المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

علم الكيمياء
عدد المواضيع في هذا القسم 11123 موضوعاً
علم الكيمياء
الكيمياء التحليلية
الكيمياء الحياتية
الكيمياء العضوية
الكيمياء الفيزيائية
الكيمياء اللاعضوية
مواضيع اخرى في الكيمياء
الكيمياء الصناعية

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية
ميعاد زراعة الجزر
2024-11-24
أثر التأثير الاسترجاعي على المناخ The Effects of Feedback on Climate
2024-11-24
عمليات الخدمة اللازمة للجزر
2024-11-24
العوامل الجوية المناسبة لزراعة الجزر
2024-11-24
الجزر Carrot (من الزراعة الى الحصاد)
2024-11-24
المناخ في مناطق أخرى
2024-11-24

اهداف ادب الطفل / الأهداف الاعتقادية
10/10/2022
التلوث
9-7-2018
مميزات بيض السمان
2023-04-20
نظرية منحنيات السواء
4-8-2018
Protista
15-10-2019
البعد التاريخي للمدن
29-9-2020

The basics of 13C-NMR spectroscopy  
  
4293   12:20 صباحاً   date: 3-1-2020
Author : LibreTexts Project
Book or Source : ................
Page and Part : .................

The basics of 13C-NMR spectroscopy

The magnetic moment of a 13C nucleus is much weaker than that of a proton, meaning that NMR signals from 13C nuclei are inherently much weaker than proton signals. This, combined with the low natural abundance of 13C, means that it is much more difficult to observe carbon signals: more sample is required, and often the data from hundreds of scans must be averaged in order to bring the signal-to-noise ratio down to acceptable levels. Unlike 1H-NMR signals, the area under a 13C-NMR signal cannot be used to determine the number of carbons to which it corresponds. This is because the signals for some types of carbons are inherently weaker than for other types – peaks corresponding to carbonyl carbons, for example, are much smaller than those for methyl or methylene (CH2) peaks. Peak integration is generally not useful in 13C-NMR spectroscopy, except when investigating molecules that have been enriched with 13C isotope.

The resonance frequencies of 13C nuclei are lower than those of protons in the same applied field - in a 7.05 Tesla instrument, protons resonate at about 300 MHz, while carbons resonate at about 75 MHz. This is fortunate, as it allows us to look at 13C signals using a completely separate 'window' of radio frequencies. Just like in 1H-NMR, the standard used in 13C-NMR experiments to define the 0 ppm point is tetramethylsilane (TMS), although of course in 13C-NMR it is the signal from the four equivalent carbons in TMS that serves as the standard. Chemical shifts for 13C nuclei in organic molecules are spread out over a much wider range than for protons – up to 200 ppm for 13C compared to 12 ppm for protons (see Table 3 for a list of typical 13C-NMR chemical shifts). This is also fortunate, because it means that the signal from each carbon in a compound can almost always be seen as a distinct peak, without the overlapping that often plagues 1H-NMR spectra. The chemical shift of a 13C nucleus is influenced by essentially the same factors that influence a proton's chemical shift: bonds to electronegative atoms and diamagnetic anisotropy effects tend to shift signals downfield (higher resonance frequency). In addition, sp2 hybridization results in a large downfield shift. The 13C-NMR signals for carbonyl carbons are generally the furthest downfield (170-220 ppm), due to both sp2 hybridization and to the double bond to oxygen.

Because of the low natural abundance of 13C nuclei, it is very unlikely to find two 13C atoms near each other in the same molecule, and thus we do not see spin-spin coupling between neighboring carbons in a 13C-NMR spectrum. There is, however, heteronuclear coupling between 13C carbons and the hydrogens to which they are bound. Carbon-proton coupling constants are very large, on the order of 100 – 250 Hz. For clarity, chemists generally use a technique called broadband decoupling, which essentially 'turns off' C-H coupling, resulting in a spectrum in which all carbon signals are singlets. Below is the proton-decoupled13C-NMR spectrum of ethyl acetate, showing the expected four signals, one for each of the carbons.

 

image104.png

While broadband decoupling results in a much simpler spectrum, useful information about the presence of neighboring protons is lost. However, another modern NMR technique called DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) allows us to determine how many hydrogens are bound to each carbon. For example, a DEPT experiment tells us that the signal at 171 ppm in the ethyl acetate spectrum is a quaternary carbon (no hydrogens bound, in this case a carbonyl carbon), that the 61 ppm signal is from a methylene (CH2) carbon, and that the 21 ppm and 14 ppm signals are both methyl (CH3) carbons. The details of the DEPT experiment are beyond the scope of this text, but DEPT information will often be provided along with 13C spectral data in examples and problems.

Below are two more examples of 13C NMR spectra of simple organic molecules, along with DEPT information.

image106.png

image108.png

greatest advantages of 13C-NMR compared to 1H-NMR is the breadth of the spectrum - recall that carbons resonate from 0-220 ppm relative to the TMS standard, as opposed to only 0-12 ppm for protons. Because of this, 13C signals rarely overlap, and we can almost always distinguish separate peaks for each carbon, even in a relatively large compound containing carbons in very similar environments. In the proton spectrum of 1-heptanol, for example, only the signals for the alcohol proton (Ha) and the two protons on the adjacent carbon (Hb) are easily analyzed. The other proton signals overlap, making analysis difficult.

image110.png

In the 13C spectrum of the same molecule, however, we can easily distinguish each carbon signal, and we know from this data that our sample has seven non-equivalent carbons. (Notice also that, as we would expect, the chemical shifts of the carbons get progressively smaller as they get farther away from the deshielding oxygen.)

image112.png

This property of 13C-NMR makes it very helpful in the elucidation of larger, more complex structures.

 




هي أحد فروع علم الكيمياء. ويدرس بنية وخواص وتفاعلات المركبات والمواد العضوية، أي المواد التي تحتوي على عناصر الكربون والهيدروجين والاوكسجين والنتروجين واحيانا الكبريت (كل ما يحتويه تركيب جسم الكائن الحي مثلا البروتين يحوي تلك العناصر). وكذلك دراسة البنية تتضمن استخدام المطيافية (مثل رنين مغناطيسي نووي) ومطيافية الكتلة والطرق الفيزيائية والكيميائية الأخرى لتحديد التركيب الكيميائي والصيغة الكيميائية للمركبات العضوية. إلى عناصر أخرى و تشمل:- كيمياء عضوية فلزية و كيمياء عضوية لا فلزية.


إن هذا العلم متشعب و متفرع و له علاقة بعلوم أخرى كثيرة ويعرف بكيمياء الكائنات الحية على اختلاف أنواعها عن طريق دراسة المكونات الخلوية لهذه الكائنات من حيث التراكيب الكيميائية لهذه المكونات ومناطق تواجدها ووظائفها الحيوية فضلا عن دراسة التفاعلات الحيوية المختلفة التي تحدث داخل هذه الخلايا الحية من حيث البناء والتخليق، أو من حيث الهدم وإنتاج الطاقة .


علم يقوم على دراسة خواص وبناء مختلف المواد والجسيمات التي تتكون منها هذه المواد وذلك تبعا لتركيبها وبنائها الكيميائيين وللظروف التي توجد فيها وعلى دراسة التفاعلات الكيميائية والاشكال الأخرى من التأثير المتبادل بين المواد تبعا لتركيبها الكيميائي وبنائها ، وللظروف الفيزيائية التي تحدث فيها هذه التفاعلات. يعود نشوء الكيمياء الفيزيائية إلى منتصف القرن الثامن عشر . فقد أدت المعلومات التي تجمعت حتى تلك الفترة في فرعي الفيزياء والكيمياء إلى فصل الكيمياء الفيزيائية كمادة علمية مستقلة ، كما ساعدت على تطورها فيما بعد .