C8951 NMR spektroskopie pevného stavu - základní principy a aplikace v chemii.

Přírodovědecká fakulta
podzim 2011
Rozsah
1/0/0. 1 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
Ing. Jiří Brus, Dr. (přednášející)
prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.
Národní centrum pro výzkum biomolekul – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
základy fyziky, chemie a NMR spektroskopie v roztoku
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Dvanáct lekcí přibližuje posluchačům nejenom základní principy NMR spektroskopie pevného stavu, ale především současné trendy, které umožňují detailní posouzení struktury a dynamiky látek v tuhém stavu. Nedávný technický a metodický rozvoj vedl k navržení řady nových experimentálních postupů, které vedou k odstranění anizotropie jaderných interakcí a podstatnému zvýšení rozlišení NMR spekter. Tato spektra jsou pak mnohdy svou kvalitou srovnatelná s NMR spektry roztoků a kapalin. Základním principům těchto technik jsou věnovány úvodní přednášky. Největší prostor je však věnován více-dimenzionálním korelačním a separačním technikám, které nevyžadují izotopické obohacení studovaného materiálu, a které v některých případech umožňují přesný popis molekulární struktury, konformace a pohyblivosti jednotlivých strukturních jednotek. Stranou však nezůstávají ani experimentální techniky umožňující popis globální struktury izotopicky obohacených polypeptidů a proteinů. Závěrečné přednášky jsou pak věnovány problematice studia kvadrupolárních jader se spinem větším něž a technickým (experimentálním) podmínkám, jejichž splnění je nezbytně nutné pro kvalitní provedení NMR experimentu v tuhé fázi.
Osnova
  • 1. Úvod do NMR pevné fáze: Základní přehled jaderných (anizotropních) interakcí s magnetickým polem a jejich důsledek na vzhled (rozšíření) NMR spekter. Základní principy rušení anizotropních jaderných interakcí (rotace vzorku pod magickým úhlem MAS, dipolární dekapling). Rozdíly a podobnosti NMR spekter roztoků a tuhých látek (homogenní a nehomogenní rozšíření signálů prvek neuspořádání). Rotace vzorku tření povrchu kyvety se vzduchem vzrůst teploty. 2. Detailní rozbor anizotropie jaderných interakcí techniky rušení jaderných interakcí: Detailní popis jaderných interakcí: anizotropie chemického posunu (CSA), dipol-dipolové interakce (přímé přes prostor), kvadrupolární interakce. Rozbor technik rušení jaderných interakcí: rotace vzorku pod magickým úhlem (MAS), heteronukleární dipolární decoupling (cw, TPPM, XiX), homonukleární dipolární decoupling (WHH-4, BR-24, FSLG, PMLG), dvojitá rotace (DOR, DAS). 3. Techniky přenosu polarizace: Heteronukleární (1H-13C, 1H-X) přenos polarizace; zvýšení citlivosti měření pomocí cross-polarizace (CP) dynamika přenosu polarizace; Hartmann-Hahnova podmínka vliv frekvence MAS na citlivost a nastavení parametrů měření. Problematika CP jader se spinem větším než . Homonukleární přenos polarizace spinová difuze 1H-1H (vhodná sonda k posouzení velikosti částic v heterogenních systémech). 4. Techniky editace jedno-dimenzionálních spekter: Možnosti potlačení rotačních signálů (TOSS, SELTICS); potlačení signálů uhlíků s přímo-vázanými protony v důsledku rychlé ztráty 13C koherence (NQS); editační techniky založené na vlivu různé velikosti 1H-13C heteronukleárních dipolárních interakcí ve skupinách C, CH, CH2, a CH3 při cross-polarizaci (CPPI); vliv pohyblivosti funkčních skupin a segmentů; editační techniky založené na velikosti a vývoji nepřímé J spin-spinové interakce (SoS-APT); různé možnosti manipulace se spinovým systémem (vývoj jedno-kvantové a více-kvantové koherence). Aplikace na jednoduchých i komplikovaných spinových systémech (např. Gly, Ala, simvastatin). 5. Separace širokých čar struktura vs. segmentální dynamika: Jednoduchá separace 1H-1H dipolárních interakcí podle 13C chemického posunu kvalitativní posouzení segmentální dynamiky; zavedení periody pro spinovou difuzi (stanovení velikosti částic v heterogenních systémech); určování pozice molekul vody. Separace heteronukleárních 1H-13C dipolárních interakcí podle 13C chemického posunu kvantitativní posouzení segmentální dynamiky amplituda reorientace funkční skupiny. Aplikace na polymerních směsích (polyethylenoxid-polykarbonát), sítích (polyimid-polydimethylsiloxan), polypeptidech, nanokompozitech a anorganických materiálech. 6. Heteronukleární 1H-X korelační experimenty: Přímé korelace přes prostor využití dipol-dipolových interakcí; jedno-vazebné korelace; identifikace vzdálených spinových párů; možnost měření meziatomových vzdáleností (3D HETCOR); porovnání selektivity a citlivosti s korelačními experimenty využívající nepřímé spin-spinové interakce (1H-13C HMQS-J-MAS). Možnosti inverzní detekce a gradientového výběru koherencí. Aplikace na středně velkých spinových systémech simvastatin. 7. Homonukleární 1H-1H korelační experimenty: Proč je tak komplikované provést experiment COSY v pevné fázi, když v roztoku je tím nejsnadnějším a nejzákladnějším korelačním experimentem? Problém relativně malého spektrálního rozlišení. Spinová difuze během směšovací periody místo vývoje J interakčních konstant posouzení homogenity či mísitelnosti směsí. Určení velikosti částic, ale i meziatomových 1H-1H vzdáleností. Zvýšení spektrálního rozlišení v 3D experimentu 1H-1H-13C. Aplikace na polymerních komplexech a polymerních směsích, středně velkých spinových systémech (simvastatin) a malých organických molekulách. 8. Dvou-kvantové 1H-1H korelační techniky - vodíkové vazby a pi-pi interakce Ultra-rychlé rotace vzorku pod magickým úhlem podstatné zvýšení spektrálního rozlišení (vážným omezením je extrémní zvýšení teploty vzorku); princip excitace dvou-kvantové koherence a její následné konverze (back-to-back BABA sekvence). Měření meziatomových 1H-1H vzdáleností. 9. Zvýšení spektrálního rozlišení X-X a X-Y korelace: INADEQUATE v přirozeném izotopickém zastoupení; optimalizace heteronukleárního decouplingu transverse dephasing optimized INADEQUATE; DQF-COSY jednoduchá modifikace symetrické spektrum. Techniky vhodné pro případy úplného izotopického obohacení vzorku: především to je 13C-13C PDSD proton-driven spin diffusion, dále pak dvou-kvantové modifikace užívající C7 a PC7 sekvence. Základní koncept dvojitých cross-polarizací, potlačení zpětného přenosu polarizace do 1H spinového systému Lee-Goldburg decoupling. 10. Techniky sekvenčního přiřazení polypetidů a proteinů, určení struktury: Diskuse základních experimentálních postupů, jež vedou k sekvenčnímu přiřazení signálů a následnému měření meziatomových vzdáleností, případně i torzních úhlů v proteinech a peptidech. 2D a 3D techniky pro určení intra-reziduální spinové konektivity C-Calpha-Cbeta a N-Calpha-Cbeta a inter-reziduální konektivity Calpha-Cbeta a N-Calpha-Cbeta. Volba směšovací periody. Využití přístupů běžných v NMR roztoků (NOE). Příprava vzorku. 11. Kvadrupolární jádra: Kvadrupolární spektra rozšíření spekter druhého řádu; multi-kvantové dvou-dimenzionální techniky vedoucí k částečné separaci kvadrupolové interakce a zvýšení spektrálního rozlišení; použití z-filtru; měření plného echa a další modifikace (např. FAM); vliv frekvence MAS; vliv intenzity magnetického pole a vliv intenzity excitačních polí na kvalitu výsledných 2D spekter. Korelační experimenty zahrnující kvadrupolová jádra (1H-27Al, 29Si-27Al). 12. Technické aspekty úspěšného provedení NMR experimentu v pevné fázi: Konstrukce sondy - teplotní rozsahy a kalibrace teplot; dvou-rezonanční sondy optimalizace (wobb); tří-rezonanční sondy vyměnitelný insert; ladění magického úhlu; optimalizace homogenity B0 pole - shimming; výkony excitačních a dekaplovacích polí minimální opakovací prodlevy; lineární zesilovače; základní specifikace prodlevy, pulsy, fáze; typy rotorů omezení a výhody.
Literatura
  • Melinda J. Duer, Solid-state NMR Spectroscopy: Principles and Applications. Blackwell Science, Oxford, 2002, ISBN 0-632-05351-8.
Výukové metody
Přednášky
Metody hodnocení
zkouška ústní
Informace učitele
Výuka probíhá blokově.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
Poznámka k periodicitě výuky: od 2006/2007.
Výuka probíhá blokově.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2000, podzim 2010 - akreditace, podzim 2005, podzim 2006, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011 - akreditace, podzim 2012, podzim 2015, podzim 2017, podzim 2021, podzim 2023.