Chiralność i spektroskopia MRJ Badanie procesów wymiany (Dynamic NMR, D NMR) Wyznaczanie stałej trwałości kompleksów Technika pomiarowa MRJ: impulsy

Transkrypt

1 Chiralność i spektroskopia MRJ Badanie procesów wymiany (Dynamic MR, D MR) Wyznaczanie stałej trwałości kompleksów Technika pomiarowa MRJ: impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

2 Chiralność i spektroskopia MRJ + = enancjomery (nierozróŝnialne przez MRJ) optycznie czysty reagent diastereoizomery (rozróŝnialne przez MRJ) ZróŜnicowanie enancjomerów: synteza pochodnych solwatowanie kompleksowanie (sól metalu) kompleksowanie (inkluzja) badanie w chiralnej fazie ciekłokrystalicznej D.Parker, Chem. Rev., 91 (1991) 1441 T.Wenzel, Discrimination of chiral compounds using MR spectroscopy (Wiley 2007)

3 dczynniki uŝywane do syntezy chiralnych pochodnych CDA Chiral Derivatizing Agent X S 2 Cl C 3 C C X = C 3, t-bu, CF 3, Cl d-camphor-10-sulfonyl chloride 2'-methoxy-1,1'-binaphtyl-2-carboxylic acid (MBC) CF 3 2 C 3 C 3 C 3 C C 3 C C 3 CF3 Mosher's acide, MTPA 2-amino-1-methoxymenth-8-ene

4 Chiralne odczynniki solwatujące CSA Chiral Solvating Agent CF 3 CF 3 CF 3 C 3 C Ph C 2 5 Ph Ph (C 3 ) C Cl Cl t-bu Ph P S 3 C Ph P S

5 dczynniki przesunięcia chemicznego CSR Chiral Shift Reagent CLRS Chiral Lanthanide Shift Reagents R R R Eu(pvc) 3 R = tbu Rh Rh R = C 3 Ph Pr(tfc) 3 R = CF 3 Yb(tfc) 3 R = CF 3 R R CF 3 3

6 R R Rh R Rh R R = C 3 CF 3 Ph Ph + Ph - Ph C 3 Tetrazol (rac.) + CSR Tetrazol (+) + CSR Tetrazol (rac.)

7 Chiralne kompleksy inkluzyjne Me Me Me F Cl Br Me + 2 C 2 C Me R C Me R' + 2 C 2 C Me

8 Wykorzystanie heteroatomu jako sondy 19 F MR δ = ppm C 3 X C 3 F C 3 F C F C X C X =, C, Br, I 195 Pt MR 31 P MR δ = ppm 77 Se MR δ = ppm R' Se R Cl P CR CR 199 g MR δ = 6 ppm F Cl P gcl Ph C 3 C C 3 δ = 10 ppm Cl 3 C + C 3 Cl Pt 2 Cl (S, S) (R, S) C C C R R'

9 Chiralność i spektroskopia MRJ Badanie procesów wymiany (Dynamic MR, D MR) Wyznaczanie stałej trwałości kompleksów Technika pomiarowa MRJ: impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

10 Wymiana chemiczna Me k Me Me Me R R Wolna wymiana: widoczne sygnały wszystkich form. Szybka wymiana: widoczne sygnały o uśrednionych przesunięciach chemicznych (δ obs = δ A *X A + δ B *X B ) Pośrednia szybkość wymiany: szerokie linie, kształt sygnału zaleŝny od temperatury próbki (kształt sygnału: f(δ A, δ B, T 2A, T 2B, k, k -1, p A, p B ) Pośrednia szybkość wymiany: δ [z] k J.Sandstrım, Dynamic MR Spectroscopy, Academic Press, London,1982

11 Badanie procesów wymiany (Dynamic MR, D MR) Wolna wymiana: widoczne sygnały wszystkich form. Badanie: widma typu EXSY (wersja 2D i 1D) Szybka wymiana: widoczne sygnały uśrednione Badanie: pomiary czasu relaksacji T 1 Pośrednia szybkość wymiany: analiza kształtu linii Ph Ph + - k + C 3 - C 3 Szybkość wymiany w punkcie koalescencji: k = (π δ) / 2^0.5 = 2.22 δ Pomiar temperatury próbki: Termometr metanolowy; δ Me δ = f(t) Termometr glikolowy ln(kt -1 ) = bt -1 + c # = b S # = 8.31(c ) G # = # - T S # J.Jaźwiński,.Staszewska-Krajewska, J.Mol.Structure, 687 (2004) 23

12 Chiralność i spektroskopia MRJ Badanie procesów wymiany (Dynamic MR, D MR) Wyznaczanie stałej trwałości kompleksów Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

13 Stała trwałości kompleksu 1:1 (MRJ, szybka wymiana) L + S = LS [LS] K = = [L][S] [LS] (L o LS)(S o LS) δ obs = X L δ L + X LS δ LS X L + X LS = 1 δ obs δ L = (δ LS δ L ) KL o + KS o [(KL o KS o ) 2 + 2KL o + 2KS o +1] 0.5 2KL o [L o ] wyjściowe stęŝenie ligandu [S o ] wyjściowe stęŝenie substratu [LS] stęŝenie kompleksu w mieszaninie [L] stęŝenie ligandu w mieszaninie [L] = [L o ] [LS] [S] stęŝenie substratu w mieszaninie [S] = [S o ] [LS] K stała trwałości kompleksu 1:1 X L, X LS ułamki molowe ligandu i kompleksu w mieszaninie X L = [L] / [L o ], X LS = [LS] / [L o ] δ L przesuniecie chemiczne L δ obs obserwowana zmiana przesunięcia chemicznego L przesuniecie chemiczne L w LS δ LS L.Fielding, Tetrahedron, 56 (2000) 6151

14 δ obs δ L = (δ LS δ L ) KL o + KS o [(KL o KS o ) 2 + 2KL o + 2KS o +1] 0.5 2KL o δ obs δ L Lo = 100K-1 L o = 10K -1 L o = 0.1K -1 S o /L o Wielkości nieznane: [LS], δ LS D obs = X L D L + X LS D LS (D LS D S ) (1/T 1 ) obs = X L (1/T 1 ) L + X LS (1/T 1 ) LS L.Fielding, Tetrahedron, 56 (2000) 6151

15 Stała trwałości kompleksu 1:1 (protonowanie) metoda endersona - asselbacha B + + = B + [B + ] K = [B] [ + ] δ obs = X B δ B + X B δ B p = pk + log δ B - δ obs δ obs - δ B X B + X B = 1 p [B o ] wyjściowe stęŝenie zasady [B + ] stęŝenie formy protonowanej w mieszaninie [B] stęŝenie zasady w mieszaninie [L] = [L o ] [LS] [ + ] stęŝenie jonu + w mieszaninie (moŝna zmierzyć jako p) K stała trwałości kompleksu 1:1 X L, X LS δ B δ obs δ B ułamki molowe zasady i formy protonowanej w mieszaninie X B = [B] / [B o ], X B = [B] / [B o ] przesuniecie chemiczne B obserwowana zmiana przesunięcia chemicznego przy zmianie p przesuniecie chemiczne B w B (przy duŝym nadmiarze kwasu, p = 1) δ B - δ obs δ obs - δ B pk δ (ppm) Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 C A.Ejchart, L.Kozerski, PW, Warszawa 1988 (1981) p

16 Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

17 Pulsy złoŝone (composite pulse) kompensacja niedoskonałości 90 o 88 o 90 o z y z 180 o x 180 o (y) = 90 o (y) 180 o (x) 90 o (y) y x z z z y y y 90 o (y) x 180 o (x) x 90 o (y) x

18 Impulsy selektywne selektywne wzbudzenie Impuls prostokątny o długości rzędu mikrosekund ( hard ): cały zakres 1 (13C) Fala ciągła (impuls o nieskończonej długości): jedna częstość νo Impuls prostokątny o długości rzędu milisekund ( soft ): zakres kilku kilkunastu z alf - Gaussian T.Claridge, igh-resolution MR Techniques in rganic Chemistry, xford 1999 Profil impulsu prostokątnego w dziedzinie częstoliwości

19 Szerokość wzbudzenia: długość impulsu (~ ms) Wielkość wzbudzenia: moc (amplituda) impulsu Selektywność: profil impulsu

20 C 2 5 C D sel-csy

21 krótki czas naświetlania: truncated driven E (TE) długi czas naświetlania: steady state E selektywny impuls 180 o : transient E 180 o 90 o DPFGSE E

22 C 2 5 C 2 1

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

24 Technika pomiarowa MRJ: impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

25 hν emisja spontaniczna (nieefektywna w MRJ) emisja wymuszona czas korelacji τ c : miara ruchliwości cząsteczki czas obrotu cząsteczki o 1 radian Poruszająca się molekuła generuje fale elektromagnetyczne log (T 1 ) log (τ)

26 Pomiar czasu relaksacji T 1 (metoda odwrócenia i powrotu, Inversion Recovery, IRFT) 180 o 90 o τ t z z z z τ 1 τ 2 τ 3 I obs = A + B exp (- τ / T 1 ) τ 4 czas τ

27 Wykorzystanie czasu T 1 log (T 1 ) C 2 CC 2 C 3 [ C 2 ] n a + log (τ) n = 4, 6, 8 Czas relaksacji T 1 (sek.) wolny ligand kompleks z a C 3 C 2 a C [ C 2 ] C C 3 C

28 Me Me k Me Me powrót do stanu równowagi: 180 o ~ exp(- 1/T 1 ) sel 180 o powrót do stanu równowagi: ~ exp(- 1/T 1-2k) Int. czas

29 Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

30 Pomiar czasu relaksacji T 2 metodą echa spinowego 90 o 180 o τ τ t z z z z z y y y y τ y x 90 o τ 180o x x x x echo spinowe Zanik sygnału w płaszczyźnie xy: relaksacja spin-spin (T 2 ) niejednorodność pola magnetycznego w sondzie (kompensowana przez echo ) procesy dyfuzji I obs ~ A exp(- 2τ / T 2 ) exp(- adτ 3 ) intensywność sygnału: I obs ~ A exp(- 2τ / T 2 )

31 Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

32 Działanie impulsu niejednorodnego pola magnetycznego 90 o G -G

33 Usuwanie zbędnego sygnału z widma (sel.) G - G z z z z y x y 90 o G - G x y x y x sel 180 o z y z y x x

34 Badanie procesów dyfuzji Pulsed Gradient Spin Echo, PGSE τ τ δ G t δ G τ, t const δ - zmienny Zanik sygnału: wywołany dyfuzją molekuł Udział relaksacji T 2 : taki sam dla wszystkich eksperymentów I obs ~ A exp(- a D δ 2 )

35 Szybkości dyfuzji jako dowód kompleksowania F Cl Br mała cząsteczka duŝa szybkość dyfuzji Me Me Me duŝa cząsteczka mała szybkość dyfuzji Me Me F Br Cl Me duŝa cząsteczka mała szybkość dyfuzji

36 Widmo pseudodwuwymiarowe: DSY (Diffusion rdered Spectroscopy) K.Morris, C.Johnson, JACS 115 (1993) 4291

37 Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

38 Molekuła w polu magnetycznym Ekranowanie jądra atomu: elipsoida o trzech róŝnych osiach, σ xx, σ yy, σ zz Ekranowanie jądra (przesunięcie chemiczne) zaleŝy od orientacji elipsoidy w polu magnetycznym ( anizotropia przesunięcia chemicznego ) Pomiar w cieczy: σ = (σ xx + σ yy + σ zz ) / 3

39 B o X X Jądra równowaŝne krystalograficznie: te same wartości σ xx, σ yy, σ zz, moŝna przekształcić jedną elipsoidę w drugą operacją symetrii; Jądra równowaŝne magnetycznie: moŝna przekształcić jedną elipsoidę w drugą operacją translacji lub inwersji; ekranowanie jąder zmienia się tak samo w czasie obrotu kryształu jądra nierównowaŝne magnetycznie: ekranowanie inne dla obu jąder w zaleŝności od orientacji kryształu

40 Pomiar MRJ monokryształu usunięcie oddziaływań dipol dipol (np. metodą impulsową) pomiar przesunięcia chemicznego dla róŝnych orientacji kryształu analiza wyników: określenie wartości σ xx, σ yy, σ zz (elipsoidy ekranowania) określenie orientacji elipsoidy względem osi kryształu Postępy w zastosowaniu technik magnetycznego rezonansu jądrowego w chemii Praca zbiorowa pod red. L.Sobczyka, Warszawa, PW 1984

41 Widmo proszkowe MRJ Proszek: zbiór monokryształów, chaotycznie zorientowanych. Pomiar: usunięcie oddziaływań dipol dipol, pomiar przesunięcia chemicznego σ xx σ yy σ zz σ xx = σ yy σ zz Wynik: wartości stałych ekranowania σ xx, σ yy, σ zz. Utrata informacji o orientacji elipsoidy w krysztale. dublet Pake a uclear Magnetic Resonance Concept and Methods, D. Canet, John Wiley & Sons, 1991

42 Widmo wysokiej rozdzielczości w ciele stałym Pomiar: Usunięcie oddziaływań dipol dipol Usunięcie anizotropii przesunięcia chemicznego B o α Metody: D ~ [3cos(α) 1] (r -3 ) specjalne sekwencje impulsów wirowanie pod kątem magicznym (kąt 54 o 44,1, wirowanie z szybkością rzędu kilku kilkunastu kz) efektywna technika: CP MAS MR (Cross Polarization Magic Angle Spinning) spektroskopia 2D MR w ciele stałym: moŝliwa, trudna w optymalizacji, potrzebny dobry spektrometr Zastosowania: Badanie substancji nierozpuszczalnych ZamraŜanie procesów dynamicznych Badanie form polimorficznych C 3 CDCl 3 15 CPMAS (233 K) Przesunięcia 15 (C ppm) - 138

43 + S 15 CP MAS MR 13 C CP MAS MR (Widma: dr B. Kamieński) Szerokości sygnałów: z (ciecz ca. 1 z)

44 Widmo MRJ w fazie ciekłokrystalicznej Pomiar: ciecz faza ciekłokrystaliczna Układ AX: dublety, J AX dublety, J AX + 2D AX Układ A 2 : singlet dublet, 3D AA Jądro o spinie ½: singlet multiplet, C Q Wartość D: zaleŝna od orientacji cząsteczki względem B o i odległości między atomami Wartość C Q : zaleŝna od orientacji cząsteczki względem B o i sprzęŝenia kwadrupolowego F 2 (I = 1) 17 (I = 5/2) uclear Magnetic Resonance Concept and Methods, D. Canet, John Wiley & Sons, 1991

45 Technika pomiarowa MRJ : impulsy złoŝone i selektywne Czas relaksacji T 1 Czas relaksacji T 2 Technika gradientowa i jej zastosowania Usuwanie sygnału rozpuszczalnika Procesy dyfuzji, DSY MRJ w fazie stałej i ciekłokrystalicznej brazowanie MRJ

46 brazowanie MRJ (Imaging) B o B o B o + xb δ (ppm) x (cm) A=f(ν) A=f(x) G

47 brazowanie MRJ (Imaging) B o + xb δ (ppm) x (cm) G G G Pomiar typu 2D: róŝne czasy trwania gradientu czerwonego FID 2D zawiera informacje o obu wymiarach

48 brazowanie MRJ (Imaging) ( 1, 19 F, 31 P) Zastosowania obrazowania: medycyna (zastępuje promienie X) mikroskopia MRJ badanie Ŝywności (woda/olej w ziarnach, owocach,... badanie materiałów porowatych badanie struktury tworzyw sztucznych badanie uszkodzeń i pęknięć dyfuzja w ciele stałym (kosmetyka!) C 6 F 6

49 Trzy zastosowania zjawiska MRJ na zakończenie MRJ w ziemskim polu magnetycznym (Earth s field MR, EFMR) 1 : ok. 2 kz 1 ppm ok z J(,) od 0 do 42 z "mechanically detected MR" (Magnetic Force Microscopy, MFM). estle, A. Schaff, W.S. Veeman, Progress in uclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 38 (2001) 1-35 komputer kwantowy bit: 1 lub 0 bit kwantowy (kubit) 1 α + 0 β 13 C MR Quantum Information Processing, I. S. liveira i inni, Elsevier, 2007

50 MRJ szumów : rejestracja sygnału nie wzbudzonej próbki z z. Müller i inni: J. Magn. Reson., 2012, 224, 78; J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 3853

51 KIEC