ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 ZAAWANSOWANE METOY USTALANIA BUOWY ZWIĄZKÓW ORGANIZNY Witold anikiewic Instytut hemii Organicnej PAN ul. Kaspraka 44/52, Warsawa Semestr imowy 2017/2018 MAGNETYZNY REZONANS JĄROWY (NMR) Prypomnienie podstaw fiycnych NMR ora pregląd najważniejsych dla chemików organików metod pomiarowych 2

2 POZIĘKOWANIE ęść rysunków wykorystanych w niniejsym wykładie pochodi a godą Autora materiałów do wykładu pt. Zaawansowane techniki NMR w chemii organicnej prowadonego pre prof. Jarosława Jaźwińskiego w ramach Studium oktoranckiego w Instytucie hemii Organicnej PAN w Warsawie. Prof. J. Jaźwińskiemu składam w tym miejscu podiękowanie a powolenie na wykorystanie tych materiałów w moim wykładie. la ainteresowanych: pełne materiały do w/w wykładu są dostępne na stronie WWW IhO PAN: 3 Jedna pierwsych prac, w której aobserwowano presunięcie chemicne w widmie 1 NMR To samo, pół wieku później... J. hem. Phys. 1951, 19,

3 Obecnie techniki NMR potrafią już dużo więcej O widmo 1 NMR O O O O N O O O O O O O O O Paclitaxel (lek preciwnowotworowy) 5 Spektrometria magnetycnego reonansu jądrowego (NMR) fale radiowe mikrofale IR VIS UV X γ NMR m Zakres cęstości: M (najcęściej M) Zakres długości fal: 5 0,3 m 6

4 Spin jądrowy - spinowa licba kwantowa Spinowe licby kwantowe jąder I w ależności od masy atomowej i licby atomowej I Licba masowa Licba atomowa Prykłady jąder Licba połówkowa nieparysta parysta lub nieparysta ( ) B( 2 ) 6( 2 ) 7 N( 2 ) ( ) F 31 1 O( ) Si( 2 ) 15 P( 2 ) Licba całkowita parysta nieparysta 2 (1) B(3) 7 N(1) Zero parysta parysta 12 (0) O(0) 16S(0) Licba masowa Licba atomowa ( ) Spinowa licba kwantowa 7 Które pierwiastki można mieryć metodami NMR? e Li Be B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb 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 Nd Pm Sm Eu Gd Tb y o Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr Łącnie 120 iotopów aktywnych w NMR pierwiastki posiadające co najmniej jeden iotop o spinie 1/2 pierwiastki posiadające co najmniej jeden iotop o spinie > 1/2 pierwiastki posiadające wyłącnie iotopy nieaktywne w NMR (spin 0) pierwiastki promieniotwórce 8

5 Spin jądrowy Spinowa licba kwantowa jądra I: 0, 1/2, 1, 3/2, 2,... moment magnetycny, P moment pędu, współcynnik magnetogirycny (giromagnetycny), m I magnetycna licba kwantowa N μ P 2 x y m I = I, I 1, I 2,..., -I (I licba spinowa) ałkowita licba stanów spinowych jądra = 2I + 1 la protonu I = ½ cyli są tylko 2 stany spinowe: S ½ ½ Proton jest więc dipolem magnetycnym o dwóch możliwych orientacjach. Odpowiadają im funkcje własne α i β. 9 Jądro o spinie ½ w polu magnetycnym E 0 B0 E 2B I 0 ½, ½, B 0 Model uproscony: w recywistości nie wsystkie spiny ustawiają się równolegle do linii sił pola, a jedynie pojawia się prewaga wypadkowego momentu magnetycnego skierowanego godnie liniami pola. B 0 indukcja magnetycna (wyrażana w teslach T) 10

6 Jądro o spinie ½ w polu magnetycnym Różnica energii stanów i jądra o spinie ½ w polu magnetycnym: E B0 2B I 0 Ponieważ: i ½γ 2 ęstość reonansowa jądra o spinie ½ w polu magnetycnym: 2π B 0 11 Jądro o spinie ½ w polu magnetycnym Zależność różnicy obsadeń stanów i w ależności od wartości indukcji pola magnetycnego: la jąder 1 i T = 300 K (pokojowa temperatura pomiaru): B 0 [T] [M] N w /N n (N n N w )

7 Precesja jądra o spinie ½ w polu magnetycnym rut wektora na oś : wielkość nieależna od casu ruty wektora na osie x i y: ~sin(t) i ~cos(t) B o - ½ h / 2 x x y y L L ½ h / 2 precesja Larmora L = B o L = (2B 0 - cęstość Larmora 13 Próbka makroskopowa (~ jąder atomów) B o x x y y Obie orientacje momentu magnetycnego są obsadone prawie tak samo niewielką prewagą orientacji godnej kierunkiem wektora B 0 tylko ta nadmiarowa licba protonów jest istotna punktu widenia spektroskopii NMR. 14

8 Wbudona próbka makroskopowa B o M wektor namagnesowania, M składowa wektora magnesowania, M xy składowa wektora namagnesowania w płascyźnie xy M M x Końce wektorów M i M xy wirują prędkością kątową L M xy B ef y Spektrometr rejestruje sygnał generowany pre M xy (w płascyźnie xy) Opis makroskopowy: wychylenie wektora M położenia równowagi i pojawienie się składowej M xy Opis mikroskopowy: miana obsadeń poiomów energetycnych uporądkowanie spinów (spójność faowa) 15 Rejestracja widma NMR popre premiatanie cęstotliwością Pole B 1 jest generowane promieniowaniem elektromagnetycnym o cęstotliwości radiowej 1. = 2 1 B ef = B o B o inne niż L B o x y B ef B 1 bliżone do L B 1 + B 0 pole wypadkowe B ef = L reonans B ef 16

9 Rejestracja widma NMR popre premiatanie cęstotliwością B o M G L dla 1 aburenie (M) 17 Odkrycie jawiska presunięcia chemicnego Rok 1950: pomiary reonansu jądra 14 N w N 4 NO 3 i obserwacja dwóch cęstości reonansowych - odkrycie jawiska presunięcia chemicnego L dla 14 N L dla 14 N (M) W. G. Proctor, F.. Yu; Physical Review, 1950, 77,

10 Presunięcie chemicne B B o B B W molekule umiesconej w jednorodnym polu magnetycnym jądra poscególnych atomów najdują się w różnych polach magnetycnych (jawisko ekranowania) Zmiany wynikające ekranowania ( 1 ): 0,0015% la spektrometru 11,7 T (cyli 500 M dla 1 ): ok Odległość Warsawa Radom: 100 km 0,0015% tej odległości: 1,5 m okładność aparatu NMR: ok. 2 cm 19 Presunięcie chemicne B ( ) B ( ) B ( ) L = B Jak mieryć poscególne sybkości precesji Larmora (cęstości) w próbce makroskopowej? Praktycna realiacja pomiaru: lata (Pierwse spektrometry 1 NMR 30 M) 20

11 Pomiar widma NMR metodą fali ciągłej (ontinous Wave -W) Metoda fali ciągłej: ciągła miana lub B o ( ~ B) Premiatanie cęstością: = f(t) Premiatanie polem: B o = f(t) as pojedyncego eksperymentu ( 1 ): kilka minut A Widmo: A = f() Spektrometr NMR 60 M (B 0 = 1,41 T) 21 y jest alternatywa dla pomiaru metodą fali ciągłej? 22

12 Eksperyment impulsowy NMR G B o O Amplituda t t B o Impuls prostokątny o cęstości o as trwania impulsu: rędu mikrosekund Widmo impulsu: o ± k ( = 1/t) G O t as pojedyncego eksperymentu ( 1 ): kilka sekund 23 Fala ciągła Nieskońcona fala ciągła ( monochromatycna ) Amplituda t [s] Widmo w diedinie cęstości Amplituda o [] 24

13 Widmo impulsu prostokątnego w diedinie cęstości Amplituda t t Amplituda o ± = k; ależy od długości impulsu; = 1/t krótki impuls = seroki akres wbudenia PW = 10 s = 1/PW = 1/(10-5 ) = s -1 = Zachowanie się jąder o spinie ½ w polu magnetycnym pod wpływem impulsu elektromagnetycnego x x x y y y impuls = + + x y x y 26

14 Analia sygnału transformacja Fouriera (FT) A = f(t) A = f() f ( ) f ( t) e 2it d FT A = f(t) A = f() FT A = f 1 (t)+f 2 (t)+f 3 (t) 27 Analia sygnału transformacja Fouriera (FT) A = f(t) A = f() f 1 (t) = A sin(at) f 2 (t) = exp(- t / T 2 ) FT Serokość połówkowa sygnału: 1/(T 2 ) f(t) = A sin(at) * exp(- t / T 2 ) 28

15 Analia sygnału transformacja Fouriera (FT) FI FT t widmo FI swobodny anik indukcji (Free Induction ecay) 29 Analia sygnału transformacja Fouriera (FT) L1 R FI L2-1 R L3 ( ) R3 t cęstości Larmora L cęstości różnicowe R FT Ze wględów technicnych od sygnału reonansowego L odejmuje się cęstość podstawową 1 : R = L - 1 i dopiero taki sygnał rejestruje się i poddaje transformacji Fouriera. R3 R2 widmo R1 [] 30

16 Relaksacja Relaksacja powrót próbki do stanu równowagi po wbudeniu relaksacja spin-sieć ( podłużna, T 1 ) relaksacja spin-spin ( poprecna, T 2 ) Istnieje pięć (?) mechanimów relaksacji spin-sieć 31 Relaksacja Relaksacja spin-sieć (podłużna): odtwaranie wektora M, powrót do równowagowego obsadenia poiomów energetycnych T 1 - cas relaksacji spin-sieć (sek.) M / T1 M M (1 e t ) 0 M wbudenie x y as, t Powrót próbki do stanu równowagi: 5T 1 relaksacja M E2 E2 E1 E1 32

17 Relaksacja Relaksacja spin-spin (poprecna): anik wektora M xy T 2 - cas relaksacji spin-spin (sek.) x y M xy M 0 / T e t 2 M xy M xy x y as, t x y E2 E1 E2 E1 33 FT NMR sumowanie widm Widmo 1 S N 2 (S/N) n = 50 S n N n 1/2 S/N n 1/2 (S/N) n /(S/N) 1 = 50/5 = 10 n = 10 2 = 100 n (S/N) 1 = 5 S wysokość sygnału, N średnia wysokość sumu, n licba widm 34

18 Presunięcie chemicne B 2 ( ) B 1 ( 1 ) B 3 ( 3 ) L = B Pole efektywne dla jądra 1: B eff = B 0 B 1 = B 0 1 B 0 = (1 1 ) B 0 - stała presłaniania A atem: 1 = 1 1 ) B 0 2 = 1 2 ) B 0 Stałe presłaniania są cechą budowy cąstecki i nie ależą od indukcji pola magnetycnego. Można je oblicać metodami chemii kwantowej. 3 = 1 3 ) B 0 35 Presunięcie chemicne skala Absolutne wartości cęstości reonansowych jąder w spektroskopii NMR ależą od indukcji pola magnetycnego B 0, która jest różna dla różnych spektrometrów (nie ma dwóch identycnych elektromagnesów). latego pomiary położenia sygnałów w NMR są awse wględne i wymagają pryjęcia położenia sygnału wybranego wiąku worcowego a równe 0. Wprowada się pojęcie presunięcia chemicnego : = ( 1 ref ) / ref Ponieważ 1 ref jest rędu tysięcy, a ref rędu kilkuset M pryjęto wyrażać wartość w cęściach na milion (ppm): [ppm] = ( 1 ref ) [] / ref [M] Wartość nie ależy od indukcji pola magnetycnego B 0. Worcem presunięcia chemicnego w widmach 1 i 13 NMR jest tetrametylosilan (TMS): 3 3 Si

19 Presunięcie chemicne skala Ze wględów obecnie historycnych skala presunięć chemicnych rośnie w lewo O O TMS Skala w ppm nieależna od cęstości spektrometru Skala w ależna od cęstości spektrometru PPM Widmo 1 NMR octanu metylu dodatkiem TMS ęstość spektrometru 500 M 37 Sprężenie spin - spin J Sprężenie spin - spin to oddiaływanie na siebie spinów dwóch jąder o nieerowej licbie spinowej. sprężenie skalarne J (sprężenie pośrednie) prenosi się pre wiąania sprężenie dipol-dipol (sprężenie bepośrednie) prenosi się pre prestreń Wielkość sprężenia jest nieależna od indukcji pola magnetycnego Wielkość sprężenia nosi nawę stałej sprężenia i jest wyrażana w hercach () Sprężenia J i są dodatnie lub ujemne! Uwaga na nak! od a do b od a do b!!! w tym drugim prypadku a może być równe 0!! 38

20 Sprężenie spin-spin Podstawowy mechanim sprężenia skalarnego spin - spin Wiąanie pojedynce () - Sprężenie 13 1 prenosi się popre elektrony wiąania -. Pokaane są konfiguracje spinów jądrowych: o niżsej energii spiny antyrównoległe i o wyżsej energii - równoległe. E J 39 Sprężenie spin-spin SPRZĘŻENIE SKALARNE (POŚRENIE) J Stała sprężenia J może być dodatnia lub ujemna. Wartość bewględna J: typowe wartości awierają się w prediale od 0 do ok. 200 (0 do 20 dla sprężeń -). Sprężenie J składa się cterech cłonów eksperymentalnie nieroróżnialnych, ale istotnych w prypadku obliceń teoretycnych. Sprężenie J jest funkcją struktury elektronowej atomów i współcynników magnetogirycnych obu jąder. Sprężenia J nie obserwuje się pomiędy jądrami równocennymi magnetycnie, cyli o identycnym otoceniu w cąstecce (tym samym presunięciu chemicnym). Sprężenie J sybko maleje e wrostem licby wiąań oddielających sprężone jądra. W praktyce obserwuje się sprężenia pre nie więcej niż 3 wiąania; bardo radko pre 4 lub 5 wiąań, ale są one awycaj bardo słabe ( J < 2 ). Sprężenie J obserwuje się tylko wtedy, gdy oddiałujące na siebie jądra prebywają w danym stanie spinowym pre cas nie krótsy niż 1/J. 40

21 Sprężenie spin-spin Proton grupy O nie spręga się protonami grupy 2 - e wględu na sybką wymianę: < 1/J 41 Sprężenie spin-spin Zapis sprężenia J pomiędy jądrami X i Y predielonymi n wiąaniami: n J(X, Y) 2 J(-) Prykład: 3 J(-) 1 J(-) 42

22 Sprężenie spin-spin SPRZĘŻENIE BEZPOŚRENIE Wielkość stałej sprężenia ależy od orientacji spręgających się atomów wględem pola magnetycnego ora od odległości r pomiędy atomami. W rotwore sprężenia uśredniają się do era i nie wpływają na strukturę multipletową widma. Sprężenia mają podstawowe nacenie w spektrometrii NMR ciał stałych. Sprężenia odgrywają istotną rolę w procesach relaksacyjnych (NOE). B o ~[3cos 2 () 1] r -3 = o = 0 43 Magnetycny reonans jądrowy 1 1 NMR Trwałe iotopy wodoru: 1 99,98% spin ½ 500,000 M (11,744 T) 2 () 0,02% spin 1 76,753 M (11,744 T) Widmo protonowe, 1 NMR: Położenie sygnałów (presunięcie chemicne, ppm) Worec: tetrametylosilan, Si( 3 ) 4 0 ppm Typowy akres presunięć chemicnych: 0 15 ppm Struktura sygnałów (krotność lub multipletowość, sprężenie spin-spin) Intensywność sygnałów, intensywność integralna ( całka ) 44

23 Licba sygnałów w widmie 1 NMR Równocenność (nierównocenność) atomów: równocenność chemicna równocenność magnetycna Licba nierównocennych chemicnie atomów (grup atomów) = licba sygnałów Nierównocenne atomy (grupy atomów) onaca się różnymi literami alfabetu uża różnica presunięć chemicnych = litery odległe w alfabecie Prykłady: układ AB układ AMX układ A 3 X 2 45 Równocenność / nierównocenność chemicna atomów Atomy wodoru (grupy atomów wodoru) są równocenne chemicnie wówcas, gdy podstawienie jednego nich (wsystkich atomów w grupie) innym atomem daje ten sam wiąek chemicny. W każdym innym prypadku są chemicnie nierównocenne. Presunięcia chemicne równocennych chemicnie atomów wodoru są jednakowe, presunięcia chemicne nierównocennych chemicnie atomów wodoru są awycaj różne. l X l X l l X l l atomy równocenne chemicnie atomy i nierównocenne chemicnie X 46

24 Równocenność / nierównocenność chemicna 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 wodoru w grupach 3 i 2 w wiąkach łańcuchowych są chemicnie równocenne ( uśrednienie presunięć chemicnych e wględu na swobodną rotację). Wyjątek: centrum stereogenicne obok grupy!!! W takiej sytuacji nieależnie od kąta obrotu otocenia chemicne atomów wodoru są różne. Są to diastereotopowe atomy wodoru, cyli podstawienie każdego nich prowadi do powstania innego distereoiomeru cąstecki. Spektroskopia NMR w faie ciekłej, w achiralnym środowisku, nie roróżnia enancjomerów, a roróżnia diastereoiomery. 47 Równocenność / nierównocenność magnetycna atomów Atomy wodoru są równocenne magnetycnie wówcas, gdy są one równocenne chemicnie i każdy nich spręga się w taki sam sposób innymi atomami w cąstecce. W każdym innym prypadku są magnetycnie nierównocenne. J O l J J para J orto J Atomy równocenne chemicnie i równocenne magnetycnie Atomy i równocenne chemicnie, ale nierównocenne magnetycnie 48

25 Równocenność / nierównocenność chemicna atomów Procesy sybkie / wolne w skali casu NMR Inwersja pierścienia cykloheksanu Konformacja kresłowa cykloheksanu k 1 k -1 aksjalne atomy wodoru ekwatorialne atomy wodoru 49 Zestawienie typowych wartości presunięć chemicnych 1 NMR 50

26 Prykładowe presunięcia chemicne 1 NMR (ppm) Elektroujemność podstawnika: F 3 -F l Br I O N( 3 ) S Li ( 3 ) 4 Si 0.00 Rąd wiąania: = Licba grup metylowych: ( 3 ) Licba heteroatomów: l l l Atom wodoru pry heteroatomie: O (alif.) 1 5 O (Ar) 4 10 O (kwas) 9 12 S 3 4 N Sprężenie pośrednie (skalarne) spin-spin sprężenie geminalne 2 J gem sprężenie wicynalne 3 J vic sprężenie dalekiego asięgu n J 2 J gem 2 J( 1-1 ) 1 J( 13-1 ) 3 J(5-6)!! Nawy sprężeń dotycą dwóch dowolnych jąder, nie tylko protonów!! 52

27 Geminalna stała sprężenia 2 J gem atom sp 3 2 J gem = (- 20) (+ 6) atom sp 2 2 J gem = (- 5) (+ 40) (- 12) (- 14) (- 11) (- 18) R X X = F N Li (- 3) (- 9) O N N 2 N R O N Wicynalna stała sprężenia 3 J vic Zależność Karplusa 3 J [] J = 8.5 cos (0 90 o ) 3 J = 9.5 cos ( o ) kąt [ o ] O

28 Wpływ stałych sprężenia na wygląd widma Widma NMR dielą się na widma pierwsego i drugiego rędu. W widmach pierwsego rędu: >> J; brak atomów równocennych chemicnie, a nierównocennych magnetycnie; sprężenia pomiędy atomami chemicnie równocennymi nie wpływają na krotność (multipletowość) sygnałów; np. sygnał grupy 3 jest singletem; nak stałej sprężenia nie wpływa na strukturę multipletu; i J można odcytać wprost widma. W widmach drugiego rędu: J, i / lub są atomy równocenne chemicnie, a nierównocenne magnetycnie; sprężenia pomiędy atomami chemicnie równocennymi i nak stałej sprężenia wpływają na strukturę sygnałów; trudna analia multipletów, nie można odcytać wartości i J wprost widma. 55 Konstrukcja multipletów różne stałe sprężenia J = 3 x 10 J = 10, 5 i 2 2 J = 10 i 2 x

29 Widma 1 NMR drugiego rędu J J widmo I-go rędu AX x y AM widmo pośrednie efekt daska b J widmo II-go rędu J AB a a*b x y 0 x = 0 /2 y = 0 + /2 57 Magnetycny reonans jądrowy węgla NMR % spin 0 nieaktywny w NMR % spin ½ M ( T) 58

30 Spektroskopia 13 NMR: podstawowe cechy worec: sygnał 13 tetrametylosilanu (TMS) (0 ppm); worce wtórne : l ppm, MSO-d ppm, benen-d ppm, aceton-d / ppm, metanol-d ppm...; ropuscalniki: deuterowane; można używać miesanin ropuscalnikami niedeuterowanymi; akres presunięć chemicnych: ppm; krotność (multipletowość) sygnału: ależna od techniki pomiaru; typowe widmo 13 NMR: sprężenia J( 13-1 ) usunięte pre odspręganie; poostają inne sprężenia, np. 2, 19 F, 31 P...; sprężenia J( ) powodu małej awartości iotopu 13 praktycnie nie mają wpływu na widmo; intensywność sygnału: aburona (długi cas relaksacji spin-sieć T1, do kilkudiesięciu sekund) nie można stosować integracji sygnałów w standardowych pomiarach. 59 Zestawienie typowych wartości presunięć chemicnych 13 NMR 60

31 Typowy eksperyment 13 NMR widmo 13 NMR odsprężone, tj. be widocnych sprężeń kanał protonowy (500 M dla 11.4 T) 13 kanał węglowy (125 M dla 11.4 T) Odspręganie: stosuje się specjalne sekwencje impulsów na kanale protonowym, które naśladują pakiet fal ciągłych o akresie cęstości pokrywającym akres presunięć chemicnych protonów (np , co odpowiada 20 ppm dla cęstości podstawowej M). Jest to równonacne indywidualnym naświetlaniem każdego protonu jego cęstością reonansową. 61 Prykładowe widmo 13 NMR odsprężone 62

32 Widmo 13 NMR sprężone cyli widocnymi sprężeniami 13-1 wa sposoby wykonania pomiaru: 13 be NOE 1 13 wykorystaniem Jądrowego Efektu Overhausera NOE: ok. 2-krotny wrost cułości pomiaru 63 Prykładowe widmo 13 NMR sprężone 13 (b) XA 3 M 2 XAMM NN Z (XAM 2 N 2 Z) XA 2 M 3 3 (d) (a) O (e) 3 2 O (c) XA 3 XA 3 M 2 64

33 Porównanie multipletowości sygnałów jąder 1 i 13 w grupie etylowej 1 NMR: triplet: sprężenia protonów grupy 3 protonami grupy 2 ; 3 J( 1-1 )) 3 13 NMR: kwartet: sprężenia atomu węgla grupy 3 protonami grupy 3 ; 1 J( 13-1 )) kwartet: sprężenia protonów grupy 2 protonami grupy 3 ; 3 J( 1-1 ) 2 X triplet: sprężenia atomu węgla grupy 2 protonami grupy 2 ; 1 J( 13-1 ) 65 istortionless Enhancement by Polariation Transfer (EPT) 66

34 Magnetycny reonans jądrowy innych jąder 67 Które pierwiastki można mieryć metodami NMR? e Li Be B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb 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 Nd Pm Sm Eu Gd Tb y o Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr Łącnie 120 iotopów aktywnych w NMR pierwiastki posiadające co najmniej jeden iotop o spinie 1/2 pierwiastki posiadające co najmniej jeden iotop o spinie > 1/2 pierwiastki posiadające wyłacnie iotopy nieaktywne w NMR (spin 0) pierwiastki promieniotwórce 68

35 ęstości reonansowe wybranych jąder w polu magnetycnym 11,744 T B 0 = T M Au 2 () 31 P 19 F 3 (T) N N iotopów o licbie spinowej różnej od 0 69 Sprężenia jądrem o spinie więksym niż 1/2 Spin ½ - dwie, spin 1 - try, spin 3/2 ctery możliwe orientacje wektora w polu magnetycnym itd. (N = 2I + 1) x x x y y y spin ½ (rut na oś : 1/2, -1/2) spin 1 (rut na oś : 1, 0, -1) spin 3/2 (rut na oś : 3/2, 1/2, -1/2, -3/2) 70

36 Sprężenia jądrem o spinie więksym niż 1/2 Jądro o spinowej licbie kwantowej I ma 2I + 1 stanów kwantowych, w wiąku cym roscepia sygnały sąsiednich jąder na 2I + 1 składowych o jednakowych natężeniach: I = ½ I = 1 Jeśli dane jądro X spręga się dokładnie w ten sam sposób jądrami różnych iotopów pierwiastka A, m Ai n A, to stosunek stałych sprężenia J(X- m A) i J(X- n A) jest równy stosunkowi współcynników magnetogirycnych tych iotopów: n J(X-A) / n J(X-B) = A / B Określenie dokładnie w ten sam sposób onaca to samo położenie jąder X i A w cąsteckach. W praktyce pojawiają się niewielkie odchylenia wiąane e sterycnym efektem iotopowym (miany kstałtu cąstecki spowodowane podstawieniem iotopowym) Na prykład: = 26, , = 4, Rad T -1 s -1 1 J(-) / 1 J(-) / = 6, Sprężenie jądra o spinie 1 jądrem o spinie ½ (sygnał 13 w l 3 i l 3 ) 1 J( 13-1 ) = 209,3 Widmo 13 be odspręgania J( 13-2 ) = 32,0 Jądro 2 ma licbę spinową I = 1 l 3 2I + 1 = 3 poiomy energetycne Widmo 13 odspręganiem 13-1 l 3 Roscepia sygnał sąsiedniego jądra na 3 składowe o stosunku intensywności 1:1:1 Efekt iotopowy (l 3 ) (l 3 ) = 0.2 ppm 1 J( 13-1 ) / 1 J( 13-2 ) = 209,3/32,0 = 6,54 / = 6,514 72

37 Sprężenie 1 J( 13-2 ) Magnetycny reonans jądrowy innych jąder Fluor 19 F Naturalna awartość: 100%, spin: 1/2, cęstość M ( T) Worec: Fl 3 (0 ppm) Typowy akres presunięć chemicnych: ppm ppm Sprężenia 1 mogą być usunięte pre odspręganie Fosfor 31 P Naturalna awartość: 100%, spin: 1/2, cęstość M ( T) Typowy akres presunięć chemicnych: ppm ppm. Sprężenia 1 mogą być usunięte pre odspręganie Aot 15 N Naturalna awartość: 0.36%, spin: 1/2, cęstość M ( T). Zakres presunięć chemicnych: ppm ppm ( 3 NO 2 = 0 ppm). Widmo: ostre sygnały, < 1, długi cas T 1 (kilka kilkaset sekund). Typowe warunki stanadardowego pomiaru: probówka 10 mm, kilkaset mg (!) substancji (rotwór M), kilkugodinny cas pomiaru. Obecnie można to robić dużo sybciej i dla mniejsych ilości substancji rejestrując dwuwymiarowe widmo 15 N- 1 MB. 74

38 Techniki dwuwymiarowe magnetycnego reonansu jądrowego 2 NMR W eptyn widmo 1 NMR

39 1-eptyn widma 13 NMR (odsprężone i EPT) EPT l 3 77 Jednowymiarowy eksperyment NMR (1 NMR) M y y x M x I ~ M FT t A(t 1 ) A(t 2 ) A(t 3 ) A(t n ) I( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) A = f(t) I = f() 78

40 Eksperyment 1 NMR powtórony m ray I ~ M o cas (s) cęstość () 1 2 m 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( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) I( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) : : : I( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) 79 Eksperyment NMR dwoma impulsami 90º i prerwą międy nimi 1 90 o 90 o t cas ewolucji ( evolution time ) 80

41 Eksperyment 1 NMR powtórony m ray e miennym casem 1 I ~ M o, cos c 1 Sekwencja impulsów systematycnie inkrementowanym casem ewolucji m cas t (s) cęstość () 1 2 m 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( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) I( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) : : I( 1 ) I( 2 ) I( 3 ) I( n ) A = f(t,) I = f() 81 Widmo 2 wymaga dwukrotnej transformacji Fouriera (s) t (s) A(t, ) t (s) (s) FI_FI (s) (s) A(, ) () () WIMO_FI A(, ) WIMO_2 W2 () () 82

42 Najcęściej stosowane rodaje widm 2 NMR 1-1 OSY (Orrelation SpectroscopY) Pokauje sprężenia pomiędy atomami wodoru w cąstecce służy do ustalania, które atomy wodoru są e sobą sprężone, cyli są blisko siebie w cąstecce SQ (eteronuclear Single Quantum oherence) Pokauje sprężenia 13-1 pre 1 wiąanie służy do ustalania, które atomy wodoru są wiąane danym atomem węgla MB (eteronuclear Multiple Bond orrelation) Pokauje sprężenia 13-1 pre 2 lub 3 wiąania służy do ustalenia, które atomy wodoru są w pobliżu danego atomu węgla. 1-1 NOESY (Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY) Pokauje sprężenia bepośrednie (dipolowe, popre prestreń) atomów wodoru w cąstecce służy do ustalania wajemnego położenia atomów wodoru w prestreni, cyli kstałtu cąstecki. 83 Radiej stosowane techniki 2 NMR 15 N- 1 MB (eteronuclear Multiple Bond orrelation) Pokauje sprężenia 15 N- 1 pre 2 lub 3 wiąania astępuje bardo casochłonny pomiar widma 15 N. 1-1 TOSY (TOtal orrelation SpectroscopY) Pokauje sekwencje sprężeń 1-1 służy do identyfikacji grup atomów wodoru wajemnie e sobą sprężonych. W niektórych prypadkach nieco łatwiejse w interpretacji od OSY. 1-1 ROESY (Rotation Frame Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY) modyfikacja techniki NOESY skutecniejsa w prypadku dużych cąstecek. OSY (iffusion-ordered SpectroscopY) technika pseudo-2 różnicująca położenie sygnałów w ależności od sybkości dyfuji cąstecek w ropuscalniku. Prydatna w chemii supramolekularnej. 84

43 Wykorystanie widm OSY do badania kapsuł molekularnych M. Grajda, M. J. Lewińska and A. Sumna Org. Biomol. hem., 2017, 15,