SPEKTROSKOPIA MAGETYZEGO REZOASU JĄDROWEGO IZOTOPÓW IY Iś 1 i 13
o moŝna zmierzyć metodami MRJ? e Li Be B O F e a Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o i u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr b 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 d Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu Th Pa U p Pu Am m Bk f Es Fm Md o Lr pierwiastki posiadające co najmniej jeden izotop o spinie 1/2
11.744 T Mz 13 1 197 Au 2 (D) 31 P 19 F 3 (T) 8.563 76.753 202.404 470.385 125.721 500 533.317 15 50.664 14 36.118 118 izotopów o liczbie spinowej róŝnej od 0
PODZIAŁ IZOTOPÓW spin = 1/2 spin > 1/2 duŝa zawartość naturalna 1, 19 F, 31 P 14 mała zawartość naturalna 3, 13, 15 2, 17 O, 33 S Jądra o spinie większym niŝ 1/2 posiadają moment kwadrupolowy; z powodu sprzęŝenia kwadrupolowego ich czas T 1 jest krótki Drugi czynnik skracający T 1 : niesparowane elektrony (np. metale przejściowe)
+ Jądro o spinie ½ Ładunek dodatni rozłoŝony symetrycznie Moment kwadrupolowy Q równy zero + + + + Jądro o spinie większym niŝ ½ Ładunek dodatni rozłoŝony niesymetrycznie Moment kwadrupolowy Q róŝny od zera Miara oddziaływania momentu kwadrupolowego z polem elektrycznym cząsteczki: sprzęŝenie kwadrupolowe Stała sprzęŝenia kwadrupolowego QF (z): e 2 Qq zz h 1/T 1 = 1/T 2 ~ QF, η, τ c
I szerokość połówkowa sygnału (z) szerokość w połowie wysokości, half-width, LW, W 1/2 ½ I W 1/2 ~ 1/T 2 Jądra o spinie ½ ( 1, 13, 15...): W 1/2 = 0.3 1.5 z Jądra o spinie > ½ : W 1/2 = kilka z kilka kz lub więcej (!!!)
Trudność rejestracji widma MR jąder o krótkim czasie T 2 (T 1 ) T 1 >= T 2 D1 (0 s) AQ W 1/2 ~ 1/T 2 nm X czas T 2 krótki = W 1/2 duŝa prescan delay (> 10 µs) Relaksacja próbki trwa w czasie całego eksperymentu Sygnał próbki moŝe zaniknąć zanim rozpocznie się rejestracja (dla krótkich czasów T 1 ) Skrócenie odstępu pomiędzy pulsem a rejestracją zaburza linię podstawową widma Korzystny krótki impuls o duŝej mocy moc jest ograniczona wytrzymałością sondy 90 o 90o 90 o + - sygnał + zaburzenie zaburzenie
SprzęŜenia z jądrem o spinie większym niŝ 1/2 spin ½ - dwie moŝliwe orientacje wektora µ w polu magnetycznym spin 1 - trzy moŝliwe orientacje wektora µ w polu magnetycznym z z x x y y spin ½ (rzut na oś z: 1/2, -1/2) spin 1 (rzut na oś z: 1, 0, -1 spin 3/2 (rzut na oś z: 3/2, 1/2, -1/2, -3/2
SprzęŜenie jądra o spinie 1 z jądrem o spinie ½ (sygnał 13 w l 3 i Dl 3 ) 1 J( 13-2 ) = 32 z 1 J( 13-1 ) = 214 z l 3 l 3 Dl 3 Efekt izotopowy δ(l 3 ) δ(dl 3 ) = 0.2 ppm
Wpływ jądra o spinie > ½ na kształt sygnału jądra o spinie ½ ( efekt odsprzęgania, przypadek 1 / 14 ) Kształt sygnału: T Q, J Symulacja dla układu 1-14 1 J( 14-1 ) = 60 z 1 14 1 MR 1 : 14 : T Q 0.0004 s 0.001 s 0.003 s 0.009 s 0.04 s W 1/2 800 z 320 z 100 z 35 z 8 z
Magnetyczny rezonans jądrowy azotu 15 ( 15 MR) 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)
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 sprzęŝenia: 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 moŝe mieć wartość zero!! =- 2 jeden sygnał moŝe 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 azotu 14 ( 14 MR) aturalna zawartość: 99.64%, spin: 1, częstość: 36.118 Mz (11.744 T) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 15 MR: sygnał 14 nitrometanu (0 ppm) lub ciekłego amoniaku (0 ppm); Przesunięcie chemiczne: jak przesunięcie chemiczne 15, z dokładnością do 1 ppm zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 2 = T 1 < 1 sekundy. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Widmo: szerokie sygnały, od kilkudziesięciu z do kilku kz. Szerokość sygnału zaleŝna m.in. od symetrii otoczenia chemicznego i gęstości ładunku wokół jądra. Stałe sprzęŝenia J: J( 15 -X) = -1.4027 J( 14 -X). Bardzo często występuje efekt odsprzęgania i sprzęŝenia są niewidoczne. Jądro 14 rozczepia sygnał jądra o spinie 1/2 na trzy składowe, nie na dwie!!
R4 R3 + R1 R2 X - Inne związki dogodne do pomiarów 14 MR: R1 = R2 = R3 = R4 ostry sygnał 14 (mała gęstość ładunku, symetria otoczenia) izonitryle R nitrozwiązki RO 2 grupy R róŝne: poszerzenie sygnału 14 (zaburzona symetria) Aminy: szerokie sygnały 14
2 J( 14-1 ) = 1.6 z 3 J( 1-1 ) = 6.8 z Ph + 1 J( 14-13 ) = 4.7 z 3 1 J( 14-13 ) = 6.5 z * * 3 J( 14-1 ) = 2.2 z 3 J( 1-1 ) = 6.8 z 2 J( 14-13 ) = 0 z
Pomiar 15 : probówka 10 mm; ok. 100 150 mg związku, kilkugodzinny czas pomiaru Pomiar 14 : kilkadziesiąt mg związku, czas pomiaru: kilka kilkanaście minut
Magnetyczny rezonans jądrowy fluoru 19 F ( 19 F MR) 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. SprzęŜenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie Stałe sprzęŝenia 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 MR) 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. SprzęŜenia z 1 mogą być usunięte przez odsprzęganie teraz + - 0 ppm 0 ppm - + dawniej Stałe sprzęŝenia 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
Magnetyczny rezonans jądrowy tlenu 17 O ( 17 O MR) aturalna zawartość: 0.037%, spin: 5/2, częstość 67.784 Mz (11.744 T) Wzorzec zewnętrzny: 2 O (0 ppm) Zakres przesunięć chemicznych: 0 ppm 1100 ppm. SprzęŜenia z innymi jądrami: zazwyczaj niewidoczne (są wyjątki, np. R 3 P=O) zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 1 = T 2 < 1 s. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Sygnały: szerokie, od kilkudziesięciu z do kilku kz Przykładowe przesunięcia chemiczne: alkohole, etery od - 40 ppm do + 100 ppm ketony, aldehydy od + 580 ppm do + 540 ppm aceton 573 ppm nitrometan 607 ppm azotyny (-=O) od + 800 ppm do + 860 ppm r 2 O 2-7 ok. + 1120 ppm octan etylu 172 ppm (-O-), 308 ppm (=O)
Magnetyczny rezonans jądrowy siarki 33 S ( 33 S MR) aturalna zawartość: 0.76%, spin: 3/2, częstość 38.348 Mz (11.744 T) Wzorzec zewnętrzny: S 2 (0 ppm) Zakres przesunięć chemicznych: od + 750 ppm do 240 ppm ppm. SprzęŜenia z innymi jądrami: zazwyczaj niewidoczne zas relaksacji T 1 : bardzo krótki, T 1 = T 2 < 1 s. MoŜna skrócić czas D1 i AQ. Sygnały: szerokie, od kilkudziesięciu z do kilku kz i więcej (!!!) S S O R S O + S - 240 ppm - 30 ppm od 300 ppm do 340 ppm R 750 ppm
Magnetyczny rezonans jądrowy wodoru 2 i 3 ( 2 MR, 3 MR) aturalna zawartość deuteru ( 2, D): 0.015%, spin: 1, częstość 76.753 Mz (11.744 T) aturalna zawartość trytu ( 3, T): 0%, spin: 1/2, częstość 533.317 Mz (11.744 T) Zakres przesunięć chemicznych i kalibracja: jak w spektroskopii 1 MR. W przypadku 2 : sygnał 2 TMS. W przypadku trytu: sygnał 1 TMS (!). SprzęŜenia z innymi jądrami: dla 3 podobnie jak w spektroskopii 1 MR. W przypadku 2 : jak dla jądra o spinie 1. Przeliczenia sprzęŝeń: J( 1-1 ) = J( 2-1 )*6.51 = J( 3-1 )*0.94 Zalety: wysoka czułość pomiaru w przypadku trytu. Wady: są pewne trudności techniczne... Zastosowania: Znaczenie związków chemicznych, i śledzenie ich przemian (chemia, organizmy Ŝywe) Wykorzystanie 2 lub 3 jako sondy w złoŝonej cząsteczce (białko, polimer) Badanie wiązań wodorowych i efektów izotopowych Synteza związków o chiralności izotopowej (chiralna grupa 3 : ( 1 )( 2 )( 3 ) przeliczanie sprzęŝeń: J(X- n A) / J(X- m A) = (częstość n A) / (częstość m A)
Wykorzystanie 2 w pomiarze stałych sprzęŝenia J( 1-1 ) i J( 13-13 ) X X X X Układ spinowy A 2 na widmie 1 MR 1 sygnał (singlet). Problem: jak zmierzyć 3 J( 1-1 )? 13 Układ spinowy ABX (AA X) 2 R R Układ spinowy AX J( 1-1 ) = J( 2-1 )*6.51 Układ spinowy AA XX 2 Układ spinowy A 2 lub A 2 X Układ spinowy AMX (AMM X)
Pomiar geminalnej stałej sprzęŝenia 2 J( 1-1 ) Dl 2 2 l 2 D 3 OD 2-10 - 5 0 5 10 z 2 J( 1-1 ) = 2 J( 2-1 )*6.51
Inne izotopy być moŝe uŝyteczne: Si, Se, Sn,...
POMIAR OWEGO IZOTOPU - etapy Wyszukanie literatury z opisem typowego eksperymentu Zdobycie wzorca do kalibracji widma Dostrojenie spektrometru, kalibracja impulsu, optymalizacja parametrów pomiaru Pomiar próbki wzorcowej Pomiar próbki X Wynik pracy: moŝe być negatywny... IhO PA: Izotopy juŝ mierzone: 19 F, 31 P, 17 O, 29 Si, 77 Se, 113 d, 117 Sn, 119 Sn, 195 Pt, 199 g Dostępny zakres pomiarowy: od ok. 20 Mz do 500 Mz (11.744 T) Poza zasięgiem (???) : 41 K, 57 Fe, 99 Ru, 103 Rh, 187 Os, 191 Ir, 193 Ir, 197 Au, 235 U Dostępne w zamian: 39 K, 101 Ru, 189 Os Ograniczenia: Izotopy o małej częstości rezonansowej (zakres aparatu, niska czułość pomiaru) DuŜa szerokość sygnału (sprzęŝenie kwadrupolowe, niesparowane elektrony)
SprzęŜenia pomiędzy róŝnymi izotopami: SprzęŜenia pomiędzy jądrami o spinie ½ są widoczne (o ile stęŝenie izotopomeru na to pozwala!) SprzęŜenia pomiędzy jądrami o spinie > ½ lub jądrem o spinie ½ i jądrem o spinie > ½ ( 14, 17 O, 33 S) są zazwyczaj niewidoczne ( efekt odsprzęgania ) Wyjątek: sygnał jądra o spinie > ½ jest ostry Przykład: widoczne są sprzęŝenia z deuterem (spin 1), sprzęŝenia J( 14-1 ) w czwartorzędowych solach amoniowych, sprzęŝenia J( 31 P- 17 O) w pewnych związkach fosforu (wiązanie P=O), itp. R δ( 17 O) = 40 200 ppm R P O W 1/2 = 100 200 z R 1 J( 31 P- 17 O) = 150 200 z Przy analizie sprzęŝeń naleŝy uwzględnić statystykę
Etyloamina z punktu widzenia spektroskopii MR 3 2 2 ok. 98% 12 12 14 12 12 15 0.36% 1% 13 12 14 13 12 15 0.36% * 1% = 0.0036% 1% 12 13 14 12 13 15 0.36% * 1% = 0.0036% 0.01% 13 13 14 13 13 15 0.36% * 1% * 1% = 0.000036% Dla uproszczenia: pominięto sprzęŝenia z 1 i 2 Odsprzęganie 1 : Widmo 14 MR: szeroki singlet; ewentualne sprzęŝenia z 13 widoczne jako linie satelitarne. SprzęŜeń prawdopodobnie nie będzie widać z powodu efektu odsprzęgania Widmo 13 MR: składa się z singletów. SprzęŜenia z 14 prawdopodobnie niewidoczne; sprzęŝenia z 13 i 15 dają trudne do obserwacji sygnały satelitarne. Widmo 15 MR: siglet; sprzęŝenia z 13 widoczne jako linie satelitarne. Widmo 1 MR: ewentualne sprzęŝenia widoczne jako linie satelitarne. Widma sprzęŝone z 1 : na widmach 13 i 15 pojawią się sprzęŝenia z 1 SprzęŜenia J( 14 -X): niewidoczne w 3 2 2, ale być moŝe (??) widoczne w soli amoniowej 3 2 + ( 3 ) 4 l -
Struktura sygnału 13 w mieszaninie izotopomerów 1% 12 13 14 singlet 0.01% 13 13 14 dublet, 1 J( 13-13 ) 0.36% * 1% = 0.0036% 12 13 15 dublet, 1 J( 15-13 ) 0.36% * 1% * 1% = 0.000036% 13 13 15 kwartet, 1 J( 15-13 ) i 1 J( 13-13 ) δ( 13 ): róŝne dla kaŝdego izotopomeru ( efekt izotopowy ) Sygnał 13 : suma powyŝszych sygnałów cyna: 115 Sn 0.35% (1/2) 117 Sn 7.61% (1/2) 119 Sn 8.58% (1/2) Związek zawierający atom cyny: trzy izotopomery aktywne w spektroskopii MR
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 MoŜliwy 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 MR 1 J( 117 Sn, 1 ) 1515 z 1 J( 119 Sn, 1 ) 1585 z 1 J( 115 Sn, 1 ) 1390 z
Efektywna technika pomiaru: obserwacja pośrednia ( inverse ) Pomiar właściwości spektralnych MR jednego izotopu poprzez obserwację widma drugiego izotopu.
Dwa sposoby obserwacji tej samej stałej sprzęŝenia Układ dwóch sprzęŝonych 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 ) moŝna odczytać z widma 1 MR Przesunięcie chemiczne 13 (δ c ) moŝna odczytać z widma 13 MR Wartość 1 J( 13-1 ) moŝna 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 MR R Widmo 1 MR Widmo 1 MR 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 Obserwacja pośrednia lub odwrotna (inverse): obserwacja jądra o małej czułości za pośrednictwem jądra o duŝej czułości ( 13-1, 13-19 F, 13-31 P...)
11.744 T Mz 13 1 197 Au 2 (D) 31 P 19 F 3 (T) 8.563 76.753 202.404 470.385 125.721 500 533.317 15 50.664 14 36.118 118 izotopów o liczbie spinowej róŝnej od 0
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