OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0184 18.2.2013

Cvičení z NMR OCH/NMR

Mgr. Tomáš Pospíšil, Ph.D.

LS 2012/2013

18.2.2013

NMR – základní principy

3

NMR – Nukleární Magnetická Resonance

N - nukleární (studujeme vlastnosti jader) Nejedná se o metodu využívající ionizační záření! M - magnetická (chování jader v magnetickém poli) R - resonance (podmínka resonance musí být splněna stejně jako u všech ostatních spektrálních metod)

NMR je jednou z nejsložitějších v praxi využívaných analytických (kvalitativních i kvantitativních) a zobrazovacích metod (NMR imaging). Je založena na sledování odezvy jader s nenulovým jaderným spinem umístěných v silném magnetickém poli a jejich interakci s vysokofrekvenčním elektromagnetickým vlněním.

NMR – jaderný spin

4

Rozdělení jader - sudý počet protonů a neutronů - jaderný spin I = 0. Nemají jaderný magnetický moment, nejsou v NMR pozorovatelná(12

6C, 168O)

nepárový počet protonů a neutronů – I = 1, 3, 5…. vedle jaderného magnetického momentu mají i kvadrupólový moment = obtížně měřitelná v NMR (14

7N) Liché hmotnostní nukleonové číslo – poločíselný spin (I = ½) snadno měřitelná v NMR (1H, 13C, 15N, 31P)

Zcela neaktivní v NMR jsou pouze: Ar, Tc, Ce a Pm.

NMR – jaderný spin

5

Jádra s náhodně orientovaným magnetickým polem

Jádra po vložení do vnějšího magnetického pole o magnetické indukci B0. Podobně jako spin elektronu, zaujímá i spin jádra ve vnějším magnetickém poli polohy, které se liší energií.

NMR – jaderný spin

6

ΔE = hν0 = hγB0 /2π.

Vliv intenzity vnějšího magnetického pole na rozdíl energetických hladin jader.

ν0– Larmorova frakvence h – Planckova konstanta γ – gyromagnetická konstanta konstanta charakteristická pro daný izotop vyjadřuje úměrnost mezi momentem hybnosti a magnetickým momentem

Boltzmanovo rozdělení:

Nα/Nβ = eΔE/kT

NMR – jaderný spin

7

Precesní pohyb: Vektor magnetického momentu jádra vykonává precesní pohyb okolo osy z (směr vnějšího magnetického pole) s tzv. Larmorovou frekvencí ν0 = γB0/2π Precesní pohyb je výslednicí interakce síly, která se snaží přimět vektor μ (magnetický moment) k orientaci s vektorem B0 a síly udržující jej v rotaci. Frekvence tohoto precesního pohybu je přímo úměrná rozdílu energií dvou spinových stavů, což lze odvodit na základě kvantové mechaniky.

NMR – jaderný spin

8

NMR excitace: RF-puls (pomocí oscilujícího magnetického pole B1 v rovině kolmé k B0) s frekvencí rovnou Larmorově precesní frekvenci jader ω0 vychýlí rovnovážnou makroskopickou magnetizaci ze směru pole B0. To se projeví nenulovou rotující složkou magnetizace v rovině Mx,y, která se pak deteguje jako rezonanční signál.

NMR – jaderný spin

9

NMR relaxace detekce NMR signálu: Při absenci externího mag. pole B1se Mx,y bude snažit přejít zpět na Mo

(rovnováha) obnovením původní distribuce populací Na/ Nb. Tento jev se nazývá relaxace.

Oscilace vektoru Mx,y vytváří fluktuující magnetické pole, které generuje elektrický proud v přijímací cívce. Přijímací cívka je umístěna v ose X.

NMR – jaderný spin

10

NMR relaxace - detekce NMR signálu:

NMR – jaderný spin

11

Po efektivní excitaci všech spinů: FID – Free Induction Decay - kombinaci signálů o různé frekvenci

NMR – jaderný spin

12

Zpracování: Fourierova transformace

NMR – základní parametry

13

ZÁKLADNÍ NMR PARAMETRY: Chemický posun – počet signálů Spin-spinová interakce - interakční konstanta Integrační intenzita signálů

NMR – počet signálů

14

NMR – chemický posun

15

Jestliže má každý druh jádra svoji charakteristickou frekvenci, proč je NMR spektroskopie tak užitečná? • Jádro stejného nuklidu umístěné v různých strukturách molekuly se projeví různými signály. Jádra v molekule jsou ovlivňována (stíněna) e- okolních atom. Obíhající e- vytvářejí slabé mag. pole, které je namířeno proti vnějšímu poli (B0). •Vlivem tzv. chemického okolí dochází ke změnám magnetického pole, které působí na každé jádro stejného typu. Hovoříme o tzv. efektivním magnetickém poli Beff, které je tvořeno hlavním magnetickým polem Bo a lokálním magnetickým polem Beff= Bo-Bloc ---- Beff= Bo( 1 -σ) σ je tzv.konstanta magnetického stínění.

NMR – chemický posun

16

Řídké elektronové stínění Husté elektronové stínění

CHO

NMR – chemický posun

17

protože je nepraktické vyjadřovat resonanční frekvence v absolutních hodnotách (MHz), vyjadřují se jako rozdíly vůči resonanční frekvenci standardu: νi (Hz) = νi (vzorek) - ν (standard) chemické posuny v Hz však závisí na pracovní frekvenci spektrometru a proto byla zavedena tzv. δ-stupnice posunů s bezrozměrnými jednotkami ppm: δ (ppm) = [(νi (vzorek) - ν (standard)) / ν0 (spektrometr)] *106

Chemický posun

Standard: tetramethylsilan (TMS) je standardem jak pro 1H, tak pro 13C spektroskopii. Je dobře rozpustný, inertní a poskytuje vždy jeden signál.

NMR – chemický posun

18

NMR – spin-spinová interakce

19

Energetické hladiny jednotlivých jader jsou ovlivňovány spinovými stavy jader v okolí. Toto je nazýváno nepřímou spin-spinou interakcí.Nepřímá interakce je to proto, že je zprostředkována vazebnými elektrony (na rozdíl od přímé dipól-dipólové interakce jaderných spinů)

Magnetický moment jádra polarizuje vazebné elektrony, resp. jejich magnetické momenty a tato polarizace je přenášena na další jádra.

NMR – interakční konstanta

20

Velikost spin-spinových interakcí udávají interakční konstanty J (v Hz), které jsou mírou interakční energie jader podle vztahu: J (A,B) = K . γ(A). γ(B) kde K závisí na elektronické struktuře a geometrii a γ(A), γ(B) jsou gyromagnetické poměry jader A a B

- J odpovídá vzdálenosti mezi dvěma čarami multipletu v Hz - podle počtu vazeb mezi interagujícími jádry se J označují jako přímé (1J), geminální (2J), viciální (3J) anebo „long-range“ (4J nebo 5J )

NMR – interakční konstanta

21

NMR - interakční konstanta

22

NMR – interakční konstanta

23

NMR – jaderný spin

24

NMR – Integrální Intenzita

25

NMR – problém č.1

26

NMR – problém č.1

27

NMR – problém č.1

28