Szerves vegyületek szerkezetfelderítése
NMR spektroszkópia
Az anyag összeállításához Krajsovszky Gábor, Mátyus Péter és Perczel András diáit is felhasználtuk.
1
(hullámhossz) (frekvencia) -sugárzás röntgensugárzás ultraibolya-sugárzás látható fény infravörös-sugárzás mikrohullámú-sugárzás híradástechnikai hullámok fénysebesség 8
-34
c = 3*10 m/s c= Hullámszám UV Ibolya Vörös -1
IR
4000 cm -1
400 cm NMR 11.7 Tesla 1
H
Planck állandó h = 6,63*10 E=h
Hullám- Frekvencia hossz [Hz]
E Energia (egy átmenet) [J]
200 nm 1,50*1015 400 nm 7,50*1014
9,94*10
800 nm 3,75*1014 2,5 mm 1,2*1014
2,48*10
25 mm
0,6 m
13
1,2*10
500*10
6
Js
Avogadro állandó 23
NA = 6,02*10 1/mol E mol =EN A Emol Moláris energia
-19
596 kJ/mol
-19
298 kJ/mol
-19
149 kJ/mol
-20
47,7 kJ/mol
-21
4,77 kJ/mol
4,96*10 7,94*10 7,94*10
-25
3,31*10
0,20 J/mol
4 szeres tartomány 4-5 sávrendszer 10 szeres tartomány 20-30 sáv kb. 10 ppm (0.001 %) széles tartomány 20-30 finomszerkezettel rendelkező jel 2 1 Hz alatti felbontás
NMR-rel meghatározható molekulaszerkezeti paraméterek
• Konstitució az atomok kapcsolódási sorrendje
• Konfiguráció kettős kötések geometriája kiralitáselemek relatív konfigurációja
• Konformáció 3D molekulaszerkezet (makromolekulák!)
• Dinamika konformerek, rotamerek, tautomerek egymásba alakulása Több időskálán!
3
Az NMR szerepe a szerves és biomolekuláris kémiában • Szerves kémia („kismolekulás NMR”) • Leggyakoribb cél: a konstitúció felderítése • Újonnan izolált vegyületek vizsgálata • Szintetikus munkák során elengedhetetlen „rutin” módszer (végső ill. köztes termékek vizsgálata, ellenőrzése) • Tipikusan 1H és 13C NMR (természetes izotópgyakoriság mellett)
• Biomolekuláris kémia („makromolekulák NMR-je”) • Célok: konformáció, dinamika, ligandumkötés vizsgálata • Konstitúció (≈szekvencia) ismert! • 1H , 15N, ritkábban 13C NMR: izotóppal való dúsítás szükséges! • 1D, 2D, 3D (akár 4-5D) mérések • Közeg: víz(!) vagy D2O
• Rutinszerűen 1D és 2D mérések • Közeg: perdeuterált szerves oldószer (pl. CDCl3)
4
Felix Bloch Edward Mills Purcell
Fizikai Nobel-díj
Richard Ernst
Kémiai Nobel-díj
1952
Módszer és elméleti alapok
1991
Nagy felbontású NMR spektroszkópia Fourier transzformáció, 2D technika
Kurt Wüthrich
Kémiai Nobel-díj
2002
Biológiai makromolekulák 3D szerkezete
Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield
Orvosi Nobel-díj
2003
MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedezése 5
NMR egy mondatban
Külső mágneses térben az (I≠0) atommagok a mágneses térhez képest rendeződnek, diszkrét energiaállapotokat vesznek fel, és az ezek közötti átmenetek gerjesztési spektroszkópiával vizsgálhatók
6
A kísérleti elrendezés
Szupravezető tekercs: B0 állandó mágneses tér előállítása Küvetta: 5-20 mg minta oldva 0,5-1,0 ml alkalmas oldószerben
z x
Adó tekercs: B1 rádiófrekvenciás tér előállítása
B0 y
Vevő tekercs a minta válaszjelének észlelése B1
7
8
A kriosztát felépítése
nitrogén kamra (-196 °C) vákuum kamra (10-7 Pa) hélium kamra (-269 °C) szupravezető tekercs minta helyzete
9
Atommagok mágneses tulajdonságai spinmomentum: P
h I(I 1) 2π
mágneses momentum: μ γP
: giromágneses hányados h : Planck állandó I : spinkvantumszám P
μ γ
h I(I 1) 2π
I függ az atommagot felépítő számától protonok és neutronok I NMR inaktív
páros
páros
0
12
NMR aktív
páratlan
páratlan
1
14
0,5
1
az egyik páros, a másik páratlan
10
C, 16O N
H, 13C
A fontosabb mérhető atommagok
11
Atommagok viselkedése mágneses térben iránykvantálás: z
Larmor-precesszió
pp
B0
z
2I 1 m I, I - 1, ... - I h μz m γ 2π
m : mágneses kvantumszám
I 1
2
m 1 ( ) és 1 2 ( ) 2 12
A Larmor-precesszió B0 P
elektrodinamika
L=× B0
L=dP /dt 0= L=dP /dt / P
mechanika
Larmor-frekvencia:
0 B 0
0 0 / 2
L: forgatónyomaték
dμ μ B0 dt
P: impulzusmomentum 0: szögsebesség 0: frekvencia
13
Larmor-frekvencia = gerjesztési frekvencia z
B0
1 m 2 m
1 2
E 1 =−μ z B 0
γℏ μz= 2
N1 populáció
Zeeman-felhasadás: I= 1/2 spinű mag
E 1 =μ z B 0 N2 populáció
γℏ ΔE= E 2 −E 1 =2μ z B 0 =2 B0 2
Gerjesztési frekvencia:
14
γB0 ν 2π
Atommagok viselkedése mágneses térben B0
m 1 ( ) 2
E
m 1 ( ) 2
h E μ z B0 m γB0 2π h E γB0 2π rezonanciafeltétel: h γB0 hν 2π
a precesszió körfrekvenciája: γB0 energiaszintek benépesülése: N 15
N
- E e kT
Atommagok viselkedése mágneses térben
E
z
M0 eredő mágnesezettség N1 populáció
B0 N1
B0
4,7 T
9,4 T
200 MHz
400 MHz
E
h γB0 2π
h γB0 hν 2π
x N2 populáció
Boltzmann-eloszlás N1 N2
e
ΔE kT 16
y
A rádiófrekvenciás tér hatása és a spektrum eredete (FT-NMR) z’ FID (Free Induction Decay)
spektrum
x’ y’
B0
FT
B1
idő
B0 >> B
frekvencia Fourier-transzformáció
1
90°-os impulzus:
z’
• energiaszintek betöltöttségét kiegyenlíti • fáziskoherenciát hoz létre
y’
180°-os impulzus: • a spinpopulációkat invertálja
x’ 17
Fourier-transform NMR z
M
M
z
M
y
y x
z
x
ki
y x
B1 be
ki
z
M*cos(t) y
M*sin(t) x
M + 0 18
Fourier-transform NMR: detektálás és relaxáció
19
Információk az NMR spektrumban Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció
20
Kémiai eltolódás A rezonanciavonalak kémiai környezettől függő eltolódása valamely referenciához viszonyítva, [ ] = 1 ppm értékben megadva. A molekulákban az atommagokat körülvevő elektronfelhő a külső mágneses teret kismértékben leárnyékolja. Az indukált árnyékolás arányos a külső mágneses térrel. Az árnyékolás mértékétől függően a molekulát alkotó atomok magjának jelei más-más helyen jelentkeznek, a molekulára jellemző spektrumot adnak. kisebb elektronsűrűség kevésbé árnyékolt mag nagyobb kémiai eltolódás (paramágneses eltolódás) nagyobb frekvencia
10
0 (ppm)
5
B B0 σB0 Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció
nagyobb elektronsűrűség jobban árnyékolt mag kisebb kémiai eltolódás (diamágneses eltolódás) kisebb frekvencia
h γB hν 2π
jel - ref 6 δ 10 21 0
Kémiai eltolódás
jel - ref 6 δ 10 0
O CH3 O C CH3 Hz
• A rezonanciafrekvencia függ az alkalmazott külső mágneses tértől, így készülékenként (sőt, egyedi mérésenként) más és más frekvenciát mérünk ugyanarra a magra. Hogyan lehet akkor a spektrumokat összehasonlítani? • A rezonanciafrekvenciákat egy alkalmasan választott referencia segítségével az alkalmazott térerőtől független mennyiséggé konvertáljuk. A referenciaanyag kémiai eltolódása megállapodás szerint 0. • A referenciaanyag a TMS (tetrametil-szilán): inert, alacsony forráspontú anyag, egyetlen éles jelet ad a szokásos jelektől jól elkülöníthető helyen, nem érzékeny komplexképzőkre stb. • „Vízoldható változata”: DSS (2,2-dimetil-2-szilapentán-5-szulfonsav) • Mint a TMS, mind a DSS 1H és 13C-standard is CH3 H 3C
Si
CH3
CH3
Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció
22
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás A rezonanciajel alatti terület nagysága arányos a rezonanciában résztvevő magok számával, a különböző kötésállapotú magok relatív száma meghatározható.
Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció
23
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás O OCH3 Cl2HC
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ppm
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ppm
O OCH3 H2C OCH3 O
Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció
24
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A jelek nem szinguletek, hanem finomszerkezettel rendelkező multipletek. A jelenség a spin-spin kölcsönhatás következménye és a spin-spin csatolási állandóval jellemezhető, [ J ] = 1 Hz.
Relaxáció
25
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A jelenséget a jelet adó mag és a szomszédságában lévő magspinek kölcsönhatása okozza. A hatás a molekulán belül terjed, független a külső mágneses tértől, a külső mágneses tér csak a detektálásához szükséges. A hatást az elektronfelhő közvetíti, hatótávolsága általában 2-3, egyes esetekben 4-5 kötés. Minden kölcsönható mag a jelet kétfelé hasítja, n darab kölcsönható partner esetén a jel 2n darab vonalra hasad fel. A jel vonalainak száma és a vonalak közötti távolság információt szolgáltat a szerkezetről.
3JHH
Relaxáció
J ≠ f(B ) = f(B ) 26mindkét 0mennyiség Hz-ben0
a
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás • Az A mag a B mag állapotaitól (α/β, „fel” és „le”) függően picit más frekvencián gerjeszthető • A kölcsönhatást a magok elektronfelhője (kötésben részt vevő elektronjai) közvetíti, neve kötés általi vagy indirekt csatolás
b
B
A
A és B magok indirekt módon, a és b elektronokon keresztül csatoltak.
• A csatolt magok jelei a megkülönböztethető átmenetek számának megfelelően felhasadnak • A kölcsönhatás erősségét a csatolási állandóval (J) jellemezzük, J független a külső mágneses tér erősségétől, mértékegysége 1 Hz • A csatolás kölcsönös: ha A csatol B-vel J erősséggel, akkor B is A-val J erősséggel: A és B jele is felhasad • Az elsőrendűspektrumok ban a felhasadt csúcsok közötti távolság (Hz-ben) megegyezik J-vel
Relaxáció
dublet mintázat
27
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás CH
A
CH2
B
J
J
J
A mag: triplet mintázat (integrál: 1)
Relaxáció
n=3 kvadruplet mintázat 1:3:3:1
B mag(ok): dublet mintázat (integrál: 2)
28
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás
AX spinrendszer A hidrogén rezonanciajele
X
X hidrogén rezonanciajele
A Spinrendszer alatt egymással spin-spin kölcsönhatásban álló magok rendszerét értjük (egy molekulán belül több spinrendszer is lehet).
Relaxáció
29
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A3 X
•
elsőrendű spinrendszer esetén az ekvivalens magok által okozott felhasadás azonos, ezért az X mag elvileg 2n számú vonalból álló spektrumrészlete n+1 számú vonalra egyszerűsödik (2nI+1 szabály)
1
•
a jelcsoport spektrumvonalainak intenzitása a Pascal-háromszög (n+1)-edik sorával adható meg (bionomiális együtthatók)
•
a jelcsoporton belül bármely két szomszédos spektrumvonal távolsága megegyezik a csatolási állandó mértékével (elsőrendű esetben)
• a jelcsoport a rezonanciafrekvenciára centrált
Relaxáció
30
3
3
1
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás • A különböző magokkal való csatolások egymástól függetlenek • A spektrumban együttesen, mintegy egymásra „szuperponálódva” jelennek meg • Összességében (n1+1) x (n2+1) vonalra hasad a jel (n1 és n2 a maggal csatoló mágnesesen ekvivalens magok száma)
CH
CH
C
CH2
A
JAB
B
JAB
JAB
JAC JAC
JAC
JAC
JAC
ágdiagram
A triplet-dublet
Relaxáció
JAB
31
JAC
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A A2 s (szingulet)
Relaxáció
AX
AX2 (A3X2)
AX3 (A3X2)
d (dublet)
t (triplet)
q (kvartet)
1:1
1:2:1
1:3:3:1
32
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Az azonos kémiai eltolódásnál jelet adó magokat izokrón magoknak nevezzük. Az izokrónia oka lehet a véletlen jelátfedés továbbá a kémiai ekvivalencia (a kémiai szerkezetből levezethető szimmetriaműveletek alapján). Kémiailag ekvivalensek azok a magok, amelyek a kémiai szerkezetből levezethető szimmetriaművelettel a molekulán belül egymásba transzformálhatók (a szimmetriaelemekhez viszonyított helyzetük azonos), és így a transzformált molekula az eredetitől megkülönböztethetetlen. Mágnesesen ekvivalens magoknak nevezzük azokat a kémiailag ekvivalens magokat, amelyek által alkotott csoport minden tagja egy másik kémiailag ekvivalens csoport minden egyes tagjával azonos spin-spin kölcsönhatásban vesz részt (A kémiai ekvivalenciát bizonyító szimmetriaművelet a spinrendszer egyes elemeit változatlanul hagyja, miközben más elemeit megcseréli).
Relaxáció 33
Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Elsőrendű a spektrum, ha a csatoló magok jeleinek távolsága (Hz-ben) lényegesen nagyobb a jelfelhasadásnál (Δν/J > 10), továbbá a kémiailag ekvivalens magcsoportok mágnesesen is ekvivalensek: AnXm spinrendszer
AX spinrendszer X hidrogén rezonanciajele
A hidrogén rezonanciajele
Relaxáció 34
Kémiai eltolódás Nagyobb térerőn a spektrumok elsőrendűvé egyszerűsödhetnek Integrált intenzitás AMX Jelfelhasadás / Csatolás A X
M
d
d dd
60 MHz
AMPX
600 MHz
dt ddd
Relaxáció
ddd
ddd
35
Információk az NMR spektrumban Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció csatolási állandó (J)
félértékszélesség
multiplicitás
terület
kémiai eltolódás • A modern (FT-)NMR ennél sokkal „többet tud”: • Az egyszerű mérésekből kiolvasható alapvető információk mellett számos speciális mérés elvégezhető, amelyekkel „specifikus kérdések tehetők fel” • Többdimenziós mérések több információt szolgáltatnak, kevesebb potenciális jelátfedés mellett 36
Az NMR-spektrumfejtés lépései („kismolekulás” NMR esetén: „LEGO módszer”) NMR-en kívüli információk áttekintése MS, UV, IR, elemösszetétel, a vegyülethez vezető reakcióút stb... Spinrendszerek, molekulafragmensek azonosítása J és δ alapján tipp a szomszédsági viszonyaikra Fragmensek összerakása az összes kémiailag lehetséges módon Miért az első ötlet lenne a megoldás? Kémiai ismeretek! NMR és egyéb információk alapján döntés a szerkezetek között Szükség esetén új mérések! Ellenőrzés (spektrum[ok] visszaszámolása szoftverrel)! Egyetlen paraméter nem megfelelése szükségessé teheti más megoldás keresését! 37
