Zastosowanie spektroskopii NMR do badania związków pochodzenia naturalnego

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Zastosowanie spektroskopii NMR do badania związków pochodzenia naturalnego"

Daniel Kaczor
6 lat temu
Przeglądów:

1 Zastosowanie spektroskopii NMR do badania związków pochodzenia naturalnego

2 Literatura W. Zieliński, A. Rajcy, Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, A. R. Silverstein, F. Webster, D. Kiemle, Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, A. Ejchart, A. Gryff-Keller, NMR w cieczach. Zarys teorii i metodologii, Wydawnictwo: OWPW, A. Ejchart, L. kozerski, Spektrometria magnetycznego rezonansu jadrowego 13C, PWN, Gunther, Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, PWN, K. ausser,. Kalbitzer, NMR w biologii i medycynie, Wydawnictwo Naukowe UAM, 1993.

3 Dipolowy moment magnetyczny: µ = γ P = γħi γ [rad/(t s)] JĄDROWY WSPÓŁCZYNNIK MAGNETOGIRYCZNY P - SPINOWY MOMENT PĘDU ħ = h/2π, gdzie h stała Plancka I tzw. spin jądrowy Liczba masowa Liczba atomowa Spin jądrowy, I Przykład jądra nieparzysta parzysta lub nieparzysta 1/2, 3/2, 5/2 I = 1/2: 1, 13 C, 31 P, 19 F, 15 N parzysta parzysta 0 12 C, 16 O parzysta nieparzysta 1, 2, 3 I = 1: 14 N, 2

4 Liczba dozwolonych orientacji względem pola magnetycznego dla izolowanego jądra: B 0 N = 2I + 1 rzut spinu na kierunek wektora B 0 I z = m I m I MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA m I = -I, -I+1,,I-1, I

5 jądra o I = 1/2, np. 1

6 E = µ z B 0 = γħm I B 0 Dla jąder 1 (I = ½): m I = +1/2 i m I = -1/2 E α = -1/2γħB 0 E β = +1/2γħB 0 E =ħγ B 0 = (h/2π)γ B 0 oraz E = hν (h/2π)γ B 0 = hν ν = (1/2π) γ B 0 = ν L

7 Precesja Larmora prędkość kątowa, ω 0 ω 0 = 2πν L = γb 0 Precesja Larmora magnetycznego momentu jądrowego µ B 0 ω µ

8 Jądra 1 (I = ½) z M B 0 Prawo Boltzmanna: N α /N β = exp(- E/k B T) 1 ħγ B 0 /k B T k B stała Boltzmanna

9 z z M B 0 y y x x z z B 0 M z M B 1 y M y y x x

10 W wirującym układzie współrzędnych

11 Jądro Spin I Zawartość naturalna [%] Częstotliwość rezonansowa [Mz] (Bo=2,3488 T) Współczynnik magnetogiryczny γ [10 7 rad T -1 s -1 ] 1 ½ 99,98 100,000 26, ,016 15,351 4, C 0 98, C ½ 1,108 24,144 6, N 1 99,63 7,224 1, N ½ 0,37 10,133-2, O 0 99, O 5/2 0,037 13,5 3, F ½ 100,00 94,077 25, Si ½ 4,70 19,865-5, P 1/2 100,00 40,481 10,841

12 1 NMR

13 indukowane pole magnetyczne B ω 0 = 2πν L = γb 0 cyrkulacje elektronowe przesłanianie = ekranowanie B 0 B ef = B o B = B o σb o σ - stała ekranowania

14 prąd kołowy indukowane pole B (+) B 0 (-) (-) (-) odsłanianie (+) (+) przesłanianie

15 δ = 7-8 ppm C + δ = 5-7 ppm + C 3 C 3 3 C + δ = 9-10 ppm + O + δ = 2-3 ppm C 3 + (+) przesłanianie

16 odsłanianie przesłanianie w dół pola w górę pola Źródła ekranowania

17 DEFINICJA SKALI WIDM 1 NMR TMS = Si(C 3 ) 4 Przesunięcie chemiczne, δ Różnica przesunięcia chemicznego, δ

18 Jądro Wzorzec przesunięcia chemicznego (δ = 0,0 ppm) 1 Me 4 Si 13 C Me 4 Si 14 N MeNO 2 lub NO 3 15 N MeNO 2 lub NO 3 17 O 2 O 19 F CCl 3 F 29 Si Me 4 Si 31 P 85% 3 PO 4 33 S CS 2 or SO 4 2 δ = 0,0 ppm 1 i 13 C DSS (kwas 2,2-dimetylo-2-silapentano-5-sulfonowy) TSP (3-(trimetylosililo)-propianosulfonian sodu)

19 Rozpuszczalnik Wzór δ [ppm] związku monoprotonowanego Chloroform -d CDCl 3 7,26 Sulfotlenek dimetylowy-d 6 (CD 3 ) 2 SO 2,49 Acetonitryl-d 3 CD 3 CN 1,95 Aceton-d 6 (CD 3 ) 2 CO 2,05 Benzen-d 6 C 6 D 6 7,28 Ciężka woda D 2 O 4,72 Kwas trifluorooctowy-d CF 3 CO 2 D 11,6

20 Typowe zakresy protonowych przesunięć chemicznych

22 Stała sprzężenia spinowo-spinowego Podobnie jak w przypadku oddziaływania spinu jądrowego z zewnętrznym polem magnetycznym (przesunięcie chemiczne), oddziaływanie miedzy dwoma spinami jądrowymi i i j określane jako stała sprzężenia, można podzielić na na dwa typy oddziaływań: Pośrednie sprzężenie spinowo-spinowe (skalarne) gdzie n J A,B, stała sprzężenia spinowo-spinowego to odległość w hercach dwóch lini powstałych w wyniku sprzężenia spinowo-spinowego między jądrami A i B przez n wiązań łączących te jądra. Bezpośrednie sprzężenie diolowe D- stała sprzężenia dipolowego, (efekt Overhausera) W cieczach zachodzi szybka izotropowa reorientacja następuje uśrednienia anizotropowych części oddziaływań i nie obserwuje się oddziaływań dipolowych

23 Podstawowe cechy sprzężeń spinowo-spinowych Np. 2 J 2,3 [z] Niezależność od pola magnetycznego. Wzajemność. Zależność od trwałości kontaktu pomiędzy sprzężonymi jądrami. Zależność od momentu magnetycznego jąder. W celu umożliwienia porównania stałych sprzężenia różnych par jąder zdefiniowano zredukowaną stałą sprzężenia: J AB = (1/h)(γ A /2π)(γ B /2π)K AB J X /J XD = γ /γ D = 6,514

24 Proste reguły interpretacji subtelnej struktury widma Dla jąder o spinowej liczbie kwantowej I = 1/2 multipletowość wynosi n + 1, przy czym n jest liczbą jąder w grupie sąsiedniej. Jeżeli w sąsiedztwie jest kilka grup różniących się przesunięciem chemicznym, to trzeba je rozpatrywać oddzielnie, przy czym przyjęta kolejność nie wpływa na wynik końcowy. Jeśli zatem jądro M sąsiaduje z dwoma różnymi chemicznie jądrami A i X, to jego sygnał rozpada się na dublet dubletów. Tryplet wystąpi tylko wtedy, gdy przypadkowo J AM = J MX. Odległości linii (w hercach) odpowiadają stałej sprzężenia. Względne natężenia linii multipletu mają się do siebie jak współczynniki dwumianu:

25 Proste reguły interpretacji subtelnej struktury widma Trójkąt Pascala: n = Wartość stałej sprzężenia maleje na ogół ze wzrostem odległości między jądrami. Gdy wielkość rozszczepienia stanie się porównywalna z naturalną szerokością linii, sprzężenie znika. Typ rozszczepienia nie zależy od znaku stałej sprzężenia. Trzeba go więc określać innymi metodami.

26 1 NMR

27 MULTIPLETOWOŚĆ (krotność) SYGNAŁÓW (2nI+1) Typ układu Spinowego Notacja Pople'a Wygląd widma protonów A Nazwa (multiplet) Przykład A 3 singlet (s) C 3 I A 3 X 1 1 dublet (d) C 3 CO A 3 X tryplet (t) C 3 C 2 OR A 2 X J J J kwartet (q) C 3 C 2 O AX septet C 3 CIC 3

28 STAŁE SPRZĘŻENIA SPINOWO-SPINOWEGO 3 J wicynalne; 2 J geminalne 3 J φ= 90 J = 0 z φ = 180 J = 15 z a e a e 3 J a,a = 7 do 9 z 3 J a,e ~ 3 J e,e = 2 do 5 z 6 do 10 z 3 do 9 z C C C C 0 do 3 z 3 do 6 z 3 J cis = 6 do14z zwykle ~ 10 z 3 Jtrans = 14 do 20 z zwykle ~ 16 z

29 1 NMR, 400Mz, D 2 O, p 7,4 (bufor fosforanowy) Kwas urokanowy w chorobie Kwashiorkor

30 UKŁAD SPINOWY AMX O 3 Ph NMR (CDCl 3 ):2,56 (dd, 1, 2, 2 J 1,2 = -5,9 z, 3 J 3,2 = 2,5 z), 2,96 (dd, 1, 1, 2 J 1,2 = -5,9 z, 3 J 3,1 = 4,0 z), 3,35 (dd, 1, 3, 3 J 3,1 = 4,0 z, 3 J 3,2 = 2,5 z)

31 Granice stosowalności prostych reguł rozszczepienia Sprzężenie spinowo-spinowe pomiędzy jądrami równocernnymi magnetycznie nie uwidocznia się w widmie. Termin równocenne magnetycznie oznacza jądra o tej samej częstotliwości rezonansowej i o tej samej stałej sprzężenia z jądrami grup sąsiednich. Jądra równocenne magnetycznie są zawsze równocenne chemicznie. Równocenność chemiczna jednak nie zawsze pociąga za sobą równocenność magnetyczną. Jądra równocenne magnetycznie określa się także mianem izochronowych. Sformułowane reguły interpretacji struktury subtelnej widm NMR mają zastosowanie tylko do jąder równocennych magnetycznie. Jeżeli istnieje nierównocenność magnetyczna, to nie można już odczytać poszczególnych stałych sprzężenia bezpośrednio z widma.

32 Granice stosowalności prostych reguł rozszczepienia Znaczenie stosunku (ν i ν j ) / J Reguły pierwszego rzędu ograniczają się do przypadków, w których względne przesunięcie chemiczne (ν i -ν j ) (z) sprzęgających się grup magnetycznie równocennych jąder jest duże w stosunku do ich stałej sprzężenia. Mówimy wówczas o widmie pierwszego rzędu. Jeżeli wartość (ν i -ν j ) jest tego samego rzędu co J, to w widmie obserwuje się więcej linii, niż możnaby się spodziewać na podstawie reguł pierwszego rzędu Zmienia się wówczas także rozkład natężeń linii w multipletach. Natężenie linii zbliżonych najbardziej do multipletu sprzężonego wzrasta kosztem linii najbardziej oddalonych. Jest to efekt dachowy. Zwiększona multipletowość i zmieniony rozkład natężeń są więc cechami widm wyższych rzędów, które muszą być analizowane metodami dokładnymi. na widma wyższych rzędów ma wpływ jeszcze względny znak stałej sprzężenia (jeśli mamy do czynienia z układem większym niż dwuspinowy).

33 Nazewnictwo układów spinowych W zależności od relacji symetrii między sprzężonymi skalarnie spinami oraz siły sprzężenia, krotności i intensywności składowych multipletów (pojawiających się na skutek sprzężeń skalarnych) przejawiają się w różny sposób- klasyfikacja układów spinowych: Grupę n izochronowych spinów, nie wykazujących nierównocenności sprzężeń spinowych oznaczamy - A n. Jeśli izochronowe spiny wykazują nierównocenność sprzężeń spinowych, to oznaczane są symbolem AA A Grupa anizochronowych spinów, między którymi występują jedynie słabe sprzężenia spinowo-spinowe, są oznaczane odległymi literami alfabetu A k M l X m. Grupy silnie sprzężonych spinów anizochronowych są oznaczone kolejnymi literami alfabetu A k B l C m.

34 J AB = 7 z ν ΑΒ = 6 z 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 ν ΑΒ = 30 z ν ΑΒ = 500 z 500 z (t1)

35 UKŁADY SPINOWE AA BB i AA XX AA BB 24 linie spektralne ν AB = 5 z J AB = 7 z AA XX ν AB = 150 z 8,00 7,90 7,80 7,70 7,60 7,50

37 -40 0 C -6 0 C 0 0 C C

38 PODSTAWNIKI DIASTEREOTOPOWE

39 PODSTAWNIKI DIASTEREOTOPOWE walina DO 2 C C C C 3 (A) C 3 (B) ND

40 Jądra homotopowe oś C n Ph 3 C C 3 3 C C 3 Ph 3 C C 3 Podstawienie daje identyczne cząsteczki Jądra enancjotopowe płaszczyzna symetrii (σ) lub środek symetrii (i) C 3 Ph O C 3 O C 3 Ph O Podstawienie daje enancjomery Jądra diastereotopowe brak wymiany przez operację symetrii C 3 Ph O Br C 3 C 3 O Br C 3 C 3 Ph O Br C 3 Podstawienie daje diastereoizomery

41 Określanie składu mieszanin

Podobne dokumenty

Zastosowanie spektroskopii NMR do określania struktury związków organicznych

Zastosowanie spektroskopii NMR do określania struktury związków organicznych Atomy zbudowane są z jąder atomowych i powłok elektronowych. Modelowo można stwierdzić, że jądro atomowe jest kulą, w której