Brontekst bekijken van Fluor-19 kernspinspectroscopie

[[Bestand:19F-NMR yne-6AmF5.svg|thumb|Een voorbeeld <sup>19</sup>F NMR spectrum van een eenvoudige organische verbinding. Voor elke piek is ook de integraal aangegeven.]]
[[Bestand:19FNMR C6F3H2Br.png|thumb|<sup>19</sup>F NMR van 1-broom-3,4,5-trifluorbenzeen. De uitvergroting laat het koppelingspatroon zien van het fluor-atoomop de 4-plaats met de andere fluor-atomen met de waterstofatomen op de 2- en de 6-plaats.]]

'''Fluor-19 kernspinspectroscopie''' ('''fluor NMR''' of '''<sup>19</sup>F NMR''') is een analytische chemische techniek om fluorhoudende [[Samengestelde stof|verbindingen]] op te sporen en te identificeren. In de [[Kernspinresonantie]] is <sup>19</sup>F een belangrijke [[Atoomkern|kern]] vanwege zijn gevoeligheid en grote spreiding in [[chemische verschuiving]]. Deze laatste is groter dan in de [[proton-NMR]].<ref>{{Citeer boek|title=High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry|url=https://archive.org/details/highresolutionnm0000clar|last=Claridge|first=Timothy|publisher=Elsevier|year=2016|isbn=978-0-08-099986-9|location=Oxford, United Kingdom|pages=[https://archive.org/details/highresolutionnm0000clar/page/428 428]–429}}</ref><ref>{{Citeer boek|title=NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Analysis|last=Martino|first=R.|last2=Gilard|first2=V.|last3=Malet-Martino|first3=M.|publisher=Elsevier|year=2008|isbn=978-0-444-53173-5|location=Boston|pages=371}}</ref><ref>H. Friebolin "Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy", Wiley-VCH, Weinheim, 2011, {{ISBN|978-3-527-32782-9}}</ref>

== Algemeen ==
[[Fluor-19|<sup>19</sup>F]] heeft een [[Kernspinresonantie|kernspin]] (I) van ½ en een grote [[gyromagnetische verhouding]]. Het gevolg is dat dit [[isotoop]] zeer gevoelig in de NMR-meting. Verder vormt <sup>19</sup>F 100% van het natuurlijk voorkomede fluor. De enige andere hoog gevoelige kernen met spin ½ die ook nog (vrijwel) mono-isotopisch zijn, zijn <sup>1</sup>H en <sup>31</sup>P.<ref>See Harris, Robin Kingsley and Mann, Brian E.; ''NMR and the periodic table'', p. 13 {{ISBN|0123276500}}</ref>{{efn|De kernen [[Yttrium-89|<sup>89</sup>Y]], [[Rhodium-103|<sup>103</sup>Rh]] en [[Thulium-169|<sup>169</sup>Tm]] zijn ook mono-isotopisch, hebben een kernspin van ½, maar een erg kleine gyromagnetische verhouding.}} Na <sup>3</sup>H en <sup>1</sup>H is de <sup>19</sup>F-kern de derde in rij wat gevoeligheid betreft.

De chemische verschuiving van <sup>19</sup>F NMR hebben een bereik van ongeveer 800 ppm. Voor [[Organofluorchemie|organische fluorverbindingen]] is de spreiding veel kleiner, beginnend bij ''ca.'' -50 ppm (voor CF<sub>3</sub>-groepen) tot ongeveer -220 ppm (voor CH<sub>2</sub>F-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 <sup>19</sup>F{<sup>1</sup>H} - waterstof ontkoppelde (spin-spin-koppeling met waterstof wordt uitgeschakeld) - of juist <sup>1</sup>H{<sup>19</sup>F} - fluor ontkoppelde (in het proton-NMR zie je geen effect van de fluor-atomen) - op te nemen. De toepassing van technieken als <sup>19</sup>F-<sup>13</sup>C 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 ==
De waarden die in de literatuur voor de chemische verschuiving in <sup>19</sup>F NMR gerapporteerd worden kunnen grote verschillen vertonen, zelfs als de spectra opgenomen zijn in het zelfde oplosmiddel. Meer dan 1 ppm is gebruikelijk.<ref name=":3">{{Citeer journal|last=Rosenau|first=Carl Philipp|last2=Jelier|first2=Benson J.|last3=Gossert|first3=Alvar D.|last4=Togni|first4=Antonio|date=2018-05-16|title=Exposing the Origins of Irreproducibility in Fluorine NMR Spectroscopy|journal=Angewandte Chemie International Edition|volume=57|issue=30|pages=9528–9533|taal=en|doi=10.1002/anie.201802620|pmid=29663671|issn=1433-7851}}</ref> Hoewel de referentieverbindin voor de <sup>19</sup>F NMR spectroscopie, het signaal van puur [[Trichloorfluormethaan|CFCl<sub>3</sub>]] (0 ppm),<ref>{{Citeer journal|last=Harris|first=R.K.|title=NMR nomenclature. Nuclear spin properties and conventions for chemical shifts(IUPAC Recommendations 2001)|journal=Pure and Applied Chemistry|volume=73|issue=11|pages=1795–1818|doi=10.1351/pac200173111795|year=2001}}</ref> is sinds de jaren 50 van de 20e eeuw als zodanig gebruikt.<ref>{{Citeer boek|url=https://archive.org/details/compilationofrep0000dung|title=Compilation of reported F<sup>19</sup> NMR chemical shifts, 1951 to mid-1967|last=H.|first=Dungan, Claude|date=1970|publisher=Wiley-Interscience|others=Van Wazer, John R.|isbn=0471226505|location=New York|oclc=88883|url-access=registration}}</ref> Eenvoudige regels hoe in de dagelijkse, routinematige, laboratoriumpraktijk moest worden gehandeld ontbraken echter nog lang.<ref name=":3" /> 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).<ref name=":3" /> Een oplosmiddel specifieke tabel met 5 interne standaarden is inmiddels beschikbaar. De standaard stoffen zijn: het al eerder genoemde [[Trichloorfluormethaan|CFCl<sub>3</sub>]], [[Fluorbenzeen|C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>F]], [[Trifluortolueen|PhCF<sub>3</sub>]], [[Hexafluorbenzeen|C<sub>6</sub>F<sub>6</sub>]] en [[Trifluorazijnzuur|CF<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>H]]. Met deze standaarden is een reproduceerbaarheid met Δδ = ±0,030 ppm mogelijk.<ref name=":3" /> Omdat de chemische verschuiving van CFCl<sub>3</sub> 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).<ref name=":3" /> In de tabel zijn een aantal waarden voor de chemische verschuiving gerapporteerd ten opzichte van puur trichloorfluormethaan:<ref name=":3" />

{| class="wikitable"
|+Excerpt of Referencing Table Against Neat CFCl<sub>3</sub> [ppm]
!
!CFCl<sub>3</sub>
!C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>F
!PhCF<sub>3</sub>
!C<sub>6</sub>F<sub>6</sub>
!CF<sub>3</sub>CO<sub>2</sub>H
|-
|Solvent
|[ppm]
|[ppm]
|[ppm]
|[ppm]
|[ppm]
|-
|[[Gedeutereerd chloroform|CDCl<sub>3</sub>]]
|0.65
| -112.96
| -62.61
| -161.64
| -75.39
|-
|[[Gedeutereerd dichloormethaan|CD<sub>2</sub>Cl<sub>2</sub>]]
|0.02
| -113.78
| -62.93
| -162.61
| -75.76
|-
|[[Gedeutereerd benzeen|C<sub>6</sub>D<sub>6</sub>]]
| -0.19
| -113.11
| -62.74
| -163.16
| -75.87
|-
|[[Aceton-d6|Acetone-''d''<sub>6</sub>]]
| -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.<ref name=":3" /> Kortgeleden is bovendien een lijst met chemische verschuivingen van meer dan 240 stoffen gepubliceerd.<ref name=":3" />

=== Het voorspellen van chemische verschuivingen ===
De chemische verschuiving in <sup>19</sup>F NMR is lastiger te voorspellen dan in de <sup>1</sup>H NMR. De verschuivingen in <sup>19</sup>F NMR worden namelijk sterk beïnvloed door mogelijk aangeslagen toestanden van het molecuul, terwijl in <sup>1</sup>H NMR de verschuivingen vooral diamagnetisch bepaald zijn.<ref name=":0">{{Citeer boek|title=Spectrometric Identification of Organic Compounds|url=https://archive.org/details/spectrometricide00silv_456|url-access=limited|last=Silverstein|first=Robert M.|last2=Webster|first2=Francis X.|last3=Kiemle|first3=David J.|publisher=John Wiley & Sons, Inc.|year=2005|isbn=978-0-471-39362-7|edition=7th|location=Hoboken, NJ|pages=[https://archive.org/details/spectrometricide00silv_456/page/n340 323]–326}}</ref>

=== Trifluormethylverbindingen ===
{| class="wikitable sortable"
|+ <sup>19</sup>F Chemical Shifts of F<sub>3</sub>C-R Groups
!-R !! δ (ppm)
|-
| H || -78
|-
| CH<sub>3</sub> || -62
|-
| CH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -70
|-
| CH<sub>2</sub>NH<sub>2</sub> || -72
|-
| CH<sub>2</sub>OH || -78
|-
| CH=CH<sub>2</sub> || -67
|-
| C<u>=</u>CH || -56
|-
| CF<sub>3</sub> || -89
|-
| CF<sub>2</sub>CF<sub>3</sub> || -83
|-
| F || -63
|-
| Cl || -29
|-
| Br || -18
|-
| I || -5
|-
| OH || -55
|-
| NH<sub>2</sub> || -49
|-
| SH || -32
|-
| C(=O)Ph || -58
|-
| C(=O)CF<sub>3</sub>
| -85
|-
| C(=O)OH || -77
|-
| C(=O)F || -76
|-
| C(=O)OCH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -74
|}

{| class="wikitable sortable"
|+ <sup>19</sup>F Chemical Shifts of F<sub>2</sub>CH-R Groups
!-R !! δ (ppm)
|-
| H || -144
|-
| CH<sub>3</sub> || -110
|-
| CH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -120
|-
| CF<sub>3</sub> || -141
|-
| CF<sub>2</sub>CF<sub>3</sub> || -138
|-
| C(=O)OH || -127
|}

{| class="wikitable sortable"
|+ <sup>19</sup>F Chemical Shifts of FH<sub>2</sub>C-R Groups
!-R !! δ (ppm)
|-
| H || -268
|-
| CH<sub>3</sub> || -212
|-
| CH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -212
|-
| CH<sub>2</sub>OH || -226
|-
| CF<sub>3</sub> || -241
|-
| CF<sub>2</sub>CF<sub>3</sub> || -243
|-
| C(=O)OH || -229
|}

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

:<math display="block">\delta_{C=CF}~(ppm)=-133.9+Z_{cis}+Z_{trans}+Z_{gem}+S_{cis/trans}+S_{cis/gem}+S_{trans/gem}</math>

waarin:
* Z de statistische substituent chemische verschuiving (SSCS<ref>statistical substituent chemical shift</ref>) van de substituent in de betrokken positie.
* S is de interactiefactor.<ref>Jetton, R.E.; Nanney, J.R.; Mahaffy, C.A.L. The prediction of the <sup>19</sup>F NMR signal positions of fluoroalkenes using statistical methods, ''J. Fluorine Chem.'' '''1995''', ''72'', 121.</ref> In de tabel hieronder zijn enkele representatieve waarden voor gebruik in deze formule opgenomen:<ref name=":1">{{Citeer boek|last=Pretsch|first=Ernö|title=Structure Determination of Organic Compounds|url=https://archive.org/details/structuredetermi00pret|url-access=limited|last2=Bühlmann|first2=Philippe|last3=Ba
dertscher|first3=Martin|publisher=Springer|year=2009|isbn=978-3-540-93809-5|edition=4th|location=Berlin, Germany|pages=[https://archive.org/details/structuredetermi00pret/page/n254 243]–259}}</ref>

{| class="wikitable sortable"
|+SSCS waarden voor Fluoralkeen Substituenten
! Substituent R !! Z<sub>cis</sub> !! Z<sub>trans</sub> !! Z<sub>gem</sub>
|-
| -H || -7.4 || -31.3 || 49.9
|-
| -CH<sub>3</sub> || -6.0 || -43.0 || 9.5
|-
| -CH=CH<sub>2</sub> || --- || --- || 47.7
|-
| -Ph || -15.7 || -35.1 || 38.7
|-
| -CF<sub>3</sub> || -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
|-
| -OCH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -77.5 || --- || 84.2
|}

{| class="wikitable sortable"
|+Interaction Factors for Fluoroalkene Substituents
! Substituent !! Substituent !! S<sub>cis/trans</sub> !! S<sub>cis/gem</sub> !! S<sub>trans/gem</sub>
|-
| -H || -H || -26.6 || --- || 2.8
|-
| -H || -CF<sub>3</sub> || -21.3 || --- || ---
|-
| -H || -CH<sub>3</sub> || --- || 11.4 || ---
|-
| -H || -OCH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -47.0 || --- || ---
|-
| -H || -Ph || -4.8 || --- || 5.2
|-
| -CF<sub>3</sub> || -H || -7.5 || -10.6 || 12.5
|-
| -CF<sub>3</sub> || -CF<sub>3</sub> || -5.9 || -5.3 || -4.7
|-
| -CF<sub>3</sub> || -CH<sub>3</sub> || 17.0 || --- || ---
|-
| -CF<sub>3</sub> || -Ph || -15.6 || --- || -23.4
|-
| -CH<sub>3</sub> || -H || --- || -12.2 || ---
|-
| -CH<sub>3</sub> || -CF<sub>3</sub> || --- || -13.8 || -8.9
|-
| -CH<sub>3</sub> || -Ph || --- || -19.5 || -19.5
|-
| -OCH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub> || -H || -5.1 || --- || ---
|-
| -Ph || -H || --- || --- || 20.1
|-
| -Ph || -CF<sub>3</sub> || -23.2 || --- || ---
|}

=== Fluorbenzenen ===
Voor <sup>19</sup>F aan een aromatische ring is er een andere formule om de chemische verschuiving te benaderen."<ref name=":1" />
:<math display="block">\delta_F~(ppm)=-113.9+\Sigma Z_{ortho}+\Sigma Z_{meta}+\Sigma Z_{para}</math>
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:<ref name=":1" />

{| class="wikitable sortable"
|+SSCS Values for Fluorbenzeen Substituenten
! Substituent
! Z<sub>ortho</sub> !! Z<sub>meta</sub> ! !! Z<sub>para</sub>
|-
| -CH<sub>3</sub><sup>19</sup>F || -3.9 || -0.4 || -3.6
|-
| -CH=CH<sub>2</sub> || -4.4 || 0.7 || -0.6
|-
| -F || -23.2 || 2.0 || -6.6
|-
| -Cl || -0.3 || 3.5 || -0.7
|-
| -Br ||7.6 | || 3.5 || 0.1
|-
| -I || 19.9 || 3.6 || 1.4
|-
| -OH || -23.5 || 0 || -13.3
|-
| -OCH<sub>3</sub> || -18.9 || -0.8 || -9.0
|-
| -NH<sub>2</sub>| -22.9 || -1.3 || -17.4
|-
| -NO<sub>2</sub> || -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)CH<sub>3</sub> || 2.5 || 1.8 || 7.6
|-
| -C(=O)OH || 2.3 || 1.1 || 6.5
|-
| -C(=O)NH<sub>2</sub> || 0.5 || -0.8 || 3.4
|-
| -C(=O)OCH<sub>3</sub> || 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 <sup>19</sup>F 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.'''<ref name=":0" />

== Spin-spinkoppeling ==
<sup>19</sup>F-<sup>19</sup>F koppelingsconstanten zijn in het algemeen groter dan die voor <sup>1</sup>H-<sup>1</sup>H. Dit betekent dat koppelingen over langere afstanden in het molecuul een rol spelen, (<sup>2</sup>J, <sup>3</sup>J, <sup>4</sup>J or even <sup>5</sup>J) worden standaard waargenomen. Wel geldt algemeen: hoe groter de afstand, hoe kleiner de waarde.<ref name=":2">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</ref> Wayerstof koppelt met fluor, een standaard verschijnsel in <sup>19</sup>F-spectra. Met een geminaal waterstof-atoom (waterstof op het zelfde koolstof-atoom) kan de koppeling wel 50&nbsp;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&nbsp;Hz.<ref name=":2" /> Voor koppelingsconstanten zijn uitgebreide literatuurlijsten beschikbaar.<ref name=":2" />

== MRI, Magnetic resonance imaging ==
<sup>19</sup>F [[magnetic resonance imaging]] (MRI) is een goede aanvulling of vervanging van <sup>1</sup>H MRI. Bio-incompatibliteitsproblemen kunnen ondervangen worden door gebruik te maken van zachte nanodeeltjes. Toepassingen omvatten pH-, temperatuur-, enzym-, metaalion- en redoxgevoelige- [[contrast agent]]s. Lange termijn cellabelling is ook mogelijk.<ref>{{Citeer boek|first1=Petr |last1=Hermann|first2=Jan|last2=Blahut|first3=Jan|last3=Kotek|first4=Vit|last4=Herynek|title=Metal Ions in Bio-Imaging Techniques
| publisher=Springer|year=2021|pages=239-270 |chapter=Chapter 8. Paramagnetic Metal Ion Probes for <sup>19</sup>F Magnetic Resonance Imaging |doi=10.1515/9783110685701-014}}</ref>

{{Appendix|2=
* {{Bronvermelding anderstalige Wikipedia|taal=en|titel=Fluorine-19 nuclear magnetic resonance spectroscopy|oldid=1044137764|datum=20220117}}
----
'''Noten'''
{{Notelist}}
----
'''Referenties'''
{{References}}
}}

[[Categorie:Kernspinresonantie]]
[[Categorie:Fluor]]