strukturní analýza nmr spektroskopie · hore: nuclear magnetic resonance hore, jones, wimperis:...

Strukturní analýza

RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D.

Hlavova 8, místnost 020tel. 22195 1323tosner@natur.cuni.czwww.natur.cuni.cz/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