Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Strukturní analýza
RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D.
Hlavova 8, místnost 020tel. 22195 [email protected]/nmr/vyuka.html
NMR spektroskopie
Böhm, Smr čková-Voltrová: Strukturní analýza organických slou čenin
S. Voltrová: P říklady pro cvi čení ze strukturní analýzy organických slou čenin
Bud ěšínský, Pelná ř: UOCHB: Fyzikáln ě – chemické metody 3: Nukleární magnetická rezonance
Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectro scopy
Günter: NMR Spectroscopy
Hore: Nuclear magnetic resonance
Hore, Jones, Wimperis: NMR: the toolkit
Claridge: High-resolution NMR techniques in organic chemistry
...
Literatura
Využití NMR• určování chemické struktury – přírodní látky, organická syntéza
konstituce, konformace, konfiguraceověření čistoty
• studium dynamických procesůreakční kinetikachemické a strukturní rovnováhy
• určení prostorové strukturypeptidy a proteinyoligonukleotidy a DNA, RNAkomplexypolysacharidy
• navrhování léčiv – drug designStructure-Activity-Relationship
• fyzika – struktura materiálů
• lékařstvízobrazování měkkých tkání – anatomie, patologiefunkční zobrazováníin vivo spektroskopie
• potravinářstvíquality control – spektroskopie, zobrazovánífalšované potraviny (alkohol, džusy, med,...)
• metabolomika
Nobelovy ceny a NMR
Otto Stern
1943
magnetický momentprotonu
Isidor Rabi
1944
první m ěření magnetickéhomomentu atomového jádra
Felix Bloch Edward Purcell
1952
rozvoj metod m ěření precese magnetickéhomomentu a objev ů s tím spojených
metodologie NMR vysokého rozlišení(2D experimety)
Richard Ernst
1991
Kurt Wüthrich
2002
NMR metodika ur čování prostorovéstruktury biomolekul
2003 zobrazování magnetickou rezonancí(MRI)
Paul LauterburPeter Mansfield
NMR
Varian 60 MHz spektrometr
1958
Purcell1951
NMR
Bruker Jeol Varian / Agilent
MRI
Vlastnosti jader
Jádro hmotnost
magnetický moment
náboj
nukleonové (hmotové) číslo
protonové (atomové) číslo
spin
sudé
sudé
sudé
liché
liché
nulový 0
celočíselný 1, 2, 3, ...
poločíselný 1/2, 3/2, 5/2, ...
I = 0I = 1/2
I = 5/2
I = 3/2I = 3
I = 1
I = 1
Jaderný spin a magnetický moment
jaderný moment hybnosti
Magnetický moment
Magnetický moment v magnetickém poli
B0
Larmorova precese
je jádru vlastní
gyromagnetický pom ěr
velikostspinové číslo
� � ���
Soubor spin ů
Energie magnetického momentu v magnetickém poli
I = 1/2
E
Boltzmanovo rozdělení
αβ
Pro 1H při teplotě 300K v magnetickém poli 9.4 T
1.000064
lehká preference v orientacích
Magnetizacesoučet magnetických
momentů+ precese
B0 = 0 B0
B0
Soubor spin ů
B0 = 0
náhodné orientace precese a polarizace
náhodná počáteční fáze
B0 > 0
Pulsní NMR
rezonanční podmínka
B0
B1
radiofrekvenční pole 0BRF γω =
90° 180°
Pulsy
manipulace s magnetizacípomocí radifrekven čního
magnetického pole B1
přijímací cívkaLarmorova precese
signál volné precese - FID
Po 90° pulsu
prom ěnnýmagnetický tok
Pulsní NMR
zviditeln ění precese na makroskopické úrovni
závislost frekvence na magnetickém poli, jaké jádro cítí
B0
90°
excitace detekce
Základní experiment
NMR spektrum
Fourierovatransformace
NMR spektrum
signál volné precese - FID
Fourierovatransformace
analyzuje periodicityčasového signálu
NMR jádra a jejich parametry
Jádro Spin Výskyt γ[107radT-1s-1]
NMR frek.(11,74 T)
Citlivost
1H ½ 99,99 26,75 500,0 100
2H 1 0,01 4,11 76,8 0,0001
12C 0 98,93 - - -
13C ½ 1,07 6,73 125,7 0,02
14N 1 99,63 1,93 36,1 0,1
15N ½ 0,37 -2,71 50,7 0,0004
16O 0 99,96 - - -
19F ½ 100 25,18 470,4 83
31P ½ 100 10,84 202,4 6,6
NMR frekvence
0 100 200 300 400 500 600
1H13C 31P15N 19F2H
Chemický posun
14.1 T
MHz
Velké rozdíly v rezonan čních frekvencích – vždy sledujeme jedno jádro
Chemický posun
Stínění jádra elektrony
lokální magnetické pole
pozměněná frekvence precese
TMS 500 000 000 Hz 0 ppm
MeOH 500 001 650 Hz 3.3 ppm
Benzen 500 003 635 Hz 7.27 ppm
ppmparts per milion
Příklad pro 1H
„holé“ jádro jádro v molekule
E
rezonan čnífrekvence
high δlow field
downfield
paramagnetic shift
deshielding
low δhigh field
upfield
diamagnetic shift
shielding
stínění elektrony
ppm, frekvence
NMR spektrum
Symetrie a chemický posun
stejné chemické okolí=
stejné stín ění elektrony
13C spektrum
počet signál ů=
počet neekvivalentních jader
Cvičení
Přiřaďte 13C spektra těmto molekulám
4 izomery C4H10O OH O OHO
Chemická ekvivalence
Jádra jsou chemicky ekvivalentní, pokud existuje operace symetrie,která je na sebe převádí
CH3 vodíky jsou ekvivalentní díky rychlé rotaci
Chemicky ekvivalentní jádra mají stejný chemický posun
HD
Ph Ph
HH
Ph Ph
DH
Ph Ph
vodíky jsou homotopické
Chemická ekvivalence
HD
Ph CH3
HH
Ph CH3
DH
Ph CH3
vodíky jsou enantiotopické
jsou chemicky ekvivalentní
∗ ∗
Chemická ekvivalence
HH
Ph
NH2
O
OHH
HD
Ph
NH2
O
OHH
DH
Ph
NH2
O
OHH
vodíky jsou diastereotopické
nejsou chemicky ekvivalentní
∗ ∗∗
∗ ∗
Chemická ekvivalence
HH
Ph
NH2
O
OHH
Chemická ekvivalenceHomotopické, enantiotopické nebo diastereotopické?
CH3CH3
CH3O
H
HCH3 O
CH3
Br OH
H
H
H
CH3 O O CH3
CH3 H H
CH3
CH3 CH3
OH
Chemická ekvivalence
CH3
CH3 CH3
OH
diastereotopické
3-methyl-2-butanol
1H NMR 300 MHz
1H chemické posuny
http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/index.html
TMSObecný princip: více elektron ů kolem jádra = nižší δ
J interakceNepřímá spin-spinová interakce scalar coupling
interakce zprost ředkovaná vazebnými elektrony
jádro „cítí“ spinový stav okolních jader
K pochopení je třeba kvantová fyzika
Energie magnetického momentu jádra I=1/2 v magnetic kém poli
I = 1/2
E αβ
E je kvantována
spin ½ m ůže být nalezen jenve dvou stavech
frekvencepozice signálu ve spektru
B0
J vazba v 1H spektrechsignály jsou štěpeny vodíky, které jsou „různé“
Cl
Cl II
HH
Cl
ClI
HH
H
4.56.0 5.05.5 2.55.5 3.54.5
O
OH
H
H
H
H
H
H
H
1.05.0 2.04.0 3.0
„stejné“ vodíky se navzájem neštěpí
prozatímjen 3JHH
J vazba a systém št ěpeníŠtěpení n ekvivalentními vodíky
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
n
1
2
3
4
Pascalův trojúhelník
J1 > J2 J1 >> J2
J1 J1
J2
t dd dd
pravidlon+1
J1 = J2
J vazba a systém št ěpeníJ1 = J2 = J3
J1
J1 >> J2 = J3
J2
J3
J1
J1 > J2 > J3
J2
J3
J1 = J2 >> J3
J1
J2
J3
q dt
td ddd
Multiplicita sign álů
Cl
Cl
H H
H
H
ClH
H
H
H H
H
H
ClH
H
Br
H H
H
Br
CH3CH
CH3
CHNH2
OH O
CH3CH
CH3
OH
CH3 CH2
CH2
O
OH
septet
rychlá vým ěna OH vodík ů
J vazba
C
H
H
X
Y
CR
H
C
R
H
RR
C C
H
H
R
R
H
H
R
R
H
R
H
R
2JHH
3JHH
Geminální
Vicinální
5 – 20 Hz 0 – 2 Hz
6 – 8 Hz
bez konforma čnípreference
H
H
H
HH H
8 – 10 Hz 2 – 3 Hz
2 – 3 Hz
14 – 18 Hz 7 – 12 Hz
trans cis
Karplusova k řivka
závislost 3JHH na dihedrálním úhlu
Informace v 1H spektrech
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Počet signálů
CH3 O CH3
O
Informace v 1H spektrech
Intenzita signálů
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
CH3 O CH3
O
Informace v 1H spektrech
Systém štěpení
4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
4.10
1.20
CH3 O CH3
O
Vyměnitelné vodíky
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
N
NNH2
Cl
Cl
Vyměnitelné vodíky
N
NNH2
Cl
Cl
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
+ D2O
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 (13C spektrum, APT/DEPT)
• spojit funkční skupiny do molekuly
• znovu ověřit, zda molekula odpovídá spektru