السلام عليكم اخواني الكيميائيين .. لدي مشروع بحثي عن جهاز الطيف الرنين النووي المغناطيسي NMR
راح اسويه على شكل منشور ..واحترت بكمية المعلومات الانجليزيه لكن لم اجد شي باللغه العربيه ..
هل بامكانكم مساعتدي بمعلومات عنه وتطبيقاته المفيده .. بلغه انجليزيه سهله او عربيه ..
The Principle of Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy .
N.M.R
مطيافيات الرنين النووي المغناطيسي هيإحدى التقنيات الحديثة التي تساعد في استنباط الصيغ التركيبيةوالتشكلالفراغي للمركبات العضوية .
فكرةعمل جهاز الرنين النووي المغناطيسي:-تختلف أجهزة الرنين النووي المغناطيسي عنأجهزة الطيف الأخرى إلى حد ما .فمستويات الطاقة المغناطيسية التي تحدث بينهاعملية الانتقال, يعتمد وجودها على وجود مجال مغناطيسي خارجي قوي . بينما في طرقالتحليل الطيفي الأخرى يعتبر وجود مستويات الطاقة الخاصة بهذه التحاليل( مستوياتالطاقة الالكترونية و الاهتزازية والدورانيه ) خاصية ذاتية قائمة في الجزيئات. والأشعة الكهرومغناطيسية المستخدمة ذات طول موجي كبير وثابة من أشعة الراديو بينمانغير شدة المجال المغناطيسي وبذلك يحدث الامتصاص للأشعه عندما تتساوى مع طاقةالأشعة h تعتمد هذه التقنية على تميز بعض أنوية الذرات مثل (P31, F19, C13, H1) بعدد فردي من البروتونات وبالتالي لها غزلا نوويا مقداره 1/2 لذلك يكون لأنويتهاعزما مغناطيسيا أثناء حركتها المغزلية حول نفسها . ومن المعلوم أن أنوية هذه الذراتمشحونة كهربائيا لذلك فإن حركتها المغزلية تكون مصحوبة بمجال مغناطيسي ضعيف أي مايشبه المغناطيس الصغير جدا ، وفي حالة عدم وجود مجال مغناطيسي يؤثر عليه فإن محورغزله يأخذ أي اتجاه وتكون محصلة هذا الغزل تساوي صفر
تطبيقات الجهاز :-
1-استنباط الصيغ التركيبية والتشكيل الفراغي للمركبات العضوية .
2- دراسةسرعة تفاعلات بعض المركبات الكيميائية .
3- دراسة تأثير درجة الحرارة علىالمركبات العضوية المختلفة وتفاعلاتها .
4 - دراسة تأثير الأنويه المختلفةوأماكن تواجدها وعلاقتها ببعض
مكونات الجهاز
1- مغناطيس: The magnet توضع العينة بين قطبي مغناطيس قوي وثابت وذلك لفصل مستويات ألطاقه المغناطيسية فيأنوية ذرات الهيدروجين أو أنوية الذرات الأخرى التي لها غزل مغناطيسي
2- وحدةتغير شدة المجال المغناطيسي The magnetic field sweep generator يمكن أن تغيرشدة المجال المغناطيسي في منطقه معينة في حدود طفيفة
3- مصدر أنتاج أشعةالراديو : Radiofrequency تختار وحدة إنتاج الأشعة بناء على تردد الأشعة مطلوبتوافقها مع شدة المجال المغناطيسي المستخدم فمثلا عند استخدام مغناطيس 14.09كيلوجاوس يكون تردد الأشعة 60هيرتز , وتكون الأشعة الناتجة مستقطبة وحيدةالمستوى .
4- الكاشف :يمكنه الكشف عن إمتصاص أشعة الراديو Receiver coil ويتم تكبيرها وتسجيلها.
5- مكان وضع العينة : Sample holder تستخدم أنابيبمن زجاج قطرها الداخلي خمسة ملمتر وطولها 25 سم يثبت بها تربين يدار بالهواء يمكنبواسطته دوران الأنبوبة العينة حول محورها الرأسي بواسطة ضغط الهواء وهذا الدورانيقلل من التأثير الناتج من عدم التجانس في المجال المغناطيسي الخارجي . تحضير العينات Sample Preparation :-يستخدم في تذويب العينة الصلبة اوتخفيف العينة السائلة مذيب مناسب شرط أن لا يحوي هيدروجين في تركيبه ويستخدم نظيرالهيدروجين (الديوتيريوم Deuterium )مثل DMSO-d6 D2O or CDCl3 or ثم تضاف المادةالقياسية T.M.S الخواص المغناطيسية للجسيمات الأولية Magnetic properties of Elementary Particlesكما إن للإكترون حركة مغزلية spin ، فانالبروتون و النيوترونات لهما أيضا حركة مغزلية . وينتج عن هذه الحركة المغزلية كميةتحرك زاوي Angular momentum ، وهي كمية متجهة يكون اتجاهها موازي لمحور الدوران . وحاصل جميع هذه الكميات المتجهة لكل من البروتونات والنيوترونات يعطى كمية التحركالزاوي الكلي لنواة الذرة ( P ) Angular momentum of the nucleus ونظرا لأنللنواة شحنة ، فيرتبط بكمية التحرك الزاوي عزم مغناطيسي ( μ ) magnetic moment يكونإتجاهها مطابقا لاتجاه كمية التحرك الزاوى نظرا لان شحنة النواة موجبة ، بينما يكونفي اتجاه مضاد لكمية التحرك الزاوى في حالة الجسيمات السالبة ( الالكترون ) ويمكنتقدير العزم من المعادلة = γ P μحيث γ ثابت خاص لكل نواة يطلق عليه نسبةالمغناطيسية المدومة gyro magnetic ratio ، P هي كمية التحرك الزاوي .وفي حالةعدم وجود مجال مغناطيسي خارجى فان العزم المغناطيسي يمكن أن يوجد في اي اتجاه ،وتكون محصلة طاقة هذه الاتجاهات متساوية . مستويات الطاقة في وجود مجالمغناطيسي Energy level in magnetic field عند وضع أنوية الذرات في مجالمغناطيسي خارجى ، فان العزم المغناطيسي لهذه الانوية يأخذ اتجاهات محددة في الفراغ space quantized . وعدد الاتجاهات المسموح بها يتوقف على الخواص المغناطيسية للنواة، كما ان طاقة هذه المستويات ( الاتجاهات ) يتوقف ايضا على الخواص المغناطيسية لهذهالأنوية . وكذلك على شدة المجال المغناطيسي الخارجى امتصاص الأشعة Absorption of Radiation :ان طاقة المستوى β ( العزم المغناطيسي في اتجاه مضادلاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي ) وطاقة المستوى α (العزم المغناطيسي في اتجاهمضاد لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي ) ، يختلفان بمقدار ΔΕ = 2 μ Βo . فاذا أمدتهذه الأنوية بكمية الطاقة المناسبة والتى تسوى ΔΕ ، فان الأنويةالموجودة في مستوىالطاقة β سوف تمتص هذه الطاقة وترتفع الى مستوى الطاقة α ويكون نتيجة لذلك انعكاساتجاه العزم المغناطيسي للأنوية من الاتجاه الموازى للمجال المغناطيسي الخارجي parallel الى الاتجاه المضاد ويتم التغيير في اتجاه العزم المغناطيسي للأنويه نتيجةلتأثير المجال المغناطيسي للأشعة والكهرومغناطيسية في حالة استخدام الطاقةالإشعاعية والتي تكون في منطقة أشعة الراديو .
ويمكن حساب تردد الاشعةاللازمة لعملية الانتقال المذكورة كتالي :فطاقة الاشعة E = h ν الفرق فيطاقة المستويين ΔΕ = 2 μ Βο وحتى تتم عملية الامتصاص فيجب أن E = ΔΕ أي h ν = 2 μ Bο وعلى ذلك فان تردد الاشعة اللازمة لعملية الانتقال بين المستوى β والمستوى α يتوقف على كل من العزم المغناطيسي للنواة μ وعلى شدة المجال المغناطيسي الخارجي Bο فزيادة شدة المجال المغناطيسي تؤدى الى زيادة قيمة الفرق في الطاقة بينالمستويين (ΔΕ ) وهذا بدوره يؤدى الى امتصاص الاشعة على تردد اعلى ، كما يؤدى الىزيادة عدد من الأنوية الموجودة في المستوى β، وبالتالي كثافة امتصاص الاشعة .
تقدير الانتقال الكيميائي Measurement of Chemical shifl حتى يمكنتفادى الحصول على قيم مختلفة للانتقال الكيميائي ð لمركب واحد باختلافاجهزة NMR التى تستخدم مجالات مغناطيسية مختلفة الشدة ، وكذلك صعوبة قياس ترددالاشعة المكتسبة في عملية الامتصاص للبروتونات المختلفة في الجزىء ، فقد روعى ألاتتوقف قيمة الانتقال الكيميائي على شدة المجال المغناطيسي في الاجهزة المختلفة . ويتم ذلك باستخدام مادة قياسية تحتوي على نوع واحد من الهيدروجين واعتبار الامتصاصالناتج عنها نقطة البداية ، ثم تحدد مواقع الامتصاصات الخاصة بالبوتونات في الجزىءفي هذه الحالة هو الفرق في مواقع هذه الامتصاصات ( اي تردد الامتصاصات ) وامتصاصالمادة القياسيه .وأكثر المواد المستخدمة كمادة قياسية هي مادة تتراميثيل سيلان (T M S ) Tetramethylsilan وذلك لأنها مادة سهلة الذوبان في معظم المذيبات العضويةودرجة غليانها منخفضة 27 م ، وبذلك يمكن التخلص منها بسهولة ، كما تعطى امتصاصاحادا كثيفا نتيجة لوجود 12 ذرة هيدروجين متماثلة وغير فعالة كيميائيا . الانتقال الكيميائي للبروتونات في المركبات العضوية
Chemical shift of protons in organic molecules تستخدم قيمة الانتقال الكيميائي في التعرف علىالمجموعات الكيميائية في الجزيء تماما مثل امتصاص الاشعة تحت الحمراء المستخدم فيالتعرف على المجموعات الدالة في الجزىء فقيمة الانتقال الكيميائي لمجموعة كيميائيةيتغير بدرجة صغيرة من جزىء لآخر ، وعلى ذلك فانه يمكن استخدام البيانات الخاصةبالانتقال الكيميائي والمنشورة في التعرف على المجموعات الكيميائية في جزىء غيرمعروف التركيب مدى الانتقال الكيميائي للبرتون في المجموعات الكيميائية الشائعة فيالجزيئات العضوية .ففي المركبات الأليفاتية aliphatic يلاحظ ان قيمة الانتقالالكيميائي في المجموعة C-H يزداد في الاتجاه CH > CH 2 > CH 3 (δ تساوى 0.9 , 1.3 ، 1.5 على التوالي )وفي الأُليفينات olefins يقع الانتقال الكيميائي للبوتون فيمجموعة CH = في المدى من 4 الى 6.5 أما المركبات العطرية فيقع الانتقال الكيميائيمن 7-9 ويلاحظ ان الانتقال الكيميائي للبروتون في المجموعات OH ،NH،NH2 ،CO2 . يتوقف على درجة الحرارة وعلى طبيعة المذيب وعلى التركيز ، ويرجع ذلك الى قابليةالبروتون في هذه المجموعات الى تكوين الروابط الهيدروجينية . ومن تأثير تكوينالروابط الهيدروجينية ايضا الامتصاص الناتج عن هذه المجموعات يكون امتصاصاعريضا broad peak ، وقد يكون من الصعب بعض الاحيان الكشف عن هذا الامتصاصالمساحةالمميزة لكل امتصاص Area Under Absorption Signal بالإضافة إلى ما سبق فانهيمكن الحصول ايضا على العدد النسبي لذرات الهيدروجين في كل مجموعة كيميائية . فمنالمعروف ان المساحة تحت المنحى لكل امتصاص تتناسب طرديا مع عدد ذرات الهيدروجينالمسببة لهذا الامتصاص . ويتم حساب المساحة النسبية لكل امتصاص بواسطة وحدة تكاملالكترونية في الجهاز . ويعبر عن المساحة لكل امتصاص بخط راسي يرتبط بكل امتصاص يكونطول هذا الخط في المنطقة الرأسية معبرا عن عدد النسبي لذرات الهيدروجين في كلامتصاص و من الأمور التي يجب مراعاتها أنه يمكن فقط تقدير العدد النسبيلذرات الهيدروجين في كل مجوعة وليس العدد المطلق . وعلى ذلك فان كل من ايثيل فورماتوداى ايثيل مالونات تعطي نفس النسب . ازدواج الحركات المغزلية للأنويةالمتجاورة Spin spin coupling : إذا كانت الكثافة الالكترونية حول نواةالهيدروجين ، وكذلك التوزيع الفراغي لهذه الذرات في الجزىء هما العاملان الوحيدانالمسئولان عن تحديد شكل طيف الرنين النووي المغناطيسي فإنه من المتوقع في هذهالحالة الحصول على طيف الامتصاص للجزيء يحتوي على عدة امتصاصات فردية ، يعبر كلامتصاص منها عن نوع واحد من البوتونات المتماثلة ، كما ان كثافة كل امتصاص تعبر عنعدد النسبي لذرات الهيدروجين
