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