o #o« Strukturní chemie II C9551 Nukleární magnetická rezonance Radek MAREK 2011 NMR pevnéfáze 1 NMR pevné fáze solid-state NMR (ssNMR) ^^^^^^^^ Základní principy NMR pevné fáze JJ -JUuJ NMR pevné fáze MOTIVACE Carbon-13 CPMAS spectra of nifedipine (VI). Top: crystalline form I. Bottom: amorphous i i U J. Pharm. Pharmacol. 2007, 59: 225-239 NMR pevne faze MOTIVACE Polymorph is a solid crystalline phase of a given compound resulting from the possibility of at least two crystalline arrangements of the molecules of that compound in the solid state. W.C. McCrone, in Physics and Chemistry of the Organic Solid State, Vol. 2, Interscience, New York, p. 725, 1965 NMR pevné fáze NMR pevné fáze MOTIVACE Potentially different physical and chemical properties between polymorphs, solvates amorhous phases. - physical and thermal properties (density, refractive index, melting points, free energy and chemical potential, thermal stability, solubility) - spectroscopic properties (vibrational, rotational, electronic, NMR features) - kinetic properties (rate of dissolution, stability, kinetics of solid-state reactions) - surface properties (surface area, particle size distribution) - mechanical properties (hardness, compression, thermal expansion, drying characteristics) - chemical properties (chemical and photochemical reactivity) NMR pevné fáze • vzorky v podobě monokrystalů, práškové formě (mikrokrystaly) či amorfní fáze • omezen molekulární pohyb - anizotropie chemického posunu, výrazný efekt přímé dipolární a kvadrupolární interakce • 100% koncentrace vzorku • spektra „přesycena" informacemi - vývoj technik ssNMR pro jejich extrakci NMR pevné fáze Interakce jaderného spinu energie interakce spinu reprezentovaného operátorem Tz s okolím vyjadřují jednotlivé členy spinového hamiltoniánu H Atom v magnetickém poli Stínící konstanta - tenzor Anizotropní interakce v pevné fázi Jaderné magnetické stínění a = S1 Lab diagonalizace k 0 0 o 1 0 PAF = aPAF a-, . 0 0 S33 ) Bq ( an a® auJ ( o l Bnd = 1 ayx Syz I 1 0 I Szy Szz J l Bo J 1/ /Sind,y = GyzBC Laboratorní kartézská souřadná soustava nahrazena hlavními osami (PAF = principle axes frame). PŘÍČINY ANIZOTROPIE CHEMICKÉHO POSUNU • nmoioní molekulární pohyb plně nekompenzuje nesférický charakter elektronové hustoty omezeny molekul aso = l/3(ai1 +S22 + S33 ) izotropnístínění NMR pevné fáze y ■ Anizotropní interakce v pevné v pevné fázi Jaderné stínění ASYMETRICKÁ MOLEKULA °11 *°22 *°33 IZOTROPNÍ OKOLÍ nebo ROZTOK (o11+o22 +o33 ) / 3 = oiso AXIÁLNĚ SYMETRICKÁ MOLEKULA °11= °22 * °33 Bo Z NMR pevné fáze Kubická symetrie - magický úhel ASYMETRICKÁ MOLEKULA Chemický posun v práškovém spektru AXIÁLNĚ SYMETRICKÁ MOLEKULA Q,, = Qjso + Q0 (ajso - a33) Q± = Wjso + Q0 (ajso -an) = Wjso + Q0 (ajso - s22) PŘÍČINY ANIZOTROPIE CHEMICKÉHO POSUNU • omezený molekulární pohyb plně nekompenzuje nesférický charakter elektronové hustoty molekul • různé orientace mikrokrystalů v práškovém vzorku - průběh křivky píku kopíruje populaci jednotlivých orientací NMR pevné fáze Anizotropní interakce v pevné fázi Heteronukleární dipol-dipolová interakce DD q = arccos — = 54,7° 3 spinový pár 15N - 1H v axiálně symetrickém okolí-práškové spektrum v pevné fázi se díky omezenému pohybu interagujících spinových párů projevuje přímá dipolární interakce (dosah 10 Á) prášková spektra odpovídají náhodným a v čase konstantním orientacím mezijaderného vektoru r/s vůči směru B0 signál je v ideálním případě rigidního krystalu štěpen na Pakeův dublet odpovídající aa p stavu interagujícího partnera NMR pevné fáze • kubická symetrie systému: v čase se všechny orientace vlivem rotace zprůměrují do hodnoty magického úhlu - vynulování členu 3cos29 -1 • potlačení heteronukleární dipol-dipolové interakce a složky anizotropie chemického posunu — zúžení signálů resp. rozpad práškového spektra na jednotlivé rotační signály NMR pevné fáze I lDD 4p r?s hdd =-'?-nT (3cos2q-1l,s u OJ CD COOH Heteronukleární decouplig 1H decoupling CH 13 kHz CH2 13 C spektrum práškové směsi glycinu a alaninu • umožňuje téměř zcela potlačit heteronukleární dipolární interakce v ss NMR spektru • založen na kontinuálním ozařování vazebného partnera, např. 1H rezonance, 180° pulzy o stejné fázi — rotace magnetizace způsobí vyprůměrování spinové složky HDD do nulové hodnoty NMR pevné fáze 3 B Anizotropní interakce v pevné fázi Homonukleární dipol-dipolová interakce „flip-flop" „flip-flop" 'v (V" ■1 T H Ílí2 = (lij 2x + IlyÍ2y + 11, 12, ) = 1/2 (l+1- + I-12+) + 11,12, • v homonukleárním spinovém páru (např. 'H-'H) hamiltonián dipolární interakce navíc zahrnuje skalární součin vektorů operátorů magnetizace • podmínka zachování celkové energie systému nebrání přenosu energie v okamžiku synchronního flip-flop přechodu mezi dvěma interagujícími jádry o blízké rezonanční frekvenci • jde o koherentní velmi rychlý proces přenosu magnetizace prostorem, homonukleární interakce proto zapříčiňuje tzv. spinovou difúzi NMR pevné fáze 2 a a a Přímá dipól-dipólová interakce DD interakce vs. J-coupling Nepřímá spin-spinová interakce • šíří se přes prostor • velikost závislá na orientaci mezijaderného vektoru vůči vnějšímu magnetickému poli • uplatňuje se v pevné fázi popř. orientovaných mediích v podobě reziduálního dipolárního couplingu • v roztoku důležitý relaxační mechanismus • magnituda v řádu kHz zprostředkována valenčními elektrony skalární nezávislá na orientaci ani velikosti vnějšího magnetického pole • uplatňuje se v roztoku, v pevné fázi překryta intenzivnějšími DD popř. kvadrupolárními interakcemi magnituda v řádu desítky Hz NMR pevné fáze Anizotropní interakce v pevné v pevné fázi Kvadrupolární interakce -3/2 -1/2 1/2 3/2 Zeeman 1 (3 cos2 q-i 2v 1 8 (35cos4q-30cos2q + 3) • projevuje se u jader s jaderným magnetickým spinovým číslem s > 1/2 - jaderný spin se může vyskytovat ve 2s +1 energetický stavech • tato jádra mají nesférickou distribuci jaderného náboje - kvadrupólové štěpení rezonančního signálu působí interakce magnetického momentu s gradientem elektrického pole • kvadrupólové štěpení dosahuje až řádů MHz a jeho závislost na orientaci spinového systému vůči B0 je popsána vedle harmonické funkce i složkou druhého řádu, MAS neumožňuje zcela odstranit NMR pevné fáze W--e> y Křížová polarizace Cross-Polarisation (CP) Bi ■■flip-flop" B S b ::x" - 1h 13C 7ibu = 7sbis • hnací silou je přímá dipól-dipólová interakce, využívá tendence magnetizace proudit z vysoce polarizovaného systému (velké yľ, např. 1H) do systému málo polarizovaného (malé ys, např. 13C) • rezonanční podmínku lze pro heteronukleárníspinový pár splnit díky Hartman-Hahnovu experimentu -en na současném ozařováním obou jader rf poli o odpovídajících frekvencích, což má za následek precesní pohyb obou spinů kolem směru těchto polí, amplitudy těchto rf poli jsou nastaveny tak, aby rezuridriLMi puumiriKU iz založen na současném c precesní pohyb obou spinu kolem smeru LecriLo poli, amplitudy tecnto íj poli jsou nastavei došlo k vyrovnánífrekvencíobou precesních pohybU a ustavenítzv. dipolárního kontaktu / homonukleárním systému je flip-flop cross-polarizačnípřechod podstatou spinové difúze NMR pevné fáze 1H 13C n/2 CP Cross-polarizační experiment I Decoup lig I >■ y y 90° pulzem je excitován 1h vysoce polarizovaný spinovýsystém během CP periody jsou magnetizace obou systému udržovány ve shodném směru rf polí (spin-lock) bez vývoje chemického posunu - polarizace se přesouvá z 1h do 13C spinového systému během akvizice 13C signálu je DD interakce potlačována dekaplovací pulznísekvencí na 1H CP experiment představuje významný stavební blok řady pulzních sekvencív ssNMR - umožňuje až 1000x zvýšení citl ivosti b 0 a 1C B1C NMR pevné fáze n/2 Cross-polarizační experiment (A) (B) 1h 13C CP CP j Decoup lig I ji I CH,, kvartérníC 1H Decouplig 1 CP -CP +CH3 ,+kvartérníC CP l/UV * * • intenzita DD interakcímezi 1h a 13C závisína prostorové blízkosti jader a rychlosti reorientace mezijaderného vektoru vůči B0 klesá v řadě: CH2 > CH > CH3 (rotace) > C (vzdálené protony) • (A) Během spinového echa dojde k rozfázování koherence signálu CH2 a CH vlivem DD interakce, jež je v těchto spinových systémech nejrychlejší. • (B) Na inverzi fáze CP spinlokovacího bloku 1H rezonance nejrychleji reagujíCH2skupiny -inverze signálů, následované CH (signál po optimalizaci blízko nule) . NMR pevné fáze n/2Homonukleární decoupling 2D ssNMR spektroskopie INADEQUATE i CP I uecoupiig I" n n/2 n/2 n OD*1 tyuriu HKTCOR CP uecouplig H t C C • DD interakce: 1H - 13C korelační heteronukleárníexperiment HETCOR • J-interakce: 13C-13C INADEQUATE, HMQC-J-MAS • korelace CSA a DD interakce: orientované systémy- PISEMA NMR pevné fáze