Nukleární magnetická rezonanční spektrometrie

Transkript

1 Nukleární magnetická rezonanční spektrometrie bsah kapitoly Teoretický úvod Pracovní technika NMR 1 -NMR organických sloučenin 13 -NMR 31 P-NMR Aplikace NMR v analýze potravin Nukleární (jaderná) magnetická rezonanční spektrometrie je založena na absorpci radiofrekvenčního elektromagnetického záření (desítky-stovky Mz) jádry některých atomů v molekulách analyzovaných látek (vzorků) umístěných v magnetickém poli kvalitativní analýza: identifikace a řešení struktury organických sloučenin (nejčastěji využití 1 -, 13 -, 19 F-, 31 P-NMR) určování způsobu vazby méně běžných prvků (Al, Se, Sn ) kvantitativní analýza směsí analýza izotopového zastoupení prvků ve složkách vzorků (SNIF-NMR) 1

2 Fyzikální podstata NMR Základní podmínka: nenulový jaderný magnetický moment µ; splněno u jader s jaderným spinovým kvantovým číslem I 0. Spin jádra je dán kombinací spinů jednotlivých protonů a neutronů, které nabývají hodnot +1/2 nebo -1/2. Typy jader: sudý počet protonů i neutronů ( 4 e, 12, 16 ) I = 0 lichý počet protonů i neutronů ( 2, 6 Li, 10 B, 14 N) I = 1, 2, 3 lichý počet nukleonů, tj. lichý počet protonů a sudý počet neutronů ( 1, 11 B, 15 N, 19 F, 23 Na, 27 Al, 31 P, 35 l, 79 Br, 133 s) nebo sudý počet protonů a lichý počet neutronů ( 13, 17, 29 Si, 33 S, 77 Se, 125 Te) I = 1/2, 3/2, 5/2 Účinek magnetického pole na jádro vnější magnetické pole (indukce B 0 ) vyvolává rozštěpení základního energetického stavu jádra na diskrétní hladiny počet hladin = 2 I +1, tj. počet možných orientací vektoru magnetického momentu jádra v magnetickém poli Jádro lehkého vodíku 1 proton I = 1/2 2 I +1 = 2 dojde k rozštěpení na dvě hladiny vzdálenost energetických hladin E = γ B 0 h / 2π E E -1/2 γ gyromagnetický poměr jádra B 0 indukce vnějšího magnetického pole [T] h Planckova konstanta, h = 6, Js B 0 = 0 B 0 > 0 +1/2 B 0 2

3 Magnetická rezonance jádra je energetický přechod mezi hladinami, který nastává při absorpci elektromagnetického záření o frekvenci odpovídající rozdílu energetických hladin ν = E/h = γ B 0 / 2π rezonanční podmínka Tato frekvence je rovna frekvenci precesního pohybu, který koná vektor magnetického momentu jádra kolem osy vnějšího magnetického pole. ω = 100 Mz hν ν = 100 Mz absorpce h ν= h ω +1/2-1/2 Rezonance lze dosáhnout: změnou ν při konstantní B 0 změnou B 0 při konstantní ν B 0 Vlastnosti některých jader Nuklid 1 Výskyt nuklidu [atom %] 99,98 Spin 1/2 Frekvence [Mz] (pro B=2,35T) 100 Relativní citlivost 1 2 0, ,35 1, ,11 1/2 25,14 1, N 99,63 1 7,22 1, N 0,37 1/2 10,13 3, ,037 5/2 13,56 1, F 100 1/2 94,1 0,83 31 P 100 1/2 40,48 6,

4 NMR spektrum Skutečná hodnota magnetické indukce B, která působí na atomové jádro atomu v molekule je nižší, než vnější indukce B 0. Je to dáno stínícím účinkem elektronového obalu atomu a sousedních atomů. B = B 0 (1 σ) σ je stínící konstanta; nabývá hodnot cca 10-4 až 10-2 Rezonanční podmínka je tedy splněna při jiné hodnotě frekvence ν = γ B 0 (1 σ) / 2π a dochází k posunu rezonanční frekvence různých aktivních jader v molekule podle míry stínícího účinku okolí jádra. Posun signálů na frekvenční ose se vyjadřuje jako relativní veličina tzv. chemický posun δ. hemický posun vzdálenost signálu vzorku na frekvenční ose od signálu referenční látky (nejčastěji tetramethylsilan TMS) vztažená vůči pracovní frekvenci přístroje 3 3 Si 3 3 δ = (ν v ν TMS ) / ν 0 [ppm] ν v frekvence rezonančního signálu určitého jádra ve vzorku ν TMS frekvence rezonančního signálu TMS přidaného ke vzorku ν 0 nominální frekvence přístroje 4

5 První pohled na 1 -NMR spektrum počet signálů chemické posuny signálů multiplicita signálů singlet dublet: dvěčáry, poměr 1:1 triplet: tři čáry, poměr 1:2:1 kvartet: čtyři čáry, poměr 1:3:3:1 kvintet: pět čar, poměr 1:4:6:4:1 sextet: šest čar, poměr 1:5:10:10:5:1 septet: sedm čar, poměr 1:6:15:20:15:6:1 oktet: 8 čar, poměr 1:7:21:35:35:21:7:1 nonet:9čar, poměr1:8:28:56:70:56:28:8:1 velikost signálů (plocha pod křivkou) je úměrná počtu vodíků interakční konstanta štěpení signálů do multipletu je způsobeno spinovou interakcí protonu, kterému signál přísluší, s protony na sousedním uhlíku; u jednoduchých spekter se multiplicita řídí pravidlem n+1 5

6 Příklad 1 -NMR spektra se spinovými interakcemi Ethylacetát: tři signály = tři různé typy vodíků v molekule Poměr intenzit A:B: = 3:3:2 Signál A triplet odpovídá 3 vodíkům, které spinově interagují se 2 vodíky v okolí (skupina 3 vedle skupiny 2 ) Signál B singlet odpovídá 3 vodíkům, v jejichž okolí není další vodík (izolovaná skupina 3 ) Signál kvartet odpovídá 2 vodíkům, které spinově interagují se 3 vodíky v okolí (skupina 2 vedle skupiny 3 ) Pracovní technika NMR Schéma NMR spektrometru 6

7 Měření NMR spekter kontinuální metoda: plynule se mění frekvence nebo magnetická indukce pulsní metoda: všechna jádra se uvedou do resonance pulsním vstupním radiofrekvenčním signálem odezvu (free induction decay FID) je třeba převést na spektrum Fourierovou transformací Rozpouštědla pro 1 -NMR l 4, S 2 neposkytují rezonanční signál normální rozpouštědla: aceton, chloroform, benzen, cyklohexan, dimethylsulfoxid, trifluoroctová kyselina, dioxan, voda poskytují jeden rezonanční signál nejběžnější jsou deuterovaná rozpouštědla: deuteriumoxid (D 2 ), chloroform-d (Dl 3 ), aceton-d 6 ((D 3 ) 2 ), dimethylformamid-d 7 (DN(D 3 ) 2 ), dimethylsulfoxid-d 6 ((D 3 ) 2 S), benzen-d 6, octová kyselina-d 4, ethanol-d 6, methanol-d 3 poskytují jen malý signál nečistot nedeuterovaných molekul 7

8 Referenční (standardní) látky pro 1 -NMR tetramethylsilan (TMS) poskytuje jediný rezonanční signál, je nepolární, nerozpustný v D 2, nereaktivní a velmi těkavý (t.v. 27 ) hexamethyldisiloxan poskytuje jediný signál (chem. posun proti TMS je 0,05), má obdobné vlastnosti, je méně těkavý (t.v. 100 ) hodí se pro měření při vyšších teplotách 3-(trimethylsilyl)-propansulfonan sodný je rozpustný v polárních rozpouštědlech, signál methylových skupin má vzhledem k TMS chem. posun 0,02 (methylenové skupiny dávají jen slabý signál, který neruší spektrum vzorku). další látky: chloroform, cyklohexan, voda, trichloroctová kys. 1 -NMR spektra organických sloučenin hemické posuny l 3 - -N R- R-= R 2 Ar 2 NR 2 2 S 2 -()

9 diamagnetický posun increased shielding oblast slabého pole (downfield) vyšší frekvence menší stínění (deshielding) paramagnetický posun deshielding oblast silného pole (upfield) nižší frekvence větší stínění (shielding) δ Vliv substituce na chemický posun Methylderiváty nekovů Sloučenina ( 3 ) 4 ( 3 ) 3 N ( 3 ) 2 3 F δ (ppm) 0,9 2,1 3,2 4,1 Sloučenina ( 3 ) 4 Si ( 3 ) 3 P ( 3 ) 2 S 3 l δ (ppm) 0,0 0,9 2,1 3,0 alogenmethany, alkoxymethany, alkylthiomethany Sloučenina X= l X= Br X= I X= R X= SR 3 X 3,0 2,7 2,1 3,1 2,1 2 X 2 5,3 5,0 3,9 4,4 3,7 X 3 7,3 6,8 4,9 5,0 9

10 Vliv substituce na chemický posun Substituce v alifatickém řetězci Interakční konstanta J vzdálenost jednotlivých čar (jednoduchého) multipletu udává se v z interakční konstanta pro určitý typ spinové interakce je nazávislá na podmínkách měření (tj. na pracovní frekvenci spektrometru) Spektra ethyljodidu triplet: δ=110/60 = 1,83 ppm kvartet: δ=183/60 = 3,05 ppm triplet: δ=183/100 = 1,83 ppm kvartet: δ=305/100 = 3,05 ppm 10

11 Vliv pracovní frekvence přístroje na spektrum 60 Mz nižší rozlišení 300 Mz vyšší rozlišení δ Některé skupiny organických látek Alkany, cykloalkany a jejich (halogen- a nitro-)deriváty R- 3 δ = 0,7 1,3 ppm 0,22 ppm R- 2 -R R 3 δ = 1,2 1,4 ppm δ = 1,4 1,7 ppm ( 2 ) n 1,96 ppm 1,51 ppm Spinové interakce a e 1,1 ppm (a) 1,6 ppm (e) 3 J = 7 8 z 11

12 Lineární vs. rozvětvený řetězec 3 2 X X triplet intenzita 3 kvartet intenzita 2 triplet intenzita 3 sextet intenzita 2 triplet intenzita 2 dublet intenzita septet intenzita 1 X dublet intenzita X 3 nonet intenzita 1 dublet intenzita 2 alogenalkany hemický posun eteronukleární spinové interakce I δ = 2,0 4,0 ppm pouze u fluorderivátů Br δ = 2,7 4,1 ppm F 2 J = 50 z F l δ = 3,1 4,1 ppm 3 J = 20 z F δ = 4,2 4,8 ppm 12

13 alogenalkany 1-chlorbutan Alkeny hemický posun δ = 4,5 8,0 ppm Spinové interakce 3 J trans = z (obvykle 15 18) δ = 1,6 2,6 ppm 3 J cis = 6 15 z (obvykle 9 12) 2 J = 0 5 z (obvykle 1 3) nebo 4 J = 0 3 z 13

14 Alkeny: 2-metyl-1-penten a triplet δ = 0,9 ppm intenzita 3 b sextet δ = 1,45 ppm intenzita 2 c singlet δ = 1,7 ppm intenzita 3 d triplet δ = 2,0 ppm intenzita 2 e 2 singlety 2,65 a 2,7 ppm intenzity 1 a 1 Alkyny hemický posun δ = 1,7 2,7 ppm δ = 1,6 2,6 ppm Spinová interakce 4 J = 2 3 z 14

15 Alkyny: 1-pentyn 4 J dc = 2,6 z 3 J db = 7 z 4 J cd = 2,6 z a b d c ,0 1,0 δ Aromatické uhlovodíky a jejich deriváty δ = 6,5 8,0 ppm (benzen 7,27) δ = 2,3 2,7 ppm Spinové interakce 3 J ortho = 7 10 z 4 J meta = 2 3 z 5 J para = 0 1 z 15

16 6 4 BrI Br I 2 dublety 2 triplety v oblasti chem. posunu vodíků aromatického jádra velikosti signálů jsou stejné přítomnosti aromatického jádra odpovídá index nenasycenosti 4 jde o disubstituovaný benzen ortho? meta? para? ortho- meta- para- X Y X X Y Y 2 dublety 2 triplety singlet triplet 2 dublety dublet dublet 16

17 α-chlor-p-xylen Alkoholy, fenoly a karboxylové kyseliny hemický posun Spinová interakce δ = 0,5 5 ppm δ = 3,2 3,8 ppm obvykle nenastává v důsledku výměny protonů (vliv rozpouštědla), pokud nastává, 3 J = 5 z δ = 4,24 ppm R δ = ppm zpravidla nenastává δ = 2,1 2,5 ppm 17

18 Alkoholy, fenoly, karboxylové kyseliny Výměna protonu R + A R + A A nejčastěji voda rychlost výměny roste za přítomnosti stop minerálních kyselin a zásad a zvýšením teploty Důsledky výměny: velmi variabilní pozice signálu skupiny δ = 3,5 5,5 ppm (roztoky 0,1 0,9 M), cca 0,8 ppm (velké zředění) při rychlé výměně nedochází ke spinové interakci (signál skupiny je singlet) po přídavku D 2 ke vzorku signál skupiny mizí: R + D 2 RD + D při velmi pomalé výměně (roztoky v DMS-d 6 nebo čistý alkohol) skupina spinově interaguje signál je multiplet Vodíkové můstky tvorba oligomerů a dimerů R R R R R Vliv rozpouštědla na spektrum ethanolu 18

19 3 J 2-3 = 7 z 3 J 2- = 5 z kvartet dubletů Diagram spinové interakce složitého multipletu skupiny 2 Spektrum ethanolu v DMS-d Signál septet singlet dublet ppm 3,82 3,64 1,03 intenzita *3 Index nenasycenosti = = 1 + (2. 3 8)/2 = 0 19

20 3 7 l l Signál singlet triplet triplet kvintet ppm 3,78 3,67 3,57 1,90 intenzita Karboxylové kyseliny: ethylmalonová kyselina a triplet δ = 0,92 ppm intenzita 3 b kvintet δ = 1,8 ppm intenzita 2 c triplet δ = 3,1 ppm intenzita 1 d singlet δ = 12,3 ppm intenzita 2 20

21 Aminy hemický posun Spinová interakce R N δ = 0,5 4 ppm N 1 J = 50 z (heteronukleární) N δ = 2,2 2,9 ppm N 2 J = 0 z (heteronukleární) N δ = 3 5 ppm N 3 J = 0 z (homonukleární) Vodíky aminoskupiny poskytují signál při variabilním chemickém posunu; signál silně závisí na rozpouštědle, event. na aciditě; v D 2 tento signál mizí (důsledek výměny). Aminy: propylamin a triplet δ = 0,9 ppm intenzita 3 b sextet δ = 1,45 ppm intenzita 2 c singlet δ = 1,75 ppm intenzita 2 d triplet δ = 2,15 ppm intenzita 2 21

22 Aldehydy hemický posun Spinová interakce R δ = 9 10 ppm 3 J = 1 3 z δ = 2,1 2,4 ppm Aldehydy: 2-methylpropanal (isobutyraldehyd) a dublet δ = 1,1 ppm intenzita 6 J ab = 7 z b septet dubletů δ = 2,4 ppm intenzita 1 J ba = 7 z J bc = 1,5 z c dublet δ = 9,6 ppm intenzita 1 J cb = 1,5 z 22

23 Ketony R R δ = 2,1 2,4 ppm R singlet, δ = 2,1 ppm Diketony: keto-enolová tautomerie keto-forma (14 %) enol-forma (86 %) δ (ppm): 3 2,1 3 2,0 2 3,6 5,5 15,0 Estery hemický posun 2 2 δ = 2,1 2,5 ppm δ = 3,5 4,8 ppm 23

24 Estery: isobutylacetát a dublet δ = 0,94 ppm intenzita 6 b nonet δ = 1,9 ppm intenzita 1 c singlet δ = 2,05 ppm intenzita 3 d dublet δ = 3,8 ppm Signál kvartet singlet triplet ppm 4,04 1,96 1,18 intenzita 1 2 1,5 3 1,5 3 Index nenasycenosti = = 1 + (2. 4 8)/2 = 1 1 dvojná vazba nebo 1 kruh 4 uhlíky, jen 3 z nich jsou vázány s vodíkem 24

25 Amidy hemický posun Spinové interakce N δ = 5 9 ppm N 1 J = 50 z N δ = 2,1 2,5 ppm N 2 J = 0 z většinou nenastává N δ = 2,2 2,9 ppm N 3 J = 0 7 z V amidech RN 2 není dvojice vodíků chemicky ekvivalentní; proto mají tyto vodíky rozdílné chemické posuny (způsobeno omezenou rotací kolem vazby -N). Amidy: butanamid a triplet δ = 0,9 ppm intenzita 3 b sextet δ = 1,6 ppm intenzita 2 c triplet δ = 2,1 ppm intenzita 2 d 2 singlety δ 1 = 6,6 ppm δ 2 = 7,2 ppm intenzity 1 a 1 25

26 Klasifikace 1 spekter podle složitosti spektra nultého řádu obsahují jen singlety spektra prvního řádu obsahují jednoduché multiplety odpovídající skupinám se spinovou interakcí jednotlivé signály mají značně rozdílné chemické posuny: ν/j 10 např. spektra se spinovými systémy AX, A 2 X, A 2 X 2, A 3 X 2, spektra druhého řádu obsahují multiplety multipletů jednotlivé signály jsou blízké hodnotou chemického posunu: ν/j 3 např. spektra se spinovými systémy AB, A 2 B, ABX, AB J AX J AX ν/j 10 ν A ν X AX ν/j = 5 3 ν A ν B AB 2 ν A ν B 1 J AB J AB ν A ν B ν/j 0 ν A = ν B A 2 26

27 Příklad spektra se spinovým systémem AB trans-skořicová kyselina v Dl 3, 60 Mz J AB = 16 z ν A = 469 z ν B = 388 z ν/j = 5,06 Příklad spektra se spinovým systémem AMX styren v Dl 3, 600 Mz δ A = 5,25 ppm δ M =5,75 ppm δ X = 6,73 ppm J MX = 17 z J AX = 11 z J AM = 1 z 27

28 Pravidla pro značení spinových systémů chemicky ekvivalentní protony značíme stejným písmenem, např. A 3 pro tři protony methylové skupiny neekvivalentní jádra, kterým odpovídají chemické posuny, mezi nimiž je malý rozdíl, značíme sousedními písmeny abecedy, např. A, B, neekvivalentní jádra, kterým odpovídají více rozdílné nebo značně rozdílné chemické posuny, značíme písmeny, které jsou v abecedě od sebe vzdáleny, např. A, M, X chemicky ekvivalentní ale magneticky neekvivalentní jádra značíme stejnými písmeny a rozlišujeme je čárkou, např. AA' B,B' pro vícespinové systémy se používají kombinace těchto zápisů, např. AX, A 2 X, AMX, AB, ABX, A 3 X 2 Některé možnosti zjednodušování NMR spekter zvýšení operační frekvence přístroje (velmi nákladné) dekapling (decoupling): zrušení spinové interakce mezi stejnými jádry (např. 1-1 ): homonukleární dekapling mezi různými jádry (např ): heteronukleární dekapling pro konkrétní skupinu nebo atom: selektivní dekapling pro více skupin (signálů ve spektru): širokopásmový dekapling změna teploty vzorku deuterace D 2 jako rozpouštědlo: mizí signály vyměnitelných protonů (skupiny, -S, -N 2, -) použití chemických posunových činidel 28

29 Selektivní homonukleární dekapling: 3-butyn-1-ol 300 Mz rozpouštědlo: Dl 3 a bez dekaplingu b zrušena spinová interakce vodíků na 1 c zrušena spinová interakce vodíků na 2 d zrušena spinová interakce vodíků na 4 Efekt zvýšení operační frekvence: 3-methylglutarová kys. a 300 Mz b 600 Mz dublet 0,81 ppm: skupina 3 složitý multiplet 2,1 2,3 ppm: oktet vodík dva dublety dubletů: vodíky A a B 29

30 hemická posunová činidla umožňují dosáhnout lepšího rozlišení signálů, které se normálně překrývají; obvykle jde o komplexy prvků vzácných zemin komplexy europia, erbia, thulia a yterbia vyvolávají paramagnetický posun (k vyšším hodnotám δ) komplexy ceru, praseodymu, neodymu, samaria, terbia a holmia vyvolávají diamagnetický posun (k nižším hodnotám δ) ( 3 ) 3 F 2 F 2 F 3 Eu 3+ - Eu 3+ - ( 3 ) 3 3 ( 3 ) 3 3 Eu(dpm) 3 tris-(dipivalomethanato) europium Eu(fod) 3 tris-(6,6,7,7,8,8,8-heptafluor- -2,2-dimethyl-3,5-oktadionato) europium Vlastnosti a použití posunových činidel posunová činidla tvoří komplexy s Lewisovými bázemi změna chemického posunu jader ( 1 i 13 ) v závislosti na stabilitě komplexu a poloze jádra Eu(dpm) 3 vhodné pro rozlišení spekter alkoholů, aminů, oximů, etherů, esterů, ketonů, sulfoxidů, fosfinoxidů, nitrilů nevhodné pro alkeny a halogenderiváty Eu(fod) 3 lépe rozpustné v org. rozpouštědlech vhodnější pro ethery a estery rezonanční signál činidla v oblasti 1 až 2 ppm 30

31 Efekt přídavku posunového činidla: spektrum oktanolu ( 2 ) 7 3 a původní spektrum v Dl 3 b, c přídavky Eu(fod) 3 0,8 ppm: signál 3 7,3 ppm: signál l 3 8,2 ppm: signál ostatní signály: skupiny 2 31