C6800 Multinukleární NMR spektroskopie

Přírodovědecká fakulta
jaro 2023
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
Základní znalosti obecné chemie s důrazem na chemickou vazbu, strukturu a symetrii molekul a protonovou a 13C NMR spektroskopii.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
V přednášce jsou diskutovány základní měřitelné veličiny NMR spekter, jako stínící konstanty a chemické posuny, skalární interakční konstanty a relaxační časy. Dále jsou zdůrazněny vlivy chemických a fyzikálních faktorů, strukturních parametrů a vliv chemické výměny na hodnoty těchto veličin. Praktické příklady a problémy jsou uvedeny z oblasti multinukleární NMR spektroskopie anorganických látek.

Výstupy z učení
Studenti se v tomto kurzu naučí:
Určit prvky symetrie v molekule a předpovědět počet očekávaných signálů ve spektrech přítomných NMR aktivních jader.
Odhadnout přibližnou hodnotu chemického posunu ve spektru sledovaného jádra v závislosti na struktuře molekuly a elektronickém okolí jádra.
Určit očekávanou multiplicitu signálu sledovaného jádra v závislosti na interakci s okolními jádry.
Odhadovat přibližnou velikost interakčních konstant v závislosti na vazebných a strukturních poměrech v molekule.
Posoudit jaderné, elektronické a strukturní vlivy na relaxační rychlosti jader.
Posoudit vliv chemických a fyzikálních faktorů a strukturních parametrů na možnost chemické výměny a ovlivnění počtu a tvaru signálů ve spektrech.
Osnova
  • 1. Historický úvod. Základní pojmy: jaderný spin, magnetický moment, magnetogyrický poměr, isotopické zastoupení, magnetizace, populace, Larmorova frekvence.

    2. Stínící konstanta, diamagnetické a paramagnetické stínění, Ramseyův vzorec. Lokální a nelokální vlivy. Chemický posun, referenční standardy. Rozsah chemických posunů.

    3. Parametry ovlivňující stínící konstantu: oxidační číslo, koordinační číslo, náboj, symetrie, HOMO-LUMO rozštěpení, elektronegativita, normální a inverzní halogenová závislost, nefelauxetická a spektrochemická řada.

    4. Korelace chemických posunů s vazebnými délkami, úhly, UV maximy, IR silovými konstantami, Hammetovými sigma konstantami.

    5. Vlivy na chemický posun: isotopové efekty, SIIS, magnetická anisotropie chemických skupin, teplota, rozpouštědlo, ASIS.

    6. Satelitní signály, isotopomery, výpočet isotopického zastoupení.

    7. Chemická ekvivalence a symetrie molekul. Prochirální a C2 skupiny. Homotopická, enantiotopická, diastereotopická a heterotopická jádra. Chirální rozpouštědla, posuvová činidla.

    8. Dipolární interakce. NMR spektroskopie v pevné fázi.

    9. Skalární interakce. Interakční konstanta, Diracův model, Pople-Santryho vzorec, redukovaná interakční konstanta. Vlivy na interakční konstantu: s-charakter, hybridizace, elektronegativita, koordinační číslo, vazebné úhly, dihedrální úhly, Karplusova rovnice.

    10. Konstrukce multipletů. Notace spinových systémů. Jednoduché spinové systémy: AB, ABX, AA'X, AA'XX'. Simulace spekter.

    11. Relaxace. Relaxační časy T1 a T2. Korelační čas. Extreme narrowing limit. Inversion Recovery a Spin Echo metody.

    12. Relaxační mechanizmy: dipolární, anisotropie chemického posunu, spinová rotace, skalární relaxace, kvadrupolová, paramagnetická. NOE.

    13. Dynamická NMR spektroskopie. Chemická výměna. Ekvivalentní a neekvivalentní systémy. Simulace dynamických NMR spekter.

Literatura
  • NMR and the periodic table. Edited by Robin Kingsley Harris - Brian E. Mann. London: Academic Press, 1978, 459 s. ISBN 0123276500. info
  • MACOMBER, Roger. A complete introduction to modern NMR spectroscopy. New York, USA: John Wiley and Sons, 1998, 382 s. ISBN 0471157368. info
  • FRIEBOLIN, Horst. Basic one- and two-dimensional NMR spectroscopy. 3. vyd. Weinheim: Wiley-VCH, 1998, 385 s. ISBN 3527295135. info
  • BRAUN, Siegmar, Hans - Otto KALINOWSKI a Stefan BERGER. 150 and more basic NMR experiments :a practical course. 2nd exp. ed. Weinheim: Wiley-VCH, 1998, 595 s. ISBN 3-527-29512-7. info
  • Two-dimensional NMR spectroscopy :applications for chemists and biochemists. Edited by William R. Croasmun - Robert M. K. Carlson. 2nd ed. New York: VCH Publishers, 1994, xxii, 958. ISBN 1-56081-664-3. info
  • SANDERS, Jeremy K. M. Modern NMR spectroscopy : a workbook of chemical problems. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 1993, 127 s. ISBN 0198558120. info
  • BREITMAIER, Eberhard. Structure elucidation by NMR in organic chemistry : a practical guide. Translated by Julia Wade. Chichester: John Wiley & Sons, 1993, 265 s. ISBN 0471933813. info
  • HÁJEK, Milan. Kvantitativní FT NMR spektroskopie v chemické praxi. 1. vyd. Praha: Academia, 1989, 164 s. ISBN 8020000968. URL info
  • SCHRAML, Jan. Dvourozměrná NMR spektroskopie. 1. vyd. Praha: Academia, 1987, 130 s. info
  • DEROME, Andrew E. Modern NMR techniques for chemistry research. Oxford: Pergamon, 1987, xvii, 280. ISBN 0-08-032513-0. info
  • GOLJER, Igor a Tibor LIPTAJ. Nové metódy FT NMR spektroskopie kvapalín. 1. vyd. Bratislava: VEDA vydavatel'stvo Slovenskej akadémie vied, 1986, 181 s. info
  • WEHRLI, F. W. a T. WIRTHLIN. Interpretation of carbon-13 NMR spectra. London: Heyden, 1980, 310 s. ISBN 0-85501-207-2. info
  • FARRAR, Thomas C. a Edwin D. BECKER. Pulse and Fourier Transform NMR : Introduction to Theory and Methods. New York: Academic Press, 1971, 115 s. info
Výukové metody
Přednáška sestává ze 14 lekcí po 50 minutách. Materiály k přednášce, jako jsou prezentace, doporučené články z literatury, tabulky, jsou vloženy do ISu. V relevantních případech se stávají součástí kurzu i přednášky hostujících profesorů v programu INNOLEC.
Metody hodnocení
Během semestru jsou zadány 3 hodnocené domácí úkoly. Na konci semestru každý student přednese krátkou prezentaci na vybrané téma z NMR spektroskopie. Písemná závěrečná zkouška hodnocena max. 100 body, minimum dosažených bodů je 50. Váhy hodnocení: závěrečná zkouška 75%, domácí úlohy 15%, prezentace 10%.
Navazující předměty
Informace učitele
http://nmr.sci.muni.cz/
Zkouška bude zaměřena zejména na následující vědomosti: Určení počtu chemicky a magneticky neekvivalentních atomů v molekule a očekávaný počet signálů ve spektru. Odhad trendu chemických posunů v sérii sloučenin. Výpočet zastoupení jednotlivých isotopomerů, intenzita a multiplicita satelitních signálů. Určení počtu a odhad velikosti interakčních konstant a jejich trendu v sérii sloučenin. Určení struktury multipletu a relativních intenzit jeho linií. Určení vlivu chemické výměny v molekule na počet a tvar signálů ve spektru.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2000, jaro 2001, jaro 2002, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2022, jaro 2024, jaro 2025.