NMR spektroszkópia (Nuclear Magnetic Resonance) Mágneses (atom)magrezonancia Spektroszkópia Anyagszerkezeti vizsgálatok 2016. őszi félév Balogh Szabolcs sz.balogh@gmail.com Pannon Egyetem, NMR Laboratórium
Az NMR spektroszkópia rövid története 1924. Werner Pauli: Az atommagoknak - az elektronokhoz hasonlóan van impulzus- és ezzel mágneses momentumuk. Denisson: A magnyomatékoknak is kvantáltaknak kell lenniük. 1946. 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.
Képalkotó eljárások Pl.: MR vizsgálat Mágneses rezonancia jelenség kihasználása
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
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
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
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)
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
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
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???
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.
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
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
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
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
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
NMR mágnesek Permanens mágneses NMR készülék (1,4 T) 21 T mágnes Az NMR mágnes általában kriomágnes 2-4 K hőmérsékletre folyékony héliummal hűtik
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 1,0000066!! 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!
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
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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!
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
Az NMR rendszer sematikus felépítése
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.
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).
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
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
Homogenitás, a mágneses tér finomhangolása (shimming) A homogenitás feltérképezése (shim mapping) gradiens-képes készülékeken Inhomogén mágneses tér Homogén mágneses tér
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
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.
Magok mérhetősége Befolyásoló tényezők: - Giromágneses állandó (γ). A mag saját tulajdonsága. - Természetes előfordulás. - Maghoz köthető sávalaki tényezők. Pl. spinkvantumszám
-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.
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
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).
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 0 + 1 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!
Nyquist frekvencia F1 F2 Az a legmagasabb frekvencia, ami az adott mintavételezési sűrűséggel karakterizálható. Egy frekvencia azonosításához legalább ½F mintavételezési sűrűség kell! mintavételezések
Műveletek a FID függvénnyel FT fázisállítás
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
Műveletek a FID függvénnyel, súlyzófüggvények Szinusz függvény Szögletes szinusz függvény
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.
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
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.
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
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.
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?
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!
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.
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.
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
A kémiai eltolódási (ppm) skála Az eddigiek alapján a Pannon Egyetem NMR készülékében a TMS 400130000Hz, míg a kloroform 400132897Hz 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
A kémiai eltolódás
A kémiai eltolódás
Az NMR spektrum finomszerkezete, a skaláris csatolás
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.
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
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.
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.
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.
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
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?
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
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
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!
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
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