Nuklearna Magnetna Rezonancija NMR

Transcript

1 ANALITIČKA KEMIJA II uvodno predavanje općenito uzorkovanje; norme i standardi; intelektualno vlasništvo STATISTIKA osnove EKSTRAKCIJA, KROMATOGRAFIJA - osnove ELEKTROANALITIČKE METODE BOLTZMANNOVA RAZDIOBA SPEKTROSKOPIJA osnove; zadaci INSTRUMENTACIJA osnove; zadaci ATOMSKA SPEKTROSKOPIJA; zadaci MOLEKULSKA SPEKTROSKOPIJA UV/VIS, fluorescencija IR i Ramanova spektroskopija NMR - uvod nositelj: prof.dr.sc. P. Novak; šk.g. 2012/13. Nuklearna Magnetna Rezonancija NMR 1

2 POVIJESNI RAZVOJ NMR-a W. Pauli - teorijski temelji NMR Rabi i sur. - dokaz o postojanju nuklearnog spina ( molekulski snop LiCl) Nobelova nagrada iz fizike Rabiju Bloch (Stanford) i Purcell (arvard)- prvi uspješni eksperimenti efekta NMR Nobelova nagrada iz fizike za NMR Blochu i Purccelu Prvi komercijalni NMR spektrometar (Varian 30 Mz) Spektrometri od 100 Mz Pulsni spektrometri s Fourierovom transformacijom Spektrometri od 400 Mz Dvodimenzijske metode i tehnike (2D NMR) Oslikavanje magnetnom rezonancijom (magnetic resonance imaging, MRI) Nobelova nagrada iz kemije za NMR, R. R. Ernst Magnet od T (750) Mz Magnet od T (900 Mz) Prvi komercijalni 900 Mz spektrometar Nobelova nagrada iz kemije za NMR, K. Wütrich Nobelova nagrada iz medicine za MRI, P. Lauterbur i P. Mansfield (fizičari) Magnet od T (950 Mz) Magnet od 1000 Mz (1Gz) 2

3 Spektar elektromagnetnoga zračenja γ zrake E(kJ/mol) X zrake UV prijelazi elektrona IR vibracije mikrovalovi rotacije radiovalovi prijelazi spinova λ,cm NMR ultraljubičasto vidljivo blisko srednje daleko 200 nm 400 nm 800 plavo crveno cm -1 ICE NMR Integrirani NMR sustav- INCA BEST NMR 900 Mz 950 Mz 950 Mz 3

4 NMR visoke rezolucije Prvi publicirani NMR spektar visoke rezolucije, 30 Mz 1 NMR spektar, 300 Mz 3D MQC-TOCSY NMR spektar azitromicina 500 Mz 2D TPPI-NOESY spektar azitromicina, 500 Mz Sprega tekućinske kromatografije i NMR-a NMR s SGI ili PC (windows) PLC s PC 4

5 LC-SPE-NMR-MS sustav MRI/MRS sustav 5

6 Spin jezgre i rezonancija P = I h/2π µ = γp I = (0, 1/2, 1, 3/2,...7) Jezgra s kvantnim brojem I može imati 2I n + 1orijentaciju B 0 =0 β α I = 1/2-1/2 1/ I = 1 I = 3/2-3/2-1/2 1/2 3/2 energija izotop Svojstva nekih jezgri sa spinom ½ Prorodna zastupljenost (%) NMR frekvencija (Mz) B 0 =11.7 T a Relativna osjetljivost 13 C x N x F Si x P x 10-2 a ako ima 100% 3 6

7 Dogovorom je prihvaćeno da je smjer primjenjenog magnetnog polja smjer osi z u Cartesijevom koordinatnom sustavu z Frekvencija precesije ili Larmorova frekvencija x y µ = γp Rezonancija B 0 0 µ = γp B 0 =0 E P = Ih/2 π E = -µ 0 B 0 = -γhib 0 /2π E = γhb 0 /2π E = hν ν = γb 0 /2π Osnovni uvjet rezonancije ν 1 = ν 0 7

8 Boltzmanova raspodijela N α / N β = e E/kT N- broj jezgri k- Boltzmanova konstanta ( JK -1 ) T- temperatura Samo 1 jezgra na milijun više u osnovnom energijskom stanju!! nekad danas 8

9 vremenska domena frekvencijska domena + e iωt = cos ωt + isin ωt F (ω) = f(t) e iωt dt - realno imaginarno Apsorpcijski sigal Disperzijski sigal Vektorski model z M 0 x y S obzirom da ima više istovrsnih spinova u stanju α vektor ukupne magnetizacije ima smjer + z 9

10 Radiofrekventni puls Pulsni kut Φ = 360γB 1 t p /2π Pozitivna apsorpcija Pozitivna disperzija negativna apsorpcija Negativna disperzija 10

11 Pulsni slijed 90 x 180 y Radiofrekventni pulsevi 90 x 90 x t 2 Jezgra A ( 1 ) t 1 rasprezanje Jezgra X ( 13 C, 15 N) G 1 G 2 G 3 Gradijentni pulsevi NMR parametri a) Vremena a) Vremena opuštanja ili ili relaksacije ) vrijeme opuštanja spin-rešetka (longitudinalno),t 1 dm z /dt = (M 0 -M z )/T 1 Blochova jednadžba Intenzitet NMR signala 11

12 ) vrijeme opuštanja spin-spin (transverzalno), T 2 dm x /dt = (M x )/T 2 dm y /dt = (M y )/T 2 Širina NMR linija ν 1/2 = 1/T 2 vrijeme Mehanizmi opuštanja spin-rešetka 1/T 1 uk = 1/T 1 DD + 1/T 1 CSA + 1/T 1 SR + 1/T 1 SC DD- dipol-dipol (najučinkovitiji) CSA- anizotropija kemijskog pomaka SR- spinska rotacija (rotori npr. C 3 ) SC- skalarna sprega (bliska Larmorova frekvencija 13 C- 37 Br) 12

13 b) Kemijski pomak, nuklearno zasjenjenje Levitt Za izotropni medij σ A = σ dia + σ para + Σσ A X x A elektroni Elektroni koji okružuju jezgru A stvaraju magnetno polje (zasjenjenje) koje utječe na ukupno magnetno polje koje osjećaju jezgre B ef = B 0 - B ind B ind = σ ef B 0 B ef = B 0 - (1- σ ef ) ν = γb 0 /2π Uvjet rezonancije ν = γ (1- σ ef ) B 0 / 2π Referentna δ Skala δ uzorak = ν uzorak - ν referentno / ν referentno = ν (z) / ν referentno (Mz) Skala u ppm! 13

14 Skala za različite jezgre Za protone kiseline aldehidi aromati amidi Alkoholi, protoni u α- položaju ketona olefini alifati Za ugljike C=O ketona aromati konj. alkeni olefini Alifatski C 3, C 2, C C=O kiselina Aldehida, estera Ugljici u susjedstvu alkohola, ketona NMR spektroskopija u čvrstom stanju 13 C NMR spektar u otopini 13 C NMR spektar u čvrstom stanju 14

15 Interakcije ovisne o položaju u prostoru Levitt Anizotropija kemijskog pomaka (CSA) U NMR-u tekućina gibanje (tumbanje) molekula uzrok je simetričnosti vremenski uprosječenog elektronskog zasjenjenja. U NMR-u čvrstog stanja, molekule se ne gibaju izotropno pa kemijski pomak ne ovisi samo o kemijskom identitetu atoma nego i o prostornom odnosu između molekule i vanjskog magnetnog polja. Vjerojatnost orijentacije cs <3cos 2 θ 1>, Β 0 Spektar krutine Pojedinačni signali 15

16 Anizotropija kemijskog pomaka i prstenaste struje c) Konstanta sprege spin-spin Konstanta sprege spin-spin Spinsko stanje susjedne jezgre može utjecati na energetske razine promatrane jezgre. Za takve jezgre kažemo da su međusobno spregnute preko jedne ili više kemijskih veza Energetski dijagram. Svaki spin sada ima dvije podrazine ovisno o stanju spina s kojim je u sprezi Razlika između dvije linije dubleta se zove konstanta sprege J i ima jedinicu z Način sprezanja bitan je za identifikaciju spinskog sustava u molekuli i za određivanje njene strukture 16

17 omonuklearna sprega J : 2 spina 4 razina Spinsko stanje energija αα 2 αβ ν 0 ν 0 + J ν 0 ν 0 J βα 4 ββ ν 0 + ν 0 J ν 0 + ν 0 + J Levitt prijelaz energija 1 1 ν 0 J ν 0 + J ν 0 J ν 0 + J eteronuklearna sprega J : 2 spina eteronuklearna sprega J : 3 spina Levitt Levitt 17

18 eteronuklearna sprega J : 4 spina Spektri se mogu pojednostavniti rasprezanjem Levitt Spin-spin sprege kroz tri veze Martin Karplus je pokazao da vicinalna sprega između 1 atoma ovisi o diedarskom kutu između njih. Ova relacija se može iskazati pomoću Karplusove jednadžbe: J(θ) 2 J ( θ ) = Acos ( θ ) + B cos( θ ) + C θ A, B, i C su empirijski određeni parametri. θ Sprega J omogućuje procjenu molekulske konformacije! 18

19 Spinski sustavi Pople-ova notacija: slova u abecedi označavaju kemijske pomake Prvi red: ν/j 10 oznake A i X Viši red: ν/j 10 oznake A, B, C 19

20 Više spinskih sustava unutar jedne molekule C 2 F 2 F F Cl Cl Cl Cl 20

21 Odredite spinski sustav za slijedeće molekule NO 2 A 3 MX AMX + A 2 B 2 C (AA BB C) 21

22 C 8 7 OBr KN = 5 O O O C 3 C 3 C 3 Br Br Br Odredite položaj supstitucije metilnih skupina u dimetilpiridinu 3 C 3 C N C 3 N C 3 C 3 3 C C 3 N N C 3 22