MAGNETYZNY REZONANS JĄDROWY WĘGLA NMR.% spin ½ 25.72 Mz (.744 T) 2 98.9% 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)
Spektroskopia NMR: wzorzec: sygnał tetrametylosilanu (0 ppm) wzorzec wtórny : Dl 3 77.0 ppm, DMSO-d 6 39.5 ppm, benzen-d 6 28.7 ppm, aceton-d 6 30.2 / 205. ppm, metanol-d 4 49.3 ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; moŝna uŝywać mieszanin z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi (!) zakres przesunięć chemicznych: 0 250 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
Ilość sygnałów 3 3 3 3 3 Y * X 3 3 X X X X X grupy metylowe równocenne (swobodna rotacja) grupy metylowe nierównocenne (związek chiralny) X 3 4 2 3 3 3 F X X X Y 6 6 4 Y Y O N 3 3 grupy metylowe nierównocenne (zahamowana rotacja)
Przesunięcie chemiczne (δ, ppm) efekt α efekt β efekt γ 4 ppm - 2. 3 3 ppm 5.9 3 2 3 ppm 5.6 3 3 5.9 3 2 3 5.6 3 2 2 3.2 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 6. 25.2 27.9 3 3 3 3 3 3 3 24.3 3.5 3 3 3 2 3 3 2 3.5 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. 70.0 F Elektroujemność / efekt cięŝkiego atomu - 0. - 0.6-5.2 0. 30.5 l F 4 / F 3 / 2 F 2 / 3 F 20-75 ppm 0.0-0.6-4.0 0.2 9.2 Br l 4 / l 3 / 2 l 2 / 3 l 00-20 ppm - 0. -.0-2.0 0.6-7.5 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 0.4 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 220-40 ppm 22.8 72.8 28.5-34.3 24.9-59.7 4.8-5.4 3.3-6.9 -.3-0.7-7.2-5.9-3.6 7.7-37.4. - 73.3-37.3 4.9 30.3 5.8 F l Br I O 3 O N O S N 65-45 ppm 20-80 ppm 25-0 ppm Wpływ protonowania ( δ δ, ppm) N S N O 40-0 ppm 0-20 ppm Karbokation, (δ, ppm) - 0.7 -.2 + 330-00 ppm - 0.5-5.5-0.5-3.5 -.4 N 2 OO δ sól - δ amina δ sól - δ kwas
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 2 2 99 z N N 208 z 59 z l 3 24 z 249 z 2 200 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
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- ) 60 300 z n J( 9 F- ) 0 20 z 3 P (spin ½) J( 3 P- ) 0 250 z n J( 3 P- ) 0 20 z kilka-kilkanaście z 2 (D) (spin ) J( - 2 ) = J( - ) / 6.5
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)
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
Efekt Overhausera (NOE) układ {} η.99 { } 0.5 log ( ωτ ) Wzmocnienie: (I I o ) / I o =.99
Widmo NMR sprzęŝone (widmo wysokiej rozdzielczości high resolution R) Dwa sposoby wykonania widma: (z NOE) (bez NOE)
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
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( - )
N 2 I
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)
NOE odsprzęganie dm = yyy NOE odsprzęganie brak NOE odsprzęganie dm = nny NOE brak odsprzęgania dm = yyn brak NOE brak odsprzęgania dm = nnn
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)
Zastosowanie sprzęŝonego widma NMR: identyfikacja zasłoniętego sygnału i N N N D = 30 sek. D = 0.5 sek.
Spektroskopia NMR techniki specjalne
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
Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) l 3 l 3 % 2 l 3 99% 500 Mz 25 Mz czułość: : = : 0.059 > ~ exp(- E / kt )
SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion l 3 + - - selektywna zmiana obsadzenia poziomów (naświetlanie, lub sel. 90 o / 80 o ) NMR NMR NMR NMR : 5 : - 3
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 =.85.67 ms (0%) J = 2 4 z /4J = 25 67 ms (50%)
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 )
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 45 90 o DEPT 90 5 o DEPT 5 t 0 o 80 o
DEPT 90 DEPT 5 DEPT 45
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 45 90 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)
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
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!!
satelity węglowe na widmie NMR 80 z 40 z l 3 izotopomer - (%) 24 z l 3 izotopomer - 2 (99%)
Widmo NMR R Widmo NMR Widmo NMR filtrowane (usunięte sygnały 2 - ) * * * *
Pomiar stałej sprzęŝenia J( - )
satelity węglowe na widmie NMR * zastosowanie filtru dwukwantowego * izotopomer - (0.0%) 36 z izotopomer - 2 (%) izotopomer 2-2 (99%) nieaktywny w NMR
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
2 2 2 nieaktywny w NMR 2 2 sygnał odfiltrowany 2 dublet 2 dublet dublet dubletów
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 3 3 49.8 z 4.2 z N O 3 3 42.5 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. 293-448, 989
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