Nukleární Overhauserův efekt (NOE)

Transkript

1 LEKCE 8 Nukleární verhauserův efekt (NE) určení prostorové struktury molekul využití REY spektroskopie projevy NE a chemické výměny v jednom systému

2 Nukleární verhauserův efekt (NE) důsledek dipolární interakce mezi dvěma jadernými spiny r I < 5 Å volně přes prostor (dosah cca 5 Å) přímá interakce: není ovlivněna chemickými vazbami, na rozdíl od nepřímé dipól-dipólové interakce křížová relaxace: změna stavu jednoho spinu ovlivňuje stav druhého spinu a naopak saturací jader I dochází ke změně populací jader, tedy ke změně jejich intenzit (NE = 1+ C ) omonukleární NE: navýšení až 50 % eteronukleární NE: navýšení 13 C saturací 1 až 200 % rychlostní konstanta křížové relaxace I : γ 6 I r I 2 μ0 4π 10 6 c c c c : korelační čas molekuly - doba, za níž se molekula otočí o 1 rad 0 : rezonanční frekvence využití k určení prostorového uspořádání molekul

3 Polarita homonukleárního NE rychle pohybující se molekuly (malé molekuly): o c << 1 (extreme narrowing limit) pozitivní NE pomalu pohybující se molekuly (makromolekuly nebo malé molekuly ve viskózních rozpouštědlech): o c >> 1 negativní NE středně velké molekuly: o c 1 NE 0 NE ( max ) Závislost homonukleárního NE na o c c NE

4 Metody měření NE - selektivní (diferenční,1d) NE b a C 180 s 90 experiment I b c c t m selektivní inverze a t m -směšovací čas - čas, ve kterém se buduje NE experiment II 90 a b c t m experiment I experiment II diferenční spektrum: odečtení 2 fidů (spekter) a b Intenzita červeného signálu odpovídá navýšení v důsledku NE.

5 Určení konformace d arom. t C 2 C 2 C 3 1,3-alt C 3 cone C 2 Pt paco arom. 1,2-alt

6 Určení anomerní konfigurace A C 3 4B 3 2 4A 4B A 4B A 4B

7 pinová difuse V molekule nejsou 2 izolované spiny, ale množství různých sousedů. Magnetizace se postupně šíří k dalším jádrům v molekule. a b c V důsledku křížové relaxace mezi jádry b a c se sníží NE navýšení jádra b a dojde k negativnímu navýšení jádra c. Platí pouze pro malé molekuly (extreme narrowing limit), u velkých molekul je nepřímé NE navýšení vždy záporné). 28% -13% a b c Nepřímé navýšení = spinová difuse Čím delší je směšovací čas t m, tím větší je spinová difuse.

8 Intenzita NE závisí na směšovacím čase, t m Jestliže měříme při různých hodnotách směšovacího času t m, získáme NE výstavbovou křivku. Při delším směšovacím čase, t m NE klesne k nule (magnetizace se vrátí do osy <z>) v důsledku podélné relaxace T1 a spinové difuse. I max I t m I - intenzita signálu v NE spektru

9 Výpočet vzdáleností - měření výstavbové křivky lineární část výstavbové křivky - rozhodující pro rychlost budování NE směrnice křivky v bodě 0 - rychlostní konstanta křížové relaxace Je nutné zvolit vhodné směšovací časy t m, aby ještě nedocházelo ke spinové difusi. I max b a C c ab r ab -6 ac r ac -6 r ac = r ab * ( ab / ac ) 1/6 I r ab r ac - rychlostní konstanta křížové relaxace - meziatomová vzdálenost (známá) - meziatomová vzdálenost (měřená) t m

10 1 ms Výpočet vzdáleností - měření výstavbové křivky 200 ms 4A 4B ms ref r ref -6 r -6 r = r ref * ( ref / ) 1/6 800 ms 1s 4A 4B rychlostní konstanta křížové relaxace r - měřená vzdálenost r ref - referenční vzdálenost ( r ref = 1.78 Å) t m = 1, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 ms

11 Výpočet vzdáleností - měření výstavbové křivky intenzity zařování 4B y = -4E-05x x y = -7E-06x x 1 4A 3 y = -4E-06x x Å 2.40 Å 2.79 Å mixing time ref r ref -6 r -6 r = r ref * ( ref / ) 1/6 - rychlost nárůstu NE r - měřená vzdálenost r ref - referenční vzdálenost ( r ref = 1.78 Å) Dvořáková, ana; Raich Ivan, nepublikované výsledky.

12 Rychlý odhad vzdáleností (zjednodušení předchozí metody) b a C I ab I ac c I ab r ab -6 I ac r ac -6 r ac = r ab * ( I ab / I ac ) 1/6 I... intenzita signálů r ac... měřená vzdálenost r ab... referenční vzdálenost Zjištění intenzity NE: integrace, změření výšky signálu (stejné pološířky)

13 Metody měření NE: 2D NEY t 1 t m b a C c V 2D NEY lze studovat všechny protony najednou. Během času t 1 se vytváří 2. dimenze. Během směšovacího času t m dochází ke křížové relaxaci mezi spiny, které interagují přes prostor. b (f 1 ) V 2D spektru jsou chemické posuny v obou dimenzích, mezi interagujícími spiny jsou krospíky. c a Velikost krospíků závisí na velikosti NE a tedy na vzdálenosti mezi jádry. (f 2 )

14 t m ppm = 1s NE a spinová difuze N C N hex ppm Dvořáková, ana; Lhoták Pavel, nepublikované výsledky.

15 rovnání metod 1D a 2D NE 1D získáme výběrovou informaci (pokud víme, co chceme) rychlejší (selektivně převrátíme jen vybraná jádra) vyšší rozlišení větší citlivost 2D výhodné, pokud chceme získat celkovou informaci náročnější na čas ( 12 h)

16 Je možné měřit středně velké molekuly??? rychle pohybující se molekuly (malé molekuly): o c << 1 pozitivní NE (extreme narrowing limit) pomalu pohybující se molekuly (makromolekuly nebo malé molekuly ve viskózních rozpouštědlech): o c >> 1 negativní NE středně velké molekuly: o c 1 NE 0 NE ( max ) Závislost homonukleárního NE na o c c NE

17 REY (Rtating frame pectroscopy) -měření dipolární interakce v polích, které jsou mnohem menší než B o,(b L ), spin-locking - práce v nižších polích z z sklopení magnetizace do osy <x> y x 90 B L (x) y B L uzamčení (locking) magnetizace v ose <x> precese kolem nového B L rezonanční frekvence L bude velmi malá Závislost homonukleárního NE na o c : NE 1 ( max ) o c RE B o 100 až 800 Mz L << o B L 2 až 5 kz L c << 1 Vždy splněna podmínka pro extreme narrowing limit NE signály jsou pozitivní!!!! -1 NE

18 NEY a REY středně velké molekuly 2 N C C YGPDRVKYLGPFG REY N NEY c ~ 1.12 rabal Richard, nepublikované výsledky.

19 NE a chemická výměna v jednom systému pomalá chemická výměna je způsobena přenosem magnetizace podobným NE v mnoha systémech se uplatňují oba mechanismy - jsou pozorovatelné v jednom experimentu přenos magnetizace vlivem chemické výměny je vždy negativní!!! malé molekuly (pozitivní NE) snadné rozlišení těchto jevů velké molekuly (negativní NE) problém s rozlišením těchto jevů

20 NE a chemická výměna v jednom systému c b d N a N tbu a b c N d CF 3 N b a c N a Dolenský, Bohumil; Kvíčala, Jaroslav; Paleta, ldřich; Lang, Jan; Dvořáková, ana; Čejka, Jan, Magnetic Resonance in Chemistry (2010), 48(5),

21 NE a chemická výměna v jednom systému 1,3 -alt NE 1,3-alt 1,3 -alt NE paco NE chemická výměna paco paco paco NE 1,3-alt 1,3 -alt paco 1,3 -alt chemická výměna 1,3 -alt paco paco 1,3 -alt Et Et Et paco Et Lang, Jan; Dvořáková, ana; Bartošová, Ivana; Lhoták, Pavel; tibor, Ivan; rabal, Richard, Tetrahedron Letters (1999), 40(2),

22 REY: rozlišení NE od chemické výměny ( středně velká molekula ) R N 4 N R 3 CC CC 3 R = CEt RE - pozitivní chemická výměna - negativní Dvořáková, ana; Moravcová Jitka, nepublikované výsledky.

23 ouhrn NE navýšení je úměrné vzdálenosti jader (r -6 ), to umožňuje zjišťovat: stereochemii a konformace mezijaderné vzdálenosti V závislosti na velikosti/pohyblivosti ( c ) molekuly, využíváme různé experimenty. Malé organické molekuly: NEY (1D nebo 2D). oteiny, nukleové kyseliny, sacharidy: NEY (2D) (2D REY - k rozlišení NE od chemické výměny). tředně velké molekuly: REY (1D nebo 2D) Experimentální podmínky kvalitativní aplikace ( NE je nebo není?): není potřeba žádná speciální úprava vzorku kvantitativní aplikace (i odhad vzdáleností): vzorek nesmí obsahovat paramagnetické nečistoty, kyslík musí být odstraněn odplyněním ( freeze -pump -thaw postup nebo probublání inertem přes septum) vhodně zvolené směšovací časy (pozor na spinovou difusi)