Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia

Átírás

1 Szerves vegyületek szerkezetfelderítése NMR spektroszkópia Az anyag összeállításához Krajsovszky Gábor, Mátyus Péter és Perczel András diáit is felhasználtuk. 1

2 (hullámhossz) -sugárzás röntgensugárzás ultraibolya-sugárzás látható fény (frekvencia) infravörös-sugárzás mikrohullámú-sugárzás híradástechnikai hullámok Planck állandó Avogadro állandó c = 3*10 8 m/s h = 6,63*10-34 Js NA = 6,02* /mol c= E=h E mol =EN A E Emol Hullámszám Hullámhossz Frekvencia [Hz] Energia (egy átmenet) [J] UV 200 nm 1,50* ,94* kj/mol Ibolya 400 nm 7,50* ,96* kj/mol Vörös 800 nm 3,75* ,48* kj/mol IR fénysebesség 4000 cm -1 2,5 mm 1,2* ,94* ,7 kj/mol 400 cm mm 1,2* ,94* ,77 kj/mol NMR 11.7 Tesla 1 H 0,6 m 500*10 6 3,31* ,20 J/mol Moláris energia 2 4 szeres tartomány 4-5 sávrendszer 10 szeres tartomány sáv kb. 10 ppm (0.001 %) széles tartomány finomszerkezettel rendelkező jel 1 Hz alatti felbontás

3 NMR-rel meghatározható molekulaszerkezeti paraméterek Konstitució az atomok kapcsolódási sorrendje Konfiguráció kettős kötések geometriája kiralitáselemek relatív konfigurációja Konformáció 3D molekulaszerkezet (makromolekulák!) Dinamika konformerek, rotamerek, tautomerek egymásba alakulása Több időskálán! 3

4 Az NMR szerepe a szerves és biomolekuláris kémiában Szerves kémia ( kismolekulás NMR ) Leggyakoribb cél: a konstitúció felderítése Újonnan izolált vegyületek vizsgálata Szintetikus munkák során elengedhetetlen rutin módszer (végső ill. köztes termékek vizsgálata, ellenőrzése) Tipikusan 1 H és 13 C NMR (természetes izotópgyakoriság mellett) Rutinszerűen 1D és 2D mérések Közeg: perdeuterált szerves oldószer (pl. CDCl 3 ) Biomolekuláris kémia ( makromolekulák NMR-je ) Célok: konformáció, dinamika, ligandumkötés vizsgálata Konstitúció ( szekvencia) ismert! 1 H, 15 N, ritkábban 13 C NMR: izotóppal való dúsítás szükséges! 1D, 2D, 3D (akár 4-5D) mérések Közeg: víz(!) vagy D 2 O 4

5 Felix Bloch Edward Mills Purcell Fizikai Nobel-díj 1952 Módszer és elméleti alapok Richard Ernst Kémiai Nobel-díj 1991 Nagy felbontású NMR spektroszkópia Fourier transzformáció, 2D technika Kurt Wüthrich Kémiai Nobel-díj 2002 Biológiai makromolekulák 3D szerkezete Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield Orvosi Nobel-díj 2003 MRI (Magnetic Resonance Imaging) felfedezése 5

6 NMR egy mondatban Külső mágneses térben az (I 0) atommagok a mágneses térhez képest rendeződnek, diszkrét energiaállapotokat vesznek fel, és az ezek közötti átmenetek gerjesztési spektroszkópiával vizsgálhatók 6

7 A kísérleti elrendezés Szupravezető tekercs: B 0 állandó mágneses tér előállítása z Küvetta: 5-20 mg minta oldva 0,5-1,0 ml alkalmas oldószerben B 0 x y Adó tekercs: B 1 rádiófrekvenciás tér előállítása Vevő tekercs a minta válaszjelének észlelése B 1 7

8 8

9 A kriosztát felépítése nitrogén kamra (-196 C) vákuum kamra (10-7 Pa) hélium kamra (-269 C) szupravezető tekercs minta helyzete 9

10 Atommagok mágneses tulajdonságai spinmomentum: mágneses momentum: μ γ h 2π P h 2π I(I 1) I(I 1) μ γp : giromágneses hányados h : Planck állandó I : spinkvantumszám P I függ az atommagot felépítő számától protonok és neutronok I NMR inaktív páros páros 0 12 C, 16 O NMR aktív páratlan páratlan 1 14 N az egyik páros, a másik páratlan 0,5 1 H, 13 C 10

11 A fontosabb mérhető atommagok 11

12 Atommagok viselkedése mágneses térben iránykvantálás: 2I 1 z Larmor-precesszió m I, I μ z m -1,...- h 2π m : mágneses kvantumszám γ I B 0 pp p z I 1 2 m 1 ( ) ( ) 2 és

13 A Larmor-precesszió B 0 P L= B 0 L=dP/dt 0 =L=dP/dt/P elektrodinamika mechanika Larmor-frekvencia: 0 B0 0 0 / 2 L: forgatónyomaték dμ dt μ B0 P: impulzusmomentum 0 : szögsebesség 0 : frekvencia 13

14 Larmor-frekvencia = gerjesztési frekvencia B 0 m z m 2 E 1= μ z B 0 N 1 populáció Zeeman-felhasadás: I= 1/2 spinű mag E 1=μ z B 0 μ z = γħ 2 N 2 populáció ΔE=E 2 E 1=2μ z B 0=2 γħ 2 B 0 Gerjesztési frekvencia: ν γ 2π B0 14

15 B 0 Atommagok viselkedése mágneses térben m E 1 2 ( ) E μ z B 0 h E 2 π h m γb 2π γb 0 0 m 1 ( ) 2 rezonanciafeltétel: h 2π γb 0 hν a precesszió körfrekvenciája: γb 0 energiaszintek benépesülése: 15 N N e -E kt

16 Atommagok viselkedése mágneses térben z M 0 eredő mágnesezettség N 1 populáció B 0 N1 y 4,7 T 9,4 T B MHz 400 MHz x h E 2 π h γb 2π 0 γb 0 hν Boltzmann-eloszlás ΔE N 1 N 2 e k T 16 N 2 populáció

17 A rádiófrekvenciás tér hatása és a spektrum eredete (FT-NMR) z x FID (Free Induction Decay) spektrum B 0 y FT B 1 B 0 >> B 1 idő 90 -os impulzus: energiaszintek betöltöttségét kiegyenlíti fáziskoherenciát hoz létre Fourier-transzformáció z y frekvencia 180 -os impulzus: a spinpopulációkat invertálja 17 x

18 Fourier-transform NMR z M z M z M y y y x x B 1 x ki be ki z M*sin(t) x M*cos(t) y M

19 Fourier-transform NMR: detektálás és relaxáció 19

20 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció Információk az NMR spektrumban 20

21 Kémiai eltolódás A rezonanciavonalak kémiai környezettől függő eltolódása valamely referenciához viszonyítva, [ ] = 1 ppm értékben megadva. A molekulákban az atommagokat körülvevő elektronfelhő a külső mágneses teret kismértékben leárnyékolja. Az indukált árnyékolás arányos a külső mágneses térrel. Az árnyékolás mértékétől függően a molekulát alkotó atomok magjának jelei más-más helyen jelentkeznek, a molekulára jellemző spektrumot adnak. kisebb elektronsűrűség kevésbé árnyékolt mag nagyobb kémiai eltolódás (paramágneses eltolódás) nagyobb frekvencia nagyobb elektronsűrűség jobban árnyékolt mag kisebb kémiai eltolódás (diamágneses eltolódás) kisebb frekvencia Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció (ppm) B B 0 σb 0 h γb hν 2π 21 δ jel - 0 ref 6 10

22 Kémiai eltolódás δ jel - 0 ref 6 10 Hz O CH 3 O C CH 3 A rezonanciafrekvencia függ az alkalmazott külső mágneses tértől, így készülékenként (sőt, egyedi mérésenként) más és más frekvenciát mérünk ugyanarra a magra. Hogyan lehet akkor a spektrumokat összehasonlítani? A rezonanciafrekvenciákat egy alkalmasan választott referencia segítségével az alkalmazott térerőtől független mennyiséggé konvertáljuk. A referenciaanyag kémiai eltolódása megállapodás szerint 0. A referenciaanyag a TMS (tetrametil-szilán): inert, alacsony forráspontú anyag, egyetlen éles jelet ad a szokásos jelektől jól elkülöníthető helyen, nem érzékeny komplexképzőkre stb. Vízoldható változata : DSS (2,2-dimetil-2-szilapentán-5-szulfonsav) Mint a TMS, mind a DSS 1 H és 13 C-standard is CH 3 H 3 C Si CH 3 Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció CH 3 22

23 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás A rezonanciajel alatti terület nagysága arányos a rezonanciában résztvevő magok számával, a különböző kötésállapotú magok relatív száma meghatározható. Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció 23

24 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás O Cl 2 HC OCH ppm O H 2 C O OCH 3 OCH ppm Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció 24

25 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A jelek nem szinguletek, hanem finomszerkezettel rendelkező multipletek. A jelenség a spin-spin kölcsönhatás következménye és a spin-spin csatolási állandóval jellemezhető, [ J ] = 1 Hz. Relaxáció 25

26 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A jelenséget a jelet adó mag és a szomszédságában lévő magspinek kölcsönhatása okozza. A hatás a molekulán belül terjed, független a külső mágneses tértől, a külső mágneses tér csak a detektálásához szükséges. A hatást az elektronfelhő közvetíti, hatótávolsága általában 2-3, egyes esetekben 4-5 kötés. Minden kölcsönható mag a jelet kétfelé hasítja, n darab kölcsönható partner esetén a jel 2n darab vonalra hasad fel. A jel vonalainak száma és a vonalak közötti távolság információt szolgáltat a szerkezetről. 3 J HH Relaxáció J f(b 26 0 ) = f(b 0 ) mindkét mennyiség Hz-ben

27 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Az A mag a B mag állapotaitól (α/β, fel és le ) függően picit más frekvencián gerjeszthető A kölcsönhatást a magok elektronfelhője (kötésben részt vevő elektronjai) közvetíti, neve kötés általi vagy indirekt csatolás a b B A A és B magok indirekt módon, a és b elektronokon keresztül csatoltak. A csatolt magok jelei a megkülönböztethető átmenetek számának megfelelően felhasadnak A kölcsönhatás erősségét a csatolási állandóval (J) jellemezzük, J független a külső mágneses tér erősségétől, mértékegysége 1 Hz A csatolás kölcsönös: ha A csatol B-vel J erősséggel, akkor B is A-val J erősséggel: A és B jele is felhasad Az elsőrendűspektrumok ban a felhasadt csúcsok közötti távolság (Hz-ben) megegyezik J-vel dublet mintázat Relaxáció 27

28 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás CH A CH 2 B J n=3 kvadruplet mintázat 1:3:3:1 J J Relaxáció A mag: triplet mintázat (integrál: 1) B mag(ok): dublet mintázat (integrál: 2) 28

29 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás X AX spinrendszer X hidrogén rezonanciajele A hidrogén rezonanciajele A Spinrendszer alatt egymással spin-spin kölcsönhatásban álló magok rendszerét értjük (egy molekulán belül több spinrendszer is lehet). Relaxáció 29

30 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A 3 X elsőrendű spinrendszer esetén az ekvivalens magok által okozott felhasadás azonos, ezért az X mag elvileg 2n számú vonalból álló spektrumrészlete n+1 számú vonalra egyszerűsödik (2nI+1 szabály) a jelcsoport spektrumvonalainak intenzitása a Pascal-háromszög (n+1)-edik sorával adható meg (bionomiális együtthatók) a jelcsoporton belül bármely két szomszédos spektrumvonal távolsága megegyezik a csatolási állandó mértékével (elsőrendű esetben) a jelcsoport a rezonanciafrekvenciára centrált Relaxáció 30

31 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás CH C CH A CH 2 B A különböző magokkal való csatolások egymástól függetlenek A spektrumban együttesen, mintegy egymásra szuperponálódva jelennek meg Összességében (n 1 +1) x (n 2 +1) vonalra hasad a jel (n 1 és n 2 a maggal csatoló mágnesesen ekvivalens magok száma) J AC J AB J AC J AB J AC J AB J AB J AC J AC J AC ágdiagram A triplet-dublet Relaxáció 31

32 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás A A 2 AX AX 2 (A 3 X 2 ) AX 3 (A 3 X 2 ) s (szingulet) d (dublet) t (triplet) q (kvartet) 1:1 1:2:1 1:3:3:1 Relaxáció 32

33 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Az azonos kémiai eltolódásnál jelet adó magokat izokrón magoknak nevezzük. Az izokrónia oka lehet a véletlen jelátfedés továbbá a kémiai ekvivalencia (a kémiai szerkezetből levezethető szimmetriaműveletek alapján). Kémiailag ekvivalensek azok a magok, amelyek a kémiai szerkezetből levezethető szimmetriaművelettel a molekulán belül egymásba transzformálhatók (a szimmetriaelemekhez viszonyított helyzetük azonos), és így a transzformált molekula az eredetitől megkülönböztethetetlen. Mágnesesen ekvivalens magoknak nevezzük azokat a kémiailag ekvivalens magokat, amelyek által alkotott csoport minden tagja egy másik kémiailag ekvivalens csoport minden egyes tagjával azonos spin-spin kölcsönhatásban vesz részt (A kémiai ekvivalenciát bizonyító szimmetriaművelet a spinrendszer egyes elemeit változatlanul hagyja, miközben más elemeit megcseréli). Relaxáció 33

34 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Elsőrendű a spektrum, ha a csatoló magok jeleinek távolsága (Hz-ben) lényegesen nagyobb a jelfelhasadásnál (Δν/J > 10), továbbá a kémiailag ekvivalens magcsoportok mágnesesen is ekvivalensek: A n X m spinrendszer AX spinrendszer X hidrogén rezonanciajele A hidrogén rezonanciajele Relaxáció 34

35 Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás X d 60 MHz Nagyobb térerőn a spektrumok elsőrendűvé egyszerűsödhetnek AMX A M d dd 600 MHz ddd ddd AMPX dt ddd Relaxáció 35

36 Információk az NMR spektrumban Kémiai eltolódás Integrált intenzitás Jelfelhasadás / Csatolás Relaxáció csatolási állandó (J) félértékszélesség multiplicitás terület kémiai eltolódás A modern (FT-)NMR ennél sokkal többet tud : Az egyszerű mérésekből kiolvasható alapvető információk mellett számos speciális mérés elvégezhető, amelyekkel specifikus kérdések tehetők fel Többdimenziós mérések több információt szolgáltatnak, kevesebb potenciális jelátfedés mellett 36

37 Az NMR-spektrumfejtés lépései ( kismolekulás NMR esetén: LEGO módszer ) NMR-en kívüli információk áttekintése MS, UV, IR, elemösszetétel, a vegyülethez vezető reakcióút stb... Spinrendszerek, molekulafragmensek azonosítása J és δ alapján tipp a szomszédsági viszonyaikra Fragmensek összerakása az összes kémiailag lehetséges módon Miért az első ötlet lenne a megoldás? Kémiai ismeretek! NMR és egyéb információk alapján döntés a szerkezetek között Szükség esetén új mérések! Ellenőrzés (spektrum[ok] visszaszámolása szoftverrel)! Egyetlen paraméter nem megfelelése szükségessé teheti más megoldás keresését! 37