SPEKTROSKOPI RESONANSI MAGNETIK INTI A. Spektroskopi Resonansi Magnetik Inti (NMR)
NMR (Nuclear Magnetic Resonance), spektroskopi NMR berhubungan dengan sifat magnet dari inti atom. Teknik spektroskopi adalah salah satu teknik analisis kimia-fisika yang mengamati tentang interaksi atom atau molekul dengan radiasi elektromagnetik. Pada tahun 1945 dua group dari serjana fisika furcell, Torry,dan Pound (Haward University) dan block, Hansen, dan Packard (Stanford University) menemukan fenomena inti yang mempunyai proton dan electron memiliki medan magnet. Dalam magnet yang kuat inti-inti dianggap berorientasi spesifik dengan tenaga potensial yang sesuai. Setiap proton mempunyai tenaga putaran yang sama dan putaran-putarannya mempunyai arah orientasi seimbang. Oleh karena medan magnet, putaran-putaran proton diarahkan baik paralel atau anti paralel terhadap medan magnet. Block dan Purcell menemukan cara-cara untuk mengetahui sejumlah kecil dari tenaga yang diserap atau dipancarkan, seperti kalau inti-inti loncat dari tenaga satu ke tenaga lainnya. Dari penemuan tersebut maka sejak tahun 1950 resonansi magnetik inti (NMR) mulai digunakan untuk menentukan rumus struktur senyawa. Ada dua macam NMR yang dikenal. Diantaranya NMR proton dan NMR karbon. 1. SPEKTROSKOPI PROTON H-NMR Spektroskopi NMR proton merupakan sarana untuk menentukan stuktur senyawa organik dengan mengukur momen magnet atom hydrogen. Pada kebanyakan senyawa, atom hydrogen terikat pada gugus yang berlainan ( seperti – seperti – CH CH2-, -CH3-, -CHO, -NH2, CHOH- ) dan spektum NMR proton merupakan rekaman sejumlah atom hydrogen yang berada dalam lingkungan yang berlainan. Spektum ini tidak dapat memberikan keterangan langsung mengenai sifat kerangka karbon molekul sehingga diperlukan spektum NMR C-13. Larutan cuplikan dalam pelarut lembam ditempatkan diantara kutub magnet yang kuat, dan proton mengalami pergeseran kimia yang berlainan sesuai dengan lingkungan molekulnya di dalam molekul. Ini diukur dalam radar NMR, biasanya tetrametilsilan (TMS) digunakan sebagai acuan, yaitu senyawa lembam yang ditambahkan ke dalam larutan cuplikan tanpa ada kemungkinan terjadinya reaksi kimia dengan senyawa yang akan diukur.
Adapun pelarut yang biasanya digunakan yaitu karbontetraklorida, deuterokloroform, deuteriumoksida, deuteroaseton, atau dimetilsulfoksida terdeuterasi. Spektoskopi NMR dapat digunakan sebagai alat sidik jari.dan juga memberikan keterangan tentang jumlah setiap tipe hydrogen. Ia juga memberikan keterangan tentang sifat lingkungan dari setiap atom hydrogen tersebut. Kegunaan yang besar dari resonansi magnet inti adalah karena tidak setiap proton dalam molekul beresonansi pada frekwensi yang identik sama. Ini disebabkan oleh kenyataan bahwa berbagai proton dalam molekul dikelilingi elektron dan menunjukan sedikit perbedaan lingkungan elektronik dari 1 proton ke proton lainnya. Proton-proton dilindungi oleh elektron-elektron disekelilingnya. Spectrum NMR tidak hanya dapat membedakan beberapa banyak proton yang berbeda dalam molekul, teteapi ia juga mengungkapkan berapa banyak ban yak setiap tipe proton berbeda yang terkandung dalam molekulnya. Pada spektormetri NMR integrasi sangat penting. Harga integrasi menunjukkan daerah atau luas puncak dari tiap-tiap proton. Sedangkan luas daerah atau luas puncak tersebut sesuai dengan jumlah proton. Dengan demikian perbandingan tiap integrasi proton sama dengan perbandingan jumlah proton dalam molekul.
Daerah geseran kimia proton bernilai antara 0 – 0 – 200 200 ppm, berikut daerah geseran kimia yang penting untuk beberapa jenis karbon :
2. SPEKTROSKOPI KARBON-13 13
Sinyal dari atom C dalam alat NMR dapat dideteksi karena adanya sejumlah kecil atom 13
karbon C-13 bersama-sama C-12. momen magnet yang dihasilkan oleh C lebih kecil, bila dibandingkan dengan momen magnet proton, berarti sinyalnya jauh lebih lemah. Pelarut yang biasanya digunakan serupa dengan NMR proton, tetapi jangka resonansi C 13
jauh lebih besar. Sehingga spektum NMR- C jauh lebih teresolusi, umumnya setiap karbon dalam molekul dapat ditetapkan sinyalnya. Sama halnya seperti pada NMR proton, atom karbon penyulihannya berlainan akan menunjukkan geseran dalam jangka yang khas. Spectrum 13
NMR C pada hakikatnya merupakan pelengkap NMR proton. Pada spectrum C-NMR dalam elusidasi struktur perlu diperhatikan : Luas di bawah puncak yang biasanya dinyatakan dengan intergrasi untuk melihat
perbandingan jumlah carbon yang ekuivalen secara magnetic pada masing-masing puncak. Terjadinya spin-spin splinting yang mengikuti segitiga pascal. Interaksi antara ikatan
electron yang mempunyai kencerungan berpasangan spin dari electron dengan electron lainnya pada proton yang diikat. Spin-spin splinting ini sering dihilangkan dengan cara di dekloping guna menghindari puncak-puncak yang tumpang tindih. Geseran kimia (chemical shift), yaitu kedudukan karbon dalam spektum tersebut. Ini
juga menggambarkan letak dan kedudukan karbon dalam molekul. Cirri-ciri Spektroskopi 14C NMR :
Spektroskopi 13C NMR menghasilkan informasi struktur mengenai karbon-karbon dalam sebuah molekul organik.
Dalam spektroskopi 1H NMR kita bekerja dengan isotop hidrogen alamiah dengan kelimpahan 99,985 %, atom hidrogen alamiah adalah 1H,
Atom karbon dalam alam 98,9 % adalah 12C, suatu isotop yang intinya tak mempunyai spin (I = 0).
Karbon -13 hanya merupakan 1,1 % atom karbon yang terdapat di alam ( I = ½).
Transisi dari paralel ke antiparalel dari sebuah inti 13C adalah transisi energi rendah.
Spektra 13C NMR hanya dapat diperoleh dengan spektrometer yang sangat sensitif. Kelimpahan 13C yang rendah akan mengurangi kerumitan spektra 13C dibandingkan spektra 1H NMR.
interaksi antar karbon yang berdekatan diabaikan, tetapi karbon dapat berinteraksi dengan proton yang diikat oleh masing-masing karbon yang menyebabkan terjadinya spliting yang menunjukkan puncak (n + 1), n = jumlah H, oleh karena itu sinyal masing-masing karbon dari : karbon metil (CH3-C) akan muncul 4 puncak. karbon metilen (-CH2-) akan muncul 3 puncak. karbon metil (-CH-) akan muncul 2 puncak. karbon kuarterner (-C-) akan muncul 1 puncak,
Untuk membedakan jenis karbon, metil, metilen, metin, dan karbon kuarterner digunakan analisis spektrum DEPT 13C NMR atau NMR dua dimensi (HMQC = korelasi antara proton-karbon satu ikatan). Ada tiga jenis spektrum DEPT 13C NMR, yaitu : DEPT 90o= hanya muncul sinyal C-H. DEPT 135o= muncul sinyal CH dan CH3masing-masing berharga positif, sedangkan
sinyal CH2akan muncul sebagai sinyal berharga negatif. B. Prinsip Kerja Spektroskopi Resonansi Magnetik Inti (NMR)
Prinsip yang mendasari kerja dari NMR yaitu penyerapan energi oleh partikel yang sedang berputar di dalam medan magnet yang kuat sehingga nantinya medan magnet yang sesuai dengan molekul akan dikonversi menjadi spektra NMR sehingga struktur senyawa / rumus bangun molekul senyawa organik dapat teridentifikasi. Spektrometri NMR pada dasarnya merupakan spektrometri absorbsi, sebagaimana spektrometri infra merah maupun ultraviolet. Pada kondisi yang sesuai, suatu sampel dapat mengabsorpsi radiasi elektromagnetik daerah frekuensi radio, pada frekuensi yang tergantung dari sifat-sifat sampel. Suatu plot dari frekuensi puncak-puncak absorbsi versus intensitas puncak memberikan suatu spektrum NMR. Dalam NMR yang diukur adalah perbedaan frekuensi antara suatu jenis proton dengan frekuensi resonansi proton senyawa pembanding (reference). Senyawa ini disebut sebagai standar internal dan ditambahkan ke dalam sample sebelum me”running” NMR. Pergeseran kimia (CHEMICAL SHIFT) adalah pengukuran medan dalam keadaan bebas. Semua proton-proton dalam satu molekul yang ada dalam lingkungan kimia yang serupa kadang-kadang menunjukkan pergeseran kimia yang sama. Setiap senyawa memberikan penaikan menjadi puncak absorbsi tunggal dalam spektrum NMR.
Senyawa yang digunakan sebagai senyawa reference tersebut adalah : Tetra Metil Silan (TMS). Gambar Tetra Metil Silan (TMS)
TMS memberikan sinyal yang tajam (singlet) dengan intensitas tinggi, karena
mempunyai 12 proton yang ekuivalen. TMS mengabsorbsi pada „higher field‟ dibanding hampir semua proton organik (Si
bersifat elektropositif, sehingga proton-proton dalam TMS sangat terlindungi (shielded). Bersifat inert. o
Mempunyai titik didih yang rendah (27 C), sehingga mudah dihilangkan jika digunakan
untuk dua kali pengujian senyawa. Larut dalam kebanyakan pelarut organic. TMS tidak larut dalam air maupun D2O. Dalam hal ini TMS dapat diperlakukan sebagai
„external standard‟. Atau dapat juga dipakai garam natrium dari asam 3- (trimetilsilil) propanasulfonat. (CH3)3SiCH2CH2CH2SO3-Na+ Berapa Hz bergesernya suatu proton dari TMS akan tergantung pada kekuatan medan
magnet eksternal yang digunakan. Semakin besar medan magnet yang digunakan, semakin besar perbedaan frekuensi dari
TMS.
Hal ini akan menyulitkan kita apabila kita ingin membandingkan data (spectrum) yang
diperoleh dengan spektrometer NMR yang berbeda. Maka digunakan parameter baru yang tidak tergantung pada kekuatan medan magnet
eksternal yang digunakan, yaitu : chemical shift, geseran kimia (ᵟ)
Dari contoh spectra di atas, maka:
Chemical shift juga bisa dinyatakan dalam skala ˠ (tau), dimana ˠ = 10 – ᵟ
Dalam spektrum NMR, luas daerah di bawah puncak (peak) akan proposional dengan jumlah hidrogen yang menimbulkan/menghasilkan peak tersebut. Integrasi peak biasanya ditunjukkan sebagi suatu garis integrasi (integration line). Tinggi integrasi di atas suatu peak secara langsung proporsional dengan luas daerah di bawah peak tersebut. Tinggi garis integrasi tidak menunjukkan jumlah absolut dari proton, tetapi memberikan jumlah relatif dari masingmasing tipe hidrogen.
Karena jumlah total proton dalam benzil asetat ada 10, maka jumlah proton yang menghasilkan peak- peak pada ᵟ 7,3 ; ᵟ 5,1 dan ᵟ 2,0 berturut-turut adalah 5/10 x 10 = 5; 2/10 x 10 = 2 dan 3/10 x 10 = 3. Instrumen NMR yang modern tidak hanya memperlihatkan garis integrasi pada spectrum yang dihasilkan , tetapi juga memberikan bilangan integrasi (integration number), yang memberikan jumlah relatif hidrogen di bawah suatu peak.
Tabel: Bilangan kuantum spin dan kelimpahannya di alam dari beberapa inti atom
Misal: 12C → jumlah proton = 6 (genap) No massa = 12 (genap) Sehingga tidak muncul pada spektra NMR (NMR negatif) Jika I = 0 →tidak aktif NMR proton Kelimpahan di alam: 1H = 99,985 → sebagian besar proton di alam adalah radioaktif →aktif NMR Hampir semua proton aktif NMR dan
kelimpahannya di
alam tinggi,
sehingga
kemungkinan proton aktif NMR berdekatan dengan proton aktif NMR dalam molekulmolekul di alam adalah besar. 13C = 1,1 →sangat sedikit →aktif NMR Atom C yang aktif NMR kelimpahannya di alam hanya sedikit, sehingga kemungkinan C aktif NMR berdekatan dengan C aktif NMR dalam molekul-molekul adalah kecil. Dalam keadaan normal (inti tidak dikenai/diletakkan pada medan magnet eksternal), semua orientasi dari suatu inti berenergi sama (degenerasi). Bila inti dikenai medan magnet, maka orientasi/tingkat spin tidak lagi berenergi sama. Hal ini disebabkan karena inti mempunyai momen magnetik (.) yang ditimbulkan oleh berpusingnya muatan. Jumlah orientasi yang mungkin bagi suatu inti bila padanya dikenakan medan magnet homogen eksternal ditentukan oleh bilangan kuantum spin (I) dari inti tersebut, sesuai dengan persamaan :
13
Jadi untuk inti 1H dan C, dengan I = ½, masing-masing akan mempunyai dua macam orientasi (2 x ½ + 1 = 2), yaitu + ½ (searah dengan medan magnet) dan – ½
(berlawanan arah/melawan medan magnet). Tingkatan spin + ½ berenergi lebih rendah karena searah dengan medan magnet karena searah dengan medan magnet eksternal, sedang tingkatan spin – ½ berenergi lebih tinggi karena melawan medan magnet eksternal.
Orientasi spin inti: Orientasi random (dalam ketiadaan medan magnet eksternal). Orientasi spesifik (dalam medan magnet eksternal, Ho). Kebanyakan spin searah dengan medan magnet eksternal (paralel), dan sebagian antiparalel (melawan Ho). Tingkat spin paralel mempunyai energi yang lebih rendah. Perbedaan energi antara dua tingkatan spin tersebut dinyatakan dengan persamaan:
h = tetapan Planck ˠ= “magnetogeryc ratio” (tetapan bagi tiap-tiap inti) Bo = kekuatan medan magnet eksternal. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa perbedaan energi antara dua tingkatan spin tersebut tergantung pada kekuatan medan magnet eksternal (Bo). Makin kuat medan magnet eksternal yang digunakan, makin besar ∆E antara tingkatan-tingkatan spin tersebut.
Selain itu besarnya pemisahan tingkat energi juga tergantung pada macamnya inti yang terlibat
dalam
proses
tersebut.
Masing-masing
inti
mempunyai
ratio
momen
magnetic/momen sudut yang berbeda, karena mempunyai muatan dan massa yang berbeda. FENOMENA NMR : Absorbsi energy Fenomena NMR terjadi apabila inti yang searah dengan medan magnet eksternal dibuat mengabsorbsi energi (radiasi elektromagnetik), sehingga berubah orientasi spinnya, yaitu menjadi berlawanan dengan medan magnet eksternal.
Besarnya energi yang diabsorbsi harus persis sama dengan FE antara dua tingkatan spin yang terlibat dalam proses tersebut, yaitu:
Dengan menghubungkan persamaan (1) dan (2), maka besarnya frekuensi (H) agar suatu inti beresonansi dapat ditentukan :
Gambar fenomena NMR :
Tabel : Kekuatan medan magnet eksternal, Bo, beserta harga frekuensi agar inti tertentu dapat beresonansi
Misal: 1H dan 2H walaupun sama-sama diberi Bo = 10.000 Gauss, frekuensi resonansinya berbeda karena C nya berbeda. Karakteristik ini bisa dipakai untuk mendeteksi adanya proton yang terikat pada heteroatom. Caranya : Sampel proton yang terikat pada atom O (OH) jika dirunning dengan alat yang telah diset H = 42,6 MHz (frekuensi resonansi untuk 1H) → maka akan muncul peak 1H (proton). Jika sampel tersebut digojog dengan D2O maka OH akan digantikan dengan OD sehingga kalau alatnya diset tetap pada H = 42,6 MHz, maka tidak akan muncul peak proton, karena 1H telah digantikan dengan D. Karena inti bermuatan, presesi akan menimbulkan medan listrik yang berosilasi (berputar) pada frekuensi yang sama dengan frekuensi presesi. Kalau gelombang radio yang berfrekuensi sama dengan frekuensi osilasi dari medan listrik proton yang berpresesi diberikan, maka sejumlah energi tersebut akan diabsorbsi, yang menyebabkan terjadinya perubahan spin dari searah menjadi berlawanan arah dengan medan magnet eksternal. Peristiwa ini disebut resonansi. Dan besarnya ∆E yang diabsorbsi bisa diukur dan diubah menjadi spectra :
PRINSIP NMR :
Prinsip dari NMR didasarkan pada absorpsi radiasi elektromagnetik pada daerah frekuensi radio (4600) MHz atau panjang gelombang 75-0,5 m oleh partikel (inti atom) yang berputar di dalam medan magnet. Proton yang bergasing yang diikuti oleh pergasingan kedua elektronnya akan memberikan
masing-masing vektor momen sudut (I) dan vektor momen magnet Perubahan vektor momen sudut dan momen magnet akan dititikberatkan pada inti atom
saja, karena pada inti atom ada sisa momen spin (sisa pergasingan pada atom yang bersifat magnetik).
Bilangan kuantum spin (I) memberikan harga yang bervariasi: 0,1/2/11/2…9/2, ini
tergantung dari macam inti atomnya. Bilangan spin (I) menunjukkan jumlah orientasi suatu inti jika menerima medan magnet
seragam dari luar, yang sesuai dengan rumus 2I+I. Setiap orientasi menunjukkan tingkat energi dari inti tersebut, orientasi tersebut antara
lain orientasi paralel dan orientasi anti paralel, orientasi momen magnet paralel sedikit lebih stabil dibandingkan keadaan anti paralel. Gambar fenomena NMR :
Setiap inti dikelilingi oleh awan elektron yang selalu bergerak. Pada pengaruh medan
magnet, elektron-elektron ini dipaksa bersirkulasi sedemikian rupa dalam usaha melawan medan magnet tersebut. Akibatnya, inti seakan-akan mendapat efek perisai (shielding effect) terhadap medan magnet luar (Ho).
Karena setiap proton di dalam molekul zat organik beranekaragam, maka setiap proton di
dalam molekul zat organik memberikan tetapan perisai (σ) yang berbeda.
Efek polar dan efek induksi sangat berpengaruh terhadap tetapan perisai (σ) yang
menunjukan kerapatan elektron terhadap proton. Contoh : pada molekul CH3OH (metanol ), proton pada OH akan lebih mudah dibalik
(beresonansi), karena menyerap Ho lebih rendah jadi efek induksinya lemah, karena tidak terperisai (deshielding) . Sebaliknya proton pada CH3 protonnya mengalami induksi yang kuat, karena terperisai (shielding). Karena setiap proton memberikan tetapan perisai (σ) maka setiap proton juga memberikan
efek perisai yang dinyatakan sebagai : Efek perisai = σ . Ho Efek perisai sudah jelas akan mengurangi medan magnet yang digunakan ( Ho) dan
besarnya yang dirasakan ini dinyatakan sebagai (HN) yang dinyatakan sebagi : HN = Ho – σHo = Ho (1- σ ). SPIN-SPIN SPLITTING / SPIN-SPIN COUPLING Secara empiris, spin-spin splitting dapat dijelaskan dengan aturan (n + 1) : Tiap jenis proton “merasakan” sejumlah proton ekivalen (n) yang terikat pada atom karbon yang bertetangga dengan atom karbon yang mengikat proton tersebut sehingga resonansi dari proton pecah/split menjadi n+1 sinyal.
Bila proton A mempunyai 2 proton tetangga yang ekivalen, maka sinyal resonansinya akan di-split menjadi triplet.
Bila proton A mempunyai 2 proton tetangga yang ekivalen, maka sinyal resonansinya akan di-split menjadi kwartet.
Segitiga pascal : Rasio intensitas sinyal hasil splitting sesuai dengan segitiga pascal.
C. Instrumentasi Spektroskopi Magnetik Inti (NMR)
Komponen-komponennya : 1. Magnet 2. Generator “sweep” 3. Transmiter RF 4. Kumparan transmitter 5. Kumparan penerima 6. Kumparan “sweep” 7. Deterktor & penerima RF 8. Rekorder 9. Sampel
Instrumentasi NMR diantaranya :
1. Tempat Sampel Tempat sampel berupa tabung gelas yang terbentuk silindris, diletakan diantara dua kutub magnet. Sampel dilarutkan dalam pelarut yang tak mengandung proton seperti CCl4 , CDCl3 , D2O, atau acetonitril dan sejumlah kecil TMS ditambahkan sebagai standar internal, kemudian dimasukan ke dalam tempat sampel. Sampel kemudian diputar sekitar sumbunya untuk mengusahakan agar semua bagian dari larutan terkena medan magnet yang sama. 2. Celah Magnet
Magnet terdiri dari dua bagian, magnet pokok mempunyai kekuatan sekitar 14.100 Gauss, dan ia ditutup oleh potongan-potongan kecil kutub electromagnet. Pada celah magnet terdapat kumparan yang dihubungkan dengan ossilator frekuensi radio (Rf) 60 MHz. 3. Ossilator frekuensi Radio Ossilator frekuensi radio akan memberikan tenaga elektromag netik sebesar 60 MHz melalui kumparan yang dihubungkan pada celah sampel. Kumparan selanjutnya memberikan tenaga elektromagnetik yang digunakan untuk mengubah orientasi perputaran proton. Kebanyakan spektropotometer NMR menggunakan sinyal frekuensi RF tetap dan mengubah-ubah kekuatan medan magnet untuk membawa setiap proton mengalami resonansi. 4. Detector Radio Frekuensi Kumparan detector berada tegak lurus dengan kumparan ossilaor RF. Bila ada tenaga yang diserap, kumparan detector tidak menangkap tenaga yang diberikan oleh kumparan ossilator RF. Bila sampel menyerap tenaga, maka putaran inti akan menghasilkan sinyal frekuensi radio pada bidang kumparan detector, dan alat memberikan respon ke pencatatan sebagai sinyal resonansi atau puncak. 5. Pencatat Pencatat berfungsi untuk menangkap sinyal dari detector yang mengubahnya sebagai sinyal resonansi atau puncak. Sebelum sinyal sampai ke pencatat biasanya dilewatkan terlebih dahulu ke audio amflier untuk menggandakan sinyal, sehingga menjadi lebih Nampak. D. Kegunaan Spektoskopi Magnetik Inti (NMR)
Spektrometri Resonansi Magnetik Inti pada umumnya digunakan untuk : 1. Menentukan jumlah proton yang dimiliki lingkungan kimia yang sama pada suatu senyawa organik. 2. Mengetahui informasi mengenai struktur suatu senyawa organik. 3. Spektoskopi NMR dapat digunakan sebagai alat sidik jari. 4. Spektrofotometri Resonansi Magnetik Inti Proton berguna untuk penentuan struktur molekul organik. E. Contoh Interpretasi Spektroskopi Magnetik Inti (NMR)
CARA MEMPEROLEH SPEKTRUM NMR : Ada 2 teknik untuk memperoleh spektrum NMR yaitu:
Continous Wave (CW).
Pulse Fourier Transform (PFT atau FT).
Pada teknik “Continous Wave” Medan magnet eksternal, Bo divariasi, sedang frekuensi radionya tetap (field-sweep). Atau,
Frekuensi radio divariasi, sedang medan magnet eksternalnya tetap (frequency-sweep). Kebanyakan instrument CW yang modern menggunakan model “frequency-sweep”.
Dalam teknik ini, frekuensi radio tidak divariasi dalam range yang dapat mencakup semua inti yang secara magnetik aktif dan “possible”, tetapi hanya divariasi dalam range yang sempit sekitar frekuensi resonansi dari inti yang bersangkutan. Misalnya:
Untuk memperoleh spektra 1H-NMR menggunakan suatu magnet dengan Bo = 21.150 gauss, frekuensi divariasi sekitar 90 MHz misalnya dari 90.000.000-90.001.000 Hz.
Untuk memperoleh spektra 13C-NMR dengan kekuatan medan magnet yang sama, frekuensi divariasi pada range yang sempit sekitar 22,6 MHz. Suatu instrumen dengan magnet berkekuatan 21,50 gauss, dimana 1H beresonansi pada 90
MHz, disebut suatu spectrometer 90 MHz. Frekuensi resonansi dari 1H disebut sebagai frekuensi operasional dari instrumen. Dalam teknik CW ini, masing-masing tipe hidrogen (atau karbon) dieksitasikan sendiri- sendiri, sehingga dibutuhkan waktu yang agak lama (beberapa menit) untuk memperoleh spectrum NMR secara keseluruhan (lengkap). Pada teknik FT semua frekuensi diberikan sekaligus sehingga semua inti mengalami resonansi, intensitas sinyal hampir sama dengan noise, lalu dirunning berulang-ulang sehingga diperoleh intensitas sinyal yang lebih besar dari pada noise, sehingga peak pada FT akan terlihat lebih jelas. Kemudian sinyal-sinyal tersebut dipilah-pilah sehingga inti tertentu yang beresonansi pada H tertentu muncul sebagai peak yang berbeda. Langkah-langkah menginterpretasikan spekta NMR : jumlah sinyal, yang menerangkan tentang adanya beberapa macam perbedaan dari proton-
proton yang terdapat dalam molekul.
kedudukan sinyal, yang menerangkan sesuatu tentang lingkungan elektronik dari setiap
macam proton. Intensitas sinyal, yang menerangkan tentang berapa banyak proton dari setiap macxam
proton yang ada. Pemecahan ( splinting ) dari sebuah sinyal menjadi beberapa puncak, yang menerangkan
tentang lingkungan dari sebuah proton dengan lainnya. Pada spectrum H-NMR dalam elusidasi struktur perlu diperhatikan : Luas di bawah puncak yang biasanya dinyatakan dengan intergrasi untuk melihat
perbandingan jumlah proton pada masing-masing puncak. Terjadinya spin-spin splinting yang mengikuti segitiga pascal. Interaksi antara ikatan
electron yang mempunyai kencerungan berpasangan spin dari electron dengan electron lainnya pada proton yang berdekatan. Geseran kimia (chemical shift), yaitu kedudukan proton dalam spektum tersebut.
F. Kelebihan Spektroskopi Magnetik Inti (NMR)
Kelebihan dari alat ini adalah dapat mengidentifikasi adanya senyawa organic dalam sampel. G. REFERENSI
Khopkar, S.M., Konsep Dasar Kimia Analitik , 275-286,389-400, UI Press, Jakarta Sastrohamidjojo, Hardjono, 2001, spektroskopi, 415, Liberty, Yogyakarta Silverstein,
R.M.,
1991, Penyelidikan
Spektrometrik
Senyawa
Organik , Edisi
4,
diterjemahkan olehHartomo, 249-278, Erlangga, Jakarta. Trianto, Agus. 2001. Jurnal Study Penggunaan Spektrum NMR Pada Elusidasi Struktur Lantanculin S.Universitas Diponegoro. Tidak diterbitkan.
Spektroskopi Resonansi Magnetik Inti (NMR) Nuclear magnetic resonance (NMR) merupakan alat yang digunakan pada penentuan struktur molekul organik. Spektroskopi 1H-NMR memberikan informasi mengenai lingkungan kimia atom hidrogen, jumlah atom hidrogen dalam setiap lingkungan dan struktur gugusan yang berdekatan dengan setiap atom hidrogen (Creswell, Olaf and Malcon, 1982: 100). Spektroskopi 1H-NMR didapatkan pada penyerapan gelombang radio oleh inti-inti tertentu dalam molekul organik, apabila molekul ini berada dalam medan magnet yang kuat (Ralph J.Fessenden, 1983 : 50). Inti yang digunakan akan mempunyai gerakan yang sama seperti yang diberikan oleh pengaruh medan magnet yang digunakan. Bila medan magnet diberikan, inti akan mulai presisi sekitar sumbu putarnya sendiri dengan frekuensi angular (Hardjono, 1991:109). Jika bidang magnet luar yang kuat itu tidak ada spin inti dari inti magnetik diarahkan secara random. Jika inti diletakan diantara ujung magnet yang kuat, maka mereka mengadopsi orientasi spesifik. Perputaran inti proton 1H dan 13C, dapat mengarah sehingga bidang magnet kecilnya sendiri dapat paralel atau anti paralel terhadap medan magnet luar. Dua orientasi yang mungkin ini tidak mempunyai energi yang sama sehingga tidak berada dalam jumlah yang sama. Energi orientasi paralel sedikit lebih rendah dan tingkat spin ini sedikit lebih disukai dibandingkan spin anti paralel. Ketika inti yang terarah kemudian diradiasi dengan frekuensi gelombang radio yang cocok dan akan terjadi absorbsi energi maka spin dengan tingkat energi yang lebih rendah berputar membalik ketingkat energi yang lebih tinggi. Jika spin yang berputar membalik ini terjadi, inti dikatakan mengalami resonansi dengan radiasi yang digunakan, oleh karena itulah namanya menjadi Nuclear magnetic resonance (NMR). Adapun cara menentukan posisi absorbsi, grafik NMR dikalibrasi dan digunakan titik referensi didalam praktik sejumlah kecil TMS ((CH3)4Si, Tetrametilsilan) ditambahkan didalam sampel sehingga dihasilkan garis absorbsi referensi standar internal ketika spektrum itu sedang berjalan, TMS digunakan sebagai referensi baik untuk spektra 1H maupun untuk spektra 13C karena pada umumnya untuk semua absorbsi normal senyawa organik menghasilkan
puncak tunggal di upfield. Tempat yang pasti pada grafik dimana inti mengabsorbsi disebut pergeseran kimia (chemical shift), menurut konvensi pergeseran kimia TMS dinyatakan sebagai titik nol dan semua absorbsi yang lain normalnya terjadi kearah downfield. Jumlah sinyal dalam spektrum 1H NMR menerangkan berapa banyak proton ekuivalen yang terkandung dalam suatu molekul, sedangkan kedudukan sinyal akan membantu menerangkan jenis-jenis proton dalam suatu molekul, apakah aromatik, alifatik, primer, sekunder, tersier, benzylvinil, asetilen, berdekatan dengan halogen/gugus lain. Kelimpahan 13C di alam sangat kecil kira-kira 1,1%, dibandingkan dengan 1H(99,98%), karena itu perkembangan 13C-NMR lebih lambat dibandingkan dengan 1H- NMR, disamping itu magnetogryk proton (γH) lebih besar dibandingkan dengan magnetogryk karbon (γC), kira-kira γ1H = 4x γ13C. Hal ini membuat 1H-NMR jauh lebih sensitif dibandingkan dengan 13C-NMR, tetapi senyawa yang mengandung atom karbon dapat diukur oleh 13C-NMR, dan data spektrumnya sangat membantu data 1H-NMR dalam menentukan struktur senyawa kimia. Pergeseran kimia 13C-NMR rentangannya jauh lebih besar, dari 0-230 ppm, dibandingkan dengan 1H-NMR yang rentangannya antara 0-10 ppm, kadangkadang sampai 13-14 ppm (bila ada ikatan hidrogen). Untuk gugus metil (CH3) bentuk splitting sesuai dengan rumus (2 n + 1) dan arena n jumlahnya 3 (n = jumlah H yang mengikat C) maka dihasilkan kuartet, untuk metilen (-CH2-) dihasilkan triplet (n= 2), metin (-CH-) bentuknya doublet (n= 1), sedangkan kuartener (-C-) singlet (n= 0).
2.4. Kopling Spin-spin Tingkat energi inti atau magnet-magnet sangat kecil yakni proton, terbelah menjadi keadaan berenergi tinggi dan rendah. Selain itu, tingkat-tingkat energi ini membelah lebih lanjut karena interaksi dengan inti tetangganya. Pembelahan ini sangat kecil tetapi akan memiliki akibat yang penting. Pada Pembelahan ini hanya tergantung pada interaksi inti-inti. Bila spektrum 1H NMR etanol diukur dengan kondisi lebih baik, signal CH3- dan CH2- tebelah menjadi multiplet (Gambar 1(b). Pembelahan ini karena adanya kopling spin-spin antar proton. Spektra yang menunjukkan pembelahan kopling spin-spin ini disebut spektra resolusi tinggi. Sedang spektra yang tidak menunjukkan pembelahan ini disebut spektra resolusi rendah. Beberapa informasi yang paling berguna untuk penentuan struktur dalam spektrum NMR satu dimensi berasal dari kopling J-kopling atau skalar (kasus khusus kopling spin-spin) antara inti NMR aktif. Kopling ini muncul dari interaksi spin negara yang berbeda melalui ikatan kimia dari molekul dan hasil pemisahan signal NMR. Kopling ini memberikan wawasan yang rinci ke dalam konektivitas atom dalam molekul. Kopling untuk setara n (spin ½) inti membagi signal ke dalam multiplet n +1 dengan rasio intensitas berikut segitiga Pascal. Kopling untuk berputar tambahan akan menyebabkan belahannya lebih lanjut dari masing-masing komponen, misalnya multiplet kopling spin yang berbeda untuk dua ½ inti dengan konstanta kopling secara signifikan berbeda akan menyebabkan doublet dari doublet. Perhatikan bahwa kopling antara inti yang secara kimiawi sama yaitu, memiliki pergeseran kimia yang sama tidak memiliki efek spektrum NMR dan kopling antara inti yang jauh, biasanya lebih dari 3 obligasi terpisah untuk proton dalam molekul fleksibel, biasanya terlalu kecil menyebabkan belahannya diamati. Long-range kopling selama lebih dari tiga obligasi sering
dapat diamati dalam siklik dan senyawa aromatik, yang mengarah ke pola membelah lebih kompleks. Misalnya, dalam spektrum proton untuk etanol, kelompok CH3 dibagi menjadi triplet dengan rasio intensitas 01:02:01 oleh dua proton CH2 tetangga. Demikian pula, CH2 dibagi menjadi kuartet dengan rasio intensitas 1:3:3:1 oleh tiga tetangga CH3 proton. Pada prinsipnya, dua proton CH2 juga akan dibagi lagi menjadi doublet untuk membentuk doublet dari kuartet oleh proton hidroksil, tetapi pertukaran antarmolekul proton hidroksil asam sering menghasilkan hilangnya informasi kopling. Kopling dikombinasikan dengan pergeseran kimia dan integrasi untuk proton memberitahu kita tidak hanya tentang lingkungan kimia inti, tetapi juga jumlah inti NMR tetangga aktif dalam molekul. Dalam spektrum yang lebih kompleks dengan beberapa puncak di pergeseran kimia yang sama atau dalam spektrum inti selain hidrogen. 2.5. Pertukaran Kimia Dan Ikatan Hidrogen Metanol diramalkan spektrumnya akan menunjukkan suatu dablet (CH3 ) dan suatu kuartet ( OH ) Hal ini ternyata benar bila diukur pada suhu rendah ( -400 C )dan pelarut CCl4. Hal lain menunjukkan terjadinya pertukaran proton OH dengan proton asam yang sangat cepat, jadi yang timbul adalah “ dua singlet “ dengan temperature kamar.
CH3 – O: + H+ ==== CH3 – O+ H ==== CH3 - OH + H HH
Sehingga proton tetangganya tidak dapat membentuk spin-spin proton tetangga. NH juga mengalami pergeseran kimia tergantung pada pelarut, tempertur, dan konsentrasi oleh adanya ikatan hydrogen. Pergeseran dari δ = 0,5 4 - 5,5 ppm . Karena adanya ikatan hydrogen, maka absorpsi proton OH dapat bergeser kebawah medan lebih jauh lagi.
H dipengaruhi oleh 3 macam H lain yang tidak ekivalen dan bertetangga. Proton proton bertetangga yang non ekivalen menambah ke komplekkan spectrum NMR, berlaku rumus n + 1.Dimana n adalah jumlah proton pada atom C tetangga sedangkan 1 (satu) adalah jumlah proton pada atom C yang dihitung jumlah protonnya. Nampak bila isyarat proton- proton telah menjalani kopling spin-spin terpisah satu sama lain oleh geseran kimia yang cukup besar.
Setiap inti dikelilingi oleh awan elektron yang selalu bergerak yang dipengaruhi oleh medan magnet, electron ini dipaksa bersirkulasi sedemikian rupa dalam usaha melawan medan magnet ini. Akibatnya, ini seakan-akan mendapat efek perlindungan (shielding) terhadap medan magnet luar. Dengan kata lain kuat medan atau frekwensi medan magnet harus ditambah agar inti dapat mengalami resonansi. Bila suatu molekul diletakkan dalam medan magnet yang kuat, momen magnetik inti akan sejajar dengan medan magnet. Posisi ini dapat dirubah keadaan setimbang ke keadaan tereksitasi dengan mengaplikasikan getaran radio frekuensi (RF) . Bila inti kembali kekeadaan semula, akan memancarkan radiasi RF yang dapat dideteksi
Menurut para ahli kimia organik, nuklida penting yang mempunyai spin inti ialah 1H dan 13C. Sama pentingnya ialah fakta bahwa isotop karbon dan oksigen yang paling lazim (12C dan 16O) tidak mempunyai spin. Nuklida-nuklida yang mempunyai spin dapat dimanfaatkan dalam spektroskopi NMR, mereka menyerap energi tidak pada radio frekuensi yang sama.
Dalam spektroskopi NMR, suatu medan magnet luar diciptakan oleh suatu magnet tapal kuda permanen atau suatu elektromagnet. Kuat medan luar ini dilambangkan dengan H0, dan arahnya dinyatakan oleh sebuah anak panah.
Proton yang bergasing dengan momen magnetik nuklirnya, dalam banyak hal, mirip dengan suatu batang magnet kecil. Bila molekul yang mengandung atomatom hidrogen ditaruh dalam medan magnet luar, maka momen magnet dari tiap inti hidrogen atau proton, mengambil salah satu dari dua sikap (orientasi) dilihat dari medan magnet luar itu. Kedua orientasi yang diambil oleh momen magnetik nuklir itu adalah paralel atau antiparalel terhadap medan luar.
Dalam keadaan paralel, arah momen magnetik proton sama dengan arah medan luar. Dalam keadaan antiparalel, momen magnetik proton berlawanan arah dengan medan luar. Pada tiap saat, kira-kira separuh proton dalam suatu contoh dalam keadaan paralel dan separuh lainnya dalam keadaan anti paralel. Keadaan paralel suatu proton sedikit lebih stabil daripada keadaan antiparalel. Bila dikenai gelombang radio yang frekuensinya cocok, momen magnetik dari sebagian kecil proton paralel akan menyerap energi dalam membalik atau jungkir balik (flip), menjadi berkeadaan antiparalel yang energinya lebih tinggi. Banyaknya energi yang diperlukan untuk membalik momen magnetik sebuah proton dari paralel ke antiparalel, bergantung sebagian pada besarnya H0. Jika
H0 dibesarkan, inti itu lebih bertahan untuk dijungkirbalikkan dan diperlukan radiasi berfrekuensi lebih tinggi (berenergi lebih tinggi).
Bila gabungan khusus antara kuat medan magnet luar dan radio frekuensi, menyebabkan suatu proton berpindah dari keadaan paralel ke keadaan antiparalel, maka dikatakan proton itu dalam resonansi (ini resonsi macam lain, bukan seperti ‟‟resonansi‟‟ struktur benzen). Istilah resonansi magnetik nuklir (NMR) berarti ‟‟Inti-inti dalam resonansi dalam medan magnet‟‟.
Jadi, adanya resonansi magnetik nuklir itu diakibatkan oleh penyerapan radiasi elektromagnetik (daerah radiofrekuensi) oleh proton-proton dalam suatu magnet (H0), yang membalik dari keadaan spin paralel ke antiparalel, atau dengan kata lain, spektoskopi NMR didasarkan pada penyerapan gelombang radio oleh inti-inti tertentu dalam molekul organik, apabila molekul ini berada dalam medan magnet yang kuat.
2.6. Prinsip kerja spektroskopi NMR
Metode spektroskopi jenis ini didasarkan pada penyerapan energi oleh partikel yang sedang berputar di dalam medan magnet yang kuat. Pada umumnya metode ini berguna sekali untuk mengidentifikasi struktur senyawa / rumus bangun molekul senyawa organik.. Jumlah dan tempat proton dalam molekul senyawa organik menentukan bentuk spektrum yang dihasilkan. Energi yang dipakai dalam pengukuran dengan metode ini berada pada daerah gelombang radio 75-0,5 m atau pada frekuensi 4-600 MHz, yang bergantung pada jenis inti yang diukurnya, NMR bermacam-macam ragamnya, misalnya NMR 1H, 13C, 19F.
Inti yang dapat diukur dengan NMR yaitu : a. Bentuk bulat b. Berputar c. Bilangan kuantum spin = ½ d. Jumlah proton dan netron ganjil, contoh : 1H, 19F, 31P, 11B, 13C. 2.7.Aplikasi NMR Bidang kedokteran Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi struktural. NMR manjadi sebuah teknik alternatif selain kristalografi X-Ray, untuk memperoleh informasi struktur dan resolusi dinamik atomik dan studi interaksi molekuler dari makromolekul biologi pada kondisi larutan secara fisiologi. Usaha sangat penting untuk memperluas aplikasi NMR untuk sistem molekul yang lebih besar, karena jumlah yang lebih besar secara biologi dibutuhkan kompleks makromolekul dan makromolekuler yang memiliki massa molekuler melebihi range yang sacara prakis digunakan untuk spektroskopi NMR konvensional dalam larutan. Peningkatan ukuran ini memberikan batasan, contohnya, penentuan struktur protein yang tidak dapat dikristalkan, termasuk membran protein integral, penelitian interaksi molekuler melibatkan molekul besar dan penghimpunan makromolekuler, dan penentuan struktur dari oligonukleotida yang lebih besar dan kompleks dengan protein. Bidang Biologi Molekuler Untuk protein dan protein komplek dengan massa molekuler sekitar 25-30 kDa kualitas spektra menurun dengan cepat membatasi mayor A ketika bekerja
dengan makromolekul besar yang berasal dari kecepatan relaksasi tinggi signal NMR, menyebabkan garis tajam yang melebar, yang berpindah menuju resolusi spektra yang lebih sedikit dan perbandingan signal-to-noise yang rendah.
Banyak
peningkatan
kualitas
spektra
NMR
dari
biologi
makromolekuler dengan massa molekuler sekitar diatas 25 kDa dapat diperoleh dengan deuterasi, teknik yang telah dipakai dalam biologi NMR selama lebih dari 30 tahun. Dikombinasikan dengan label 15N dan 13C, label 2H mengalami pemulihan yang sangat mengesankan sekitar 10 tahun yang lalu dan telah menjadi alat yang paling penting untuk menentukan struktur yang lebih besar dalam larutan. Studi Larutan NMR Pada Protein Membran Protein membran berperan pada beberapa fungsi fisiologi yang penting, dan dalam membentuk kunci target obat-obatan. Studi struktural protein membran oleh Xray crystallography atau oleh NMR spektrokopi lebih sulit dari pada untuk protein yang dapat dilarutkan. Karena sistem membran yang nyata terlalu besar untuk diteliti dengan ekperimen larutan NMR, protein membran sering diencerkan dalam detergen micelles. Dari system micellar, spektra dapat diperoleh
menggunakan
TROSY
(Transverse
Relaxation-Optimized
Spectroscopy). Membran protein dalam detergen/lemak micelles menghasilkan sedikit resonansi NMR dan signal overlap berkurang daripada protein globular dari massa molekuler yang sama. Walaupun molekul detergen dapat menunjukkan fraksi yang besar dari keseluruhan massa yang besar dari pencampuran micelles, pelabelan isotop yang sesuai seperti tanda 13C, 15N dari protein dan atau menggunakan detergen deuterasi, memastikan bahwa signal NMR protein dapat dideteksi dengan besar atau tanpa interferensi dari signal molekul detergen. . NMR pada biologi melekuler dilakukan pada sample dalam bentuk larutan yang terlebih dahulu dilakukan pemurnian atau ekstraksi. Dengan NMR dapat diketahui struktur molekulernya dan perubahan yang terjadi ketika mendapat ganguan dari luar (rangsangan, penyakit atau penambahan zat lain).
BAB III
3.1.Kesimpulan
NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia. Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi structural. NMR pada biologi melekuler dilakukan pada sample dalam bentuk larutan yang terlebih dahulu dilakukan pemurnian atau ekstraksi.Dengan NMR dapat diketahui struktur molekulernya dan perubahan yang terjadi ketika mendapat ganguan dari luar (rangsangan, penyakit atau penambahan zat lain)
