NMR spektroszkópia (Nuclear Magnetic Resonance) Mágneses (atom)magrezonancia Spektroszkópia

Átírás

1 NMR spektroszkópia (Nuclear Magnetic Resonance) Mágneses (atom)magrezonancia Spektroszkópia Anyagszerkezeti vizsgálatok őszi félév Balogh Szabolcs Pannon Egyetem, NMR Laboratórium

2 Az NMR spektroszkópia rövid története Werner Pauli: Az atommagoknak - az elektronokhoz hasonlóan van impulzus- és ezzel mágneses momentumuk. Denisson: A magnyomatékoknak is kvantáltaknak kell lenniük Bloch és Purcell: Egymástól függetlenül elsőként bizonyítják kísérletileg a Pauli-Denisson hipotézist. 1950: Proctor és Yu: Az ammónium-nitrát két jelet ad a 15 N NMR spektrumban. A molekulaszerkezet befolyással van a jal helyére (eltolódás vagy rezonanciafrekvencia) a spektrumban és a jel intenzitása arányos az értük felelős magok számával.

3 Képalkotó eljárások Pl.: MR vizsgálat Mágneses rezonancia jelenség kihasználása

4 Mágneses rezonancia jelenség kihasználása, szilárd fázisú alkalmazások NMR spektroszkópia, szilárd fázisú minták vizsgálata -Szilárd anyagok vizsgálata Pl.: ásványok ( 29 Si, 27 Al), Mezopórusos szilikátok és aluminát (MCM- 41, SBA-15) hordozók szerkezetének feltárása, -Heterogén katalizátorok jellemzése és kémiai kötések kialakulásának igazolása ( 31 P, 13 C), -Klatrátok elemzése -Fehérjék vizsgálata -Morfológiai vizsgálatok Pl.: gyógyszerhatóanyag milyen kristály módosulatban van? Cisz-transz izomerek? -Folyadékkristályok vizsgálata: valamelyik irányban bizonyos fokú rendezettség Metán hidrát MCM-41 Mezopórusos szilikát SIRT3 öregedést szabályzó fehérje

5 Mágneses rezonancia jelenség kihasználása, folyadék fázisú alkalmazások A folyadék mintát, vagy a minta oldatát mérjük. Legelterjedtebb alkalmazás! A mért atommag a környezete függvényében reagál a mágneses térre (kémiai eltolódás) A kémiai kötéseken keresztül ható mágneses kölcsönhatások az észlelt jel alakját befolyásolják (skaláris csatolás) Az atommagok közt téren át ható kölcsönhatásait is tudjuk vizsgálni (mag Overhauser hatás) - Szerkezetmeghatározás, Pl.: reakciók ellenőrzése, termékek azonosítása/igazolása - Egyensúlyok vizsgálata, reakciókinetikai mérések, fehérjék elsődleges szerkezete Konformációs mozgások értelmezése, Pl.: Fehérjék másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezete (vs. kristályröntgen!) - Izomerek azonosítása, Pl.: enantiomerek, diasztereomerek megkülönböztetése - Téren át ható kölcsönhatások vizsgálata, Pl.: axiális és ekvatoriális funkciós csoportok azonosítása

6 Atomok mágneses tulajdonságai, mágneses szuszceptibilitás M = χh M -> az anyag térfogategységében létrejövő mágnesezés erőssége χ -> mágneses szuszceptibilitás H -> mágneses térerősség Atomi, molekuláris közegben: B = μh B -> mágneses indukció (mértékegysége 1T (Tesla) = 10 4 G (Gauss) μ -> mágneses permeabilitás H -> mágneses térerősség

7 Fizikai alapfogalmak: elemi részecskék tulajdonságai Az elemi részecskék fontos tulajdonságai: Tömeg Töltés Forgás, perdület (spin) Töltéssel rendelkező forgó test mágneses teret gerjeszt maga körül. Forgóm testek szögmomantuma mint a buszkeréknek is van. DE az elemi részecskék (kvarkok, atommag, neutron, proton ) esetén kvantált (diszkrét energiaszinteket vehet fel) A szögmomentum (a sebesség): L = h/2π[j(j+1)] 1/2 Ahol J a kvantumszám (-J, -J+1 0 J-1, J), h a Planck-féle hatáskvantum Minden elemi részecskének van perdülete (spin), melyet nem befolyásol külső hatás, hanem a részecske saját belső állandó tulajdonsága. Az S spinkvantumszám jellemzi. Elektron példa Fermionok: feles spinű (1/2, 3/2 ) részecskék és követik a Pauli-féle tilalmi elvet Bozonok: egész spinű (1, 2, 3 ) részecskék azonos energiaállapotban (pl. foton, lézer)

8 Az atommag felépítése: kvarkok Pauli: Bizonyos atommagoknak impulzusmomentuma van Miért csak néhánynak és honnan ered ez az impulzusmomentum? Neutron: 2db d kvark és 1db u kvark Proton: 2db u kvark és 1db d kvark A protonok és neutronok kvarkokból és épülnek fel u kvark: tömeg 2.3 MeV/c 2 töltés + 2/3e spin 1/2 Proton töltés +1 spin 1/2 Neutron töltés 0 spin 1/2 d kvark: tömeg 4.8 MeV/c 2 töltés -1/3e spin 1/2

9 Atommagok tulajdonságai Atommag fontos tulajdonságai: Tömeg Töltés Forgás, perdület (spin) Három féle töltéseloszlás: 1. Gömb alakú egynletes töltéseloszlással -> nincs magspin 2. Gömb alakú egyenetlen töltéseloszlással -> forgó mágnesrúd 3. Nem gömb alakú egyenetlen töltéseloszlással prolát oblát

10 Atomok viselkedése külső mágneses térben, A Larmor-precesszió, Zeeman felhasadás Atommag -> forgó töltéssel rendelkező test -> kis mágnesnek tekinthető 1. A szögsebesség változatlan marad, 2. A P forgástengely viszont a tér (H 0 ) iránya körüli kezd forogni (precesszió) Tegyük mágneses térbe! Mi történik? De milyen gyors a precesszió???

11 Atomok viselkedése külső mágneses térben, Periodikus mozgás mértékegységei Egy teljes fordulat (periódus, 360 fok) megtételéhez szükséges idő: τ A körmozgás frekvenciája: ν = 1/τ Ugyan ez szögsebességben: Szögsebesség: jele ω ω = 2π/τ Radián: 180 fok, jele π ν = ω/2π E = hν, ahol h a Planck állandó Ez szögsebességben kifejezve: E = h ω 2π = ħω, ahol ħω = h 2π Tehát az energiát Hz vagy radián * s -1 mértékegységekkel fejezzük ki Joule helyett.

12 Atomok viselkedése külső mágneses térben, A mágneses momentum, giromágneses hányados és Larmor-egyenlet A kísérletileg meghatározott impulzusmomentum-vektor jele: P És hívjuk mágneses momentumnak! μ paralel vagy antiparalel P-vel és arányuk γ az ún. giromágneses hányados, amely jellemző az illető magra: A mégneses momentum is kvantált: μ/p = γ μ = γh/2π I(I + 1) H 0 körüli precesszió szögsebessége (Larmor-egyenlet): Végül pedig a precesszió frekvenciája: ω 0 = γh 0 ν 0 = ω 0 /2π = γh 0 /2π = γh 0

13 Atomok mágneses tulajdonságai, mágneses momentum Pauli: Bizonyos atommagoknak impulzusmomentuma van Töltéssel rendelkező forgó test impulzusmomentuma: P = ћm m -> mágneses kvantumszám ћ -> h/2π P = h/2π I(I + 1) P -> teljes szögimpuzusmomentum (spin) h -> Planck állandó I -> mag spinkvantumszám A P h/2π értékének többszörösei -> kvantált

14 Atomok mágneses tulajdonságai, kvantáltság, Zeeman felhasadás A mágneses momentum lehetséges beállásai a külső mágneses térhez (H 0 ) viszonyítva m = I, I-1,, -I+1, -I

15 Atomok mágneses tulajdonságai, kvantáltság Válasszunk a térben egy irányt (pl. z)és vizsgáljuk meg P erre eső vetületeit! P z = mћ m -> mágneses kvantumszám (+I-től I-ig), összesen 2I+1 darab energiaszint! I Izotóp 0 12 C, 16 O 1/2 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P 1 2 H, 14 N 3/2 11 B, 23 Na, 35 Cl, 37 Cl 5/2 17 O, 27 Al 3 10 B A mag spinkvantumszám osztályozása: Protonok száma Neutronok száma páros páros 0 páratlan páratlan 1,2,3 páros páratlan 1/2, 3/2 páratlan páros 1/2, 3/2 I

16 Atomok viselkedése külső mágneses térben, Energiaszintek A mágneses momentum különböző beállási irányaihoz (2I+1 darab) különböző energiaszintek tartoznak: E = -μh 0 = μh 0 cosθ = μh 0 (m/i) μ = γh/2π I I + 1 figyelembevételével: E = γћh 0 m Az energiaszint tehát a külső mágneses tér erejével arányos! E H 0

17 NMR mágnesek Permanens mágneses NMR készülék (1,4 T) 21 T mágnes Az NMR mágnes általában kriomágnes 2-4 K hőmérsékletre folyékony héliummal hűtik

18 Atomok viselkedése külső mágneses térben, az energiaszintek betöltöttsége N /N = e E/kT = e γħh 0 kt = 1 + 2μH 0 /kt Például protonokra egy 10T mágneses térben szobaőmérsékleten az N /N 1, pontosabban 1, !! Tehát az energianívók közti különbség rendkívül kicsi! A mért jelet az eredő mágnesezettség biztosítja, tehát minél nagyobb az energiakülönbség a szintek között, annál erősebb jelet mérhetünk, Ezért kell nagyon erős mágnesket használnunk!

19 Atomok viselkedése külső mágneses térben, az eredő (makroszkopikus) mágnesezettség z α, alsó energiaszint M 0 az eredő mágnesezettség M 0 y M 0 = Nγ2 h 2 I(I + 1 B 0 3kT H 0 x Ahol : N a magok száma a mintában (a minta koncentrációja) β, felső energiaszint

20 Atomok mágneses térben Mivel az energiaszintek közt rendkívül kicsi a különbség csak összesűrűsödnek a mágneses momentum vektorok a külső mágneses tér irányának megfelelően. A kicsi energiakülönbség másik következménye az, hogy a spontán emisszió valószínűsége igen csekély! A relaxáció ún. indukált folyamat. A következmények: az NMR spektroszkópiában nagy felbontású spektrumok lehetségesek de sajnos nagyon rossz jel/zaj viszony mellet.

21 Jó jó, de hogyan és mit mérünk? Minta a mágnesben, van egy M 0 eredő mágneses vektorunk Z irányban. Azt már tudjuk, hogy csak azonos Larmor precesszióval precesszáló spinek hatnak egymásra. z z M 0 y y x M x x M -y A rövid ideig y irányból bekapcsolt pulzus az eredő M 0 vektorunkat x irányba téríti ki. Az x-y síkban precesszáló mágneses impulzus vektor a sík köré helyezett tekercsekben áramot kelt és ezt mérjük.

22 Relaxáció, spinhőmérséklet Realxáció: visszatérés alapállapotba de mi az alapállapot? Külső mágneses tér nélkül minden energiaszint (minden term) betöltöttsége azonos. Most betesszük a mintát a mágnesbe. A mágneses tér bekapcsolásának pillanatában nem-egyensúlyi állapotba kerül a rendszer és a magasabb energiájú szintről nagyobb valószínűséggel fordulnak át spinek az alacsonyabbra, mint az alacsonyabbról a magasabbra. A nem egyensúlyi állapotban az i-edik nívón tartózkodó spinek száma: N mi = N (2I + I) 1 E i kt A nem egyensúlyi állapothoz tartozó fiktív hőmérséklet a spinhőmérséklet.

23 Longitudinális (spin-rács) relaxáció A mintát a mágnesbe téve milyen gyorsan alakul ki az egyensúlyi állapot, illetve a mágneses teret megszüntetve milyen hamar tűnik el M 0? A molekulák és az őket alkotó atomok folyamatos mozgásban vannak, így az azonos Larmor frekvenciával precesszáló magok időnként kölcsönhatásba kerülhetnek egymással -> egymás mágneses terét érzékelik A folyamatot leíró függvény: M z t = Mz, e M z, e Mz 0 e t/t 1 Ha x-y síkba fordítottuk M 0 -t, akkor M z (0) = 0 M z t = Mz, e 1 e t/t 1 T 1 longitudinális relaxációs időállandó Tehát egységnyi T 1 alatt 63%-ban közelítjük meg az egyensúlyt. A magot körülvevő rács fizikai jellemzői (pl. a minta töménysége, viszkozitása vagy hőmérséklete) hatással van a relaxációs folyamatok sebességére.

24 És hogyan gerjesztünk pontosan 90 -ot? A kitérítés szöge: α = γb 1 ν 0 Δt z z z y y y x x x α = π 2 = 90 α = π = 180

25 Transzverzális T 2 (spin-spin) relaxáció A gerjesztő M -y pulzus után koherencia van a spinek között. (mindegyik x irányba mutat) Az eltérő frekvenciával precesszáló spinek lassan szétterülnek az x-y síkban, végül teljesen kioltják egymást. Álló és forgó koordináta rendszerek közti különbség! Ráülünk M x -re y y y M x x x x

26 Transzverzális T 2 (spin-spin) relaxáció, következmények y x A lokális mágneses terek ingadozása a különböző spinek precessziós frekvenciájának véletlenszerű variációját eredményezi. Ez oda vezet, hogy a kezdeti fázis koherencia lassan megszűnik és végül teljesen rendezetlen fázisban (inkoherens) precesszálnak tovább a spinek. A koherenciával együtt az x-y vetületű eredő mágnesezettség is megszűnik, tehát ha elértük a teljes inkoherenciát nincs mérhető NMR jel. Ettől még a longitudinális (T 1 ) relaxáció zajlik, és nem állt be az egyensúly! M xy t = Mxy 0 e t/t 2 Tehát egységnyi T 2 után 37%-ra esik vissza a kezdeti M xy mágneses momentum vektor nagysága.

27 Pulzus üzemű NMR spektroszkópia Régi, ma már nem használatos ún. söpréses, vagy letapogatós módszer. Egy adott frekvenciával történik a gerjesztés folyamatosan és közben a kapott jel intenzitását a gerjesztő frekvenciához párosítjuk. Ezt megismételjük annyi frekvencián, ami lefedi a kívánt spektrumot, illetve amilyen felbontást el kívánunk érni. Lassú, hiszen minden egyes gerjesztés után meg kell várni a Zeeman egyensúly beálltát. Kis felbontású spektrumok, mert a mágneses tér apró változásait nem tudjuk kompenzálni. Az összes eltérő frekvenciájú magot (például az összes protont) egyszerre tudjuk gerjeszteni a pulzus idejének megfelelő megválasztásával. Ugyanis a Heisenberg-féle bizonytalansági elv szerint EΔt ~ h (E = hν) hδνδt ~ h minél rövidebb egy pulzus, annál nagyobb tartományban gerjeszt. Egy gerjesztéssel meg tudjuk mérni az egész spektrumot! A jel/zaj viszony n mérés elvégzésével 1,5*n-szeresére javul. Az eredmény: az összes gerjesztett mag egyszerre ad jelet!

28 Deutérium lock Cél: a mágneses tér stabilitásának biztosítása, hogy az egyes spektrumok akkumulálhatók legyenek. Megoldás: Egy semleges magot figyelünk folyamatosan. Tipikusan a deuterált oldószer deutérium jelét használja a készülék referenciának és szükség esetén változtatja a teret úgy, hogy a deutérium referencia frekvenciája ugyan az maradjon. Ezen a deutérium spektrométeren is be kell állítanunk néhány paramétert: - Megfelelő pulzuserősség (RF power), intenzív jel kell (kevés deutériumot tartalmazó oldószerek esetén probléma lehet, pl. CDCl 3 ), de nem mehet telítésbe a rendszer - Jelerősítés (gain), minden jelet felerősít, így a zajt is, ADC korlát (a digitalizáló teljesítményét meghaladó jelintenzitás alapvonaltorzulást okozhat) - A jel fázisát össze kell hangolnunk a visszacsatoló áramkör frekvenciájával

29 Az NMR rendszer sematikus felépítése

30 A jel detektálása Detektor tekercs (az eredő mágneses momentum vektor x-y síkba eső vetületei áramot indukálnak benne) Oszcillátor tekercs (a rádiófrekvenciás pulzus kibocsátására szolgál) Ezt a két feladatot a modern készülékekben egy tekercs végzi. Proton, deutérium és szélessávú csatornák. Normál és inverz mérőfejek. 3, 5, 10mm-es folyadék mérőfejek.

31 A jel detektálása, tuning és matching A mérőfej lelke egy a minta köré helyezett dróttekercs, aminek kettős feladata van. (i) Az RF pulzus kibocsájtása és (ii) a jel detektálása. Ez akkor oldható meg hatékonyan ha a tekercs impedanciája egyezik a jeltovábbító és a jelvevő impedanciájával (matching). Továbbá az áramkör rezonanciafrekvenciájának egyeznie kell a mérési frekvenciával (hangolás, tuning).

32 Homogenitás, a homogén mágneses tér fontossága 2πν = ω 0 = γb 0 Inhomogenitás miatt széles jel A mágneses tér homogenitása mellett a minta homogenitása is fontos! ν

33 Homogenitás, a mágneses tér finomhangolása (shimming) A mágneses teret előállító mágnesben egy sor különböző geometriában elrendezett változtatható áramú tekercs van, melyekkel finoman állítható a minta körüli tér homogenitása. Z 1 -Z 5, X, Y, XY..., X 2 -Y 2, XY 2... Z shim profilok Jelentősebb shim kölcsönhatások

34 Homogenitás, a mágneses tér finomhangolása (shimming) A homogenitás feltérképezése (shim mapping) gradiens-képes készülékeken Inhomogén mágneses tér Homogén mágneses tér

35 Homogenitás, a mágneses tér finomhangolása (shimming) Az inhomogenitás minden jelen egyforma torzulást okoz! Három shimmelési módszer: - Manuálisan iterálásos módszerrel - Egy előre beprogramozott algoritmus szerint automatikusan - Gradiens módszerrel

36 Homogenitás, a mágneses tér finomhangolása (shimming) Shimmelési módszerek: - Manuális, iterálás (A méréskori homogenitás nagyban függ az operátor gyakorlatától) - Egy előre beprogramozott algoritmus szerint automatikusan, edtune (Általában hosszabb ideig tart és nem garantált a jó homogenitás) - Gradiens módszerrel, gradshim (Gyorsan jó homogenitás érhető el, hardverkövetelmény) Manuális shimmeléskor referenciaként a deutérium lock jel, a FID és maga a spektrum is használható.

37 Magok mérhetősége Befolyásoló tényezők: - Giromágneses állandó (γ). A mag saját tulajdonsága. - Természetes előfordulás. - Maghoz köthető sávalaki tényezők. Pl. spinkvantumszám

38 -x Feszültség/Amplitúdó x A jel detektálása Egy frekvenciájú spin esete. z Úgynevezett szabadon lecsengő jelet (FID - Free Induction Decay) jelet kapunk, ami egy amplitúdó-idő függvény y x Idő Valójában több eltérő frekvenciájú függvény eredőjét kapjuk, hiszen minden eltérő környezetű magnak más-más a frekvenciája. Az információ benne van a szumma függvényben, de nem valami praktikus.

39 A jel detektálása, Fourier transzformáció A Fourier-transzformáció az amplitúdó-idő függvényt amplitúdó-frekvencia függvénnyé alakítja. A zeneszerzők is ezt csinálják, amikor a zenei hangokat (az egyes frekvenciákat) kottákban a hangjegyekkel írják le. Hát ezzel nem sokra megyünk FT

40 Felbontás, akvizíciós idő és adatpontok Dwell time Akvizíciós idő Mérés során a detektor tekercsben minden pillanatban van egy adott feszültség érték. A rendelkezésre álló adatfeldolgozó műszerek minősége szabja meg, hogy ebből milyen sűrűn vehetünk mintát, vagy a kísérlet jellege, hogy milyen sűrűn érdemes mintát venni. A mintavételek közt eltelt idő (Dwell time) és a mintavételek számának szorzata az összes adatgyűjtési iő (Acquisition time).

41 Természetes és digitális felbontás, feldolgozott adatpontok T 2 * a minta által megengedett mérhető legjobb felbontás 1 T 2 = 1 T 2 inhom. + 1 T 2 = γδb T 2 A spektrum mérete, az akvizíciós idő és a mért mag Larmor frekvenciája határozzák meg a digitális felbontást. Ha ez rosszabb, mint T2*, akkor nem lesz olyan jó a spektrum felbontása, mint amit a minta megenged. Ha pedig sokkal kisebb, felesleges adathalmazt készíttetünk a rendszerrel. Figyeljünk, hogy a FT alkalmával az összes begyűjtött adatpontot feldolgozzuk, különben ugyancsak elrontjuk az amúgy jó spektrumot!

42 Nyquist frekvencia F1 F2 Az a legmagasabb frekvencia, ami az adott mintavételezési sűrűséggel karakterizálható. Egy frekvencia azonosításához legalább ½F mintavételezési sűrűség kell! mintavételezések

43 Műveletek a FID függvénnyel FT fázisállítás

44 Műveletek a FID függvénnyel, súlyzófüggvények Mi a mérés célja? Mennyiségi mérésekhez nagy jel/zaj viszony fontosabb, de például szerkezetazonosításhoz minél jobb felbontásra van szükségünk. A FID-en végzett matematikai műveletekkel olyan módosított függvényeket állíthatunk elő, melyek Fourier transzformációjával az igényeknek megfelelő NMR spektrumot állíthatunk elő. LB = 0,1 LB = 1,5

45 Műveletek a FID függvénnyel, súlyzófüggvények Szinusz függvény Szögletes szinusz függvény

46 A legegyszerűbb NMR kísérlet D 1 relaxációs szünet B 1 RF pulzus Aq akvizíciós idő 5 * T Az elérhető legnagyobb felbontást 1 idő határozza meg 90 -os pulzus μs nagyságrend Aq minél több az adatpont, annál jobb a digitális felbontás, DE ha T 2 miatt már lecsengett a jel, akkor értelmetlen tovább gyűjteni az adatpontokat. T 2 meghatározza a jelek félértékszélességét! Tehát a gyors relaxáció széles jeleket eredményez.

47 A T 1 relaxáció mérése π pulzus (180 ) π/2 pulzus (90 ) τ 1 z π z τ 1 z π/2 z x x x x y y y y növekvő τ 1 π z τ 1 z π/2 z Fázisváltás x x x y y y

48 A T 1 relaxáció mérése " 13 C NMR Spectroscopy, High Resolution Methods and Applications in Organic Chemistry and Biochemistry," E. Breitmaier and W. Voelter, Verlag Chemie, Weinheim, 1987, page 52.

49 A T 2 relaxáció mérése, a spin visszhang (echo) szekvencia T 2 * = T 2 x T inhom. Az ún. CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) szekvencia lehetővé teszi az inhomogenitás hozzájárulás nélküli T 2 relaxáció mérést. Ismétlés n-szer π/2 pulzus (90 ) π pulzus (180 ) τ 1 τ 1 τ 1 akvizíció Refókuszálás, koherencia, visszhang

50 Relaxációs mechanizmusok, molekulaméret A relaxációhoz fluktuáló kis lokális mágneses terek kellenek, amit a legtöbb molekulában a molekuláris mozgások biztosítanak. A molekuláris mozgást befolyásoló tényezők: Méret és mozgás. Mérőszáma a molekuláris rotációs korrelációs idő (τ c ). Megmondja, hogy a molekula átlagosan mennyi idő alatt fordul egy radiánnyit. A gyors mozgású molekuláknál kevés ideig tartózkodnak egymás mellett a kis mágneses terek ezért nincs idő a hatékony relaxációra. (Emlékezzünk! Minél lassabb a T 2 folyamat, annál kisebb ν 1/2 illetve annál nagyobb felbontás érhető el. Viszkozitás, az oldószer szerepe. A molekuláris mozgásokra az oldószer viszkozitása is hatással van. Viszkózus oldószerekben (Pl. DMSO) a realaxáció is általában gyors, ezért szélesek a jelek. Megoldás. Ismételjük meg a mérést más oldószerben (Pl. aceton vagy CDCl 3 ) Ha oldhatósági problémánk van, akkor a hőmérséklet emelésével is lehet próbálkozni, de ebben az esetben számolnunk kell egyéb (Pl. cserefolyamatok, reakciók) mechanizmusok megjelenésével vagy épp eltűnésével.

51 Fontosabb relaxációs mechanizmusok Direkt kölcsönhatás (csatolás) közeli mágneses atomokkal (dipól-dipól (DD) csatolás). 1 T 1(DD) = γ X2 γ H 2 h 2π 2 τ c 1 r HX 6 Kémiai kötéssel összekapcsolódó, másik molekulával való kapcsolatra és szabadon mozgó molekularészekre (Pl. metil csoport) is igaz. Hány proton kapcsolódik a szénhez? Gömbölyű, vagy hosszúkás molekula?

52 Fontosabb relaxációs mechanizmusok A kémiai eltolódási (árnyékolási) anizotrópia (CSA) 1 T 1( CSA) = 2 15 γ2 B 02 σ σ 2 τ c A molekulákban levő kötések (elektronpályák) és a külső mágneses tér iránya a forgás miatt folyamatosan változik, ezek, mint forgó töltéssel rendelkező térrészek is mágneses térként viselkednek. Álló (Pl. szilárd mintában) rendszerben az azonos, de a térrel eltérő szöget bezáró molekulák azonos atomjai eltérő mágneses teret érzékelnek -> más frekvenciával precesszálnak. Csak szilárd fázisban!

53 Fontosabb relaxációs mechanizmusok Realxáció kvadrupoláris magokkal (QR) A spin > ½ magok kvadrupolárisak. A töltéseloszlás a mag körül nem gömb alakú hanem oblát vagy prolát, ezért az ilyen magok forgása elősegíti a spin állapotok felcserélődését. A kvadrupól csatolás mértékét a maghoz kapcsolódó csoportok szimmetriája befolyásolja. Ha tetraéderes, akkor kicsi a kvadrupól hatás. Pl. ClO 3 - esetén erős, míg ClO 4 - ion esetén gyenge kvadrupól effektus tapasztalható.

54 Fontosabb relaxációs mechanizmusok Relaxáció skaláris csatoláson keresztül (SR) Csatolás kémiai kötéseken keresztül. A mágnesességet az elektronok közvetítik a kémiai kötéseken keresztül. A magok Larmor precessziós frekvenciái essenek minél közelebb egymáshoz a hatékony kölcsönhatáshoz! Pl. 200 MHz-es mágnes esetén ν Br (I = 3/2) = 50,18 MHz, ν C (I = 1/2) = 50,28 MHz.

55 A kémiai árnyékolás, kémiai eltolódás Az NMR spektrum legfontosabb információja! Az elektronok is töltéssel rendelkező forgó részecskék -> mágneses momentumuk van -> rájuk is hatással van a külső mágneses tér. B 0 befolyásolja az elektronok mozgását, ezért azok kis mágneses tereket generálnak (~6 nagyságrenddel kisebbeket, mint B 0 ), melyek növelik vagy csökkentik a mag által érzékelt teret. Az elektronok eloszlása, száma és az elektronpályák geometriája tehát frekvenciaeltolódást okoz a különböző kémiai környezetű magoknál. Az árnyékolás jele σ, a kémiai eltolódásé δ. Diamágneses eltolódás: A maghoz közeli szimmetrikus pályán mozgó (s) elektronok miatt a csupasz magnál nagyobb frekvencián fognak reagálni. Minden hozzá kapcsolódó csoport hiperkonjugációs és mezomer effektusa befolyásolja. Paramágneses eltolódás: A nem szimmetrikus elektronpályákon tartózkodó elektronok gerjesztett állapotba kerülhetnek a mágneses tér irányának függvényében. A mágneses teret növelő hatásuk van, ezért ezeket a magokat alacsonyabb frekvencián fogjuk detektálni. A kémiai eltolódást meghatározó legfontosabb hatások: - hibridizációs állapot (8), - induktív (hiperkonjugációs) hatás (3) és az elektromos tér hatásai (3), - sztérikus, mezomer és nehézatom hatás (F, Cl, Br, I) (2) - szomszédcsoport hatás és izotóp effektus ( 35 Cl vs. 37 Cl) - oldószerhatás, hőmérséklet

56 A kémiai eltolódási (ppm) skála Az eddigiek alapján a Pannon Egyetem NMR készülékében a TMS Hz, míg a kloroform Hz frekvenciával precesszál. Ezekkel a számokkal kellemetlen lenne dolgozni, ezért relatív skálát és referenciákat használunk δ i = ν i ν 0 B 0 ν 0 B 0 δ ppm = 10 6 ν i ν TMS ν TMS A kémiai eltolódási skála független a mágnes tér erejétől! Oldószerhatás, hőmérséklethatás! EN H = 2.20 EN Si = 2.01

57 A kémiai eltolódás

58 A kémiai eltolódás

59 Az NMR spektrum finomszerkezete, a skaláris csatolás

60 Az NMR spektrum finomszerkezete, a skaláris csatolás A vegyértékkötésekben résztvevő elektronok spin állapotára hatással van a közeli atommag és ezt a spin információt a szomszédos atommag környezetábe érve magával viszi. H A C C H B vagy H A kétféle beállást vehet fel a külső térhez képest. A környezetébe kerülő elektronok spin állapotát befolyásolja H A pillanatnyi beállása. Az elektron a szomszédos mag környezetébe érve növeli vagy csökkenti annak árnyékolását, ezért a mag kétféle frekvencián is jelet ad. B 0 A csatolás mértéke független a mágneses tér irányától és nagyságától, kizárólag a kémiai környezet van rá hatással. Ezért folyadék fázisban is látható és minden mágneses térerőnél ugyan akkora. Mértéke általában csökken a kötések számával. Delokalizált rendszerben több kötésen keresztül is látható a spektrumban megfelelő felbontás esetén.

61 Az NMR spektrum finomszerkezete, elsőrendű spinredszerek, AX spinrendszer Milyen jelet ad H A és H X az 1 H-NMR spektrumban? 1. A két proton kémiai környezete eltérő, ezért a kémiai eltolódásuk is szükségszerűen más lesz. 2. Három kötésre vannak egymástól, tehát csatolás nagy valószínűséggel látható a spektrumban alacsony térerőn is. 3. H A és H X is beállhat a külső térrel egy irányban (alacsonyabb energiaszint) és ellentétes irányban is (magasabb energiaszint), ezért a spektrumban összesen négy vonalat fogunk látni. B 0 HA H X 3 J AX = ν X1 -ν X2 = ν A1 -ν A2 Dublett jelalak ν A2 ν A1 ν X2 ν X1 ppm

62 Az NMR spektrum finomszerkezete, AX 2 spinrendszer m X(1) m X(2) m A = 1/2 m A = -1/2 B 0 = 0 B 0 > 0, J AX = 0 B 0 > 0, J AX 0 ΔE 1/2 1/2 1/2-1/2-1/2 1/2-1/2-1/2-1/2-1/2 1/2-1/2-1/2 1/2 1/2 1/2 Az egyik energia-átmenet (a kölcsönhatás nélküli) kétszeres valószínűséggel fordulhat elő, ezért ennek a vonalnak az intenzitása is kétszeres lesz. A triplett jelalak tehát egymástól azonos távolságra levő 1:2:1 intenzitású vonalakból áll. Egy energiaátmenet, egy vonal a spektrumban Három energia-átmenet, három vonal a spektrumban triplett jelalak.

63 Az NMR spektrum finomszerkezete, a jelek multiplicitása és intenzitása A vonalak száma (N) a kémiailag azonos csatolt magok száma (n) és spin kvantumszáma alapján számolható: N = 2nI + 1 Az intenzitások a binomiális sornak megfelelően alakulnak: A k = n k = n! n k!k! AX : 1 : 1 dublett AX 2 : 1:2:1 triplett AX 3 : 1:3:3:1 kvartett AX 4 : 1:4:6:4:1 kvintett A csatolási állandók és jelalakok egyszerű kvantummechanikai számításokkal (egyszerű szabályok szerint) elemezhető, ami nagy előny pl. a csak empirikusan értelmezhető UV, IR és tömegspektroszkópiával szemben.

64 Az NMR spektrum finomszerkezete, a jelek multiplicitása A CDCl 3 13 C-NMR spektrumában három vonalra hasad fel a jel, mert a 2 H (deutérium) mágneses spinkvantumszáma 1.

65 Az NMR spektrum finomszerkezete Két azonos koncentrációban jelen levő molekula dublett jelei (pl diasztereomerek) vagy egy molekulán belüli kvartett jelalak? J AX = ν X1 -ν X2 = ν A1 -ν A2 Csatolás vagy kémiai eltolódás? Ha megtaláljuk a spektrumban a csatoló párját, akkor csatolás. Igazolható még más térerőn méréssel is. Az (2S,4S)-2-difenilfoszfanil-4-amino-pentán 126 MHz (fent) és 75 MHz (lent) frekvencián készített 13 C{ 1 H}-NMR spektruma CDCl 3 oldószerben

66 Az NMR spektrum finomszerkezete, másodrendű csatolások AB spinrendszer H A és H B protonok diasztereotópok, mert ha bármelyiket szubsztituáljuk, akkor diasztereomer molekulához jutunk. (Diasztereomer: olyan sztereoizomerek, melyek nem állnak tükörképi viszonyban Sztereoizomer: azonos konstitúciójú molekulák) A molekulába nem tudunk tükörsíkot helyezni, avagy a molekula királis részét nem tudjuk úgy forgatni, hogy az egyes atomok mindkét protontól azonos távolságra legyenek. A két proton kémiai környezete kicsit eltér, tehát a kémiai eltolódásuk is különböző és köztük skaláris csatolás lesz. Keveredés indul meg az αβ βα energiaszintek között. A másodrendű spinrendszerek csatolási állandói leolvashatók a spektrumról de a kémiai eltolódást számolni kell! Két dublett vagy AB spinrendszer?

67 1 H lecsatolás A skalárisan csatolt protonok növelik a jelek multiplicitását, ezért az amúgy is rossz jel/zaj viszony tovább romlik. Emlékezzünk! 13 C esetén alacsony γ és természetes előfordulás!! Megoldás: Tegyük láthatatlanná a protonokat! X csatorna 1 H csatorna z z Folyamatos nagy energiájú besugárzás, vagy pulzusszekvencia pl.: Waltz16 (sorozatos π/2 pulzusok) x x (Ha nem végzünk lecsatolást több információ van a spektrumban!) y y CW

68 1 H lecsatolás A 1 H lecsatolás javítja a spektrum felbontását de információt vesztünk! Gated decoupling, APT és DEPT Norbornán 13 C (fent) és 13 C{ 1 H} (lent) NMR spektrumai

69 Spektrumszerkesztés és polarizáció-átvitel, DEPT135 A szénhez közvetlenül kapcsolódó protonok száma szerint különbözteti meg a jeleket. A páratlan számú protont tartalmazó szenek ellentétes fázisú jeleket adnak a két protont tartalmazóakhoz képest. A kvaterner szenek nem jelennek meg a spektrumban!

70 Homonukleáris korrelációk ( 31 P- 31 P, 1 H- 1 H ), COSY, COSY-45 1 H- 1 H-COSY - A közeli proton-proton csatolásokat jeleníti meg Távolható 1 H- 1 H csatolásokra (J < 3-4 Hz) ún. LR-COSY (Long Range) technika A molekulán belüli összes csatolás kimutatására alkalmas a TOCSY (Total Correlation Spectroscopy) mérés Abszolútérték változatok A diagonálishoz közeli csúcsok értékeléséhez COSY-45 módszer Fázisérzékeny COSY: Aktív csúcsok: ellentétes fázisúak, a keresztcsúcsot ezek okozzák

71 Heteronukleáris korrelációk, HSQC, HMBC HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation) : A közvetlen 1 H- 13 C kapcsolatokat mutatja meg HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) : A több kötésen keresztül ható heteronukleáris kapcsoaltokat azonosítja