الرنين المغناطيسي النووي للبروتون

الرنين المغناطيسي النووي للبروتون ( NMR البروتون ، أو NMR الهيدروجين-1 ، أو ^1H NMR ) هو تطبيق الرنين المغناطيسي النووي في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) فيما يتعلق بنوى الهيدروجين-1 داخل جزيئات المادة، وذلك لتحديد بنية جزيئاتها. ^{[ 1 ]} في العينات التي يُستخدم فيها الهيدروجين الطبيعي (H)، يتكون الهيدروجين عمليًا بالكامل من النظير ^1H (الهيدروجين-1؛ أي الذي يحتوي على بروتون كنواة).

تُسجَّل أطياف الرنين النووي المغناطيسي البسيطة في المحلول ، ويجب تجنب تداخل بروتونات المذيب . يُفضَّل استخدام المذيبات المُدَوتَرة (الديوتيريوم = ^{2H ، ويُرمز لها غالبًا بـ D) والمخصصة خصيصًا للاستخدام في الرنين النووي المغناطيسي، مثل} الماء المُدَوتَر ₍ D₂O )، والأسيتون المُدَوتَر (CD₃ ₎ ₂CO _، والميثانول المُدَوتَر ( CD₃OD ₎ ، وثنائي ميثيل سلفوكسيد المُدَوتَر (CD₃ ₎ ₂SO _، والكلوروفورم المُدَوتَر (CDCl₃ ₎ . مع ذلك، يُمكن أيضًا استخدام مذيب خالٍ من الهيدروجين، مثل رابع كلوريد الكربون (CCl₄ ₎ أو ثاني كبريتيد الكربون (CS₂ _{) .}

تاريخيًا، كانت المذيبات المُدَوتَرة تُزوَّد بكمية ضئيلة (عادةً 0.1%) من رباعي ميثيل سيلان (TMS) كمعيار داخلي لمعايرة الإزاحات الكيميائية لكل بروتون من بروتونات المادة المُحلَّلة. جزيء TMS رباعي الأوجه ، حيث تكون جميع البروتونات متكافئة كيميائيًا، مما يُعطي إشارة واحدة، تُستخدم لتحديد الإزاحة الكيميائية = 0 جزء في المليون. ^{[ 2 ]} وهو متطاير ، مما يُسهِّل استعادة العينة. تستطيع أجهزة قياس الطيف الحديثة معايرة الأطياف بناءً على البروتون المتبقي في المذيب (مثل CHCl3 _{، 0.01% في CDCl3} بنسبة نقاء 99.99% ). تُزوَّد المذيبات المُدَوتَرة الآن عادةً بدون TMS.

تسمح المذيبات المُدَيتَرَة باستخدام قفل التردد والمجال بالديوتيريوم (المعروف أيضًا باسم قفل الديوتيريوم أو قفل المجال) لتعويض تأثير الانجراف الطبيعي للمجال المغناطيسي لجهاز الرنين المغناطيسي النووي ${\displaystyle B_{0}}$ولتوفير قفل الديوتيريوم، يقوم جهاز الرنين النووي المغناطيسي بمراقبة تردد رنين إشارة الديوتيريوم من المذيب باستمرار وإجراء تغييرات على${\displaystyle B_{0}}$للحفاظ على ثبات تردد الرنين. ^{[ 3 ]} بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام إشارة الديوتيريوم لتحديد 0 جزء في المليون بدقة كتردد رنين لمذيب القفل، والفرق بين مذيب القفل و0 جزء في المليون (TMS) معروف جيدًا.

تتميز أطياف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون لمعظم المركبات العضوية بانزياحات كيميائية تتراوح بين +14 و -4 جزء في المليون، وباقتران الدوران المغزلي بين البروتونات. ويعكس منحنى التكامل لكل بروتون وفرة البروتونات الفردية.

تتميز الجزيئات البسيطة بأطياف بسيطة. يتكون طيف كلوريد الإيثيل من ثلاثية عند 1.5 جزء في المليون ورباعية عند 3.5 جزء في المليون بنسبة 3:2. أما طيف البنزين فيتكون من قمة واحدة عند 7.2 جزء في المليون نتيجة لتيار الحلقة المغناطيسي المعاكس .

إلى جانب الرنين النووي المغناطيسي للكربون-13 ، يعد الرنين النووي المغناطيسي للبروتون أداة قوية لتوصيف البنية الجزيئية.

قيم الإزاحة الكيميائية ، التي يُرمز لها بـ δ ، ليست دقيقة تمامًا، بل هي قيم نموذجية ، ولذلك تُعتبر مرجعًا أساسيًا. تتراوح الانحرافات في حدود ±0.2 جزء في المليون ، وأحيانًا أكثر. تعتمد القيمة الدقيقة للإزاحة الكيميائية على التركيب الجزيئي والمذيب ودرجة الحرارة والمجال المغناطيسي الذي يُسجل فيه الطيف، بالإضافة إلى المجموعات الوظيفية المجاورة الأخرى . تتأثر نوى الهيدروجين بتهجين الذرة المرتبطة بها وبالتأثيرات الإلكترونية . تميل النوى إلى أن تصبح غير محمية بواسطة المجموعات التي تسحب كثافة الإلكترونات. ترن النوى غير المحمية عند قيم δ أعلى، بينما ترن النوى المحمية عند قيم δ أقل.  

من أمثلة المستبدلات الساحبة للإلكترونات: -OH ، -OCOR ، -OR ، -NO₂ _، والهالوجينات . تُسبب هذه المستبدلات انزياحًا نحو المجال الأقل بمقدار 2-4 جزء في المليون تقريبًا لذرات الهيدروجين على ذرة الكربون _ألفا ( ذرة كربون أليفاتية مرتبطة مباشرة بالمستبدل المعني)، وبمقدار أقل من 1-2 جزء في المليون لذرات الهيدروجين على ذرة الكربون _بيتا (ذرة كربون أليفاتية مرتبطة بذرة الكربون _ألفا ). تُساهم مجموعات الكربونيل ، والأجزاء الأوليفينية ، والحلقات العطرية بذرات كربون مهجنة من ^نوع sp² في السلسلة الأليفاتية، مما يُسبب انزياحًا نحو المجال الأقل بمقدار 1-2 جزء في المليون عند ذرة الكربون _ألفا .   

تجدر الإشارة إلى أن البروتونات غير المستقرة (−OH، −NH₂ _، −SH ) ليس لها إزاحة كيميائية مميزة. مع ذلك، يمكن تحديد هذه الرنينات باختفاء قمة عند تفاعلها مع الماء الثقيل ₍ D₂O ) ، حيث يحل الديوتيريوم محل ذرة بروتون . تُعرف هذه الطريقة باسم " رجّ الماء _{الثقيل "} . قد تُخفَض البروتونات الحمضية أيضًا عند استخدام مذيب يحتوي على أيونات ديوتيريوم حمضية (مثل الميثانول- d₄ ). ثمة طريقة بديلة لتحديد البروتونات غير المرتبطة بذرات الكربون، وهي تجربة التماسك الكمي الأحادي غير المتجانس (HSQC)، التي تربط البروتونات بذرات الكربون التي تفصل بينها رابطة واحدة. يمكن تحديد ذرة الهيدروجين غير المرتبطة بذرة كربون لعدم وجود قمة متقاطعة لها في طيف HSQC.

تتناسب شدة إشارات الرنين النووي المغناطيسي، نظريًا، مع نسبة النوى داخل الجزيء. ^{[ 4 ]} وبالاقتران مع الإزاحة الكيميائية وثوابت الاقتران، تسمح شدة الإشارات بتحديد البنية. بالنسبة للمخاليط، يمكن استخدام شدة الإشارات لتحديد النسب المولية. وتكون هذه الاعتبارات صحيحة فقط عند إتاحة وقت كافٍ للاسترخاء الكامل للإشارات المتأثرة، كما هو محدد بقيم T1 الخاصة بها _. وينشأ تعقيد إضافي من صعوبة دمج الإشارات ذات الأشكال الطيفية المختلفة جدًا.

بالإضافة إلى الإزاحة الكيميائية ، تسمح أطياف الرنين النووي المغناطيسي بتحديد البنية الجزيئية بفضل اقتران اللف المغزلي (والشدة المتكاملة). ولأن النوى تمتلك مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا، فإنها تؤثر على بعضها البعض، مُغيرةً طاقة وبالتالي تردد النوى المجاورة أثناء رنينها - وهذا ما يُعرف باقتران اللف المغزلي . يُعد الاقتران القياسي أهم أنواع اقترانات الرنين النووي المغناطيسي الأساسية . يحدث هذا التفاعل بين نواتين عبر الروابط الكيميائية ، ويمكن ملاحظته عادةً حتى مسافة ثلاث روابط (اقتران 3-J)، على الرغم من أنه قد يظهر أحيانًا على مسافة أربع أو خمس روابط، إلا أن هذه الروابط تكون أضعف بكثير.

يمكن فهم تأثير الاقتران القياسي بفحص بروتون له إشارة عند 1  جزء في المليون. يوجد هذا البروتون في جزيء افتراضي حيث يوجد بروتون آخر على بعد ثلاث روابط (في مجموعة CH-CH، على سبيل المثال). تتسبب المجموعة المجاورة ( مجال مغناطيسي ) في انقسام الإشارة عند 1  جزء في المليون إلى قمتين، إحداهما أعلى ببضع هرتز من 1  جزء في المليون، والأخرى أقل بنفس المقدار  . تبلغ مساحة كل من هاتين القمتين نصف مساحة القمة المفردة السابقة . يُعرف مقدار هذا الانقسام (الفرق في التردد بين القمتين) بثابت الاقتران . تبلغ القيمة النموذجية لثابت الاقتران للبروتونات الأليفاتية 7  هرتز.

ثابت الاقتران مستقل عن شدة المجال المغناطيسي لأنه ناتج عن المجال المغناطيسي لنواة أخرى، وليس عن مغناطيس المطياف. لذلك، يُقاس بالهرتز (التردد) وليس بوحدة جزء في المليون ( الإزاحة الكيميائية ).

في جزيء آخر، يتردد بروتون عند 2.5  جزء في المليون، وينقسم هذا البروتون أيضًا إلى اثنين بفعل بروتون آخر عند 1  جزء في المليون. ولأن مقدار التفاعل متساوٍ، فإن الانقسام سيكون له نفس ثابت الاقتران،  بفارق 7 هرتز. سيحتوي الطيف على إشارتين، كل منهما ثنائية . ستكون مساحة كل ثنائية متساوية لأن كل ثنائية ناتجة عن بروتون واحد.

تم الآن تغيير الثنائيتين عند 1 جزء في المليون و 2.5 جزء في المليون من الجزيء الخيالي CH−CH إلى CH ₂ −CH:

• ستكون المساحة الإجمالية لذروة CH2 عند 1 جزء في المليون _ضعف  مساحة ذروة CH عند 2.5 جزء في المليون.
• سيتم تقسيم قمة CH _{2 إلى قمة مزدوجة بواسطة قمة CH} - مع قمة واحدة عند 1  جزء في المليون + 3.5  هرتز وقمة واحدة عند 1  جزء في المليون - 3.5  هرتز (إجمالي ثابت الانقسام أو الاقتران هو 7  هرتز).

نتيجةً لذلك، ستنقسم قمة CH عند 2.5 جزء في المليون مرتين بفعل كل بروتون من CH₂ _. سيقسم البروتون الأول القمة إلى قمتين متساويتين في الشدة، وستتحول من قمة واحدة عند 2.5  جزء في المليون إلى قمتين، إحداهما عند 2.5  جزء في المليون + 3.5  هرتز والأخرى عند 2.5  جزء في المليون - 3.5  هرتز ، ولكل منهما شدة متساوية. ومع ذلك، ستنقسم هاتان القمتان مرة أخرى بفعل البروتون الثاني. وستتغير الترددات تبعًا لذلك.

•  سيتم تقسيم الإشارة 2.5 جزء في المليون + 3.5 هرتز إلى 2.5  جزء في المليون + 7  هرتز و 2.5  جزء في المليون.
•  سيتم تقسيم الإشارة 2.5 جزء في المليون - 3.5 هرتز إلى 2.5  جزء في المليون و 2.5  جزء في المليون - 7  هرتز.

النتيجة النهائية ليست إشارة تتكون من أربع قمم، بل ثلاث: إشارة واحدة عند 7  هرتز أعلى من 2.5  جزء في المليون، وإشارتان عند 2.5  جزء في المليون، وإشارة أخيرة عند 7  هرتز أقل من 2.5  جزء في المليون. نسبة ارتفاع هذه القمم هي 1:2:1. يُعرف هذا بالثلاثية، وهو مؤشر على أن البروتون مرتبط بثلاث روابط مع مجموعة _CH₂ .

يمكن تعميم ذلك على أي مجموعة CH _n . عند تغيير مجموعة CH _{2 −CH إلى CH 3} −CH ₂ ، مع الحفاظ على الإزاحة الكيميائية وثوابت الاقتران كما هي، تُلاحظ التغييرات التالية:

• ستكون المساحات النسبية بين الوحدات الفرعية CH ₃ و CH _{2 هي 3:2.}
• يرتبط CH ₃ ببروتونين في حالة ثلاثية 1:2:1 حوالي 1  جزء في المليون.
• يرتبط CH ₂ بثلاثة بروتونات.

إن الشيء الذي ينقسم بواسطة ثلاثة بروتونات متطابقة يأخذ شكلاً يُعرف باسم الرباعية ، حيث تكون شدة كل قمة نسبية 1:3:3:1.

تنقسم الذروة بواسطة n بروتونات متطابقة إلى مكونات تكون أحجامها بنسبة الصف n من مثلث باسكال :

لأن الصف n يحتوي على n + 1 مكونًا، يقال إن هذا النوع من الانقسام يتبع " قاعدة n  +  1": يظهر البروتون مع n جيران على شكل مجموعة من n  +  1 قمة.

كمثال آخر، في جزيء 2-ميثيل بروبان (CH₃ ₎ ₃CH _، يرتبط بروتون CH بثلاث مجموعات ميثيل متطابقة تحتوي على 9 بروتونات متطابقة. ينقسم إشارة C-H في الطيف إلى 10 قمم وفقًا لقاعدة n  +  1 للتعددية. فيما يلي إشارات الرنين النووي المغناطيسي (NMR) التي تُقابل عدة مضاعفات بسيطة من هذا النوع. لاحظ أن الخطوط الخارجية للمضاعف التساعي (التي يبلغ ارتفاعها 1/8 فقط من ارتفاع القمة الثانية) بالكاد تُرى، مما يُعطي تشابهًا سطحيًا مع المضاعف السباعي.

عندما يرتبط بروتون ببروتونين مختلفين، فمن المرجح أن تختلف ثوابت الاقتران، وبدلًا من ظهور ثلاثية، سنرى ثنائية من الثنائيات. وبالمثل، إذا ارتبط بروتون ببروتونين آخرين من نوع واحد، وبروتون ثالث من نوع آخر بثابت اقتران مختلف وأصغر، فسنرى ثلاثية من الثنائيات. في المثال أدناه، ثابت اقتران الثلاثية أكبر من ثابت اقتران الثنائية. جرت العادة على الإشارة أولًا إلى النمط الناتج عن أكبر ثابت اقتران، ثم تُسمى أنماط الانقسام ذات الثوابت الأصغر تباعًا. في الحالة أدناه، سيكون من الخطأ الإشارة إلى رباعية الثلاثيات على أنها ثلاثية من الرباعيات. يوفر تحليل هذه المضاعفات (التي قد تكون أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الموضحة هنا) أدلة مهمة على بنية الجزيء قيد الدراسة.

تنطبق القواعد البسيطة لانفصال إشارات الرنين النووي المغناطيسي (NMR) الموصوفة أعلاه فقط إذا كانت الإزاحات الكيميائية للشركاء المتفاعلين أكبر بكثير من ثابت الاقتران بينهما. وإلا فقد تظهر قمم أكثر، وستتشوه شدة كل قمة على حدة (تأثيرات من الدرجة الثانية).

أحيانًا، يمكن ملاحظة قمم صغيرة تحيط بالقمم الرئيسية في طيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون ^(1H NMR). لا تنتج هذه القمم عن اقتران البروتون-بروتون، بل عن اقتران ذرات الهيدروجين ^{(1H ) بذرة} كربون-13 ( ^13C ) مجاورة. تُعرف هذه القمم الصغيرة باسم "أقمار الكربون" نظرًا لصغر حجمها وظهورها حول قمة الهيدروجين ^{الرئيسية} . تصغر أقمار الكربون لأن عددًا قليلًا جدًا من الجزيئات في العينة يحتوي على ذرة الكربون هذه كنظير نادر نشط في الرنين النووي المغناطيسي ( 13C ⁾ . وكما هو الحال دائمًا في حالة الاقتران الناتج عن نواة واحدة ذات دوران مغزلي 1/2، يكون انقسام الإشارة للهيدروجين المرتبط بالكربون ^{-13 ثنائيًا. أما الهيدروجين المرتبط بالكربون -12} الأكثر وفرة فلا ينقسم، لذا يظهر كإشارة مفردة كبيرة. والنتيجة النهائية هي زوج من الإشارات الصغيرة المتباعدة بانتظام حول الإشارة الرئيسية. إذا كانت إشارة الهيدروجين منقسمة بالفعل بسبب اقتران الهيدروجين-هيدروجين أو تأثيرات أخرى، فإن كل قمر صناعي سيعكس هذا الاقتران أيضًا (كما هو معتاد في أنماط الانقسام المعقدة الناتجة عن شركاء اقتران مختلفين). يمكن أن تتسبب نوى أخرى نشطة في الرنين المغناطيسي النووي في ظهور هذه الأقمار الصناعية، لكن الكربون هو السبب الأكثر شيوعًا في أطياف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون للمركبات العضوية.

أحيانًا تظهر قمم أخرى حول قمم ^{البروتون} ، تُعرف باسم النطاقات الجانبية الدورانية ، وترتبط بمعدل دوران أنبوب الرنين النووي المغناطيسي . هذه القمم هي شوائب تجريبية ناتجة عن التحليل الطيفي نفسه، وليست سمة جوهرية لطيف المادة الكيميائية، ولا ترتبط تحديدًا بالمادة الكيميائية أو بنيتها.

لا ينبغي الخلط بين الأقمار الصناعية الكربونية والنطاقات الجانبية الدوارة وقمم الشوائب. ^{[ 7 ]}

• مطياف الكتلة
• تدوين بوبل – رموز الأحرف لأنظمة الدوران المترابطة
• مطيافية الرنين المغناطيسي النووي للبروتينات

• ^{شرح تفسير طيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (1H} -NMR)
• قاعدة بيانات طيفية للمركبات العضوية
• التحولات الكيميائية للبروتون
• مجموعة واسعة من الأمثلة التعليمية
• تجربة الرنين النووي المغناطيسي أحادي البعد للبروتون