DWUWYMIAROWA SPEKTROSKOPIA NMR (2D NMR)

Transkrypt

1 DWUWYMIARWA SPEKTRSKPIA MR (2D MR) W2D WIDM_2D

2 Przykładowe dwuwymiarowe widmo MR

3 Jednowymiarowy eksperyment MR (1D MR) z z M y y x M x I ~ M FT t A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) A = f(t) I = f(ν)

4 Eksperyment 1D MR powtórzony m razy I ~ M o czas (s) częstość (z) A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) : : : A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) : : : I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n )

5 Przykład: przeniesienie informacji o przesunięciu chemicznym 13 C do widma 1 I M o 1 90 o 180 o τ 1 I częstość = δ( 13 C) 1 13 C 90 o 90 o τ t τ 2 τ 4 τ τ 3 δ( 1 ) τ czas ewolucji ( evolution time )

6 Eksperyment 1D MR powtórzony m razy τ m I ~ M o, cos ϖ c τ Sekwencja impulsów z systematycznie inkrementowanym czasem ewolucji τ.... τ 3 τ 3 τ 2 τ 2 τ m τ 1 τ 1 czas t (s) częstość (z) τ 1 τ 2 τ n A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) : : A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) A = f(t,τ) I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) : : I(ν 1 ) I(ν 2 ) I(ν 3 ) I(ν n ) I = f(ν, τ) τ

7 τ (s) t (s) A(t, τ) t (s) τ (s) FID_FID τ (s) τ (s) A(ν, τ) ν (z) ν (z) WIDM_FID A(ν, ν) WIDM_2D W2D ν (z) ν (z)

8 Właściwości widma 2D MR Widmo 1D / widmo 2D: Koncepcja pomiaru, a nie rodzaj widma. Są róŝne widma 1D i 2D... Widmo 1D: Rozmiar widma: 32 K 64 K ( pkt); rozdzielczość spektralna z / pkt Widmo w trybie fazoczułym Widmo 2D: Rozmiar widma [ ] x [ ]; rozdzielczość spektralna kilka kilkanaście z / pkt Widmo w trybie fazoczułym lub w trybie absolutnej wartości ( magnitude ). Stosuje się funkcje waŝące. I(ν) = Re(ν) * cos(φ) + Im(ν) * sin(φ) intensywność sygnału dodatnia lub ujemna I(ν) = (Re(ν) 2 + Im(ν) 2 ) 0.5 intensywność sygnału dodatnia Sposób rejestracji widma: detekcja kwadraturowa w jednym lub obu wymiarach Projekcje: projekcja wewnętrzna / projekcja zewnętrzna Przekrój widma: kolumna lub wiersz z matrycy 2D

9 Klasyfikacja widm dwuwymiarowych (2D MR) J-spektroskopia (J-resolved spectroscopy) widma typu CSY (Correlation Spectroscopy) J (z) δ (ppm) δ (ppm) δ (ppm) δ / J() ( 19 F, 31 P...) δ x / J() (X = 13 C, 19 F, 31 P...) δ x / J(X) (X = 13 C, 19 F, 31 P...) CSY (δ /δ ) sprzęŝenia J TCSY (δ /δ ) sprzęŝenia J ESY (δ /δ ) sprzęŝenia D (E) RESY (δ /δ ) sprzęŝenia D (E) EXSY (δ /δ ) wymiana chemiczna (= ESY)

10 Klasyfikacja widm dwuwymiarowych (2D MR) widma typu ETCR (eteronuclear Correlation Spectroscopy) δ x (ppm) widma inne: IADEQUATE 2D ADEQUATE widma zero- i dwukwantowe widma pseudodwuwymiarowe (DSY) δ (ppm) XCRR (δ /δ x ) sprzęŝenia J(X) CLC (δ /δ X ) sprzęŝenia J(X) SQC (δ /δ X ) sprzęŝenia J(X) MQC (δ /δ X ) sprzęŝenia J(X) MBC (δ /δ X ) sprzęŝenia J(X) ESY (δ /δ X ) sprzęŝenia D (E)

11 J-spektroskopia (J-resolved spectroscopy) J (z) δ (ppm) δ / J() ( 19 F, 31 P...) δ x / J() (X = 13 C, 19 F, 31 P...) δ x / J(X) (X = 13 C, 19 F, 31 P...)

12 jres C 2 5 C 2 1 J (z) δ (ppm)

13 C 2 5 hjres C 2 1 J( 13 C- 1 ) [z] δ( 13 C) [ppm]

14 widma typu CSY CSY (δ /δ ) sprzęŝenia J TCSY (δ /δ ) sprzęŝenia J ESY (δ /δ ) sprzęŝenia D (E) 90 o τ 90 o RESY (δ /δ ) sprzęŝenia D (E) EXSY (δ /δ ) wymiana chemiczna (= ESY) CSY (Correlation Spectroscopy) korelacja δ δ lub δ X - δ X X A CSY (sprzęŝenia od 2 do kilkunastu z) CSY-LR (sprzęŝenia poniŝej 2 z) β-csy E.CSY DQF-CSY Relayed CSY A X δ( 1 ) [ppm] Widma fazoczułe (I>0, I<0) ( phase sensitive spectrum ) Widma absolutnej wartości (I>0) ( magnitude spectrum ) δ( 1 ) [ppm]

15 Symetryzacja widma typu CSY surowe widmo CSY (widoczny szum t1) widmo po symetryzacji τ 1 τ 2 τ 4 τ 3 δ( 1 )

16 o o p m p m o o m, p m p

17 C 2 5 C 2 1

18

19 m ax eq eq eq ax ax ax m eq

20 J = 4.5 z / 0.4 z J = 4.5 z / 1 z CSY: od 2 do kilkunastu z LG RAGE CSY (CSY-LR)? CSY CSY-LR (D.Gryko i wsp.) (zakres widma: ppm)

21 CSY widmo fazoczułe 2 I sprzęŝenie pasywne sprzęŝenie aktywne CSY DQF-CSY (Double Quantum Filtered CSY) E.CSY: upraszczanie multipletów 2D Podobny efekt: β-csy

22 6 3 CSY ( 31 P - 31 P) 2 Me P Me 6 P 5 P 1 P 2 P P 4 Me P 3 Me Me 1 4 T.Claridge igh-resolution MR Techniques in rganic Chemistry, xford 1999

23 TCSY - Total Correlation Spectroscopy CSY korelacja δ atomów bezpośrednio sprzęŝonych, J() 0 (pary -, -, - ) relayed-csy korelacja δ pomiędzy jądrami bezpośrednio niesprzęŝonymi, ale sprzęŝonymi z trzecim jądrem, np. J() = 0, ale J() 0 i J() 0 Zasięg korelacji: zaleŝny od parametrów eksperymentu TCSY j.w., metoda bardziej efektywna CSY 90 o τ 90 o M TCSY 90 o "spin lock" τ czas mieszania ( mixing time ) ms spin lock = ujarzmianie spinów

24 C 2 5 TCSY - Total Correlation Spectroscopy C 2 1 CSY TCSY 30 ms TCSY 60 ms

25 ESY uclear verhauser Effect Spectroscopy RESY Rotating Frame verhauser Effect Spectroscopy (CAMELSPI) ESY 90 o 90 o 90 o τ czas mieszania ( mixing time ) RESY 90 o "spin lock" τ czas mieszania ( mixing time )

26 ESY uclear verhauser Effect Spectroscopy RESY Rotating Frame verhauser Effect Spectroscopy (CAMELSPI) Metody wykorzystują efekt verhausera (sprzęŝenia D) r < 0.5 nm, I cross ~ r -6, τ c b a a b I cross / I diag log ( ω τ ) ESY RESY ESY: Sygnał diagonalny : + Pozytywny E: - egatywny E: + Wymiana: + RESY: Sygnał diagonalny : + Sygnał RE: - Sygnał TCSY-RE: - Sygnał RE-TCSY: - Wymiana: +

27 ESY 90 o 90 o 90 o τ t m Czas mieszania 800 ms Czas mieszania 1400 ms

28 m ax eq ax ax m I AB / I XY = r AB -6 / r XY -6

29 C C C R C C R' C R'' wiązanie peptydowe R' R R'' Struktura I-rzędowa: sekwencja aminokwasów Struktura II-rzędowa: konformacja łańcucha Struktura III- i IV-rzędowa: budowa przestrzenna łańcucha S S S S

30 ddziaływania RE α CD (n = 6) β CD (n = 7) γ CD (n = 8) n S S β CD (n = 7) γ CD (n = 8) Ref:.-J. Schneider, Rec. Trav. Chim. Pay-Bas, 112 (1993) 412

31 1 MR ESY (2D) (Materiały f-my BRUKER)

32 EXSY Exchange Spectroscopy ( = ESY) b a a C 3 (a) C 3 (b) b EXSY / ESY Sygnał diagonalny : dodatni E: sygnał ujemny lub dodatni Wymiana: sygnał dodatni

33 R R Rh Rh Rh Rh Rh Rh R R Rh Rh * * * * * *

34 diag. E wymiana * *

35 widma typu ETCR (eteronuclear Correlation Spectroscopy) δ x (ppm) δ (ppm) XCRR (δ /δ x ) sprzęŝenia 1 J(X) obserwacja X CLC (δ /δ X ) sprzęŝenia n J(X) obserwacja X SQC (δ /δ X ) sprzęŝenia 1 J(X) obserwacja MQC (δ /δ X ) sprzęŝenia 1 J(X) obserwacja MBC (δ /δ X ) sprzęŝenia n J(X) obserwacja ESY (δ /δ X ) sprzęŝenia D (E) obserwacja X

36 Dwie koncepcje rejestracji widma korelacyjnego X- 1 Przykład: sekwencja XCRR 180 o 90 o 13 C 1 90 o 90 o τ + 1 / 2J CPD τ 1 τ 2 τ 4 τ 3 Widmo 13 C MR + informacja o 1 MR bserwacja 13 C (pomiar wprost ) Podobna technika: CLC Przykład: podstawowa sekwencja MQC 90 o 180 o 1 13 C 90 o 90 o τ CPD t τ 1 τ 2 τ 4 Widmo 1 MR + informacja o 13 C MR bserwacja 1 (pomiar odwrotny ) Podobne techniki: SQC, MBC τ 3

37 Korelacja 13 C- 1 (X- 1, X-Y) róŝne techniki XCRR CLC X Correlation obserwacja częstości 13 C, (obserwacja wprost ). Sekwencja optymalizowana na 1 J( 13 C- 1 ) Correlation via Long Coupling obserwacja częstości 13 C, (obserwacja wprost ). Sekwencja optymalizowana na n J( 13 C- 1 ) SQC MQC MBC eteronuclear Single Quantum Coherence obserwacja częstości 1 (obserwacja pośrednia ). Sekwencja uŝywana do 1 J( 13 C- 1 ) eteronuclear Multiple Quantum Correlation obserwacja częstości 1 (obserwacja pośrednia ). Sekwencja uŝywana do 1 J( 13 C- 1 ) eteronuclear Multiple Bond Correlation obserwacja częstości 1 (obserwacja pośrednia ). Sekwencja podobna do MQC, uzupełniona o filtr sygnałów korelacyjnych 1 J. Sekwencja optymalizowana na n J( 13 C- 1 ) PowyŜsze sekwencje występują w wielu wariantach. GSQC, GMBC sekwencje wykorzystujące technikę gradientową. MoŜna otrzymać widma typu 13 C- 1, ale równieŝ X- 1 (np. 15-1, 103 Rh- 1,...) i X-Y (np. 103 Rh- 31 P,...).

38 Wielkość fizyczna wykorzystywana w technikach ETCR: n J(X-Y), najczęściej n J( 13 C- 1 ) Pomiar jest optymalizowany na określoną wartość n J, a więc wynik pomiaru i wygląd widma zaleŝy od trafnego doboru wartości J!!! W przypadku korelacji 1-13 C konieczne jest wykonywanie dwóch eksperymentów, jeden optymalizowany na sprzęŝenie 1 J, drugi na sprzęŝenie n J. W skrajnych przypadkach trzeba wykonać kilka pomiarów!!! Widma korelacyjne optymalizowane na n J są często niejednoznaczne!!! W przypadku pomiarów techniką odwrotną naleŝy z widma usunąć sygnały izotopomerów 12 C- 1, które są sto razy silniejsze niŝ mierzone sygnały izotopomerów 13 C- 1. Techniki te wymagają starannej regulacji aparatu (strojenie sondy, kalibracja). Widmo typu ETCR moŝna obrócić o 90 o.

39 Korelacja 13 C- 1 optymalizowana na 1 J( 13 C- 1 )

40 Korelacja 13 C- 1 optymalizowana na n J( 13 C- 1 )

41 Korelacja 13 C 1 (SQC) opt. 1 J( 13 C- 1 ) C 2 5 C 2 1

42 Korelacja 13 C 1 (SQC) opt. 1 J( 13 C- 1 ) m ax eq ax eq eq ax m ax eq

43 1 2 Korelacja 13 C 1 (SQC) opt. 1 J( 13 C- 1 ) 3 1, C 2 2 C 3 C 3 CDCl C 2 1, K 233 K

44 1 Korelacja 13 C 1 (SQC) opt. 1 J( 13 C- 1 ) 3 CDCl K 303 K 1 C 3 C 2 1, , C 2 2 3

45 Korelacja 13 C- 1 MQC / MBC C C S C optymalizacja 1 J( 13 C- 1 ) optymalizacja n J( 13 C- 1 )

46 Kamfora: korelacja 13 C- 1 optymalizowana na 1 J( 13 C, 1 )

47 Czułość pomiaru: 13 C s (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/

48 ( 15, 1 ) SQC opt. n J Pomiar wprost : roztwór M, probówka 10 mm, czas pomiaru rzędu godzin Pomiar inverse : roztwór 0.04 M, probówka 5 mm, pomiar ok. godziny Zysk czułości: 300 razy (10 razy w porównaniu z IEPT)

49 Korelacja 57 Fe- 31 P sprzęŝenia z 1 usunięte obserwacja 31 P ( inverse ); wzrost czułości: 556 razy C Fe Ph 3 P 57 Fe 31 P T.Claridge igh-resolution MR Techniques in rganic Chemistry, xford 1999

50 Eksperymenty hybrydowe C C CSY n J( 1-1 ) TCSY n J( 1-1 ) pośrednie korelacja X- 1 n J(X- 1 ) MBC/SQC-TCSY n J( 1-13 C) pośrednie DEPT-SQC edycja 13 C (C i C 3 inny znak niŝ C 2 )

51 ESY eteronuclear 2D E Spectroscopy Widmo korelacyjne 13 C- 1 (X- 1 ); korelacja poprzez oddziaływania E 2 31 P / 15% D P P P 2 C 2 C 2 adenina ( 8) C.Yu, G.Levy, JACS 105 (1983) C 1 n-c CCl 4 n-c CS 2 korelacja CCl 4 (CS 2 ) z Cd 1 Cd(Ac) korelacja Cd- 2 i Cd-C 3.Seba, B.Ancian, J.Magn. Reson., 84 (1989) 177

52 Widma 2D róŝne

53 Widmo 1 MR dwukwantowe m ax ax eq eq eq ax ax m eq δ + δ (Widmo optymalizowane na J = 10 z)

54 Widmo dwukwantowe 13 C 13 C : IADEQUATE 2D b c d C 2 e f C 2 a δ C + δ C δ C

55 Widmo 13 C 13 C : IADSYM 2D c d b f C 2 e C 2 a

56 Widma wielowymiarowe t A(t) / A(ν) widmo 1D τ t A(t, τ) / A(ν, ν) widmo 2D τ 1, τ 2, τ 3,... τ1 τ2 t A(t, τ1, τ2) / A(ν, ν, ν) widmo 3D τ1 1, τ2 1, τ2τ 2,... τ1 2, τ2 1, τ2τ 2,... Analogicznie: widmo 4D i nd

57 MQC-CSY SQC-TCSY 3D MBC,C,P-correlation

58 τ1 τ2 t A(t, τ1, τ2) / A(ν, ν, ν) widmo 3D τ1 1, τ2 1, τ2τ 2,... τ1 2, τ2 1, τ2τ 2,... Widmo 1D: D1 0 2 sek., AQ 5 sek. Widmo 2D: D1 2 sek., AQ 0.25 sek. 2D: 256 inkr. x 2.25 sek. = 10 min. 3D: 256 inkr. x 256 inkr. x 2.25 sek. = 41 godz. 4D: 437 dni 5D: 300 lat