Nukleární magnetická rezonance
Lekce 1- Úvod do NMR
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)
MRI
MRI - fMRI
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 zážení jádry atomů v molekulách
Aktivní jsou pouze jádra se spinovým kvantovým číslem (I) #0
Sudé hmotové číslo + sudé atomové číslo
- I = 0(12C, 160)
Sudé hmotové číslo + liché atomové číslo
- I = celočíselný (14N, 2H)
Liché hmotové číslo - I = polovinový ^H, 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 = Vz m = 1/2, -1/2
Jaderný spin
* spinový moment hybnosti jádra I..
atomovém jádře daného izotopu
0 12C (98.9%) 160(99.9%) y2           XH (99.98%)    13C (1.1%)
1 2H (0.02%) 14N(99.63%)
• magnetický moment [i
jLÍ = |//
y ... magnetogyrická konstanta ď
. superpozice spinu nukleonů v
15N(0.37%)     31P(100%) 19F(100%)
arakteristická pro dané jádro
Izolovaný jaderný spin v magnetickém poli
energie spinového dipólového momentu \x v magnetickém poli:
s=l/2
E= -fizB0
ztráta degenerace spinových stavů ms Boltzmannova statistická distribuce pro jádro s=l/2:
N    /N     = e"2//zB°/kT
1Vl/2/ iN-l/2 C
m =+1/2
precesní pohyb spinu kolem vektoru B0 s Larmorovou frekvencí oj    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
- MzocNa- Np
xt 2//zBQ hyB0 tico
a — q   kT    _ ^ kT   — e kT
N.
Pro SD=7,05 T:
V( 1H)= 267,5 .10 6rad.s M1 v^H^oo/ 2n=300 MHz :
Ng _ 1 000 048 ~ 1 000 000
V( 13C)= 67,3 .10 6rad.s M1 v(13C)=75 MHz :
Ng _ 1 000 012 N„ ~ 1 000 000
Radiofrekvenční pul
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
4 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 *rt3
> O
> o
Ol
o ro
x
ai
CĽ
> o
>
CL
to OJ
čľ
>
> o
4-i OJ
QJ
03
>
c
-03
> o
M -03 M—
M
o
Průběh signálu v přijímací cívce
I = C COS(á)0£)
X
relaxace
I
Free Induction Decay
Průběh signálu v přijímací cívce
Průběh signálu v přijímací cívce
Radiofrekvenční 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) -C
u
TVRDÝ (pravoúhlý) neselektivní pulz
0   T= 10 US
i-
MĚKKÝ (pravoúhlý) selektivní pulz
0
.lllIUlL
t = 200 us
_Qo_
10kHz
Tiy'T
Sklápěcí úhel a pro signál v rezonanci Q0:
Chemický posun v rotující soustavě
B
o
x
U)S = U)0
x
B
o
i	
	
	< r
	
0 = Os - ú)q) ■ t	
FT NMR
Fourierova transformace FT představuje lineární proces, umožňující analyzovat spektrální složení časově závislého FIDu (Fourierův obraz s) na základě komplexního integrálu:
+GO
S(Q)= Js(t)e-iQtdt
Pro případ signálu složeného pouze ze dvou různých oscilací dostáváme pro reálnou část součet dvou absorpčních křivek s maximy odpovídajícími frekvencím Q1 a Q2 o velikostech úměrných váhovému zastoupení s/0) a pološířkám signálu závislým na relaxačním čase r,(i):
ipeni SjluJ a p<
lyr
2
í
ReS(Q) = Re j*
Sl°e
iQjt-
t
+ s2°e
iQ2t-
T(2)
V
e"lQtdt = s
X
(D
+ s
T
(2)
J
1 (Q-QJt^+I    2 (Q-Q2)2T2(2)2+1
liilklÉňíllÉllIlítoMl
0      50     100     150    200     250    300    350    400    4-50 500
		S(T2=1 /70;ŕ200Hz) + S(T2=1 /2O;MO00Hz)		
0 . 4! O.ť		n,		
0 . 3! o.: W 0.2!			\ '■	
o.; 0 . 1! o.: 0 . 0!	1 J \	^1(1/2) —.— i -.—	w2(1/2) -■—-■-	
0		500                                         1000 1500 _W_		
Jaderné stínění
vnější pole generuje indukované lokální magnetické pole elektronové hustoty B,oc (izotropní aproximace):
Bloc= oBo
Hamiltonián stínění:
Hcs = -y o Bo/z Precesní frekvence ovlivněná stíněním jádra
co = -y(l+ o)B0
Chemický posun: ô =
Definice relativní škály chemického posunu: ô =
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 o - crref * (B0 - B0 ref )/B0 ref = (oj - ojref)/ ojref
Chemický posun jako rozdíl stínících konstant:   ô = o - aref
Definice relativní škály chemického posunu:    6 = (co - u)ref)/u)ref .106 ppm
Definice škály chemického posunu
100,001 MHz    II    100,0005 MHz
60 = 2,35 7   U)ref = 100 MHZ
300 200 100
3 kHz   M   1,5 kHz
60 = 7,051   U)ref = 300 MHZ
J.
300 200 100
ca [MHz]
300,003 MHz
300,0015 MHz
60 = 7,05 7   u)ref = 300 MHZ
300 200 100
co - u)ref [MHz]
10 ppm
5 ppm
ca [MHz]
5 = (oj-ojref)/ojref.106 [ppm]
HO-CH,-CH:
J v.
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—
Nárůst chemického posunu Nárůst stínění ►
12
Vyšší co
ID 1H NMR spektrum
o ^™
X .H R N I
H
H
R1
H
R H
H H
R2 VR" R Cl
-H
H „C
CH3 CH3
10
8
ppm
Nárůst chemického posunu
2
Nižší (D
0
Nárůst stínění
• Závislost intenzity signálu na jeho rezonanční frekvenci, resp. chemickém posunu.
• Pološířka signálu - relaxace, chemická výměna
• Kvantifikace signálů - integrace
1H NMR chemické posuny
12.0       11.0      10.0      9Ľ       8.0      7.0       6.0       5.0       4.0       3.0       2.0       1.0       0.0 ppm(S)
13C NMR chemické posuny
_L
1
Aldehydes, RCH=Q
Ketones, R3C=0 i--—--1
R2C=CH2i-1 h
RHC=CHRi-1
R2C=CH3 i-1
Aromatics
C-F
C-Cl C-I , i-1        i-1
C-N02 C-Br i-1 i-1
C-H Saturated Alkanes i-1
C-NR2
Heteno anomatics
C-OH
h i_^R_,
R-C02H Catboxylic Acids i-1
R-C02R Esters i-1
R-CONR2 Amides i-1
, RC=N ,      | C-QR
C-Ar
h i-1
Siilfo:ádes,Sulftmes ? 5QnRi i  CM:;=C-1
CECR
i-1 h
O II
hC-C-R
T
200
150
100
50
0.0 ppm(&)
1H PENICILINE G
H
10   n N
H   H 3
S .CH. 17 '
°H i-19 18
o
J
1
DMSO
-1—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—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—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
} \
co
O)
o
CO
o
lO
ľ"* o o
/ \
o o o
o
CO
o
lO
o
00
CM LO
o
CO