NMR spektroskopie Instrumentální a strukturní analýza prof. RNDr. Zdeněk Friedl, CSc.
Použitá a doporučená literatura Solomons T.W.G., Fryhle C.B.: Organic Chemistry, 8th Ed., Wiley 2004. Günther H.: NMR Spectroscopy, 2nd Ed., Wiley 1994. Böhm S., Smrčková S.: Strukturní analýza organických sloučenin. VŠCHT, Praha 1995. http://www.vscht.cz/nmr/predmet/predmet.html Text přednášky a doplňující materiály: R:\Studenti\3.rocnik\ISA PISA\NMR Spektroskopie\NMR spektroskopie.pdf R:\Studenti\3.rocnik\ISA PISA\NMR Spektroskopie\NMR praktikum.pdf 2
Elektromagnetické spektrum frekvence NMR rezonancí n» 10 8 Hz 3
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Existence spinového rotačního momentu daného izotopu prvku (spinové kvantové číslo I 0) a Jaderný magnetický moment m = γι h/2π 1. je-li NUKLEONOVÉ číslo liché, I = ½ * n (n= 1, 3, 5...) 1 1 H 13 6 C 15 7 N 17 8 O 31 15 P 2. je-li NUKLEONOVÉ číslo sudé a PROTONOVÉ liché, I = 1, 2, atd. 2 1 H 14 7 N 3. jsou-li obě čísla sudá, I = 0 12 6 C 16 8 O 4
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Přirozené zastoupení a absolutní citlivost vybraných izotopů jader jádro I výskyt (%) abs. citlivost 1 1 H ½ 99.98 1.00 2 1 H 1 1.5 10-2 1.45 10-6 13 6 C ½ 1.11 1.76 10-4 15 7 N ½ 0.37 3.86 10-6 17 8 O 5/2 3.7 10-2 1.08 10-5 19 9 F ½ 100 0.83 5
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Vznik magnetického momentů jádra 6
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Orientace magnetických momentů jader v poli B o pro jádra 1 H při T= 300 K a B o = 1 T je poměr roven 1.000006 7
Princip nukleární magnetické rezonance (NMR) Rozdíl energií dvou spinových stavů (I = ½) vs. B o E = hν rezonanční podmínka υ = γ Βo 2π r 8
Vznik NMR spektra pomocí CW a FT NMR spektroskopie 9
Blokové schéma CW NMR spektrometru 10
Blokové schéma FT NMR spektrometru 11
Vznik NMR spektra PULZNÍ SEKVENCE schéma časového průběhu akumulace FT NMR spektra 12
Vznik NMR spektra Fourierova transformace FID záznamu poskytne NMR spektrum 13
Vznik NMR spektra Porovnání FT a CW NMR spekter získaných během 1000 s 14
Základní charakteristiky 1 H NMR spektra počet signálů poloha signálů štěpení signálů intenzita signálů počet chemicky neekvivalentních jader chemický posun ( d [ppm]) nepřímá spin-spinová interakce ( J [Hz]) počet chemicky ekvivalentních jader v signálu 15
HOMOTOPNÍ atomy nebo skupiny jsou chemicky EKVIVALENTNÍ a mají STEJNÉ chemické posuny 16
ENANTIOTOPNÍ vodíkové atomy mají v achirálním prostředí STEJNÉ chemické posuny 17
DIASTEREOTOPNÍ vodíkové atomy mají v achirálním prostředí RŮZNÉ chemické posuny 18
STÍNĚNÍ jader indukovaným magnetickým polem sb o CHEMICKÝ POSUN B ef = B o ( 1 s ) s stínící konstanta 19
CHEMICKÝ POSUN změna rezonanční frekvenci v poli B ef 20
CHEMICKÝ POSUN vyjádření ve stupnici d [ppm] 21
Přehled 1 H NMR chemických posunů 22
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) počet píků v signálu (2nI + 1) I = ½ (n + 1) (0 + 1) = 1 0 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader 23
1 H NMR spektrum methoxyacetonitril 24
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) (1 + 1) = 2 1 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader 25
1 H NMR spektrum diisopropylamin 26
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) (2 + 1) = 3 2 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader 27
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) (1(2) + 1) = 2 a 3 1(2) = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader 28
1 H NMR spektrum 1,1,2,3,3-pentachlorpropan 29
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) (3 + 1) = 4 3 = počet sousedních chemicky neekvivalentních jader 30
1 H NMR spektrum methyl-propionát 31
1 H NMR spektrum ethylbromid 32
1 H NMR spektrum ethanol 33
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) v případě DVOU až TŘÍsousedních skupin (n+1) a x (n+1) c = 12 34
1 H NMR spektrum 1-nitropropan 35
1 H NMR spektrum 2-brombutan 36
ŠTĚPENÍ signálů v 1 H NMR spektrech nepřímá spin-spinová interakce mezi NEEKVIVALENTNÍMI jádry prostřednictvím vazebných elektronů (přes 3 vazby) komplexní charakter (multiplet) chemická ekvivalence magnetická ekvivalence 37
1 H NMR spektrum 1,4-dimethylbenzen 38
1 H NMR spektrum N-benzyl-N-ethylanilin 39
1 H NMR spektrum 40
1 H NMR spektrum 41
INTENSITA signálů v 1 H NMR spektrech integrovaná plocha signálu odpovídající počtu chemicky ekvivalentních jader v tomto signálu (ne výška signálu!) intensita signálu je funkcí f ( c, T, I, g, B o, B 1 ) avyužití v kvantitativní analýze ( I A. M A ) / N A : ( I B. M B ) / N B = w A : w B kde I = integrální intenzita signálu M = molekulová hmotnost N = počet ekvivalentních jader v signálu w = váhový zlomek 42
1 H NMR a IR spektrum 4-ethoxyacetanilid (Fenacetin) 43
1 H NMR kvantitativní analýza 44
Zjednodušení NMR spekter ( 1 H NMR 60 MHz g300 MHz) 45
Přehled 13 C NMR chemických posunů 46
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech interakce jader 13 C 13 C jsou zanedbatelné interakce jader 1 H 13 C jsou odstraněny ŠIROKOPÁSMOVÝM dekaplinkem a každé chemicky neekvivalentní 13 C jádro představuje jeden signál: SINGLET 47
13 CNMR širokopásmově dekaplované spektrum 48
13 C NMR spektrum methyl-methakrylát 49
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech APT a DEPT spektra kombinovanou pulzní sekvencí jsou zachovány jednovazebné 1 J interakce H C a a (CH 3 + CH) a (CH 2 + C) skupiny poskytují v jednom spektru signály s opačnou fází (APT) signály CH 3, CH 2, CH a C skupin jsou zobrazeny v jednotlivých subspektrech odděleně (DEPT) 50
13 CNMR APT spektrum 51
13 CNMR DEPT spektrum 1-chlor-2-propanol 52
ŠTĚPENÍ signálů v 13 C NMR spektrech Off-rezonanční spektra Umístěním základní frekvence dekapleru mimo frekvenční rozsah (Offset) 13 C spektra a snížením jeho výkonu jsou zachovány jednovazebné 1 J interakce H C a 13 C signály vykazují multiplicitu ( n + 1), kde n = počet vázaných atomů vodíku na daném uhlíkovém atomu CH 3 (3+1) = 4 KVARTET (Q) CH 2 (2+1) = 3 TRIPLET (T) CH (1+1) = 2 DUBLET (D) C (0+1) = 1 SINGLET (S) 53
13 CNMR Off-rezonanční spektrum 54
2D NMR spektroskopie V 1D NMR spektroskopii získáváme závislost intenzity na jedné časové proměnné t 1 (záznam FID), který FT transformací převedeme na spektrum, tj. závislost intenzity na frekvenci ν 1. V 2D NMR spektroskopii získáváme závislost intenzity na dvou nezávislých časových proměnných t 1 a t 2. Časový průběh takového experimentu lze rozdělit na 4 fáze: přípravnou (první pulz), vývojovou (po dobu t 1 ), směšovací (druhý pulz) a detekční (po dobu t 2 ). V každém experimentu se tedy systematicky mění doba t 1 a pro každou hodnotu t 1 se měří závislost signálu na čase t 2. Dvojnásobnou FT transformací se potom získá 2D spektrum. 2D NMR spektrum má trojrozměrný charakter a je nejčastěji zobrazováno pomocí vrstevnic, tj. projekcí horizontálního řezu do roviny. Rozdělení 2D experimentů závisí na tom, zdali pulzní sekvence obsahují směšovací periodu či nikoliv: neobsahují 2D rozlišená NMR spektra. Spektra obvykle rozlišují chemické posuny od interakčních konstant a mohou se dále dělit na homonukleárně nebo heteronukleárně rozlišená. obsahují 2D korelovaná NMR spektra. V získaných spektrech korelují frekvence ν 1 a ν 2. Taková spektra mohou být korelovaná homonukleárně nebo heteronukleárně. 55
2D rozlišená NMR spektra 2D 1 H J,d - spectroscopy Pulzní sekvence 56
2D 13 C J,d nikotin 57
2D korelovaná NMR spektra 2D COSY [d( 1 H),d( 1 H)homonuclear correlation spectroscopy] Pulzní sekvence 58
2D COSY 1-chlor-2-propanol 59
2D korelovaná NMR spektra 2D HETCOR [d( 1 H),d( 13 C) heteronuclear correlation spectroscopy] Pulzní sekvence 60
2D HETCOR 1-chlor-2-propanol 61
Zobrazování magnetickou rezonancí Magnetic Resonance Imaging MRI Využití 1 H NMR spektroskopie v lékařství (NMR tomografie) Metoda je založená na měření rozdílných spin-mřížkových relaxačních časů T 1 molekul vody v měkkých tkáních živých organismů. Významná je např. lokalizace rakovinových nádorů a studium chorobných procesů ve vnitřních orgánech a mozkové kůře. 62
NMR spektra k procvičování Voltrová S.: Příklady pro cvičení ze strukturní analýzy organických sloučenin. VŠCHT, Praha 1996. http:// www.chem.ucla.edu/~webspectra/ 63
13 C NMR spektra Y a 2-ethyl-1-butanol? 3-methyl-1-pentanol Z a (E)-2,5-dimethyl-3-hexen? (E)-6-methyl-3-hepten 64
1 H NMR spektra? X-fenyl-2-butanon 65
13 C NMR spektrum? X,Y,Z-tribrombenzen 66
13 C NMR spektra N,N-diethylanilin 4-(N,N-dimethylamino)benzaldehyd 2,6-diethylanilin? A, B, C 67
1 H NMR spektrum? struktura 68