Proton-NMR (proton-nucleair-magnetische resonantie, H-1-Kernspinresonantie of waterstof-NMR) is een techniek die gebruikt wordt in de natuur- en scheikunde om de chemische samenstelling, en in de organische chemie vooral de structuur van een stof te bepalen.
Principe De kernen van waterstofatomen gedragen zich als kleine magneetjesIn het lemma kernspinresonantie wordt een en ander uitgebreider besproken. In een sterk magneetveld kunnen deze magneetjes met het veld mee, of juist tegen het veld in "staan". De magneetjes "tegen het veld in" zetten kost energie, deze energie komt weer vrij als ze weer "met het veld mee" gaan staan. Het energieverschil tussen de twee toestanden komt overeen met de energie in radiostraling van ongeveer 100 MHz. Door radiostraling met de juiste frequentie (of golflengte) in het monster te sturen, kunnen conclusies over de structuur van de stof getrokken worden.
Plaats in het absorptiespectrum De frequentie, of golflengte, waarbij de waterstofkernen van energie absorberen om van de ene magnetische toestand naar de andere te gaan is, in tegenstelling tot de absorptie van zichtbaar licht door stoffen, niet aan een vaste frequentie gekoppeld. De frequentie is afhankelijk van het gebruikte magneetveld. Hoe sterker dit veld, hoe meer moeite het kost om de waterstofmagneetjes in "de andere stand" te zetten. Het gevolg is dat bij een sterkere magneet ook een hogere frequentie van de gebruikte radiostraling hoort. Omdat het gebruik van frequenties voor de meeste mensen meer voor de hand ligt dan het gebruik van de eenheid waarmee de magnetische fluxdichtheid (of magnetische veldsterkte) wordt aangeduid, wordt de sterkte van een NMR-magneet vaak aangegeven in de frequentie die nodig is om de waterstofatomen in tetramethylsilaan (TMS) in de andere magnetische stand te zetten. De eerste NMR-apparatuur maakte gebruik van 40 MHz. Met het voortschrijden van de techniek is het standaard NMR-apparaat voor research-doeleinden via 60 en 100 MHz uitgegroeid tot 900 MHz.
Chemische verschuiving Chemische verschuiving in de verschillende methoxy-methanenSDBSWeb : https://web.archive.org/web/20090210020707/http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/ (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 20091121) Naam Chemische verschuivingin ppm Methoxymethaan 3.242 Dimethoxymethaan 3.359 Trimethoxymethaan 4.964
Als de plaats van de absorptie alleen afhankelijk was van de sterkte van het gebruikte magneetveld, dan zou NMR slechts geschikt zijn om vast te stellen dat er waterstof aanwezig is in de stof. Het blijkt dat elektronen het gebruikte magneetveld verlagen. De lading rond een waterstofatoom is afhankelijk van zijn chemische omgeving. Dit heeft geleid tot de naam "chemische verschuiving" voor dit effect. Daarbij is belangrijk dat: Hoe meer elektronen, hoe groter de verlaging van het magneetveld, en omgekeerd bij minder elektronen "ziet" het waterstofatoom een groter magneetveld. Hierbij moet niet zozeer gedacht worden aan het pure aantal elektronen. De tijd die een elektron "in de buurt" doorbrengt is daarbij belangrijker. In de tabel hiernaast is voor de verschillende methoxymethanen het signaal van een waterstofatoom aan het centrale koolstofatoom vermeld. Naarmate het aantal zuurstofatomen toeneemt, en daarmee dus de hoeveelheid elektronen rond het centrale waterstofatoom minder wordt, zien we de chemische verschuiving groter worden. de verlaging een bepaald gedeelte is van het gebruikte magneetveld. Uitgedrukt in frequentie-eenheden: als bij een 60 MHz-NMR de verlaging tot gevolg heeft dat de absorptie 60 Hz opschuift, dan zal dit bij een 100 MHz-NMR 100 Hz zijn en bij een 600 MHz wordt een verlaging van 600 Hz aangetroffen. In een molecuul is de exacte hoeveelheid elektronen rond een bepaald waterstofatoom een vast gegeven; verschillende waterstofatomen in een molecuul kunnen echter verschillende hoeveelheden elektronen "zien". Verschillende soorten waterstofatomen in een molecuul zullen dus bij verschillende frequenties straling absorberen. Zoals in het voorbeeld is aangegeven bedraagt de spreiding in frequentie ongeveer het een miljoenste deel van de basisfrequentie. De spreiding wordt daarom aangegeven in delen per miljoen, ppm (uit het Engels: parts per milion). De exacte frequentie waarbij tetramethylsilaan absorbeert wordt daarbij als nulpunt voor de schaal gekozen.
Voorbeeld: ethanol thumb|Structuurformule van ethanol In ethanol komen drie soorten waterstofatomen voor: het waterstofatoom rechtstreeks gebonden aan zuurstof, in de figuur rood aangegeven. de twee waterstofatomen aan het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep vast zit, in de figuur groen aangegeven. de drie waterstofatomen aan het koolstofatoom zonder hydroxylgroep, in de figuur blauw aangegeven. Het NMR-spectrum van ethanol zal dus drie signalen vertonen: voor elk van de drie soorten waterstofatomen een. Het waterstofatoom aan zuurstof heeft de minste elektronen om zich heen, de waterstofatomen in de methylgroep de meeste. De waterstofatomen aan het koolstofatoom met de methyl-groep merken het elektronenzuigend effect van zuurstof op "hun" koolstofatoom: ze "zien" iets minder elektronen dan de waterstofatomen in de methyl-groep. De signalen liggen ongeveer bij 1,0, 4,0 en 4,5 ten opzichte van TMS. De sterkte van de signalen komt overeen met het aantal waterstofatomen dat verantwoordelijk is voor het signaal, dus in de genoemde volgorde: 3:2:1.
Multipliciteit thumb|500px|Spectrum 1: 1H-NMR-spectrum van ethanol (koppelingen wel, tweede orde effect niet aangegeven) De aanwezigheid van meerdere waterstofatomen in één molecuul heeft tot gevolg dat het magneetveld dat een waterstof "ziet" afhankelijk is van hoe buurwaterstofatomen ten opzichte van het magneetveld staan. Er wordt gezegd: De waterstofatomen koppelen met elkaar. Belangrijk daarbij is dat: Hoe verder de waterstofatomen van elkaar verwijderd zijn in het molecuul, hoe kleiner het effect. Meestal is het effect alleen te zien tussen waterstofatomen op koolstofatomen naast elkaar. In een molecuul met weinig of geen bewegingsvrijheid, bijvoorbeeld de aromatische ring, is het effect meestal wel over een grotere afstand te zien. Waterstofatomen die in het molecuul identiek zijn merken niets van elkaar. Op het moment dat het magneetveld en de radiostraling bij elkaar passen voor een van deze waterstofatomen, is het andere atoom ook net bezig anders in het magneetveld te gaan staan. Een waterstofatoom moet steeds beschikbaar zijn. Dat wil zeggen dat waterstofatomen die in waterstofbruggen optreden meestal te snel vervangen worden om een zichtbaar effect te geven op de andere waterstofatomen in het molecuul. In het eerder gegeven voorbeeld van ethanol betekent dit dat Het rode waterstofatoom geen echte buren heeft en als één signaal in het spectrum optreedt. De groene waterstofatomen geen effect merken van het rode, maar wel van de drie blauwe waterstofatomen. De drie blauwe waterstofatomen merken een effect van de twee groene waterstofatomen. Omdat een waterstofatoom het magneetveld van het NMR-apparaat wat groter of wat kleiner kan maken heeft de aanwezigheid van een groen waterstofatoom in de buurt tot gevolg dat de blauwe waterstofatomen met drie verschillende mogelijkheden voor het magneetveld geconfronteerd worden: Beide groene waterstofatomen maken het magneetveld van het apparaat iets groter. Het ene groene waterstofatoom maakt het magneetveld iets groter, het andere juist iets kleiner. De twee waterstofatomen zitten beiden even ver van de blauwe waterstofatomen vandaan, het effect van beide atomen is dus even groot, maar tegengesteld. Netto "zien" de blauwe waterstofatomen dus het magneetveld van het NMR-apparaat. Beide groene waterstofatomen maken het magneetveld van het apparaat iets kleiner. Er zijn dus drie verschillende veldsterkten voor de blauwe waterstofatomen. In de figuur is te zien dat de middelste waarde twee keer zo groot is als de twee andere waarden. Deze mogelijkheid ontstaat als een van de groene waterstofatomen het magneetveld groter maakt en één kleiner met als netto-effect: de standaardwaarde. De kans dat dit optreedt is twee keer zo groot als een van de twee andere kansen.Vergelijk: de mogelijkheid om kop of munt te gooien is voor elke munt hetzelfde. Met een munt van € 0,10 en een munt van € 0,20 zal duidelijk zijn dat er twee verschillende mogelijkheden van één kop en één munt zijn, en vier mogelijkheden totaal. Het effect van de blauwe waterstofatomen op de groene werkt precies zo, alleen de drie blauwe waterstofatomen hebben in totaal vier mogelijkheden voor het totale effect op de groene. Ook nu blijkt dat de middelste waarden vaker voorkomen dan de meer naar buiten liggende waarden. Verder doorrekenen leidt tot de conclusie dat het ontstane patroon beschreven kan worden met de driehoek van pascal.
Gelijk koppelende protonen right Het stijgende aantal buuratomen leidt tot een in steeds meer lijnen uiteenvallen van een bepaald signaal. In de figuur hiernaast is het effect te zien van een stijgend aantal buren. Elke nieuwe buur heeft tot gevolg dat het signaal een lijn meer krijgt. Opvallend daarbij is dat voor n=8, waarbij dus negen lijnen verwacht worden, de twee buitenste lijnen vrijwel alleen herkenbaar zijn, doordat de andere lijnen en het verwachte aantal op die plaatsen een signaal voorspellen.
Ongelijk koppelende protonen right In het vorige voorbeeld was het effect van elk koppelend waterstofatoom op het magneetveld dat "gezien" wordt even groot. Er kan daarbij gedacht worden aan bijvoorbeeld het effect van de waterstofatomen in de methylgroepen op het waterstofatoom aan de middelste koolstof in 2-propanol. Als het om verschillende waterstofatomen gaat, is het eerder regel dan uitzondering dat de koppelingen niet gelijk zullen zijn. Dit leidt tot complexe multipletten, zoals de voorbeelden hiernaast laten zien.
Tweede-orde-effecten De driehoek van Pascal voorspelt een volledig symmetrische verdeling van de intensiteit van de pieken. De illustraties van de multipletten, echte, niet berekende spectra, laat zien dat de signalen soms een beetje scheef zijn. Vooral in de complexere multipletten is te zien dat de rechter signalen vaak wat groter zijn dan de linker signalen. Dit verschijnsel wordt als "tweede orde effect" beschreven en heeft tot gevolg dat: De signalen aan de kant van een multiplet waar zich het signaal van de koppelende protonen bevindt zijn wat groter. Het effect heeft ook tot gevolg dat de positie van de koppelende signalen iets uit elkaar schuift. Dit is echter pas echt opvallende als de twee signalen echt dicht bij elkaar liggen. Het effect is afhankelijk van het verschil in hertz tussen de koppelende signalen, het wordt niet bepaald door het verschil in ppm. Door de toenemende sterkte van de gebruikte magneetvelden, en daardoor een stijging van het verschil in hertz tussen koppelende signalen, is het effect in moderne NMR-apparaten veel kleiner dan in de begindagen van de NMR.
Aromaticiteit In het kader van het onderzoek naar (mogelijk) aromatische verbindingen speelt waterstof-NMR een duidelijke rol. Dit is het gevolg van de eigenschap dat in een magneetveld de aromatische ring zelf een veld opbouwt dat binnen de ring tegengesteld is aan het uitwendige veld. Buiten de ring heeft dit tot gevolg dat het door waterstofatomen aan de benzeenring "gevoelde" magneetveld (de veldlijnen van de aromaat-magneet lopen buiten de ring hetzelfde als het uitwendige veld) groter is dan dat voor andere waterstofatomen. De aromatische waterstofatomen geven een signaal bij laag veld, of hoge ppm-waarden. 150px annuleen met twee groepen waterstofatomen