핵자기공명 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)

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1 핵자기공명 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)
모든 원자핵은 양성자 (전하) 와 중성자 (질량)로 구성. 양성자와 중성자 모두는 축을 중심으로 자전을 하며 이를 스핀이라고 함. 스핀양자수 (I) : 핵의 스핀상태는 양자화되어 있다. → 원자핵을 구성하고 있는 질량번호, 원자번호 둘 중 하나가 홀수인 경우 스핀양자수를 가짐. 1H, 13C 등 → 질량번호, 원자번호가 모두 짝수이면 스핀을 가지지 않는다 (I=0) 12C와 16O 등 자성이 있는 원자가 거대한 자석의 자장에 놓이면, 그 핵의 형태와 자장의 크기, 그 핵의 물리화학적인 환경에 따라서 특징적인 주파수를 가진 에너지를 흡수 오늘날 의료계에서 많이 사용되는 MRI (Magnetic Resonance Imaging)의 기본 원리

2 외부자장이 걸리면 핵은 자신의 회전축을 중심으로 일정한 주파수로 세차운동
→ 동일한 주파수의 전자기파을 쪼여주면 흡수 동일한 핵종이라도 주위 환경이 달라지만 주파수가 달라짐. → 구조분석에 이용

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5 NMR 1. Chemical shift () : 1H 주위에 존재하는 전자(electron)에 의해 나타나는 현상으로 standard reference substance인 TMS(0 ppm)를 기준으로 보통  0-10 ppm 까지 측정 Direction of scan TMS  sacle downfield upfield 2. Chemical equivalence : 화학적으로 동등한 환경에 있는 1H는 동일한 chemical shift를 나타냄 3. Integral : NMR spectrum상에서 각 피크의 면적비는 1H의 숫자와 비례

6 Proton Chemical Shift Ranges*
NMR Proton Chemical Shift Ranges* High Field Region Low Field Region * For samples in CDCl3 solution. The d scale is relative to TMS at d = 0.

7 NMR 4. Spin-spin splitting (n+1 rule) : NMR spectrum 상의 피크의 갈라짐은 인접 탄소에 결합한 수소의 수 (n)에 하나를 더한 만큼, 즉 n+1개로 갈라짐

8 NMR 5. Coupling constant (J value): 각 피크간의 거리에 의해 결정되며 단위는 Hz로 나타냄. Coupling constant가 같은 peak는 인접한 H임.

9 Magnitude of Some Typical Coupling Constants

10 Number of signals 3H 3H integration 2H Splitting Chemical shifts

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13 A Modern NMR Instrument
Radio Wave Transceiver

14 FT NMR Free Induction Decay FT NMR spectrum

15 Fourier Transformation
iwt F(w) = f(t)e dt Converts from units of time to units of frequency

16 Characteristic Chemical Shifts

17 H | H | H | H | C - Y C - CH C - CH2 C - CH3 X Z X Z X Z X Z
Spin-Spin Coupling H | H | H | H | C - Y C - CH C - CH2 C - CH3 X Z X Z X Z X Z J singlet doublet triplet quartet

18 Spin Coupling Intensities
1 1 1 1 2 1 3 3 2 1 1 Pascal’s Triangle

19 Integrated 1H NMR Spectrum of Methyl 2,2- Dimethylpropanoate
Integration ratio: :

20 Bromoethane

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26 13Carbon NMR Spectroscopy
- 13C의 핵자기공명 측정 (12C는 안됨) - 13C의 분포가 적음 (약 1.1%) - 주위 환경에 따라 다른 chemical shift ( ppm) - n + 1 법칙은 적용되지 않음.

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30 DEPT experiment DEPT- 45 All protonated Cs are observed
DEPT- 90     Only CH peaks are observed DEPT-135    CH2 peaks are observed inverted relative to CH and CH3 peaks

31 DEPT-45 DEPT-90 DEPT-135

32 1H-1H COSY correlations 13C-1H COSY correlation

33 Mass spectrum of Paeonol
EI positive mode

34 1H-NMR spectrum of Paeonol (300MHz, CD3OD)
1 2 3 4 5 6 4´-OCH3 OCH3 1H-NMR (300MHz, CD3OD) :  7.76 (1H, d, J=8.9 Hz, H-6´), 6.48 (1H, dd, J=2.4, 8.9 Hz, H-5´), 6.40 (1H, d, J=2.4 Hz, H-3´), 3.82 (3H, s, 4´-OCH3), 2.53 (3H, s,OCH3) ppm

35 13C-NMR spectrum of Paeonol (100MHz, CD3OD)
C=O 4´ 2´ 6´ 1´ 5´ 3´ 4´-OCH3 OCH3 1 2 3 4 5 6 13C-NMR (100MHz, CD3OD) :  (C=O), (C-4´), (C-2´), (C-6´), (C-5´), (C-1´), (C-3´), 56.9 (4´-OCH3), 27.1 (OCH3) ppm

36 [규격서] Paeonol standard 기원 : Paeonia suffruticosa Andrews
화학명 : 2'-hydroxy-4'-methoxyacetophenone / 1-(2-hydroxy-4-methoxyphenyl)ethanone 구조: Column YMC-pack pro C18, 25010(id) mm Mobile phase AcCN:H2O = 35:65 Flow 2 ml/min UV 254 nm Rt min Purity % 분자식 : C9H10O3 (MW : ) 품질 : 외관 백색 분말 TLC n-Hex : EtOAc (5:1), Rf=0.48 건조감량 % 이하 함량 % (HPLC)