Spektroskopia Jader 13 C i efekt Overhausera Literatura : 1. A. Ejchart, L.Kozerski, Spektrometria Magnetycznego Rezonansu Jądrowego 13 C. PWN, Warszawa 1988 (1981). 2. F.W. Wehrli, T. Wirthlin ; z ang. tł. Karol Jackowski i Wacław Kołodziejski. Interpretacja widm w spektroskopii 13 C NMR. PWN, Warszawa 1985. 3. D. Neuhaus, M. Williamson The Nuclear Overhauser Effect (VCH 1989).
13 C 1.1% spin ½ 125.721 MHz (11.744 T) 12 C 98.9% spin 0 nieaktywny w NMR
wzorzec: sygnał 13 C tetrametylosilanu (0 ppm); wzorzec wtórny : CDCl 3 77.16 ± 0.06 ppm, DMSO-d 6 39.52 ± 0.06 ppm, benzen-d 6 128.06 ± 0.06 ppm, aceton-d 6 29.84 ± 0.06 ppm / 206.26 ± 0.06 ppm, metanol-d 4 49.00 ±0.01 ppm... rozpuszczalniki: deuterowane; można używać w mieszaninie z rozpuszczalnikami niedeuterowanymi; zakres przesunięć chemicznych: 0 250 ppm; krotność (multipletowość) sygnału: zależna od techniki pomiaru; typowe widmo 13 C NMR: sprzężenia J( 13 C- 1 H) usunięte przez odsprzęganie; pozostają inne sprzężenia, np. z 19 F, 31 P; sprzężenia J( 13 C- 13 C) z powodu małej zawartości izotopu 13 C praktycznie nie mają wpływu na widmo intensywność sygnału: zaburzona (NOE, długi czas T1, do kilkudziesięciu sekund.
SYGNAŁY ROZPUSZCZALNIKÓW I(D) = 1 B 0 1 0 CDCl 3 J(D, 13 C) = 31.5 Hz CD 3 COCD 3 J(D, 13 C) = 19.5 Hz -1
Względna naturalna zawartość izotopu (%) Spin I w jednostkach h Współczynnik żyromagnetyczny Częstość Larmora ν 0 w polu magnetycznym 11.5 T Względna czułość NMR dla jednakowej liczby jąder Względna czułość NMR przy naturalnej zawartości izotopu 13 C 1.11 1/2 0.673 126 MHz 1/64 1/5600 1 H 99.98 1/2 2.675 500 MHz 1 1 Czas realaksacji T 1 dla 1 H kilka sekund, dla 13 C od kilku do kilkudziesięciu sekund
Liczba sygnałów w widmie 13 C NMR
Zakresy występowania sygnałów 13 C NMR
Przesunięcie chemiczne w widmie 13 C NMR (δ, ppm) Efekt α Efekt β Efekt γ Zmiana przesunięcia chemicznego w ppm Elektroujemność efekt ciężkiego atomu
Przesunięcie chemiczne w widmie 13 C NMR (δ, ppm) Grupy funkcyjne Elektroujemność podstawnika Wpływ hybrydyzacji atomu węgla Wpływ protonowania kation
Stała sprzężenia 13 C- 1 H (Hz) 1 J -przez 1 wiązanie: 3 J (wicynalna): do 10 Hz (obowiązuje zależność Karplusa) 2 J (geminalne): od 0 do 60 Hz (silna zależność od podstawienia i hybrydyzacji, zwykle mała wartość) dla związków aromatycznych: 1 J>> 3 J> 2 J> 4 J
Stałe sprzężenia 13 C- 13 C i inne jądra (Hz)
Jądrowy efekt Overhausera (Nuclear Overhauser effect) Efekt Overhausera zmiana intensywności sygnału atomu położonego w pobliżu innego atomu naświetlanego jego częstością rezonansową J(H,H) = 0 Hz ( odłegłość duża licząc wiązania) oddziaływanie przez wiązania tzw. Sprzężenie spinowo-spinowe (skalarne); Oddziaływanie dipolowe (sprzężenie dipolowe); Współczynnik wzmocnienia NOE : η A { X } = (I-I 0 )/ I 0 I- intensywność sygnału rezonansowego jądra A w układzie zaburzonym; I 0 - intensywność sygnału rezonansowego jądra A w układzie niezaburzonym;
W widmie NMR bezpośrednio obserwujemy tylko przejścia jednokwantowe (W 2,W 3 i W 1,W 4 ); przejście dwukwantowe - W 2 przejście zerokwantowe W 0
Generowanie efektu Overhausera dwóch jąder A i X (a) obsadzenia w stanie równowagi, względne różnice obsadzeń dla obu jąder dwie jednostki kółka. (b) stan zaburzony obsadzenie poziomów dla jąder X wyrównane (np. stan nasycenia po absorpcji promieniowania), dla jąder A różnice obsadzeń bez zmian. (c) relaksacja dwukwantowa powoduje zwiększenie populacji poziomu αα i odpowiedni spadek dla ββ. Zwiększenie różnicy obsadzeń dla przejść jąder A powoduję wzrost intensywności sygnału dodatni efekt NOE. (d) relaksacja zerokwantowa powoduje efekt przeciwny zmniejszenie różnicy obsadzeń poziomów αα i αβ oraz βα i ββ słabszy sygnał jąder A ujemny efekt NOE.
Wielkość NOE η maks = γ Η / γ H * σ NOE / ρ H, H [s -1 ] ω - częstość rezonansowa 1 H; r- odległość między jądrami; τ C czas korelacji cząsteczki -czas charakteryzujący szybkość z jaką cząsteczka zapomina o poprzednich położeniach, im krótszy τ c tym szybciej znika informacja o poprzednim stanie cząsteczki. dla danej ω wielkość σ NOE zależy od r -6 i czasu korelacji τ C ; wielkość σ NOE zeruje się dla ωτ C ~ 1.12; dla małych cząsteczek o relatywnie krótkich czasach korelacji (ωτ C < 1.12) szybkiej reorientacji w przestrzeni dominuje relaksacja dwukwantowa i NOE jest dodatni; dla dużych czasów korelacji cząsteczkowej ( lub wyższych polach B 0 (ωτ C > 1.12), dominuje relaksacja zerokwantowa i efekt NOE jest ujemny (zmiana znaku).
Szybkość narastania NOE Duża odległość między atomami Mała odległość między atomami Zależność η od czasu korelacji cząsteczki ω - częstość rezonansowa 1 H τ c czas korelacji cząsteczki (czas charakteryzujący szybkość z jaką cząsteczka zapomina o poprzednich położeniach, im krótszy τ c tym szybciej znika informacja o poprzednim stanie cząsteczki.)
Eksperymenty NOE Selektywne naświetlanie Krótki czas naświetlania: truncated driven NOE (TOE); selektywny impuls 180 o : transient NOE długi czas naświetlania: steady state NOE dη/dt ~ 1/r 6
transient NOE rotating-frame NOE (ROE) 180 o x 90 o x γb 1 << γb i dlatego ω 0 1 << ω 0 i (ωτ C < 1.12) szybkiej reorientacji w przestrzeni, dominuje relaksacja dwukwantowa i NOE jest dodatni steady state NOE η od 0.5 do -1 transient NOE η od 0.385 do -1 ROE η od 0.385 do 0.675
NOE warunki przeprowadzenia eksperymentu Próbka: eliminacja zanieczyszczeń paramagnetycznych: -tlenu atmosferycznego rozpuszczonego w roztworze, -kationów metali przejściowych (np. Cr3+ z chromianki), Odgazowanie próbki: przepuszczanie gazu obojętnego mało skuteczne, procedura zamrażanie próżnia rozmrażanie 3 6 razy zastosowanie specjalnej probówki NMR (zatapianie) Pomiar: należy wykonać kilka pomiarów brak NOE nie jest potwierdzeniem struktury obecność NOE nie jest w pełni potwierdzeniem struktury
PRESATURACJA SYGNAŁU Uboczny skutek eksperymentu NOE: usunięcie sygnału z widma
Echo spinowe Wektor makroskopowej magnetyzacji Usuwanie szerokich sygnałów
(Carr-Purcell Meiboom-Gill) Wielokrotne echo -CPMGd1-90x (-d2-180y -d2-) n -AQ 2d 2 4d 2 6d 2 8d 2
Czynniki wpływające (+) i nie wpływające (-) na amplitudę echa Zastosowania SE i CPMG: l.p. Czynnik SE CPMG Element sekwencji wieloimpulsowych 1 2 Niejednorodność B 0 Dyfuzja - + - + - Wygaszanie szerokich linii 3 4 Relaksacja poprzeczna Relaksacja podłużna + - + - Unikanie efektów zakłóceń bezpośrednio po impulsie obserwacyjnym 5 6 Wymiana chemiczna Przesunięcia chemiczne + - +- - Pomiar T 2 7 J-heterojądrowe - - Pomiar szybkości dyfuzji 8 J-homojądrowe + + - Pomiar szybkości wymiany chemicznej
HOMODECOUPLING, ODSPRZĘGANIE
Widmo z dekaplingiem Widmo bez dekaplingu
Jądrowy efekt Overhausera (Nuclear Overhauser effect) Dla układu 13 C- 1 H Wzmocnienie: (I-I 0 )/ I 0 = 1.99
Pomiar widma 13 C power gated decoupling - odsprzężone widmo z NOE -pinen inverse gated decoupling (odsprzężone widmo bez NOE) z odsprzęganiem- gated decoupling (sprzężone widmo z NOE) bez naświetlania protonów (sprzężone widmo bez NOE)
Widmo ilościowe: eliminacja NOE pełna relaksacja próbki (D1 = 5*T1; T1= 2-3 s dla CH n, 30 s i więcej dla C IV ) dodatek substancji przyśpieszającej relaksację ( relaksant, np. Cr(acac) 3 ) w ilości 1% molowo. Dodatek relaksanta uniemożliwia wiele innych pomiarów NMR, np. NOE Widmo półilościowe : pomiar i porównywanie tylko sygnałów CH n Optymalizacja pomiaru 13 C NMR: -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
Zastosowanie sprzężonego widma 13 C NMR:
Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer)
Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer) SPT Selective Population Transfer SPI Selective Population Inversion
Stan równowagi Po impulsie selektywnym 180(H 2 ) p(ββ) p(βα) p(αβ) p(αα) 0,25-h-c 0,25-h+c 0,25+h-c 0,25+h+c 0,25+h-c 0,25-h+c 0,25-h-c 0,25+h+c Stan równowagi Po selektywnym impulsie 180(H 2 ) Int(C 2 )= p(βα) p(ββ) 2c 2c 2h Int(C 1 )= p(αα) p(αβ) 2c 2c + 2h
SPT Selective Population Transfer Te zaburzenia są lepiej widoczne na widmie różnicowym SPT zniekształca intensywności multipletu protonu gdy częstotliwość rezonansowa sprzężonego jądra jest nierównomiernie nasycona Niezaburzone widmo jest nasycone
INEPT - Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer J = 135 150 Hz 1/4J = 1.85 1.67 ms (10%) J = 2 4 Hz 1/4J = 125 67 ms (50%)
Multiplety 13 C po sekwencji INEPT CH CH 2 CH 3 Decoupled, refocused INEPT INEPT
Trzy wersje eksperymentu INEPT: INEPT, refocused INEPT, decoupled, refocused INEPT Widma 13 C kwasu mrówkowego
Eksperyment DEPT - Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer Optymalizacja wartość J kąt α E=(γ H / γ C ) sinα
Terpen - andrografolid 13 C
APT- Attached Proton Test
Ewolucja wektorów namagnesowania jader 13 C pod wpływem sprzężeń proton-jadro 13 C
INADEQUATE -Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment
Satelity węglowe na widmie 13 C NMR INADEQUATE 100 x silniejszy Układ AB lub AX
Wartości stałych sprzężenia 13 C- 13 C
DOSY- Diffusion-Ordered SpectroscopY Pomiar dyfuzji odbywa się przez obserwację tłumienia sygnałów NMR podczas eksperymentu z gradientem pola impulsowego. Stopień tłumienia jest funkcją gradientu magnetycznego amplitudy impulsu (G) i występuje z szybkością proporcjonalną do współczynnika dyfuzji (D) w cząsteczce. I(f,z) = I A (f) exp(-d A Z) Gdzie: -I -obserwowana intensywność sygnału, -I 0 - intensywność dla zerowej mocy gradientu, -G gradient, - D- współczynnik dyfuzji, - -deley
izomentol
2D-DOSY