SPEKTROSKOPIA MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO IZOTOPÓW INNYCH NIś 1 H i 13 C

Transkrypt

1 SPEKTROSKOPIA MAGETYZEGO REZOASU JĄDROWEGO IZOTOPÓW IY Iś 1 i 13

2 o moŝna zmierzyć metodami MRJ? e Li Be B O F e a Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o i u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr b Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba La f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac e Pr d Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu Th Pa U p Pu Am m Bk f Es Fm Md o Lr pierwiastki posiadające co najmniej jeden izotop o spinie 1/2

3 T Mz Au 2 (D) 31 P 19 F 3 (T) izotopów o liczbie spinowej róŝnej od 0

4 PODZIAŁ IZOTOPÓW spin = 1/2 spin > 1/2 duŝa zawartość naturalna 1, 19 F, 31 P 14 mała zawartość naturalna 3, 13, 15 2, 17 O, 33 S Jądra o spinie większym niŝ 1/2 posiadają moment kwadrupolowy; z powodu sprzęŝenia kwadrupolowego ich czas T 1 jest krótki Drugi czynnik skracający T 1 : niesparowane elektrony (np. metale przejściowe)

5 + Jądro o spinie ½ Ładunek dodatni rozłoŝony symetrycznie Moment kwadrupolowy Q równy zero Jądro o spinie większym niŝ ½ Ładunek dodatni rozłoŝony niesymetrycznie Moment kwadrupolowy Q róŝny od zera Miara oddziaływania momentu kwadrupolowego z polem elektrycznym cząsteczki: sprzęŝenie kwadrupolowe Stała sprzęŝenia kwadrupolowego QF (z): e 2 Qq zz h 1/T 1 = 1/T 2 ~ QF, η, τ c

6 I szerokość połówkowa sygnału (z) szerokość w połowie wysokości, half-width, LW, W 1/2 ½ I W 1/2 ~ 1/T 2 Jądra o spinie ½ ( 1, 13, 15...): W 1/2 = z Jądra o spinie > ½ : W 1/2 = kilka z kilka kz lub więcej (!!!)

7 Trudność rejestracji widma MR jąder o krótkim czasie T 2 (T 1 ) T 1 >= T 2 D1 (0 s) AQ W 1/2 ~ 1/T 2 nm X czas T 2 krótki = W 1/2 duŝa prescan delay (> 10 µs) Relaksacja próbki trwa w czasie całego eksperymentu Sygnał próbki moŝe zaniknąć zanim rozpocznie się rejestracja (dla krótkich czasów T 1 ) Skrócenie odstępu pomiędzy pulsem a rejestracją zaburza linię podstawową widma Korzystny krótki impuls o duŝej mocy moc jest ograniczona wytrzymałością sondy 90 o 90o 90 o + - sygnał + zaburzenie zaburzenie

8 SprzęŜenia z jądrem o spinie większym niŝ 1/2 spin ½ - dwie moŝliwe orientacje wektora µ w polu magnetycznym spin 1 - trzy moŝliwe orientacje wektora µ w polu magnetycznym z z x x y y spin ½ (rzut na oś z: 1/2, -1/2) spin 1 (rzut na oś z: 1, 0, -1 spin 3/2 (rzut na oś z: 3/2, 1/2, -1/2, -3/2

9 SprzęŜenie jądra o spinie 1 z jądrem o spinie ½ (sygnał 13 w l 3 i Dl 3 ) 1 J( 13-2 ) = 32 z 1 J( 13-1 ) = 214 z l 3 l 3 Dl 3 Efekt izotopowy δ(l 3 ) δ(dl 3 ) = 0.2 ppm

10 Wpływ jądra o spinie > ½ na kształt sygnału jądra o spinie ½ ( efekt odsprzęgania, przypadek 1 / 14 ) Kształt sygnału: T Q, J Symulacja dla układu J( 14-1 ) = 60 z MR 1 : 14 : T Q s s s s 0.04 s W 1/2 800 z 320 z 100 z 35 z 8 z

11 Magnetyczny rezonans jądrowy azotu 15 ( 15 MR) 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)

12 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 sprzęŝenia: 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

13 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 moŝe mieć wartość zero!! =- 2 jeden sygnał moŝe być dodatni, drugi ujemny.

14 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

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

16 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

17 Magnetyczny rezonans jądrowy azotu 14 ( 14 MR) aturalna zawartość: 99.64%, spin: 1, częstość: Mz ( T) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 15 MR: sygnał 14 nitrometanu (0 ppm) lub ciekłego amoniaku (0 ppm); Przesunięcie chemiczne: jak przesunięcie chemiczne 15, z dokładnością do 1 ppm zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 2 = T 1 < 1 sekundy. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Widmo: szerokie sygnały, od kilkudziesięciu z do kilku kz. Szerokość sygnału zaleŝna m.in. od symetrii otoczenia chemicznego i gęstości ładunku wokół jądra. Stałe sprzęŝenia J: J( 15 -X) = J( 14 -X). Bardzo często występuje efekt odsprzęgania i sprzęŝenia są niewidoczne. Jądro 14 rozczepia sygnał jądra o spinie 1/2 na trzy składowe, nie na dwie!!

18 R4 R3 + R1 R2 X - Inne związki dogodne do pomiarów 14 MR: R1 = R2 = R3 = R4 ostry sygnał 14 (mała gęstość ładunku, symetria otoczenia) izonitryle R nitrozwiązki RO 2 grupy R róŝne: poszerzenie sygnału 14 (zaburzona symetria) Aminy: szerokie sygnały 14

19 2 J( 14-1 ) = 1.6 z 3 J( 1-1 ) = 6.8 z Ph + 1 J( ) = 4.7 z 3 1 J( ) = 6.5 z * * 3 J( 14-1 ) = 2.2 z 3 J( 1-1 ) = 6.8 z 2 J( ) = 0 z

20 Pomiar 15 : probówka 10 mm; ok mg związku, kilkugodzinny czas pomiaru Pomiar 14 : kilkadziesiąt mg związku, czas pomiaru: kilka kilkanaście minut

21 Magnetyczny rezonans jądrowy fluoru 19 F ( 19 F MR) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Wzorzec: Fl 3 (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: ppm ppm. SprzęŜenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie Stałe sprzęŝenia 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 (!!)

22 Magnetyczny rezonans jądrowy fosforu 31 P ( 31 P MR) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Wzorzec zewnętrzny: 3 PO 4 aq. (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: ppm ppm. SprzęŜenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie teraz ppm 0 ppm - + dawniej Stałe sprzęŝenia 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

23 Magnetyczny rezonans jądrowy tlenu 17 O ( 17 O MR) aturalna zawartość: 0.037%, spin: 5/2, częstość Mz ( T) Wzorzec zewnętrzny: 2 O (0 ppm) Zakres przesunięć chemicznych: 0 ppm 1100 ppm. SprzęŜenia z innymi jądrami: zazwyczaj niewidoczne (są wyjątki, np. R 3 P=O) zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 1 = T 2 < 1 s. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Sygnały: szerokie, od kilkudziesięciu z do kilku kz Przykładowe przesunięcia chemiczne: alkohole, etery od - 40 ppm do ppm ketony, aldehydy od ppm do ppm aceton 573 ppm nitrometan 607 ppm azotyny (-=O) od ppm do ppm r 2 O 2-7 ok ppm octan etylu 172 ppm (-O-), 308 ppm (=O)

24 Magnetyczny rezonans jądrowy siarki 33 S ( 33 S MR) aturalna zawartość: 0.76%, spin: 3/2, częstość Mz ( T) Wzorzec zewnętrzny: S 2 (0 ppm) Zakres przesunięć chemicznych: od ppm do 240 ppm ppm. SprzęŜenia z innymi jądrami: zazwyczaj niewidoczne zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 1 = T 2 < 1 s. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Sygnały: szerokie, od kilkudziesięciu z do kilku kz i więcej (!!!) S S O R S O + S ppm - 30 ppm od 300 ppm do 340 ppm R 750 ppm

25 Magnetyczny rezonans jądrowy wodoru 2 i 3 ( 2 MR, 3 MR) aturalna zawartość deuteru ( 2, D): 0.015%, spin: 1, częstość Mz ( T) aturalna zawartość trytu ( 3, T): 0%, spin: 1/2, częstość Mz ( T) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 1 MR. W przypadku 2 : sygnał 2 TMS. W przypadku trytu: sygnał 1 TMS (!). SprzęŜenia z innymi jądrami: dla 3 podobnie jak w spektroskopii 1 MR. W przypadku 2 : jak dla jądra o spinie 1. Przeliczenia sprzęŝeń: J( 1-1 ) = J( 2-1 )*6.51 = J( 3-1 )*0.94 Zalety: wysoka czułość pomiaru w przypadku trytu. Wady: są pewne trudności techniczne... Zastosowania: Znaczenie związków chemicznych, i śledzenie ich przemian (chemia, organizmy Ŝywe) Wykorzystanie 2 lub 3 jako sondy w złoŝonej cząsteczce (białko, polimer) Badanie wiązań wodorowych i efektów izotopowych Synteza związków o chiralności izotopowej (chiralna grupa 3 : ( 1 )( 2 )( 3 ) przeliczanie sprzęŝeń: J(X- n A) / J(X- m A) = (częstość n A) / (częstość m A)

26 Wykorzystanie 2 w pomiarze stałych sprzęŝenia J( 1-1 ) i J( ) X X X X Układ spinowy A 2 na widmie 1 MR 1 sygnał (singlet). Problem: jak zmierzyć 3 J( 1-1 )? 13 Układ spinowy ABX (AA X) 2 R R Układ spinowy AX J( 1-1 ) = J( 2-1 )*6.51 Układ spinowy AA XX 2 Układ spinowy A 2 lub A 2 X Układ spinowy AMX (AMM X)

27 Pomiar geminalnej stałej sprzęŝenia 2 J( 1-1 ) Dl 2 2 l 2 D 3 OD z 2 J( 1-1 ) = 2 J( 2-1 )*6.51

28 Inne izotopy być moŝe uŝyteczne: Si, Se, Sn,...

29 POMIAR OWEGO IZOTOPU - etapy Wyszukanie literatury z opisem typowego eksperymentu Zdobycie wzorca do kalibracji widma Dostrojenie spektrometru, kalibracja impulsu, optymalizacja parametrów pomiaru Pomiar próbki wzorcowej Pomiar próbki X Wynik pracy: moŝe być negatywny... IhO PA: Izotopy juŝ mierzone: 19 F, 31 P, 17 O, 29 Si, 77 Se, 113 d, 117 Sn, 119 Sn, 195 Pt, 199 g Dostępny zakres pomiarowy: od ok. 20 Mz do 500 Mz ( T) Poza zasięgiem (???) : 41 K, 57 Fe, 99 Ru, 103 Rh, 187 Os, 191 Ir, 193 Ir, 197 Au, 235 U Dostępne w zamian: 39 K, 101 Ru, 189 Os Ograniczenia: Izotopy o małej częstości rezonansowej (zakres aparatu, niska czułość pomiaru) DuŜa szerokość sygnału (sprzęŝenie kwadrupolowe, niesparowane elektrony)

30 SprzęŜenia pomiędzy róŝnymi izotopami: SprzęŜenia pomiędzy jądrami o spinie ½ są widoczne (o ile stęŝenie izotopomeru na to pozwala!) SprzęŜenia pomiędzy jądrami o spinie > ½ lub jądrem o spinie ½ i jądrem o spinie > ½ ( 14, 17 O, 33 S) są zazwyczaj niewidoczne ( efekt odsprzęgania ) Wyjątek: sygnał jądra o spinie > ½ jest ostry Przykład: widoczne są sprzęŝenia z deuterem (spin 1), sprzęŝenia J( 14-1 ) w czwartorzędowych solach amoniowych, sprzęŝenia J( 31 P- 17 O) w pewnych związkach fosforu (wiązanie P=O), itp. R δ( 17 O) = ppm R P O W 1/2 = z R 1 J( 31 P- 17 O) = z Przy analizie sprzęŝeń naleŝy uwzględnić statystykę

31 Etyloamina z punktu widzenia spektroskopii MR ok. 98% % 1% % * 1% = % 1% % * 1% = % 0.01% % * 1% * 1% = % Dla uproszczenia: pominięto sprzęŝenia z 1 i 2 Odsprzęganie 1 : Widmo 14 MR: szeroki singlet; ewentualne sprzęŝenia z 13 widoczne jako linie satelitarne. SprzęŜeń prawdopodobnie nie będzie widać z powodu efektu odsprzęgania Widmo 13 MR: składa się z singletów. SprzęŜenia z 14 prawdopodobnie niewidoczne; sprzęŝenia z 13 i 15 dają trudne do obserwacji sygnały satelitarne. Widmo 15 MR: siglet; sprzęŝenia z 13 widoczne jako linie satelitarne. Widmo 1 MR: ewentualne sprzęŝenia widoczne jako linie satelitarne. Widma sprzęŝone z 1 : na widmach 13 i 15 pojawią się sprzęŝenia z 1 SprzęŜenia J( 14 -X): niewidoczne w 3 2 2, ale być moŝe (??) widoczne w soli amoniowej ( 3 ) 4 l -

32 Struktura sygnału 13 w mieszaninie izotopomerów 1% singlet 0.01% dublet, 1 J( ) 0.36% * 1% = % dublet, 1 J( ) 0.36% * 1% * 1% = % kwartet, 1 J( ) i 1 J( ) δ( 13 ): róŝne dla kaŝdego izotopomeru ( efekt izotopowy ) Sygnał 13 : suma powyŝszych sygnałów cyna: 115 Sn 0.35% (1/2) 117 Sn 7.61% (1/2) 119 Sn 8.58% (1/2) Związek zawierający atom cyny: trzy izotopomery aktywne w spektroskopii MR

33 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 MoŜliwy 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

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

35 Efektywna technika pomiaru: obserwacja pośrednia ( inverse ) Pomiar właściwości spektralnych MR jednego izotopu poprzez obserwację widma drugiego izotopu.

36 Dwa sposoby obserwacji tej samej stałej sprzęŝenia Układ dwóch sprzęŝonych 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 ) moŝna odczytać z widma 1 MR Przesunięcie chemiczne 13 (δ c ) moŝna odczytać z widma 13 MR Wartość 1 J( 13-1 ) moŝna 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 (!!)

37 Widmo 13 MR R Widmo 1 MR Widmo 1 MR filtrowane (usunięte sygnały 12-1 )

38 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 Obserwacja pośrednia lub odwrotna (inverse): obserwacja jądra o małej czułości za pośrednictwem jądra o duŝej czułości ( 13-1, F, P...)

39 T Mz Au 2 (D) 31 P 19 F 3 (T) izotopów o liczbie spinowej róŝnej od 0

40 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/