ЯМР Ядерный Магнитный Резонанс Некоторые магнитноактивные ядра

ЯМР Ядерный Магнитный Резонанс

Некоторые магнитноактивные ядра

Физические основы: квантово-химическая модель z z m. I=+1/2 B 0 z y y - z x x B 0=0 a = Р Рz =ħm. I, m. I = I, I-1, I-2. . . -I z = ħm. I=± ħI = ± ħ/2 B 0≠ 0 б E=μB 0 E = – ħMIB 0 E = ħB 0 h o= ħB 0 o= Bo/2

Физические основы: классическая модель о= Bo о=( /2 )Bo

Ядра в магнитном поле

Химсдвиги 1 H

Анизотропия поля

Анизотропия ароматических соединений: в и над плоскостью цикла dцикл 7. 27 -6. 95 ppm d. Me -0. 51 ppm dцикл 8. 14 -8. 64 ppm d. Me -4. 25 ppm dснаружи 9. 28 ppm dвнутри -2. 99 ppm

Анизотропия: ароматические системы

Электронные эффекты 7. 10 ppm 6. 10 ppm Дезэкранирование 6. 28 ppm 6. 83 ppm 5. 93 ppm 7. 07 ppm 7. 71 ppm 6. 38 ppm 6. 28 ppm

Электронные эффекты: сопряжение с карбонилом

Электронные эффекты: сопряжение с карбонилом дезэкранирование

Электронные эффекты: сопряжение с гетероатомом экранирование 6. 06 ppm 5. 81 ppm 5. 48 ppm 6. 22 ppm 5. 78 ppm 4. 82 ppm

Электронные эффекты: нет сопряжения с гетероатомом

Электронные эффекты: сопряжение с гетероатомом экранирование

Электронные эффекты: сопряжение с карбонилом м o п дезэкранирование

Электронные эффекты: сопряжение с гетероатомом Экранирование экранирование м o п

Электронные эффекты: сопряжение с гетероатомом м п о Экранирование экранирование

Протоны при гетероатомах • OH, NH, SH OH NH – Обмен (с D 2 O) – Водородная связь – На азоте (14 N), спин которого равен 1, наблюдается частичное связывание которое приводит к уширению спектральной линий протона. Может иметь место полное связывание дающее 3 линии равной интенсивности (I=1 имеет 3 ориентации в магнитном поле) поле

Водородная связь

Протоны при гетероатомах • OH – Алифатические d 0. 5 -4. 0 ppm (зависит от концентрации) – Внутримолекулярная водородная связь дезэкранирует OH и делает протон менее чувствительным к концентрации • Обычно OH-обмен быстрый (связывания с соседями не OHнаблюдается) • В ДМСО или Ацетоне, скорость обмена замедляется и наблюдается связывание с соседями • Фенолы : d 7. 5 -4. 0 ppm Внутримолекулярная водородная связь 12 -10 ppm • Карбоновые кислоты: • Существуют как димеры 13. 2 -10 ppm

Температурная зависимость химсдвига H 2 O

OH в DMSO CH 3 -CH 2 -OH CH 2 кд OH (CH 3)2 -CH-OH OH CH

Протоны при гетероатомах • NH имеет разную скорость обмена • NH : 14 N: I=1 => 2 I+1 линий • 14 N может релаксировать очень быстро. В зависимости от скорости релаксации гетероядерное связывание будет либо видимым либо приведет к уширенным пикам • R-NH 2 : Алифатические амины => быстрый обмен – Острые синглеты : нет связывания с N (d~3 -0. 5 ppm) • R-NH: Амиды, Пирролы, Индолы, Карбаматы R-NH – NH широкий пик – CHa показывает связывание с NH

NH

Амид

Формамид H{14 N}-NMR H-CO-NH 2 H-NMR

NH: Амиды, Пиррол, Индол NH d: 8. 5 -5. 0 ppm В Амидах: Медленное вращение может приводить к разным изомерам В Аммониевых солях: • Умеренная скорость обмена => широкие пики ~ d 8. 5 -6. 0 ppm • CHa => показывает связывание с NH+ Иногда широкий сигнал [NHx+] состоит из 3 широких максимумов из-за 14 N связывания 1 J NH ~ 50 Hz

Протонированный амин

SH • Медленный обмен SH связывается с CHa • Когда образец смешивают с D 2 O, SH исчезает d ~ 1. 6 – 1. 2 ppm Алифатический SH d ~ 3. 6 – 2. 8 ppm Ароматический SH

Спин-спиновое взаимодействие 19 F 1 H Ядро Bo Электрон 19 F 1 H

Спин-спиновое взаимодействие 1 H 1 H Bo C

Спин-спиновое взаимодействие AX E 4 Bo E 3 E 2 AX J>0 J=0 A 2 E A 1 E 1 J=0 A 2 J>0 A 1 A 2 A 1 = A 2 A 1 A 2

Спин-спиновое взаимодействие AX E 4 Bo J=0 A 2 E 3 E 2 AX J<0 E A 1 E 1 J=0 A 2 J>0 A 1 A 2 J<0 A 2 A 1 A 2 A 1 = A 2

Спин-спиновое взимодействие: два спина

Спин-спиновое взимодействие: три спина

Спин-спиновое взаимодействие

Другие примеры ССВ

Спиновое расщепление на ядрах со спином 1

Некоторые КССВ

Скалярное связывание через связь n=0 1 2 3 4 5 6 1 1 2 3 2 n. I + 1 линий 1 1 3 1 a doublet 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 b septet b a

Скалярное связывание через связь n=0 1 2 3 4 5 6 1 1 2 3 2 n. I + 1 линий 1 1 3 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 m o m 1 b p a o p a 2 x triplet b

Скалярное связывание через связь n=0 1 2 3 4 5 6 1 1 2 3 2 n. I + 1 линий 1 1 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 c b a 2 x triplet 1 quintet a c b

Скалярное связывание через связь n=0 1 2 3 4 5 6 1 1 2 3 2 n. I + 1 линий 1 1 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 2 x triplet 6 1 Triplet: 4 Quartet: 5 Quintet: 3 Sixtet: 2

Основные спиновые системы первого порядка 2 n. I + 1 линий Ha C Hb Hb C Hb Ha Hb C C Hb Hb Ha Hb C C C Ha Hb C C Hb Hb

Основные спиновые системы первого порядка 2 n. I + 1 линий Jab = Jab’ Ha Hc Hb C Jab H b’ C H b’ Ha C C C qd C Hb Hb C Jab Ha Jab’ td H b’ C Ha C Hc ’ Hb C Hb Ha Hb C C C H b’ Hb

Связь КССВ со структурой

Вицинальное связывание в установлении структуры изомеров Ha Jab Jad Jac

Дальние константы 4 J H 1 -H 3 5 J H 1 -H 4 5 J H 1 -H 5 5 J H 4 -H 7 = 1. 07 Hz = 1. 21 Hz = 0. 95 Hz = 0. 67 Hz 4 J H-H = 9 Hz 5 J H-H 4 J H-H = 1 -2 Hz 4 J H-H = 3 Hz 5 J H-H = 3 Hz = 1. 1 Hz

Номенклатура спиновых систем Структурный фрагмент -CH 2 -CH 3 Спиновая система A 3 X 2 -CH-CH 3 A 3 X CH 2 -CH 3 A 3 M 2 X 2 Фрагмент спектра

Спектры второго порядка: AB вместо AX / J J J 1 2 3 4 5. 0 Как только разница в химсдвигах становится меньше чем КССВ внешние линии теряют интенсивность 4. 0 3. 0 = (1 -4) * (2 -3) 2. 0 A и B - центры дублетов 1. 0 0. 5

AB-спектр

Геминальная спиновая система рядом с асимметрическим центром. Диастереотопия

AMX

A 2 X and A 2 B

AMX

AFMX 2 6 4 5

Отнесение сигналов cartilagineal Me CHO

CHO-9 J = 2. 0 Hz H-1(s) 3 J =15. 5 3, 4 3 J 4, 5 =8. 5 H-4 dd H-3 ddd 3 J =15. 5 3, 4 4 J 3, 5 =1. 0 4 J =2. 0 3, 9 Jcis=10. 5 dd Jtrans=17 Hz H-5 dd 3 J 4, 5 = 8. 5 4 J 3, 5 = 1. 0

Сложные протонные спектры : CH 3 -CH 2 -S-PF 2 Почти квинтет 3 J PH 3 J HH 4 J FH t 3 J HH t

Обнаружение 31 P взаимодействия {31 P} dd

Идентификация PF 215 NHSi. H 3 Необходимо использовать несколько спектральных методик регистрации спектров ПМР спектр сложен для анализа из-за большого числа КССВ Привлечение 19 F, 15 N и 31 P спектров делает данный анализ простым Спектр ПМР PF 2 NHSi. H 3 дублеты (3 JPH = 8 Гц) дублетов (3 JHH = 4 Гц) дублетов (2 JNH = 3 Гц) триплетов (4 JFH = 2 Гц)

Идентификация PF 215 NHSi. H 3 Использование развязки упрощает спектр Спектр ПМР PF 2 NHSi. H 3 с развязкой 15 N дублеты (3 JPH = 8 Гц) дублетов (3 JHH = 4 Гц) триплетов (4 JFH = 2 Гц)

Смена растворителя C 6 D 6 CDCl 3

Смена растворителя =CH 2 C 6 D 6 CH-OH =CH 2 CDCl 3 CH-OH CH 2 ABX Me

Селективная спиновая развязка Me =CH 2 CDCl 3 CH-OH CH 2 ABX CH 2 AB

Селективная спиновая развязка дк дк дд

Селективная спиновая развязка производного глюкозы H-2 H-1

Селективная спиновая развязка

Ядерный Эффект Оверхаузера Если два ядра AX находятся в пространстве близко друг к другу, то они могут взаимодействовать посредством Дипольного связывания. Облучение ядра X приведет к изменению заселенности энергетических уровней ядра А, что изменит его интенсивность. Этот феномен известен как ядерный эффект Оверхаузера и зависит от: -Наблюдаемых полей -Подвижности молекул в растворителе ( с) -Расстояния между взаимодействующими ядрами (r-6) -Доступных путей релаксации

ЯЭО: облучение ядра A спиновой системы AX ba X 2 A 1 bb aa X 1 p = 2 X 2 p = 2 A 2 X 1 ab {A} ba X 2 A 1 bb aa A 2 X 1 ab X 1 p = 2 X 2 p = 2 Сразу после облучения отсутствует изменение интенсивности линии X Включение декаплера не изменяет заселенностей уровней ядра X

ЯЭО: релаксация по двухквантовому пути W 2 (положительный ЯЭО) ba ba X 2 A 1 X 1 p = 3 X 2 p = 3 bb aa A 2 X 1 ab {A} ba X 1 p = 2 X 2 p = 2 ab … T 1 ba {A} X 2 A 1 bb A 2 X 1 aa ab задержка X 2 A 1 bb W 2 aa A 2 X 1 ab после W 2 релаксации, увеличивается интенсивность X (50%) Необходима релаксация T 1 чтобы установилось новое равновесие

ЯЭО: релаксация по нульквантовому пути W 0 (отрицательный ЯЭО) ba ba bb X 2 A 1 aa bb W 0 X 1 p = 1 X 2 p = 1 aa A 2 X 1 ab {A} ba X 1 p = 2 X 2 p = 2 ab … T 1 ba {A} X 2 A 1 bb aa A 2 X 1 ab задержка X 2 A 1 bb W 0 aa A 2 X 1 ab После W 0 релаксации система теряет в интенсивности X (50%) отрицательный ЯЭО Необходима релаксация T 1 чтобы установилось новое равновесие

ЯЭО: пути релаксации ba X 2 A 1 bb W 2 A 2 W 0 X 1 aa W 1: одноквантовая релаксация не создает ЯЭО ab Новое распределение заселенности генерируется посредством дипольной релаксации: двух- и нульквантового типов W 2 и W 0 Если W 2 имеет место (маленькая молекула – быстрое движение большая частота вращения молекулы), то заселяется уровень , а вместе с ним за счет спиновой развязки и уровень W 2 релаксация дает положительный ЯЭО Если W 0 имеет место (большая молекула – медленное движение маленькая частота вращения молекулы), то заселяется уровень , а вместе с ним за счет спиновой развязки и уровень W 0 релаксация дает отрицательный ЯЭО

Разностный ЯЭО – это кинетический эффект: необходима задержка ~ T 1 требуется время для развития Me Cl требуется время для исчезновения C C Me H d 1 AQ irr Развязка в резонансе Спектр сравнения d 1 Развязка вне резонанса AQ irr ЯЭО Разница

ЯЭО {Me –cis} => +19% {Me –trans} => -2% {Ha} => +45%

Выбор структуры с ЯЭО {OH} {OMe} H 6 H 3 H 5

Разностный ЯЭО

Количественая оценка ЯЭО b. Ib. S (*) W 1 I (***) a. Ib. S W 2 IS W 1 S b. Ia. S (*) W 0 IS I = W 2 IS - W 0 IS 2 W 1 S + W 2 IS + W 0 IS = f. I{S} W 1 I W 1 S a. Ia. S (***) s. IS = W 2 IS - W 0 IS r. IS = 2 W 1 S + W 2 IS + W 0 IS I = s. IS / r. IS= f. I{S} - изменение интенсивности сигнала яда I при насыщении ядра S s. IS - константа кросс-релаксации r. IS - продольная дипольная релаксация

Природа ЯЭО Вращение молекулы при постоянной ориентации магнитных моментов по внешнему полю вызывает возникновение флуктуирующего переменного поля с частотой равной частоте вращения молекулы. Молекулярное вращение описывается временем корреляции молекулы tс. Общее число осциллирующих полей постоянно и верхний предел их частот определяется tс. Рассмотрим график зависимости напряженности флуктуирующих полей (спектральной плотности J) от частоты w для нескольких значений tс:

Количественая оценка ЯЭО J( ) o o * tc >> 1 o * t c ≈ 1 o * tc << 1 J( ) = 2 tc 1 + 2 t c 2 При <<1/tc спектральная плотность приблизительно постоянна Из этого графика можно сделать некоторые количественные оценки величин Т 1 и W 1 исходя из tc. При o* tc << 1 мы находимся на горизонтальной части кривой, с уменьшением tc (например повышение температуры) высота кривой в точке о будет уменьшаться (поскольку площадь под кривой остается постоянной, а верхний предел отдвигается еще дальше). Следовательно Т 1 будет расти (замедление релаксации).

Количественая оценка ЯЭО Скорости соответствующих процессов релаксации равны: W 0 IS I 2 S 2 r. IS-6 tc / [ 1 + ( I - S)2 tc 2] W 2 IS I 2 S 2 r. IS-6 tc / [ 1 + ( I + S)2 tc 2] W 1 S I 2 S 2 r. IS-6 tc / [ 1 + S 2 tc 2] W 1 I I 2 S 2 r. IS-6 tc / [ 1 + I 2 tc 2] Для малых (подвижных) молекул справедливы следующие условия: ( I - S) * tc<< 1 S * tc << 1 ( I + S) * tc<< 1 I=0. 5 В случае предельного сужения 2*tc 2 <<1 величина ЯЭО не зависит от r

Стационарный ЯЭО b a rba ab rab-6 ac rac-6 f. I{S} = max * c r. IS-6 - SX f. X{S} * r. IX-6 r. IS-6 + SX r. IX-6 rac = rab * ( ab / ac ) -1/6 Hb Ha Hb Hc Ha C Hc _ = ab ac

Макроскопическая намагниченость (Мо) z z = Mo x y y x y Bo x = “ 0” Bo

Осциллирующее переменное поле В 1 z B 1 = C * cos ( ot) Mo x B 1 Bo y i РЧ-катушка (y) y y y - o x = x + + o x

Осциллирующее переменное поле В 1 (слева) представленное в виде суперпозиции двух вращающихся в противоположные стороны векторов = + = +

Химический сдвиг во вращающейся системе координат y y Время (t) x x y В условиях резонанса y Вне резонанса Время (t) x - o f x f = ( - o) * t

Спин-спиновое взаимодействие во вращающейся системе координат t. . . x x t=1/J y +J/2 t=2/J y x x f= *t*J

Фурье-преобразование S( ) = ∫- S(t) e -i t dt S(t) = 1/2 ∫ S( ) e - i t dt cos( * t ) FT -w FT w -w w sin( * t )

Импульс * = tp FT: 1 в o = ± 1 FT: FT sin( tp ) tp или sinc(tp )

Действие импульса на намагниченость z Mo z x qt tp x B 1 Mxy y y q t = * tp * B 1

Примеры импульсов z Mo z x /2 x Mxy y y z Mo y z x x y -Mo

Спад свободной индукции (ССИ) Mxy = o - o > 0 Mxy время

Спад свободной индукции (ССИ) FT

Выборка Критерий Найквиста SR = 1 / (2 * SW) SR –время выборки; SW-спектральный диапазон

PH = 0 М Б PH = 90 М (B 1) PH = 0 Б М PH = 90 Б Б М Квадратурное детектирование

Обработка спектра. Мультипликативные функции. Экспоненциальное умножение Сигнал + шум… F(t) = 1 * e - ( LB * t ) или Шум… F(t) = 1 * e - ( t / t ) 1 LB

Экспоненциальное умножение LB = 5. 0 Hz FT LB = -1. 0 Hz FT

Примеры других функций Гаусса-Лорентса Ханинга F(t) = 0. 5 + 0. 5 * cos( t / tmax ) F(t) = e - ( t * LB + s 2 t 2 / 2 ) Косинуса/синуса F(t) = cos( t / tmax )

Дополнение нулями DR = SW / SI 8 K data 8 K FID DR – цифровое разрешение (Гц/точка) SW – спектральный диапазон (Гц) SI – объем данных (точка) 8 K zero-fill 16 K FID

Фаза сигнала y y . . . x x S( )x = S cosines( ) – Действительная часть спектра S( )y = S sines( ) – Мнимая часть спектра S( ) = S( )x + [ fo + f 1( ) ] * S( )y fo – фаза нулевого порядка; f 1 - фаза первого порядка

Релаксация. Уравнения блоха d. Mx(t) / dt = [ My(t) * Bz - Mz(t) * By ] - Mx(t) / T 2 z Mz x d. Mz(t) / dt = [ Mx(t) * By - My(t) * Bx ] - ( Mz(t) - Mo ) / T 1 y z Mx(t) = Mo * cos( efft ) * e - t / T 2 x y d. My(t) / dt = [ Mz(t) * Bx - Mx(t) * Bz ] - My(t) / T 2 Mxy My(t) = Mo * sin( efft ) * e - t / T 2 Mz(t) = Mo * ( 1 - e - t / T 1 ) eff = o -

Mx(t) = Mo * cos( efft ) * e - t / T 2 My(t) = Mo * sin( efft ) * e - t / T 2 Mz(t) = Mo * ( 1 - e - t / T 1 ) Уравнения Блоха

1 D спектроскопия. Импульсная последовательность Векторное представление z Mo z x x 90 y импульс y Mxy y выборка Схематичное представление 90 y n

Инверсия-восстановление. Определение T 1 180 y (или x) 90 y t. D z z x y 180 y (или x) x y t. D

t. D = 0 z z x t. D > 0 x FT x z FT z 90 y y y z z x y FT y x t. D >> 0 x 90 y y Инверсия-восстановление 90 y y

Инверсия-восстановление Интенсивность ( ) at 40 o. C I(t) = I * ( 1 - 2 * e - t / T 1 ) время

at 90 o. C I(t) = Io * e - t / T 2 Спиновое эхо

Спиновое эхо 90 y 180 y (или x) t. D z t. D y x y t. D x x y y расфазировка y t. D x x 180 y (или x) рефокусировка

z y x y t. D x f y eff y 180 f eff y x t. D x x

Спиновое эхо и гетероядерное связывание b. Cb. H 13 C a. Cb. H 1 H 1 H 1 H b. Ca. H 13 C a. Ca. H b. Cb. H 13 C 1 H b. Ca. H 13 C a. Ca. H J (Hz) I I

Спиновое эхо и гетероядерное связывание 90 y 180 y (или x) t. D 13 C: t. D {1 H} 1 H: z y y -J/2 (a) x t. D x f x (b) y f = * t. D * J. J/2

Спиновое эхо и гетероядерное связывание y После p-импульса y x x t. D= 1 / 2 J Для CH y x t. D = 1 / J t. D

Спиновое эхо и гетероядерное связывание t. D= 1 / 2 J Для CH 2 t. D = 1 / J t. D= 1 / 2 J t. D = 1 / J Для CH 3 t. D

Спиновое эхо и гетероядерное связывание. Тест на присоединеные протоны APT OH 2 HO 3 5 4 6 7 1 6 1, 4 150 100 2, 3 50 5 0 ppm 7

Спиновое эхо и гомоядерное связывание z y y J/2 (a) x t. D x x (b) y J/2 y y (b) 180 y (или x) x (a) J/2 t. D FID, FT x 180 y (или x)

Спиновое эхо и гомоядерное связывание

Бинарные импульсы. Подавление сигнала растворителя Импульсная последовательность 1: 1 90 y 90 -y t. D

Бинарные импульсы. Подавление сигнала растворителя z z Mo 90 y t. D x x y y x FID (y) FT x 90 -y

Бинарные импульсы. Подавление сигнала растворителя Спектр без подавления растворителя Спектр с подавлением растворителя (td = 200 S)

Бинарные импульсы. Подавление сигнала растворителя 1/ 8 90 y 3/ t. D 8 90 -y 3/ t. D 8 90 y 1/ 8 90 -y t. D Импульсная последовательность 1: 3: 3: 1 не приводит к изменению фазы сигнала

Селективный перенос поляризации SPT a. Ib. S • • b. Ib. S 4 I 1, 3 2, 4 1, 2 3, 4 I S S • • 2 S 3 I b. Ia. S • • aa I S 1 3, 4 a. Ib. S • • I 4 b. Ib. S 1, 3 2, 4 S 1, 2 • • • ba I S 2 S • • • 1 I a. Ia. S 3 I S

Селективный перенос поляризации. Селективная инверсия заселенности SPI 90 180 s 3, 4 a. Ib. S • • I 4 b. Ib. S 2, 4 S • • 2 S I • • 1 3 1, 2 b. Ia. S a. Ia. S 1, 3

Селективная инверсия заселенности SPI в гомоядерной системе a b b a

Селективный перенос поляризации SPT в гетероядерной системе a. Cb. H • • 13 C 4 2 3, 4 1 H 1 H a. Ca. H a. Cb. H 1, 2 b. Cb. H • • • • • 13 C • • • • b a 1, 3 2, 4 C H 3 13 C 1 I 4 2 S 3, 4 b. Cb. H 2, 4 1 H 1 H a. Ca. H • • • 1 • • • • b a C H 13 C 3 1, 2 I S

Селективный перенос поляризации в гетероядерной системе. Селективная инверсия заселенности SPI Трехкратное увеличение интенсивности линни 2, 4 13 C • • • a. Cb. H • • • 4 2 b. Cb. H 3, 4 1 H • • • • b a C H 1 H a. Ca. H 2, 4 • • 13 C 3 1 1, 2 I Интенсивности линий ядра I до начала эксперимента 1, 3 2, 4 I 1, 3 S

J-модуляция и перенос поляризации