Strukturní analýza. NMR spektroskopie

Transkript

1 Strukturní analýza NMR spektroskopie RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D. lavova 8, místnost 020 tel

2 Literatura Böhm, Smrčková-Voltrová: Strukturní analýza organických sloučenin S. Voltrová: Příklady pro cvičení ze strukturní analýzy organických sloučenin Buděšínský, Pelnář: UOCB: Fyzikálně chemické metody 3: Nukleární magnetická rezonance Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy Günter: NMR Spectroscopy ore: Nuclear magnetic resonance ore, Jones, Wimperis: NMR: the toolkit Claridge: igh-resolution NMR techniques in organic chemistry...

3 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 peptidy a proteiny oligonukleotidy a DNA, RNA komplexy polysacharidy lékařství zobrazování měkkých tkání anatomie, patologie funkční zobrazování in vivo spektroskopie metabolomika fyzika struktura materiálů potravinářství quality control spektroskopie, zobrazování falšované potraviny (alkohol, džusy, med,...)

4 Nobelovy ceny a NMR Otto Stern magnetický moment protonu 1991 Isidor Rabi první měření magnetického momentu atomového jádra Felix Bloch Edward Purcell rozvoj metod měření precese magnetického momentu a objevů s tím spojených 2002 Richard Ernst metodologie NMR vysokého rozlišení (2D experimety) Kurt Wüthrich NMR metodika určování prostorové struktury biomolekul 2003 zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) Peter Mansfield Paul Lauterbur

5 NMR Purcell 1951 Varian 60 Mz spektrometr 1958

6 NMR Bruker Jeol Varian / Agilent

7 MRI

8 Jádro hmotnost náboj Vlastnosti jader nukleonové (hmotové) číslo protonové (atomové) číslo magnetický moment spin sudé sudé liché sudé liché nulový 0 celočíselný 1, 2, 3,... poločíselný 1/2, 3/2, 5/2,... I = 0 I = 1 I = 3 I = 1 I = 1/2 I = 3/2 I = 5/2

9 Jaderný spin a magnetický moment jaderný moment hybnosti je jádru vlastní velikost spinové číslo Magnetický moment gyromagnetický poměr Magnetický moment v magnetickém poli B 0 Larmorova precese

10 Soubor spinů Energie magnetického momentu v magnetickém poli B 0 Boltzmanovo rozdělení E β α I = 1/2 Pro 1 při teplotě 300K v magnetickém poli 9.4 T B 0 = 0 B 0 + precese Magnetizace součet magnetických momentů lehká preference v orientacích

11 Soubor spinů B 0 = 0 B 0 > 0 náhodné orientace precese a polarizace náhodná počáteční fáze

12 Pulsní NMR B 0 B 1 manipulace s magnetizací pomocí radifrekvenčního magnetického pole B1 rezonanční podmínka ω RF = γ B0 radiofrekvenční pole Pulsy

13 Základní experiment 90 Pulsní NMR B 0 Po 90 pulsu excitace detekce Larmorova precese přijímací cívka proměnný magnetický tok zviditelnění precese na makroskopické úrovni signál volné precese - FID závislost frekvence na magnetickém poli, jaké jádro cítí

14 NMR spektrum Fourierova transformace signál volné precese - FID analyzuje periodicity časového signálu NMR spektrum Fourierova transformace

15 NMR jádra a jejich parametry Jádro Spin Výskyt γ [10 7 radt -1 s -1 ] NMR frek. (11,74 T) Citlivost 1 ½ 99,99 26,75 500, ,01 4,11 76,8 0, C 0 98, C ½ 1,07 6,73 125,7 0,02 14 N 1 99,63 1,93 36,1 0,1 15 N ½ 0,37-2,71 50,7 0, O 0 99, F ½ ,18 470, P ½ ,84 202,4 6,6

16 14.1 T NMR frekvence 15 N 2 13 C 31 P 19 F Mz Chemický posun Velké rozdíly v rezonančních frekvencích vždy sledujeme jedno jádro

17 Chemický posun lokální magnetické pole Stínění jádra elektrony pozměněná frekvence precese E holé jádro jádro v molekule rezonanční frekvence ppm parts per milion Příklad pro 1 TMS z 0 ppm MeO z 3.3 ppm Benzen z 7.27 ppm

18 NMR spektrum ppm, frekvence stínění elektrony high δ low field downfield paramagnetic shift deshielding low δ high field upfield diamagnetic shift shielding

19 Symetrie a chemický posun 13 C spektrum stejné chemické okolí = stejné stínění elektrony počet signálů = počet neekvivalentních jader

20 Přiřaďte 13 C spektra těmto molekulám Cvičení

21 4 izomery C 4 10 O O O O O

22 Chemická ekvivalence Jádra jsou chemicky ekvivalentní, pokud existuje operace symetrie, která je na sebe převádí C 3 vodíky jsou ekvivalentní díky rychlé rotaci Chemicky ekvivalentní jádra mají stejný chemický posun D D Ph Ph Ph Ph Ph Ph vodíky jsou homotopické

23 Chemická ekvivalence Ph C 3 D Ph C 3 D Ph C 3 vodíky jsou enantiotopické jsou chemicky ekvivalentní

24 Chemická ekvivalence O D O Ph 2 N O Ph 2 N O vodíky jsou diastereotopické D O nejsou chemicky ekvivalentní Ph 2 N O

25 Chemická ekvivalence O Ph 2 N O

26 Chemická ekvivalence omotopické, enantiotopické nebo diastereotopické? O 3 C C 3 C 3 C 3 Br C 3 O O C 3 3 C C 3 3 C O O C 3 3 C O

27 3 C C 3 Chemická ekvivalence 3 C O 3-methyl-2-butanol diastereotopické 1 NMR 300 Mz

28 1 chemické posuny Obecný princip: více elektronů kolem jádra = nižší δ TMS

29 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 E β α B 0 E je kvantována spin ½ může být nalezen jen ve dvou stavech I = 1/2 frekvence pozice signálu ve spektru

30 J vazba v 1 spektrech signály jsou štěpeny vodíky, které jsou různé prozatím jen 3 J Cl Cl I I Cl Cl I stejné vodíky se navzájem neštěpí O O

31 J vazba a systém štěpení Štěpení n ekvivalentními vodíky n singlet s 1 1 dublet d triplet t kvartet q pentet p Pascalův trojúhelník pravidlo n+1 J 1 = J 2 J 1 > J 2 J 1 >> J 2 J 1 J 1 J 2 t dd dd

32 J vazba a systém štěpení J 1 = J 2 = J 3 J 1 >> J 2 = J 3 J 1 J 2 q J 3 dt J 1 = J 2 >> J 3 J 1 > J 2 > J 3 J 1 J 1 J 2 J 2 J 3 td J 3 ddd

33 Multiplicita signálů Cl Br Br Cl Cl Cl 3 C C 2 C 2 O C 3 C 3 C C N 2 3 C C 3 C O O O O septet rychlá výměna O vodíků

34 J vazba Geminální 2 J X C Y R 5 20 z 0 2 z C C R Vicinální 3 J R R R C C R 6 8 z bez konformační preference 8 10 z 2 3 z 2 3 z trans R cis R R R z 7 12 z

35 Karplusova křivka závislost 3 J na dihedrálním úhlu

36

37

38 Informace v 1 spektrech Počet signálů O 3 C O C

39 Informace v 1 spektrech Intenzita signálů O 3 C O C

40 Informace v 1 spektrech Systém štěpení O 3 C O C

41 Cl Vyměnitelné vodíky N N 2 N Cl

42 Cl Vyměnitelné vodíky N N 2 N Cl + D 2 O

43 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 ( 13 C spektrum, APT/DEPT) spojit funkční skupiny do molekuly znovu ověřit, zda molekula odpovídá spektru