2014/12/13
Agenda
Kopling Spin-Spin Pendahuluan
• Butanal
pada NMR resolusi rendah:
Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated
Kopling Spin-spin
• 4 geseran kimia (a-d). Fokus pada proton tipe c dan d • Proton tipe c adalah 2 proton metilena dekat gugus
aldehida
• Proton tipe d adalah proton tunggal pada karbon aldehida
Kopling Spin-Spin
• Proton pada CHO (d) akan spinning dengan (sesuai)
atau melawan medan magnet yang diberikan • Proton CH2 di sebelah proton CHO melakukan spin
dengan mengabsorpsi sesuai medan pada frekuensi berbeda dari proton CH2 di sebelah CHO yang melakukan spin berlawanan medan magnet • Proton CHO pecah (split) puncak absorpsinya untuk proton pada gugus CH2 menjadi 2 puncak absorpsi dengan intensitas sama (rasio 1:1)
1
2014/12/13
Kopling Spin-Spin • Proton H dari aldehida dipengaruhi oleh 2H dari CH2 dan
menyerap 3 frekuensi yang sedikit berbeda dengan intensitas relatif 1:2:1
• Spliting puncak memiliki tinggi relatif mengikuti segitiga
pascal
Kopling Spin-Spin Jumlah puncak(multiplisitas)=2nl+1 n: jumlah atom hidrogen ekuivalen pada atom karbon tetangga, l: bilangan kuantum spin (untuk H; l= ½ ) disederhanakan menjadi Jumlah puncak = n+1 n
n+1
pola
0
1
singlet (s)
Rasio puncak 1
1
2
doublet (d)
1:1
2
3
triplet (t)
1:2:1
3
4
quartet (q)
1:3:3:1
4
5
pentet (p)
1:4:6:4:1
5
6
multiplet (m)
Kopling Spin-Spin • Jika 2 gugus berbeda menyebabkan splitting, jumlah
puncak (multiplisitas) menjadi: (2nl+1)(2n’l+1), n untuk tetangga yang satu dan n’ tetangga lainnya.
Split menjadi (2+1)(1+1) = 6
2
2014/12/13
Hanya 1 puncak proton pd benzena Terdapat 2 tipe proton
Jelaskan splitingnya
3
2014/12/13
Kopling spin-spin • Jarak pemisahan dua puncak yang melakukan spliting
• • • • • • •
ditentukan dari kekuatan interaksi magnetik antara inti tersebut dan inti yang melakukan spliting yang dikenal dengan konstanta kopling (J) dalam satuan Hz. Untuk inti coupled A dan B ditulis JAB. CH3—CH2—CH2—CH3 A B C D Konstanta kopling antara proton pada karbon A = 0 JAB sebesar 6-8Hz JAC1, dan JAD sangat kecil sehingga diabaikan Jika satu ikatan C—C diganti menjadi C=C, J untuk cis sebesar 7-10Hz, trans: 12-19Hz
Kopling Spin-Spin • Untuk menentukan struktur yang agak sulit dapat
• • • • •
digunakan interaksi menggunakan nilai J spektra orde pertama Untuk sistem yang lebih rumit dapat menggunakan spektra orde kedua atau yang lebih tinggi Contoh: sistem A2B3: ada 2 tipe inti yang saling berinteraksi yaitu 2 dengan tipe A dan 3 tipe B Untuk sistem AB nilai /J akan kecil. A menggambarkan atom yang lemah atau tidak ada kopling Sistem A2X 2 proton tipe A yang kopling lemah dengan satu proton tipe X. Jika nilai /J menurun pola splitingnya menjadi kompleks
4
2014/12/13
Kopling Spin-Spin
Agenda
• Aturan menginterpretasi spektra proton orde pertama: 1. Spin kopling suatu proton yang ekuivalen dengan
proton lain menghasilkan n+1 puncak yang dipisahkan oleh J Hz, dimana J adalah konstanta kopling. Intensitas relatif mengikuti ekspansi binomial (r+1)n. 2. Jika proton berinteraksi dengan 2 set proton yang berbeda multiplisitas. 3. Proton ekuivalen tidak split satu dengan lainnya. perlu spektra orde kedua
Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR KLASIK/continuous wave
INSTRUMENTASI Resolusi Tinggi - Kekuatan medan magnet lebih dari 7000 G - Dapat menentukan struktur molekul yg berhubungan dengan puncak absorpsi dari inti atom Misal : jumlah proton, kedudukan proton, tipe proton dalam suatu molekul
Resolusi Rendah - continuous wave (CW) atau flied sweep instruments - Kekuatan medan magnet beberapa ribu Gauss - Analisis kuantitatif unsurunsur dan mempelajari sifat fisik lingkungan dari suatu inti
5
2014/12/13
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR KLASIK/continuous wave DIAGRAM SPEKTRO METER FT-NMR
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR
6
2014/12/13
DIAGRAM FOURIER TRANSFORM NMR DENGAN MAGNET SUPERKONDUKSI
Instrumentasi Sample holder Sample holder Magnet Generator frekuensi radio dan deteksi Integrator sinyal dan komputer Wide-line benchtop NMR & portable NMR
Sample Holder Tempat sampel biasanya tabung tabung sampel Syarat:
• • • • •
• • •
• •
berbentuk
5 mm NMR sample tube
transparant untuk radiasi RF Tahan lama Inert secara kimia
Terletak di antara dua kutub magnet. Dapat diputar pada sumbunya Biasanya berupa tabung silinder pyrex dengan panjang 6-7 inci diameter 5 mm, berisi sekitar 0,4 mL cairan, dengan tutup plastik Ukuran lain: untuk 40L (nanoprob) Flow-through cell umum untuk hyphenated technique spt HPLC-NMR
RF energy
upper level of NMR solution
7
2014/12/13
Sample Probe • •
• • •
Sample Probe
Alat untuk menempatkan tempat sampel di medan magnet dengan tepat. Terdapat turbin udara ke sample holder spin ketika sinyal dikumpulkan dan koil untuk transmisi dan deteksi sinyal NMR Probe adalah jantung sistem NMR Bagian paling penting:transmisi FR dan kumparan penerima Terdiri dari : -tempat sampel -kumparan FR -kumparan Detektor FR
1.4 Tesla TD-NMR - 5mm Probe operating at 60 MHz for 1H
8
2014/12/13
NMR Sample Position
Sample Probe
(prior to release into probe)
• Probe NMR modern: • Menggunakan satu kumparan kawat untuk mengeksitasi sampel dan mendeteksi sinyal • Kumparan mentransmisi pulsa Rf kuat ke sampel, pulsa dihentikan dan kumparan yang sama mengambil sinyal FID saat inti relaksasi
NMR sample positioned at top of probe
• Untuk sensitivitas maksimum: probe dengan frekuensi tetap diperlukan perlu probe yang berbeda untuk tiap inti yang dianalisis.
Liquid Nitrogen -196°C (77.4 K)
• Probe didesain untuk berbagai frekuensi tetapi sensitivitas,
power, dan kualitasnya spektranya turun. • Probe untuk penelitian resonansi ganda memerlukan dua kumparan sebagai sumber 2 RF • Probe untuk resonansi triple dengan gradien yang banyak untuk cairan, padatan dan penelitian flow
Magnet Magnet harus kuat, stabil dan menghasilkan medan
yang homogen
Sensitivitas dan resolusi dari spektrometer NMR
bergantung pada kekuatan dan kualitas magnet.
Dengan bertambah kekuatan magnet, sensitivitas dan
resolusi bertambah.
Liquid Helium -269°C (4.2 K) Superconducting magnets require continuous cooling.
Jenis magnet pada spektrometer NMR: Magnet Pokok Kekuatan medan magnet : 7046 G Frekuensi absorpsi proton : 30 MHz Sangat sensitif terhadap perubahan suhu, sehingga diperlukan adanya termostat 2. Elektromagnetik Kekuatan medan magnet : 14092 G, 21140 G, 23490 G Frekuensi absorpsi proton : 60 MHz, 90 MHz, 100 MHz Relatif tidak sensitif terhadap perubahan suhu Diperlukan sistem pendingin (cairan helium dan cairan nitrogen) untuk mengubah panas yang ditimbulkan akibat arus listrik yang besar 1.
9
2014/12/13
Jenis magnet pada spektrometer NMR: 3.
Magnet Superkonduktor Magnet selenoid terdiri atas kumparan medan yang dibuat dari
Nb/Sn atau Nb/Ti superkonduktor dengan kumparan (shim coild) superkonduksi di sekeliling kumparan utama untuk meningkatkan kehomogenan medan Kekuatan medan magnet : 110390 G Frekuensi absorpsi proton : 470 MHz NMR beresolusi tinggi
Spin State Energy Differences vs. Magnetic Field Strength b spin state
randomly oriented nuclei (no magnetic field)
E 200 MHz for 1H
Energy
E 400 MHz for 1H
a spin state 0
4.7
9.4
Magnetic field strength, B0 (Tesla)
High Field NMR • increased sensitivity • increased resolution
Magnet •
Refractive Myler berfungsi sebagai penyekat, dengan memantulkan pancaran panas infra merah yang dihasilkan dari suhu permukaan ruang.
•
Bejana likuid helium terbuat dari stainless steel dengan lapisan setebal 1.6 mm, dan dibungkus dengan selembar kertas alumunium yang berfungsi untuk pelindung radiasi pemanasan yang lebih rendah.
•
Bejana Likuid Nitrogen ditambahkan harus ada untuk menurunkan kehilangan akibat evaporasi likuid He. Bejana ini terbuat kira-kira 4.8mm aluminium. Pada waktu beroperasi normal ruang ini diisi dengan likuid nitrogen, sebagai jalan untuk pemberi muatan timah magnet. Likuid nitrogen disimpan di atas magnet karena merupakan bahan pendingin murah yang berfungsi sebagai penghalang radisasi infra merah dari daerah yang manjangkau bejana helium
•
Magnet superkonduksi merupakan kawat atau dawai yang terbuat dari tembaga-clad niobium-titanium alloy. Magnet terdiri dari 12 mil atau 19 km kawat superkonduksi.
10
2014/12/13
Magnet • Untuk mengatur homogenitas medan dilakukan proses
shimming yang memerlukan waktu, namun saat ini sudah dioperasikan oleh komputer. • Kekuatan medan magnet dibuat konstan dengan frequency locking circuit. Circuit digunakan untuk memonitor inti pada frekuensi resonasi konstan • Ukuran tempat sampel (bore) ditentukan oleh ukuran sampel yang akan diukur. • Bore mengandung udara untuk sampel berubah dan spinning pada sampel holder dalam medan magnet
Generator FR dan Detektor
Generator FR dan Detektor
Radiasi RF dihasilkan dengan menggunakan osilator kristal RF. Output osilator diperbesar dicampur dan disaring untuk menghasilkan radiasi RF monokromatis. Osilator rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai pembangkit frekuensi tinggi Radiasi RF diberikan ke sampel adalah pulsa. Suatu pulsa tunggal untuk pulsa 500MHz selama 10 s. Proses pulsa sebenarnya memperbesar pita RF, menyediakan berbagai frekuensi yang mampu membangkitkan semua inti yang beresonansi. Semua resonansi pada pita ini terjadi secara simultan. Programmer pulsa diperlukan untuk mengatur waktu dan bentuk pulsa RF yang digunakan untuk mengeksitasi sampel. Sinyal dari osilator FR masuk ke dalam sepasang kumparan yang letaknya tegak lurus dengan medan magnet. Osilator digunakan dengan frekuensi tertentu misalnya 60, 90, atau 100 MHz. Pada spektrometer NMR resolusi tinggi, ferekuensi harus konstan. Output dari osilator FR lebih kecil dari 1 watt dan harus tetap konstan sampai 1 % selama jangka waktu tertentu.
Gelombang pulsa kotak (square) paling sering digunakan, tetapi percobaan multipulsa dan 2D NMR dengan bentuk pulsa yang lain juga ada. Seluruh sinyal dikumpulkan secara simultan. Pulsa RF biasanya disampaikan dalam satuan watt sedangkan sinyal NMR dikumpulkan dalam satuan mikrowatt. Sinyal FID dalam domain waktu harus dikonversi pada domain frekuensi dengan Fourier transformasi atau sistem transformasi matematika lainnya.
11
2014/12/13
Detektor FR
Integrator sinyal dan komputer
Letak kumparan detektor FR tegak lurus dengan kumparan osilator FR . Bila radiasi diserap maka putaran ini akan menghasilkan signal dengan frekuensi radio (FR) pada kumparan detektor. Signal FR yang dihasilkan biasanya kecil dan harus diperkuat dengan faktor 10 pangkat 5 atau lebih sebelum dicatat atau direkam pada rekorder sebagai sinyal resonansi atau puncak
Recorder adalah alat perekam Saat ini data banyak disimpan dalam komputer Respon yang dihasilkan pada detektor dicatat atau direkam dengan signal resonansi atau puncak. Kertas rekorder bergerak dari kiri ke kanan sesuai dengan kenaikan kekuatan medan magnet. Setiap tipe proton akan mengalami resonansi dan dicatat pada kertas rekorder sebagai puncak-puncak
Agenda
Aplikasi Analitik Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated
• Preparasi sampel untuk NMR bufer yang dipilih? Isotopic labeling? Best temperature? Sample Position ?
Sebagian besar pengukuran spektrum NMR, senyawa-senyawa dilarutkan dalam suatu pelarut. Oleh karena itu, akan teramati sinyalsinyal dari pelarut dan hal ini akan menjelaskan penyelesaian masalah spektrum. Syarat pelarut untuk 1H-NMR haruslah tidak mengandung proton. Contoh: Deuteriokloroform (CDCl3) 7,26 ppm (s) sebagai pengganti Kloroform (CHCl3). CHD2OD 3,31 ppm (p) sebagai pengganti metanol (CH3OH).
12
2014/12/13
Aplikasi Analitik
Aplikasi Analitik
• Persiapan sampel
• Analisis kuantitatif • Hubungan luas puncak dan struktur molekul: • Luas puncak ditentukan oleh integral (secara otomatis) • Besarnya integral menggambarkan jumlah proton secara relatif
terhadap yang lain • Besar puncak bisa saja kecil namun integralnya sama dengan yang
besar jika puncak tersebut splitting memberikan banyak puncak tapi tinggi puncaknya rendah • Perubahan kimia • Adanya ikatan hidrogen akan memberikan sifat yang berbeda dari
proton • Laju perubahan sinyal akan bergantung pada suhu, perubahan akan
semakin besar dengan semakin besarnya suhu
Interpretasi Spektra Proton
Interpretasi Spektra Proton
13
2014/12/13
Interpretasi Spektra 1H-NMR Informasi yang diperoleh dari spektrum 1H-NMR antara lain: • Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift) • Spin-spin Coupling • Integrasi
Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift) • Tipe proton menerangkan lingkungan magnet dari setiap macam proton. Tipe proton yang berbeda mempunyai nilai pergeseran kimia yang berbeda. contoh: Alkil primer 0,8 – 1,0 ppm Alkil sekunder 1,2 – 1,4 ppm • Jumlah sinyal proton menerangkan berapa macam proton yang terdapat dalam suatu senyawa.
• Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift) masing-masing hidrogen nonekivalen memberikan sinyal yang khas sepanjang x-axis. Perbedaan energi diskret antara sinyal-sinyal diukur dalam satuan δ (ppm). data ini memberikan petunjuk langsung tentang jumlah dan jenis hidrogen dalam molekul dan petunjuk tak langsung tentang bagaimana karbon, nitrogen, oksigen dan atom-atom lain terikat.
Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift) • Jumlah sinyal proton menerangkan berapa macam proton yang terdapat dalam suatu senyawa. Dua atau lebih proton dengan lingkungan magnet yang sama akan mempunyai nilai pergeseran kimia yang sama dan hanya menghasilkan satu sinyal proton NMR. Protonproton dengan lingkungan magnet yang berbeda artinya tidak ekivalen, mempunyai nilai pergeseran kimia yang berbeda
14
2014/12/13
• Spin-spin Coupling Nilai Coupling Constant (J) OH
6 - 11 Hz Hz
12 - 18 Hz HO H
• Spin-spin Coupling Nilai Coupling Constant (J)
C
O
H
O
H
C
H
H
5.5 Hz H
N
N
7.6 Hz
N
0 - 3 Hz Hz 1.6 Hz
H
Ph
H
Ph
C
Ph
O
H
HO
H
7.5 Hz (Ortho) H
H H
H
H
8.3 Hz H
H
0.9 Hz
H
H
H
H
H N
0.7 Hz
1.3 Hz
0.8 Hz (para)
1.5 Hz (metha)
H H
H
H
6,93 (d, 8,8 Hz) H
• Integrasi Nilai integrasi ini menerangkan jumlah proton dari setiap sinyal atau tipe proton.
H 8,0 (d, 8,8)
A
6,62 (d, 10 Hz) H 5,56 (d, 10 Hz) H D
1,53 (6H, s)
O
8.8 Hz 8.8 Hz 10 Hz 10 Hz
15
2014/12/13
16
2014/12/13
17
2014/12/13
18
2014/12/13
19
2014/12/13
Agenda
Teknik NMR Hypenated Pendahuluan Percobaan FT-NMR
• HPLC NMR • GC-NMR • NMR Imaging dan MRI
Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated
TERIMA KASIH
20
