nuklearna magnetna rezonancija nmr - unizg.hr · • 1970. oslikavanje magnetnom rezonancijom...

Nuklearna MagnetnaNuklearna Magnetna RezonancijaRezonancija

NMR

POVIJESNI RAZVOJ NMR-a• 1924 W Pauli teorijski temelji NMR• 1924. W. Pauli - teorijski temelji NMR

• 1939. Rabi i sur. - dokaz o postojanju nuklearnog spina ( molekulski snop C )LiCl)

• 1944 Nobelova nagrada iz fizike Rabiju1944. Nobelova nagrada iz fizike Rabiju

• 1946. Bloch (Stanford) i Purcell (Harvard)- prvi uspješni eksperimenti efekta NMRNMR

• 1952. Nobelova nagrada iz fizike za NMR Blochu i Purccelug

• 1953. Prvi komercijalni NMR spektrometar (Varian 30 MHz)

• 1960. Spektrometri od 100 MHz

• 1970. Pulsni spektrometri s Fourierovom transformacijom

1980 Spektrometri od 400 MHz• 1980. Spektrometri od 400 MHz

• 1970.-1980. Dvodimenzijske metode i tehnike (2D NMR)

• 1970. Oslikavanje magnetnom rezonancijom (magnetic resonance imaging, MRI)

• 1991. Nobelova nagrada iz kemije za NMR, R. R. Ernst

• 1992. Magnet od 17.61 T (750) MHz

• 1995. Magnet od 21.14 T (900 MHz)

1999 P i k ij l i 900 MH kt t• 1999. Prvi komercijalni 900 MHz spektrometar

• 2002 Nobelova nagrada iz kemije za NMR K Wütrich• 2002. Nobelova nagrada iz kemije za NMR, K. Wütrich

• 2003. Nobelova nagrada iz medicine za MRI, P. Lauterbur i P. g ,Mansfield (fizičari)

2005 M t d 22 31 T (950 MH )• 2005. Magnet od 22.31 T (950 MHz)

• 2009 Magnet od 1000 MHz (1GHz)• 2009. Magnet od 1000 MHz (1GHz)• Magnet od 1,2 GHz u tijeku

S kt l kt t č jSpektar elektromagnetnoga zračenja

105 103 101 1 E(kJ/ l)

10-8

105 103 101 10-1 10-3 10-5 10-7

10-6 10-4 10-2 1 102 104

E(kJ/mol)

,cm

NMRzrake

Xzrake

UVprijelazielektrona

IRvibracije

mikrovalovirotacije

radiovaloviprijelazi spinova

NMR

elektrona

cm-1

ultraljubičasto vidljivo blisko srednje daleko

10000 1000 100

200 nm 400 nm 800

plavo crveno

NMR spektrometar 1GHzp23,5 T

Integrirani NMR sustav-INCA

ICE NMR BEST NMR

900 MHz 950 MHz950 MHz

LC-SPE-krio/NMR sustav

NMR visoke rezolucijePrvi publicirani NMR spektar visoke rezolucije, 30 MHz

1H NMR spektar, 300 MHz

3D HMQC-TOCSY NMR spektar2D TPPI-NOESY spektar azitromicina, 3D HMQC TOCSY NMR spektar

azitromicina 500 MHzp

500 MHz

Sprega tekućinske kromatografije i NMR-aSprega tekućinske kromatografije i NMR aLC-NMR

Sprega tekućinske kromatografije i NMR-a

NMR s SGI ili PC (windows)

HPLC s PC

LC SPE NMR MS tLC-SPE-NMR-MS sustav

MRI/MRS sustav

S i j i ijSpin jezgre i rezonancija

= P

P = I h/2

I = (0 1/2 1 3/2 7)I = (0, 1/2, 1, 3/2, ...7)

Jezgra s kvantnim brojem I može imati 2In + 1orijentaciju

-1/2 -1/2

-3/2-1

aB0=0

1/2

1/21/2

3/21

0

nerg

ija

I = 1/2 I = 1 I = 3/2

en

Svojstva nekih jezgri sa spinom ½

izotop Prorodna NMR frekvencija Relativnaizotop Prorodna zastupljenost (%)

NMR frekvencija (MHz) B0=11.7 T

Relativna osjetljivost

1H 99 98 400 0 1 0H 99.98 400.0 1.03H 0 426.7 1.2a

13C 1.11 100.6 1.76 x 10-4

15N 0.37 40.5 3.85 x 10-6

19F 100 376.3 0.8329Si 4 7 79 5 3 69 x 10-4Si 4.7 79.5 3.69 x 1031P 100 161.9 6.63 x 10-2

aako ima 100% 3H

Dogovorom je prihvaćeno da je smjer primjenjenog magnetnogDogovorom je prihvaćeno da je smjer primjenjenog magnetnogpolja smjer osi z u Cartesijevom koordinatnom sustavu

zFrekvencija precesijeili Larmorova frekvencija

x y

= P

R ijRezonancija

= PB0≠0

B 0 EP = Ih/2

B0=0 EE = -0B0 = -hIB0/2

E = hB0/2 E = h

= B0/2

Osnovni uvjet rezonancije

1 = 0

B lt dij lBoltzmanova raspodijela

N / N = eE/kT

N- broj jezgri

k l k (1 38066 10 23 1)k- Boltzmanova konstanta (1.38066 10-23 JK-1)

T- temperaturap

Samo 1 jezgra na milijun više uSamo 1 jezgra na milijun više u osnovnom energijskom stanju !!

nekad

ddanas

vremenska domena frekvencijska domenavremenska domena frekvencijska domena

∫+ eit = cos t + isin t

F () =∫f(t) eit dt- realno imaginarno

Apsorpcijskii l

Disperzijskisigal sigal

V kt ki d lVektorski model

z

M0

x y

S obzirom da ima više istovrsnih spinova u stanju vektor ukupne magnetizacije ima smjer + z

Radiofrekventni pulsRadiofrekventni puls 360 B t /2P l i k t = 360B1tp/2Pulsni kut

Pozitivna Pozitivna negativna NegativnaPozitivna apsorpcija

Pozitivna disperzija

negativna apsorpcija

Negativna disperzija

P l i lij dPulsni slijed

180yxt2 Jezgra A

Radiofrekventnipulsevi

tx x

2(1H)

t1 rasprezanje

G1 G2 G3

Jezgra X(13C, 15N)

Gradijentnipulsevi

NMR parametrip

a) Vremena opuštanja ili relaksacijea) Vremena opuštanja ili relaksacijea) Vremena opuštanja ili relaksacije) vrijeme opuštanja spin-rešetka (longitudinalno),T1

) p j j

dMz/dt = (M0-Mz)/T1 Blochova jednadžba Intenzitet NMR signala

) vrijeme opuštanja spin-spin (transverzalno), T2) j p j p p ( ), 2dMx/dt = (Mx)/T2

dMy/dt = (My)/T2y ( y) 2

Širina NMR linija 1/2 = 1/T2

vrijeme

M h i i št j i š tkMehanizmi opuštanja spin-rešetka

1/T1uk = 1/T1

DD + 1/T1CSA + 1/T1

SR + 1/T1SC

DD- dipol-dipol (najučinkovitiji)CSA- anizotropija kemijskog pomakaSR- spinska rotacija (rotori npr. CH3)p j ( p 3)SC- skalarna sprega (bliska Larmorova frekvencija 13C-

37Br))

b) Kemijski pomak, nuklearno zasjenjenje) j p , j j j

LevittLevitt

Za izotropni medij

A = dia + para + xA≠X

p j

A

elektroni

Elektroni koji okružuju jezgru A stvaraju magnetno polje (zasjenjenje) koje utječe na ukupno magnetno polje koje osjećaju jezgre

B B B• Bef = B0- Bind

Bind = efB0ind ef 0

• Bef = B0- (1- ef)

= B0/2U j t ij

= (1- ef) B0 / 2Uvjet rezonancije

Referentna Skala /uzorak = uzorak - referentno / referentno

= (Hz) / referentno (MHz)( ) referentno ( )

Skala u ppm!

Skala za različite jezgre

Za protoneZa protone

kiselinealdehidi

aromatiamidi

olefini

Alkoholi, protoni u -položaju ketona

alifati

Za ugljike

C Oaromati

C=O ketona

konj. alkeniolefini

Alifatski CH3,CH2, CH

C=O kiselina U lji i j d tC O kiselinaAldehida, estera

Ugljici u susjedstvualkohola, ketona

NMR spektroskopija u čvrstom p p jstanju

• 13C NMR spektar u potopini

• 13C NMR spektar u pčvrstom stanju

I t k ij i l ž j t• Interakcije ovisne o položaju u prostoru

Anizotropija kemijskog pomaka (CSA)Anizotropija kemijskog pomaka (CSA)U NMR-u tekućina gibanje (tumbanje) molekula

Levitt

g j ( j )uzrok je simetričnosti vremenski uprosječenogelektronskog zasjenjenja. U NMR-u čvrstogstanja, molekule se ne gibaju izotropno pastanja, molekule se ne gibaju izotropno pakemijski pomak ne ovisi samo o kemijskomidentitetu atoma nego i o prostornom odnosuizmeđu molekule i vanjskog magnetnog poljaizmeđu molekule i vanjskog magnetnog polja.

H cos SpektarVjerojatnost orijentacije Hcs cos Spektar krutine

Pojedinačni signali

Anizotropija kemijskog pomaka i prstenaste struje

c) Konstanta sprege spin-spinKonstanta sprege spin-spinSpinsko stanje susjedne jezgre može utjecati na energetske razine promatrane jezgre Za takve jezgre kažemo da su

c) Konstanta sprege spin-spin

razine promatrane jezgre. Za takve jezgre kažemo da su međusobno spregnute preko jedne ili više kemijskih veza

Energetski dijagram Svaki spin sada ima dvije podrazine ovisno oEnergetski dijagram. Svaki spin sada ima dvije podrazine ovisno o stanju spina s kojim je u sprezi

Razlika između dvije linije dubleta se zove konstanta sprege J i ima jedinicu Hz

Način sprezanja bitan je za identifikaciju spinskog sustava u molekuli i za određivanje njene strukture

Homonuklearna sprega J : 2 spina

razina Spinsko stanje energija4

1

2

1220

10 4

121

21 J

1220

10 4

121

21 J 23

3

1200 422

1220

10 4

121

21 J

1111

2

4 1220

10 4

121

21 J 1

prijelaz energija12

1210 2

1 J

34

13

1210 2

1 J

1220

1 J

24

120 2

1220 2

1 JLevitt

Heteronuklearna sprega J : 2 spina

Levitt

Heteronuklearna sprega J : 3 spina

Levitt

Heteronuklearna sprega J : 4 spina

Spektri se mogu pojednostavniti rasprezanjemLevitt

Relativni intenzitetMultipletnost Izgled signala Primjer

ZXHa

1Singlet (s)

J

CZX

YHa

1 1Dublet (d)JJ

CZHC

Y

a

H

1 2 1Triplet (t)

J J J

CZH2C

Y

Ha

1 3 3 1Kvartet (q)

J J J

CZH3C

Ha

1 3 3 1Kvartet (q)J J J J

Y

CH2H2CHa

1 4 6 4 1Kvintet

C

Y

Spin-spin sprege kroz tri veze

Martin Karplus je pokazao davicinalna sprega između 1H atomavicinalna sprega između 1H atomaovisi o diedarskom kutu izmeđunjih. Ova relacija se može iskazati

ć K l j d džbJ()

pomoću Karplusove jednadžbe:( )

CBAJ )cos()(cos)( 2

A, B, i C su empirijski određeni parametri.

Sprega J omogućuje procjenu molekulske konformacije!

Spinski sustavip

Pople-ova notacija: slova u abecedi označavaju jkemijske pomake

Prvi red: /J 10 oznake A i X

Viši red: /J 10Viši red: /J 10 oznake A, B, C

Više spinskih sustava unutar jedne molekulep j

CH2F22 2

H F

FH

Cl H

H

H Cl

H

Cl Cl

H

H H

H

H H

Odredite spinski sustav za slijedeće molekule

H H

A3MX

H

HH

NO

H

H NO2H

AMXHH H H

H +

A2B2CH

H

H

H

(AA’BB’C)H

C8H7OBr

O O OKN = 5CH3

Br

CH3 CH3

Br

Br

Odredite položaj supstitucije metilnih skupina u dimetilpiridinu

NCH3 CH3 N CH3

CH3

CH3CH3CH3

N

33

N CH3