NUKLIDY O SPINIE 1/2. Duża zawartość naturalna (%): H (99.98), 19 F (100), 31 P (100) Średnia zawartość naturalna (%):

Transkrypt

1 UKLIDY O SPIIE 1/2 Duża zawartość naturalna (%): 1 (99.98), 19 F (100), 31 P (100) Średnia zawartość naturalna (%): 29 Si (4.7), 77 Se (7.58), 117 Sn (7.61), 119 Sn (8.58) iska zawartość naturalna (%): 3 (T) (0.00) 13 (1.11), 15 (0.37), 115 Sn (0.35)

2 uklidy o spinie 1/2 Spektroskopia 1 MRJ (podstawy, pomiary OE, usuwanie szerokich sygnałów) Spektroskopia 13 MRJ i kilka technik specjalnych Inne nuklidy o spinie 1/2

3 MAGETYZY REZOAS JĄDROWY WODORU 1 MR, ( 2 MR, 3 MR) Trzy aktywne izotopy wodoru: % spin ½ Mz ( T) % spin Mz ( T) 3 0 spin ½ Mz ( T)

4 Przykładowe widmo 1 MR wykonane w roztworze: Widmo protonowe, 1 MR ( 1 MRJ): Położenie sygnałów (przesunięcie chemiczne, ppm) Wzorzec: tetrametylosilan, Si( 3 ) 4 0 ppm Typowy zakres przesunięć chemicznych: 0 15 ppm Struktura sygnałów (krotność lub multipletowość, sprzężenie spin-spin) Intensywność sygnałów, intensywność integralna ( całka ) Skala δ ( przesunięć chemicznych ), skala τ = 10 - δ

5 Równocenność (nierównocenność) atomów: równocenność/nierównocenność chemiczna równocenność/nierównocenność magnetyczna Ilość nierównocennych chemicznie atomów (grup atomów) = ilość sygnałów ierównocenne atomy (grupy atomów) oznacza się różnymi literami alfabetu Duża różnica przesunięć chemicznych = litery odległe w alfabecie Przykłady: układ AB układ AMX układ A 3 X 2 FAZA IEKŁA ILOŚĆ SYGAŁÓW Protony (grupy protonów) homotopowe = równocenne chemicznie Protony (grupy protonów) enancjotopowe = równocenne chemicznie Protony (grupy protonów) diastereotopowe = nierównocenne chemicznie Metody spektroskopowe i ich zastosowania do identyfikacji związków organicznych Praca zbiorowa pod redakcją W. Zielińskiego i A. Rajcy, Wydawnictwa aukowo-techniczne, Warszawa, 2000 Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych R.M.Silverstein, F.X.Webster, D.J.Kiemle, Wydawnictwo aukowe PW, Warszawa 2007

6 Równocenność / nierównocenność chemiczna atomów l l Br F Br R* równocenne chemicznie (homotopowe) nierównocenne chemicznie (diastereotopowe) równocenne chemicznie (enancjotopowe) nierównocenne chemicznie (!) l Br ax Br eq???

7 Równocenność / nierównocenność chemiczna atomów Br 2 l 3 Br 2 l 2 R FBrl 2 R l Br l Br l R Br l Br Br Br R Br F R Układ A 3 (A 2 B??) Układ A 2 Układ A 2 (AB??) Układ AB!! Atomy wodorów w grupach 3 i 2 w związkach łańcuchowych są chemicznie równocenne ( uśrednienie przesunięć chemicznych) Wyjątek: centrum chiralne obok grupy!!! Spektroskopia MRJ w fazie ciekłej, w achiralnym środowisku, nie rozróżnia enancjomerów, a rozróżnia diastereoizomery. (R)(S) = (S)(R), (R)(R) = (S)(S), (R)(S) (S)(S),...

8 Równocenność / nierównocenność chemiczna atomów l l równocenne (układ A 2 ) l Br nierównocenne (układ AB lub AX) OR 3 3 Ukryte wiązanie podwójne O 3 3 O 3 3 O R2 R1 O R1 R2 R X Y R

9 Rozpuszczalniki stosowane w 1 MR Aceton-d ppm Acetonitryl-d ppm Benzen-d ppm hlorek metylenu-d ppm hloroform-d 7.3 ppm Dimetyloformamid-d 6 (DMF) 2.9 ppm, 8.0 ppm Dimetylosulfotlenek-d 6 (DMSO) 2.6 ppm Metanol-d ppm 3 Woda (D 2 O) 4.8 ppm 3 Si 3 (Wg materiałów firmy BRUKER) 3 Wzorzec: tetrametylosilan (TMS), ( 3 ) 4 Si DSS Wzorzec zewnętrzny (external reference) Wzorzec wewnętrzny (internal reference) Wzorzec wtórny (secondary reference) 0.00 ppm ppm TMS Si SO 3 a DSS

10 Kilka przesunięć chemicznych 1 MR (ppm) Elektroujemność podstawnika: F 3 -F l Br I O ( 3 ) S Li ( 3 ) 4 Si 0.00 Rząd wiązania: Ilość grup metylowych: ( 3 ) Ilość heteroatomów: l l l Atom wodoru przy heteroatomie: O (alif.) 1 5 O (Ar) 4 10 O (kwas) 9 12 S

11 Kilka przesunięć chemicznych 1 MR (ppm) X O 3.8 O 6.2 O ca elektronów π 20 elektronów π haitanya S.Wannere, Paul von Ragué Schleyer, Organic Letters, 2003, 5(5), 605

12 Zmiany przesunięcia chemicznego 1 MR wywołane metalem przejściowym: do ± 600 ppm l Fe 3+ 1 MR (Dl 3 ) protony pirolowe: ppm proton mezo: ppm protony Ar: ppm (J.Wojaczyński, Praca Doktorska, Wrocław, 1998)

13 Sprzężenie pośrednie (skalarne) J sprzężenie geminalne 2 J gem sprzężenie wicynalne 3 J vic sprzężenie dalekiego zasięgu n J 2 J gem 2 J( 1-1 ) 1 J( 13-1 ) 3 J(5-6) Stała sprzężenia J ma znak Określenie znaku stałej sprzężenia wymaga dodatkowych eksperymentów azwy sprzężeń dotyczą dwóch dowolnych jąder, nie tylko protonów Sprzężenia pomiędzy jądrami równocennymi chemicznie nie wpływają na strukturę multipletów (w widmach I rzędu!!)

14 Geminalna stała sprzężenia 2 J gem (atom sp 3 ) 2 J gem = (+ 6) (- 20) z (- 12) (- 14) (- 11) (- 18) X (- 3) (- 9) (+ 6) (- 1.4) O O (X = R, J 0 z)

15 Geminalna stała sprzężenia 2 J gem (atom sp 2 ) R X X = F Li R O O

16 ietypowe sprzężenia 2 J( 1, 1 ) w wodorkach niektórych metali Me Me + + Me Ph 3 P Me Ir Me Ph 3 P Ir 2 J(,) = 36.6 z (125 K) 99.0 z (201 K) 2 J(,) = 160 z (125 K) 533 z (201 K) Quantum Mechanical Exchange oupling M.einekey, A.inkle, J.lose, J. Am. hem. Soc., 1996, 118, 5353

17 Wicynalna stała sprzężenia 3 J vic Zależność Karplusa 3 J = 8.5 cos 2 φ 0.3 (0 90 o ) 3 J = 9.5 cos 2 φ 0.3 ( o ) φ 3 J [z] kąt φ [ o ] O 2 9 z 6 14 z z 4 10 z 3 7 z

18 OO 2 R OO 2 R 2 R OO R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O 3 J( 1-1 ) 3 J( 13-1 ) 3 J( 15-1 ) 3 J( ) 3 J( ) 3 J( 13-1 ) 3 J = Acos 2 (φ + α) + Bcos(φ + α) +

19 3 J = Acos 2 (φ + α) + Bcos(φ + α) + 3 J [z] kąt φ [ o ] A.Ejchart, Scalar ouplings in Structure Determination of Proteins Bulletin of the Polish Academy of Sciences; hemistry, 1999, 47(1) 1

20 O O O O OMe 3 J(,) = A + Bcos(φ) + cos (2φ) Parametryzacja równania: na podstawie 90 konformerów. A. Taha,. astillo, D.. Sears, R. E. Wasylishen, T. L. Lowary, P.-. Roy, Journal of hemical Theory and omputation, 2010, 6, 212 O O O O O O O O O O OMe 3 J(,) = cos(φ) + 5.3cos 2 (φ). J. hristensen, P. I. ansen, F.. Larsen, T. Folkerman, M. S. Motawia, S. B. Engelsen, arbohydrate Research, 2010, 345, 464

21 (- 3) (- 1) z 2 3 z 3 J orto = z 4 J 5 meta = 2 3 z J para = z J( 1-1 ) 0 z 4 J( 1-1 ) 0 z 2 J ax-eq = (- 11) (- 13) z 3 J ax-ax = z 3 J ax-eq = 2 5 z 3 J eq-eq = 2 5 z Sprzężenie W ok. 1 z

22 Konstrukcja multipletów Widma MR dzielą się na widma pierwszego i drugiego rzędu. W widmach pierwszego rzędu: δ >> J brak atomów magnetycznie nierównocennych sprzężenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi nie wpływają na krotność (multipletowość) sygnałów; np. sygnał grupy 3 jest singletem, znak stałej sprzężenia nie wpływa na strukturę multipletu, δ i J można odczytać wprost z widma W widmach drugiego rzędu: δ J, i / lub są atomy nierównocenne magnetycznie sprzężenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi i znak stałej sprzężenia wpływają na strukturę sygnałów Trudna analiza multipletów

23 Praca domowa: konstrukcja multipletów w widmach I rzędu ilość sygnałów vs. struktura związku przesunięcie chemiczne vs. struktura związku

24

25 3 3 3 Praca domowa: jak wygląda sygnał czerwonego atomu wodoru

26 ierównocenność protonów w grupie 2 (widmo w Dl 3 ) Układ A 3 MX ( 3 ) ppm

27 Widma protonowe drugiego rzędu

28 J δ widmo drugiego rzędu AX AM AB

29 X 2-2 Y A 2 X 2 A 2 M 2 A 2 B 2

30 - 2 3 A 2 X 3 A 2 B 3

31 J δ widmo drugiego rzędu J J AX δ x δ y AM b AB a J δ = a*b δ x = δ 0 δ/2 δ y = δ 0 + δ/2

32 X J = 7 z Układ spinowy AX 2 AB 2 A δ = 1 ppm (500 z) 5 δ = 0.1 ppm (50 z) δ = 0.02 ppm (10 z) 5 4 δ A δ B = (δ 5 + δ 7 ) / 2! dla δ = 0 ppm pozostanie tylko jedna linia (układ A 3 ) 8 7 δ B 3 2 J AB = (ν 1 - ν 4 ) + (ν 6 ν 8 ) / 3 1

33 IERÓWOEOŚĆ MAGETYZA* Równocenność / nierównocenność magnetyczna: dotyczy atomów równocennych chemicznie Dwa atomy są równocenne magnetycznie, kiedy: są równocenne chemicznie stałe sprzężenia tych atomów z dowolnym innym atomem w cząsteczce są identyczne δ = δ δ = δ A 2 X 2?? X 3 J() 4 J() AA XX (AA BB ) * próbka w roztworze

34 Z Z Z Y Z Układ spinowy AA XX (AA BB )

35 A A' = ν 1,2 ν 7,8 K = ν 3 ν 4 = ν 5 ν 6 M = ν 9 ν 10 = ν 11 ν 12 (2O) 2 = (ν 3 ν 5 ) 2 = (ν 4 ν 6 ) 2 (2P) 2 = (ν 9 ν 11 ) 2 = (ν 10 ν 12 ) 2 X X X' 1,2 7,8 L = [(2O) 2 K 2 ] 0.5 = [(2P) 2 M 2 ] = J AX + J AX L = J AX J AX K = J AA + J XX M = J AA J XX E. W. Garbisch, Journal of hemical Education, 1968, 45(5), , 45(6), , 45(7),

36 Układ AA MM X A 2 M 2 X

37 IE SPRZĘŻEIA A WIDMIE 1 MR Izotop spin zawartość obecność naturalna sprzężeń 19 F, 31 P 1/2 100% + 13, 15 1/2 ~ 1% (-) 17 O, 33 S 5/2, 3/2 < 1% > 99% +/- -D < 1% +/- 29 Si 1/2 5% +/- 35 l, 37 l 3/2 100% - 79 Br, 81 Br 3/2 100% I 5/2 100% - 12 l 3 TMS 2 J( 29 Si, 1 ) 6.4 z 29 Si 5% 13 l 3 1% 1 J( 13, 1 ) 209 z 1 J( 13, 1 ) 118 z Si 13 1% 29 Si %

38 WIDMO SATELITARE: POMIAR J(,) * * * * 12 ~1% ~1% 1 J( 13, 1 ) 1 J( 13, 1 ) * 3 J( 1, 1 ) układ ABX dwa atomy 13 obok siebie: ~0.01% * układ AA BB X

39 2 J( 13, 1 ) 3 J( 1, 1 ) 13 3 J( 1, 1 ) 12 1 J( 13, 1 ) δ δ efekt izotopowy!!

40 POMIAR 1 MR I PRZYZYY BŁĘDÓW

41 Przygotowanie próbki Próbka o odpowiednim stężeniu, rozpuszczona w odpowiedniej ilości deuterowanego rozpuszczalnika, bez osadu i stałych zanieczyszczeń. zy można użyć rozpuszczalnika nie deuterowanego? Brak sygnału deuteru; brak sygnału używanego do regulacji jednorodności pola i do stabilizacji pola. Można ewentualnie użyć sygnału FID-u. l 3, 2 l 2... konieczność usuwania sygnału rozpuszczalnika. l 4, S 2, freon... można użyć; ew. zastosować rozpuszczalnik deuterowany w kapilarze. Wzorzec: zewnętrzny lub wewnętrzny. Można użyć sygnału resztkowego rozpuszczalnika.

42 Przykładowe widmo 1 MR wykonane w roztworze: stała sprzężenia J (z) położenie sygnału (przesunięcie chemiczne) intensywność integralna całka

43 BŁĘDY I I PRZYZYY Przesunięcie chemiczne niedoskonałość wzorca ( wewnętrzny TMS) błąd do ± 0.5 ppm (!!). W precyzyjnych pomiarach należy stosować wzorzec zewnętrzny. efekty stężeniowe, temperatura próbki, asocjacja związku, itp. rozdzielczość spektralna ( z) typowa dokładność δ( 1 ): nie więcej niż ± 0.01 ppm Wartość stałej sprzężenia J rozdzielczość spektralna ( z) (!!!) nakładanie się sygnałów typowa dokładność J: nie więcej niż ± 0.3 z dokładność można zwiększyć poprzez optymalizację pomiaru Intensywność integralna: niepełna relaksacja próbki rozdzielczość spektralna zaburzenia linii podstawowej widma, nieprawidłowa faza widma typowy błąd: do 10%

44 iepełna relaksacja próbki d1(d1) pw at(aq)

45 Widmo pochodnej metioniny w Dl 3 integracja sygnałów d1 pw at AQ (at) = 2.34 s d1 = 1 ms d1 = 5 s d1 = 10 s O O df. S OOMe

46 Przypomnienie: dobór czułości odbiornika ( receiver gain ) gain A za mała wartość źle wykorzystana czułość aparatu za duża wartość obcięcie sygnału t (sek) BRUKER procedura RGA Dodatkowo: skrócenie impulsu np. o połowę

47 Przypomnienie: funkcje ważące stosowane w 1 MR (1D) A FT Mnożenie przez funkcję wykładniczą (Exponential Multiplication, EM) y = exp(-at/t a ) t (sek) EM, FT LB = 1 y A t (sek) t (sek) Mnożenie przez funkcję Gaussa (Lorentzian-to-Gauss Transformation) y = exp(at/t a - bt 2 /t a 2 )) y A FT GM, EM, FT LB = -1.2 GB = 0.5 t (sek) t (sek) LB = dla 1 A LB = -1.2; GB = (Bruker) t (sek)

48 Przypomnienie: optymalizacja czasu akwizycji (AQ, at) A t (sek) (ppm)

49 Tematy związane nie tylko z 1 MR wpływ temperatury na widmo efekt Overhausera presaturacja sygnału (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) echo spinowe rezonans podwójny ( homodecoupling )

50 Wpływ temperatury na widmo Ph Ph O 2-3 O K 303 K 253 K

51 Wpływ temperatury na widmo Dl K 233 K 1 2 1,

52 JĄDROWY EFEKT OVERAUSERA (uclear Overhauser Effect, OE)

53 JĄDROWY EFEKT OVERAUSERA (uclear Overhauser Effect, OE) Efekt Overhausera zmiana intensywności sygnału atomu położonego w pobliżu innego atomu naświetlanego jego częstością rezonansową J(,) = 0 z (duża odległość liczona po wiązaniach) D(,) 0 z (mała odległość liczona poprzez przestrzeń) υ 0 D.euhaus, M.Williamson The uclear Overhauser Effect (V 1989)

54 υ 0 I o widmo odniesienia naśw. widmo zaburzone I naśw. I intensywność integralna sygnału niezaburzonego I o intensywność integralna sygnału zaburzonego widmo różnicowe I - I o η współczynnik wzmocnienia η = (I I o )/I o

55 Przykład pomiaru efektu Overhausera Widmo odniesienia Widmo naświetlone Widmo naświetlone - widmo odniesienia O (B.Furman et al.)

56 A AX AMX ββ αβ βα αα W widmie MR obserwowane są bezpośrednio wyłącznie przejścia jednokwantowe

57 ββ ββ αβ 1 2 βα αβ βα αα αα 2,3 1,4 2,3 1,4 1 4 przejścia jednokwantowe 5 przejście dwukwantowe 6 przejście zerokwantowe

58 Szybkość narastania OE: υ 0 η 50% maksymalna wartość η dla układu 1 1 : 50% duża odległość między atomami mała odległość między atomami czas naświetlania [s] Zależność η od czasu korelacji cząsteczki: η 1 { 1 } ruch molekuły = = fluktuacje B 0 ω częstość rezonansowa 1 τ c czas korelacji cząsteczki -1 log ωτ c!! Brak OE nie jest potwierdzeniem struktury!!

59 50 % 50 % 28 % 50 % - 13 % 0 % 28 % - 13 % η [%] log ωτ c % 49 % 1 % % 49 % 1 % % 50 % 0 % α η [%] log ωτ c %

60 eksperyment OE-build-up η η y = ax + b czas naświetlania [`s] ms a 1, a 2, a 3 wzorzec r a 1 (1/r 1 ) 6 a 2 (1/r 2 ) 6 a 3 (1/r 3 ) 6 a ~ 1/r 6

61 Uśrednianie odległości wg OE <r -6 > x y (x+y)/2 Odległość wg OE: {[ (1/x 6 ) + (1/y 6 ) ] / 2} -1/6 x = 0.4, y = 0.6 (x + y)/2 = 0.5 {[ (1/x 6 ) + (1/y 6 ) ] / 2} -1/6 = 0.443

62 υ o 90 o krótki czas naświetlania: truncated driven OE (TOE) długi czas naświetlania: steady state OE selektywny impuls 180 o : transient OE dη/dt ~ 1/r 6 η czas

63 transient OE rotating-frame OE (ROE) 180 o 90 o spin lock η 0 steady state OE η od 0.5 do -1 transient OE η od do -1 ROE η od do log(ωτ c ) I.Bertini, oord. hem. Rev., 150 (1966) 163

64 OE wykonanie eksperymentu Próbka: eliminacja zanieczyszczeń paramagnetycznych: kationów metali przejściowych (np. r 3+ z chromianki) tlenu atmosferycznego rozpuszczonego w roztworze Odgazowanie próbki: przepuszczanie gazu obojętnego mało skuteczne procedura zamrażanie próżnia rozmrażanie 3 5 razy zastosowanie specjalnej probówki MR Pomiar: wykonać kilka pomiarów (co najmniej dwa) brak OE nie jest potwierdzeniem struktury obecność OE nie jest potwierdzeniem struktury

65 REZOAS PODWÓJY

66 REZOAS PODWÓJY (homodecoupling, odsprzęganie) ν o ββ ββ ν αβ βα αβ βα ν 0 αα αα 2,3 1,4 1,4 2,3

67

68 PRESATURAJA SYGAŁU

69 Uboczny skutek eksperymentu OE: usunięcie sygnału z widma Widmo odniesienia υ 0 Widmo naświetlone Selektywne naświetlanie: wyrównanie obsadzeń poziomów energetycznych ( niszczenie polaryzacji PRESATURAJA SYGAŁU usuwanie sygnału rozpuszczalnika przez jego selektywne naświetlanie. ZASTOSOWAIE: usuwanie silnego sygnału rozpuszczalnika, np. w próbkach białek i DA w środowisku 2 O (nie D 2 O!!)

70 PRESATURAJA SYGAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) 2 O

71 PRESATURAJA SYGAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) Problem: 1% związków organicznych w wodzie; nie można odparować wody ani wydzielić związku Sygnał wody ponad 100 razy silniejszy niż sygnały badane 2 O Próbka: 60% roztworu + 40 % D 2 O 9.0 ppm -1.0

72 USUWAIE SZEROKIEGO SYGAŁU Szerokość sygnału zależy od czasu relaksacji T 2??? Szeroki sygnał = krótki T 2 Wąski sygnał = długi T 2 początek rejestracji sygnału

73 EO SPIOWE

74 exp(-t / T 2 ) 90 o 180 o τ τ Dwie przyczyny zaniku sygnału: czynniki aparaturowe (niejednorodność pola) relaksacja spin-spin t = 0 τ 2τ arr-purcell-meiboom-gill D1 90 o (τ 180 o τ) n - FID y x f s s f f po impulsie 90 o po czasie τ s po impulsie 180 o po czasie τ

75 Dwa zastosowania echa spinowego pomiar czasu T 2 y = I o exp(- τ / T 2 ) 90 o 180 o τ τ τ Usuwanie szerokich sygnałów ok. 99% ok. 1%

76 Magnetyczny rezonans jądrowy trytu 3 ( 3 MR) aturalna zawartość trytu ( 3, T): 0%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) zas połowicznego rozpadu: lat (rozpad β - ) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 1 MR. Kalibracja: sygnał 1 TMS (!). Sprzężenia z innymi jądrami: podobnie jak w spektroskopii 1 MR. Przeliczenia sprzężeń: J( 1-1 ) = J( 3-1 )*0.94 Zalety: wysoka czułość pomiaru. Wady: są pewne trudności techniczne (przepisy!!) Zastosowania: Znaczenie związków chemicznych, i śledzenie ich przemian (chemia, organizmy żywe) Wykorzystanie 3 jako sondy w złożonej cząsteczce (białko, polimer) Badanie wiązań wodorowych i efektów izotopowych Synteza związków o chiralności izotopowej (chiralna grupa 3 : ( 1 )( 2 )( 3 ) przeliczanie sprzężeń: J(X- n A) / J(X- m A) = (częstość n A) / (częstość m A)

77 MAGETYZY REZOAS JĄDROWY WĘGLA 13 MR (spin ½, mała zawartość aktywnego nuklidu) % spin ½ Mz ( T) % spin 0 nieaktywny w MR 3 2 O 98% O 0.01% O O 1% 1% Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 A.Ejchart, L.Kozerski, PW, Warszawa 1988 (1981)

78

79 Spektroskopia 13 MR: wzorzec: sygnał 13 tetrametylosilanu (0 ppm) wzorzec wtórny : Dl ppm, DMSO-d ppm, benzen-d ppm, aceton-d / ppm, metanol-d ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; można używać mieszanin z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi (!) zakres przesunięć chemicznych: ppm krotność (multipletowość) sygnału: zależna od techniki pomiaru typowe widmo 13 MR: sprzężenia J( 13-1 ) usunięte przez odsprzęganie; pozostają inne sprzężenia, np. z 19 F, 31 P sprzężenia J( ) z powodu małej zawartości izotopu 13 praktycznie nie mają wpływu na widmo intensywność sygnału: zaburzona (OE, długi czas T 1, do kilkudziesięciu sekund

80 Przesunięcie chemiczne 13 (δ, ppm) efekt α efekt β efekt γ 4 ppm ppm ppm Zmiana przesunięcia chemicznego δ (ppm) (!!!) ε δ γ β α X F Elektroujemność / efekt ciężkiego atomu l F 4 / F 3 / 2 F 2 / 3 F ppm Br l 4 / l 3 / 2 l 2 / 3 l ppm I Br 4 / 2 Br 2 / Br 3 / 3 Br 30-7 ppm OO 3 I / 2 I 2 / I 3 / I 4 (- 20) - (-295) ppm O

81 Wpływ hybrydyzacji atomu węgla (δ, ppm) Elektroujemność podstawnika ( δ δ, ppm) Grupy funkcyjne (δ, ppm) 5.9 β α X β α X O ppm F l Br I O 3 O O S ppm ppm ppm Wpływ protonowania ( δ δ, ppm) S O ppm ppm Karbokation, (δ, ppm) ppm OO δ sól - δ amina δ sól - δ kwas

82 Sprzężenia 13-1 Stała sprzężenia przez jedno wiązanie, 1 J( 13-1 ) 106 z ( 3 ) 2 Mg 170 z 125 z z 127 z 161 z 156 z z 208 z 159 z l z 249 z z F sprzężenia 13-1 dalekiego zasięgu: 2 J (geminalne): od 0 do 60 z 3 J (wicynalne) do 10 z dla 3 J obowiązuje zależność Karplusa dla związków aromatycznych 1 J>> 3 J> 2 J> 4 J

83 Inne sprzężenia z 13 1 J( ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen acetylen 12.4 cyklopropan n J( ) 19 F (spin ½) 1 J( 19 F- 13 ) z n J( 19 F- 13 ) 0 20 z 31 P (spin ½) 1 J( 31 P- 13 ) z n J( 31 P- 13 ) 0 20 z kilka-kilkanaście z 2 (D) (spin 1) J( 13-2 ) = J( 13-1 ) / 6.51

84 Typowy eksperyment 13 MR - widmo 13 MR odsprzężone 1 13 (z OE) 1 (bez OE) 13 Odsprzęganie: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x180 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x Techniki archaiczne: BD (oise Band Decoupling); BB (Broad Band Decoupling)

85 aświetlanie ieskończona fala ciągła ( monochromatyczna ) Amplituda zas, t fala ciągła: impuls o nieskończonej długości przenoszona częstość: ν o impuls: fala ciągła przez czas od µs do ms przenoszona częstość: pasmo ν o ± ν x fala ciągła: czasami można zastąpić sekwencją impulsów przykład: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x180 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x

86 Efekt Overhausera (OE) układ {1} η { 1 } 0.15 log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o = 1.99

87

88 Widmo 13 MR sprzężone (widmo wysokiej rozdzielczości high resolution R) Dwa sposoby wykonania widma: 1 13 (z OE) 13 (bez OE)

89 13 XA 3 M 2 XAMM Z (XAM 2 2 Z) XA 2 M 3 3 O 2 3 O XA 3 XA 3 M 2

90 1 MR: 13 MR: triplet: sprzężenia protonów grupy 3 z protonami grupy 2 ; 3 J( 1-1 )) 3 kwartet: sprzężenia atomu węgla grupy 3 z protonami grupy 3 ; 1 J( 13-1 )) kwartet: sprzężenia protonów grupy 2 z protonami grupy 3 ; 3 J( 1-1 ) 2 triplet: sprzężenia atomu węgla grupy 2 z protonami grupy 2 ; 1 J( 13-1 )

91

92 2 I

93 Widmo 13 MR: różne sposoby odsprzęgania 1 13 D1 1 : fala ciągła (W) o małej mocy: selektywne odsprzęganie jednego protonu (heterodecoupling) selektywne naświetlanie jednego protonu badanie OE 13 { 1 } Odsprzęganie częściowe: Single Frequency off-resonance Decoupling (SFORD) oise off-resonance Decoupling (ORD) Obie te metody zastąpiono innymi technikami ałkowite usuwanie sprzężeń 13-1 : Broad Band Decoupling (BB) oise Band Decoupling (BD) Metody zastąpione obecnie technikami impulsowymi (np. PD)

94 1 13 OE odsprzęganie dm = yyy 1 13 OE odsprzęganie 1 13 brak OE odsprzęganie dm = nny 1 13 OE brak odsprzęgania dm = yyn 1 13 brak OE brak odsprzęgania dm = nnn

95 Ilościowe widmo 13 MR i optymalizacja pomiaru 1 13 D1 Widmo ilościowe: eliminacja OE pełna relaksacja próbki (D1 = 5*T 1 ; T 1 = 2 3 s dla n, 30 s i więcej dla IV ) dodatek substancji przyśpieszającej relaksację ( relaksant, np. r(acac) 3 ) w ilości 1% molowo. Dodatek relaksanta uniemożliwia wiele innych pomiarów MR, np. OE! Widmo półilościowe : pomiar i porównywanie tylko sygnałów n Optymalizacja pomiaru 13 MR: puls 90 o i długi czas D1 silny sygnał, długi czas repetycji płaski puls (<90 o ) i krótszy czas D1 słabszy sygnał, krótszy czas repetycji optimum: kąt Ernsta Varian: polecenie ernst(t1, pw90); przykładowo ernst(2) lub ernst(2,12.6)

96 Zastosowanie sprzężonego widma 13 MR: identyfikacja zasłoniętego sygnału i D1 = 30 sek. D1 = 0.5 sek.

97 Spektroskopia 13 MR techniki specjalne

98 Eksperyment wieloimpulsowy OSY 90 o 90 o 1 t 1 t ADEQUATE 2D 22 impulsy + 3 impulsy gradientowe, o częstościach 1 i 13, rozłożone w czasie. Sekwencja impulsów o określonych długościach ( kalibracja spektrometru) Odpowiedni program fazowy Precyzyjne rozłożenie w czasie impulsów Optymalizacja parametrów

99 Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) l l 3 1% 1 12 l 3 99% 500 Mz 125 Mz czułość: 1 : 13 = 1 : > ~ exp(- E / kt )

100 SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion 1 13 l selektywna zmiana obsadzenia poziomów (naświetlanie, lub sel. 90 o / 180 o ) 1 MR 13 MR 1 MR 13 MR 1 : 1 5 : - 3

101 IEPT Insensitive uclei Enhanced by Polarization Transfer 90 o x 180 o y 90 o y 1 1/4J 1/4J 180 o 90 o 13 t 90 o S S 90 o 1/4J 180 o 1/4J R R J = z 1/4J = ms (10%) J = 2 4 z 1/4J = ms (50%)

102

103 Trzy wersje eksperymentu IEPT IEPT refocused IEPT decoupled, refocused IEPT I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ o /2υ ox ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox )

104 DEPT 90 o x 180 o y α +/-y optymalizacja: wartość J kąt α /2J 1/2J 90 o y 180 o x 1/2J +/- α = 45 o DEPT o DEPT o DEPT 135 t 0 o 180 o

105 DEPT 90 DEPT 135 DEPT 45

106 IEPT Insensitive uclei Enhanced by Polarization Transfer DEPT Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer 90 o x 180 o y 90 o y 90 o x 180 o y α +/-y 1 1/4J 180 o 1/4J 90 o 1 1/2J 1/2J 90 o y 180 o x 1/2J α = 45 o DEPT o DEPT o DEPT /- t t Eksperymenty IEPT i DEPT konieczna znajomość stałej sprzężenia 13-1 (przed pomiarem!); problem w przypadku sprzężeń o małej wartości Zalety: wzrost czułości pomiaru (I / I o = 3.98) I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ o /2υ ox ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox ) pomiar kontrolowany czasem T 1 wodoru ( 1 ), a nie węgla (D1 2 s)

107 Alternatywa dla DEPT: Attached Proton Test (ATP) sekwencja SEFT (Spin Echo Fourier Transform) sekwencja ATP o x 180 o y φ 180 o y 180 o y wzmocnienie sygnału: OE, nie ma transferu polaryzacji czas repetycji określony czasem T 1 dla 13

108 Pomiar stałej sprzężenia J( )

109 satelity węglowe na widmie 13 MR * zastosowanie filtru dwukwantowego * izotopomer (0.01%) 36 z izotopomer (1%) izotopomer (99%) nieaktywny w MR

110 Incredible atural Abundance Double Quantum Transfer Experiment IADEQUATE 1 90 o 180 o y 90 o 13 1/4J 1/4J t Sekwencja impulsów usuwa sygnały izolowanych atomów 13 (singlety) pozostawia sygnały par (dublety) Do optymalizacji parametrów eksperymentu konieczna jest znajomość stałej sprzężenia 13-13, a więc wielkości która ma być mierzona (!!!)

111 nieaktywny w MR sygnał odfiltrowany dublet dublet dublet dubletów

112 1 J( ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen F 71 z b z a z b z a z acetylen 12.4 cyklopropan 57 z 56 z odtwarzanie szkieletu węglowego n J( ) kilka-kilkanaście z Li Li Li 37 z 61 z z 41.2 z O z 42.3 z l O F 216 z F F 293 z L.Krivdin, G.Kalabin, Progress in MR Spectroscopy, vol. 21, pp , 1989

113 Wykorzystanie 13 w pomiarze stałych sprzężenia J( 1-1 ) X X X X Układ spinowy A 2 na widmie 1 MR 1 sygnał (singlet) Problem: jak zmierzyć 3 J( 1-1 )? 13 3 sprzężenia: 1 J( 13-1 ), 2 J( 13-1 ), 3 J( 1-1 ) Układ spinowy ABX lub AA X Widmo 1 MR: fragment AB (AA ) Widmo 13 MR: fragment X

114 Efektywna technika pomiaru: obserwacja pośrednia (detekcja odwrotna, inverse ) Pomiar parametrów spektralnych MR (J, δ) jednego nuklidu poprzez obserwację widma drugiego nuklidu

115 satelity węglowe na widmie 1 MR 80 z 40 z l 3 izotopomer 1-13 (1%) 214 z l 3 izotopomer 1-12 (99%)

116 Dwa sposoby obserwacji tej samej stałej sprzężenia Układ dwóch sprzężonych ze sobą jąder: np w l 3 Widmo 1 MR: Widmo 13 MR: δ, dublet, 1 J( 13-1 ) = 214 z δ c, dublet, 1 J( 13-1 ) = 214 z Przesunięcie chemiczne 1 (δ ) można odczytać z widma 1 MR Przesunięcie chemiczne 13 (δ c ) można odczytać z widma 13 MR Wartość 1 J( 13-1 ) można odczytać z obu widm, 1 i 13 MR ( 1 ) ( 13 ) ( 1 ) > ( 13 ) Informacja o 1 J( 13-1 ) znajduje się w satelitarnym widmie 1 MR (sygnały 13 1 ), zagłuszonym przez sygnały 12-1, 100 razy silniejsze (!!)

117 Widmo 13 MRJ R Widmo 1 MRJ Widmo 1 MRJ filtrowane (usunięte sygnały 12-1 )

118 Przeniesienie informacji o przesunięciu chemicznym 13 do widma 1 I M o 1 I M o, cos(ω c τ) I 90 o 180 o τ o 90 o τ t τ 2 τ 4 τ τ 3

119 Inne nuklidy o spinie 1/2

120 Magnetyczny rezonans jądrowy azotu 15 ( 15 MRJ) aturalna zawartość: 0.36%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Zakres przesunięć chemicznych: ppm ppm ( 3 O 2 = 0 ppm) Wzorzec: nitrometan (0 ppm) lub ciekły amoniak (0 ppm); δ amoniak = δ nitrometan ppm skala przesunięć chemicznych ppm skala ekranowania - 0 ppm + Widmo: ostre sygnały, < 1 z, długi czas T 1 (kilka kilkaset sekund). Typowe warunki pomiaru: probówka 10 mm, kilkaset mg (!) substancji (roztwór M) kilkugodzinny czas pomiaru, dodatek r(acac) 3 Przyspieszenie pomiaru: IEPT, metoda 2D IVERSE (wzrost czułości ok. 300 razy) I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ /2υ X ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ /υ X ) Możliwość znaczenia i wzbogacania próbki nuklidem 15

121 Przykładowe przesunięcia chemiczne 15 ; δ( 3 O 2 ) = 0 ppm iekły amoniak Aminy Pirydyny Związki nitrozowe (np. Ar-=O) 380 ppm od 280 ppm do 385 ppm od 30 ppm do 155 ppm od do ppm Typowe stałe sprzężenia: J( 15-1 ) 1 J( 15 -X) 1 J: (- 40 z) (-130 z) 1 J( ): (+ 9 z) (-78 z) 2 J: 0 z 15 z 1 J( F): (+ 150 z) (+ 460 z) 3 J: 0 z 7 z 1 J( P): (- 80 z) (+ 100 z) n J: <1z

122 Metody ułatwiające pomiar: Dodatek substancji skracającej czas T 1, r(acac) 3 relaksant wygasza OE i utrudnia przeniesienie polaryzacji!! Wykorzystanie OE (wzmocnienie I / I o = ) Metody IEPT i DEPT ( wzmocnienie I / I o = 9.87!!) η { 1 } log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o = 5.94 I / I o Intensywność sygnału może mieć wartość zero!! =- 2 jeden sygnał może być dodatni, drugi ujemny.

123 Protonowanie atomu azotu Utlenianie atomu azotu + + O O O - 63 ppm ppm - 63 ppm - 96 ppm - 96 ppm ppm Ustalenie miejsca protonowania cząsteczki Ph Ph S Ph S Ph Ph S Ph J = 82 z

124 Kompleksowanie atomu azotu przez metal przejściowy: od ppm do ppm δ( 15 ) = ppm Rh δ( 15 ): ppm δ( 15 Ν) ppm ( 3 ) ppm (=-) ppm

125 Oznaczanie składu mieszaniny tautomerycznej Mieszanina badana Związki modelowe X X XMe X Me X X δ X + X δ = δ obs X X + X = 1

126 Magnetyczny rezonans jądrowy fluoru 19 F ( 19 F MRJ) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Wzorzec: Fl 3 (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: ppm ppm. Sprzężenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie Stałe sprzężenia J: J( 19 F- 1 ) J( 19 F- 19 F) J( 19 F- 13 ) 2 J: 40 z 90 z 2 J: do 300 z 1 J: 160 z 300 z 3 J: 0 z 50 z 3 J: ok. 20 z n J: 0 z 60 z 4 J: < 10 z 4 J: (- 20 z) (+ 20 z) J: (+ 5 z) (+ 18 z) F F 5 J( 19 F- 19 F) = 170 z (!!)

127 Magnetyczny rezonans jądrowy fosforu 31 P ( 31 P MRJ) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Wzorzec zewnętrzny: 3 PO 4 aq. (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: ppm ppm. Sprzężenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie teraz ppm 0 ppm - + dawniej Stałe sprzężenia J: J( 31 P- 1 ) J( 31 P- 31 P) J( 31 P- 13 ) 1 J: 200 z 1000 z 1 J: 20 z 770 z 1 J: 0 z 250 z 2 J: 0 z 30 z 2 J: 40 z 150 z n J: 0 z 40 z 3 J: 0 z 20 z 3 J: 30 z 40 z 4 J: 2 z 4 z

128 Uwagi o sprzężeniach J uklid Zawartość (%) zęstotliwość (Mz, pole T) F Si P Se Sn Sn Sn F... F 19 F.19 F 100%... F F 99% F 1% % % % % I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ /2υ X ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ /υ X )

129 Satelitarne sygnały cyny na widmie 13 MRJ Trzy izotopomery aktywne w MRJ: 13 MRJ nm Sn % 119 Sn % J = a 117 Sn % J= a 115 Sn % J= a Możliwy efekt izotopowy!! 13 MRJ 1 J( 119 Sn, 13 ) = 487 z 1 J( 117 Sn, 13 ) = 466 z 3 J( 119/117 Sn, 13 ) = 24 z 2 J( 119/117 Sn, 13 ) = 77 z

130 n-bu n-bu Sn n-bu 1 MRJ 1 J( 117 Sn, 1 ) 1515 z 1 J( 119 Sn, 1 ) 1585 z 1 J( 115 Sn, 1 ) 1390 z

131 zułość pomiaru: Os (X- 1 ): Pomiar 1D wprost : Pomiar IEPT γ / γ X = ν / ν X Pomiar 2D inverse ( γ / γ X ) 5/2 = (ν / ν X ) 5/ (X- 31 P): Pomiar 2D inverse (ν P / ν X ) 5/