm‌) בגלל השכיחות הטבעית הנמוכה (1.108%) של גרעין ¹³פחמן ובגלל הפרת הצימוד עם הפרוטונים כמעט ולא נראים צימודים. לכן הספקטרום נראה פשוט יותר וצפוף פחות.

פענוח אופייני של ספקטרום תמ"ג מתחיל בהתאמת ההיסטים הכימיים כפי שנמדדו להיסטים הצפויים לפי טבלאות היסטים ידועים (תרשים 1). לכל סיגנל יש היסט כימי אופייני וניתן להשתמש בו כדי לקבוע את המבנה של החומר הנמדד.

תרשים 1. טווח ההיסטים הכימיים של ¹³פחמן בהתאם לסביבתם הכימית

עושים זאת על ידי השוואת ההיסט הנמדד להיסטים של מבנים דומים בטבלאות ואז ניתן לשייך לכל היסט כימי מבנה מקורב (אריל = Ar, אליקיל או מימן = R)

האינטגרציה של ספקטרום ¹³פחמן רגיל כמעט חסר תועלת. זאת בגלל ההגברה הבלתי שווה הנובעת מתופעת NOE וההפרשים בין ערכי T₁ של הפחמנים השונים. ספקטרום תמ"ג כמותי של פחמנים נמדד בשיטת "הפרת צימוד לסירוגין בהיפוך" ועל ידי בחירה של השהיות ארוכות בין פולס לפולס (כ-10 דקות בין פולס לפולס). עם זאת בשל הרגישות הנמוכה והזמן הארוך הנדרש כמעט ולא מודדים ספקטרום ¹³פחמן כמותי.בתמונה להלן ניתן לראות את הגברת הסיגנל בשל תופעת NOE בספקטרום ¹³פחמן של אתילבנזן שנמדד עם הפרת צימוד בהשוואה לספקטרום שנמדד בצורה כמותית. ניתן לראות שהגברת הסיגנלים בספקטרום הכמותי גבוהה לעומת הספקטרום הרגיל, ניתן לקבל הגברה גדולה אף יותר כאשר עושים שימוש בפונקציות חלון להגברת הרגישות.

תרשים 2. הגברה של NOE בספקטרום ¹³פחמן

ניתן להשתמש בהיסטים הכימיים השונים לפענוח ראשוני. עבור אתילבנזן ההיסטים ב-15.6 ppm ו-28.9 ppm מופיעים באזור האליפתי לכן הם של פחמנים מקבוצות CH₃ ו-CH₂. בדרך כלל CH₃ נמצאת בהיסט נמוך יותר לכן ניתן לשייך את הסיגנל ב-15.6 אליה. הסיגנל ב-28.9 כנראה שייך לקבוצת CH₂ . יתר הסיגנלים מופיעים באיזור הארומתי ב-125.6, 127.8, 128.3 ו-144.2. הפחמן שאינו מחובר לאף פרוטון נקרא פחמן רבעוני. (בדוגמא של אתיל בנזן שם זה אינו מדויק מכיון שהפחמן שאינו מחובר לפרוטון קשור לשלשה פחמנים שכנים ולא לארבעה לפי המינוח המקובל.) הסיגנלים של פחמנים רבעוניים חדים בדרך כלל ונותנים סגנלים חלשים יותר  (תרשים 3) בתנאי איסוף רגילים - הפרת צימוד וזמני מחזור קצרים יחסית. זה בגלל רלקסציה עיטית ובגלל העדר אפקט ה-NOE הם חלשים. בנוסף היסט הכימי של פחמנים ארומטיים שאינם קשורים לפרוטון (C1 במקרה של אתילבנזן)בוהים יותר האלה שקשורים (C2, C3 ו-C4 עבור  אתילבנזן) לכן ניתן לשער שהסיגנל  ב-144.2 שייך ל-C1.

תרשים 3. ההבדל בין פחמן רבעוני ופחמן הקשור לפרוטונים כשימוש בהגברת NOE

לשתי זוגות פחמנים (C2, C6 ו-C3, C5) ההיסט הכימי זהה והאינטגרל שחושב בספקטרום הכמותי עבורם הוא 2 לעומת C4 שעבורו חושב אינטגרל של הספקטרום הכמותי. כל הסיגנלים הם של פחמנים מסוג CH ולכן רוחב הפס וההגברה בשל אפקט NOE יהיו דומים. לכן גובה הסיגנלים משמר את היחס של 2:2:1 גם בספקטרום פחמנים רגיל ומאפשר לשייך את הסיגנל ב-125.6.

אם בשלב זה נבחר להשתמש באחת משיטות הדו ממדיות לפענוח הספקטרום, אז אין צורך בספקטרום חד מימדי נוסף. אך אם מבנה המולקולה פשוט או שהפענוח הנדרש חלקי כדאי לשקול ניסויים חד מימדיים נוספים לדוגמא: הפרת צימוד לסירוגין, בחינת הפרוטון הקשור (APT) או הגברת סיגנל על ידי העברת פולאריות ללא עיוות (DEPT).

כאשר ספקטרום התמ"ג של פחמן¹³ אינו רגיש מספיק ישנן שיטות של התאמה בין גרענית (טווח קצר, טווח ארוך) ואם השילוב של ספקטרום פחמנים ומימנים אינו מספיק אז יש לחשוב על שיטות דו ממדיות אחרות.

ספקטרום פחמן¹³ עם הפרת צימוד לסירוגין

הפרת צימוד לסירוגין מאפשרת לראות את הצימוד עם הפרוטונים מבלי להפסיד את ההגברה מאפקט ה-NOE. בספקטרום המצומד (תרשים 4) סיגנל קבוצת המתין (CH) יופיע כדובלט ומתילן (CH₂) יופיע כטריפלט (1:2:1) והסיגנל של קבוצת מתיל (CH₃) יופיע כקוורטט (1:3:3:1).

תרשים 4. ספקטרום ¹³C עם הפרת צימוד לסירוגין של אתילבנזן המראה רביעיה עבור CH₃, שלישיה עבור CH₂, דובלטים עבור CH'ים ופחמן שיש לו רק צימודים לטווח ארוך.

קבועי הפיצול הם בדרך כלל 125 הרץ לפחמן sp₃, 160 הרץ לפחמן sp₂, ו-200 הרץ לפחמן sp. מתמירים אלקטרושליליים מגדילים את קבוע הפיצול לדוגמה קבוע פיצול של 214 הרץ לכלורופורם (במקום 125 הרץ כפי שצפוי) לעומת זאת מתמירים אלקטרוחיוביים מקטינים את קבוע הפיצול לדוגמא 117 הרץ עבור TMS. קבוע הפיצול במרחק קשר אחד יכול לשמש לקביעת סוג ההכלאה של הפחמן (בתנאי שהמתמירים לא אלקטרושליליים או אלקטרוחיוביים). הצימודים במרחקים גדולים יותר (למרבה הפלא קבוע הצימוד במרחק שלושה קשרים גדול מקבוע הצימוד במרחק שני קשרים) הם בגודל של עד 10 הרץ, הם ניתנים למדידה אך עשויים להיות קשים לפענוח.

במקרה של אתילבנזן (תרשים 5) צימוד ארוך הטווח (במרחק שלושה קשרים) מאפשר פענוח של הפחמנים הארומתיים CH. C4 ניתן לפענוח על פי שיקול העוצמה שהוזכר לפני כן. הצימוד ארוך הטווח (נראה בספקטרום) מאפשר להבחין בין C2 ל-C3, בציור להלן C3 והפרוטון הצמוד לו (מצוייר באדום) מצומד לפרוטון נוסף ולכן יופיע כדובלט כפול. C2 והפרוטונים הצמודים לו (מצוירים בירוק) לעומת זאת צפויים להופיע כטריפלט כפול אך הוא מורכב יותר בשל תופעות של צימוד מסדר שני. צימוד במרחק שלושה קשרים מראה יחס לפי משוואת קרפלוס ( בהרצים) כאשר זוית הפיתול היא θ. לעיתים ניתן להעריך את זווית הפיתול על פי קבוע הצימוד. עשוי להופיע צימוד גם עם גרעינים אחרים לדוגמא פלואור¹⁹ וזרחן³¹.

תרשים 5. צימוד במרחק שלושה קשרים מהפרוטונים על פחמן 2 ופחמן 3 באתילבנזן

בחינת הפרוטון הקשור (APT)

כאשר המידע הנדרש הוא מספר הפרוטונים הקשור אל פחמן כלשהוא והצימוד ביניהם אינו מעניין הניסויים המתאימים יותר הם : בחינת הפרוטון הקשור (APT) והגברת סיגנל על ידי העברת פולאריות ללא עיוות (DEPT) ניסוי ה-APT מציג את הסיגנלים של המתין (CH) ושל המתיל (CH₃) כחיוביים ופחמנים רבעוניים (C) ומתילן (CH₂) כשליליים (תרשים 6).

השיטה רגישה מעט פחות מ-DEPT אך מראה את כל הפחמנים במדידה אחת גם את הפחמנים הרבעוניים שאינם נראים ב-DEPT.

תרשים 6. ספקטרום APT של אתילבנזן המראה CH ו-CH₃ חיוביים ו-CH₂ ורבעוני שליליים

הגברת סיגנל על ידי העברת פולאריות ללא עיוות (DEPT)

ניסוי DEPT רגיש מעט יותר מ-APT ומאפשר הפרדה מלאה בין הסיגנלים של פחמן¹³ אלא שצריך לבצע אותו שלושפעמים כאשר משנים בכל פעם את זווית של הפולס האחרון וכדי לפענח את הספקטרום בצורה מלאה יש להשוות לספקטרום פחמן רגיל שעבר הפרת צימוד. מספר הפולסים עבור כל מדידה חייב להיות יותר מארבע (בדרך כלל בוחרים יותר) על מנת לבטל סיגנלים רבעוניים. בניסוי DEPT 45 (תרשים 7) (45 היא זווית הפולס האחרון) רואים את הסיגנלים של CH, CH₂, CH₃ חיוביים, בניסוי DEPT 90 (תרשים 8) רואים רק סיגנלים של CH וב-DEPT 135 (תרשים 9) נראים הסיגנלים של CH ו-CH₃ חיוביים והסיגנל של CH₂ נראה שלילי.

תרשים 7. ספקטרום DEPT 45 של אתילבנזן המראה רק פחמנים הקשורים לפרוטונים CH, CH₂,ו-CH₃ כולם חיוביים

תרשים 8. ספקטרום DEPT 90 של אתילבנזן המראה רק פחמנים CH. הדחת CH₂,ו-CH₃ אינה מושלמת.

תרשים 9. ספקטרום DEPT 135 של אתילבנזן המראה רק פחמנים הקשורים לפרוטונים CH, ו-CH₃ חיוביים ו-CH₂ שלילי

באופן תיאורטי הצירוף של: DEPT45-0.08×DEPT90-1.2×DEPT135 אמור לתת ספקטרום שבו מופיעים רק סיגנלים של CH₂ (תרשים 10) ו-DEPT45+1.52×DEPT90+1.2×DEPT135 אמור לתת רק סיגנלים של CH₃ (תרשים 11) אלא שבאופן מעשי יש לבצע התאמות קטנות בגורמים המכפילים בדרך של ניסוי ותהיה כדי לקבל אתהתוצאות הרצויות. הפחתה של DEPT45 מספקטרום פחמנים רגיל צריכה לתת באופן עקרוני ספקטרום בו רק פחמנים רבעוניים. אלה שההפחתה אינה מושלמת בגלל תזוזות של הפיק בגלל שינוי טמפרטורה בשל הפרת הצימוד.

תרשים 10. הרכב ספקטרה DEPT של אתילבנזן המראה רק את CH₂

תרשים 11. הרכב ספקטרה DEPT של אתילבנזן המראה רק את CH₃

ספקטרום פחמןצימוד פחמן-פחמן

צימוד בין פחמן לפחמנים אחרים נותן סיגנלי לווין חלשים מאוד בשכיחות הטבעית על מנת לראות אותם יש להשתמש בתמיסות מאוד מרוכזות או בפחמן מועשר בפחמן¹³. קבוע הפיצול יכול להעיד על סוג הקשר וערכו נע בין 35-45 הרץ לקשר יחיד לכ-65 בשביל קשר כפול והוא גדל בגלל מתמירים אלקטרושליליים. לעיתים קרובות סיגנל המצומד נבלע על ידי הסיגנל הראשי (כפי שנראה בצד ימין בתרשים 12). בכל אופן ניתן למדוד את קבוע הפיצול בניסוי החד מימדי המדהים להעברה מנתית כפולה בשכיחות הטבעית (1D-INADEQUATE). שיטה זו מדכאת את הסיגנל הראשי ומותירה רק את סיגנלי הלויין כשהם בפאזה הפוכה (אחד למעלה ואחד למטה) אלא שבשיטה זו נדרש ריכוז גבוה או תמיסה מועשרת בפחמן¹³ וכיול זהיר מאוד של הפולס. על מנת לפענח ספקטרום באמצעות 1D-INADEQUATE צריך להשוות קבועי צימוד ולחפש צורני צימוד מסוג AB שקיים בהם אפקט קירוי. כאשר אין פרוטונים הקשורים לפחמן קיימות שיטות רגישות יותר.

תרשים 12. ספקרטרה ¹³C המראים צימוד ¹³C

תכונות גרעין ה-¹³C

(הסברים נוספים)

בטיחות

הערה בטיחות: חלק מהחומרים המוזכרים כאן מסוכנים מאוד, יש להתייעץ עם כימאי מוסמך לפני העבודה בהם. כאשר החומרים אינם מוכרים על הכימאי לחפש בספרות המקצועית מידע בקשר אליהם. הממסים המשמשים לבדיקות תמ'''ג הם ברובם דליקים ורעילים. TMS לדוגמא רעיל ודליק, יש להשתמש בכפפות מגן ולעבוד במנדף. כל הממסים המכילים דוטריום מוגדרים כרעילים.