
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) lets us count proton and carbon environments and work out structures. This unit covers the principle of proton NMR, the TMS standard, chemical shift, peak areas, the n+1 splitting rule, deuterated solvents, the D₂O shake test, and carbon-13 NMR — ending with full structure deductions from spectra.
این ایم آر سے پروٹون اور کاربن کے ماحول گن کر ساخت معلوم کی جاتی ہے۔ اس یونٹ میں پروٹون NMR کا اصول، TMS اسٹینڈرڈ، کیمیکل شفٹ، پیک ایریا، n+1 رول، ڈیوٹریٹڈ سالونٹس، D₂O شیک ٹیسٹ اور کاربن-13 NMR شامل ہیں۔
NMR relies on the magnetic properties of nuclei known as nuclear spin. Nuclei such as ¹H and ¹³C behave like tiny magnets. In a strong magnetic field they align with or against the field, and radio-frequency radiation flips them between these states. The exact frequency needed depends on the nucleus's chemical environment — that is the basis of NMR.
TMS (tetramethylsilane, Si(CH₃)₄) is the standard for ¹H NMR for two reasons: (1) its 12 protons are all equivalent, giving a single sharp peak; (2) it is chemically inert and volatile (easily removed), and its peak appears at the extreme upfield end (defined as δ = 0 ppm) without overlapping other signals. Chemical shift (δ) is measured relative to TMS and expressed in parts per million (ppm) — not in tesla, hertz or degrees Celsius.
NMR نیوکلیائی کی مقناطیسی خصوصیات (نیوکلیئر اسپن) پر مبنی ہے۔ ¹H اور ¹³C جیسے نیوکلئائی چھوٹے مقناطیسوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ مضبوط مقناطیسی فیلڈ میں ریڈیو فریکوئنسی انہیں پلٹ دیتی ہے، اور درکار فریکوئنسی کیمیکل ماحول پر منحصر ہے۔
TMS اسٹینڈرڈ کی دو وجوہات: (1) اس کے 12 پروٹونز برابر ہیں، ایک تیز پیک بنتا ہے؛ (2) یہ کیمیائی طور پر غیر فعال اور وولیٹائل ہے، اور اس کا پیک δ = 0 ppm پر دوسرے سگنلز سے الگ ظاہر ہوتا ہے۔ کیمیکل شفٹ (δ) ppm میں ناپی جاتی ہے۔
Chemical shift (δ) tells us about a proton's chemical environment: protons near electronegative atoms or π systems are deshielded and appear at higher δ (downfield, left); protons in electron-rich environments are shielded and appear at lower δ (upfield, right). Typical ranges: alkyl C–H ~0.9–1.7 ppm, C–H next to O/N/halogen ~3–4 ppm, aldehyde H ~9–10 ppm, carboxylic-acid O–H ~11 ppm.
The primary purpose of measuring peak area in ¹H NMR is to find the relative number of protons in each environment. Example: a compound C₅H₁₀O with a peak-area ratio of 1:3:6 has 1 + 3 + 6 = 10 protons in total, so the peaks represent 1H, 3H and 6H respectively. In a low-resolution spectrum you use peak count and area ratio; in a high-resolution spectrum you also use splitting.
کیمیکل شفٹ (δ) پروٹون کے کیمیکل ماحول کے بارے میں بتاتی ہے: الیکٹرونیگیٹو ایٹمز کے قریب پروٹونز ڈی شیلڈڈ ہوتے ہیں اور زیادہ δ پر ظاہر ہوتے ہیں؛ الیکٹران سے بھرپور ماحول میں شیلڈڈ اور کم δ پر۔
پیک ایریا کا بنیادی مقصد ہر ماحول میں پروٹونز کی نسبتی تعداد معلوم کرنا ہے۔ مثال: C₅H₁₀O میں 1:3:6 تناسب کا مطلب 1H، 3H اور 6H ہے۔
Splitting happens because neighbouring protons' spins slightly change the magnetic field felt by a proton. The n+1 rule: a signal splits into (n+1) peaks, where n is the number of protons on the adjacent carbon atoms (not the whole molecule, not the carbon being analysed, not the signal's area).
Examples: a proton with 2 neighbouring protons (n=2) gives a triplet. The –CH₂– signal in ethanol (next to –CH₃, 3 protons) splits into a quartet. A –CH₂– group lying between a –CH₃ and a –CH< group has 3 + 1 = 4 neighbours → a quintet (5 peaks). Splitting is typically not observed for O–H or N–H protons because of rapid chemical exchange: the proton swaps between molecules so fast that the coupling is averaged out, and the peak appears as a singlet.
اسپلٹنگ اس لیے ہوتی ہے کہ پڑوسی پروٹونز کا اسپن مقناطیسی فیلڈ کو تھوڑا بدل دیتا ہے۔ n+1 رول: سگنل (n+1) پیکس میں تقسیم ہوتا ہے، جہاں n ساتھ والے کاربن ایٹمز پر پروٹونز کی تعداد ہے۔
مثالیں: 2 پڑوسی پروٹونز → ٹرپلٹ۔ ایتھانول میں –CH₂– (CH₃ کے ساتھ) → کوارٹٹ۔ CH₃ اور CH کے درمیان –CH₂– (4 پڑوسی) → کوئنٹٹ۔ O–H یا N–H پروٹونز میں اسپلٹنگ عام طور پر نہیں دیکھی جاتی کیونکہ تیز کیمیکل ایکسچینج اسے ختم کر دیتا ہے۔
Deuterated solvents (e.g. CDCl₃) are used in ¹H NMR to avoid solvent signal interference — ordinary solvents contain protons that would swamp the spectrum. Deuterium (D) does not appear in a ¹H NMR spectrum because it is a different nucleus with a different resonance frequency; the spectrometer is tuned to ¹H only.
D₂O shake test: add a few drops of D₂O to the sample and re-run the spectrum. Exchangeable protons (O–H, N–H) swap with deuterium: R–OH + D₂O ⇌ R–OD + HOD. Because deuterium resonates at a different frequency, the O–H/N–H peak disappears from the ¹H NMR spectrum. This is how you confirm a sample contains an O–H group: the peak that vanishes after the shake is the exchangeable proton.
ڈیوٹریٹڈ سالونٹس (جیسے CDCl₃) ¹H NMR میں اس لیے استعمال ہوتے ہیں تاکہ سالونٹ کا سگنل مداخلت نہ کرے۔ عام سالونٹس میں پروٹونز ہوتے ہیں جو اسپیکٹرم کو ڈھانپ لیں گے۔ ڈیوٹریم (D) ¹H NMR اسپیکٹرم میں نظر نہیں آتا کیونکہ اس کی ریزونینس فریکوئنسی مختلف ہے۔
D₂O شیک ٹیسٹ: نمونے میں D₂O کے چند قطرے ملا کر دوبارہ اسپیکٹرم لیں۔ O–H/N–H پروٹونز ڈیوٹریم سے بدل جاتے ہیں، اس لیے O–H/N–H پیک ¹H NMR اسپیکٹرم سے غائب ہو جاتا ہے۔
In ¹³C NMR, the number of peaks equals the number of chemically non-equivalent carbons (not the total carbon atoms, not the hydrogens). The chemical shift of a ¹³C peak identifies the functional-group environment (C=C, C=O, C–O, etc.). ¹³C spectra are usually proton-decoupled, so each carbon gives a singlet.
Examples: propane (CH₃CH₂CH₃) shows 2 peaks (the two equivalent CH₃ carbons, and the central CH₂). Pentane shows 3 peaks (two equivalent terminal CH₃, two equivalent CH₂, one central CH₂). 2,2-dimethylpropane shows 2 peaks (four equivalent CH₃ carbons, and the central quaternary carbon).
Structure deduction from ¹H NMR: butanoic acid (CH₃CH₂CH₂COOH) shows: CH₃ triplet (3H, ~0.9 ppm), CH₂ sextet (2H, ~1.6 ppm, 5 neighbours), CH₂ triplet (2H, ~2.3 ppm, next to C=O), and COOH singlet (1H, ~11 ppm, disappears on D₂O shake). A spectrum with only a 3H triplet (~1.2 ppm) and a 2H quartet (~3.7 ppm) fits chloroethane, CH₃CH₂Cl. A compound C₄H₈O that gives a positive 2,4-DNPH test (carbonyl), a positive iodoform test (CH₃CO–) and a negative Fehling's test (not an aldehyde) is butan-2-one (CH₃COCH₂CH₃: 3H singlet, 2H quartet, 3H triplet).
¹³C NMR میں پیکس کی تعداد کیمیائی طور پر غیر مساوی کاربنز کی تعداد کے برابر ہوتی ہے۔ ¹³C پیک کی کیمیکل شفٹ فنکشنل گروپ کا ماحول بتاتی ہے (C=C، C=O وغیرہ)۔
مثالیں: پروپین → 2 پیکس۔ پینٹین → 3 پیکس۔ 2,2-ڈائیمیتھائل پروپین → 2 پیکس۔
ساخت کا تعین: صرف 3H ٹرپلٹ + 2H کوارٹٹ والا اسپیکٹرم کلوروایتھین ہے۔ C₄H₈O جو DNPH مثبت، آئیوڈوفارم مثبت اور فیلنگ منفی دے، وہ بیوٹین-2-ون ہے۔
یہ exercise کتاب کے printed pages 199–213 سے لی گئی ہے — تمام سوال کتاب کے اپنے ہیں, جواب کے ساتھ: Multiple Choice (10), Short Answer (6), Constructed Response (4) اور Descriptive (2). اس chapter کی exercise کے چاروں حصے یہاں موجود ہیں; کوئی سوال invent نہیں کیا گیا.
1. NMR relies on the magnetic properties of nuclei known as:
Answer: (c) NMR works because nuclei with spin act as tiny magnets. جواب: NMR نیوکلیئر اسپن کی وجہ سے کام کرتا ہے۔
2. Chemical shift (δ) in the ¹H NMR spectroscopy is measured relative to TMS and is expressed in:
Answer: (c) δ is a dimensionless ratio, expressed in ppm. جواب: δ ppm میں ظاہر کی جاتی ہے۔
3. Deuterated solvents (CDCl₃) are used in ¹H NMR to:
Answer: (d) CDCl₃ has no ¹H protons to swamp the spectrum. (TMS provides the reference signal.) جواب: CDCl₃ میں ¹H پروٹونز نہیں ہوتے، اس لیے سالونٹ کا سگنل مداخلت نہیں کرتا۔
4. The primary purpose of measuring the peak area in ¹H NMR is to find the:
Answer: (d) Peak area ∝ number of protons in that environment. جواب: پیک ایریا اس ماحول میں پروٹونز کی تعداد کے متناسب ہے۔
5. Splitting is typically not observed for O-H or N-H protons because of:
Answer: (d) Rapid proton exchange averages out the coupling. جواب: تیز پروٹون ایکسچینج کپلنگ کو ختم کر دیتی ہے۔
6. In the n+1 splitting rule, 'n' represents the number of protons on:
Answer: (c) n counts protons on neighbouring (adjacent) carbons only. جواب: n صرف ساتھ والے کاربنز کے پروٹونز گنتا ہے۔
7. The chemical shift (δ) of a ¹³C peak identifies the:
Answer: (b) δ values are characteristic of functional-group environments. جواب: δ فنکشنل گروپ کے ماحول کی نشاندہی کرتی ہے۔
8. The number of peaks in a ¹³C NMR spectrum equals the number of:
Answer: (b) Equivalent carbons give one shared peak. جواب: مساوی کاربنز ایک ہی پیک دیتے ہیں۔
9. How many ¹³C peaks does propane (CH₃CH₂CH₃) show?
Answer: (b) Two equivalent CH₃ carbons (one peak) + central CH₂ (one peak) = 2. جواب: دو مساوی CH₃ (ایک پیک) + درمیانی CH₂ (ایک پیک) = 2۔
10. What is the splitting pattern for a proton with 2 neighbouring protons (n=2)?
Answer: (c) n+1 = 3 → triplet. جواب: n+1 = 3 → ٹرپلٹ۔
Answer: (1) All 12 protons are equivalent, giving a single sharp peak. (2) It is chemically inert and volatile, and its peak (δ = 0) sits at the upfield end without overlapping other signals. جواب: (1) 12 پروٹونز برابر — ایک تیز پیک۔ (2) غیر فعال، وولیٹائل، δ = 0 پر الگ پیک۔
Answer: Deuterium is a different nucleus (²H) with a different resonance frequency; a ¹H NMR spectrometer is tuned to ¹H only, so D is invisible in it. جواب: ڈیوٹریم مختلف نیوکلیئس ہے جس کی فریکوئنسی مختلف ہے؛ ¹H اسپیکٹرومیٹر صرف ¹H دیکھتا ہے۔
Answer: Total parts = 1 + 3 + 6 = 10, and the formula has 10 protons, so the signals represent 1H, 3H and 6H respectively. جواب: کل 10 حصے اور فارمولے میں 10 پروٹونز — اس لیے سگنلز 1H، 3H اور 6H ہیں۔
Answer: To identify exchangeable protons: after adding D₂O, O–H and N–H protons exchange for deuterium and their peaks disappear from the ¹H NMR spectrum, confirming an –OH or –NH group. جواب: ایکسچینج ہونے والے پروٹونز کی شناخت: D₂O کے بعد O–H/N–H پیک غائب ہو جاتا ہے۔
Answer: Number of peaks (environments), chemical shift δ (environment type), peak area/integration (relative proton numbers), and splitting pattern with the n+1 rule (neighbouring protons); plus the D₂O shake for exchangeable protons. جواب: پیکس کی تعداد، کیمیکل شفٹ، پیک ایریا، اسپلٹنگ (n+1)، اور D₂O شیک۔
Answer: The number of chemically non-equivalent carbon environments in the molecule. جواب: مالیکیول میں کیمیائی طور پر غیر مساوی کاربن ماحول کی تعداد۔
Answer: Neighbours = 3 (from CH₃) + 1 (from CH) = 4. Splitting = n+1 = 5 → a quintet (five peaks, intensity ratio 1:4:6:4:1). جواب: پڑوسی = 3 + 1 = 4۔ اسپلٹنگ = n+1 = 5 → کوئنٹٹ۔
Answer: Butanoic acid CH₃CH₂CH₂COOH: CH₃ triplet (3H, ~0.9 ppm); CH₂ sextet (2H, ~1.6 ppm, 5 neighbours: CH₃ + CH₂); CH₂ triplet (2H, ~2.3 ppm, next to C=O); COOH singlet (1H, ~11 ppm, disappears on D₂O shake). جواب: CH₃ ٹرپلٹ (3H)، CH₂ سیکسٹٹ (2H)، CH₂ ٹرپلٹ (2H)، COOH سنگلٹ (1H، D₂O سے غائب)۔
Answer: NOTE: the book prints the formula in garbled form ("C₃H₂Cl"); the spectrum shown — a 3H triplet near 1.2 ppm and a 2H quartet near 3.7 ppm, totalling 5H — fits C₂H₅Cl. Working: 3H triplet means a CH₃ next to a CH₂; 2H quartet means a CH₂ next to a CH₃, deshielded to ~3.7 ppm by chlorine. Structure: CH₃CH₂Cl (chloroethane). جواب: نوٹ: کتاب میں فارمولا بگڑا ہوا چھپا ہے؛ اسپیکٹرم (3H ٹرپلٹ + 2H کوارٹٹ) C₂H₅Cl یعنی کلوروایتھین سے مطابقت رکھتا ہے۔
Answer: 2,4-DNPH positive → carbonyl present. Iodoform positive → CH₃CO– group present. Fehling's negative → not an aldehyde, so it is a ketone: butan-2-one, CH₃COCH₂CH₃. NMR confirms: CH₃CO singlet (3H, ~2.1 ppm), CH₂ quartet (2H, ~2.7 ppm), CH₃ triplet (3H, ~1.0 ppm). جواب: DNPH مثبت → کاربونیل؛ آئیوڈوفارم مثبت → CH₃CO–؛ فیلنگ منفی → کیٹون: بیوٹین-2-ون۔
Answer: a) Add a few drops of D₂O to the NMR sample, shake, and re-record the spectrum. b) The O–H peak disappears (or greatly shrinks). c) R–OH + D₂O ⇌ R–OD + HOD. The proton is replaced by deuterium, which resonates at a different frequency and is invisible in ¹H NMR, so the signal vanishes. جواب: a) D₂O ملا کر دوبارہ اسپیکٹرم لیں۔ b) O–H پیک غائب ہو جاتا ہے۔ c) R–OH + D₂O ⇌ R–OD + HOD — ڈیوٹریم ¹H NMR میں نظر نہیں آتا۔
Answer: a) Pentane: 3 peaks — two equivalent terminal CH₃ carbons (one peak), two equivalent CH₂ carbons (one peak), and the central CH₂ (one peak). b) 2,2-dimethylpropane: 2 peaks — four equivalent CH₃ carbons (one peak) and the central quaternary carbon (one peak). جواب: a) پینٹین: 3 پیکس۔ b) 2,2-ڈائیمیتھائل پروپین: 2 پیکس۔
Spectroscopy-2 (NMR) — NMR relies on the magnetic properties of nuclei known as nuclear spin. Chemical shift (δ) tells us about a proton's chemical environment: protons near electronegative atoms or π systems are deshielded and appear at higher δ (downfield, left); protons in electron-rich environments are shielded and appear at lower δ (upfield, right). Splitting happens because neighbouring protons' spins slightly change the magnetic field felt by a proton. Deuterated solvents (e.g. CDCl₃) are used in ¹H NMR to avoid solvent signal interference — ordinary solvents contain protons that would swamp the spectrum. Deuterium (D) does not appear in a ¹H NMR spectrum because it is a different nucleus In ¹³C NMR, the number of peaks equals the number of chemically non-equivalent carbons (not the total carbon atoms, not the hydrogens).
Revision guidance: پہلے 10 MCQs خود حل کرو, پھر جواب ملاؤ; short اور constructed-response سوالوں کو اپنے الفاظ میں لکھ کر practice کرو; descriptive سوالوں (2) کے لیے ہر section کی headings یاد رکھو. جو formula یا equation اس chapter میں ہے, اسے لکھ کر یاد کرو — رٹا نہیں, سمجھ کر.
NMR نیوکلیائی کی مقناطیسی خصوصیات (نیوکلیئر اسپن) پر مبنی ہے۔ ¹H اور ¹³C جیسے نیوکلئائی چھوٹے مقناطیسوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ مضبوط مقناطیسی فیلڈ میں ریڈیو فریکوئنسی انہیں پلٹ دیتی ہے، اور درکار فریکوئنسی کیمیکل ماحول پر منحصر ہے۔TMS اسٹین کیمیکل شفٹ (δ) پروٹون کے کیمیکل ماحول کے بارے میں بتاتی ہے: الیکٹرونیگیٹو ایٹمز کے قریب پروٹونز ڈی شیلڈڈ ہوتے ہیں اور زیادہ δ پر ظاہر ہوتے ہیں؛ الیکٹران سے بھرپور ماحول میں شیلڈڈ اور کم δ پر۔پیک ایریا کا بنیادی مقصد ہر ماحول میں پروٹونز کی اسپلٹنگ اس لیے ہوتی ہے کہ پڑوسی پروٹونز کا اسپن مقناطیسی فیلڈ کو تھوڑا بدل دیتا ہے۔ n+1 رول: سگنل (n+1) پیکس میں تقسیم ہوتا ہے، جہاں n ساتھ والے کاربن ایٹمز پر پروٹونز کی تعداد ہے۔مثالیں: 2 پڑوسی پروٹونز → ٹرپلٹ۔ ایتھانول میں –CH₂– (CH₃ کے ڈیوٹریٹڈ سالونٹس (جیسے CDCl₃) ¹H NMR میں اس لیے استعمال ہوتے ہیں تاکہ سالونٹ کا سگنل مداخلت نہ کرے۔ عام سالونٹس میں پروٹونز ہوتے ہیں جو اسپیکٹرم کو ڈھانپ لیں گے۔ ڈیوٹریم (D) ¹H NMR اسپیکٹرم میں نظر نہیں آتا کیونکہ اس کی ریزونینس فریکوئنسی م ¹³C NMR میں پیکس کی تعداد کیمیائی طور پر غیر مساوی کاربنز کی تعداد کے برابر ہوتی ہے۔ ¹³C پیک کی کیمیکل شفٹ فنکشنل گروپ کا ماحول بتاتی ہے (C=C، C=O وغیرہ)۔مثالیں: پروپین → 2 پیکس۔ پینٹین → 3 پیکس۔ 2,2-ڈائیمیتھائل پروپین → 2 پیکس۔ساخت کا تعین
اس باب کے موضوعات: اصول: نیوکلیئر اسپن اور TMS · کیمیکل شفٹ اور پیک ایریا · اسپلٹنگ: n+1 رول · ڈیوٹریٹڈ سالونٹس اور D₂O شیک · کاربن-13 NMR اور ساخت کا تعین · مشق
رہنمائی: پہلے MCQs خود حل کریں، پھر جوابات سے ملائیں؛ مختصر اور تعمیری سوالات اپنے الفاظ میں لکھ کر پریکٹس کریں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 2 Chemistry, Chapter 30 (PECTAA New Book, Session 2026–27) • English + Urdu