Φασματοσκοπία NMR.

Παρουσίαση με θέμα: "Φασματοσκοπία NMR."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Φασματοσκοπία NMR

2 Περιλαμβάνει μαγνήτες
Τι είναι το NMR ? Μια φασματοσκοπική τεχνική που δίνει πληροφορίες για τον αριθμό και τους τύπους των ατόμων σε ένα μόριο. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού είναι μια ισχυρή αναλυτική τεχνική που χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίζει μόρια αναγνωρίζοντας π.χ. δεσμούς υδρογόνου-άνθρακα μέσα στο μόριο. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Περιλαμβάνει μαγνήτες Στον πυρήνα Μέσα στον πυρήνα

3 Nuclear Magnetic Πυρηνικό Spin
Ο φορτισμένος περιστρεφόμενος πυρήνας δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο π.χ. δρά ως μαγνητική ράβδρος.

4 Συχνότητα μετάπτωσης:
Μεταπτωτική κίνηση: Θεωρείστε μια σβούρα, στην οποία ο άξονας περιστροφής της κινείται αργά γύρω από την κατακόρυφο. Αυτό είναι μεταπτωτική κίνηση και η σβούρα λέμε ότι έχει μετάπτωση γύρω από τον κάθετο άξονα του μαγνητικού πεδίου της γής. Συχνότητα μετάπτωσης: Ομοίως το πρωτόνιο (μικρός μαγνήτης) μετα΄πίπτει περι τον άξονα του εξωτερικόυ μαγνητικού πεδίου με τον ίδιο τρόπο όπως από πάνω.

5 Το περιστρεφόμενο πρωτόνιο σε ένα εξωτετικό μαγνητικό πεδίο.
Η διαδικασία του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Απορρόφηση υφίσταται όταν ν =ω ΒΟ

6 Δύο ενεργειακές στάθμες σε κβαντικές χημικές έννοιες
Τα μαγνητικά πεδία των περιστρεφόμενων πυρήνων ευθυγραμμίζονται είτε με το εξωτερικό πεδίο, είτε αντίστροφα απ’ το πεδίο. Ραδιοσυχνότητα r.f. με τη σωστή ποσότητα ενέργειας μπορεί να απορροφηθεί και να προκαλέσει την αναστροφή του περιστρεφόμενο υ πρωτονίου.

7 E, Μαγνητική δύναμη και 
Η ενεργειακή διαφορά ΔΕ είναι ανάλογη της ισχύς του μαγνητικού πεδίου B0 και του . E = h =  h B  Γυρομαγνητικός λόγος, , είναι μια σταθερά για κάθε πυρήνα (26,753 s-1gauss-1 for 1H).

8 Rf Πεδίου vs. Μαγνητικό πεδίο για ένα πρωτόνιο
E Bo E = h/2(Bo) 500 MHz 11.74 T 60 MHz 1.41 T 2.35 T 100 MHz

9 Rf /  τιμές για κάποιους πυρήνες
/2 (MHz/T) Bo (T) Rf (MHz) Nuclei 500.00 11.74 42.58 1H 125.74 11.74 10.71 13C 76.78 11.74 6.54 2H 19F 470.54 11.74 40.08 31P 202.51 11.74 17.25

10 Που συντονίζονται οι πυρήνες στα 11.74 T
76.78 12 ppm 2H 12 ppm 1H (TMS) 500.00 RCO2H CH4 202.51 ~380 ppm 31P (H3PO4) 470.54 ~220 ppm 19F (CFCl3) 220 ppm 13C 125.74 -SO2F -CF2-CF2- CPH2 PX3 RCH3 R2C=O 500 MHz 400 300 200 100

11 http://www. authorstream

12 Beff=Bexternal-Bshielding
Μαγνητική προστασία Αν όλα τα πρωτόνιο απορροφούσαν το ίδιο ποσό ενέργειας σε ένα δεδομένο μαγνητικό πεδίο, δεν θα μπορούσαμε να λάβουμε πολλές πληροφορίες. Αλλά τα πρωτόνια περιβάλλονται από ηλεκτρόνια που τα προστατεύουν απ’ το εξωτερικό πεδίο. Τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια δημιουργούν ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο που είναι αντίθετο στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Beff=Bexternal-Bshielding

13 Η μετατόπιση στη θέση των σημάτων απορρόφησης του ΝMR που εμφανίζεται λόγω της προστασίας ή της αποπροστασίας του πρωτονίου από τα περιβαλλόμενα ηλεκτρόνια, ονομάζεται χημική μετατόπιση.

14 Προστασία ή Αποπροστασία σε ενα μόριο
Ανάλογα με το ηλεκτρονικό περιβάλλον σε ένα άτομο τα πρωτόνια στα είναι προστατευμένα ή αποπροστατευμένα σε διαφορετικό ποσοστό.

15 Τα προστατευμένα πρωτόνια εμφανίζουν απορροφηση στη δεξιά πλευρά και τα αποπροσταυμένα στην αριστερή πλευρά του φάσματος.

16 Σήματα NMR Ο αριθμός των σημάτων δείχνει πόσα διαφορετικά είδη πρωτονών υπάρχουν. Η τοποθεσία των σημάτων δείχνει πόσο προστατευμένο ή αποπροστατευμένο είναι το προτώνιο.

17 Tο φάσμα του NMR Integral:

18 Σήματα NMR Ο αριθμός των σημάτων δείχνει πόσα διαφορετικά είδη πρωτονίων υπάρχουν. Η τοποθεσία των σημάτων δείχνει πόσο προστατευμένο ή αποπροστατευμένο είναι το πρωτόνιο. Η ένταση του σήματος δείχνει τον αριθμό των πρωτονίων του ιδίου τύπου.

19 IR φάσμα της μεθανόλης

20 Μετατόπιση > TMS (σε Hz) Συνχότητα Φασματομέτρου (σε MHz) δ =
Η τιμή του δ για μια ουσία ανάλογη προς το ΤMS μπορεί να ληφθεί από τη Χημική Μετατόπιση, ppm. Μετατόπιση > TMS (σε Hz) Συνχότητα Φασματομέτρου (σε MHz) δ = Η τιμή της χημικής μετατόπισης, εκφράζεται σε ppm και οι τιμές τους είναι μεταξύ 0 και 10 στη κλίμακα δ.

21 Κλίμακα Δέλτα

22 Χημικές μετατοπίσεις του υδρογόνου
ppm

23 Χημικές μετατοπίσεις του υδρογόνου
ppm

24 Κατηγοριοποίηση των χημικών μετατοπίσεων της χαρακτηριστικής ομάδας
24 Κατηγοριοποίηση των χημικών μετατοπίσεων της χαρακτηριστικής ομάδας -OH

25 25 ppm 14.75 ppm ppm 12-13 ppm

26 Επίδραση της ισχύς των δεσμών υδρογόνου σε Χημική Μετατόπιση 1Η
1H

27 http://www. authorstream

28 Πιο αποπροστατευμένα

29 http://www. authorstream

30 Χημικές μετατοπίσεις Υδρογόνου
ppm

31 http://www. authorstream

32 Αρωματικά πρωτόνια, 7-8 ppm
Τα αρωματικά πρωτόνια είναι αποπροστατευμένα!

33 Πρωτόνιο Αλδεΰδης, 9-10 ppm
Electronegative oxygen atom

34 Βινυλικά Πρωτόνια, 5-6 ppm

35 Ακετυλενικά Πρωτόνια, 2.5 ppm

36 Σήματα NMR Ο αριθμός των σημάτων δείχνει πόσα διαφορετικά είδη πρωτονών υπάρχουν. Η τοποθεσία των σημάτων δείχνει πόσο προστατευμένο ή αποπροστατευμένο είναι το πρωτόνιο. Η ένταση του σήματος δείχνει τον αριθμό των πρωτονίων του ιδίου τύπου. Το σχάσιμο των σημάτων δείχνει τον αριθμό των πρωτονίων σε γειτονικά άτομα.

37 Μη ισοδύναμα πρωτόνια σε γειτονικούς C άνθρακες.
Spin-Spin Σχάση 1,1,2-Τριβρωμοαιθάνιο Μη ισοδύναμα πρωτόνια σε γειτονικούς C άνθρακες.

38 Διπλή Σχάση: 1 Γειτονικό Πρωτόνιο

39 Τριπλή σχάση: 2 Γειτονικά Πρωτόνια

40 Σταθερές Spin-Spin Σύζευξης
Απόσταση μεταξύ κορυφών. Μετρημένες σε Hz. Μη εξαρτώμενες από την ισχύ του εξωτερικού πεδίου. Οι πολλαπλές με τις ίδιες σταθερές σύζευξης μπορεί να προέρχονται από γειτονικές ομάδες πρωτονίων που σχάζονται μεταξύ τους. Τα πρωτόνια που απέχουν τέσσερις ή περισσότερους δεσμούς δεν εμφανίζουν σύζευξη. ?

41 Τιμές για τις σταθερές σύζευξης

42 Δενδροδιάγραμμα

43

44

45

46 Χημικές μετατοπίσεις Υδρογόνου και Άνθρακα

47 Άνθρακας-13 12C δεν έχει μαγνητικό spin.
Ο γυρομαγνητικός λόγος του 13C είναι το ένα τέταρτο του αντίστοιχου του 1H. Τα σήματα είναι αδύναμα, χάνονται στον θόρυβο. Μέσος όρος εκατοντάδων φασμάτων λαμβάνονται.

48 Το φασματόμετρο NMR

49

50 Περιοδική μεταβολή του πειραματικού πυρηνικού εύρους προστασίας.

51 Μετασχηματισμός Fourier στο NMR
Οι πυρήνες σε ενα μαγνητικό πεδίο έχουν μια ραδιοσυχνότητα κοντά στη συχνότητα συντονισμού. Οι πυρήνες απορροφούν ενέργεια και περιστρέφονται σαν μικρές σβούρες. Η ελεύθερη απόσβεση μετατρέπεται σε φάσμα

52 Παλμός διέγερσης(μs)

53

54 1H NMR spectra of caffeine 8 scans ~12 secs
13C NMR spectra of caffeine 8 scans ~12 secs 13C NMR spectra of caffeine 10,000 scans ~4.2 hours

55

56 Πληθυσμός Spin NMR - Ευαισθησία

57 Πυρηνικά Spins σε Bo Σε ένα εφαρμοζόμενο πεδίο με 7.05T η διαφορά στην ενέργεια μεταξύ πυρηνικού spin: 1H είναι περίπου J ( cal)/mol, το οποίο αντιστοιχεί σε μια συχνότητα 300 MHz (300,000,000 Hz). Το διαφορετικό πλήθος των δυο πυρήνων από δύο πυρηνικές spin καταστάσεις είναι μόνο ∼10-5 και, συνεπώς έχει νόημα μόνο για τον αριθμό Avogadro!

58 Γυρομαγνητικός λόγος () Φυσική αφθονία του ισοτόπου
Ευαισθησία NMR Σχετική ευαισθησία των 1H, 13C, 15N και άλλων πυρήνων στους οποίους στηρίζεται το NMR Γυρομαγνητικός λόγος () Φυσική αφθονία του ισοτόπου - Η εγγενής ιδιότητα του πυρήνα δεν μπορεί να τροποποιηθεί.  N)3 για 15N είναι x C)3 για 13C είναι 64x Ο πυρήνας 1H είναι ~ 64x όσο ευαίσθητος είναι ο 13C και 1000x όσο ευαίσθητος είναι ο 15N ! Σκεφτείτε ότι η φυσική αφθονία του 13C είναι 1.1% και του 15N είναι 0.37% Η σχετική ευαισθησία αυξάνεται σε ~6,400x ~2.7x105x !!

59 http://www. authorstream

60 N.O.E. Transient NOE and Distances

61 N.O.E. Παράδειγμα “steady-state”
Ha Hb Prof. Claudio Santi Dipartment of Chemistry and Technology of Drugs University of Perugia

62 NMR και Χημική Ανταλλαγή

63 Τι πληροφορίες μπορεί να μας δώσει η φασματοσκοπία NMR
Θεωρία δομής NMR ισοδύναμο Ποιοτική σύνθεση Επιλογή του πυρήνα / ισότοπο Ποσοτική σύνθεση Ισχύ σήματος / ολοκλήρωση Λειτουργικές ομάδες Χημικές μετατοπίσεις Συνδεσιμότητα J (scalar) couplings Χωρική διευθέτηση ατόμων NOE (απόσταση) J couplings (δίεδρη γωνία) Δυναμικά Χημική ανταλλαγή

64 Βιβλία για NMR - Ιστοσελίδες
Solving Problems with NMR Spectroscopy by Atta-ur-Rahman and Muhammad Iqbal Choudhary Modern NMR Techniques for Chemistry Research by A.E. Derome, University of Oxford, UK Modern NMR spectroscopy, a guide for chemists, by J. K. M. Sanders and B. K. Hunter Nuclear Magnetic Resonance : Volume 3 by R K Harris NMR Spectroscopy: Basic Principles, Concepts and Applications in Chemistry, by H. Gunther Carbon 13 NMR Spectroscopy, by Hans-Otto Kalinowski, Stefan Berger and Siegmar Braun

65 Μερικές ιστοσελίδες NMR
The Basics of NMR by J.P. Hornak Hypertext based NMR course Integrated Spectral Data Base System for Organic Compounds Educational NMR Software All kinds of NMR software NMR Knowledge Base A lot of useful NMR links NMR Information Server News, Links, Conferences, Jobs Technical Tidbits Useful source for the art of shimming BMRB (BioMagResBank) Database of NMR resonance assignments

66 Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΦΛΑΒΟΝΟΕΙΔΟΥΣ ΚΕΡΣΕΤΙΝΗ
Παράδειγμα Δομής Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΦΛΑΒΟΝΟΕΙΔΟΥΣ ΚΕΡΣΕΤΙΝΗ

67

68

69

70 2.2 Hz 8.5Hz, 2.2 Hz 2.02 Hz 2.02 Hz

71 ΦΑΣΜΑΤΑ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ
ΤΟ 1H-1H COSY ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Jacobsen, NMR Spectroscopy Explained, Wiley, 2007

72 1H 1H Homonuclear 2 Dimensional Experiment:
1H – 1H COSY (COrrelated SpectroscopY) 1H 1H

73 1H 1H Homonuclear 2 Dimensional Experiment:
1H – 1H TOCSY (TOtal Correlated SpectroscopY) 1H 1H

74 13C 1H Heteronuclear 2 Dimensional Experiment:
1H – 13C HSQC (Heteronuclear Single Quantum Spectroscopy) 13C 1H

75 H8 H5’ H6 H7’ H6’ 13C C-OH C-OH C=O 1H
Heteronuclear 2 Dimensional Experiment: 1H – 13C HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) H5’ H8 H6 H7’ H6’ 6 8 2’ 1 4 5’ 6’ B 13C A C C-OH C-OH C=O 1H