ספקטרוסקופיית קישוריות פרוטון-פרוטון (COSY)
ספקטרוסופיית קישוריות פרוטון-פרוטון (COSY) היא שיטה המאפשרת לזהות קשר בין סיגנל של גרעין מסוים לסיגנל של גרעין השכן לו (עד למרחק של ארבעה קשרים בדרך כלל). הקישוריות תופיע כאשר יש צימוד ספין-ספין בין שני הפרוטונים, כאשר אין צימוד לא צפויה להיראות קישוריות.
שיטה זו שימושית מאוד כאשר בספקטרום החד מימדי הסיגנלים ממוזגים האחד עם השני (ולפעמים מופיע מיזוג של יותר סיגנלים) או כאשר צימודים מסדר שני מסבכים את הספקטרום החד מימדי.
ישנם מספר גרסאות לסדרת הפולסים (תרשים 1) המשמשות בניסוי זה. המשומשת ביותר במעבדה שלנו נקראת :סדרת הפולסים להעברה מנתית כפולה על ידי מפלים מגנטיים. (DQF-COSY). היחס בין עצמת המפלים נקבע בדרך כלל ל-1:2 על מנת לקבל את הסיגנלים שיש ביניהם קישוריות אך ניתן להשתמש גם ביחס של 1:3 על מנת לקבל את הסיגנלים שבהם משתתפים בקישוריות 3 פרוטונים בלבד לדוגמא CH-CH2. אנו משתמשים בסדרת הפולסים המתוארת בתרשים להלן.
תרשים 1. סדרת פולסים עבור DQF-COSY עם גרדיאנטים
בספקטרום ה-COSY (תרשים 2) ישנם סיגנלים לאורך האלכסון, וישנם סיגנלי חתך (סיגנלים שלא על האלכסון וישנו לפחות סיגנל אחד נוסף שנמצא באותו חתך רוחב או חתך גבוה שלהם). סיגנלי החתך מעידים על צימוד בין מולטיפלטים בשל קישוריות במרחק של עד שלושה, או אפילו ארבעה, קשרים. האלכסון מורכב מסקטרום החד מימדי ללא סינגלטים. הסיגנל החתך הבולט ביותר בספקטרום (תרשים 2) של אתילבנזן (תרשים 3) הוא בין פרוטון H1' לפרוטון H2' ב-2.65 חל"מ ל-1.24 חל"מ. קישוריות חלשה הרבה יותר של ארבעה קשרים (ראה תרשים למטה) מופיעה בין H1' לH2- ב-2.65 חל"מ ו-7.2 חל"מ. כל הסיגנלים הרצויים נמצאים במופע הפוך (אנטי פזה) של פאזה, כלומר, חצי מהמולטיפלט חיובי וחצי שלילי. בנוסף מופיעים סיגנלים לא רצויים (תרשים 4) המופיעים כפס לאורך ציר ה-y. בנוסף אם נצייר V דמיוני הפוך שקודקודו בציר העליון של הספקטרום יופיעו. רעשים אלו אינם באותו מופע של הסיגנלים הרצויים בדרך כלל ומופיעים באזורים מסוימים.
תרשים 2. ספקטרום COSY דו מימדי של אתילבנזן
תרשים 3. המבנה המולקולארי של אתילבנזן
תרשים 4. סיגנלים לא רצויים בספקטרום COSY של אתילבנזן
הספקטרום החד ממדי של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן (תרשים 5) לדוגמה מאפשר פענוח חלקי בלבד .ספקטרום דו-מימדי מסוג COSY (תרשים 6) לעומת זאת נותן מידע על הקישוריות בין הפרוטונים השונים. אין קישוריות (סיגנלי חתך) בין הקבוצות הטרט-בוטיליות למערכת הטבעות משום שמספר הקשרים גדול מדי.
תרשים 5. המבנה המולקולארי של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן
תרשים 6. ספקטרום COSY דו-מימדי של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן
באיזור הארומטי (תרשים 7) ניתן לראות סיגנלים חזקים של קישוריות במרחק של עד שלושה קשרים. ניתן להשתמש בהם על מנת לקבוע מי מהפרוטונים הם שכנים. לדוגמה הפרוטון ב-8.17 חל"מ שכן של הפרוטון ב-7.34 חל"מ, מידע שלא ניתן להשיג בקלות מהספקטרום החד מימדי.
תרשים 7. האזור הארומטי בספקטרום דו מימדי מסוג COSY של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן מראה בעיקר סיגנלים במרחק של שלושה קשרים (ניתן גם לראות קישוריות במרחק של ארבעה קשרים בין H10 ל-H11)
סיגנלי קישוריות במרחק של ארבעה וחמישה קשרים (תרשים 8) יופיעו בקווי עצמה מאוד נמוכים. אז ניתן להפריד בצורה ברורה בין ארבע קבוצות הפרוטונים מה שלא ניתן היה לראות בספקטרום החד-מימדי.
תרשים 8. קישוריות במרחק של שלושה ארבעה וחמישה קשרים באזור הארומטי בספקטרום דו מימדי מסוג COSY של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן
על ידי שימוש בקווים אופקיים ואנכיים ניתן להפריד כל אחת מהקבוצות (תרשים 9) ולעקוב אחר הקישוריות שלה. הקבוצה הכחולה של ארבעה פרוטונים קשורה על פי הסדר הבא: הפרוטון ב-8.62 חל"מ קשור לפרוטון ב- 7.55 חל"מ שקשור לפרוטון ב-7.59 חל"מ וזה קשור לפרוטון ב-8.56 חל"מ. הקבוצה הירוקה של ארבעה פרוטונים קשורה על פי הסדר הבא: הפרוטון ב-8.54 חל"מ קשור לפרוטון ב- 7.34 חל"משקשור לפרוטון ב-7.44 חל"מ וזה קשור לפרוטון ב-8.17 חל"מ. הקבוצה האדומה היא של שני הפרוטונים H9 ו-H10 , הזיהוי נעשה משום שהם הקבוצה היחידה של שני פרוטונים שכנים במרחק שלושה קשרים וכן על סמך קבוע הפיצול (8.9 הרץ) המתאים למרחק של שלושה קשרים, הם מופיעים ב 7.76 חל"מ ו-8.32 חל"מ. הקבוצה הצהובה היא של הפרוטונים H11 ו-H13 והזיהוי נעשה לפי הקישוריות ביניהם ולפי קבוע הפיצול הקטן (1.9 הרץ) המתאים למרחק של ארבעה קשרים.
תרשים 9. קישוריות במרחק של שלושה ארבעה וחמישה קשרים באזור הארומטי בספקטרום דו מימדי מסוג COSY של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן שמראה קישוריות והפרדה (המסומן לפי צבעים) לארבע קבוצות של פרוטונים
המולטיפלט בספקטרום ה-COSY-DQF יופיע באנטי-פאזה עבור הצימוד הפעיל. לדוגמה, הדובלט ב-COSY-DQF יופיע כשחציו האחד חיובי וחציו האחר (הצימוד שלו) שלילי. סיגנל הסינגלט (A) לעומת זאת לא יופיע כלל, משום שבמהלך הניסוי מופעל מסנן מנתי המסנן את מעברים החד מנתיים האחראיים להופעה שלו תופעה זו נפוצה במים ובממסים שבהם יש פרוטונים. ניתן לעשות שימוש בתופעה זו על מנת להנחית את סיגנל הממס או את סיגנל המים. ישנן צורות צימוד רבות (בנוסף לדובלט) מספר דוגמאות מובאות בטבלה 1.
טבלה 1. של המולטיפליסיות כפי שהיא נצפית בספקטרום COSY בהשוואה להופעה במצב טהורa
| מולטיפליסיות | פאזה טהורה | אנטי-פאזה |
|---|---|---|
| A | 1 | 0 |
| AX | 1 1 | 1 -1 |
| AX2 | 1 2 1 | 1 0 -1 |
| AXY | 1 1 1 1 | 1 1 -1 -1 |
| AYX | 1 1 1 1 | 1 -1 1 -1 |
| AX3 | 1 3 3 1 | 1 1 -1 -1 |
| AX2Y | 1 2 1 1 2 1 | 1 0 -1 1 0 -1 |
| AY2X | 1 2 1 1 2 1 | 1 2 1 -1 -2 -1 |
| AXY2 | 1 1 2 2 1 1 | 1 -1 2 -2 1 -1 |
| AYX2 | 1 1 2 2 1 1 | 1 -1 0 0 1 -1 |
| AYX2, JAY=2JAX | 1 2 2 2 1 | 1 0 0 0 -1 |
| AXYZ | 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 |
| AYXZ | 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 |
| AYZX | 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 |
| AXYZ, JAX=JAY+JAZ | 1 1 1 2 1 1 1 | 1 1 1 0 -1 -1 -1 |
| AXYZ, JAY=JAX+JAZ | 1 1 1 2 1 1 1 | 1 1 -1 0 1 -1 -1 |
| AXYZ, JAZ=JAX+JAY | 1 1 1 2 1 1 1 | 1 -1 1 0 -1 1 -1 |
| AX6 | 1 6 15 20 15 6 1 | 1 2 1 0 -1 -2 -1 |
aהצימוד הפעיל הוא מ-A ל-X. קבוע הצימוד קטן משמאל לימין כלומר: AXYZ, JAX > JAY > JAZ.
תרשימים 10-13 הם הרחבה של סיגנלי החתך מספקטרום ה-COSY מופע שלילי של צימוד מסומן באדום ומופע חיובי בשחור. ההיטלים החד מימדיים לאורך הצירים הם להמחשה בלבד (בפועל הם באנטי מסתכמים לאפס).
תרשים 10. התאמה של אנטי-פאזה בין הדובלטים של H9 ו-H10 בספקטרום COSY של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן
מולטיפליסיות ברמות גבוהות יותר,כאשר כל הצימודים פעילים מניבות מבנים המופיעים בטבלה, לדוגמה ההתאמה בין סיגנל הפרוטונים של קבוצת CH3 לקבוצת CH2 במולקולת אתילבנזן מניבה מבנה צימוד מהסוג 1 0 1 בכיוון אחד ומבנה של 1 1 -1 -1 בכיוון השני.
תרשים 11. התאמה באנטי-פאזה של פרוטוני קבוצת האתיל במולקולת אתילבנזן
כאשר יש יותר משתי מולטיפלטים מצומדים, רק צימוד אחד יהיה פעיל בכל סיגנל חתך. ניתן לקבוע לפי זה איזה קבוע צימוד שייך לקישור מסוים , דבר שלא תמיד ניתן לראות בספקטרום חד-מימדי. בתרשימים 12 ו-13 סיגנל החתך העליון בין הפרוטונים ב-7.34 חל"מ ל-8.17 חל"מ מראה את צימוד פעיל גדול של 8.1 הרץ. מבנה הצימוד בציר האנכי (f1) הוא של ה- 1 1 1 0 -1 -1 -1ובציר האופקי (f2) המבנה הוא1 1 1 1 1 0 -1 -1 -1 -1 . לעומת זאת בחלק הנמוך יותר יש את קבוע הצימוד הקטן ביותר 1.4 הרץ הצימוד בציר f1 הוא במבנה של 1 -1 1 0 -1 1 -1 ובציר f2 הצימוד הוא במבנה של 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 לסיגנל החתך התחתון יש קבוע בגודל 7.0 הרץ ומבנה צימוד של 1 1 -1 0 1 -1 -1 בשני הכיוונים.
תרשימים 12 ו-13. השוואה בין שלושה צימודים מסוג AXYZ המראים צימודים פעילים שונים (מתוך ה-COSY של 12,14-דיטרטבוטילבנזוקריסן)
