Podstawowe oddziaływania w cząsteczkach istotne dla spektroskopii MRJ

Podstawowe oddziaływania w cząsteczkach istotne dla spektroskopii MRJ Ekranowanie jądra przez elektrony B ef = B o (1 σ) Oddziaływanie spin spin sprzęŝenie pośrednie (skalarne) J sprzęŝenie bezpośrednie (dipol dipol) D oddziaływanie spinu z niesparowanym elektronem (metale przejściowe, wolny rodnik) SprzęŜenie kwadrupolowe (jądra o spinie > 1/2) (Procesy relaksacyjne)

Ekranowanie jądra przez elektrony B ef = B o (1 σ) σ =( σ dia + σ para ) + σ AB + σ delok. B o e σ dia + σ para σ AB σ AB σ delok. Indukowane pole magnetyczne przesunięcie chemiczne (δ) = ekranowanie (σ) ekranowanie wzorca (σ ref )

Ekranowanie - wielkość anizotropowa B ef = B o (1 σ) Anizotropia przesunięcia chemicznego: róŝna wartość przesunięcia chemicznego (ekranowania) w zaleŝności od orientacji cząsteczki względem pola magnetycznego B σ σ xx σ xy σ xz σ yx σ yy σ yz σ zx σ zy σ zz σ iso = 1/3 (σ xx + σ yy + σ zz ) tensor ekranowania roztwór Roztwór: wartość średnia przesunięć chemicznych (ekranowania) Ekranowanie (przesunięcie chemiczne) zaleŝy od indukcji pola magnetycznego

Skala przesunięć chemicznych δ (skala ppm) ν x ν ref PołoŜenie sygnału: zęstość rezonansowa (np. 500 130 125 z) 500 130 125 z duŝe liczby, zaleŝność od indukcji pola magnetycznego (typu aparatu) Mz zęstość względna: ν x ν ref [z] Skala przesunięć chemicznych ppm (parts per milion) zaleŝność od indukcji pola magnetycznego wartość niezaleŝna od indukcji pola magnetycznego δ = ν x - ν ref ν 0 ν x - ν ref [z] 10 6 = [Mz] ν 0 " ppm " niskie (słabe) pole odsłanianie + - wysokie (silne) pole przesłanianie

D J n J( 1-1 ) Oddziaływanie spin spin - sprzęŝenie skalarne J, sprzęŝenie pośrednie - sprzęŝenie dipol-dipol D, sprzęŝenie bezpośrednie Wielkość stałej sprzęŝenia jest niezaleŝna od indukcji pola magnetycznego Wielkość stałej sprzęŝenia wyraŝamy w hercach ( stała sprzęŝenia ) (z) Stałe sprzęŝenia J i D mogą być większe lub mniejsze od 0! Uwaga na znak! od a do b od a do b!!! w tym drugim przypadku a moŝe być równe 0!!

SPRZĘśENIE SKALARNE (POŚREDNIE) J Stała sprzęŝenia J moŝe mieć wartość mniejszą lub większa od zera Wartość bezwzględna J: od 0 do 9000000 z (!!) SprzęŜenie J składa się z czterech członów eksperymentalnie nierozróŝnialnych, ale istotnych w przypadku obliczeń teoretycznych* J jest wielkością anizotropową, zaleŝy od orientacji cząsteczki SprzęŜenie J jest funkcją struktury elektronowej molekuły i współczynników magnetogirycznych obu jąder Zredukowana stała sprzęŝenia K AB : * zgodnie z nierelatywistyczną teorią Ramseya, N. F. Ramsey, Physical Review, 1953, 91, 303

Obliczanie parametrów MRJ Reguły empiryczne (np. metoda inkrementów, zaleŝności Karplusa) Metody MQ nierelatywistyczne (Gaussian, Dalton,...) relatywistyczne (ADF,...) Gaussian: # nmr=giao b3pw91/6-311++g(2d,p)... # nmr=(giao,spinspin) b3pw91/6-311++g(2d,p)... wynik: Tensor ekranowania (wartości σ), istotna jest wartość izotropowa ( isotropic ) δ obl. = σ obl. ref - σ obl. ztery człony stałej sprzęŝenia (J oraz K): kontaktowy Fermiego (Fermi contact, F) spinowo-dipolowy (spin-dipolar, SD) paramagnetyczny spinowo-orbitalny (paramagnetic spin-orbit, PSO) diamagnetyczny spinowo-orbitalny (diamagnetic spin-orbit, DSO) Total

3 3 Obliczone wartości δ optymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p) 3 O obl. (ppm) 2.5 2 r 2 = 0.997 rms 0.053 2.5 obl. (ppm) r 2 = 0.897 2 rms 0.287 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 δ eksp. = 0.944δ obl. 0.054 eksp. (ppm) 0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 eksp. (ppm) δ eksp. = aδ obl. + b a = 1?? b = 0??

Obliczone wartości δ optymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p) O O (41 rotamerów) (13 rotamerów) obl. (ppm) 4 3 r 2 = 0.989 rms 0.16 obl. (ppm) 4 3 r 2 = 0.999 rms 0.05 2 2 1 1 0 1 2 3 4 eksp. (ppm) 0 1 2 3 4 eksp. (ppm)

3 X 1 2 3 Obliczone wartości J optymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p) 2 J(1,3) X F SD PSO DSO J eksp. -0.35 +0.31 +3.29-3.51-0.26 +2.5 F -3.89 +0.19 +3.34-3.52-3.87-3.2 N 2-2.10 +0.23 +3.31-3.39-1.90 0.0 1 J(1,2) +135.0 +0.01 +0.55 +0.56 +136.1 T. elgaker, M. Jaszuński and M. Pecul, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2008, 53, 249 J. Autschbach and S. Zheng, Annual Report on NMR Spectroscopy, 2009, 67, 1 J Vaara, J. Jokisaari, R. E. Wasylishen and D. L. Bryce, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2002, 41, 233

SPRZĘśENIE BEZPOŚREDNIE D Wielkość stałej sprzęŝenia D zaleŝy od orientacji sprzęgających się atomów względem pola magnetycznego oraz od odległości r pomiędzy atomami W roztworze sprzęŝenie D uśredniają się do zera i nie wpływają na strukturę multipletową widma. SprzęŜenia D odgrywają istotną rolę w procesach relaksacyjnych (NOE) B o α D ~ [3cos 2 (α) 1] (r -3 ) α = 54.74 o D = 0

ODDZIAŁYWANIE SPINU Z NIESPAROWANYM ELEKTRONEM Niesparowane elektrony występują w atomach metali przejściowych i wolnych rodnikach Wpływ na widmo: skrócenie czasu relaksacji i poszerzenie sygnałów (wszystkich!!) zmiana przesunięcia sygnałów (np. kilkaset ppm w przypadku 1 ) SPRZĘśENIE KWADRUPOLOWE Występuje w jądrach posiadających moment kwadrupolowy, czyli jądrach o spinie większym niŝ ½. Wpływ na widmo: skrócenie czasu relaksacji i poszerzenie sygnałów jądra o spinie >1/2 Relaksacja: oddziaływanie spinów ze zmiennym polem magnetycznym generowanymi przez cząsteczkę.

o moŝna zmierzyć metodami MRJ? e Li Be B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba La f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac e Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr pierwiastki posiadające co najmniej jeden izotop o spinie 1/2

PODZIAŁ IZOTOPÓW spin = 1/2 spin > 1/2 duŝa zawartość naturalna 1, 19 F, 31 P 14 N mała zawartość naturalna 3, 13, 15 N 2, 17 O, 33 S Inny podział: izotopy o małej lub duŝej częstotliwości rezonansowej

MAGNETYZNY REZONANS JĄDROWY WODORU 1 NMR, ( 2 NMR, 3 NMR) 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 NMR wykonane w roztworze: Widmo protonowe, 1 NMR ( 1 MRJ): PołoŜenie sygnałów (przesunięcie chemiczne, ppm) Wzorzec: tetrametylosilan, Si( 3 ) 4 0 ppm Typowy zakres przesunięć chemicznych: 0 15 ppm Struktura sygnałów (krotność lub multipletowość, sprzęŝenie 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 Nierównocenne atomy (grupy atomów) oznacza się róŝnymi literami alfabetu DuŜa róŝnica przesunięć chemicznych = litery odległe w alfabecie Przykłady: układ AB układ AMX układ A 3 X 2 FAZA IEKŁA ILOŚĆ SYGNAŁÓW 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 Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2000 Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych R.M.Silverstein, F.X.Webster, D.J.Kiemle, Wydawnictwo Naukowe PWN, 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 rozróŝnia enancjomerów, a rozróŝnia 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) N OR 3 3 Ukryte wiązanie podwójne N O N 3 3 O N 3 3 O R2 N R1 O R1 N R2 R X Y R

Rozpuszczalniki stosowane w 1 NMR 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 Na DSS

Kilka przesunięć chemicznych 1 NMR (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 -N( 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 N 2 3 5

Kilka przesunięć chemicznych 1 NMR (ppm) 7.3 7.6 7.3 X 6.5-8.2 N 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 N N N N 10-11 - 4 N 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 NMR wywołane metalem przejściowym: do ± 600 ppm l N N Fe 3+ N N 1 NMR (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)

SprzęŜenie pośrednie (skalarne) J sprzęŝenie geminalne 2 J gem sprzęŝenie wicynalne 3 J vic sprzęŝenie dalekiego zasięgu n J 2 J gem 2 J( 1-1 ) 1 J( 13-1 ) 3 J(5-6) Stała sprzęŝenia J ma znak Określenie znaku stałej sprzęŝenia wymaga dodatkowych eksperymentów Nazwy sprzęŝeń dotyczą dwóch dowolnych jąder, nie tylko protonów SprzęŜenia pomiędzy jądrami równocennymi chemicznie nie wpływają na strukturę multipletów (w widmach I rzędu!!)

Geminalna stała sprzęŝenia 2 J gem (atom sp 3 ) 2 J gem = (+ 6) (- 20) z (- 12) (- 14) 4-12.4 (- 11) (- 18) 3 N N 2 N - 16.9-20.3 X (- 3) (- 9) (+ 6) (- 1.4) - 12.9-11.2 O O - 6.1 (X = NR, J 0 z)

Geminalna stała sprzęŝenia 2 J gem (atom sp 2 ) R X X = F - 3.2 N 2 0 + 2.5 Li + 7.1 3 R O O N 3 +42 9.0 15.8 7 17

Nietypowe sprzęŝenia 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 sprzęŝenia 3 J vic ZaleŜność 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 N 2 R OO N 2 R N 2 R OO R O N N R N O R O N R N O R O N R N O R O N R N O R O N R N O R O N R N O R O 3 J( 1-1 ) 3 J( 13-1 ) 3 J( 15 N- 1 ) 3 J( 15 N- 15 N) 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, N. astillo, D.N. Sears, R. E. Wasylishen, T. L. Lowary, P.-N. 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) N. 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 SprzęŜenie W ok. 1 z

Konstrukcja multipletów Widma NMR dzielą się na widma pierwszego i drugiego rzędu. W widmach pierwszego rzędu: δ >> J brak atomów magnetycznie nierównocennych sprzęŝenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi nie wpływają na krotność (multipletowość) sygnałów; np. sygnał grupy 3 jest singletem, znak stałej sprzęŝenia nie wpływa na strukturę multipletu, δ i J moŝna odczytać wprost z widma W widmach drugiego rzędu: δ J, i / lub są atomy nierównocenne magnetycznie sprzęŝenia pomiędzy atomami chemicznie równocennymi i znak stałej sprzęŝenia 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

Nierównocenność protonów w grupie 2 (widmo w Dl 3 ) Układ A 3 MNX 2 3 3 N N( 3 ) 2 2 3 3 N 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

NIERÓWNOENNOŚĆ MAGNETYZNA* Równocenność / nierównocenność magnetyczna: dotyczy atomów równocennych chemicznie Dwa atomy są równocenne magnetycznie, kiedy: są równocenne chemicznie stałe sprzęŝenia 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' N = 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 N = 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

WIDMO SATELITARNE: 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 NMR I PRZYZYNY BŁĘDÓW cz.2

Przygotowanie próbki Próbka o odpowiednim stęŝeniu, rozpuszczona w odpowiedniej ilości deuterowanego rozpuszczalnika, bez osadu i stałych zanieczyszczeń. zy moŝna uŝyć rozpuszczalnika nie deuterowanego? Brak sygnału deuteru; brak sygnału uŝywanego do regulacji jednorodności pola i do stabilizacji pola. MoŜna ewentualnie uŝyć sygnału FID-u. l 3, 2 l 2... konieczność usuwania sygnału rozpuszczalnika. l 4, S 2, freon... moŝna uŝyć; ew. zastosować rozpuszczalnik deuterowany w kapilarze. Wzorzec: zewnętrzny lub wewnętrzny. MoŜna uŝyć sygnału resztkowego rozpuszczalnika.

Przykładowe widmo 1 NMR wykonane w roztworze: stała sprzęŝenia J (z) połoŝenie sygnału (przesunięcie chemiczne) intensywność integralna całka

BŁĘDY I I PRZYZYNY Przesunięcie chemiczne niedoskonałość wzorca ( wewnętrzny TMS) błąd do ± 0.5 ppm (!!). W precyzyjnych pomiarach naleŝy stosować wzorzec zewnętrzny. efekty stęŝeniowe, temperatura próbki, asocjacja związku, itp. rozdzielczość spektralna (0.3 0.8 z) typowa dokładność δ( 1 ): nie więcej niŝ ± 0.01 ppm Wartość stałej sprzęŝenia J rozdzielczość spektralna (0.3 0.8 z) (!!!) nakładanie się sygnałów typowa dokładność J: nie więcej niŝ ± 0.3 z dokładność moŝna zwiększyć poprzez optymalizację pomiaru Intensywność integralna: niepełna relaksacja próbki rozdzielczość spektralna zaburzenia linii podstawowej widma, nieprawidłowa faza widma typowy błąd: do 10%

Niepełna relaksacja próbki

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 N O 2.94 2.8 2.3 4 df. S OOMe 2.6 2.9 3.0 0.7 0.8 0.95

Optymalizacja pomiaru 1 NMR T1: dla 1 0.2 2 s lub dłuŝej (!) A sygnał szum Typowe parametry: 1 : d1 = 0 s, at = 3 5 s, pw = 30 90 o t (sek) d1 pw at A t (sek) Parametry do optymalizacji: d1 moŝna wydłuŝyć do kilkunastu sek. = bardziej wiarygodna intensywność integralna at powinien być optymalny (zazwyczaj nie trzeba zmieniać) zmiana powoduje zmianę np np ilość punktów FID-u; zmiana powoduje zmianę at fn ilość punktów widma (2 n ); zazwyczaj 32K lub 64K; moŝna zwiększyć do 128 K. Poprawia rozdzielczość spektralną widma; parametr waŝny przy pomiarze stałej sprzęŝenia J i dokładnym całkowaniu.!! Rozdzielczość jest ograniczona naturalną szerokością linii!! sw zakres występowania sygnałów; za duŝy = gorsza rozdzielczość; za mały = sygnały zawinięte (lub zgubione ). Krótki sw = długi czas at pw raczej nie zmieniać, ew. skrócić (zbyt długi puls = moŝliwość uszkodzenia aparatu!!) gain szczególnie waŝny przy pomiarach protonowych (za duŝy = deformacja widma)

Przypomnienie: dobór czułości odbiornika ( receiver gain ) gain gain = n lub 0 39 za mała wartość źle wykorzystana czułość aparatu za duŝa wartość obcięcie sygnału A t (sek) Jeśli gain = 0 za duŝy, naleŝy zmniejszyć pw (np. o 50%)

Przypomnienie: funkcje waŝące stosowane w 1 NMR (1D) A FT MnoŜenie przez funkcję wykładniczą (Exponential Multiplication, EM) y = exp(-at/t a ) t (sek) EM, FT LB = 1 y A t (sek) t (sek) MnoŜenie 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 EF lub EM i FT A LB = -1.2; GB = 0.1 1 (Bruker) t (sek)

Tematy związane nie tylko z 1 NMR wpływ temperatury na widmo efekt Overhausera presaturacja sygnału (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) echo spinowe rezonans podwójny ( homodecoupling )

Wpływ temperatury na widmo Ph N Ph N N 2 3 N + N- + N N O 2 N - 3 O 2 3 318 K 303 K 253 K

Wpływ temperatury na widmo 3 N 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 (Nuclear Overhauser Effect, NOE) Efekt Overhausera zmiana intensywności sygnału atomu połoŝonego w pobliŝu innego atomu naświetlanego jego częstością rezonansową J(,) = 0 z (duŝa odległość liczona po wiązaniach) D(,) 0 z (mała odległość liczona poprzez przestrzeń) υ 0 D.Neuhaus, M.Williamson The Nuclear 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 róŝnicowe 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 NMR 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 NOE: υ 0 η 50% maksymalna wartość η dla układu 1 1 : 50% duŝa odległość między atomami mała odległość między atomami czas naświetlania [s] ZaleŜność 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 NOE 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 NOE-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 NOE <r -6 > x y (x+y)/2 Odległość wg NOE: {[ (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 NOE (TOE) długi czas naświetlania: steady state NOE selektywny impuls 180 o : transient NOE dη/dt ~ 1/r 6 η czas

transient NOE rotating-frame NOE (ROE) 180 o 90 o spin lock η 0 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 log(ωτ c ) I.Bertini, oord. hem. Rev., 150 (1966) 163

NOE 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 zamraŝanie próŝnia rozmraŝanie 3 5 razy zastosowanie specjalnej probówki NMR Pomiar: wykonać kilka pomiarów (co najmniej dwa) brak NOE nie jest potwierdzeniem struktury obecność NOE nie jest potwierdzeniem struktury

REZONANS PODWÓJNY

REZONANS PODWÓJNY (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 SYGNAŁU

Uboczny skutek eksperymentu NOE: usunięcie sygnału z widma Widmo odniesienia υ 0 Widmo naświetlone Selektywne naświetlanie: wyrównanie obsadzeń poziomów energetycznych PRESATURAJA SYGNAŁU usuwanie sygnału rozpuszczalnika przez jego selektywne naświetlanie. ZASTOSOWANIE: usuwanie silnego sygnału rozpuszczalnika, np. w próbkach białek i DNA w środowisku 2 O (nie D 2 O!!)

PRESATURAJA SYGNAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) 2 O

PRESATURAJA SYGNAŁU (usuwanie sygnału rozpuszczalnika) Problem: 1% związków organicznych w wodzie; nie moŝna odparować wody ani wydzielić związku Sygnał wody ponad 100 razy silniejszy niŝ sygnały badane 2 O Próbka: 60% roztworu + 40 % D 2 O 9.0 ppm -1.0

USUWANIE SZEROKIEGO SYGNAŁU Szerokość sygnału zaleŝy od czasu relaksacji T 2??? Szeroki sygnał = krótki T 2 Wąski sygnał = długi T 2 początek rejestracji sygnału

EO SPINOWE

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 N ok. 99% 13-15 N ok. 1% 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100