Spektroskopie NMR vysokého rozlišení Spektroskopie NMR vysokého rozlišení 1. I nterakce magnetického momentu jádra se statickým magnetickým polem B0 (zeemanovská) 2. I nterakce s časově proměnným polem B1 (<< B0) 3. Dipól-dipólová interakce (přímá) mezi jadernými magnetickými momenty 4. Magnetická interakce jader s elektrony pro NMR vysokého rozlišení (diamagnetické látky) - 1., resp. 2. řád poruchové teorie: chemický posuv nepřímá interakce mezi jadernými momenty, zprostředkovaná elektronovými obaly (J -vazba) 5. Kvadrupólová interakce jader s elektrickým polem (pro jádra se spinem I >1/ 2)

Magnetický dipólový moment jádra (1) vytváří magnetické pole Bdip na jádře (2) (a naopak)

Příklad: I (1) = 1/2Blok na (2) má jednu ze dvou možných hodnot podle Iz

(1) (+1/2 nebo -1/2)

původně jednoduchá čára ve spektru jader (2) se rozštěpí na dvě.

Vnější pole Bext || z, dvojice jader se spiny I(1), I(2) vzdálené o r 

PPřřímá dipól-dipólová interakceímá dipól-dipólová interakce

Jádro (2) je v poli Blok =Bext+ Bdip pole Bdip závisí na stavu spinu (1)

různé Blok v místech jader (2)

Odhad velikosti: Bdip~ ~10-4T <<B0 ( ~N ~5.10-27J/T, r ~ 0,2 nm)

Závislost štěpení na vzájemné orientaci B0 a r … (3cos2 - 1)

34 ro

1. Spojnice r různých dvojic (1) a (2) mají stejné , další daleko

2. Spojnice r různých dvojic (1) a (2) mají různé

PPřřímá dipól-dipólová interakceímá dipól-dipólová interakce

Pakeův dublet (Pakeův dublet (““powder patternpowder pattern””))

32

0831

43 122

rd

SPEKTRUM:křivka symetrická kolem 0 , 2 maxima

Odhad velikosti: Bdip~ ~10-4T <<B0 ( ~N ~5.10-27J/T, r ~ 0,2 nm)

Závislost štěpení na vzájemné orientaci B0 a r … (3cos2 - 1)

34 ro

1. Spojnice r různých dvojic (1) a (2) mají stejné , další daleko

2. Spojnice r různých dvojic (1) a (2) mají různé

ad 2. a 3.:rozšíření spektrálních čar

PPřřímá dipól-dipólová interakceímá dipól-dipólová interakce

3. Jádra jsou v dipolárních polích od většího počtu dalších jader

1H NMR spektra vody a ledu (60 MHz spektrometr)

>

Kapaliny, roztoky malých molekul: molekuly se rychle náhodně pohybují (translace, rotace),frekvence precese je dána časovou střední hodnotou lokálního pole,středování okamžitých hodnot Bdip při tomto pohybu 0,

přímá dipolární interakce se v jejich spektrech neprojeví

PPřřímá dipól-dipólová interakceímá dipól-dipólová interakce

Látky se liší dynamikou

PPřřímá dipól-dipólová interakceímá dipól-dipólová interakceLze odstranit rozšíření čar ve spektrech pevných látek vyvolané přímou jadernou dipól- dipólovou interakcí?

MAS středuje i některé další anizotropní interakce, resp. jejich části, které závisí na natočení lokálního okolí vůči Bo vztahem typu (3cos2 -1)

Např. ● rotací vzorku pod magickým úhlem (MAS)(3cos2 - 1) se středuje k 0

● DOR, DAS, VAS● multipulsní serie● dekapling

PPřřímá dipól-dipólová interakce ímá dipól-dipólová interakce // MAS MASPříklad: 29Si NMR spektrum

směsi dvou vápenatých křemičitanů

vysoce čistý trigonální C3S (9 neekvivalentních poloh Si; 8 čar, jedna 2násobná)

s příměsí -C2S (1 čára na -71.4 ppm)

C=CaO, S=SiO2

(komponenty portlandských cementů (50-70%, resp.20%))

(Kirkpatrick R.J, Cong X.-D. , 1993)

MAS

MAS – zvětšeno

statické spektrum

Elektrická kvadrupólová interakceElektrická kvadrupólová interakce/MAS/MAS

S.Ganapathy et al.,,Solid State Nucl.Magn.Res.24,184,2003

Příklad: 27Al 3Q-MAS spektrum zeolitu Ti-I-USY

rozlišení pozic AlIV, AlV, AlVI

Magnetické interakce jader s elektronyMagnetické interakce jader s elektrony

DDiamagnetikaiamagnetika – účinky elektronů v chemických vazbách se do značné míry vzájemně kompenzují, výsledný vliv je velmi slabý. K měření je nutné velmi homogenní a stabilní pole (až 10-10).

Spektroskopie vysokého rozlišení v kapalinách a v pevných látkách.

Diamagnetické kapalinyDiamagnetické kapaliny

1H NMR spektrum 4-ethylbenzaldehydu

5 neekvivalentním polohám H v molekule odpovídá 5 skupin čar (5 signálů),

jejich plochy jsou v poměru četností poloh H v molekule 1:2:2:2:3,některým polohám odpovídají čáry rozštěpené do multipletu

ppm

Chemický posunChemický posunVnější statické magnetické pole Bext polarizuje elektronový systém (elektronový obal, el. ve vazbách) dodatečné magnetické pole B = - B0, posunutí rezonanční frekvence rez = (1 - ) B0

úměrné Bext a závislé na rozložení elektronové hustoty v okolí jádra

Diamagnetický příspěvek

Paramagnetický příspěvek

Př. aromatický kruh, elektrony

Pozn. je obecně tenzor 3x3;kapaliny – středování, uplatní se jen 1/3 stopymonokrystal – závislost na orientacipolykrystaly – rozšíření čar

Bext

Chemické posuny v diamagnetických Chemické posuny v diamagnetických kapalináchkapalinách závisí na rozložení elektronové hustoty v okolí jádra

jádra izotopů s větším počtem elektronů - větší rozsah posunů udává se vzhledem ke zvolenému standardu pro daný izotop

66 101

10.standardu

standardu

standardu

standardu

ppm

Chemické posuny v diamagnetických Chemické posuny v diamagnetických kapalináchkapalinách

1H NMR spektrum 4-ethylbenzaldehydu

5 neekvivalentním polohám H v molekule odpovídá 5 skupin čar (5 signálů),

jejich plochy jsou v poměru četností poloh H v molekule 1:2:2:2:3,některým polohám odpovídají čáry rozštěpené do multipletu

ppm

Chemická výměnaChemická výměnaZměna konformace molekuly; výměna pozice v molekule; výměna atomu s jinou molekulou; tvorba vodíkových můstků...

Příklad: NMR spektrum metylových protonů dimetylformamidu

záleží na četnosti

přeskoků proti rozdílu v

rezonančních frekvencích νA-νB

rychlá nebo pomalá výměna

3,03,1 2,9 ppm

380 K

410 K

420 K

430 K

A

A

B

B RYCHLÁVÝMĚN

A

POMALÁVÝMĚNA

ŠtŠtěěpení pení ččar v multipletyar v multipletyJaderný magnetický moment (1) magneticky polarizuje elektrony

v chemické vazbě, resp. vazbách k atomu s jádrem (2) nepřímá spin – spinová interakce (J-vazba)

interakční energie … I(1) h J I(2) J … obecně tenzor 3x3, v kapalině skalár = interakční konstanta

nezávisí na vnějším poli, uvádí se v Hz,

dosah i přes několik vazeb

Př. dvojice jader se spiny I, S, oba 1/2

1. Ekvivalentní atomy J-vazba se ve spektru neprojeví 2. Je-li rozdíl v rezonančních frekvencích >> J štěpení čar obou jader na dublety

NNepepřímá spin-spinová interakce (J-vazba)římá spin-spinová interakce (J-vazba)

Těžiště multipletu A, resp. X zůstává na frekvenci dané chemickými posuny.Štěpení (v Hz) je rovno J.Relativní intenzity jsou v poměru četností.

/2

Př. 1H NMR -CH2-CH3 systém A2X3

NNepepřímá spin-spinová interakce (J-vazba)římá spin-spinová interakce (J-vazba)

1H NMR spektrum 4-ethylbenzaldehydu

5 neekvivalentním polohám H v molekule odpovídá 5 skupin čar (5 signálů),

jejich plochy jsou v poměru četností poloh H v molekule 1:2:2:2:3,některým polohám odpovídají čáry rozštěpené do multipletu

ppm

NNepepřímá spin-spinová interakce (J-vazba)římá spin-spinová interakce (J-vazba)J mezi 1H v H-C-C-H silně závisí na dihedrálním úhlu

HaHb

Karplusova rovnice

3JHH=A+Bcos +Ccos2 A ~ 7, B ~ -1, C ~ 5 Hz

využití pro určování prostorové

struktury molekul

=

KONFORMAČNÍ ANALÝZA

NNukleární Overhauserův jevukleární Overhauserův jev

Další důležitý efekt pro KONFORMAČNÍ ANALÝZU : nukleární Overhauserův jev (NOE) –

změna intenzity čáry jader (1) vyvolaná ozařováním jader (2), která mají s nimi silnou přímou dipolární interakci (= jsou blízko),zprostředkováno relaxačními mechanismy

NNukleární Overhauserův jevukleární Overhauserův jev

|– – ______|– + _ o o ____

oooooooo |+ – |+ + oooooooooo

Rovnováha:

RF ozařování 1H:

Maximální účinek W2:relativní změna intenzity

13Caž o 0,5 2 /1

2 jádra (např. 1H, 13C, měříme 13C)dipólová interakce -silný relaxační mechanismus

|– – o o o o |– + _ oo oo oo

o o o o |+ – |+ + oo oo oo

|– – o o |– + _ oo oo oo

o o o o |+ – |+ + oooooooo

W2

Diference v populacích energetických hladin:

ni/nj=exp((Ej-Ei)/kT)

Transfer polarizaceTransfer polarizaceSelektivní saturace nebo inverze jednoho přechodu v multipletu naruší distribuci populací a zesílí intenzitu těch signálů jiného

jádra, se kterými je svázán J-vazbou

Rovnováha 4=(– –) ____

2=(– +) o o o o 3=(+ –)

1=(+ +) oooo

dublet dublet 24 13 34 12

Inverze 13 4=(– –) ____

2=(– +) o o oooo 3=(+ –)

1=(+ +) o o

dublet dublet24 13 34 12

|

.

2D NMR spektroskopie2D NMR spektroskopieMěří se signál NMR v časovém intervalu t2 s parametrem zvolené pulsní sekvence t1

(obvykle časová prodleva)

signál (t2; t1) Fourierova transformace podle t2

spektrum s parametrem t1

parametr t1 se postupně mění (pro každou hodnotu t1 spektrum)

interferogram (2; t1)

další Fourierova transformace podle t1

2D spektrum (2; 1)

2D spektrum je f unkce 2 proměnných, význam 1 … podle zvolené pulsní sekvence.

COSYCOSY

Spektrum ukazuje korelace mezi jádry dané J – vazbou

R.R.Ernst, Nobel Lecture, 1991

Příklad: Protonové spektrum COSY, 400 MHz, antamanide

PPříklad vícedimenzionální pulsní sekvence-říklad vícedimenzionální pulsní sekvence-3D 3D MQ HCNMQ HCN

J.P.Marino et al.,JACS 119, 7361, 1997

Využití NMR vysokého rozlišeníVyužití NMR vysokého rozlišení

* kontrola syntézy látek * analytické účely * určení chemické struktury molekul * studium konformace molekul * studium nevazebných komplexů * studium dynamických procesů

(chemické reakce, konformační změny, interní pohyby molekul, dif uze)