Fluor-19 kernspinspectroscopie

Fluor-19 kernspinspectroscopie (fluor NMR of ¹⁹F NMR) is een analytische chemische techniek om fluorhoudende verbindingen op te sporen en te identificeren. In de Kernspinresonantie is ¹⁹F een belangrijke kern vanwege zijn gevoeligheid en grote spreiding in chemische verschuiving. Deze laatste is groter dan in de proton-NMR.^[1]^[2]^[3]

Algemeen bewerken

¹⁹F heeft een kernspin (I) van ½ en een groteh gyromagnetische verhouding. Het gevolg is dat dit isotoop zeer gevoelig in de NMR-meting. Verder vormt ¹⁹F 100% van het natuurlijk voorkomede fluor. De enige andere hoog gevoelige kernen met spin ½ die ook nog (vrijwel) mono-isotopisch zijn, zijn ¹H en ³¹P.^[4]^[a] Na ³H en ¹H is de ¹⁹F-kern de derde in rij wat gevoeligheid betreft.

De chemische verschuiving van ¹⁹F NMR hebben een bereik van ongeveer 800 ppm. Voor organische fluorverbindingen is de spreiding veel kleiner, beginnend bij ca. -50 ppm (voor CF₃-groepen) tot ongeveer -220 ppm (voor CH₂F-groepen). Het grote bereik kan aanleiding geven tot problemen bij het opnemen van spectra, zoals slechte resolutie (om het hele spectrum te zien zijn details slecht waarneembaar) een inaccurate integratie.

Het is ook mogelijk ¹⁹F{¹H} - waterstof ontkoppelde (spin-spin-koppeling met waterstof wordt uitgeschakeld) - of juist ¹H{¹⁹F} - fluor ontkoppelde (in het proton-NMR zie je geen effect van de fluor-atomen) - op te nemen. De toepassing van technieken als ¹⁹F-¹³C HMBC bieden inzicht in de binding van fluor aasn het koolstofskelet van een molecuul, HOESY spectra geven inzicht in de ruimtelijke relatie tussen molecuuldelen.

Chemische verschuiving bewerken

De waarden die in de literatuur voor de chemische verschuiving in ¹⁹F NMR gerapporteerd worden kunnen grote verschillen vertonen, zelfs als de spectra opgenomen zijn in het zelfde oplosmiddel. Meer dan 1 ppm is gebruikelijk.^[5] Hoewel de referentieverbindin voor de ¹⁹F NMR spectroscopie, het signaal van puur CFCl₃ (0 ppm),^[6] is sinds de jaren 50 van de 20e eeuw als zodanig gebruikt.^[7] Eenvoudige regels hoe in de dagelijkse, routinematige, laboratoriumpraktijk moest worden gehandeld ontbraken echter nog lang.^[5] Onderzoek naar de effecten op de chemische verschuiving in de fluor NMR spectroscopie bracht aan het licht dat het oplosmiddel hierop het grootste effect heeft (Δδ = ±2 ppm of meer).^[5] Een oplosmiddel specifieke tabel met 5 interne standaarden is inmiddels beschikbaar. De standaard stoffen zijn: het al eerder genoemde CFCl₃, C₆H₅F, PhCF₃, C₆F₆ en CF₃CO₂H. Met deze standaarden is een reproduceerbaarheid met Δδ = ±0,030 ppm mogelijk.^[5] Omdat de chemische verschuiving van CFCl₃ ook beïnvloed wordt door het oplosmiddel kunnen gemeten waarden met deze stof als interne standaard (dus ook opgelost) niet zonder meer vergeleken worden met die van de pure stof (0 ppm).^[5] In de tabel zijn een aantal waarden voor de chemische verschuiving gerapporteerd ten opzichte van puur trichloorfluormethaan:^[5]

Excerpt of Referencing Table Against Neat CFCl₃ [ppm]
	CFCl₃	C₆H₅F	PhCF₃	C₆F₆	CF₃CO₂H
Solvent	[ppm]	[ppm]	[ppm]	[ppm]	[ppm]
CDCl₃	0.65	-112.96	-62.61	-161.64	-75.39
CD₂Cl₂	0.02	-113.78	-62.93	-162.61	-75.76
C₆D₆	-0.19	-113.11	-62.74	-163.16	-75.87
Acetone-d₆	-1.09	-114.72	-63.22	-164.67	-76.87

Een complete lijst met de referentiestoffen in 11 gedeutereerde oplosmiddelen is te vinden in de geciteerde literatuur.^[5] Kortgeleden is bovendien een lijst met chemische verschuivingen van meer dan 240 stoffen gepubliceerd.^[5]

Het voorspellen van chemische verschuivingen bewerken

De chemische verschuiving in ¹⁹F NMR is lastiger te voorspellen dan in de ¹H NMR. De verschuivingen in ¹⁹F NMR worden namelijk sterk beïnvloed door mogelijk aangeslagen toestanden van het molecuul, terwijl in ¹H NMR de verschuivingen vooral diamagnetisch bepaald zijn.^[8]

Trifluormethylverbindingen bewerken

¹⁹F Chemical Shifts of F₃C-R Groups
-R	δ (ppm)
H	-78
CH₃	-62
CH₂CH₃	-70
CH₂NH₂	-72
CH₂OH	-78
CH=CH₂	-67
C=CH	-56
CF₃	-89
CF₂CF₃	-83
F	-63
Cl	-29
Br	-18
I	-5
OH	-55
NH₂	-49
SH	-32
C(=O)Ph	-58
C(=O)CF₃	-85
C(=O)OH	-77
C(=O)F	-76
C(=O)OCH₂CH₃	-74

¹⁹F Chemical Shifts of F₂CH-R Groups
-R	δ (ppm)
H	-144
CH₃	-110
CH₂CH₃	-120
CF₃	-141
CF₂CF₃	-138
C(=O)OH	-127

¹⁹F Chemical Shifts of FH₂C-R Groups
-R	δ (ppm)
H	-268
CH₃	-212
CH₂CH₃	-212
CH₂OH	-226
CF₃	-241
CF₂CF₃	-243
C(=O)OH	-229

Fluoralkenen bewerken

De volgende praktijkregel is bruikbaar om een schatting te maken van de chemische verschuivingen van ¹⁹F aan dubbele banden, zogenaamde vinylische fluorsubstituenten:

\delta _{C=CF}~(ppm)=-133.9+Z_{cis}+Z_{trans}+Z_{gem}+S_{cis/trans}+S_{cis/gem}+S_{trans/gem}

waarin:

Z de statistische substituent chemische verschuiving (SSCS^[9]) van de substituent in de betrokken positie.
S is de interactiefactor.^[10] In de tabel hieronder zijn enkele representatieve waarden voor gebruik in deze formule opgenomen:^[11]

SSCS waarden voor Fluoralkeen Substituenten
Substituent R	Z_cis	Z_trans	Z_gem
-H	-7.4	-31.3	49.9
-CH₃	-6.0	-43.0	9.5
-CH=CH₂	---	---	47.7
-Ph	-15.7	-35.1	38.7
-CF₃	-25.3	-40.7	54.3
-F	0	0	0
-Cl	-16.5	-29.4	---
-Br	-17.7	-40.0	---
-I	-21.3	-46.3	17.4
-OCH₂CH₃	-77.5	---	84.2

Interaction Factors for Fluoroalkene Substituents
Substituent	Substituent	S_cis/trans	S_cis/gem	S_trans/gem
-H	-H	-26.6	---	2.8
-H	-CF₃	-21.3	---	---
-H	-CH₃	---	11.4	---
-H	-OCH₂CH₃	-47.0	---	---
-H	-Ph	-4.8	---	5.2
-CF₃	-H	-7.5	-10.6	12.5
-CF₃	-CF₃	-5.9	-5.3	-4.7
-CF₃	-CH₃	17.0	---	---
-CF₃	-Ph	-15.6	---	-23.4
-CH₃	-H	---	-12.2	---
-CH₃	-CF₃	---	-13.8	-8.9
-CH₃	-Ph	---	-19.5	-19.5
-OCH₂CH₃	-H	-5.1	---	---
-Ph	-H	---	---	20.1
-Ph	-CF₃	-23.2	---	---

Fluorbenzenen bewerken

Voor ¹⁹F aan een aromatische ring is er een andere formule om de chemische verschuiving te benaderen."^[11]

\delta _{F}~(ppm)=-113.9+\Sigma Z_{ortho}+\Sigma Z_{meta}+\Sigma Z_{para}

waarin

Z is de SSCS waarde voor een substituent op een gegeven positie relatief ten opzichte van het fluor-atoom. Een aantal representatieve waarden staan in onderstaande tabel vermeld:^[11]

SSCS Values for Fluorbenzeen Substituenten
Substituent	Z_ortho	Z_meta !	Z_para
-CH₃¹⁹F	-3.9	-0.4	-3.6
-CH=CH₂	-4.4	0.7	-0.6
-F	-23.2	2.0	-6.6
-Cl	-0.3	3.5	-0.7
-Br		3.5	0.1
-I	19.9	3.6	1.4
-OH	-23.5	0	-13.3
-OCH₃	-18.9	-0.8	-9.0
-22.9	-1.3	-17.4
-NO₂	-5.6	3.8	9.6
-CN	6.9	4.1	10.1
-SH	10.0	0.9	-3.5
-CH(=O)	-7.4	2.1	10.3
-C(=O)CH₃	2.5	1.8	7.6
-C(=O)OH	2.3	1.1	6.5
-C(=O)NH₂	0.5	-0.8	3.4
-C(=O)OCH₃	3.3	3.8	7.1
-C(=O)Cl	3.4	3.5	12.9

De gegevens zoals ze hier boven zijn weergegeven zijn puur voorbeelden. Andere bronnen en tabellen zijn ook beschikbaar voor het inschatten van waarden voor de chemische verschuiving in ¹⁹F NMR.

Iets waar in ieder geval rekening mee gehouden moet worden is dat de conventies voor + / – in de loop van de tijd verwisseld zijn. Vooral bij het vergelijken van oudere literatuurwaarden is dit een punt waar rekening mee gehouden moet worden.^[8]

Spin-spinkoppeling bewerken

¹⁹F-¹⁹F koppelingsconstanten zijn in het algemeen groter dan die voor ¹H-¹H. Dit betekent dat koppelingen over langere afstanden in het molecuul een rol spelen, (²J, ³J, ⁴J or even ⁵J) worden standaard waargenomen. Wel geldt algemeen: hoe groter de afstand, hoe kleiner de waarde.^[12] Wayerstof koppelt met fluor, een standaard verschijnsel in ¹⁹F-spectra. Met een geminaal waterstof-atoom (waterstof op het zelfde koolstof-atoom) kan de koppeling wel 50 Hz zijn. Ook andere kernen kunnen met fluor koppelen. In alle gevallen is de waarneembaarheid in het spectrum meestal te onderdrukken in ontkoppelingsexperimenten. Het is gebruikelijk om in fluor-NMRs zowel waterstof als koolstof te ontkoppelen. Tussen fluor-atomen zijn de koppelingsconstanten veel groter dan in proton-NMR gebruikelijk is. Voor geminale fluoratomen gelden waarden van 250–300 Hz.^[12] Voor koppelingsconstanten zijn uitgebreide literatuurlijsten beschikbaar.^[12]

MRI, Magnetic resonance imaging bewerken

¹⁹F magnetic resonance imaging (MRI) is een goede aanvulling of vervanging van ¹H MRI. Bio-incompatibliteitsproblemen kunnen ondervangen worden door gebruik te maken van zachte nanodeeltjes. Toepassingen omvatten pH-, temperatuur-, enzym-, metaalion- en redoxgevoelige- contrast agents. Lange termijn cellabelling is ook mogelijk.^[13]

Bronnen, noten en/of referenties

Dit artikel of een eerdere versie ervan is een (gedeeltelijke) vertaling van het artikel Fluorine-19 nuclear magnetic resonance spectroscopy op de Engelstalige Wikipedia, dat onder de licentie Creative Commons Naamsvermelding/Gelijk delen valt. Zie de bewerkingsgeschiedenis aldaar.

Noten

↑ De kernen ⁸⁹Y, ¹⁰³Rh en ¹⁶⁹Tm zijn ook mono-isotopisch, hebben een kernspin van ½, maar een erg kleine gyromagnetische verhouding.

Referenties

↑ Claridge, Timothy (2016), High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Elsevier, Oxford, United Kingdom, 428–429. ISBN 978-0-08-099986-9.
↑ Martino, R., Gilard, V., Malet-Martino, M. (2008), NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Analysis. Elsevier, Boston, pp. 371. ISBN 978-0-444-53173-5.
↑ H. Friebolin "Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy", Wiley-VCH, Weinheim, 2011. ISBN 978-3-527-32782-9
↑ See Harris, Robin Kingsley and Mann, Brian E.; NMR and the periodic table, p. 13 ISBN 0123276500
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h (en) Rosenau, Carl Philipp, Jelier, Benson J., Gossert, Alvar D., Togni, Antonio (16 mei 2018). Exposing the Origins of Irreproducibility in Fluorine NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition 57 (30): 9528–9533. ISSN: 1433-7851. PMID 29663671. DOI: 10.1002/anie.201802620.
↑ Harris, R.K. (2001). NMR nomenclature. Nuclear spin properties and conventions for chemical shifts(IUPAC Recommendations 2001). Pure and Applied Chemistry 73 (11): 1795–1818. DOI: 10.1351/pac200173111795.
↑ H., Dungan, Claude (1970), Compilation of reported F¹⁹ NMR chemical shifts, 1951 to mid-1967, Van Wazer, John R.. Wiley-Interscience, New York. ISBN 0471226505.
↑ ^a ^b Silverstein, Robert M., Webster, Francis X., Kiemle, David J. (2005), Spectrometric Identification of Organic Compounds, 7th. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 323–326. ISBN 978-0-471-39362-7.
↑ statistical substituent chemical shift
↑ Jetton, R.E.; Nanney, J.R.; Mahaffy, C.A.L. The prediction of the ¹⁹F NMR signal positions of fluoroalkenes using statistical methods, J. Fluorine Chem. 1995, 72, 121.
↑ ^a ^b ^c Pretsch, Ernö, Bühlmann, Philippe, Ba dertscher, Martin (2009), Structure Determination of Organic Compounds, 4th. Springer, Berlin, Germany, 243–259. ISBN 978-3-540-93809-5.
↑ ^a ^b ^c Dolbier, W. R. (2009) An Overview of Fluorine NMR, in Guide to Fluorine NMR for Organic Chemists, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA. doi: 10.1002/9780470483404.ch2
↑ Hermann, Petr, Blahut, Jan, Kotek, Jan, Herynek, Vit (2021), Metal Ions in Bio-Imaging Techniques. Springer. DOI:10.1515/9783110685701-014, "Chapter 8. Paramagnetic Metal Ion Probes for ¹⁹F Magnetic Resonance Imaging", pp. 239-270.

[5] De kernen ⁸⁹Y, ¹⁰³Rh en ¹⁶⁹Tm zijn ook mono-isotopisch, hebben een kernspin van ½, maar een erg kleine gyromagnetische verhouding.

[1] Claridge, Timothy (2016), High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Elsevier, Oxford, United Kingdom, 428–429. ISBN 978-0-08-099986-9.

[2] Martino, R., Gilard, V., Malet-Martino, M. (2008), NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Analysis. Elsevier, Boston, pp. 371. ISBN 978-0-444-53173-5.

[3] H. Friebolin "Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy", Wiley-VCH, Weinheim, 2011. ISBN 978-3-527-32782-9

[4] See Harris, Robin Kingsley and Mann, Brian E.; NMR and the periodic table, p. 13 ISBN 0123276500

[:3-6] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h (en) Rosenau, Carl Philipp, Jelier, Benson J., Gossert, Alvar D., Togni, Antonio (16 mei 2018). Exposing the Origins of Irreproducibility in Fluorine NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition 57 (30): 9528–9533. ISSN: 1433-7851. PMID 29663671. DOI: 10.1002/anie.201802620.

[7] Harris, R.K. (2001). NMR nomenclature. Nuclear spin properties and conventions for chemical shifts(IUPAC Recommendations 2001). Pure and Applied Chemistry 73 (11): 1795–1818. DOI: 10.1351/pac200173111795.

[8] H., Dungan, Claude (1970), Compilation of reported F¹⁹ NMR chemical shifts, 1951 to mid-1967, Van Wazer, John R.. Wiley-Interscience, New York. ISBN 0471226505.

[:0-9] Silverstein, Robert M., Webster, Francis X., Kiemle, David J. (2005), Spectrometric Identification of Organic Compounds, 7th. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 323–326. ISBN 978-0-471-39362-7.

[10] statistical substituent chemical shift

[11] Jetton, R.E.; Nanney, J.R.; Mahaffy, C.A.L. The prediction of the ¹⁹F NMR signal positions of fluoroalkenes using statistical methods, J. Fluorine Chem. 1995, 72, 121.

[:1-12] Pretsch, Ernö, Bühlmann, Philippe, Ba dertscher, Martin (2009), Structure Determination of Organic Compounds, 4th. Springer, Berlin, Germany, 243–259. ISBN 978-3-540-93809-5.

[:2-13] Dolbier, W. R. (2009) An Overview of Fluorine NMR, in Guide to Fluorine NMR for Organic Chemists, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA. doi: 10.1002/9780470483404.ch2

[14] Hermann, Petr, Blahut, Jan, Kotek, Jan, Herynek, Vit (2021), Metal Ions in Bio-Imaging Techniques. Springer. DOI:10.1515/9783110685701-014, "Chapter 8. Paramagnetic Metal Ion Probes for ¹⁹F Magnetic Resonance Imaging", pp. 239-270.

[1]

[2]

[3]

[4]

[a]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]