OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 OPVK CZ.1.07/2.2.00/

2 Cvičení z NMR OCH/NMR Mgr. Tomáš Pospíšil, Ph.D. LS 2012/

3 NMR základní principy NMR Nukleární Magnetická Resonance N - nukleární (studujeme vlastnosti jader) Nejedná se o metodu využívající ionizační záření! M - magnetická (chování jader v magnetickém poli) R - resonance (podmínka resonance musí být splněna stejně jako u všech ostatních spektrálních metod) NMR je jednou z nejsložitějších v praxi využívaných analytických (kvalitativních i kvantitativních) a zobrazovacích metod (NMR imaging). Je založena na sledování odezvy jader s nenulovým jaderným spinem umístěných v silném magnetickém poli a jejich interakci s vysokofrekvenčním elektromagnetickým vlněním. 3

4 NMR jaderný spin Rozdělení jader - sudý počet protonů a neutronů - jaderný spin I = 0. Nemají jaderný magnetický moment, nejsou v NMR pozorovatelná( 12 6C, 16 8O) nepárový počet protonů a neutronů I = 1, 3, 5. vedle jaderného magnetického momentu mají i kvadrupólový moment = obtížně měřitelná v NMR ( 14 7N) Liché hmotnostní nukleonové číslo poločíselný spin (I = ½) snadno měřitelná v NMR ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P) Zcela neaktivní v NMR jsou pouze: Ar, Tc, Ce a Pm. 4

5 NMR jaderný spin Jádra s náhodně orientovaným magnetickým polem Jádra po vložení do vnějšího magnetického pole o magnetické indukci B 0. Podobně jako spin elektronu, zaujímá i spin jádra ve vnějším magnetickém poli polohy, které se liší energií. 5

6 NMR jaderný spin Boltzmanovo rozdělení: N α /N β = e ΔE/kT Vliv intenzity vnějšího magnetického pole na rozdíl energetických hladin jader. ΔE = hν 0 = hγb 0 /2π. ν 0 Larmorova frakvence h Planckova konstanta γ gyromagnetická konstanta konstanta charakteristická pro daný izotop vyjadřuje úměrnost mezi momentem hybnosti a magnetickým momentem 6

7 NMR jaderný spin Precesní pohyb: Vektor magnetického momentu jádra vykonává precesní pohyb okolo osy z (směr vnějšího magnetického pole) s tzv. Larmorovou frekvencí ν 0 = γb 0 /2π Precesní pohyb je výslednicí interakce síly, která se snaží přimět vektor μ (magnetický moment) k orientaci s vektorem B 0 a síly udržující jej v rotaci. Frekvence tohoto precesního pohybu je přímo úměrná rozdílu energií dvou spinových stavů, což lze odvodit na základě kvantové mechaniky. 7

8 NMR jaderný spin NMR excitace: RF-puls (pomocí oscilujícího magnetického pole B 1 v rovině kolmé k B 0 ) s frekvencí rovnou Larmorově precesní frekvenci jader ω 0 vychýlí rovnovážnou makroskopickou magnetizaci ze směru pole B 0. To se projeví nenulovou rotující složkou magnetizace v rovině M x,y, která se pak deteguje jako rezonanční signál. 8

9 NMR jaderný spin NMR relaxace detekce NMR signálu: Při absenci externího mag. pole B 1 se M x,y bude snažit přejít zpět na M o (rovnováha) obnovením původní distribuce populací N a / N b. Tento jev se nazývá relaxace. Oscilace vektoru M x,y vytváří fluktuující magnetické pole, které generuje elektrický proud v přijímací cívce. Přijímací cívka je umístěna v ose X. 9

10 NMR jaderný spin NMR relaxace - detekce NMR signálu: 10

11 NMR jaderný spin Po efektivní excitaci všech spinů: FID Free Induction Decay - kombinaci signálů o různé frekvenci 11

12 NMR jaderný spin Zpracování: Fourierova transformace 12

13 NMR základní parametry ZÁKLADNÍ NMR PARAMETRY: Chemický posun počet signálů Spin-spinová interakce - interakční konstanta Integrační intenzita signálů 13

14 NMR počet signálů 14

15 NMR chemický posun Jestliže má každý druh jádra svoji charakteristickou frekvenci, proč je NMR spektroskopie tak užitečná? Jádro stejného nuklidu umístěné v různých strukturách molekuly se projeví různými signály. Jádra v molekule jsou ovlivňována (stíněna) e - okolních atom. Obíhající e - vytvářejí slabé mag. pole, které je namířeno proti vnějšímu poli (B0). Vlivem tzv. chemického okolí dochází ke změnám magnetického pole, které působí na každé jádro stejného typu. Hovoříme o tzv. efektivním magnetickém poli B eff, které je tvořeno hlavním magnetickým polem B o a lokálním magnetickým polem B eff = B o -Bl oc ---- B eff = B o ( 1 -σ) σ je tzv.konstanta magnetického stínění. 15

16 NMR chemický posun Řídké elektronové stínění Husté elektronové stínění CHO 16

17 NMR chemický posun Chemický posun protože je nepraktické vyjadřovat resonanční frekvence v absolutních hodnotách (MHz), vyjadřují se jako rozdíly vůči resonanční frekvenci standardu: ν i (Hz) = ν i (vzorek) - ν (standard) chemické posuny v Hz však závisí na pracovní frekvenci spektrometru a proto byla zavedena tzv. δ-stupnice posunů s bezrozměrnými jednotkami ppm: δ (ppm) = [(ν i (vzorek) - ν (standard)) / ν 0 (spektrometr)] *10 6 Standard: tetramethylsilan (TMS) je standardem jak pro 1 H, tak pro 13 C spektroskopii. Je dobře rozpustný, inertní a poskytuje vždy jeden signál. 17

18 NMR chemický posun 18

19 NMR spin-spinová interakce Energetické hladiny jednotlivých jader jsou ovlivňovány spinovými stavy jader v okolí. Toto je nazýváno nepřímou spin-spinou interakcí.nepřímá interakce je to proto, že je zprostředkována vazebnými elektrony (na rozdíl od přímé dipól-dipólové interakce jaderných spinů) Magnetický moment jádra polarizuje vazebné elektrony, resp. jejich magnetické momenty a tato polarizace je přenášena na další jádra. 19

20 NMR interakční konstanta Velikost spin-spinových interakcí udávají interakční konstanty J (v Hz), které jsou mírou interakční energie jader podle vztahu: J (A,B) = K. γ(a). γ(b) kde K závisí na elektronické struktuře a geometrii a γ(a), γ(b) jsou gyromagnetické poměry jader A a B - J odpovídá vzdálenosti mezi dvěma čarami multipletu v Hz - podle počtu vazeb mezi interagujícími jádry se J označují jako přímé ( 1 J), geminální ( 2 J), viciální ( 3 J) anebo long-range ( 4 J nebo 5 J ) 20

21 NMR interakční konstanta 21

22 NMR - interakční konstanta 22

23 NMR interakční konstanta 23

24 NMR jaderný spin 24

25 NMR Integrální Intenzita 25

26 NMR problém č.1 26

27 NMR problém č.1 27

28 NMR problém č.1 28