NMR spektroskopie
Instrumentální a strukturní analýza prof. RNDr. Zdeněk Friedl, CSc.
Použitá a doporučená literatura
Solomons T.W.G., Fryhle C.B.: Organic Chemistry, 8th Ed., Wiley 2004. Günther H.: NMR Spectroscopy, 2nd Ed., Wiley 1994. Böhm S., Smrčková S.: Strukturní analýza organických sloučenin. VŠCHT, Praha 1995. http://www.vscht.cz/nmr/predmet/predmet.html
Text přednášky a doplňující materiály: R:\Studenti\3.rocnik\ISA PISA\NMR Spektroskopie\NMR spektroskopie.pdf R:\Studenti\3.rocnik\ISA PISA\NMR Spektroskopie\NMR praktikum.pdf 2
Elektromagnetické spektrum frekvence NMR rezonancí ν ≈ 108 Hz
3
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR)
Existence spinového rotačního momentu daného izotopu prvku (spinové kvantové číslo Ι ≠ 0)
a
1.
1H
13
6C
15 N 7
17
8O
31 P 15
je-li NUKLEONOVÉ číslo sudé a PROTONOVÉ liché, Ι = 1, 2, atd. 2
3.
µ = γΙ h/2π
je-li NUKLEONOVÉ číslo liché, Ι = ½ * n (n= 1, 3, 5 ...) 1
2.
Jaderný magnetický moment
1H
14
7N
jsou-li obě čísla sudá, Ι = 0 12
6C
16 O 8
4
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR)
Přirozené zastoupení a absolutní citlivost vybraných izotopů jader jádro Ι výskyt (%) abs. citlivost _________________________________________________________________ 1
1H
½
99.98
1.00
2
1H
1
1.5 10-2
1.45 10-6
13
6C
½
1.11
1.76 10-4
15
7N
½
0.37
3.86 10-6
17
8O
5/2
3.7 10-2
1.08 10-5
19
9F
½
100
0.83
5
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Vznik magnetického momentů jádra
6
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Orientace magnetických momentů jader v poli Bo pro jádra 1H při T= 300 K a Bo = 1 T je poměr roven 1.000006
7
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Rozdíl energií dvou spinových stavů (I = ½) vs. Bo
∆E = hν
rezonanční podmínka
r
γΒo υ= 2π 8
Vznik NMR spektra pomocí CW a FT NMR spektroskopie
9
Blokové schéma CW NMR spektrometru
10
Blokové schéma FT NMR spektrometru
11
Vznik NMR spektra PULZNÍ SEKVENCE schéma časového průběhu akumulace FT NMR spektra
12
Vznik NMR spektra Fourierova transformace FID záznamu poskytne NMR spektrum
13
Vznik NMR spektra Porovnání FT a CW NMR spekter získaných během 1000 s
14
Základní charakteristiky 1H NMR spektra • počet signálů
počet chemicky neekvivalentních jader
• poloha signálů
chemický posun ( δ [ppm])
• štěpení signálů
nepřímá spin-spinová interakce ( J [Hz])
• intenzita signálů
počet chemicky ekvivalentních jader v signálu
15
HOMOTOPNÍ atomy nebo skupiny jsou chemicky EKVIVALENTNÍ a mají STEJNÉ chemické posuny
16
ENANTIOTOPNÍ vodíkové atomy mají v achirálním prostředí STEJNÉ chemické posuny
17
DIASTEREOTOPNÍ vodíkové atomy mají v achirálním prostředí RŮZNÉ chemické posuny
18
STÍNĚNÍ jader indukovaným magnetickým polem σBo
CHEMICKÝ POSUN
Bef = Bo ( 1 – σ )
σ
stínící konstanta 19
CHEMICKÝ POSUN změna rezonanční frekvenci v poli Bef
20
CHEMICKÝ POSUN vyjádření ve stupnici
δ [ppm]
21
Přehled 1H NMR chemických posunů
22
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
počet píků v signálu
(2nΙ + 1)
Ι=½
(n + 1) (0 + 1) = 1 0 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader
23
1H
NMR spektrum
methoxyacetonitril
24
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
(1 + 1) = 2 1 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader
25
1H
NMR spektrum
diisopropylamin
26
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
(2 + 1) = 3 2 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader
27
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
(1(2) + 1) = 2 a 3 1(2) = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader
28
1H
NMR spektrum
1,1,2,3,3-pentachlorpropan
29
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
(3 + 1) = 4 3 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader
30
1H
NMR spektrum
methyl-propionát
31
1H
NMR spektrum
ethylbromid
32
1H
NMR spektrum
ethanol
33
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
v případě DVOU až TŘÍ sousedních skupin
(n+1)a x (n+1)c = 12
34
1H
NMR spektrum
1-nitropropan
35
1H
NMR spektrum
2-brombutan
36
ŠTĚPENÍ signálů v 1H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby)
komplexní charakter (multiplet) • chemická ekvivalence • magnetická ekvivalence
37
1H
NMR spektrum
1,4-dimethylbenzen
38
1H
NMR spektrum
N-benzyl-N-ethylanilin
39
1H
NMR spektrum
40
1H
NMR spektrum
41
INTENSITA signálů v 1H NMR spektrech integrovaná plocha signálu odpovídající počtu chemicky ekvivalentních jader v tomto signálu (ne výška signálu !)
intensita signálu je funkcí
f ( c, T, I, γ, Bo , B1 )
avyužití v kvantitativní analýze ( IA . MA ) / NA : ( IB . MB ) / NB = wA : wB kde
I = integrální intenzita signálu M = molekulová hmotnost N = počet ekvivalentních jader v signálu w = váhový zlomek
42
1H
NMR a IR spektrum
4-ethoxyacetanilid (Fenacetin)
43
1H
NMR kvantitativní analýza
44
Zjednodušení NMR spekter (1H NMR 60 MHz g300 MHz)
45
Přehled 13C NMR chemických posunů
46
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech • interakce jader 13C – 13C jsou zanedbatelné • interakce jader 1H – 13C jsou odstraněny ŠIROKOPÁSMOVÝM dekaplinkem a každé chemicky neekvivalentní 13C jádro představuje jeden signál: SINGLET
47
13C NMR
širokopásmově dekaplované spektrum
48
13C
NMR spektrum
methyl-methakrylát
49
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech APT a DEPT spektra kombinovanou pulzní sekvencí jsou zachovány jednovazebné 1J interakce H – C a
(CH3 + CH) a (CH2 + C) skupiny poskytují v jednom spektru signály s opačnou fází (APT)
a
signály CH3 , CH2 , CH a C skupin jsou zobrazeny v jednotlivých subspektrech odděleně (DEPT)
50
13C NMR
APT spektrum
51
13C NMR
DEPT spektrum
1-chlor-2-propanol
52
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech Off-rezonanční spektra Umístěním základní frekvence dekapleru mimo frekvenční rozsah (Offset) 13C spektra a snížením jeho výkonu jsou zachovány jednovazebné 1J interakce H – C a
13C
CH3 CH2 CH C
signály vykazují multiplicitu ( n + 1), kde n = počet vázaných atomů vodíku na daném uhlíkovém atomu (3+1) = 4 (2+1) = 3 (1+1) = 2 (0+1) = 1
KVARTET (Q) TRIPLET (T) DUBLET (D) SINGLET (S)
53
13C NMR
Off-rezonanční spektrum
54
2D NMR spektroskopie V 1D NMR spektroskopii získáváme závislost intenzity na jedné časové proměnné t1 (záznam FID), který FT transformací převedeme na spektrum, tj. závislost intenzity na frekvenci ν1 . V 2D NMR spektroskopii získáváme závislost intenzity na dvou nezávislých časových proměnných t1 a t2 . Časový průběh takového experimentu lze rozdělit na 4 fáze: přípravnou (první pulz), vývojovou (po dobu t1), směšovací (druhý pulz) a detekční (po dobu t2). V každém experimentu se tedy systematicky mění doba t1 a pro každou hodnotu t1 se měří závislost signálu na čase t2 . Dvojnásobnou FT transformací se potom získá 2D spektrum. 2D NMR spektrum má trojrozměrný charakter a je nejčastěji zobrazováno pomocí vrstevnic, tj. projekcí horizontálního řezu do roviny. Rozdělení 2D experimentů závisí na tom, zdali pulzní sekvence obsahují směšovací periodu či nikoliv: neobsahují – 2D rozlišená NMR spektra. Spektra obvykle rozlišují chemické posuny od interakčních konstant a mohou se dále dělit na homonukleárně nebo heteronukleárně rozlišená. obsahují – 2D korelovaná NMR spektra. V získaných spektrech korelují frekvence ν1 a ν2 . Taková spektra mohou být korelovaná homonukleárně nebo heteronukleárně. 55
2D rozlišená NMR spektra 2D 1H J,δ - spectroscopy Pulzní sekvence
56
2D 13C J,δ
nikotin
57
2D korelovaná NMR spektra 2D COSY [δ(1H),δ(1H) homonuclear correlation spectroscopy] Pulzní sekvence
58
2D COSY
1-chlor-2-propanol
59
2D korelovaná NMR spektra 2D HETCOR [δ(1H),δ(13C) heteronuclear correlation spectroscopy] Pulzní sekvence
60
2D HETCOR 1-chlor-2-propanol
61
Zobrazování magnetickou rezonancí Magnetic Resonance Imaging MRI
Využití 1H NMR spektroskopie v lékařství (NMR tomografie) Metoda je založená na měření rozdílných spin-mřížkových relaxačních časů T1 molekul vody v měkkých tkáních živých organismů. Významná je např. lokalizace rakovinových nádorů a studium chorobných procesů ve vnitřních orgánech a mozkové kůře.
62
NMR spektra k procvičování Voltrová S.: Příklady pro cvičení ze strukturní analýzy organických sloučenin. VŠCHT, Praha 1996.
http:// www.chem.ucla.edu/~webspectra/
63
13C
NMR spektra
Y a 2-ethyl-1-butanol ? 3-methyl-1-pentanol Z a (E)-2,5-dimethyl-3-hexen ? (E)-6-methyl-3-hepten
64
1H
NMR spektra
? X-fenyl-2-butanon
65
13C
NMR spektrum
? X,Y,Z-tribrombenzen
66
13C
NMR spektra
N,N-diethylanilin 4-(N,N-dimethylamino)benzaldehyd 2,6-diethylanilin
? A, B, C
67
1H
NMR spektrum
? struktura
68
