Hva er kjemisk skift?

Kjernemagnetisk resonans (NMR) er en av de mest kraftige verktøy tilgjengelig for moderne organiske kjemikere. Med NMR-data, bestemmelse av strukturen av små molekyler blir en forholdsvis rask (hvis ikke helt smertefri) prosess. En av de begreper du trenger for å tolke NMR-data er kjemisk skift, noe som gir deg litt viktig informasjon om hydrogen eller karbonatomer i et molekyl.

Snurre rundt

Kjernene av atomer har en egenskap som kalles spinn. Spinn verdi for en kjerne avhenger av antall protoner og nøytroner den inneholder. Noen kjerner har en kjernespinn på 0, andre av 1/2, atter andre av en og så videre. Hvis en kjerne har en null spinn verdi, det heter NMR-aktive, og det virker litt som en liten magnet, og skaper sitt eget magnetfelt. Og akkurat som en magnet, når en ekstern magnetfelt brukes, det kan rette seg med feltet eller mot den.

absorpsjon

Hvis en kjerne er orientert slik at dens magnetfelt som står i motsetning til det eksterne magnetfeltet, vil det være høyere i energi. Følgelig, til enhver tid, de fleste av NMR-aktive kjerner i en prøve vil være på linje med den ytre magnetfelt, fordi dette er en lavere energitilstand. Man kan endre dette, men ved å bombardere prøven med radiobølger ved forskjellige frekvenser. Hvis radiobølgene har en energi er nøyaktig lik differansen mellom de to orienteringene mulig for et NMR-aktiv kjerne, vil den bli absorbert; ellers vil den passere rett gjennom.

elektroner

Den eksterne magnetiske felt har ikke bare innvirkning på atomkjernene, men det fører også til at elektroner rundt kjernen til å bevege seg. Denne strøm skaper et magnetisk felt som motsetter seg det ytre felt, slik at det "skjold" kjernen fra det ytre felt, og det feltet som kjernen faktisk føles er redusert. Jo større elektrontetthet rundt en kjerne, jo mer "skjermet", vil det være. En NMR spektroskopi blasts prøven med radiobølger ved forskjellige frekvenser for å se hvilke frekvenser blir absorbert. Høyere frekvenser har mer energi, slik at den høyere frekvens som absorberes, er mindre skjermet kjerner som absorberte den.

Kurve

NMR-data er vanligvis skrives ut på en graf som ser ut som en rekke vertikale linjer eller "topper". Den kjemiske skift er den horisontale posisjonen til hver av disse topper. Kjemiske skift er målt i forhold til en standard som kalles tetrametylsilan; denne måten kjemikere kan kompensere for forskjeller i maskinene som brukes av forskjellige laboratorier. Større kjemiske skift bety kjernene er "deshielded", mens mindre kjemisk skift bety kjernene er svært skjermet. En kjemiker kan ta denne informasjonen og bruke den til å finne ut hvor forskjellige atomer er plassert i et molekyl.