MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY WĘGLA C NMR. Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 C A.Ejchart, L.Kozerski, PWN, Warszawa 1988 (1981) 98%

Transkrypt

1 MAGNETYZNY REZONANS JĄDROWY WĘGLA NMR.% spin ½ Mz (.744 T) % spin 0 nieaktywny w NMR 3 2 O 98% 3 2 O 0.0% 3 2 O 3 2 O % % Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego A.Ejchart, L.Kozerski, PWN, Warszawa 988 (98)

2 Spektroskopia NMR: wzorzec: sygnał tetrametylosilanu (0 ppm) wzorzec wtórny : Dl ppm, DMSO-d ppm, benzen-d ppm, aceton-d / 205. ppm, metanol-d ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; moŝna uŝywać mieszanin z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi (!) zakres przesunięć chemicznych: ppm krotność (multipletowość) sygnału: zaleŝna od techniki pomiaru typowe widmo NMR: sprzęŝenia J( - ) usunięte przez odsprzęganie; pozostają inne sprzęŝenia, np. z 9 F, 3 P sprzęŝenia J( - ) z powodu małej zawartości izotopu praktycznie nie mają wpływu na widmo intensywność sygnału: zaburzona (NOE, długi czas T, do kilkudziesięciu sekund

3 Ilość sygnałów Y * X 3 3 X X X X X grupy metylowe równocenne (swobodna rotacja) grupy metylowe nierównocenne (związek chiralny) X F X X X Y Y Y O N 3 3 grupy metylowe nierównocenne (zahamowana rotacja)

4 Przesunięcie chemiczne (δ, ppm) efekt α efekt β efekt γ 4 ppm ppm ppm Zmiana przesunięcia chemicznego δ (ppm) (!!!) ε δ γ β α X F Elektroujemność / efekt cięŝkiego atomu l F 4 / F 3 / 2 F 2 / 3 F ppm Br l 4 / l 3 / 2 l 2 / 3 l ppm I Br 4 / 2 Br 2 / Br 3 / 3 Br 30-7 ppm OO 3 I / 2 I 2 / I 3 / I 4 (- 20) - (-295) ppm O

5 Wpływ hybrydyzacji atomu węgla (δ, ppm) Elektroujemność podstawnika ( δ δ, ppm) Grupy funkcyjne (δ, ppm) 5.9 β α X β α X O ppm F l Br I O 3 O N O S N ppm ppm 25-0 ppm Wpływ protonowania ( δ δ, ppm) N S N O 40-0 ppm 0-20 ppm Karbokation, (δ, ppm) ppm N 2 OO δ sól - δ amina δ sól - δ kwas

6 SprzęŜenia - Stała sprzęŝenia przez jedno wiązanie, J( - ) 06 z ( 3 ) 2 Mg 70 z 25 z 4 N 82 z 27 z 6 z 56 z z N N 208 z 59 z l 3 24 z 249 z z F sprzęŝenia - dalekiego zasięgu: 2 J (geminalne): od 0 do 60 z 3 J (wicynalne) do 0 z dla 3 J obowiązuje zaleŝność Karplusa dla związków aromatycznych J>> 3 J> 2 J> 4 J

7 Inne sprzęŝenia z J( - ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen 7.5 acetylen 2.4 cyklopropan n J( - ) 9 F (spin ½) J( 9 F- ) z n J( 9 F- ) 0 20 z 3 P (spin ½) J( 3 P- ) z n J( 3 P- ) 0 20 z kilka-kilkanaście z 2 (D) (spin ) J( - 2 ) = J( - ) / 6.5

8 Typowy eksperyment NMR - widmo NMR odsprzęŝone (z NOE) (bez NOE) Odsprzęganie: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x80 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x Techniki archaiczne: NBD (Noise Band Decoupling); BB (Broad Band Decoupling)

9 Naświetlanie Nieskończona fala ciągła ( monochromatyczna ) Amplituda zas, t fala ciągła: impuls o nieskończonej długości przenoszona częstość: ν o impuls: fala ciągła przez czas od µs do ms przenoszona częstość: pasmo ν o ± ν x fala ciągła: czasami moŝna zastąpić sekwencją impulsów przykład: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x80 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x

10 Efekt Overhausera (NOE) układ {} η.99 { } 0.5 log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o =.99

11

12 Widmo NMR sprzęŝone (widmo wysokiej rozdzielczości high resolution R) Dwa sposoby wykonania widma: (z NOE) (bez NOE)

13 XA 3 M 2 XAMM NN Z (XAM 2 N 2 Z) XA 2 M 3 3 O 2 3 O XA 3 XA 3 M 2

14 NMR: NMR: triplet: sprzęŝenia protonów grupy 3 z protonami grupy 2 ; 3 J( - )) 3 kwartet: sprzęŝenia atomu węgla grupy 3 z protonami grupy 3 ; J( - )) kwartet: sprzęŝenia protonów grupy 2 z protonami grupy 3 ; 3 J( - ) 2 triplet: sprzęŝenia atomu węgla grupy 2 z protonami grupy 2 ; J( - )

15

16 N 2 I

17 Widmo NMR: róŝne sposoby odsprzęgania D : fala ciągła (W) o małej mocy: selektywne odsprzęganie jednego protonu (heterodecoupling) selektywne naświetlanie jednego protonu badanie NOE { } Odsprzęganie częściowe: Single Frequency off-resonance Decoupling (SFORD) Noise off-resonance Decoupling (NORD) Obie te metody zastąpiono innymi technikami ałkowite usuwanie sprzęŝeń - : Broad Band Decoupling (BB) Noise Band Decoupling (NBD) Metody zastąpione obecnie technikami impulsowymi (np. PD)

18 NOE odsprzęganie dm = yyy NOE odsprzęganie brak NOE odsprzęganie dm = nny NOE brak odsprzęgania dm = yyn brak NOE brak odsprzęgania dm = nnn

19 Ilościowe widmo NMR i optymalizacja pomiaru D Widmo ilościowe: eliminacja NOE pełna relaksacja próbki (D = 5*T ; T = 2 3 s dla n, 30 s i więcej dla IV ) dodatek substancji przyśpieszającej relaksację ( relaksant, np. r(acac) 3 ) w ilości % molowo. Dodatek relaksanta uniemoŝliwia wiele innych pomiarów NMR, np. NOE! Widmo półilościowe : pomiar i porównywanie tylko sygnałów n Optymalizacja pomiaru NMR: puls 90 o i długi czas D silny sygnał, długi czas repetycji płaski puls (<90 o ) i krótszy czas D słabszy sygnał, krótszy czas repetycji optimum: kąt Ernsta Varian: polecenie ernst(t, pw90); przykładowo ernst(2) lub ernst(2,2.6)

20 Zastosowanie sprzęŝonego widma NMR: identyfikacja zasłoniętego sygnału i N N N D = 30 sek. D = 0.5 sek.

21 Spektroskopia NMR techniki specjalne

22 Eksperyment wieloimpulsowy OSY 90 o 90 o t t ADEQUATE 2D 22 impulsy + 3 impulsy gradientowe, o częstościach i, rozłoŝone w czasie. Sekwencja impulsów o określonych długościach ( kalibracja spektrometru) Odpowiedni program fazowy Precyzyjne rozłoŝenie w czasie impulsów Optymalizacja parametrów

23 Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) l 3 l 3 % 2 l 3 99% 500 Mz 25 Mz czułość: : = : > ~ exp(- E / kt )

24 SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion l selektywna zmiana obsadzenia poziomów (naświetlanie, lub sel. 90 o / 80 o ) NMR NMR NMR NMR : 5 : - 3

25 INEPT Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer 90 o x 80 o y 90 o y /4J /4J 80 o 90 o t 90 o S S 90 o /4J 80 o /4J R R J = 5 50 z /4J = ms (0%) J = 2 4 z /4J = ms (50%)

26

27 Trzy wersje eksperymentu INEPT INEPT refocused INEPT decoupled, refocused INEPT I NOE = I o ( + γ /2γ X ) = I o ( ± υ o /2υ ox ) I INEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox )

28 DEPT 90 o x 80 o y α +/-y optymalizacja: wartość J kąt α /2J /2J 90 o y 80 o x /2J +/- α = 45 o DEPT o DEPT 90 5 o DEPT 5 t 0 o 80 o

29 DEPT 90 DEPT 5 DEPT 45

30 INEPT Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer DEPT Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer 90 o x 80 o y 90 o y 90 o x 80 o y α +/-y /4J 80 o /4J 90 o /2J /2J 90 o y 80 o x /2J α = 45 o DEPT o DEPT 90 5 o DEPT 5 +/- t t Eksperymenty INEPT i DEPT konieczna znajomość stałej sprzęŝenia - (przed pomiarem!); problem w przypadku sprzęŝeń o małej wartości Zalety: wzrost czułości pomiaru (I / I o = 3.98) I NOE = I o ( + γ /2γ X ) = I o ( ± υ o /2υ ox ) I INEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox ) pomiar kontrolowany czasem T wodoru ( ), a nie węgla (D 2 s)

31 Alternatywa dla DEPT: Attached Proton Test (ATP) sekwencja SEFT (Spin Echo Fourier Transform) sekwencja ATP 90 o x 80 o y φ 80 o y 80 o y wzmocnienie sygnału: NOE, nie ma transferu polaryzacji czas repetycji określony czasem T dla

32 Pomiar stałej sprzęŝenia J( - ) inaczej (metoda inverse ) Para - stała sprzęŝenia J( - ) widoczna zarówno na widmie NMR jak i na widmie NMR lepiej mierzyć widmo NMR, niŝ NMR!!

33 satelity węglowe na widmie NMR 80 z 40 z l 3 izotopomer - (%) 24 z l 3 izotopomer - 2 (99%)

34 Widmo NMR R Widmo NMR Widmo NMR filtrowane (usunięte sygnały 2 - ) * * * *

35 Pomiar stałej sprzęŝenia J( - )

36 satelity węglowe na widmie NMR * zastosowanie filtru dwukwantowego * izotopomer - (0.0%) 36 z izotopomer - 2 (%) izotopomer 2-2 (99%) nieaktywny w NMR

37 Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment INADEQUATE 90 o 80 o y 90 o /4J /4J t Sekwencja impulsów usuwa sygnały izolowanych atomów (singlety) pozostawia sygnały par - (dublety) Do optymalizacji parametrów eksperymentu konieczna jest znajomość stałej sprzęŝenia -, a więc wielkości która ma być mierzona (!!!) 2 2

38 2 2 2 nieaktywny w NMR 2 2 sygnał odfiltrowany 2 dublet 2 dublet dublet dubletów

39 J( - ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen F 7 z b z a z b z a z 7.5 acetylen 2.4 cyklopropan 57 z 56 z odtwarzanie szkieletu węglowego n J( - ) kilka-kilkanaście z Li Li Li 37 z 6 z z 4.2 z N O z 42.3 z N l O F 26 z F F 293 z L.Krivdin, G.Kalabin, Progress in NMR Spectroscopy, vol. 2, pp , 989

40 Wykorzystanie w pomiarze stałych sprzęŝenia J( - ) X X X X Układ spinowy A 2 na widmie NMR sygnał (singlet) Problem: jak zmierzyć 3 J( - )? 3 sprzęŝenia: J( - ), 2 J( - ), 3 J( - ) Układ spinowy ABX lub AA X Widmo NMR: fragment AB (AA ) Widmo NMR: fragment X