Strukturní analýza NMR spektroskopie RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D. lavova 8, místnost 020 tel. 22195 1323 tosner@natur.cuni.cz www.natur.cuni.cz/nmr/vyuka.html
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...
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,...)
Nobelovy ceny a NMR 1943 1944 1952 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
NMR Purcell 1951 Varian 60 Mz spektrometr 1958
NMR Bruker Jeol Varian / Agilent
MRI
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
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
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 1.000064 B 0 = 0 B 0 + precese Magnetizace součet magnetických momentů lehká preference v orientacích
Soubor spinů B 0 = 0 B 0 > 0 náhodné orientace precese a polarizace náhodná počáteční fáze
Pulsní NMR B 0 B 1 manipulace s magnetizací pomocí radifrekvenčního magnetického pole B1 rezonanční podmínka ω RF = γ B0 radiofrekvenční pole Pulsy 90 180
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
NMR spektrum Fourierova transformace signál volné precese - FID analyzuje periodicity časového signálu NMR spektrum Fourierova transformace
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 26,75 500,0 100 2 1 0,01 4,11 76,8 0,0001 12 C 0 98,93 - - - 13 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 0,0004 16 O 0 99,96 - - - 19 F ½ 100 25,18 470,4 83 31 P ½ 100 10,84 202,4 6,6
14.1 T NMR frekvence 15 N 2 13 C 31 P 19 F 1 0 100 200 300 400 500 600 Mz Chemický posun Velké rozdíly v rezonančních frekvencích vždy sledujeme jedno jádro
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 500 000 000 z 0 ppm MeO 500 001 650 z 3.3 ppm Benzen 500 003 635 z 7.27 ppm
NMR spektrum ppm, frekvence stínění elektrony high δ low field downfield paramagnetic shift deshielding low δ high field upfield diamagnetic shift shielding
Symetrie a chemický posun 13 C spektrum stejné chemické okolí = stejné stínění elektrony počet signálů = počet neekvivalentních jader
Přiřaďte 13 C spektra těmto molekulám Cvičení
4 izomery C 4 10 O O O O O
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
Chemická ekvivalence Ph C 3 D Ph C 3 D Ph C 3 vodíky jsou enantiotopické jsou chemicky ekvivalentní
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
Chemická ekvivalence O Ph 2 N O
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
3 C C 3 Chemická ekvivalence 3 C O 3-methyl-2-butanol diastereotopické 1 NMR 300 Mz
1 chemické posuny Obecný princip: více elektronů kolem jádra = nižší δ TMS http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/index.html
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
J vazba v 1 spektrech signály jsou štěpeny vodíky, které jsou různé prozatím jen 3 J Cl Cl I I Cl Cl I 6.0 5.5 5.0 4.5 5.5 4.5 3.5 2.5 stejné vodíky se navzájem neštěpí O O 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
J vazba a systém štěpení Štěpení n ekvivalentními vodíky n 1 2 3 4 1 singlet s 1 1 dublet d 1 2 1 triplet t 1 3 3 1 kvartet q 1 4 6 4 1 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
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
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
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 14 18 z 7 12 z
Karplusova křivka závislost 3 J na dihedrálním úhlu
Informace v 1 spektrech Počet signálů O 3 C O C 3 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Informace v 1 spektrech Intenzita signálů O 3 C O C 3 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Informace v 1 spektrech Systém štěpení O 3 C O C 3 1.20 4.10 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Cl Vyměnitelné vodíky N N 2 N Cl 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Cl Vyměnitelné vodíky N N 2 N Cl + D 2 O 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
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