מהי תמג

שימושי התמ"ג

ספקטרוסקופית תהודה מגנטית גרעינית (תמ"ג = NMR) היא שיטה בכימיה אנליטית המשמשת לבקרת איכות ומחקר על מנת לאבחון את תכולת וטוהר הדוגמה וכן את מבנה המולקולרי שלה. לדוגמה, ניתן למדוד באופן כמותי תערובות של חומרים ידועים על ידי ספקטרום התמ"ג שלהם. כאשר מבנה החומרים אינו ידוע, מודדים את ספקטרום התמ"ג שלהם ומתאימים אותו לספריות ספקטרומים ידועות או מפענחים את המבנה המולקולרי באופן ישיר על ידי חישובים שפותחו לצורך זה. כאשר המבנה הבסיסי ידוע, ניתן להשתמש בתמ"ג כדי להבחין בקונפורמציה של החומר בתמיסה. וכן לגלות ממצאים פיזיים ברמה המולקולרית כמו חילוף קונפורמציונלי, העברת פאזה, תמיסות ודיפוזיה. כדי להשיג כל זאת, עומד לרשות החוקרים מבחר רב של שיטות תמ"ג. מובא כאן הסבר בסיסי לתמ"ג.

אתה יכול לעשות תמ"ג בעזרת שירות התמ"ג שלנו.

עקרונות התמ"ג

שיטת התמ"ג מנצלת את העובדה שלגרעינים רבים יש איזוטופים בעלי ספין ומומנט מגנטי. כאשר מופעל על הגרעין שדה מגנטי חיצוני מתרחש מעבר אנרגטי מרמת הבסיס לרמה אנרגטית גבוהה יותר (בדרך כלל בהפרשים של רמה אחת). המעבר האנרגטי מתרחש באורך גל המתאים לתדרי רדיו וכאשר הספין חוזר לרמת הבסיס שלו נפלטת אנרגיה באותו התדר. הסיגנל המתאים למעבר זה נמדד בשיטות שונות ומעובד כך שבסופו של דבר מתקבל ספקטרום תמ"

תרשים 1. הבסיס לתמ"ג

התרשים לעיל מתייחס לגרעינים בעלי ספין חצי כולל הגרעין המשומש ביותר, פרוטון (¹H או מימן-1) וגרעינים רבים אחרים כמו ‌¹³C‏, ‌¹⁵N‏, ו-³¹P. לגרעינים אחרים כמו דוטריום (²H או מימן-2) יש ספין גבוה יותר והם ארבע-קוטביים ולמרות שהם נותנים ספקטרום תמ"ג תרשים האנרגיות וחלק של התכונות שלהם שונים.

ההיסט הכימי

התדר המדויק בו מתרחש המעבר האנרגטי הנמדד (תדר התהודה) תלוי בשדה המגנטי האפקטיוי בגרעין. שדה זה מושפע ממיסוך האלקטרונים סביב הגרעין, והמיסוך תלוי בסביבה הכימית של הגרעין. משמעות העובדה הזו היא שניתן לקבל מידע על הסביבה הכימית של הגרעין לפי תדר התהודה המגנטי שלו. באופן כללי, ככל שהגרעין יותר אלקטרופוזיטיבי כך ההיסט בתדר התהודה יהיה גדול יותר. גורמים נוספים כגון זרמי טבעת (אנאיזוטרופיה) ומתח בין קשרים משפיעים גם הם על ההיסט בתדר. נהוג לקבוע את טטרמתילסילן (TMS) כתדר שאיליו ייוחסו תדרי הבליעה של גרעיני פרוטון שונים. מכיוון שהיסט בתדר התהודה המדויק של כל גרעין משתנה בהתאם לשדה המגנטי שבו בוצעה המדידה. והתדר לא נוח לזכירה ולשימוש (לדוגמא, התדר של בנזן 400.132869 MHz) הוחלט להגדיר את ההיסט הכימי (לפרוטון) באופן הבא: δ_ppm = 10⁶ × (ν - ν₀)/ν₀

ההיסט הכימי לפי משוואה זו אינו תלוי בעצמת השדה המגנטי וקיבלנו דרך נוחה ופשוטה לבטא היסט כימי ביחידות של חלקים למיליון (ppm) כאשר ההיסט, ν₀, (של הפרוטונים) של TMS נקבע לאפס. לגרעינים אחרים, מגדירים את ν₀ כ-Ξ ν_TMS כאשר Ξ (אות יווני קסי) הוא שבריר תדר של הגרעין (לדוגמה, 25.145020% עבור ¹³C).

בספקטרום התמ"ג פרוטון של אתילבנזן (תרשים 2) לדוגמא קבוצת המתיל היא (CH₃) המושכת אלקטרונים (אלקטרושלילית) ביותר במולקולה לכן היא בולעת בהיסט הכימי הנמוך ביותר. ואילו קבוצת הפניל הארומטית היא הדוחפת אלקטרונים (אלקטרוחיובית) ביותר במולקולה לכן היא בולעת בהיסט הכימי הגבוה ביותר, המתילן (CH₂) נמצא בין שתי הקבוצות וגם הבליעה שלו נמצאת באמצע בין קבוצת הפניל למתיל. יש להעיר שאילו היתה הבליעה של קבוצת הפניל מושפעת רק ממשיכת האלקטרונים היא הייתה צריכה להיות בהיסט של 4-5. בשל האל-איתור של האלקטרונים בטבעת הארומטית (delocalization) היא מוזזת להיסט כימי בסביבת 7.

תרשים 2. ספקטרום מימן של אתילבנזן

צימוד ספין-ספין

השדה המגנטי האפקטיווי המופעל על גרעין מושפע גם מהספין של גרעינים שכנים (תרשים 3). תופעה זו נקראת צימוד ספין-ספין (spin-spin coupling) ויכולה לגרום לפיצול האות עבור כל גרעין לשנים או יותר.

תרשים 3. צימוד ספין-ספין

גודל ההפרדה (קבועת הצימוד, J) אינו תלוי בשדה המגנטי ולכן נמדד כתדר אבסולוטי (בדרך כלל בהרצים). מספר הפיצולים מתאר את מספר הגרעינים הקשורים כימית באזור הגרעין הנצפה. להלן כמה צורוני צימוד (תרשים 4). (לחץ כאן לדוגמאות נוספות של צורוני צימוד הומוגרעיניים והשימוש בם לפענוח ספקטרה פרוטון וגם תראו צימוד הטרוגרעיני.)

תרשים 4. צורוני צימוד הומוגרעיניים שכיחים

בתרשים 4 לעיל מובאים צורות פיצול מקורבות במערכות צימוד שבהן ההפרדה בין הסיגנלים גדולה (צימוד חלש בקירוב סדר ראשון). הגרעינים השונים מסומנים באותיות A ו-X (במערכות צימוד מסוג זה סומנו הגרעינים גם הם באותיות מופרדות זו מזו). במערכות צימוד בהן הפרדת הסיגנלים אינה גדולה מתרחשים עיוותים (תרשים 5) בגודל הסיגנל המפוצל (מערכות אלו יסומנו באותיות קרובות). כאשר מעורב יותר משני ספינים, סיגנלים נוספים יכולים להופיע. תופעה זו נקרה צימוד סדר שני. דוגמאות לסדר שני נמצאות כאן וניתן למצוא פענוח מלא בספרות.

תרשים 5. צימוד סדר שני - AB

של אתילבנזן (תרשים 6) לעיל קבוצת המתיל (CH₃) היא צורון צימוד מסוג A₃X₂ (X = המימנים של קבוצת המתילן ו-A המימנים של קבוצת המתיל) ששקול ל- AX₂קבוצת המתילן היא צורון צימוד מסוג A₂X₃ ששקול ל-AX₃, והמימנים בטבעת הפנילית מראים צורות צימוד יותר מסובכות משום שההפרדה בין הסיגנלים אינה טובה והצימוד ביניהם הוא מסדר שני. מימן האורתו הו דובלט מסוג AX והמימנים פארה ומתה הם צורני טריפלט.

תרשים 6. ספקטרום מימן של אתילבנזן