Spektroskopia Jader 13 C i efekt Overhausera

Transkrypt

1 Spektroskopia Jader 13 C i efekt Overhausera Literatura : 1. A. Ejchart, L.Kozerski, Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 C. PWN, Warszawa 1988 (1981). 2. F.W. Wehrli, T. Wirthlin ; z ang. tł. Karol Jackowski i Wacław Kołodziejski. Interpretacja widm w spektroskopii 13 C NMR. PWN, Warszawa D. Neuhaus, M. Williamson The Nuclear Overhauser Effect (VCH 1989).

2 13 C 1.1% spin ½ MHz ( T) 12 C 98.9% spin 0 nieaktywny w NMR

3 wzorzec: sygnał 13 C tetrametylosilanu (0 ppm); wzorzec wtórny : CDCl ± 0.06 ppm, DMSO-d ± 0.06 ppm, benzen-d ± 0.06 ppm, aceton-d ± 0.06 ppm / ± 0.06 ppm, metanol-d ±0.01 ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; można używać w mieszaninie z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi; zakres przesunięć chemicznych: ppm; krotność (multipletowość) sygnału: zależna od techniki pomiaru; typowe widmo 13 C NMR: sprzężenia J( 13 C- 1 H) usunięte przez odsprzęganie; pozostają inne sprzężenia, np. z 19 F, 31 P; sprzężenia J( 13 C- 13 C) z powodu małej zawartości izotopu 13 C praktycznie nie mają wpływu na widmo intensywność sygnału: zaburzona (NOE, długi czas T1, do kilkudziesięciu sekund.

4 SYGNAŁY ROZPUSZCZALNIKÓW I(D) = 1 B CDCl 3 J(D, 13 C) = 31.5 Hz CD 3 COCD 3 J(D, 13 C) = 19.5 Hz -1

5 Względna naturalna zawartość izotopu (%) Spin I w jednostkach h Współczynnik żyromagnetyczny Częstość Larmora ν 0 w polu magnetycznym 11.5 T Względna czułość NMR dla jednakowej liczby jąder Względna czułość NMR przy naturalnej zawartości izotopu 13 C / MHz 1/64 1/ H / MHz 1 1 Czas realaksacji T 1 dla 1 H kilka sekund, dla 13 C od kilku do kilkudziesięciu sekund

6 Liczba sygnałów w widmie 13 C NMR

7 Zakresy występowania sygnałów 13 C NMR

8 Przesunięcie chemiczne w widmie 13 C NMR (δ, ppm) Efekt α Efekt β Efekt γ Zmiana przesunięcia chemicznego w ppm Elektroujemność efekt ciężkiego atomu

9 Przesunięcie chemiczne w widmie 13 C NMR (δ, ppm) Grupy funkcyjne Elektroujemność podstawnika Wpływ hybrydyzacji atomu węgla Wpływ protonowania kation

10 Stała sprzężenia 13 C- 1 H (Hz) 1 J -przez 1 wiązanie: 3 J (wicynalna): do 10 Hz (obowiązuje zależność Karplusa) 2 J (geminalne): od 0 do 60 Hz (silna zależność od podstawienia i hybrydyzacji, zwykle mała wartość) dla związków aromatycznych: 1 J>> 3 J> 2 J> 4 J

11 Stałe sprzężenia 13 C- 13 C i inne jądra (Hz)

12 Jądrowy efekt Overhausera (Nuclear Overhauser effect) Efekt Overhausera zmiana intensywności sygnału atomu położonego w pobliżu innego atomu naświetlanego jego częstością rezonansową J(H,H) = 0 Hz ( odłegłość duża licząc wiązania) oddziaływanie przez wiązania tzw. Sprzężenie spinowo-spinowe (skalarne); Oddziaływanie dipolowe (sprzężenie dipolowe); Współczynnik wzmocnienia NOE : η A { X } = (I-I 0 )/ I 0 I- intensywność sygnału rezonansowego jądra A w układzie zaburzonym; I 0 - intensywność sygnału rezonansowego jądra A w układzie niezaburzonym;

13

14 W widmie NMR bezpośrednio obserwujemy tylko przejścia jednokwantowe (W 2,W 3 i W 1,W 4 ); przejście dwukwantowe - W 2 przejście zerokwantowe W 0

15 Generowanie efektu Overhausera dwóch jąder A i X (a) obsadzenia w stanie równowagi, względne różnice obsadzeń dla obu jąder dwie jednostki kółka. (b) stan zaburzony obsadzenie poziomów dla jąder X wyrównane (np. stan nasycenia po absorpcji promieniowania), dla jąder A różnice obsadzeń bez zmian. (c) relaksacja dwukwantowa powoduje zwiększenie populacji poziomu αα i odpowiedni spadek dla ββ. Zwiększenie różnicy obsadzeń dla przejść jąder A powoduję wzrost intensywności sygnału dodatni efekt NOE. (d) relaksacja zerokwantowa powoduje efekt przeciwny zmniejszenie różnicy obsadzeń poziomów αα i αβ oraz βα i ββ słabszy sygnał jąder A ujemny efekt NOE.

16 Wielkość NOE η maks = γ Η / γ H * σ NOE / ρ H, H [s -1 ] ω - częstość rezonansowa 1 H; r- odległość między jądrami; τ C czas korelacji cząsteczki -czas charakteryzujący szybkość z jaką cząsteczka zapomina o poprzednich położeniach, im krótszy τ c tym szybciej znika informacja o poprzednim stanie cząsteczki. dla danej ω wielkość σ NOE zależy od r -6 i czasu korelacji τ C ; wielkość σ NOE zeruje się dla ωτ C ~ 1.12; dla małych cząsteczek o relatywnie krótkich czasach korelacji (ωτ C < 1.12) szybkiej reorientacji w przestrzeni dominuje relaksacja dwukwantowa i NOE jest dodatni; dla dużych czasów korelacji cząsteczkowej ( lub wyższych polach B 0 (ωτ C > 1.12), dominuje relaksacja zerokwantowa i efekt NOE jest ujemny (zmiana znaku).

17 Szybkość narastania NOE Duża odległość między atomami Mała odległość między atomami Zależność η od czasu korelacji cząsteczki ω - częstość rezonansowa 1 H τ c czas korelacji cząsteczki (czas charakteryzujący szybkość z jaką cząsteczka zapomina o poprzednich położeniach, im krótszy τ c tym szybciej znika informacja o poprzednim stanie cząsteczki.)

18

19 Eksperymenty NOE Selektywne naświetlanie Krótki czas naświetlania: truncated driven NOE (TOE); selektywny impuls 180 o : transient NOE długi czas naświetlania: steady state NOE dη/dt ~ 1/r 6

20 transient NOE rotating-frame NOE (ROE) 180 o x 90 o x γb 1 << γb i dlatego ω 0 1 << ω 0 i (ωτ C < 1.12) szybkiej reorientacji w przestrzeni, dominuje relaksacja dwukwantowa i NOE jest dodatni steady state NOE η od 0.5 do -1 transient NOE η od do -1 ROE η od do 0.675

21 NOE warunki przeprowadzenia eksperymentu Próbka: eliminacja zanieczyszczeń paramagnetycznych: -tlenu atmosferycznego rozpuszczonego w roztworze, -kationów metali przejściowych (np. Cr3+ z chromianki), Odgazowanie próbki: przepuszczanie gazu obojętnego mało skuteczne, procedura zamrażanie próżnia rozmrażanie 3 6 razy zastosowanie specjalnej probówki NMR (zatapianie) Pomiar: należy wykonać kilka pomiarów brak NOE nie jest potwierdzeniem struktury obecność NOE nie jest w pełni potwierdzeniem struktury

22 PRESATURACJA SYGNAŁU Uboczny skutek eksperymentu NOE: usunięcie sygnału z widma

23 Echo spinowe Wektor makroskopowej magnetyzacji Usuwanie szerokich sygnałów

24 (Carr-Purcell Meiboom-Gill) Wielokrotne echo -CPMGd1-90x (-d2-180y -d2-) n -AQ 2d 2 4d 2 6d 2 8d 2

25 Czynniki wpływające (+) i nie wpływające (-) na amplitudę echa Zastosowania SE i CPMG: l.p. Czynnik SE CPMG Element sekwencji wieloimpulsowych 1 2 Niejednorodność B 0 Dyfuzja Wygaszanie szerokich linii 3 4 Relaksacja poprzeczna Relaksacja podłużna Unikanie efektów zakłóceń bezpośrednio po impulsie obserwacyjnym 5 6 Wymiana chemiczna Przesunięcia chemiczne Pomiar T 2 7 J-heterojądrowe - - Pomiar szybkości dyfuzji 8 J-homojądrowe Pomiar szybkości wymiany chemicznej

26 HOMODECOUPLING, ODSPRZĘGANIE

27 Widmo z dekaplingiem Widmo bez dekaplingu

28 Jądrowy efekt Overhausera (Nuclear Overhauser effect) Dla układu 13 C- 1 H Wzmocnienie: (I-I 0 )/ I 0 = 1.99

29 Pomiar widma 13 C power gated decoupling - odsprzężone widmo z NOE -pinen inverse gated decoupling (odsprzężone widmo bez NOE) z odsprzęganiem- gated decoupling (sprzężone widmo z NOE) bez naświetlania protonów (sprzężone widmo bez NOE)

30 Widmo ilościowe: eliminacja NOE pełna relaksacja próbki (D1 = 5*T1; T1= 2-3 s dla CH n, 30 s i więcej dla C IV ) dodatek substancji przyśpieszającej relaksację ( relaksant, np. Cr(acac) 3 ) w ilości 1% molowo. Dodatek relaksanta uniemożliwia wiele innych pomiarów NMR, np. NOE Widmo półilościowe : pomiar i porównywanie tylko sygnałów CH n Optymalizacja pomiaru 13 C NMR: -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

31 Zastosowanie sprzężonego widma 13 C NMR:

32 Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer)

33 Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion

34 Stan równowagi Po impulsie selektywnym 180(H 2 ) p(ββ) p(βα) p(αβ) p(αα) 0,25-h-c 0,25-h+c 0,25+h-c 0,25+h+c 0,25+h-c 0,25-h+c 0,25-h-c 0,25+h+c Stan równowagi Po selektywnym impulsie 180(H 2 ) Int(C 2 )= p(βα) p(ββ) 2c 2c 2h Int(C 1 )= p(αα) p(αβ) 2c 2c + 2h

35 SPT Selective Population Transfer Te zaburzenia są lepiej widoczne na widmie różnicowym SPT zniekształca intensywności multipletu protonu gdy częstotliwość rezonansowa sprzężonego jądra jest nierównomiernie nasycona Niezaburzone widmo jest nasycone

36 INEPT - Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer J = Hz 1/4J = ms (10%) J = 2 4 Hz 1/4J = ms (50%)

37 Multiplety 13 C po sekwencji INEPT CH CH 2 CH 3 Decoupled, refocused INEPT INEPT

38 Trzy wersje eksperymentu INEPT: INEPT, refocused INEPT, decoupled, refocused INEPT Widma 13 C kwasu mrówkowego

39 Eksperyment DEPT - Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer Optymalizacja wartość J kąt α E=(γ H / γ C ) sinα

40 Terpen - andrografolid 13 C

41

42 APT- Attached Proton Test

43 Ewolucja wektorów namagnesowania jader 13 C pod wpływem sprzężeń proton-jadro 13 C

44 INADEQUATE -Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment

45 Satelity węglowe na widmie 13 C NMR INADEQUATE 100 x silniejszy Układ AB lub AX

46 Wartości stałych sprzężenia 13 C- 13 C

47 DOSY- Diffusion-Ordered SpectroscopY Pomiar dyfuzji odbywa się przez obserwację tłumienia sygnałów NMR podczas eksperymentu z gradientem pola impulsowego. Stopień tłumienia jest funkcją gradientu magnetycznego amplitudy impulsu (G) i występuje z szybkością proporcjonalną do współczynnika dyfuzji (D) w cząsteczce. I(f,z) = I A (f) exp(-d A Z) Gdzie: -I -obserwowana intensywność sygnału, -I 0 - intensywność dla zerowej mocy gradientu, -G gradient, - D- współczynnik dyfuzji, - -deley

48 izomentol

49 2D-DOSY