UKLIDY O SPIIE 1/2 Duża zawartość naturalna (%): 1 (99.98), 19 F (100), 31 P (100) Średnia zawartość naturalna (%): 29 Si (4.7), 77 Se (7.58), 117 Sn (7.61), 119 Sn (8.58) iska zawartość naturalna (%): 3 (T) (0.00) 13 (1.11), 15 (0.37), 115 Sn (0.35)
uklidy o spinie 1/2 Spektroskopia 1 MRJ (podstawy, pomiary OE, usuwanie szerokich sygnałów) Spektroskopia 13 MRJ i kilka technik specjalnych Inne nuklidy o spinie 1/2
MAGETYZY REZOAS JĄDROWY WODORU 1 MR, ( 2 MR, 3 MR) Trzy aktywne izotopy wodoru: 1 99.98% spin ½ 500.000 Mz (11.744 T) 2 0.02% spin 1 76.753 Mz (11.744 T) 3 0 spin ½ 533.317 Mz (11.744 T)
Przykładowe widmo 1 MR wykonane w roztworze: Widmo protonowe, 1 MR ( 1 MRJ): Położenie sygnałów (przesunięcie chemiczne, ppm) Wzorzec: tetrametylosilan, Si( 3 ) 4 0 ppm Typowy zakres przesunięć chemicznych: 0 15 ppm Struktura sygnałów (krotność lub multipletowość, sprzężenie spin-spin) Intensywność sygnałów, intensywność integralna ( całka ) Skala δ ( przesunięć chemicznych ), skala τ = 10 - δ
Równocenność (nierównocenność) atomów: równocenność/nierównocenność chemiczna równocenność/nierównocenność magnetyczna Ilość nierównocennych chemicznie atomów (grup atomów) = ilość sygnałów ierównocenne atomy (grupy atomów) oznacza się różnymi literami alfabetu Duża różnica przesunięć chemicznych = litery odległe w alfabecie Przykłady: układ AB układ AMX układ A 3 X 2 FAZA IEKŁA ILOŚĆ SYGAŁÓW Protony (grupy protonów) homotopowe = równocenne chemicznie Protony (grupy protonów) enancjotopowe = równocenne chemicznie Protony (grupy protonów) diastereotopowe = nierównocenne chemicznie Metody spektroskopowe i ich zastosowania do identyfikacji związków organicznych Praca zbiorowa pod redakcją W. Zielińskiego i A. Rajcy, Wydawnictwa aukowo-techniczne, Warszawa, 2000 Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych R.M.Silverstein, F.X.Webster, D.J.Kiemle, Wydawnictwo aukowe PW, Warszawa 2007
Równocenność / nierównocenność chemiczna atomów l l Br F Br R* równocenne chemicznie (homotopowe) nierównocenne chemicznie (diastereotopowe) równocenne chemicznie (enancjotopowe) nierównocenne chemicznie (!) l Br ax Br eq???
Równocenność / nierównocenność chemiczna 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 wodorów w grupach 3 i 2 w związkach łańcuchowych są chemicznie równocenne ( uśrednienie przesunięć chemicznych) Wyjątek: centrum chiralne obok grupy!!! Spektroskopia MRJ w fazie ciekłej, w achiralnym środowisku, nie rozróżnia enancjomerów, a rozróżnia diastereoizomery. (R)(S) = (S)(R), (R)(R) = (S)(S), (R)(S) (S)(S),...
Równocenność / nierównocenność chemiczna atomów l l równocenne (układ A 2 ) l Br nierównocenne (układ AB lub AX) OR 3 3 Ukryte wiązanie podwójne O 3 3 O 3 3 O R2 R1 O R1 R2 R X Y R
Rozpuszczalniki stosowane w 1 MR Aceton-d 6 2.2 ppm Acetonitryl-d 3 2.0 ppm Benzen-d 6 7.4 ppm hlorek metylenu-d 2 5.3 ppm hloroform-d 7.3 ppm Dimetyloformamid-d 6 (DMF) 2.9 ppm, 8.0 ppm Dimetylosulfotlenek-d 6 (DMSO) 2.6 ppm Metanol-d 4 3.5 ppm 3 Woda (D 2 O) 4.8 ppm 3 Si 3 (Wg materiałów firmy BRUKER) 3 Wzorzec: tetrametylosilan (TMS), ( 3 ) 4 Si DSS Wzorzec zewnętrzny (external reference) Wzorzec wewnętrzny (internal reference) Wzorzec wtórny (secondary reference) 0.00 ppm 0.015 ppm TMS 3 3 3 Si 2 2 2 SO 3 a DSS
Kilka przesunięć chemicznych 1 MR (ppm) Elektroujemność podstawnika: 3-0.23 F 3 -F 4.26 3 -l 3.05 3 -Br 2.68 3 -I 2.16 3 -O 3 3.24 3 -( 3 ) 2 2.12 3 -S 3 2.08 3 -Li -1.30 ( 3 ) 4 Si 0.00 Rząd wiązania: 3 3 0.86 2 2 5.32 1.49 6 6 7.40 Ilość grup metylowych: 4 0.23 3 3 0.86 3 2 3 1.33 3 2 ( 3 ) 2 1.47 Ilość heteroatomów: 4 0.23 3 l 3.05 2 l 2 5.35 l 3 7.24 Atom wodoru przy heteroatomie: O (alif.) 1 5 O (Ar) 4 10 O (kwas) 9 12 S 3 4 2 3 5
Kilka przesunięć chemicznych 1 MR (ppm) 7.3 7.6 7.3 X 6.5-8.2 8.6 6.8-7.6 7.0-7.5 1.9 4.8 O 3.8 O 6.2 O 6.3 7.4 2-0.5 9.3 11-14 7.3 7.0 10-11 - 4 ca. 8 6.1 6.6-3.0 4-7 18 elektronów π 20 elektronów π haitanya S.Wannere, Paul von Ragué Schleyer, Organic Letters, 2003, 5(5), 605
Zmiany przesunięcia chemicznego 1 MR wywołane metalem przejściowym: do ± 600 ppm l Fe 3+ 1 MR (Dl 3 ) protony pirolowe: 78.5 81.1 ppm proton mezo: -72.4 ppm protony Ar: 5.1 13.5 ppm (J.Wojaczyński, Praca Doktorska, Wrocław, 1998)
Sprzężenie pośrednie (skalarne) J sprzężenie geminalne 2 J gem sprzężenie wicynalne 3 J vic sprzężenie dalekiego zasięgu n J 2 J gem 2 J( 1-1 ) 1 J( 13-1 ) 3 J(5-6) Stała sprzężenia J ma znak Określenie znaku stałej sprzężenia wymaga dodatkowych eksperymentów azwy sprzężeń dotyczą dwóch dowolnych jąder, nie tylko protonów Sprzężenia pomiędzy jądrami równocennymi chemicznie nie wpływają na strukturę multipletów (w widmach I rzędu!!)
Geminalna stała sprzężenia 2 J gem (atom sp 3 ) 2 J gem = (+ 6) (- 20) z (- 12) (- 14) 4-12.4 (- 11) (- 18) 3 2-16.9-20.3 X (- 3) (- 9) (+ 6) (- 1.4) - 12.9-11.2 O O - 6.1 (X = R, J 0 z)
Geminalna stała sprzężenia 2 J gem (atom sp 2 ) R X X = F - 3.2 2 0 + 2.5 Li + 7.1 3 R O O 3 +42 9.0 15.8 7 17
ietypowe sprzężenia 2 J( 1, 1 ) w wodorkach niektórych metali Me Me + + Me Ph 3 P Me Ir Me Ph 3 P Ir 2 J(,) = 36.6 z (125 K) 99.0 z (201 K) 2 J(,) = 160 z (125 K) 533 z (201 K) Quantum Mechanical Exchange oupling M.einekey, A.inkle, J.lose, J. Am. hem. Soc., 1996, 118, 5353
Wicynalna stała sprzężenia 3 J vic Zależność Karplusa 3 J = 8.5 cos 2 φ 0.3 (0 90 o ) 3 J = 9.5 cos 2 φ 0.3 (90 180 o ) φ 3 J [z] 10 5 0 0 50 100 150 kąt φ [ o ] O 2 9 z 6 14 z 11 18 z 4 10 z 3 7 z
OO 2 R OO 2 R 2 R OO R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O R O 3 J( 1-1 ) 3 J( 13-1 ) 3 J( 15-1 ) 3 J( 15-15 ) 3 J( 13-13 ) 3 J( 13-1 ) 3 J = Acos 2 (φ + α) + Bcos(φ + α) +
3 J = Acos 2 (φ + α) + Bcos(φ + α) + 3 J [z] kąt φ [ o ] A.Ejchart, Scalar ouplings in Structure Determination of Proteins Bulletin of the Polish Academy of Sciences; hemistry, 1999, 47(1) 1
O O O O OMe 3 J(,) = A + Bcos(φ) + cos (2φ) Parametryzacja równania: na podstawie 90 konformerów. A. Taha,. astillo, D.. Sears, R. E. Wasylishen, T. L. Lowary, P.-. Roy, Journal of hemical Theory and omputation, 2010, 6, 212 O O O O O O O O O O OMe 3 J(,) = 0.8 0.7cos(φ) + 5.3cos 2 (φ). J. hristensen, P. I. ansen, F.. Larsen, T. Folkerman, M. S. Motawia, S. B. Engelsen, arbohydrate Research, 2010, 345, 464
(- 3) (- 1) z 2 3 z 3 J orto = 10 13 z 4 J 5 meta = 2 3 z J para = 0.1 1 z 2 2 3 J( 1-1 ) 0 z 4 J( 1-1 ) 0 z 2 J ax-eq = (- 11) (- 13) z 3 J ax-ax = 11 13 z 3 J ax-eq = 2 5 z 3 J eq-eq = 2 5 z Sprzężenie W ok. 1 z
Konstrukcja multipletów Widma MR dzielą się na widma pierwszego i drugiego rzędu. W widmach pierwszego rzędu: δ >> J brak atomów magnetycznie nierównocennych sprzężenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi nie wpływają na krotność (multipletowość) sygnałów; np. sygnał grupy 3 jest singletem, znak stałej sprzężenia nie wpływa na strukturę multipletu, δ i J można odczytać wprost z widma W widmach drugiego rzędu: δ J, i / lub są atomy nierównocenne magnetycznie sprzężenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi i znak stałej sprzężenia wpływają na strukturę sygnałów Trudna analiza multipletów
Praca domowa: konstrukcja multipletów w widmach I rzędu ilość sygnałów vs. struktura związku przesunięcie chemiczne vs. struktura związku
1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 3 1 3 3 1 3 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1
3 3 3 Praca domowa: jak wygląda sygnał czerwonego atomu wodoru
ierównocenność protonów w grupie 2 (widmo w Dl 3 ) Układ A 3 MX 2 3 3 ( 3 ) 2 2 3 3 2 ppm
Widma protonowe drugiego rzędu
J δ widmo drugiego rzędu AX AM AB
X 2-2 Y A 2 X 2 A 2 M 2 A 2 B 2
- 2 3 A 2 X 3 A 2 B 3
J δ widmo drugiego rzędu J J AX δ x δ y AM b AB a J δ = a*b δ x = δ 0 δ/2 δ y = δ 0 + δ/2
X J = 7 z Układ spinowy AX 2 AB 2 A δ = 1 ppm (500 z) 5 δ = 0.1 ppm (50 z) 8 7 6 4 3 2 1 6 δ = 0.02 ppm (10 z) 5 4 δ A δ B = (δ 5 + δ 7 ) / 2! dla δ = 0 ppm pozostanie tylko jedna linia (układ A 3 ) 8 7 δ B 3 2 J AB = (ν 1 - ν 4 ) + (ν 6 ν 8 ) / 3 1
IERÓWOEOŚĆ MAGETYZA* Równocenność / nierównocenność magnetyczna: dotyczy atomów równocennych chemicznie Dwa atomy są równocenne magnetycznie, kiedy: są równocenne chemicznie stałe sprzężenia tych atomów z dowolnym innym atomem w cząsteczce są identyczne δ = δ δ = δ A 2 X 2?? X 3 J() 4 J() AA XX (AA BB ) * próbka w roztworze
Z Z Z Y Z Układ spinowy AA XX (AA BB )
A A' = ν 1,2 ν 7,8 K = ν 3 ν 4 = ν 5 ν 6 M = ν 9 ν 10 = ν 11 ν 12 (2O) 2 = (ν 3 ν 5 ) 2 = (ν 4 ν 6 ) 2 (2P) 2 = (ν 9 ν 11 ) 2 = (ν 10 ν 12 ) 2 X X X' 1,2 7,8 L = [(2O) 2 K 2 ] 0.5 = [(2P) 2 M 2 ] 0.5 10 11 = J AX + J AX L = J AX J AX K = J AA + J XX M = J AA J XX 4 5 3 9 12 6 E. W. Garbisch, Journal of hemical Education, 1968, 45(5), 311 320 1968, 45(6), 402 416 1968, 45(7), 480 492
Układ AA MM X A 2 M 2 X
IE SPRZĘŻEIA A WIDMIE 1 MR Izotop spin zawartość obecność naturalna sprzężeń 19 F, 31 P 1/2 100% + 13, 15 1/2 ~ 1% (-) 17 O, 33 S 5/2, 3/2 < 1% - 14 1 > 99% +/- -D 2 2 1 < 1% +/- 29 Si 1/2 5% +/- 35 l, 37 l 3/2 100% - 79 Br, 81 Br 3/2 100% - 127 I 5/2 100% - 12 l 3 TMS 2 J( 29 Si, 1 ) 6.4 z 29 Si 5% 13 l 3 1% 1 J( 13, 1 ) 209 z 1 J( 13, 1 ) 118 z Si 13 1% 29 Si 13 0.05%
WIDMO SATELITARE: POMIAR J(,) 13 13 12 * * * * 12 ~1% ~1% 1 J( 13, 1 ) 1 J( 13, 1 ) * 3 J( 1, 1 ) układ ABX dwa atomy 13 obok siebie: ~0.01% * układ AA BB X
2 J( 13, 1 ) 3 J( 1, 1 ) 13 3 J( 1, 1 ) 12 1 J( 13, 1 ) δ δ efekt izotopowy!!
POMIAR 1 MR I PRZYZYY BŁĘDÓW
Przygotowanie próbki Próbka o odpowiednim stężeniu, rozpuszczona w odpowiedniej ilości deuterowanego rozpuszczalnika, bez osadu i stałych zanieczyszczeń. zy można użyć rozpuszczalnika nie deuterowanego? Brak sygnału deuteru; brak sygnału używanego do regulacji jednorodności pola i do stabilizacji pola. Można ewentualnie użyć sygnału FID-u. l 3, 2 l 2... konieczność usuwania sygnału rozpuszczalnika. l 4, S 2, freon... można użyć; ew. zastosować rozpuszczalnik deuterowany w kapilarze. Wzorzec: zewnętrzny lub wewnętrzny. Można użyć sygnału resztkowego rozpuszczalnika.
Przykładowe widmo 1 MR wykonane w roztworze: stała sprzężenia J (z) położenie sygnału (przesunięcie chemiczne) intensywność integralna całka
BŁĘDY I I PRZYZYY Przesunięcie chemiczne niedoskonałość wzorca ( wewnętrzny TMS) błąd do ± 0.5 ppm (!!). W precyzyjnych pomiarach należy stosować wzorzec zewnętrzny. efekty stężeniowe, temperatura próbki, asocjacja związku, itp. rozdzielczość spektralna (0.3 0.8 z) typowa dokładność δ( 1 ): nie więcej niż ± 0.01 ppm Wartość stałej sprzężenia J rozdzielczość spektralna (0.3 0.8 z) (!!!) nakładanie się sygnałów typowa dokładność J: nie więcej niż ± 0.3 z dokładność można zwiększyć poprzez optymalizację pomiaru Intensywność integralna: niepełna relaksacja próbki rozdzielczość spektralna zaburzenia linii podstawowej widma, nieprawidłowa faza widma typowy błąd: do 10%
iepełna relaksacja próbki d1(d1) pw at(aq)
Widmo pochodnej metioniny w Dl 3 integracja sygnałów d1 pw at AQ (at) = 2.34 s d1 = 1 ms d1 = 5 s d1 = 10 s 2.9 3.7 4.0 O O 2.94 2.8 2.3 4 df. S OOMe 2.6 2.9 3.0 0.7 0.8 0.95
Przypomnienie: dobór czułości odbiornika ( receiver gain ) gain A za mała wartość źle wykorzystana czułość aparatu za duża wartość obcięcie sygnału t (sek) BRUKER procedura RGA Dodatkowo: skrócenie impulsu np. o połowę
Przypomnienie: funkcje ważące stosowane w 1 MR (1D) A FT Mnożenie przez funkcję wykładniczą (Exponential Multiplication, EM) y = exp(-at/t a ) t (sek) EM, FT LB = 1 y A t (sek) t (sek) Mnożenie przez funkcję Gaussa (Lorentzian-to-Gauss Transformation) y = exp(at/t a - bt 2 /t a 2 )) y A FT GM, EM, FT LB = -1.2 GB = 0.5 t (sek) t (sek) LB = 0.1 0.3 dla 1 A LB = -1.2; GB = 0.1 1 (Bruker) t (sek)
Przypomnienie: optymalizacja czasu akwizycji (AQ, at) A t (sek) 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 (ppm)
Tematy związane nie tylko z 1 MR wpływ temperatury na widmo efekt Overhausera presaturacja sygnału (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) echo spinowe rezonans podwójny ( homodecoupling )
Wpływ temperatury na widmo Ph Ph 2 3 + - + O 2-3 O 2 3 318 K 303 K 253 K
Wpływ temperatury na widmo 3 1 2 + 4 1 3 2 4 2 Dl 3 2 3 303 K 233 K 1 2 1, 3 2 2 3
JĄDROWY EFEKT OVERAUSERA (uclear Overhauser Effect, OE)
JĄDROWY EFEKT OVERAUSERA (uclear Overhauser Effect, OE) Efekt Overhausera zmiana intensywności sygnału atomu położonego w pobliżu innego atomu naświetlanego jego częstością rezonansową J(,) = 0 z (duża odległość liczona po wiązaniach) D(,) 0 z (mała odległość liczona poprzez przestrzeń) υ 0 D.euhaus, M.Williamson The uclear Overhauser Effect (V 1989)
υ 0 I o widmo odniesienia naśw. widmo zaburzone I naśw. I intensywność integralna sygnału niezaburzonego I o intensywność integralna sygnału zaburzonego widmo różnicowe I - I o η współczynnik wzmocnienia η = (I I o )/I o
Przykład pomiaru efektu Overhausera Widmo odniesienia Widmo naświetlone Widmo naświetlone - widmo odniesienia O (B.Furman et al.)
A AX AMX ββ αβ βα αα W widmie MR obserwowane są bezpośrednio wyłącznie przejścia jednokwantowe
ββ ββ 3 4 3 4 αβ 1 2 βα αβ 1 6 5 2 βα αα αα 2,3 1,4 2,3 1,4 1 4 przejścia jednokwantowe 5 przejście dwukwantowe 6 przejście zerokwantowe
Szybkość narastania OE: υ 0 η 50% maksymalna wartość η dla układu 1 1 : 50% duża odległość między atomami mała odległość między atomami czas naświetlania [s] Zależność η od czasu korelacji cząsteczki: η 1 { 1 } 0.5 - + + - ruch molekuły = = fluktuacje B 0 ω częstość rezonansowa 1 τ c czas korelacji cząsteczki -1 log ωτ c!! Brak OE nie jest potwierdzeniem struktury!!
50 % 50 % 28 % 50 % - 13 % 0 % 28 % - 13 % η [%] 0.1 1 10 100 log ωτ c - 100 % 49 % 1 % - 0.4 % 49 % 1 % - 0.4 % 50 % 0 % α η [%] 0.1 1 10 100 log ωτ c - 100 %
eksperyment OE-build-up η η y = ax + b czas naświetlania [`s] 0 200 ms a 1, a 2, a 3 wzorzec r a 1 (1/r 1 ) 6 a 2 (1/r 2 ) 6 a 3 (1/r 3 ) 6 a ~ 1/r 6
Uśrednianie odległości wg OE <r -6 > x y (x+y)/2 Odległość wg OE: {[ (1/x 6 ) + (1/y 6 ) ] / 2} -1/6 x = 0.4, y = 0.6 (x + y)/2 = 0.5 {[ (1/x 6 ) + (1/y 6 ) ] / 2} -1/6 = 0.443
υ 0 180 o 90 o krótki czas naświetlania: truncated driven OE (TOE) długi czas naświetlania: steady state OE selektywny impuls 180 o : transient OE dη/dt ~ 1/r 6 η czas
transient OE rotating-frame OE (ROE) 180 o 90 o spin lock η 0 steady state OE η od 0.5 do -1 transient OE η od 0.385 do -1 ROE η od 0.385 do 0.675 log(ωτ c ) I.Bertini, oord. hem. Rev., 150 (1966) 163
OE wykonanie eksperymentu Próbka: eliminacja zanieczyszczeń paramagnetycznych: kationów metali przejściowych (np. r 3+ z chromianki) tlenu atmosferycznego rozpuszczonego w roztworze Odgazowanie próbki: przepuszczanie gazu obojętnego mało skuteczne procedura zamrażanie próżnia rozmrażanie 3 5 razy zastosowanie specjalnej probówki MR Pomiar: wykonać kilka pomiarów (co najmniej dwa) brak OE nie jest potwierdzeniem struktury obecność OE nie jest potwierdzeniem struktury
REZOAS PODWÓJY
REZOAS PODWÓJY (homodecoupling, odsprzęganie) ν o ββ ββ ν 0 3 4 3 4 αβ βα αβ βα 1 2 1 2 ν 0 αα αα 2,3 1,4 1,4 2,3
PRESATURAJA SYGAŁU
Uboczny skutek eksperymentu OE: usunięcie sygnału z widma Widmo odniesienia υ 0 Widmo naświetlone Selektywne naświetlanie: wyrównanie obsadzeń poziomów energetycznych ( niszczenie polaryzacji PRESATURAJA SYGAŁU usuwanie sygnału rozpuszczalnika przez jego selektywne naświetlanie. ZASTOSOWAIE: usuwanie silnego sygnału rozpuszczalnika, np. w próbkach białek i DA w środowisku 2 O (nie D 2 O!!)
PRESATURAJA SYGAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) 2 O
PRESATURAJA SYGAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) Problem: 1% związków organicznych w wodzie; nie można odparować wody ani wydzielić związku Sygnał wody ponad 100 razy silniejszy niż sygnały badane 2 O Próbka: 60% roztworu + 40 % D 2 O 9.0 ppm -1.0
USUWAIE SZEROKIEGO SYGAŁU Szerokość sygnału zależy od czasu relaksacji T 2??? Szeroki sygnał = krótki T 2 Wąski sygnał = długi T 2 początek rejestracji sygnału
EO SPIOWE
exp(-t / T 2 ) 90 o 180 o τ τ Dwie przyczyny zaniku sygnału: czynniki aparaturowe (niejednorodność pola) relaksacja spin-spin t = 0 τ 2τ arr-purcell-meiboom-gill D1 90 o (τ 180 o τ) n - FID y x f s s f f po impulsie 90 o po czasie τ s po impulsie 180 o po czasie τ
Dwa zastosowania echa spinowego pomiar czasu T 2 y = I o exp(- τ / T 2 ) 90 o 180 o τ τ τ Usuwanie szerokich sygnałów 13-14 ok. 99% 13-15 ok. 1% 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
Magnetyczny rezonans jądrowy trytu 3 ( 3 MR) aturalna zawartość trytu ( 3, T): 0%, spin: 1/2, częstość 533.317 Mz (11.744 T) zas połowicznego rozpadu: 12.33 lat (rozpad β - ) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 1 MR. Kalibracja: sygnał 1 TMS (!). Sprzężenia z innymi jądrami: podobnie jak w spektroskopii 1 MR. Przeliczenia sprzężeń: J( 1-1 ) = J( 3-1 )*0.94 Zalety: wysoka czułość pomiaru. Wady: są pewne trudności techniczne (przepisy!!) Zastosowania: Znaczenie związków chemicznych, i śledzenie ich przemian (chemia, organizmy żywe) Wykorzystanie 3 jako sondy w złożonej cząsteczce (białko, polimer) Badanie wiązań wodorowych i efektów izotopowych Synteza związków o chiralności izotopowej (chiralna grupa 3 : ( 1 )( 2 )( 3 ) przeliczanie sprzężeń: J(X- n A) / J(X- m A) = (częstość n A) / (częstość m A)
MAGETYZY REZOAS JĄDROWY WĘGLA 13 MR (spin ½, mała zawartość aktywnego nuklidu) 13 1.1% spin ½ 125.721 Mz (11.744 T) 12 98.9% spin 0 nieaktywny w MR 3 2 O 98% 13 13 3 2 O 0.01% 13 3 2 O 13 3 2 O 1% 1% Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 A.Ejchart, L.Kozerski, PW, Warszawa 1988 (1981)
Spektroskopia 13 MR: wzorzec: sygnał 13 tetrametylosilanu (0 ppm) wzorzec wtórny : Dl 3 77.0 ppm, DMSO-d 6 39.5 ppm, benzen-d 6 128.7 ppm, aceton-d 6 30.2 / 205.1 ppm, metanol-d 4 49.3 ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; można używać mieszanin z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi (!) zakres przesunięć chemicznych: 0 250 ppm krotność (multipletowość) sygnału: zależna od techniki pomiaru typowe widmo 13 MR: sprzężenia J( 13-1 ) usunięte przez odsprzęganie; pozostają inne sprzężenia, np. z 19 F, 31 P sprzężenia J( 13-13 ) z powodu małej zawartości izotopu 13 praktycznie nie mają wpływu na widmo intensywność sygnału: zaburzona (OE, długi czas T 1, do kilkudziesięciu sekund
Przesunięcie chemiczne 13 (δ, ppm) efekt α efekt β efekt γ 4 ppm - 2.1 3 3 ppm 5.9 3 2 3 ppm 15.6 3 3 5.9 3 2 3 15.6 3 2 2 3 13.2 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 16.1 25.2 27.9 3 3 3 3 3 3 3 24.3 31.5 3 3 3 2 3 3 2 3 11.5 8.7 3 Zmiana przesunięcia chemicznego δ (ppm) (!!!) ε δ γ β α 3 2 2 2 2 X 0.0 0.2-6.6 8.1 70.0 F Elektroujemność / efekt ciężkiego atomu - 0.1-0.6-5.2 10.1 30.5 l F 4 / F 3 / 2 F 2 / 3 F 120-75 ppm 0.0-0.6-4.0 10.2 19.2 Br l 4 / l 3 / 2 l 2 / 3 l 100-20 ppm - 0.1-1.0-2.0 10.6-7.5 I Br 4 / 2 Br 2 / Br 3 / 3 Br 30-7 ppm 0.3 0.3-2.6 2.4 20.4 OO 3 I / 2 I 2 / I 3 / I 4 (- 20) - (-295) ppm 0.6 0.6-5.8 10.4 49.0 O
Wpływ hybrydyzacji atomu węgla (δ, ppm) Elektroujemność podstawnika ( δ δ, ppm) Grupy funkcyjne (δ, ppm) 5.9 β α X β α X O 220-140 ppm 122.8 72.8 128.5-34.3 24.9-59.7 14.8-5.4 3.3-16.9-13.3-0.7-7.2-5.9-31.6 7.7-37.4 11.1-73.3-37.3 14.9 30.3 15.8 F l Br I O 3 O O S 165-145 ppm 210-180 ppm 125-110 ppm Wpływ protonowania ( δ δ, ppm) S O 140-110 ppm 130-120 ppm Karbokation, (δ, ppm) - 0.7-1.2 + 330-100 ppm - 0.5-5.5-0.5-3.5-1.4 2 OO δ sól - δ amina δ sól - δ kwas
Sprzężenia 13-1 Stała sprzężenia przez jedno wiązanie, 1 J( 13-1 ) 106 z ( 3 ) 2 Mg 170 z 125 z 4 182 z 127 z 161 z 156 z 2 2 199 z 208 z 159 z l 3 214 z 249 z 2 200 z F sprzężenia 13-1 dalekiego zasięgu: 2 J (geminalne): od 0 do 60 z 3 J (wicynalne) do 10 z dla 3 J obowiązuje zależność Karplusa dla związków aromatycznych 1 J>> 3 J> 2 J> 4 J
Inne sprzężenia z 13 1 J( 13-13 ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen 171.5 acetylen 12.4 cyklopropan n J( 13-13 ) 19 F (spin ½) 1 J( 19 F- 13 ) 160 300 z n J( 19 F- 13 ) 0 20 z 31 P (spin ½) 1 J( 31 P- 13 ) 0 250 z n J( 31 P- 13 ) 0 20 z kilka-kilkanaście z 2 (D) (spin 1) J( 13-2 ) = J( 13-1 ) / 6.51
Typowy eksperyment 13 MR - widmo 13 MR odsprzężone 1 13 (z OE) 1 (bez OE) 13 Odsprzęganie: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x180 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x Techniki archaiczne: BD (oise Band Decoupling); BB (Broad Band Decoupling)
aświetlanie ieskończona 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 można zastąpić sekwencją impulsów przykład: omposite Pulse Decoupling, PD: pulsy 90 o x180 o y90 o x 90 o x240 o y90 o x
Efekt Overhausera (OE) układ 13 1 13 {1} η 1.99 13 { 1 } 0.15 log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o = 1.99
Widmo 13 MR sprzężone (widmo wysokiej rozdzielczości high resolution R) Dwa sposoby wykonania widma: 1 13 (z OE) 13 (bez OE)
13 XA 3 M 2 XAMM Z (XAM 2 2 Z) XA 2 M 3 3 O 2 3 O XA 3 XA 3 M 2
1 MR: 13 MR: triplet: sprzężenia protonów grupy 3 z protonami grupy 2 ; 3 J( 1-1 )) 3 kwartet: sprzężenia atomu węgla grupy 3 z protonami grupy 3 ; 1 J( 13-1 )) kwartet: sprzężenia protonów grupy 2 z protonami grupy 3 ; 3 J( 1-1 ) 2 triplet: sprzężenia atomu węgla grupy 2 z protonami grupy 2 ; 1 J( 13-1 )
2 I
Widmo 13 MR: różne sposoby odsprzęgania 1 13 D1 1 : fala ciągła (W) o małej mocy: selektywne odsprzęganie jednego protonu (heterodecoupling) selektywne naświetlanie jednego protonu badanie OE 13 { 1 } Odsprzęganie częściowe: Single Frequency off-resonance Decoupling (SFORD) oise off-resonance Decoupling (ORD) Obie te metody zastąpiono innymi technikami ałkowite usuwanie sprzężeń 13-1 : Broad Band Decoupling (BB) oise Band Decoupling (BD) Metody zastąpione obecnie technikami impulsowymi (np. PD)
1 13 OE odsprzęganie dm = yyy 1 13 OE odsprzęganie 1 13 brak OE odsprzęganie dm = nny 1 13 OE brak odsprzęgania dm = yyn 1 13 brak OE brak odsprzęgania dm = nnn
Ilościowe widmo 13 MR i optymalizacja pomiaru 1 13 D1 Widmo ilościowe: eliminacja OE pełna relaksacja próbki (D1 = 5*T 1 ; T 1 = 2 3 s dla n, 30 s i więcej dla IV ) dodatek substancji przyśpieszającej relaksację ( relaksant, np. r(acac) 3 ) w ilości 1% molowo. Dodatek relaksanta uniemożliwia wiele innych pomiarów MR, np. OE! Widmo półilościowe : pomiar i porównywanie tylko sygnałów n Optymalizacja pomiaru 13 MR: puls 90 o i długi czas D1 silny sygnał, długi czas repetycji płaski puls (<90 o ) i krótszy czas D1 słabszy sygnał, krótszy czas repetycji optimum: kąt Ernsta Varian: polecenie ernst(t1, pw90); przykładowo ernst(2) lub ernst(2,12.6)
Zastosowanie sprzężonego widma 13 MR: identyfikacja zasłoniętego sygnału i D1 = 30 sek. D1 = 0.5 sek.
Spektroskopia 13 MR techniki specjalne
Eksperyment wieloimpulsowy OSY 90 o 90 o 1 t 1 t ADEQUATE 2D 22 impulsy + 3 impulsy gradientowe, o częstościach 1 i 13, rozłożone w czasie. Sekwencja impulsów o określonych długościach ( kalibracja spektrometru) Odpowiedni program fazowy Precyzyjne rozłożenie w czasie impulsów Optymalizacja parametrów
Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) l 3 1 13 l 3 1% 1 12 l 3 99% 500 Mz 125 Mz czułość: 1 : 13 = 1 : 0.0159 > ~ exp(- E / kt )
SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion 1 13 l 3 + - - selektywna zmiana obsadzenia poziomów (naświetlanie, lub sel. 90 o / 180 o ) 1 MR 13 MR 1 MR 13 MR 1 : 1 5 : - 3
IEPT Insensitive uclei Enhanced by Polarization Transfer 90 o x 180 o y 90 o y 1 1/4J 1/4J 180 o 90 o 13 t 90 o S S 90 o 1/4J 180 o 1/4J R R J = 135 150 z 1/4J = 1.85 1.67 ms (10%) J = 2 4 z 1/4J = 125 67 ms (50%)
Trzy wersje eksperymentu IEPT IEPT refocused IEPT decoupled, refocused IEPT I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ o /2υ ox ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox )
DEPT 90 o x 180 o y α +/-y optymalizacja: wartość J kąt α 1 13 1/2J 1/2J 90 o y 180 o x 1/2J +/- α = 45 o DEPT 45 90 o DEPT 90 135 o DEPT 135 t 0 o 180 o
DEPT 90 DEPT 135 DEPT 45
IEPT Insensitive uclei Enhanced by Polarization Transfer DEPT Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer 90 o x 180 o y 90 o y 90 o x 180 o y α +/-y 1 1/4J 180 o 1/4J 90 o 1 1/2J 1/2J 90 o y 180 o x 1/2J α = 45 o DEPT 45 90 o DEPT 90 135 o DEPT 135 13 13 +/- t t Eksperymenty IEPT i DEPT konieczna znajomość stałej sprzężenia 13-1 (przed pomiarem!); problem w przypadku sprzężeń o małej wartości Zalety: wzrost czułości pomiaru (I / I o = 3.98) I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ o /2υ ox ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ o /υ ox ) pomiar kontrolowany czasem T 1 wodoru ( 1 ), a nie węgla (D1 2 s)
Alternatywa dla DEPT: Attached Proton Test (ATP) sekwencja SEFT (Spin Echo Fourier Transform) sekwencja ATP 1 1 90 o x 180 o y φ 180 o y 180 o y 13 13 wzmocnienie sygnału: OE, nie ma transferu polaryzacji czas repetycji określony czasem T 1 dla 13
Pomiar stałej sprzężenia J( 13-13 )
satelity węglowe na widmie 13 MR * zastosowanie filtru dwukwantowego * izotopomer 13-13 (0.01%) 36 z izotopomer 13-12 (1%) izotopomer 12-12 (99%) nieaktywny w MR
Incredible atural Abundance Double Quantum Transfer Experiment IADEQUATE 1 90 o 180 o y 90 o 13 1/4J 1/4J t Sekwencja impulsów usuwa sygnały izolowanych atomów 13 (singlety) pozostawia sygnały par 13-13 (dublety) Do optymalizacji parametrów eksperymentu konieczna jest znajomość stałej sprzężenia 13-13, a więc wielkości która ma być mierzona (!!!) 13 13 12 13 13 12
12 12 12 nieaktywny w MR 12 13 12 sygnał odfiltrowany 12 13 13 dublet 13 13 12 dublet 13 13 13 dublet dubletów
1 J( 13-13 ) 36.6 etan 67.0 etylen 56.0 benzen F 71 z b z a z b z a z 171.5 acetylen 12.4 cyklopropan 57 z 56 z odtwarzanie szkieletu węglowego n J( 13-13 ) kilka-kilkanaście z Li Li Li 37 z 61 z 3 3 49.8 z 41.2 z O 3 3 42.5 z 42.3 z l O F 216 z F F 293 z L.Krivdin, G.Kalabin, Progress in MR Spectroscopy, vol. 21, pp. 293-448, 1989
Wykorzystanie 13 w pomiarze stałych sprzężenia J( 1-1 ) X X X X Układ spinowy A 2 na widmie 1 MR 1 sygnał (singlet) Problem: jak zmierzyć 3 J( 1-1 )? 13 3 sprzężenia: 1 J( 13-1 ), 2 J( 13-1 ), 3 J( 1-1 ) Układ spinowy ABX lub AA X Widmo 1 MR: fragment AB (AA ) Widmo 13 MR: fragment X
Efektywna technika pomiaru: obserwacja pośrednia (detekcja odwrotna, inverse ) Pomiar parametrów spektralnych MR (J, δ) jednego nuklidu poprzez obserwację widma drugiego nuklidu
satelity węglowe na widmie 1 MR 80 z 40 z l 3 izotopomer 1-13 (1%) 214 z l 3 izotopomer 1-12 (99%)
Dwa sposoby obserwacji tej samej stałej sprzężenia Układ dwóch sprzężonych ze sobą jąder: np. 13-1 w l 3 Widmo 1 MR: Widmo 13 MR: δ, dublet, 1 J( 13-1 ) = 214 z δ c, dublet, 1 J( 13-1 ) = 214 z Przesunięcie chemiczne 1 (δ ) można odczytać z widma 1 MR Przesunięcie chemiczne 13 (δ c ) można odczytać z widma 13 MR Wartość 1 J( 13-1 ) można odczytać z obu widm, 1 i 13 MR ( 1 ) ( 13 ) ( 1 ) > ( 13 ) Informacja o 1 J( 13-1 ) znajduje się w satelitarnym widmie 1 MR (sygnały 13 1 ), zagłuszonym przez sygnały 12-1, 100 razy silniejsze (!!)
Widmo 13 MRJ R Widmo 1 MRJ Widmo 1 MRJ filtrowane (usunięte sygnały 12-1 )
Przeniesienie informacji o przesunięciu chemicznym 13 do widma 1 I M o 1 I M o, cos(ω c τ) I 90 o 180 o τ 1 1 13 90 o 90 o τ t τ 2 τ 4 τ τ 3
Inne nuklidy o spinie 1/2
Magnetyczny rezonans jądrowy azotu 15 ( 15 MRJ) aturalna zawartość: 0.36%, spin: 1/2, częstość 50.664 Mz (11.744 T) Zakres przesunięć chemicznych: + 600 ppm - 400 ppm ( 3 O 2 = 0 ppm) Wzorzec: nitrometan (0 ppm) lub ciekły amoniak (0 ppm); δ amoniak = δ nitrometan + 380 ppm skala przesunięć chemicznych + - 0 ppm skala ekranowania - 0 ppm + Widmo: ostre sygnały, < 1 z, długi czas T 1 (kilka kilkaset sekund). Typowe warunki pomiaru: probówka 10 mm, kilkaset mg (!) substancji (roztwór 0.3 1 M) kilkugodzinny czas pomiaru, dodatek r(acac) 3 Przyspieszenie pomiaru: IEPT, metoda 2D IVERSE (wzrost czułości ok. 300 razy) I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ /2υ X ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ /υ X ) Możliwość znaczenia i wzbogacania próbki nuklidem 15
Przykładowe przesunięcia chemiczne 15 ; δ( 3 O 2 ) = 0 ppm iekły amoniak Aminy Pirydyny Związki nitrozowe (np. Ar-=O) 380 ppm od 280 ppm do 385 ppm od 30 ppm do 155 ppm od + 450 do + 550 ppm Typowe stałe sprzężenia: J( 15-1 ) 1 J( 15 -X) 1 J: (- 40 z) (-130 z) 1 J( 15-13 ): (+ 9 z) (-78 z) 2 J: 0 z 15 z 1 J( 15-19 F): (+ 150 z) (+ 460 z) 3 J: 0 z 7 z 1 J( 15-31 P): (- 80 z) (+ 100 z) n J: <1z
Metody ułatwiające pomiar: Dodatek substancji skracającej czas T 1, r(acac) 3 relaksant wygasza OE i utrudnia przeniesienie polaryzacji!! Wykorzystanie OE (wzmocnienie I / I o = - 4.94 ) Metody IEPT i DEPT ( wzmocnienie I / I o = 9.87!!) η -0.12-4.94 15 { 1 } log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o = 5.94 I / I o - 4.94 Intensywność sygnału może mieć wartość zero!! =- 2 jeden sygnał może być dodatni, drugi ujemny.
Protonowanie atomu azotu Utlenianie atomu azotu + + O O O - 63 ppm - 181 ppm - 63 ppm - 96 ppm - 96 ppm - 136 ppm Ustalenie miejsca protonowania cząsteczki Ph - 90.9 Ph - 144.4 + - - 74.1 + - S Ph S Ph - 66.9 Ph - 78.9-95.5 + S - 32.0-261.0 Ph J = 82 z
Kompleksowanie atomu azotu przez metal przejściowy: od - 7000 ppm do + 500 ppm δ( 15 ) = - 333.6 ppm 3-220.0-125.2-216.4-187.7 3 Rh δ( 15 ): - 18.9 ppm δ( 15 Ν) + 3.6 ppm ( 3 ) - 62.5 ppm (=-) + 3.1 ppm
Oznaczanie składu mieszaniny tautomerycznej Mieszanina badana Związki modelowe X X XMe X Me X X δ X + X δ = δ obs X X + X = 1
Magnetyczny rezonans jądrowy fluoru 19 F ( 19 F MRJ) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość 470.385 Mz (11.744 T) Wzorzec: Fl 3 (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: + 100 ppm - 250 ppm. Sprzężenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie Stałe sprzężenia J: J( 19 F- 1 ) J( 19 F- 19 F) J( 19 F- 13 ) 2 J: 40 z 90 z 2 J: do 300 z 1 J: 160 z 300 z 3 J: 0 z 50 z 3 J: ok. 20 z n J: 0 z 60 z 4 J: < 10 z 4 J: (- 20 z) (+ 20 z) J: (+ 5 z) (+ 18 z) F F 5 J( 19 F- 19 F) = 170 z (!!)
Magnetyczny rezonans jądrowy fosforu 31 P ( 31 P MRJ) aturalna zawartość: 100%, spin: 1/2, częstość 202.404 Mz (11.744 T) Wzorzec zewnętrzny: 3 PO 4 aq. (0 ppm) Typowy zakres przesunięć chemicznych: + 250 ppm - 300 ppm. Sprzężenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie teraz + - 0 ppm 0 ppm - + dawniej Stałe sprzężenia J: J( 31 P- 1 ) J( 31 P- 31 P) J( 31 P- 13 ) 1 J: 200 z 1000 z 1 J: 20 z 770 z 1 J: 0 z 250 z 2 J: 0 z 30 z 2 J: 40 z 150 z n J: 0 z 40 z 3 J: 0 z 20 z 3 J: 30 z 40 z 4 J: 2 z 4 z
Uwagi o sprzężeniach J uklid Zawartość (%) zęstotliwość (Mz, pole 11.7440 T) 3 0 533.317 1 99.9 500.000 13 1.108 125.721 15 0.37 50.664 19 F 100 470.385 29 Si 4.7 99.325 31 P 100 202.404 77 Se 7.58 95.338 115 Sn 0.35 163.498 117 Sn 7.61 178.126 119 Sn 8.58 186.362 F... F 19 F.19 F 100%... F 12.19 F 99% 13.19 F 1%... 12...12 98% 12 13 1% 13 12 1% 13 13 0.01% I OE = I o (1 + γ /2γ X ) = I o (1 ± υ /2υ X ) I IEPT = I o γ /γ X = I o (υ /υ X )
Satelitarne sygnały cyny na widmie 13 MRJ Trzy izotopomery aktywne w MRJ: 13 MRJ nm Sn- 13 83.46% 119 Sn- 13 8.58% J = a 117 Sn- 13 7.61% J= 0.956 a 115 Sn- 13 0.35% J= 0.877 a Możliwy efekt izotopowy!! 13 MRJ 1 J( 119 Sn, 13 ) = 487 z 1 J( 117 Sn, 13 ) = 466 z 3 J( 119/117 Sn, 13 ) = 24 z 2 J( 119/117 Sn, 13 ) = 77 z
n-bu n-bu Sn n-bu 1 MRJ 1 J( 117 Sn, 1 ) 1515 z 1 J( 119 Sn, 1 ) 1585 z 1 J( 115 Sn, 1 ) 1390 z
zułość pomiaru: 13 15 187 Os (X- 1 ): Pomiar 1D wprost : 1 1 1 Pomiar IEPT γ / γ X = ν / ν X 4 10 43 Pomiar 2D inverse ( γ / γ X ) 5/2 = (ν / ν X ) 5/2 32 306 12430 (X- 31 P): Pomiar 2D inverse (ν P / ν X ) 5/2 3.3 32 1296