impulsowy NMR - podsumowanie impulsy RF obracają wektor namagnesowania o żądany kąt wokół wybranej osi np. x, -x, y, -y (oś obrotu wybiera się przez regulowanie fazy sygnału względem fazy odnośnika, kąt obrotu przez czas trwania impulsu). sygnały NMR są mierzone względem wzorca, którego częstość określa częstość obrotów układu współrzędnych. Otrzymuje się FID (w domenie czasu), następnie dokonuje transformacji Fouriera (ν). faza odnośnika jest arbitralna, faza detektora jest dostrajana numerycznie po FT. obrócony wektor (z osi z np. do płaszczyzny xy) ulega relaksacji: wzdłuż osi z odnawia się z czasem T 1, znika z płaszczyzny xy z czasem T 2 * (można wyeliminować wpływ niehomogenicznego pola, otrzymując T 2 )
sekwencja: relaksacja - impuls - detekcja jest powtarzana wielokrotnie a wyniki są kumulowane celem polepszenia stosunku sygnału do szumu S/N ~ n1/2
3,5,10 mm 3 mm
spektrometr NMR pracujący w systemie fali ciągłej
spektrometr FT-NMR
przesunięcie chemiczne jądra (tego samego pierwiastka) w zależności od otoczenia chemicznego dają sygnały przy (nieco) innej częstości
ekranowanie (przesłanianie) ω = γ(b 0 S) S (shielding) - ekranowanie (albo przesłanianie)
niższe pole wyższe pole 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ν (Hz) δ (ppm)
wzorce wewnętrzne i zewnętrzne pożądane cechy wzorców: dobra rozpuszczalność, duże ekranowanie protonów ostry, najlepiej pojedynczy sygnał CH 3 CH 3 H 3 C Si CH 3 H 3 C Si CH 2 CH 2 CH 2 SO 3 Na CH 3 CH 3 TMS tetrametylosilan rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych lotny DSS 2,2-dimetylo-2-silapentano-5-sulfonian sodu rozpuszczalny w wodzie
silne pole magnetyczne daje lepszą separację sygnałów poszczególnych protonów (czytelniejsze widmo)
czynniki wpływające na przesunięcie chemiczne : - elektroujemność atomów (efekt indukcyjny) - efekt rezonansowy - anizotropia diamagnetyczna (wiązań, pierścieni)
elektroujemność a przesunięcia chemiczne związek (CH 3 ) n X elektroujemność X (wg Paulinga) δ H (CH 3 ) 4 Si 1,8 0 (CH 3 ) 2 O 3,5 3,27 CH 3 F 4,0 4,30 RCOOH ~ 10,8
B 0 anizotropia diamagnetyczna δ ~ 2 (alkeny 4-7,5!)
B 0 δ ~ 9-10
linie sił indukowanego pola magnetycznego δ ~ 6-9 B 0
stożek anizotropii wiązania C2-C3 proton aksjalny ma δ nieco (0,1-0,7) niższe niż proton ekwatorialny
+ - silniejsze ekranowanie - słabsze ekranowanie (większe δ) odsłonięte protony orto: δ = 7,85 meta, para ~ 7,40
położenia sygnałów można przewidywać na podstawie tabel tabela: 2,0 CH 3 COOR tabela: 7,2 Ph-CH 2 -O-R tabela: 2,36 -CH 2 -O-R 2,94 -CH 2 -Ph
addytywne wpływy podstawników (inkrementy) korelacje empiryczne H 3 C O C o + p o + o m + m O C o + p CH 3 benzen 7,27 inkrementy grupy CH 3 CO: orto +0,63 meta +0,28 para +0,28 7,27 + orto + orto = 8,53 eksperyment: 8,39 7,27 + orto + para = 8,18 eksperyment : 8,08 7,27 + meta + meta = 7,87 eksperyment : 7,47
sprzężenie spinowe R 1 R 1 R 3 H C H H C C H R 2 R 2 R 4 protony geminalne 2 J, 2 J H-H geminalna stała sprzężenia protony wicynalne 3 J, 3 J H-H wicynalna stała sprzężenia
sprzężenie spinowe - układ AX notacja Pople a: gdy ν jest duże - litery odległe w alfabecie
ν/j > 8 widma pierwszego rzędu (silniejsze pole B 0 daje większe szanse na widmo 1 rzędu) strona z programem do symulacji sprzężeń: http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/plt/windnmr.htm
w widmie AB (wyższego rzędu) ν 1 i ν 2 są średnimi ważonymi
ν/j > 8 widma pierwszego rzędu liczba sygnałów: n+1 odległość między pikami multipletu = J prosty multiplet 1 rzędu jest symetryczny a rozkład intensywności pików określa trójkąt Pascala
trójkąt Pascala pozwala przewidywać stosunek intensywności w multipletach 1 rzędu
n - liczba sąsiadów multipletowość = 2nI +1 dla protonu I = 1/2 prosty multiplet jest symetryczny
60 MHz 300 MHz 600 MHz postać widma zależy od klasy przyrządu (wielkości B 0 )
600 MHz proste widma pierwszego rzędu (widmo części alkilowej)
300 MHz proste widma pierwszego rzędu (widmo części alkilowej)
J = 4 Hz patyczkowa metoda analizy widm 1-rzędu sygnał wodoru przy centralnym atomie C J = 7 Hz H 3 C R 1 CH CH R2 CH R 3 R 4 J = 12 Hz
sygnały wodorów związanych z atomami elektroujemnymi (O, N, S) te protony ulegają wolniejszej lub szybszej wymianie i biorą udział w wiązaniach wodorowych
wpływ wymiany chemicznej na widmo 1 H NMR 300 MHz (obecność wilgoci - dość szybka wymiana)
warunki bezwodne - wolna wymiana
wiązanie wodorowe np. w alkoholach przesuwają sygnał OH w kierunku większych częstości (większe δ) - odsłanianie - widma związków hydroksylowych ( w rozpuszczalniku niepolarnym) są zależne od stężenia: wzrost stężenia = więcej wiązań wodorowych kwasy karboksylowe tworzą dimery (dwa wiązania wodorowe): δ 10-12
14 N -kwadrupolowe jądro o I = 1 J N-H ~ 50 Hz
wymiana wodoru w aminach jest szybka - w kationach amoniowych jest wolna w widmach kationów amoniowych (np. sole amin z CF 3 COOH) widać sprzężenia z protonami związanymi z azotem - można rozpoznać rzędowość aminy po multipletowości grupy metylenowej sąsiadującej z azotem (w widmie soli tej aminy) CH 2 NH 3 CH 2 NH 2 R CH 2 H N R 1 R 2
sprzężenie protonów H z innymi jądrami widoczne w widmie 1 H NMR Deuter (I=1) J H-C-C-D ~ 1 Hz generalnie deuterowanie upraszcza widmo 1 H NMR znikają sygnały podstawionych atomów H + pewne poszerzenie linii sąsiednich protonów O Cl CH 2 CH 2 CH 2 C O Cl CH 2 CH 2 CD 2 C sygnał resztkowy DMSO - kwintet 1:2:3:2:1 sprzężenie geminalne 1 H z jądrami o I =1 O CD 3 S CHD 2
13 C (I=1/2) 1 J CH ~ 140 Hz przy zawartości naturalnej ~1% w widmie 1 H NMR obserwujemy najwyżej bardzo słabe sygnały - tzw.linie satelitarne ~ 99% 1 J CH ~0,5% ~0,5%
19 F(I=1/2) ~100% zawartość 2 J H-F >> 3 J H-H 2 J H-F 4 J H-F
31 P (I=1/2) (~100% zawartość) wpływ na widma 1 H NMR 1 J H-P 200-700 Hz 2 J H-C-P 0,5-20 Hz sprzężenia interesujące ze względu na obecność fosforu w związkach ważnych biologicznie
kwestia równocenności chemicznej jąder protony równocenne mają to samo przesunięcie chemiczne homotopowe (C 2 ) zawsze równocenne diastereotopowe H a i H b (brak σ lub i) enancjotopowe (σ lub i) równocenne w środowisku achiralnym
H a R 1 C H b R 2 sprzężenia protonów diastereotopowych H a i H b geminalne (między sobą) ze stałą sprz. J ab - z innym protonem H c (J ac = J bc )
H O 2 N C CH 3 NO 2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (ppm)
D O 2 N O 2 N DC CH 3 C CH NO 3 2 NO 2 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (ppm)
H O 2 N C CH 2 CH 3 NO 2 H H CH 3 Ar H NO 2 O 2 N CH 3 H H Ar H CH 3 Ar NO 2 H H H 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (ppm)
δ (ppm) D O 2 N C CH 2 CH 3 NO 2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
H CH 3 O 2 N C CH NO 2 CH 3 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (ppm)
7 8 + 10 4 5 1,9 5 2 + OH 3 3 1,9 7 8 + 10 4 5 + 5 2 + OH 3, 3 1,9
nierównocenność magnetyczna gdy jądra równocenne chemicznie (to samo δ) sprzęgają się z innym jądrem(jądrami) z różnymi stałymi sprzężenia J widma są wyższego rzędu bez względu na ν CN CN X H H A CN B H H A CN X H CN B H CN H A H A AA XX AA BB
zależność sprzężenia wicynalnego od kąta dwuściennego φ (wzór Karplusa) H H J cis ~ 6-12 Hz H H J trans ~ 12-18 Hz J trans > J cis
selektywne odsprzęganie spinów (intensywne naświetlanie za pomocą dekaplera) naświetlony naświetlony naświetlony widmo bez naświetlania (odsprzęgania)
jądrowy efekt Overhausera (NOE) - nuclear Overhauser effect sprzężenia H-H protonów CH 3 tu nie pomagają bo ich brak widmo zwykłe (bez naświetlania) widma różnicowe! - przy selektywnym naświetlaniu wzmacniają się sygnały pobliskich protonów (< 0,4 nm ) naświetlony naświetlony naświetlanie o stosunkowo małej intensywności
sprzężenia wirtualne 600 MHz 300 MHz
istotne elementy analizy widm 1 H NMR przesunięcia chemiczne sprzężenia integracja komplikacje kwestie równocenności - np. w obecności centrum stereogenicznego, nierównocenność magnetyczna w układach sztywnych nakładanie sygnałów widma wyższych rzędów, sprzężenia wirtualne itp.
1 H NMR proteiny - tioredoksyny