kiértékelésének technikája

Átírás

1 1 H NMR titrálások felvételéek és kiértékeléséek techikája Midazokak, akik elıször próbálkozak NMR titrálásokkal. Készítette: Dr. Lázár Istvá DE Szervetle és Aalitikai Kémiai Taszék Debrece, jauár 16.

2 Milye területeke látjuk haszát az NMR titrálásokak? Két agy területet lehet kiemeli, amelyekbe külööse fotos a protoálódási álladók ismerete. Koordiációs kémia: az egész kutatási területe belül alapvetı fotosságú a komplexképzı vegyületek protoálódási tulajdoságaiak miél szélesebb körő ismerete. Gyógyszerkutatás: bármilye amiocsoportot vagy karboxilátcsoportot tartalmazó hatóayag felszívódási tulajdoságait alapvetıe meghatározzák az adott vegyület protoálódási tulajdoságai, így azok ismerete élkülözhetetle. Milye iformációkat yerhetük egy 1 H NMR titrálásból? Meghatározhatjuk az általuk vizsgált ayag lépcsızetes protoálódási álladóit akkor is, ha em áll redelkezésükre potos ph-poteciometriás mérésekhez haszálható titráló beredezés és a számításhoz speciális számítógépes program. Meghatározhatjuk azt, hogy az egyes protoáltsági állapotokba (azaz pl. egy kiszemelt ph-) a molekulá belüli protoálható csoportok (leggyakrabba az amio ill. karboxilát csoportok) melyike és milye mértékbe va protoálódva. Eek a meghatározására a ph-poteciometria em alkalmas. Milye további elıyei vaak az NMR titrálásokak? A legagyobb elıye az, hogy szeyezett ayagokat is haszálhatuk a titrálásokhoz, feltéve, ha a vizsgált kompoes jelei elkülöíthetık a szeyezések jeleitıl. Mivel a szitetikus kémiai mukák sorá a kutatások kezdeté az új vegyületek a leggyakrabba még csak szeyezett formába állak redelkezésre, jeletıse meggyorsíthatja az új ligadumok fejlesztését az, hogy em kell az elsı eredméyekre a megfelelı tisztasági fok eléréséig vári. Redkívül fotos, hogy az NMR titrálásokhoz em kell ismeri az illetı ayag moláris tömegét, így teljese ismeretle ayagok eseté is tuduk protoálódási álladót meghatározi. Eek külööse olya esetekbe va jeletısége, amikor az extrakciós tulajdoságok beállításához va szükségük arra, hogy tudjuk, milye ph- milye protoáltsági állapotba va a vizsgált kompoesük. (pl. a gyógyszeriparba vagy a köryezeti aalitikába)

3 Olya oldatok eseté is haszálható, amikor pl. magasabb hımérséklete, agyo agy ioerısség mellett kellee megtaláluk azokat a körülméyeket, amelyeke a kiválasztott kompoesük a szükséges protoáltsági állapotba va. Külööse fotos ez a techika akkor, ha em tiszta vizes, haem kevert oldószeres közegbe dolgozuk, feltéve, ha az oldószer em teszi lehetetleé a mérést. Ilye szélsıséges körülméyek között a ph-metria csak agy ehézségekkel haszálható. Milye hátráyai vaak az NMR titrálásokak? Igazi hátráya az, hogy egy drága NMR készüléket, valamit több óra folyamatos hozzáférést igéyel. A kapott protoálódási álladók általába csak egy tizedes jegy potosságúak, így potos számításokál em helyettesíthetik a ph-poteciometriás eredméyeket. Szükséges ayagok, eszközök NMR készülék 5 mm-es tiszta, száraz NMR csövek (mide adatpothoz egy darab, azaz a teljes 2-12 ph tartomáyra kb. 0,5 ph egységekét felvéve 21 csı) ph mérı készülék (3 tizedesjegyes kijelzıvel) - kis mérető, potos, kombiált üvegelektróddal kalibráló oldatok a ph-mérı beállításához 5-10 ml térfogat befogadására alkalmas titráló edéy (optimális esetbe Ar vagy N 2 védıgáz atmoszférával is ellátható, de általába egy lezárható mitásüveg is megfelel) mágeses keverı készülék és a mitásüvegbe illı mérető, kis mágeses keverıbot D 2 O ioerısség állításához ayag (NaCl, KCl, NaClO 4, Me 4 NCl, stb.) Pasteur-pipetták gumi pipettalabdával, kihúzott végő vékoy (2-3 mm) és agyo vékoy (1 mm) üvegbotok titráláshoz haszálható savak és lúgok, külöbözı kocetrációba (pl. kis üvegbe legye töméyebb sav v. lúg, legye kb. 1 M-os és kb. 0.1 M-os sav és lúg egyarát)

4 A titráladó oldat elıkészítése A megfelelı potosságú mérésekhez a titráladó oldat ioerısségét álladó szitre kell beállítauk, ugyais az ioerısség változása potosabb mérések eseté megegedhetetle. Természetese ha csak egy gyors, tájékozódó mérést akaruk végezi, akkor az ioerısség beállítását elhagyhatjuk, de e feledjük, hogy az így kapott eredméyek kevésbé potosak leszek, mit álladó ioerısség eseté. Az ioerısség álladóságához az szükséges, hogy a titráli kívát ayag kocetrációja egy tizede legye az ioerısségek, vagy még aál is kisebb. Ha elegedıe agy az ioerısség, akkor a titrálás sorá bekövetkezı változás már elhayagolható. Szélsıséges ph- (ph 12 fölött, illetve ph 2 alatt) üvegelektróddal való mérés helyett ikább számítjuk a ph-t, de ehhez a ph-metriás titrálások és a ph számítások magasabb szitő ismeretére va szükség. A gyakorlatba arra törekszük, hogy miél kisebb ayagmeyiségbıl meg tudjuk határozi a protoálódási álladókat és a protoálódási mechaizmust. Egy a agyobb ligadumokál átlagosak számító, kb g/mol moláris tömegő ayag eseté 1 mmol/dm 3 esél hígabb mitával em érdemes próbálkozi, mert em fog látszai az alapvoalo a mita jele, a 10 mmol/dm -3 kocetráció sokkal kedvezıbb. A legkisebb oldattérfogat, amivel a titrálást általába el tudjuk végezi kb. 5 ml, de ezzel dolgozi még ehéz, agyobb gyakorlatot igéyel, ezért célszerőbb 10 ml-es iduló térfogattal számoli. (A legagyobb gyakorlattal és a legkisebb eszközökkel sem tuduk kb. 2,5 ml-él kisebb térfogatba dolgozi). 10 ml titráladó térfogatál a vizsgáladó ayagukból legalább 50 mg-ot kell feloldauk, ez a létezı legalsó határ, de miél többet olduk fel, aál jobb. Az ioerısségek legalább 0,1 M-ak kell lei, de a szokásos ph tartomáyo kívüli méréshez legalább 1 M-os ioerısség szükséges. Oldószerkét 10-50% D 2 O-tartalmú vizet haszáluk a leggyakrabba. 10%-ál kisebb deutériumtartalomál az NMR készülék lock jeléek az elvesztése fordulhat elı, míg 50%-ál agyobb deutériumtartalomál a ph és a pd között max. 0.4 egység külöbség lehet, amit számításba kell vei. Akkor idokolt a mérést tiszta D 2 O-ba végezük, ha a mita jelei olya közel vaak a víz jeléhez, hogy máskét em láthatók. Ilye esetbe célszerő a titráló oldatokból is a perdeuteráltakat haszáluk. Bár a tiszta D 2 O-ba való titrálás éháy szempotból kedvezı, magasabb költsége miatt csak idokolt esetbe haszáljuk. Persze D 2 O élkül is lehet méri, de ekkor em lesz lock jel, amiek hiáya miatt csak rövidebb mérési ciklusokat célszrő haszáluk. Ebbe az esetbe a mérés elıtt a mitáéval megegyezı

5 térfogatú D 2 O-ra beshimmeljük készüléket, majd a shimmelı D 2 O-t az aktuális mitákra kicseréljük és közvetleül (további shimmelés élkül) felvesszük a spektrumot (a sweep-et ilyekor a készüléke ki kell kapcsoli). A poteciometriás titrálások sorá az ioerısség állításához és a titráláshoz általába tetrametil-ammóium-hidroxidot illetve aak sóját (TMAOH, TMACl) haszálják, mivel ezek em képezek komplexet a vizsgált ayagokkal. NMR titrálásokál TMA-származékok csak akkor haszálhatók, ha a TMA metilcsoport jele em fed át az ayaguk jelével. Primer, szekuder vagy tercier amiocsoportot tartalmazó ayagokál erre gyakorlatilag ics esély, így ilye esetekbe az ioerısség állítására és a titrálásra csak KCl, KClO 4, NaCl, NaOCl 4, esetleg KNO 3, valamit KOH, NaOH, HCl, vagy HClO 4 haszálható. Számoluk kell azzal, hogy a káliumiookak vagy a átriumiookak számottevı kölcsöhatása lehet a vizsgált ayagukkal, ezért az eredméyek publikálásakor midig meg kell aduk, hogy milye ayagot haszáltuk az ioerısség beállítására és a titrálásra. A szokásos titrálási ph-tartomáy 2 12, eze belül a ph-mérı által mutatott érték kis deutériumtartalmú oldatokál közvetleül, korrekció élkül haszálható. Ha a ph tartomáyo kívül akaruk dolgozi, akkor potosa ismert kocetrációjú savoldat vagy lúgoldat sorozatra (amelyek a deutériumtartalma ugyaayi, mit ameyi a titráladó mitába va) kiszámítjuk a log[h + ]-t, majd a számított értékhez hozzáredeljük a ph-mérı által mutatott értéket, így egy adott körülméyekre érvéyes kalibráló görbét yerük. Ha álladó ioerıssége dolgozuk, akkor természetese azt is be kell állítai, és a kalibráció sorá ugyaazt az ioerısséget kell haszáli, mit a mérés sorá. A mérések meete Az eddiek szerit elkészített, sav vagy lúg hozzáadásával valamely szélsı ph-értékre állított mitába álladó kevertetés közbe belemerítjük az elektródot és leolvassuk a ph-t. Kivesszük az elsı mitát. A ph-t álladó kevertetés közbe folyamatosa állítjuk külöbözı töméységő savoldat (lúgos közegbıl idulva) vagy lúgoldat (savas közegbıl idulva) adagolásával. Max. 0,5+/-0,1 ph lépésekét mikroliter mitát veszük az oldatból és tiszta, száraz NMR csıbe töltjük, majd felvesszük a spektrumot. A mérési jegyzıköyvükbe rögzítjük a leolvasott ph-értéket, valamit az ahhoz a ph-hoz tartozó NMR spektrum azoosítóját (jelét, evét, stb.), ehogy a muka végeztével mide adatuk meglegye, csak éppe e tudjuk,

6 hogy melyik mérési fájl melyik ph-hoz tartozik. Ezutá a mitát visszaötjük és a titrálást tovább folytatjuk. Egy ayag teljes 1 H NMR-es titrálási görbéjéek a felvételéhez kb. 3-4 h folyamatos mérési idı szükséges. Mit és hogya számolhatuk ki egyetle NMR titrálási görbébıl? Protoálódási álladók Legye a vizsgáladó ayagukak protoálódási álladója a teljese deprotoált állapothoz képest (azaz legye egy értékő bázis). Az oldatba jele lévı részecskék elektromos töltéséek a jelölésétıl a továbbiakba eltekitük. A protoálódási álladók ekkor a szokásos módo defiiálhatók, azaz : [ HA] [ H ][ A] K 1 =. K = [ H A] [ H ][ H A] 1 Az oldatba jele lévı részecskék: [H], [A], [HA], [H 2 A], [H A] Válasszuk ki egy olya proto jelét, amelyek a kémiai eltolódása változik a ph-val (azaz ph-érzékey). (Ha több ilye proto is va, természetese midegyikkel végigcsiálhatjuk az eljárást.) Az egyes protoált állapotokhoz redelhetı kémiai eltolódások legyeek a következık: [A] : δ 0 [HA]: δ 1 [H 2 A]: δ 2. [H A]: δ A kiválasztott ph-érzékey hidrogéatom kifejezhetı a következı képlettel: kémiai eltolódása a teljes ph-tartomáyba δ 0 + δ = 1+ i= 1 δ 10 i= 1 i 10 i lg K j i ph j = 1 i lg K j i ph j = 1

7 Az aktuális ph-hoz tartozó, a számításokhoz felhaszálható kémiai eltolódás értékeket a titrálási görbébıl olvashatjuk le, így (ph; δ kísérleti ) összetartozó adatpárokhoz jutuk. A kiértékeléshez egy olya táblázatkezelı programra va szükségük, amely képes sokváltozós optimumszámítás elvégzésére. Jeleleg a két legelterjedtebb program a Microsoft Office Excel, valamit a WordPerfect Quattro evő programjai. (Az Office eseté a Solver modult alapállapotba em telepíti a program, de a telepítı lemeze rajta va, így utólag istallálható). A számítási feladat megoldására midkettı alkalmas. A továbbiakba eze programok valamelyikéek haszálatát ismertek tételezzük fel. A feti képlet alapjá a kokrét számolási módszert midekiek magáak kell kidolgozi, az adatokat beíri, az optimalizációt lefuttati. Mide adatpárra a görbe alapjá elsı közelítésbe kezdı δ i és lgk i értékeket választuk, majd azok felhaszálásával kiszámítjuk a δ számított értékét. A δ számított és a kísérleti δ kísérleti adatok eltéréseiek égyzetösszegét miimalizáljuk vagy a Solver, vagy az Optimizer fukciók felhaszálásával. Az illesztett paraméterekek célszerő elıször vagy csak a protoálódási álladók logaritmusait, vagy csak a δ i értékekválasztai, majd elfogadható közelítés eseté ezeket együttese is illesztjük. A számítást az NMR spektrumba található mide egyes ph-érzékey protora célszerő külö-külö el végezi, majd a kapott logk értékek átlagolásával adjuk meg az elfogadásra kerülı értékeket. Természetese ha egy protoak ics ph-függése, akkor arra em lehet álladót sem számítai. A logk értékek felhaszálhatók a részecskeeloszlási diagram megalkotásához, a δ 0 és δ értékek pedig a protoálódási mechaizmusál adják meg a teljese deprotoált és a teljese protoált forma kémiai eltolódását. Részecskeeloszlási diagram számítása Az egyes részecskékre voatkozó móltörtek a ph függvéyébe megadhatók a következı képlettel. A számításhoz felhaszáljuk az elızıekbe kapott logk értékeket.

8 x H m A = i= 1 m lg K j m ph j= 1 10 i lg K j i ph j= 1 A kapott értékeket a ph függvéyébe ábrázolva kapjuk meg az egyes állapotokhoz tartozó részecskeeloszlási diagramot. Protoálódási mechaizmus Mide ph-érzékey proto jeléél szükséges a δ 0 és δ értéke, amit az elızı számításból is meg lehet adi, de a görbébıl is meg lehet becsüli. A részleges protoáltságokhoz tartozó δ i értékek azt mutatják meg, hogy hol, milye ph-ál vaak ezek az állapotok, mert erre szükség va a számítás sorá. Eél a számításál százalékos eloszlásba kapjuk meg azt, hogy egy kiválasztott protoáltsági állapotál az egyes protoálódási helyek átlagosa milye mértékbe protoáltak. A protoálódási mechaizmus számítása meghaladja eek a bevezetıek a célkitőzéseit, ezért azokak, akik ezzel foglalkozi szeretéek, figyelmébe ajáljuk a következı irodalomat: Desreux, J. F., Merciy, E., Loci, M. F. Iorg. Chem