Strukturní analýza NMR spektroskopie RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D. Hlavova 8, místnost 020 tel. 22195 1323
[email protected] www.natur.cuni.cz/nmr/vyuka.html
Literatura Böhm, Smrčková-Voltrová: Strukturní analýza organických sloučenin S. Voltrová: Příklady pro cvičení ze strukturní analýzy organických sloučenin Buděšínský, Pelnář: UOCHB: Fyzikálně – chemické metody 3: Nukleární magnetická rezonance
Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy Günter: NMR Spectroscopy Hore: Nuclear magnetic resonance Hore, Jones, Wimperis: NMR: the toolkit Claridge: High-resolution NMR techniques in organic chemistry ...
Využití NMR • určování chemické struktury – přírodní látky, organická syntéza konstituce, konformace, konfigurace ověření čistoty
• studium dynamických procesů reakční kinetika chemické a strukturní rovnováhy
• navrhování léčiv – drug design Structure-Activity-Relationship
• určení prostorové struktury
• metabolomika
peptidy a proteiny oligonukleotidy a DNA, RNA komplexy polysacharidy
• lékařství zobrazování měkkých tkání – anatomie, patologie funkční zobrazování in vivo spektroskopie
• fyzika – struktura materiálů
• potravinářství quality control – spektroskopie, zobrazování falšované potraviny (alkohol, džusy, med,...)
Nobelovy ceny a NMR 1943
1944
Isidor Rabi
Otto Stern magnetický moment protonu
1952
první měření magnetického momentu atomového jádra
Felix Bloch
Edward Purcell
rozvoj metod měření precese magnetického momentu a objevů s tím spojených
1991
2002
Richard Ernst
Kurt Wüthrich
metodologie NMR vysokého rozlišení (2D experimety)
NMR metodika určování prostorové struktury biomolekul
zobrazování magnetickou rezonancí (MRI)
2003 Peter Mansfield Paul Lauterbur
NMR Purcell 1951
Varian 60 MHz spektrometr 1958
NMR
Bruker
Jeol
Varian / Agilent
MRI
Vlastnosti jader Jádro
hmotnost
nukleonové (hmotové) číslo
náboj
protonové (atomové) číslo
magnetický moment
spin
sudé
sudé
nulový 0
sudé
liché
celočíselný 1, 2, 3, ...
liché
poločíselný 1/2, 3/2, 5/2, ...
I=1
I = 1/2
I=3
I = 3/2
I=1
I = 5/2
I=0
Jaderný spin a magnetický moment jaderný moment hybnosti je jádru vlastní
velikost
spinové číslo
Magnetický moment
gyromagnetický poměr
Magnetický moment v magnetickém poli
B0
Larmorova precese
Soubor spinů Energie magnetického momentu v magnetickém poli
Boltzmanovo rozdělení
B0
β E
α I = 1/2
Pro 1H při teplotě 300K v magnetickém poli 9.4 T 1.000064
B0 = 0
B0
+ precese
Magnetizace součet magnetických momentů
lehká preference v orientacích
Soubor spinů B0 = 0
náhodné orientace
B0 > 0
precese a polarizace náhodná počáteční fáze
Pulsní NMR B0 manipulace s magnetizací pomocí radifrekvenčního magnetického pole B1
B1
rezonanční podmínka
ω RF = γ B0
radiofrekvenční pole
Pulsy
90°
180°
Pulsní NMR Základní experiment
B0
Po 90° pulsu
90° excitace
detekce
přijímací cívka Larmorova precese
proměnný magnetický tok
signál volné precese - FID zviditelnění precese na makroskopické úrovni závislost frekvence na magnetickém poli, jaké jádro cítí
NMR spektrum Fourierova transformace signál volné precese - FID NMR spektrum
analyzuje periodicity časového signálu
Fourierova transformace
NMR jádra a jejich parametry Jádro
Spin
Výskyt
NMR frek. Citlivost γ [107radT-1s-1] (11,74 T)
1H
½
99,99
26,75
500,0
100
2H
1
0,01
4,11
76,8
0,0001
12C
0
98,93
-
-
-
13C
½
1,07
6,73
125,7
0,02
14N
1
99,63
1,93
36,1
0,1
15N
½
0,37
-2,71
50,7
0,0004
16O
0
99,96
-
-
-
19F
½
100
25,18
470,4
83
31P
½
100
10,84
202,4
6,6
NMR frekvence 14.1 T 15N
0
2H
100
13C
19F
31P
200
300
400
500
1H
600 MHz
Chemický posun
Velké rozdíly v rezonančních frekvencích – vždy sledujeme jedno jádro
Chemický posun lokální magnetické pole
pozměněná frekvence precese Stínění jádra elektrony
E „holé“ jádro
jádro v molekule
rezonanční frekvence
ppm parts per milion
Příklad pro 1H TMS
500 000 000 Hz
0 ppm
MeOH
500 001 650 Hz
3.3 ppm
Benzen 500 003 635 Hz
7.27 ppm
NMR spektrum
ppm, frekvence stínění elektrony high δ
low δ
low field
high field
downfield
upfield
paramagnetic shift
diamagnetic shift
deshielding
shielding
Symetrie a chemický posun 13C
spektrum
stejné chemické okolí = stejné stínění elektrony
počet signálů = počet neekvivalentních jader
Cvičení
Přiřaďte 13C spektra těmto molekulám
4 izomery C4H10O
OH
O
O
OH
Chemická ekvivalence Jádra jsou chemicky ekvivalentní, pokud existuje operace symetrie, která je na sebe převádí CH3 vodíky jsou ekvivalentní díky rychlé rotaci Chemicky ekvivalentní jádra mají stejný chemický posun
H Ph
H Ph
D Ph
H Ph
vodíky jsou homotopické
H Ph
D Ph
Chemická ekvivalence H Ph
H CH3
H
D Ph
D
H
∗
∗
CH3
Ph
CH3
vodíky jsou enantiotopické jsou chemicky ekvivalentní
Chemická ekvivalence H
H
O
∗
Ph H2N
H
D OH
Ph
nejsou chemicky ekvivalentní
∗
D
H Ph
OH H
H2N
H
vodíky jsou diastereotopické
∗
O
∗
O
∗
OH H2N
H
Chemická ekvivalence H
H
O
Ph
OH H2N
H
Chemická ekvivalence Homotopické, enantiotopické nebo diastereotopické? H
CH3
O
H3C
H H3C
Br
CH3
H
CH3 H H3C
O
H
CH3 H O H O
O
H CH3
H3C
CH3
H3C
OH
Chemická ekvivalence H3C
CH3
3-methyl-2-butanol H3C
OH
diastereotopické
1H NMR 300 MHz
1H
chemické posuny
TMS Obecný princip:
více elektronů kolem jádra = nižší δ
http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/index.html
J interakce Nepřímá spin-spinová interakce
scalar coupling
interakce zprostředkovaná vazebnými elektrony
jádro „cítí“ spinový stav okolních jader K pochopení je třeba kvantová fyzika Energie magnetického momentu jádra I=1/2 v magnetickém poli
B0 E je kvantována
β E
spin ½ může být nalezen jen ve dvou stavech
α I = 1/2
frekvence pozice signálu ve spektru
J vazba v 1H spektrech signály jsou štěpeny vodíky, které jsou „různé“
Cl
H
6.0
5.5
Cl
I
I
H
Cl
H
Cl
prozatím jen 3JHH
5.0
4.5
5.5
I
H H
4.5
3.5
2.5
„stejné“ vodíky se navzájem neštěpí H
O H
H H
H
O
H H
H
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
J vazba a systém štěpení Štěpení n ekvivalentními vodíky n
1
1
1
2
1
3 4
1 1
1 2
3 4
singlet s dublet d 1 3
6
pravidlo n+1
triplet 1
4
t
kvartet q 1
pentet p
Pascalův trojúhelník
J1 = J2
J1 > J2
J1
J1 >> J2
J1 J2
t
dd
dd
J vazba a systém štěpení J1 = J2 = J3
J1 >> J2 = J3 J1 J2
J3
q
J1 = J2 >> J3
dt
J1 > J2 > J3 J1
J1
J2
J2
J3
J3
td
ddd
Multiplicita signálů H
H H Cl
H
CH2
Br H
Cl
H
H
H H
H
H
Cl
H
CH3
OH H3C
CH2
H
H
Br
Cl H
H3C
H
CH
CH
NH2
H3C
CH
CH3
OH
O HO
O septet rychlá výměna OH vodíků
J vazba 2J
Geminální
HH R
H
X
5 – 20 Hz
C Y
R
C R
C
H
0 – 2 Hz
C
R
H
3J
Vicinální R
H
HH
H C
8 – 10 Hz
H
H
6 – 8 Hz
H R
bez konformační preference
H H H
2 – 3 Hz
trans
cis
H
R
H
H
R
H
R
R
14 – 18 Hz
7 – 12 Hz
2 – 3 Hz
H
Karplusova křivka závislost 3JHH na dihedrálním úhlu
Informace v 1H spektrech O
Počet signálů H3C
4.5
4.0
3.5
O
3.0
CH3
2.5
2.0
1.5
1.0
Informace v 1H spektrech O
Intenzita signálů H3C
4.5
4.0
3.5
O
3.0
CH3
2.5
2.0
1.5
1.0
Informace v 1H spektrech O
Systém štěpení H3C
O
CH3
1.20
4.10
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Vyměnitelné vodíky
Cl NH2 N
N
10
Cl
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Vyměnitelné vodíky
Cl NH2 N
+ D2O N
10
Cl
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Řešení NMR spektra Postup • identifikovat signály, jejich počet, pozici a intenzitu • rozdělit vodíky do skupin • analyzovat jemné štěpení, identifikovat jaké skupiny budou vedle sebe • dokončit identifikaci funkčních skupin s přihlédnutím k chem. posunům a dalším informacím (13C spektrum, APT/DEPT) • spojit funkční skupiny do molekuly • znovu ověřit, zda molekula odpovídá spektru
