Techniky měření a interpretace NMR spekter

Transkript

1 Techniky měření a interpretace MR spekter Bohumil Dolenský VŠT Praha místnost A28 linka 4110 MR EZ 500R JEL Supravodičový magnet ( 4,2 K ) 11,74736 Tesla krát pole Země 1 500,1599 Mz 125,7653 Mz

2 MR je nejsilnějším analytickým nástrojem k řešení struktury organických a bioorganických látek. Umožňuje stanovení kovalentní i nekovalentní struktury včetně analýzy různých dějů chemické výměny. edestruktivní metoda vyžadující pro standardní analýzu na standardních přístrojích jen několik mg látky. a přístrojích s vysokou citlivostí postačuje i jen několik µg. Studijní materiály na internetu Techniky měření a interpretace MR spekter Výuka MR na VŠT Praha Řešené úlohy ze spektroskopie nukleární magnetické resonance J. P. ornak: The Basics of MR J. Urbauer: Introductory MR W. Reusch: Spectroscopy MR ourse, Queen's univesrity, anada Spectral Database of rganic ompounds SDBS A. rlic et all: WebSpectra - Problems in MR and IR spectra MR Quide (Brucker Biospin MR Wiki Philosophy to hemistry to Elucidation ans J. Reich: Structure Determination Using MR

3 Doporučená literatura pro strukturní analýzu MR Friebolin: Basic ne- and Two-Dimensional MR Spectroscopy, Wiley-V, 2005 Sanders, unter: Modern MR Spectroscopy a guide for chemist, xford University Press, 1994 olík: Čtyři lekce z MR, Univerzita J. E. Purkyně, 1987 Pretsch, Bühlmann, Badertscher: Structure Determination of rganic ompounds: Tables of Spectral Data, Springer, 4 th ed., 2009 laridge: igh-resolution MR Techniques in rganic hemistry, Volume 27, Second Edition (Tetrahedron rganic hemistry), Elsevier Science, 3 rd ed., Richards, ollerton: Essential Practical MR for rganic hemistry, Kindle Edition, Breitmaier, Voelter: arbon MR Spectroscopy, 3 rd ed., V, Protein MR Měřitelná jádra ( isotopy ) Je-li hmotnostní i protonové číslo jádra sudé je jaderný spin nulový. Je-li hmotnostní číslo liché je Jaderný spin poločíselný. 1 1 Je-li hmotnostní číslo sudé a protonové číslo liché je spin celočíselný F 32 16S P

4 ukleární Magnetická Rezonance Všechny isotopy prvků, které mají nenulový jaderný spin (I > 0) lze v rámci MR studovat PŘÍKLAD PR I = ½ a γ > 0 E pro I = ½ je m = -½ E β = -m γћb o β 2I + 1 E = hν = E β - E α = γћb o 0.2 cal.mol -1 [J] ν = γ B o / 2π [z] pro I = ½ je m = +½ E α = -m γћb o α B o 0 B o Informace z MR spektra 3 3 Počet signálů hemický posun Intenzita Multiplicita Tvar (pološířka)...

5 Počet signálů Počet signálů v MR spektru čisté látky odpovídá počtu chemicky neekvivalentních jader. F F F F F F Br l F F F omotopní neboli chemicky ekvivalentní jádra jsou taková, která jsou v důsledku symetrie nerozlišitelná. Záměnou libovolného F F získáme stejnou látku jako záměnou libovolného jiného. F F!!! Počet signálů odráží symetrii látky!!! Počet signálů Za chemicky ekvivalentní lze považovat i jádra, která jsou ekvivalentní v důsledku rychlé rotace skupiny nebo jiné rychlé chemické výměny l F Br Vodíky methylu jsou vždy ekvivalentní.

6 Počet signálů - hemická výměna Buď se jedná o skutečný chemický proces (reakci) nebo se jedná změnu konformace, například v důsledku rotace kolem vazby. hemická výměna je na časové škále MR a) Rychlá = pozorujeme průměrnou hodnotu b) Střední = pozorujeme velmi široký signál c) Pomalá = pozorujeme signály krajních stavů T Tvar signálů

7 T Tvar signálů T Tvar signálů

8 T Tvar signálů T Tvar signálů

9 T Tvar signálů T Tvar signálů

10 T Tvar signálů T Tvar signálů

11 Počet signálů - Vliv teploty k 1 k -1 Lze stanovit rychlost chemické výměny ( aktivační energii ) Inverze kruhu

12 Počet signálů - Vliv teploty J. Am. hem. Soc. 2004, 126 (42), hemický posun hemická výsledného výměna pomalá signálu je váženým průměrem signálů podléhajících chemické výměně. Koalescence: - střední - rychlá k c = c π ** ν ν // 2 2 = ** ν ν

13 Počet signálů Enantiotopní jádra Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou enantiomery. F Diastereotopní jádra Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou diastereomery. F Br F Br l F Br jsou v MR nerozlišitelná jsou v MR rozlišitelné.!!! MR není chiroptickou metodou!!! Ale použitím chirálního prostředí (solventu, gelu) či chirálních posunových činidel lze studovat i jevy spojené s chiralitou látek. Počet signálů

14 Počet signálů Zkusme nahradit jeden z 2 vodíků například fluorem Informace z MR spektra 3 3 Počet signálů hemický posun Intenzita Multiplicita Tvar (pološířka)...

15 hemický posun signálů odnota chemického posunu odráží chemické okolí atomů. chemický posun δ [ ppm ] ezávisí na síle magnetického pole (pracovní frekvenci přístroje) stínící konstanta σ [1] Z rozsáhlých tabulek těchto hodnot lze usuzovat na možné strukturní fragmenty neznámé látky, nebo predikovat chemické posuny pro známou strukturu. hemický posun signálů v 1 MR spektrech

16 Magnetická anizotropie Axiální vodíky více stíněny (chem. posun o cca 0,5 ppm nižší než ekvatoriální) 3 5,18 3 4,69 7,27 7,97 9,07 + vyšší chem. posun - nižší chem. posun Magnetická anizotropie - kruhový proud δ () ~ - 3 ppm δ (Ar-) ~ 9 ppm

17 19 F MR 31 P MR

18 15 MR Informace z MR spektra 3 3 Počet signálů hemický posun Intenzita Multiplicita Tvar (pološířka)...

19 Intenzita signálu Intenzita signálu je přímo úměrná počtu chemicky ekvivalentních atomů, které reprezentuje; intenzita signálů je úměrná molárnímu zastoupení atomů. Známe-li počet vodíků v molekule (sumární vzorec), můžeme rozdělit vodíky do skupin. Je-li měřena směs látek A a B, pak poměr intenzit signálů I A / I B je roven molárnímu poměru látek násobenému poměrem počtu atomů reprezentovaným daným signálem p A.n A / p B.n B Tohoto lze využít ke stanovení molární hmotnosti či čistoty. ( Toto neplatí například v případě, že doba akvizice je výrazně kratší než relaxačníčas atomůči dochází k E efektu. Typickým případem je MR měřené standardním způsobem. ) Intenzita signálů - příklady : : 2 : 2 : : 2 : 2 : 2 : : 1 : : 1 : 2 : : 1

20 Informace z MR spektra 3 3 Počet signálů hemický posun Intenzita Multiplicita Tvar (pološířka)... Multiplicita signálu Multiplicita signálu je důsledkem spin-spinové interakce přes vazby. Je charakterizována počtem linií a interakčními konstantami J. Tříspinový systém ABM A X Y 3 J AB = 3 J BA = 8,7 z 4 J BM = 4 J MB = 3,0 z B M z A B M

21 Multiplicita signálu Interakční konstanta n J AB [ z ] odnota může být kladná i záporná ( běžné měření absolutní hodnota ) n... počet vazeb mezi interagujícími jádry A, B... interagující jádra (homonukleární, heteronukleární) Velikost interakční konstanty závisí zejména na: * druhu interagujících jader * počtu vazeb mezi nimi * jádrech, která je oddělují * prostorovém uspořádání. Multiplicita signálu Počet linií Počet linií způsobený stejným druhem atomů je roven 2 I n + 1, kde I je spinovéčíslo daného jádra a n je jejich počet. 3 J (2 ½ 3 + 1) = 4 ( kvartet q ) Interakce je vzájemná J (2 ½ 2 + 1) = 3 ( triplet t ) Velikost je stejná 3 J = 3 J Multiplicita se může lišit. Pro I = ½ je multiplicita = n + 1 neboli n = multiplicita 1. Ve spektrech lze dobře pozorovat interakce jader se spinem ½ ( 1,, 15, 19 F, 31 P, ). Interakce jader s vyššími spinovými čísly jsou občas pozorovány jako částečné rozšíření signálu, často pozorované jsou však interakce s deuteriem ( 2 má I = 1).

22 Multiplicita signálu Počet linií pro I = ½ AX AX 2 AX Singlet (s) Dublet (d) 2 n x I x Triplet (t) Kvartet (q) pro I x = ½ Kvintet (kv) Sextet (sex) n x Septet (sep) ktet (oct) onet (non) MULTIPLIITA (počet linií) pro I x = 1 2, 14,... Dl 3 2 n x I x + 1 B 0 pro I x = 1 2 n x + 1 m = -1 m = 0 m = +1

23 MULTIPLIITA (počet linií) pro I x = 1 2, 14, D 2 D 3 D 3 D n x I x Singlet (s) pro I x = 1 2 n x Triplet (t) Kvintet (kv) Septet (sep) Multiplicita signálu Počet linií Interaguje-li jeden druh atomů s více než jedním druhem atomů, pak výsledný počet linií je roven násobku počtu linií způsobených každým druhem atomů zvlášť, tj. (2 I a n a + 1) (2 I b n b + 1). Jinými slovy každá linie způsobená interakcí s jedním druhem atomů je rozštěpena na počet linií odpovídající počtu atomů druhého druhu. q d 3 2 Br 2 t t Počet linií může být však snížen v důsledku jejich překryvu. Ať už v důsledku náhodné shody velikosti interakčních konstant nebo důsledkem nedostatečného rozlišení. Multiplicita signálu spolu s velikostí interakční konstanty odráží množství a kvalitu jader vázaných v nejbližším okolí (jedna až tři vazby, často i více). Velikost interakční konstanty je značně závislá i na geometrii interagujících jader.

24 Počet signálů / integrální poměr signálů / multiplicita : 2 t q 4 3 : 2 : 2 : 3 t q-t t s 5 3 : 2 : 2 : 2 : 1 t q-t t-t t-d t : 1 : 3 d hep s 4 6 : 1 : 2 : 1 d t-hep d-d t 2 9 : 1 s s

25 Multiplicita signálu Interakční konstanta 2 J Geminální interakce 2 J závislost na vazebném úhlu - X Y 109 J = J = +3 až -3 -

26 Multiplicita signálu Interakční konstanta 3 J Interakční konstanty 3 J mají velikost 0-18 z v závislosti na dihedrálním úhlu φ Karplusova rovnice J φ Konformační analýza Multiplicita signálu Interakční konstanta 3 J 3 J φ.a.g. aasnoot, F.A.A.M. DeLeeuw and. Altona Tetrahedron 36 (1980) online applet: K.G.R. Pachler J. hem. Soc., Perkin Trans (1972) online applet:

27 1 MR ddd ddd ddddq d dddd dddd s br s (d?) 1. Počet signálů? 2. Multiplicita signálů? ddd (d?) dddd d dqq dddd d dddd Uvažujte pouze 3 J interakce. Řád MR spektra a signálu Spektrum nultého řádu všechny signály ve spektru jsou singlety, např. 1 dekaplované spektrum uhlovodíku, pure shift spektra Spektrum prvního řádu obsahuje pouze signály prvního řádu, tj. signály jejichž multiplicita je rovna 2 I n+1, tj. případy kdy vzájemná interakční konstanta mezi signály je výrazně menší než frekvenční vzdálenost signálů. Signály prvního řádu jsou symetrické. Spektrum psedoprvního řádu obsahuje pouze signály prvního řádu, tj. signály jejichž multiplicita je rovna 2 I n+1, avšak očekávaná intenzita jednotlivých píků multipletu neodpovídá očekávanému poměru. Signály pseudoprvního řádu jsou symetrické, ale jsou zatíženy střechovým efektem. Spektrum druhého řádu obsahuje i signály druhého řádu, tj. signály jejichž multiplicita není rovna 2 I n+1. Multiplicita signálů je řešitelná obvykle pouze náročnou simulací s pomocí vhodných počítačových programů.

28 Tvrdé štěpení (strong coupling) poskytuje signály druhého řádu signál není symetrický značný střechový efekt počet linií multipletu 2 I n + 1 znaménko J m vliv Měkké štěpení (weak coupling) poskytuje signály prvního řádu signál je symetrický střechový efekt je zanedbatelný počet linií multipletu = 2 I n + 1 znaménko J nemá vliv AB AM AX signály pseudoprvníhořádu signál je téměř symetrický nezanedbatelný střechový efekt počet linií multipletu = 2 I n ν P ν R J PR Frekvenční rozdíl interagujících jader Jejich vzájemná interakční konstanta Signály druhého řádu Mají-li jádra náhodně téměř shodný chemický posun (tedy frekvenční rozdíl je srovnatelný s jejich vzájemnou interakční konstantou, (náhodně isochronní)) a různé interakční konstanty s jiným jádrem, pak jsou signály takového spinového systému signály druhého řádu, což nelze změnit podmínkami MR experimentu (např. změnou rozpouštědla či pracovní frekvencí přístroje). Mají-li jádra shodný chemický posun v důsledku symetrie (tj. jsou chemicky ekvivalentní (isochronní)), ale mají rozdílné interakční konstanty s jiným jádrem (tj. jsou magneticky neekvivalentní), pak jsou signály takového spinového systému signály druhého řádu, což nelze změnit podmínkami MR experimentu.

29 Spinové systémy a jejich značení Pople notace Jádra, která spolu interagují nazýváme spinový systém. Interagují-li dvě jádra hovoříme o dvouspinovém systému, interagují-li tři jádra hovoříme o tříspinovém systému, atd. Jelikož vzhled multipletů spinového systému extrémně závisí na vzdálenosti mezi signály interagujících jader, jsou spinové systémy označovány dle Pople notace. Posuzuje se frekvenční rozdíl mezi chemickými posuny interagujících jader a absolutní hodnota jejich vzájemné interakční konstanty. Čím je vzdálenost větší než interakční konstanta, tím vzdálenější písmena v abecedě se pro jejich označení používají (např. AB vs. AM vs. AX, nebo AMX vs. ABX vs. ABM vs. AB). Pro magneticky neekvivalentní jádra se používají stejná písmena odlišená apostrofem (např. AA BB ). Informace z MR spektra 3 3 Počet signálů hemický posun Intenzita Multiplicita Tvar a pološířka...

30 Tvar signálu střechový efekt ( roof effect ) Střechový efekt multiplety interagujících jader mají intenzitu bližších píků zvýšenu a vzdálenějších sníženu. střecha Střechového efektu lze s výhodou využít při interpretaci spekter multiplety interagujích signálů mají stejně velký, ale zrcadlově opačný náklon intenzity píků v multipletu. Vliv pracovní frekvence na vzhled spektra Střechový efekt je tím výraznější, čím blíže si signály ve spektru jsou (čím bližší mají chemický posun). viz applet na

31 Tvar signálu velmi malé interakce Tvar signálu,, S,... bvykle: * Široké signály * Posun silně závislý na koncentraci a teplotě * Vyměnitelné s D 2

32 Tvar signálu,, S,... Pomalá chemická výměna Stabilní vodíkové vazby Rychlá chemická výměna Rychlá chemická výměna Pomalá chemická výměna Žádné vodíkové vazby eteronukleární interakce I = ½ 19 F, 31 P,, 15,... (2 I n + 1)

33 Spektrum 1 MR d 1 3 q Pozorujeme štěpení s? Jaderný spin I ½ 1 1 ½ Výskyt [%] 98,9 1,1 ~ 100 ~ 0 MR E A A A % ,01

34 % , Spektrum 1 MR 0,479 ppm * B 0 = 143,7 z d q Pozorujeme!!!

35 MR versus izotopový efekt 1 J = 126 z integrální vlna dekapling zvýšená intenzita spektra satelity 3 spektrum integrální intenzita izotopový efekt hemický posun vodíků na a 12 je stejný. chemický posun Spektrum 1 MR - Satelitní signály versus rotační signály

36 MR... Desymetrizace molekuly A B A 3 3 B A = B = = D 3A = 3 B D ttq A B A = = B = D 3A = 3 B A 3 3 B A a ( B a D ) chemicky ekvivalentní magneticky neekvivalentní D spektra vyšších řádů dddq A 3 A B 3 B A = = B = D 3A = 3 B D 1 J = z (sp 3 ) (sp 2 ) (sp) z z z hybridizace sp hybridizace sp hybridizace sp 3 vliv velikosti cyklu

37 MR MR... Počet signálů Kolik signálů bude mít látka v MR spektru? Deset. Stejné principy jako u 1 MR. thyly i-pr skupiny jsou diastereotopní. Budou všechny signály od jedné látky? e. Přirozený výskyt je 1,07 % Izotopomery

38 MR... Integrální intenzita signálů Stejná jako v 1 MR spektru, tj. odpovídá počtu ekvivalentních jader. Ale značně závislá na způsobu měření neboť jádra mají velmi rozdílné relaxační časy... bvykle tedy v neintegrujeme... Ale! Mají-li uhlíky blízké relaxační časy, pak je lze integrovat: např. fenyl skupina, směsi rotačních či konfiguračních izomerů, atp. Počet vodíků, respektive množství spin-spin interakcí zrychluje relaxaci. MR... Multiplicita signálů Jaké nepřímé spin-spinové interakce lze očekávat? Zejména s jádry mající významné přirozené zastoupení izotopů majících jaderný magnetický spin I = ½. Pozor na izotopově obohacené látky. A E ( DEUTERVAÁ RZPUŠTĚDLA A ) E ( EPATRÝ VÝSKYT ) E ( ULVÝ JADERÝ MAGETIKÝ SPI ) E ( ÍZKÝ VÝSKYT ) E ( KVADRUPÓLVÝ MMET ) E ( ÍZKÝ VÝSKYT ) E ( ULVÝ JADERÝ MAGETIKÝ SPI ) A A Způsobí multiplicitu signálů jader?

39 1 J >>> 3 J > 2 J ~ 4 J z z z < 3 z multiplicita jemná struktura multipletu 3 kvartet 2 triplet (dublet dubletů) dublet singlet MR... Spektrum Dl f1(ppm)

40 MR... Šumový (širokopásmový) dekapling Standardně se MR spektra měří s dekaplingem 1 ( 19 F, 15,... ) 3 Spektrum prvního řádu MR 3 3 nedekaplované árůst intensity signálů oproti Spektrum nultého řádu Dl 3 { 1 } MR 1 dekaplované MR... Multiplicita signálů 3 3 3

41 MR dekapling FF or, and APT and 2 and 3 MR... Princip FT MT, relaxace, relaxačníčasy APT

42 eteronuclear - 1 J-resolved 2D MR APT ~ 140 z ~ 124 z eteronuclear - 1 J-resolved 2D MR

43 eteronuclear - 1 J-resolved 2D MR MR... J-resolved, APT,, { 1 } MR spektra APT 3 3 3

44 MR... evýhody nedekaplovaných spekter ízká citlivost 3 Často jen obtížně interpretovatelné informace ( složité multiplety, desymetrizace molekuly, spektra vyšších řádů ) ,3 z 124,4 z MR... Dekapling 1

45 MR... hemické posuny MR... Predikce chemických posunů experimentální spektrum predikované spektrum