� Ekranowanie j ądra przez elektrony

Bef = Bo (1 – σσσσ)

� Oddziaływanie spin – spin

sprzęŜenie po średnie (skalarne) J

sprzęŜenie bezpo średnie (dipol – dipol) D

oddziaływanie spinu z niesparowanym elektronem

(metale przej ściowe, wolny rodnik)

� SprzęŜenie kwadrupolowe (j ądra o spinie > 1/2)

� (Procesy relaksacyjne)

Podstawowe oddziaływania w cz ąsteczkachistotne dla spektroskopii MRJ

Indukowane pole magnetyczne

Ekranowanie j ądra przez elektrony

Bef = Bo (1 – σσσσ)

σσσσ =( σσσσdia + σσσσpara ) + σ σ σ σAB + σσσσdelok.

przesuni ęcie chemiczne ( δδδδ) = ekranowanie ( σσσσ) – ekranowanie wzorca ( σσσσref)

e

σσσσdia + σσσσpara σσσσAB σσσσAB σσσσdelok.

Bo

Ekranowanie - wielko ść anizotropowa

Bef = Bo (1 – σσσσ)

Roztwór : warto ść średnia przesuni ęć chemicznych (ekranowania)

Ekranowanie (przesuni ęcie chemiczne) zale Ŝy od indukcji pola magnetycznego

Anizotropia przesuni ęcia chemicznego : ró Ŝna warto ść przesuni ęcia chemicznego

(ekranowania) w zale Ŝności od orientacji cz ąsteczki wzgl ędem pola magnetycznego

σσσσ

Bσσσσxx σσσσxy σσσσxz

σσσσyx σσσσyy σσσσyz

σσσσzx σσσσzy σσσσzz

tensor ekranowania

σσσσiso = 1/3 (σσσσxx + σσσσyy + σσσσzz)

roztwór

ννννx - ννννref νννν0

ννννx - ννννref

νννν0 =106

[Hz]

[MHz] " ppm "δδδδ =

-+wysokie (silne) poleprzesłanianie

niskie (słabe) poleodsłanianie

MHz500 130 125 Hz

ννννx ννννref

Skala przesuni ęć chemicznych δδδδ (skala ppm)

Poło Ŝenie sygnału:

Częstość rezonansowa duŜe liczby, zale Ŝność od indukcji pola (np. 500 130 125 Hz) magnetycznego (typu aparatu)

Częstość względna: zaleŜność od indukcji pola magnetycznego ννννx – ννννref [Hz]

Skala przesuni ęć chemicznych warto ść niezale Ŝna od indukcji polappm ( parts per milion ) magnetycznego

Oddziaływanie spin – spin- sprz ęŜenie skalarne J, sprz ęŜenie po średnie

- sprz ęŜenie dipol-dipol D, sprz ęŜenie bezpo średnie

Wielko ść stałej sprz ęŜenia jest niezale Ŝna od indukcji pola magnetycznego

Wielko ść stałej sprz ęŜenia wyra Ŝamy w hercach („stała sprz ęŜenia”) (Hz)

Stałe sprz ęŜenia J i D mog ą być większe lub mniejsze od 0 ! Uwaga na znak !

„od a do b” ≠≠≠≠ „od –a do b” !!! w tym drugim przypadku a moŜe być równe 0 !!

H HJ

H

D

nJ(1H-1H)

� Stała sprz ęŜenia J mo Ŝe mieć warto ść mniejsz ą lub wi ększa od zera

� Wartość bezwzgl ędna J: od 0 do 9000000 Hz (!!)

� SprzęŜenie J składa si ę z czterech członów eksperymentalnie nierozró Ŝnialnych,

ale istotnych w przypadku oblicze ń teoretycznych *

� J jest wielko ścią anizotropow ą, zaleŜy od orientacji cz ąsteczki

� SprzęŜenie J jest funkcj ą struktury elektronowej molekuły i współczynników

magnetogirycznych obu j ąder

� Zredukowana stała sprz ęŜenia K AB:

SPRZĘśENIE SKALARNE (PO ŚREDNIE) J

* zgodnie z nierelatywistyczn ą teori ą Ramseya, N. F. Ramsey, Physical Review , 1953, 91, 303

Obliczanie parametrów MRJ

� Reguły empiryczne (np. metoda inkrementów, zale Ŝności Karplusa)� Metody MQ

� nierelatywistyczne (Gaussian, Dalton, ......)� relatywistyczne (ADF, ....)

Gaussian:

# nmr=giao b3pw91/6-311++g(2d,p) ..........

# nmr=(giao,spinspin) b3pw91/6-311++g(2d,p) ..............

wynik:

� Tensor ekranowania (warto ści σσσσ), istotna jest warto ść izotropowa („isotropic”)δδδδobl. = σσσσobl. ref - σσσσobl.

� Cztery człony stałej sprz ęŜenia (J oraz K): � kontaktowy Fermiego (Fermi contact, FC)� spinowo-dipolowy (spin-dipolar, SD)� paramagnetyczny spinowo-orbitalny (paramagnetic spin -orbit, PSO)� diamagnetyczny spinowo-orbitalny (diamagnetic spin-o rbit, DSO)� „Total”

O

CH3

CH3CH3

δδδδeksp. = 0.944δδδδobl. – 0.054

δδδδeksp. = aδδδδobl. + b

a = 1 ??b = 0 ??

Obliczone warto ści δδδδoptymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p)

0.5 1 1.5 2 2.5 30.5

1

1.5

2

2.5

0.5 1 1.5 2 2.5 30.5

1

1.5

2

2.5

r2 = 0.997rms 0.053

eksp. (ppm)

obl. (ppm)

eksp. (ppm)

obl. (ppm) r2 = 0.897

rms 0.287

OH

H

O

(41 rotamerów) (13 rotamerów)

1 2 3 40

1

2

3

4

1 2 3 40

1

2

3

4

r2 = 0.989rms 0.16

eksp. (ppm)

obl. (ppm)

eksp. (ppm)

obl. (ppm)

r2 = 0.999rms 0.05

Obliczone warto ści δδδδoptymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p)

� T. Helgaker, M. Jaszuński and M. Pecul, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2008, 53, 249� J. Autschbach and S. Zheng, Annual Report on NMR Spectroscopy, 2009, 67, 1� J Vaara, J. Jokisaari, R. E. Wasylishen and D. L. Bryce, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2002, 41, 233

CH3

X H

H1

2

3

2J(H1,H3)X FC SD PSO DSO J eksp.

H -0.35 +0.31 +3.29 -3.51 -0.26 +2.5F -3.89 +0.19 +3.34 -3.52 -3.87 -3.2NH2 -2.10 +0.23 +3.31 -3.39 -1.90 0.0

1J(H1,C2)H +135.0 +0.01 +0.55 +0.56 +136.1

Obliczone warto ści Joptymalizacja struktury: B3LYP/6-31G(2d) NMR: B3PW91/6-311++G(2d,p)

D ~ [3cos 2(αααα) – 1] (r-3)

Bo αααα

αααα = 54.74o D = 0

� Wielko ść stałej sprz ęŜenia D zale Ŝy od orientacji sprz ęgających si ę atomów wzgl ędem pola magnetycznego oraz od odległo ści r pomi ędzy atomami � W roztworze sprz ęŜenie D uśredniaj ą się do zera i nie wpływaj ą na struktur ęmultipletow ą widma.� SprzęŜenia D odgrywaj ą istotn ą rolę w procesach relaksacyjnych (NOE)

SPRZĘśENIE BEZPOŚREDNIE D

ODDZIAŁYWANIE SPINU Z NIESPAROWANYM ELEKTRONEM

� Niesparowane elektrony wyst ępują w atomach metali przej ściowych i wolnych rodnikach

� Wpływ na widmo:skrócenie czasu relaksacji i poszerzenie sygnałów ( wszystkich !! )zmiana przesuni ęcia sygnałów (np. kilkaset ppm w przypadku 1H)

SPRZĘśENIE KWADRUPOLOWE

� Występuje w j ądrach posiadaj ących moment kwadrupolowy, czyli j ądrach o spinie wi ększym ni Ŝ ½.

� Wpływ na widmo:skrócenie czasu relaksacji i poszerzenie sygnałów j ądra o spinie >1/2

Relaksacja: oddziaływanie spinów ze zmiennym polem magnetycznym generowanymi przez cz ąsteczk ę.

LrNoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaTh

LuYbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCe

AcRaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

Co mo Ŝna zmierzy ć metodami MRJ ?

pierwiastki posiadaj ące co najmniej jeden izotop o spinie 1/2

PODZIAŁ IZOTOPÓW

1H, 19F, 31P

3H, 13C, 15N 2H, 17O, 33S

14NduŜa zawarto śćnaturalna

mała zawarto śćnaturalna

spin = 1/2 spin > 1/2

Inny podział: izotopy o małej lub du Ŝej częstotliwo ści rezonansowej

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY WODORU

1H NMR, (2H NMR, 3H NMR)

Trzy aktywne izotopy wodoru:

1H 99.98% spin ½ 500.000 MHz (11.744 T)

2H 0.02% spin 1 76.753 MHz (11.744 T)

3H 0 spin ½ 533.317 MHz (11.744 T)

Widmo protonowe, 1H NMR (1H MRJ):

� Poło Ŝenie sygnałów (przesuni ęcie chemiczne, ppm)

� Wzorzec: tetrametylosilan, Si(CH 3)4 0 ppm

� Typowy zakres przesuni ęć chemicznych: 0 – 15 ppm

� Struktura sygnałów (krotno ść lub multipletowo ść, sprz ęŜenie spin-spin)

� Intensywno ść sygnałów, intensywno ść integralna („całka”)

� Skala δδδδ („przesuni ęć chemicznych”), skala ττττ = 10 - δδδδ

Przykładowe widmo 1H NMR wykonane w roztworze:

Równocenno ść (nierównocenno ść) atomów :

� równocenno ść/nierównocenno ść chemiczna

� równocenno ść/nierównocenno ść magnetyczna

Ilość nierównocennych chemicznie atomów (grup atomów) = il ość sygnałów

Nierównocenne atomy (grupy atomów) oznacza si ę róŜnymi literami alfabetu

DuŜa róŜnica przesuni ęć chemicznych = litery odległe w alfabecie

Przykłady:

układ AB

układ AMX

układ A 3X2

Protony (grupy protonów) homotopowe = równocenne chemicznieProtony (grupy protonów) enancjotopowe = równocenne chemicznieProtony (grupy protonów) diastereotopowe = nierównocenne chemicznie

FAZA CIEKŁA – ILO ŚĆ SYGNAŁÓW

Metody spektroskopowe i ich zastosowania do identyf ikacji zwi ązków organicznychPraca zbiorowa pod redakcj ą W. Zielińskiego i A. Rajcy, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2000Spektroskopowe metody identyfikacji zwi ązków organicznychR.M.Silverstein, F.X.Webster, D.J.Kiemle, Wydawnict wo Naukowe PWN, Warszawa 2007

Równocenno ść / nierównocenno ść chemiczna atomówCl

HH

H H

H

Cl

HH

H H

H

równocennechemicznie

(homotopowe)

nierównocennechemicznie

(diastereotopowe)

C

HH

FBr

równocennechemicznie

(enancjotopowe)

C

HH

R*Br

nierównocennechemicznie (!)

BrCl

Br

H

H H

???

Hax

Heq

BrCl

Br

H

H H

Br 2ClC CH3 Br 2ClC CH2R

BrCl

Br

H

H R

BrCl

Br

R

H H

Układ A3 (A2B ??) Układ A 2 Układ A2 (AB ??)

FBrClC CH 2R

BrCl

F

H

H R

Układ AB !!

Atomy wodorów w grupach CH 3 i CH2 w zwi ązkach ła ńcuchowych s ą chemicznie równocenne („u średnienie” przesuni ęć chemicznych) Wyjątek: centrum chiralne obok grupy !!!

Równocenno ść / nierównocenno ść chemiczna atomów

Spektroskopia MRJ w fazie ciekłej, w achiralnym środowisku, nie rozró Ŝniaenancjomerów, a rozró Ŝnia diastereoizomery.

(R)(S) = (S)(R), (R)(R) = (S)(S), (R)(S) ≠≠≠≠(S)(S), ...........

Równocenno ść / nierównocenno ść chemiczna atomów

równocenne(układ A 2)

nierównocenne(układ AB lub AX)

O

H N

CH3

CH3

NCH3 CH3

NO

CH3 CH3

NOR

HH

Cl Br

HH

Cl Cl

„Ukryte” wi ązanie podwójne

NH

O R1

R2N

H

O R2

R1

H

RR

X Y

HHH

Rozpuszczalniki stosowane w 1H NMR

Aceton-d 6 2.2 ppm

Acetonitryl-d 3 2.0 ppm

Benzen-d 6 7.4 ppm

Chlorek metylenu-d 2 5.3 ppm

Chloroform-d 7.3 ppm

Dimetyloformamid-d 6 (DMF) 2.9 ppm, 8.0 ppm

Dimetylosulfotlenek-d 6 (DMSO) 2.6 ppm

Metanol-d 4 3.5 ppm

Woda (D2O) 4.8 ppm

(Wg materiałów firmy BRUKER)

Wzorzec:

tetrametylosilan (TMS), (CH 3)4Si 0.00 ppm

DSS 0.015 ppm

Wzorzec zewn ętrzny (external reference)

Wzorzec wewn ętrzny (internal reference)

Wzorzec wtórny (secondary reference)

Si

CH3

CH3

CH3

CH3

Si

CH3

CH3

CH3

CH2 CH2 CH2 SO3Na

TMS

DSS

Kilka przesuni ęć chemicznych 1H NMR (ppm)

Elektroujemno ść podstawnika:

CH3-H 0.23

CF3-F 4.26

CH3-Cl 3.05

CH3-Br 2.68

CH3-I 2.16

CH3-OCH3 3.24

CH3-N(CH3)2 2.12

CH3-SCH3 2.08

CH3-Li -1.30

(CH3)4Si 0.00

Rząd wiązania:

CH3CH3 0.86

CH2CH2 5.32

CHCH 1.49

C6H6 7.40

Ilość heteroatomów:

CH4 0.23

CH3Cl 3.05

CH2Cl2 5.35

CHCl3 7.24

Ilość grup metylowych:

CH4 0.23

CH3CH3 0.86

CH3CH2CH3 1.33

CH3CH2CH(CH3)2 1.47

Atom wodoru przy

heteroatomie:

OH (alif.) 1 – 5

OH (Ar) 4 – 10

OH (kwas) 9 – 12

SH 3 – 4

NH2 3 – 5

Kilka przesuni ęć chemicznych 1H NMR (ppm)

N

X7.3

8.6

7.37.6

6.5 - 8.2

7.0 - 7.5

6.8 - 7.6

O O O

1.9

3.8

4.8

6.2

6.3

7.4

CH2

NH

N

NH

NNH

7.3

7.0

- 0.5

10 - 11

- 46.1

6.6

ca. 8

9.3

-3.0

18 elektronów π π π π 20 elektronów π π π π

11 - 14

4 - 7

Chaitanya S.Wannere, Paul von Ragué Schleyer, Organic Letters, 2003, 5(5), 605

N

N

N

NFe3+

H

H H

H

H

H

H

H H

Cl1H NMR (CDCl3)

protony pirolowe: 78.5 ÷÷÷÷ 81.1 ppm

proton mezo: -72.4 ppm

protony Ar: 5.1 ÷÷÷÷ 13.5 ppm

(J.Wojaczy ński, Praca Doktorska, Wrocław, 1998)

Zmiany przesuni ęcia chemicznego 1H NMR wywołane metalem przej ściowym: do ± 600 ppm

SprzęŜenie po średnie (skalarne) J

HHH

H

H H

sprz ęŜenie

geminalne

2Jgem

sprz ęŜenie

wicynalne

3Jvic

sprz ęŜenie dalekiego

zasięgu

nJ

2Jgem2J(1H-1H) 1J(13C-1H) 3J(5H-6H)

� Stała sprz ęŜenia J ma znak� Określenie znaku stałej sprz ęŜenia wymaga dodatkowych eksperymentów� Nazwy sprz ęŜeń dotycz ą dwóch dowolnych jąder, nie tylko protonów� SprzęŜenia pomi ędzy j ądrami równocennymi chemicznie nie wpływaj ą na struktur ęmultipletów (w widmach I rz ędu !!)

H

H

H

H

H

H

X

H

H

(- 12) ÷÷÷÷ (- 14)

(- 11) ÷÷÷÷ (- 18)

(- 3) ÷÷÷÷ (- 9)

(+ 6) ÷÷÷÷ (- 1.4)

(X = NR, J ≈ 0 Hz)

O

O H

H

H

H

H

H- 6.1

- 12.9

- 11.2

Geminalna stała sprz ęŜenia 2Jgem (atom sp 3)

2Jgem = (+ 6) ÷÷÷÷ (- 20) Hz

CH2 CC NN

CH3 C N

CH4 - 12.4

- 16.9

- 20.3

Geminalna stała sprz ęŜenia 2Jgem (atom sp 2)

C C

H

HR

X

X = F - 3.2NH2 0H + 2.5Li + 7.1

O C

H

H

C C

H

H

C

CH3

CH3

C C

H

H

O N C

H

HR

+42 9.0 15.8 7 ÷÷÷÷ 17

M.Heinekey, A.Hinkle, J.Close, J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 5353

IrH

HHPh3P

Me

Me Me

Me

Me

IrH

HHPh3P

2J(H,H) = 36.6 Hz (125 K)99.0 Hz (201 K)

2J(H,H) = 160 Hz (125 K)533 Hz (201 K)

+ +

Nietypowe sprz ęŜenia 2J(1H,1H) w wodorkach niektórych metali

„Quantum Mechanical Exchange Coupling”

ZaleŜność Karplusa

3J = 8.5 cos 2φφφφ – 0.3 (0 – 90o)3J = 9.5 cos 2φ φ φ φ – 0.3 (90 – 180o)

0 50 100 150

0

5

10

H

H

φφφφ

3J [Hz]

kąt φφφφ [o]

Wicynalna stała sprz ęŜenia 3Jvic

2 ÷÷÷÷ 9 Hz 6 ÷÷÷÷ 14 Hz 11 ÷÷÷÷ 18 Hz 4 ÷÷÷÷ 10 Hz 3 ÷÷÷÷ 7 Hz

C C HH C C

HH

C C

H

HC C

C

H

H

C C HH

O

COOH

H

NH2

R

COOH

H

NH2

R H

NH2

R

COOH

H R

O

N H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

CN

H

C

R

CN

O

H

C

RH

O H

3J(1H-1H)

3J(13C-1H)

3J(15N-1H)

3J(15N-15N)

3J(13C-13C)

3J(13C-1H)

3J = Acos 2(φφφφ + αααα) + Bcos( φφφφ + αααα) + C

3J [Hz]

kąt φ φ φ φ [o]

3J = Acos 2(φφφφ + αααα) + Bcos( φφφφ + αααα) + C

A.Ejchart, „Scalar Couplings in Structure Determination of Proteins”Bulletin of the Polish Academy of Sciences; Chemistry, 19 99, 47(1) 1

H. A. Taha, N. Castillo, D.N. Sears, R. E. Wasylishen, T. L. Lowary, P.-N. Roy, Journal of Chemical Theory and Computation, 2010, 6, 212

O

OH OH

OHOMe

3J(H,H) = A + Bcos( φφφφ) + Ccos (2 φφφφ)Parametryzacja równania: na podstawie 90 konformeró w

O

OH

OH

OH

OH OOH

O

OH

OH

OMe

N. J. Christensen, P. I. Hansen, F. H. Larsen, T. Folkerman, M. S. Motawia, S. B. Engelsen, Carbohydrate Research, 2010, 345, 464

3J(H,C) = 0.8 – 0.7cos( φφφφ) + 5.3cos 2 (φφφφ)

H H CH H

(- 3) ÷÷÷÷ (- 1) Hz 2 ÷÷÷÷ 3 Hz

H

H

H

H

H

H3Jorto = 10 ÷÷÷÷ 13 Hz 5Jpara = 0.1 ÷÷÷÷ 1 Hz4Jmeta = 2 ÷÷÷÷ 3 Hz

CH2 CH

H

CH2

HHH

H

H

HH

H

2Jax-eq = (- 11) ÷÷÷÷ (- 13) Hz3Jax-ax = 11 ÷÷÷÷ 13 Hz3Jax-eq = 2 ÷÷÷÷ 5 Hz3Jeq-eq = 2 ÷÷÷÷ 5 Hz

SprzęŜenie „W”ok. 1 Hz

3J(1H-1H) ≠≠≠≠ 0 Hz

4J(1H-1H) ≈≈≈≈ 0 Hz

� Widma NMR dziel ą się na widma pierwszego i drugiego rzędu.

� W widmach pierwszego rz ędu:

� ∆δ∆δ∆δ∆δ >> J

� brak atomów magnetycznie nierównocennych

� sprzęŜenia pomi ędzy atomami chemicznie równocennymi nie wpływaj ą na

krotno ść (multipletowo ść) sygnałów; np. sygnał grupy CH 3 jest singletem,

� znak stałej sprz ęŜenia nie wpływa na struktur ę multipletu,

� δδδδ i J mo Ŝna odczyta ć wprost z widma

� W widmach drugiego rz ędu:

� ∆δ∆δ∆δ∆δ ≈≈≈≈ J, i / lub s ą atomy nierównocenne magnetycznie

� sprzęŜenia pomi ędzy atomami chemicznie równocennymi i znak stałej

sprzęŜenia wpływaj ą na struktur ę sygnałów

� Trudna analiza multipletów

Konstrukcja multipletów

Praca domowa:

� konstrukcja multipletów w widmach I rz ędu

� ilość sygnałów vs. struktura zwi ązku

� przesuni ęcie chemiczne vs. struktura zwi ązku

1

1 1

1

1 1

1 12

1

1 1

1 12

1 133

1

1 1

1 12

1 1331 464 1

CH CH

CH CH2

CH CH3

CH CH3CH

C HCH3

CH3

CH3

Praca domowa: jak wygl ąda sygnał „czerwonego” atomu wodoru

CH3

CH2

CHCH3

NH2

CH3

CH2

CHCH3

N(CH3)2NH

Nierównocenno ść protonów w grupie CH 2

(widmo w CDCl 3)

ppm

Układ A 3MNX

Widma protonowe drugiego rz ędu

AX

AM

AB

J ≈≈≈≈ ∆δ∆δ∆δ∆δ widmo drugiego rz ędu

XCH2-CH2Y

A2X2

A2M2

A2B2

-CH2CH3

A2X3

A2B3

AX

AM

AB

J ≈≈≈≈ ∆δ∆δ∆δ∆δ widmo drugiego rz ędu

a

b

∆δ∆δ∆δ∆δ = = = = a*b

δδδδx = δδδδ0 – ∆δ∆δ∆δ∆δ/2δδδδy = δδδδ0 + ∆δ∆δ∆δ∆δ/2

J J

J

δδδδx δδδδy

∆δ∆δ∆δ∆δ = 1 ppm (500 Hz)

J = 7 Hz

∆δ∆δ∆δ∆δ = 0.1 ppm (50 Hz)

∆δ∆δ∆δ∆δ = 0.02 ppm (10 Hz)

Układ spinowy AX 2 AB2

A

X

! dla ∆δ∆δ∆δ∆δ = 0 ppm pozostanie tylko jedna linia (układ A 3)

6

5

6 12

3

4

8 7

12

3

4

5

8

7

δδδδAδδδδB = (δδδδ5 + δδδδ7) / 2

δδδδB

JAB = (νννν1- νννν4) + (νννν6 – νννν8) / 3

� Dwa atomy s ą równocenne magnetycznie, kiedy :� są równocenne chemicznie� stałe sprz ęŜenia tych atomów z dowolnym innym

atomem w cz ąsteczce s ą identyczne

� Równocenno ść / nierównocenno ść magnetyczna: dotyczy atomów równocennych chemicznie

NIERÓWNOCENNOŚĆ MAGNETYCZNA*

X

H

H

H

H

δδδδH = δδδδHδδδδH = δδδδH

A2X2 ??

3J(HH) ≠≠≠≠ 4J(HH) AA’XX’ (AA’BB’)

* próbka w roztworze

H

H

H

HZ

Z

Z

Y

H

HH

H Z

HH

H H

H

H

H

H

Układ spinowy AA’XX’ (AA’BB’)

7,81,2

3

4 5

69

1011

12

N = νννν1,2 – νννν7,8K = νννν3 – νννν4 = νννν5 – νννν6M = νννν9 – νννν10 = νννν11 – νννν12(2O)2 = (νννν3 – νννν5)2 = (νννν4 – νννν6)2

(2P)2 = (νννν9 – νννν11))))2 = (νννν10 –νννν12)2

L = [(2O) 2 – K2]0.5 = [(2P)2 – M2]0.5

N = JAX + JAX’L = JAX – JAX’K = JAA’ + JXX’M = JAA’ – JXX’

E. W. Garbisch, Journal of Chemical Education, 1968, 4 5(5), 311 – 3201968, 45(6), 402 – 4161968, 45(7), 480 – 492

X

A

X X'

A'

Układ AA’MM’X ≈≈≈≈ A2M2X

1J(13C,1H)

3J(1H,1H)układ ABX

1J(13C,1H)

*

*

* **

H

H

H

H

H

H

C12

C13

H

H

H

H

układ AA’BB’ X

C13

C12

H

H

*

WIDMO SATELITARNE: POMIAR J(H,H)

~1% ~1%

dwa atomy 13C obok siebie: ~0.01%

1J(13C,1H)

3J(1H,1H)

C13

C12

H

H

2J(13C,1H)3J(1H,1H)

δδδδH ≠ δδδδH efekt izotopowy !!

POMIAR 1H NMR I PRZYCZYNY BŁĘDÓW cz.2

Przygotowanie próbki

� Próbka o odpowiednim st ęŜeniu, rozpuszczona w odpowiedniej ilo ści deuterowanego rozpuszczalnika, bez osadu i stałych z anieczyszcze ń.

� Czy mo Ŝna uŜyć rozpuszczalnika nie deuterowanego ?

� Brak sygnału deuteru; brak sygnału u Ŝywanego do regulacji jednorodno ści pola i do stabilizacji pola. Mo Ŝna ewentualnie u Ŝyć sygnału FID-u.� CHCl3, CH2Cl2 .... – konieczno ść usuwania sygnału rozpuszczalnika.� CCl4, CS2, freon ... – mo Ŝna uŜyć; ew. zastosowa ć rozpuszczalnik deuterowanyw kapilarze.

� Wzorzec: zewn ętrzny lub wewn ętrzny. Mo Ŝna uŜyć sygnału resztkowego rozpuszczalnika.

Przykładowe widmo 1H NMR wykonane w roztworze:

stała sprz ęŜenia J (Hz)

poło Ŝenie sygnału(przesuni ęcie chemiczne)

intensywno ść integralna„całka”

� Przesuni ęcie chemiczne

� niedoskonało ść wzorca („wewn ętrzny” TMS) – bł ąd do ± 0.5 ppm ( !! ). W precyzyjnych

pomiarach nale Ŝy stosowa ć wzorzec zewn ętrzny.

� efekty st ęŜeniowe, temperatura próbki, asocjacja zwi ązku, itp.

� rozdzielczo ść spektralna (0.3 – 0.8 Hz)

� typowa dokładno ść δδδδ(1H): nie wi ęcej ni Ŝ ± 0.01 ppm

� Wartość stałej sprz ęŜenia J

� rozdzielczo ść spektralna (0.3 – 0.8 Hz) ( !!! )

� nakładanie si ę sygnałów

� typowa dokładno ść J: nie wi ęcej ni Ŝ ± 0.3 Hz

� dokładno ść moŜna zwiększyć poprzez optymalizacj ę pomiaru

� Intensywno ść integralna:

� niepełna relaksacja próbki

� rozdzielczo ść spektralna

� zaburzenia linii podstawowej widma, nieprawidłowa f aza widma

� typowy bł ąd: do 10%

BŁĘDY I ICH PRZYCZYNY

Niepełna relaksacja próbki

Widmo pochodnej metioniny w CDCl 3 – integracja sygnałów

AQ (at) = 2.34 sd1 = 1 msd1 = 5 sd1 = 10 s

S

NO O

COOMe

H

4Hdf.

0.7

2.6

2.9

2.32.94

0.95

3.0

4.03.7

0.8

2.9

2.8

d1

pwat

Optymalizacja pomiaru 1H NMR

T1: dla 1H 0.2 – 2 s lub dłu Ŝej (!)

Typowe parametry: 1H: d1 = 0 s, at = 3 – 5 s, pw = 30 – 90o

d1

pwat

t (sek)

Asygnał

szum

t (sek)

A

Parametry do optymalizacji:d1 moŜna wydłu Ŝyć do kilkunastu sek. = bardziej wiarygodna intensywno ść integralnaat powinien by ć optymalny (zazwyczaj nie trzeba zmienia ć) zmiana powoduje zmian ę npnp ilość punktów FID-u; zmiana powoduje zmian ę atfn ilość punktów widma ( 2n); zazwyczaj 32K lub 64K; mo Ŝna zwiększyć do 128 K. Poprawia rozdzielczo ść spektraln ą widma; parametr wa Ŝny przy pomiarze stałej sprz ęŜenia J i dokładnym całkowaniu. !! Rozdzielczo ść jest ograniczona „naturaln ąszeroko ścią linii” !!sw zakres wyst ępowania sygnałów; za du Ŝy = gorsza rozdzielczo ść; za mały = sygnały zawini ęte (lub „zgubione”). Krótki sw = długi czas atpw raczej nie zmienia ć, ew. skróci ć (zbyt długi puls = mo Ŝliwo ść uszkodzenia aparatu !!)gain szczególnie wa Ŝny przy pomiarach protonowych (za du Ŝy = deformacja widma)

t (sek)

A„ gain ” – gain = n lub 0 – 39

za mała warto ść – źle wykorzystana czuło ść aparatuza duŜa warto ść – obci ęcie sygnału

Jeśli gain = 0 za duŜy, nale Ŝy zmniejszy ć pw (np. o 50%)

Przypomnienie: dobór czuło ści odbiornika („receiver gain”)

t (sek)

t (sek)

t (sek)

t (sek)

t (sek)

A

A

A

y

y

t (sek)

A

LB = 0.1 – 0.3 dla 1HEF lub EM i FT

LB = -1.2; GB = 0.1 – 1 (Bruker)

MnoŜenie przez funkcję wykładniczą(Exponential Multiplication, EM)y = exp(-at/ta)

MnoŜenie przez funkcję Gaussa(Lorentzian-to-Gauss Transformation)y = exp(at/ta- bt2/ta

2))

FT

GM, EM, FT

LB = -1.2

GB = 0.5

FT

EM, FT

LB = 1

Przypomnienie : funkcje wa Ŝące stosowane w 1H NMR (1D)

� wpływ temperatury na widmo

� efekt Overhausera

� presaturacja sygnału (usuwanie sygnału rozpuszczalni ka)

� echo spinowe

� rezonans podwójny („homodecoupling”)

Tematy zwi ązane nie tylko z 1H NMR

NO

NN

N

Ph

CH2CH3N

O

NN

N

Ph CH2CH3

+ - + -

318 K

303 K

253 K

CH2CH3

Wpływ temperatury na widmo

N1

2

3

CH2

CH3

CH2 + 4 H1

4 H2

2 H3

H2

H2

H3

H1, H3H1

303 K

233 K

CDCl3

Wpływ temperatury na widmo

H

H

JĄDROWY EFEKT OVERHAUSERA (Nuclear Overhauser Effect, NOE)

J(H,H) = 0 Hz (duŜa odległo ść liczona po wi ązaniach)

D(H,H) ≠≠≠≠ 0 Hz (mała odległo ść liczona poprzez przestrze ń)

HH

υυυυ0

Efekt Overhausera – zmiana intensywno ści sygnału atomu poło Ŝonego w pobli Ŝu innego atomu naświetlanego jego cz ęstością rezonansow ą

D.Neuhaus, M.Williamson „The Nuclear Overhauser Effect” (VCH 1989)

I – intensywno ść integralna sygnał u

niezaburzonego

Io – intensywno ść integralna sygnału

zaburzonego

ηηηη – współczynnik wzmocnienia

ηηηη = (I – Io)/Io

HH

widmo odniesienia

widmo zaburzone

widmo ró Ŝnicowe

I

Io

naśw.

I - Io

naśw.

υυυυ0

Widmo odniesienia

Widmo na świetlone

Widmo na świetlone - widmo odniesienia

Przykład pomiaru efektu Overhausera

(B.Furman et al.)

O

HHH

H

H

A AX AMX

αα

αββα

ββ

W widmie NMR obserwowane s ą bezpośrednio wył ącznie przej ścia jednokwantowe

H H

1 – 4 przejścia jednokwantowe5 przej ście dwukwantowe6 przej ście zerokwantowe

αααααααα

βαβαβαβα

ββββββββ

αβαβαβαβ

1

43

2

1,42,3

αααααααα

βαβαβαβα

ββββββββ

αβαβαβαβ

1

43

2

1,42,3

5

6

υυυυ0

50%

ηηηη

czas naświetlania [s]

mała odległo ść między atomami

duŜa odległo ść między atomami

maksymalna warto ść ηηηη dla układu 1H – 1H: 50%

Szybko ść narastania NOE:

ZaleŜność ηηηη od czasu korelacji cz ąsteczki:

1H{1H} 0.5

-1

ηηηη

log ωτωτωτωτc

ωωωω – częstość rezonansowa 1Hττττc – czas korelacji cz ąsteczki0

!! Brak NOE nie jest potwierdzeniem struktury !!

+

+-

- ruch molekuły == fluktuacje B

0.1 1 10 100

0.1 1 10 100

log ωτωτωτωτc

log ωτωτωτωτc

η [%]η [%]η [%]η [%]

η [%]η [%]η [%]η [%]

50 %

- 100 %

0 %

50 %

- 100 %

0 %

49 %

28 %

- 0.4 %

50 %

1 %

- 13 %

50 %

- 13 %28 %

49 %

- 0.4 %

1 %

H H H

H H

H H HH

H

H

H

αααα

ηηηη

y = ax + b

HH

H

H

a ~ 1/r6

0 200 ms

ηηηη

czas naświetlania [`s]

a1, a2, a3

H

H

CH

H

wzorzec r

a1∝∝∝∝ (1/r1)6

a2∝∝∝∝ (1/r2)6

a3∝∝∝∝ (1/r3)6

eksperyment „NOE-build-up”

H H H H

x y

H H

(x+y)/2

Odległo ść wg NOE: {[ (1/x 6) + (1/y6) ] / 2} -1/6

x = 0.4, y = 0.6

(x + y)/2 = 0.5

{[ (1/x 6) + (1/y6) ] / 2} -1/6 = 0.443

Uśrednianie odległo ści wg NOE <r -6>

C

H

HH C H

H

H

υυυυ0

� krótki czas na świetlania: „truncated driven NOE” (TOE)

� długi czas na świetlania: „steady state NOE”

� selektywny impuls 180 o: „transient NOE”

dηηηη/dt ~ 1/r 6

180o

ηηηη

czas

90o

180o

transient NOE

90o

rotating-frame NOE (ROE)

spin lock

log( ωτωτωτωτc)

ηηηη

steady state NOE ηηηη od 0.5 do -1

transient NOE ηηηη od 0.385 do -1

ROE ηηηη od 0.385 do 0.675

0

I.Bertini, Coord. Chem. Rev., 150 (1966) 163

NOE – wykonanie eksperymentu

� Próbka:

� eliminacja zanieczyszcze ń paramagnetycznych:

kationów metali przej ściowych (np. Cr 3+ z chromianki)

tlenu atmosferycznego rozpuszczonego w roztworze

� Odgazowanie próbki:

� przepuszczanie gazu oboj ętnego – mało skuteczne

� procedura „zamra Ŝanie – pró Ŝnia – rozmra Ŝanie” 3 – 5 razy

� zastosowanie specjalnej probówki NMR

� Pomiar:

� wykona ć kilka pomiarów (co najmniej dwa)

� brak NOE nie jest potwierdzeniem struktury

� obecno ść NOE nie jest potwierdzeniem struktury

REZONANS PODWÓJNY

REZONANS PODWÓJNY(homodecoupling, odsprz ęganie)

ννννo

αααααααα

ββββαααα

ββββββββ

ααααββββ

1

43

2

1,42,3

αααααααα

ββββαααα

ββββββββ

ααααββββ

1

43

2

1,4

2,3

νννν0

νννν0

PRESATURACJA SYGNAŁU

Widmo odniesienia

Widmo na świetlone

Uboczny skutek eksperymentu NOE: usuni ęcie sygnału z widma

PRESATURACJA SYGNAŁU – usuwanie sygnału rozpuszczaln ika przez jego selektywne naświetlanie. ZASTOSOWANIE: usuwanie silnego sygnału rozpuszczaln ika, np. w próbkach białek i DNA w środowisku H 2O (nie D2O !!)

υυυυ0

Selektywne naświetlanie: wyrównanie obsadze ńpoziomów energetycznych

PRESATURACJA SYGNAŁU(usuwanie sygnału rozpuszczalnika)

H2O

-1.09.0ppm

H2O� Problem: 1% zwi ązków organicznych w wodzie; nie mo Ŝna odparowa ć wody ani wydzieli ć związku� Sygnał wody ponad 100 razy silniejszy ni Ŝ sygnały badane

� Próbka: 60% roztworu + 40 % D 2O

PRESATURACJA SYGNAŁU(usuwanie sygnału rozpuszczalnika)

Szeroko ść sygnału zale Ŝy od czasu relaksacji T 2

Szeroki sygnał = krótki T 2

Wąski sygnał = długi T 2

początek rejestracjisygnału

???

USUWANIE SZEROKIEGO SYGNAŁU

ECHO SPINOWE

ττττττττ90o 180o

po impulsie 90 o

x

y

f

s

po czasie ττττ

f

s

f

s

po impulsie 180 o po czasie ττττ

exp(-t / T 2)

Dwie przyczyny zaniku sygnału:� czynniki aparaturowe (niejednorodno ść pola)� relaksacja spin-spin

Carr-Purcell-Meiboom-GillD1 – 90o – (ττττ – 180o – ττττ)n - FID

t = 0 ττττ 2ττττ

0 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 100

13C-14N ok. 99%

13C-15N ok. 1%

y = Io exp(- τ τ τ τ / T2)

ττττ

ττττττττ90o 180o

Dwa zastosowania echa spinowego

pomiar czasu T 2

Usuwanie szerokich sygnałów