Nukleární magnetická rezonance
Lekce 1- Úvod do N M R
Nuclear Magnetic Resonance
In vivo NMR spectroscopy PH, 31P)
- magnetic resonance tomography - MRT (from Greek tomos = section or slice) or magnetic resonance imaging - MRI (and fMRI)
NMR spectroscopy
- solids
- liquids (solutions) - biology, biochemistry (macromolecules -proteins, nucleic acids, enrichment - 13C, 15N)
- chemistry and pharmacy (M.W. ~ < 2000 D, natural abundance of 13C and 15N)
NMR strukturní analýza
1) Úvod, vznik signálu, chemický posun, interpretace 1H NMR spektra
2) Elektronické a strukturní vlivy na chemický posun, nepřímá spin spinová interakce, vektorový model, spinové systémy
3) Interakce jaderného spinu, pulzní sekvence, relaxace (T1 a T2), nukleární Overhauserův jev (NOE)
4) Kalibrace RF pulzu, chemická výměna, spinové echo, APT, DEPT
5) 2D NMR spektroskopie, COSY, interpretace
6) Přenos polarizace, heteronukleární korelace, HETCOR
7) Inverzní experimenty, HSQC, HMQC, HMBC
8) Vícekvantová spektroskopie, DQF-COSY, INADEQUATE
9) Spin lock, TOCSY, NOESY
10) Gradientní NMR spektroskopie, 3D NMR
11) DOSY, NMR spektrometry, sondy, logická struktura analýzy
12) NMR spektroskopie pevného stavu
Historie NMR
• 1945 - první detekce NMR signálu v kondenzované fázi (Bloch, Purcell)
• 1949 - 1950 - objev chemického posunu a spin-spinové interakce
• 1952 - Felix Bloch a Edward M. Purcell - Nobelova cena za fyziku
• 1953 - nukleární Overhauserův jev
• 1957 - Fourierova transformace (FT) - vztah mezi frekvenční (NMR spektrum) a časovou závislostí (FID)
• 1970-1975-13C NMR je běžná metoda
• 1971 - koncept 2D NMR (J. Jeener)
• 1974-vývoj a realizace 2D NMR experimentů (R. Ernst)
• 1991 - Richard Ernst - Nobelova cena za rozvoj NMR spektroskopie
• 2002 - Kurt Wuthrich - Nobelova cena za rozvoj 3D NMR u biomakromolekul
• 2003 - Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield - Nobelova cena za MRI
Proč studovat NMR Spektroskop
Významná metoda strukturní chemie a biologie
• Chemie přírodních látek
• Organická chemie - analytický nástroj pro organickou syntézu
• Supramolekulární chemie - studium nekovalentních interakcí
• Anorganická chemie - komplexy, Materiálová chemie - CNT
• Biochemie, molekulární biologie - NK, proteiny, komplexy
Studie dynamických procesů
• Reakční kinetika
• Studium chemických výměn (nebo strukturních)
Konformační studie
• Proteiny, nukleové kyseliny, polysacharidy, komplexy
Návrh nových typů léčiv
• Vztah struktura-aktivita (SAR)
Úvodní poznámky
• Absorpční (emisní) spektroskopie, podobně jako IČ nebo UV, detekce absorbce radiofrekvenčního záření jádry atomů v molekulách
• Aktivní jsou pouze jádra se spinovým kvantovým číslem (I) * 0
• Sudé hmotové číslo + sudé atomové číslo
- 1 = 0 (12C, 160)
• Sudé hmotové číslo + liché atomové číslo
- I = celočíselný (14N, 2H)
•   Liché hmotové číslo
- I = polovinový OH, 13C, 15N, 31P)
• Spinové stavy jsou kvantovány - změně stavu odpovídá absorpce (emise) RF zareni
m = l5 (1-1), (I-2),
m je magnetické kvantové číslo
• Pro 1H, 13C, 15N, 19F, 31P platí
I = V2 m = 1/2, -1/2
Jaderný spin
• spinový moment hybnosti jádra I... superpozice spinu nukleonů v atomovém jádře daného izotopu
0 12C (98.9%) 160(99.9%)
^ ^(99.98%)    13C(1.1%)     15N(0.37%)     31P(100%) 19F(100%)
1 2H (0.02%) 14N(99.63%)
• magnetický moment [i
ii = Yl ixz=ylz
y ... magnetogyrická konstanta charakteristická pro dané jádro
Izolovaný jaderný spin v magnetickém poli
energie spinového dipólového momentu \xz v magnetickém poli:
E = -nzB0
•   ztráta degenerace spinových stavů ms
Boltzmannova statistická distribuce pro jádro s=l/2:
iy +1/2/ iy -1/2 c
s=l/2
B
0
m =+1/2 a
precesní pohyb spinu kolem vektoru B0 s Larmorovou frekvencí w    m =-1/2
co = -yB0
Makroskopická magnetizace Mz
spinové dipólové momenty se ve vnějším magnetickém poli zorientují podél vektoru magnetické  indukce, výsledný vektor  magnetizace  představuje superpozici
populací obou stavů ms
Makroskopická magnetizace
Na   1 000 000
Radiofrekvenční pulz
Působením magnetického pole rf pulzu, jehož vektor Bx rotuje s rezonanční frekvencí co v rovině xy, dojde k rotaci Mz v rovině kolmé vůči ose otáčení B1
t z
Transverzální rovina xy:
detekován signál oscilujícího pole jaderných spinu
Pulzní NMR techniky
Excitace - ozařováním spinu rf pulzem dojde k přechodu z rovnovážné stavu ve směru osy z do roviny detekce (xy)
Vývoj - jednotlivé excitované systémy dle vektorového modelu vykonávají rotační pohyb v xy o charakteristických frekvencích v důsledku interakce s lokálním magnetickým polem
Detekce signálu - vznikající oscilující pole excitovaných spinu je snímáno cívkou v podobě časové závislosti indukovaného proudového signálu (FID)
Akvizice - uložení FIDu do paměti, relaxační prodleva před zahájením dalšího skenu.
Furierova transformace - převedení akumulovaných FIDu do závislosti intezity signálů na frekvenci - NMR spektra.
N
QJ ^
o ><ľ
> .E
>M -03
> O
> o
Ol
o ro
X
ai
CĽ
> o
>
CL
to OJ
čľ
>
> o
-o c
4-i OJ
QJ
>
-03 > O
M -03
M
O
Průběh signálu v přijímací cívce
i /N z
_ Free Induction Decay
e e
Průběh signálu v přijímací
XXX
Průběh signálu v přijímací cívce
Rádiofrekvenční pulzy
Šířka excitačního profilu je nepřímo úměrná délce trvání pulzu.
Střed excitačního profilu spektra odpovídá nastavení vysílače Q0 spektrometru.
o
i— Q.
C
>(_>
o X O)
trs E
-O) u
TVRDÝ (pravoúhlý) neselektivní pulz
0   t= 10 us
FT
i
MĚKKÝ (pravoúhlý) selektivní pulz
0
t = 200 us
FT
lllllllllllllillll -._________Ir.ifii,„
. J. J.l J- -r -f
200 |iset
Sklápěcí úhel a pro signál v rezonanci
Chemický posun v rotující soustavě
Bol
X
u)s = u)0
N—x
* z
B
o
u)s*uj0
i	
	
	< T
	
	
FTNMR
Fourierova transformace FT představuje lineární proces, umožňující analyzovat spektrální složení časově závislého FIDu (Fourierův obraz s) na základě komplexního integrálu:
+00
Pro případ signálu složeného pouze ze dvou různých oscilací dostáváme pro reálnou část součet dvou absorpčních křivek s maximy odpovídajícími frekvencím Q1 a fí2 o velikostech úměrných váhovému zastoupení s/0) a pološířkám signálu závislým na relaxačním čase 72(i):
+00
f
ReS(£2) = Re J
2 + s2e
0. T>2)
V
'(1)
'(2)
+ 5n
J
(íi-^)2r2(1) +1    (íi-íi2)2r2(2) +1
S(T2=1/70;f=200Hz)+S(T2=1/20r1000Hz)
0      60     10o     160    200    250    300    360    400    460 500
f(Hz)
Jaderné stínění
vnější pole generuje indukované lokální magnetické pole elektronové hustoty B,oc (izotropní aproximace):
Bioc- oBo
Hamiltonián stínění:
Hcs = -y o B0/z Precesní frekvence ovlivněná stíněním jádra
co = -y(l+ o)B
B0*
B
loc
0
Chemický posun:
ô = co - co
ref
Definice relativní škály chemického posunu:
ô = (co - coref)/ coref .106ppm
Chemický posun vs. stínící konstanta
Zavedení referenční hodnoty stínící konstanty oref standartu v referenčním vnějším poli B0 ref splňující tutéž rezonanční podmínku:
(l-a)B0 = (l-aref)B0ref
° ~ °ref Ä (B0 " B0 ref )/B0 ref = (W " Wref)/ Wref
Chemický posun jako rozdíl stínících konstant:   8 = o - aref
Definice relativní škály chemického posunu:    6 = (oj - u)ref)/ ojref.106 ppm
Definice škály chemického posunu
100,001 MHz    O    100,0005 MHz
60 = 2,35 7   u)ref = 100 MHZ
T—I—I-1-1-1-—I—I—I—I-1-1-1-1—I—j—i—i—i—i—i—i—i-i-i-j-1—I—I—I—I—I—I—I—I—j-i—i——
300 200 100 0
3 kHz   M   1,5 kHz
60 = 7,05 7   u)rpf = 300 MHZ
ref
1—1—1—1—1—1—r~|—1—1—1—1—1—1—1—1—1—j—i—i—i—i—i—i—i—i—i—j—1—1—1—1—1—1—1—1—1—j—i—i—i~
300 200 100 0
ca [MHz]
300,003 MHz
300,0015 MHz
60 = 7,05 7   u)ref = 300 MHZ
co - u)ref [MHz]
10 ppm
5 ppm
.......I.........j.........j.........j—1 1 1 .......1.........1.........1.........1—1 1 1
300 200 100 0 15
ca [MHz]
5 = (oj-ojref)/ojref.106 [ppm]
HO-CH2-CH3
ID 1H NMR spektrum
J
T—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—T—
Nárůst chemického posunu Nárůst stínění »
O
12
Vyšší co
O
K
R' H
O ^™
X .H R N I
H
H
R1
H
R H
H H
R2 XR" R Cl
-H
H3C
10
8 6 ppm
Nárůst chemického posunu
2
Nižší (D
Nárůst stínění
CH3 CH3
0
• Závislost intenzity signálu na jeho rezonanční frekvenci, resp. chemickém posunu.
• Pološířka signálu - relaxace, chemická výměna
• Kvantifikace signálů - integrace
1H NMR chemické posuny
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L
O Amma+ipc d r-fu      Ethers Sulfide s       3at. altáne s
r_Lj_h , aľqmaucs   , ^-^"2     RQ-CH, RS-CH, R-H
i-11-1    i-1
Alcohols
RCH=CHRi-i  HO-CH'-"    '-1 RC=CH
PhO-CH"-1 Ar-CH"-■-' R2C=CR-CH
F-CH   f Cl-CH, I-CH|
0
Bi-CHi-1 ■-iR-t-CH
Este^s
RCÓrCH 1-'      i-iNC-CH
0;N-CH i-1 i-1R2H-CH
RCOaH Amide PCGNH R.OH
PhOH ■- —1 R2NH
~~I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
12.0       11.0      10.0     9.0       8.0      7.C       6.0       5.0       4.0       3.0       2.0       1.0       0.] ppm(5)
13C NMR chemické posuny
Adeh^des, RCH-O _, ,   C-F    , ,   C^l   ,        ,-CA
K?K- RHC=CHRi-1 , C-M°2 ,        ,     Ľ-Ľr-,
ti -h_.-hTT C-H Saturated AUtames p-j--—'-iij i-1 i-1
Anmatics C-NR3
i-1 i---1
Heteioaromatics_|     ^      C-OH_M_-SR
Caib^lic Acids .R"CQ2H. ■ RC=N ■      ,    C^R_,       , C^ľ ,
Esters 1-1 Su]fo:ddes,Sdfones 1-^hi  l' - :-'-1
R-CONR2                                    r=rT? í? Amides 1-n 1 1     1-1 C-C-R
-1-1-1-1-1-
2m 15íi inn 50 0.0 pPm(s)
1H PENICILINE G
10  9 N
ri867
u o
°H -19 18
O
^OH
DMSO
U
—I—I—I-1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I-1—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I-1—I—I—I—I-1—I—I—I—I-1—I—I—I—I-1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I—]—I—I—
9.0    8.5    8.0    7.5    7.0    6.5    6.0    5.5    5.0    4.5    4.0    3.5    3.0    2.5    2.0    1.5 ppm
j \
oo
o)
o CO o
in
r-o o
c\i
I \
o o o
o) co
o
c\i
m o
có"
oj
LfJ O
co