1 Strukturní chemie I C9550 Nukleární magnetická rezonance Radek MAREK 2010 2 2D NMR spektroskopie 2D NMR spektroskopie 3 2D NMR - MOTIVACE 2D NMR spektroskopie 4 Obecné schéma 2D NMR experimentu Přípravná perioda Vývojová perioda Perioda přenosu informace Detekce t1 t2 Relaxační perioda d0 1H-1H NOESY 1H 1H 1H 13C 1H-1H COSY 1H-13C HSQC NOE tmix vývoj 1H dle CS a J-interakce vývoj 13C dle CS a J-interakce vývoj 1H dle CS a J-interakce 2D NMR spektroskopie 5 2. frekvenční dimenze Přípravná perioda Vývojová perioda inkrementovaná Perioda přenosu informace Detekce t1 t2 Relaxační perioda d1 t01 + Δt t2 x NS t01 +2Δt t2 x NS t01 +nΔt t2 x NS t01 t2 x NS t1 t2 [ppm] [ppm] Inkrementace nepřímé časové domény t1 má za následek amplitudovou popř. fázovou modulaci FIDu detekovaného během t2 Fourierovou transformací v obou dimenzích obdržíme 2D NMR spektrum, jehož projekce odpovídají standardním 1D ΩA ΩA 2D NMR spektroskopie 6 2D 1H-1H NMR spektrum [ppm] [ppm] Vodíkový atom bez spin-spinové interakce se v 2D NMR spektru projeví přítomností diagonálního signálu – vývoj v obou časových dimenzích je modulován pouze vlastní rezonanční frekvencí – viz HA. Vzájemná korelace mezi interagujícími neekvivalentními jádry 1H (spin-spinová interakce) se navíc projeví přítomností mimodiagonálních signálů (krospíků) – signál jednoho protonu je v nepřímé dimenzi modulován rezonanční frekvencí druhého a naopak – viz HB-HC. Ω1 Ω2 HA HA HB HBHC HC 2D NMR spektroskopie 7 2D 1H-1H NMR spektrum COSY • Komunikace mezi jádry (vznik mimodiagonálního signálu) je zprostředkována nepřímou jadernou spin-spinovou interakcí (J-interakce). • Během t1 periody se protonové spiny vyvíjejí pod vlivem CS a J-couplingu, poté dojde aplikací RF pulzu (π/2) k přenosu polarizace – změna intenzity signálu jádra I je závislá na ωS a JIS a naopak. Takto modulovaná magnetizace je detekována během akvizice v přímé časové doméně (t2). Correlation SpectroscopY 1H t1 t2 π/2 π/2 2D NMR spektroskopie 8 2D 1H-1H NMR spektrum COSY Correlation SpectroscopY N N + CH3 8 9 10 11 12 8 9 12 10 11 2D NMR spektroskopie 9 2D 1H-1H NMR spektrum NOESY • Detekujeme prostorově blízká jádra 1H na základě NOE. • Během t1 periody se protonové spiny vyvíjejí pod vlivem CS popř. J-couplingu, poté je takto označená magnetizace vrácena do longitudinálního (podélného) směru, v němž se během směšovacího času tmix vyvíjí vlivem DD relaxace. Tímto efektem ovlivněná magnetizace je detekována během akvizice v přímé časové doméně. • Z objemu krospíků v NOESY spektru lze semikvantitativně určit meziatomové vzdálenosti, během delších směšovacích časů nutných pro detekci interakce mezi vzdálenými jadry působí rušivě efekt spinové difuze. Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY 1H tmixt1 t2 π/2 π/2 π/2 2D NMR spektroskopie 10 2D 1H-1H NMR spektrum NOESY Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY 1H tmixt1 t2 π/2 π/2 π/2 N N + CH3 8 9 10 11 12 8 9 12 10 11 2D NMR spektroskopie 11 2D 1H-13C NMR spektrum V heteronukleárních korelačních spektrech detekujeme krospíky odpovídající J-interagujícím párům 1H-13C. Pulzní sekvence jsou optimalizovány prodlevami ve spinovém echu podle velikosti interakční konstanty na jednovazebné popř. vícevazebné korelace. Např. sekundární uhlíky lze v 1J optimalizovaném spektru odlišit díky dvěma krospíkům – viz C1. H1H2H3 C2 [ppm]1H C3 [ppm]13C C1 H1´ 2D NMR spektroskopie 12 2D 1H-13C NMR spektrum 1H-13C HSQC 1H 13C t1 t2 π/2 π/2 π/2 π/2π/2 π ππ π π ∆ ∆ ∆ ∆ ∆∆ ∆=1/4J Heteronuclear Single Quantum Coherence • Detekujeme korelace mezi přímo vázanými páry 1H-13C . • Během přípravného INEPT bloku dojde k vývoji antifázové magnetizace a přenosu na 13C spiny. • V rámci t1 periody se vyvíjí magnetizace vlivem CS 13C a takto označená se přenese reverzním INEPTem zpět do 1H spinového systému, kde se detekuje. • Relativní zvýšení citlivosti vzhledem k experimentu přímo excitujícím i detekujícím 13C činí 32x. T TBMA N S NS2 2/3 detexc 2/3 0 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ∝ γγ ×4 ×2/3 4 2D NMR spektroskopie 13 2D 1H-13C NMR spektrum 1H-13C HSQC Heteronuclear Single Quantum Coherence 2D NMR spektroskopie 14 Shrnutí T TBMA N S NS2 2/3 detexc 2/3 0 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ∝ γγ