Agenda. Kopling Spin-Spin. Kopling Spin-spin 2014/12/13. Pendahuluan. Percobaan FT-NMR. Geseran Kimia. Coupling spin-spin.

(1)

Agenda

Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated

Kopling Spin-Spin

•Butanal pada NMR resolusi rendah:

•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)

(2)

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

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 Rasio puncak

0 1 singlet (s) 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.

(3)

Hanya 1 puncak proton pd benzena Terdapat 2 tipe proton

Jelaskan splitingnya

(4)

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

•JAC1, 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

(5)

Kopling Spin-Spin

•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

Agenda

INSTRUMENTASI

- 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

- continuous wave (CW) atau flied sweep instruments

- Kekuatan medan magnet beberapa ribu Gauss - Analisis kuantitatif unsur- unsur dan mempelajari sifat fisik lingkungan dari suatu inti

Resolusi Tinggi

Resolusi

Rendah

DIAGRAM SPEKTROMETER NMR

KLASIK/continuous wave

(6)

DIAGRAM SPEKTROMETER NMR

KLASIK/continuous wave

DIAGRAM

SPEKTRO

METER

FT-NMR

DIAGRAM SPEKTROMETER NMR

(7)

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 berbentuk tabung  tabung sampel

• Syarat:

• 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 40L (nanoprob) • Flow-through cell umum untuk

hyphenated technique spt HPLC-NMR 5 mm NMR sample tube RFenergy upper level of NMR solution

(8)

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

Sample Probe

(9)

Sample 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

•Untuk sensitivitas maksimum: probe dengan frekuensi tetap diperlukan  perlu probe yang berbeda untuk tiap inti yang dianalisis. •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

NMR Sample Position

(prior to release into probe)

Liquid Helium -269°C (4.2K) Liquid Nitrogen -196°C (77.4K) NMR sample positioned at top of probe Superconducting magnets require continuous cooling.

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.

Magnet

Jenis magnet pada spektrometer NMR:

1. 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

(10)

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

Jenis magnet pada spektrometer NMR:

Spin State Energy Differences

vs. Magnetic Field Strength

Spin State Energy Differences

vs. Magnetic Field Strength

 E  200 MHz for 1_H b spin state  E  400 MHz for 1_H randomly oriented nuclei (no magnetic field)

• 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 • Refractive Myler berfungsi sebagai penyekat, dengan memantulkan pancaran panas infra merah yang dihasilkan dari suhu permukaan ruang.

Magnet

(11)

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

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.

Generator FR dan Detektor

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.

(12)

Detektor FR

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

Integrator sinyal dan komputer

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

Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin

Aplikasi Analitik

•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 sinyal-sinyal dari pelarut dan hal ini akan menjelaskan penyelesaian masalah

(13)

Aplikasi Analitik

•Persiapan sampel

Aplikasi Analitik

•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

(14)

Informasi yang diperoleh dari spektrum 1_H-NMR antara lain:

•Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift)

•Spin-spin Coupling

•Integrasi

Interpretasi Spektra

1

_H-NMR

•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)

•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

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.

(15)

Proton-•Spin-spin Coupling Nilai Coupling Constant (J)

Ph H C HO H O 12 - 18 Hz H H C HO Ph O 6 - 11 Hz Hz H Ph C OH H O 0 - 3 Hz Hz H H H H H _H 7.5 Hz (Ortho) 1.5 Hz (metha) 0.8 Hz (para) N H H N N 5.5 Hz H H 1.6 Hz H H 7.6 Hz N H 0.9 Hz H •Spin-spin Coupling

Nilai Coupling Constant (J)

H H H H H H 8.3 Hz 1.3 Hz 0.7 Hz •Integrasi

Nilai integrasi ini menerangkan jumlah proton dari setiap sinyal atau tipe proton.

8.8 Hz 8.8 Hz 10 Hz 10 Hz A 6,93 (d, 8,8 Hz) H8,0 (d, 8,8) H D 6,62 (d, 10 Hz) 5,56 (d, 10 Hz) 1,53 (6H, s) O H H

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

Agenda

Teknik NMR Hypenated

•HPLC NMR •GC-NMR

•NMR Imaging dan MRI