NMR spektroszkópia (vegyész mesterkurzus: VEMKSI 4312S) Folyadékfázisú NMR spektroszkópia: polarizáció-átvitel skalárisan csatolt magok között Szalontai Gábor november. (4. rész, 29 ábra)

Cél = feltáplálás = mágnesezettség- átvitel = polarizáció-átvitel Érzékenységnövelés ( 13 C, 29 Si, … 103 Rh, stb. magok mérése) Segítség a hozzárendelésben: a C, CH, CH 2 és CH 3 csoportok azonosítása (spektrumszerkesztés)

Mágnesezettség (polarizáció) átvitel: eredendő jelerősség ( 1 H vs. 13 C magpár)  négyszer annyi proton mag van az alsó szinten mint 13 C !  a proton négyszer olyan erős dipól mint a 13 C !  a protonok négyszer olyan gyorsan precesszálnak mint a 13 C -k! tehát 4*4*4 = 64 =  3 -szor erősebb lesz a protonok által keltett feszültség jel! Ráadásul: mivel a 13 C természetes előfordulás csak 1,1 %. 

Polarizáció-átvitel Figyelem! Miután az összes J-csatoláson alapuló polarizáció-átviteli kísérlet csak a szintek betöltöttségét tudja felcserélni, az elérhető növekedés legfeljebb egy  H /  C (X) -nyi!

Besugárzott mag : 1 H Mért mag (X) Giromágneses állandó,   rad    s    Max. NOE hatás I=I o (1+  H /2  X ) Max. polarizáció átvitel I=I o |  H /  X | 13 C 6, Rh ,89 31,78 15 N -2,711 -3,94 9,87

Szelektív átvitel ( 1 H=A, 13 C=X, JAX > 0 Hz) +  H +  C -  H -  C -  H +  C +  H -  C +  H +  C -  H -  C -  H +  C +  H -  C -  H –  C = -4  C –  C = -5  C +  H -  C = + 4  C –  C = +3  C +1 : : + 5  H = 4  C 1H1H 1H1H 13 C 1H1H

Szelektív átvitel ( 1 H=A, 13 C=X, JAX > 0 Hz) A nettó átvitel nulla ( = 2 = 1+1 ) ! Ezért differenciális átvitelnek nevezzük! Két probléma van ezzel a megoldással: - szelektivitás (ez a gyakorlatban használhatatlanná teszi), - antifázisú jelek (pl. proton lecsatolás alkalmazása esetén ezek törlik egymást).

Részleges megoldás: INEPT (antifázisú végeredménnyel) 13 C 90 o impulzus 90 o 1 H impulzus 1 H lecsatolás Kifejlődés 1.  = 1/4J ideig Kifejlődés 2.  = 1/4J 13 C 180 o impulzus 180 o 1 H impulzus Akvizició +/- x 90 o 1 H impulzus

INEPT (I nsensitive N ucleus E nhancement by P olarisation T ransfer ) (vektor modell)

A végleges megoldás: INEPT (refókuszált végeredmény) 13 C 90 o impulzus 90 o 1 H impulzus 1 H lecsatolás Kifejlődés  = 1/4J ideig  = 1/4J 13 C 180 o impulzus  /2 =  = 0.375/J 180 o 1 H impulzus Akvizició +/- x  =(1/  J)*sin -1 (1/n 0,5 ) (optimális érzékenység)  = 0.375/J 13 C 180 o impulzus 180 o 1 H impulzus

INEPT (I nsensitive N ucleus E nhancement by P olarisation T ransfer )  =(1/  J)*sin -1 (1/n 0,5 ) n= az azonos protonok száma CH, CH 2 és CH 3 csoportok INEPT spektrumai

INEPT: példa spektrumszerkesztésre C-13 NMR (proton lecsatolt) spektrum INEPT (refókuszált de proton-csatolt) spektrum INEPT ( izo -kodein proton-lecsatolt) spektrum -CH 2 - k lefelé, -CH-k és CH 3 -ak felfelé

Szelektív INEPT: polarizáció- átvitel két-, háromkötéses csatolások felhaszná- lásával

Példa igen gyengén mérhető magra: 15 N természetes előfordulás = 0,364 % |   H /   N | = 9,87 !!!

15 N NMR direkt mérés (CH 3 NO 2, másodlagos referencia vegyület) ~ tisztán ~ 0,4 ml 122 gerjesztés referencia: NH 3

15 N NMR mágnesezettség (polarizáció)-átvitellel (formamid- 15 N : proton-csatolt INEPT) 1 J( 15 N- 1 H) ( szin )= 90,3 Hz (aktív) 1 J( 15 N- 1 H) ( anti )= 87,9 Hz (aktív) 2 J( 15 N- 1 H) = 15 Hz passzív csatolás

2 J( 15 N- 1 H) = 15 Hz aktív csatolás 1 J( 15 N- 1 H) = 90,7 Hz passzív csatolás

15 N NMR mágnesezettség (polarizáció)-átvitellel (trietanolamin, természetes bőség : INEPT proton- lecsatolt) ~ 150 mg/ 0,4 ml 2-3 J( 15 N- 1 H) = 5-7 Hz ( értékét jól meg kell becsülni, esetleg analógiák alapján !)

DEPT 13 C 90 o impulzus több-kvantumos heteronukleáris koherenciákat ( hmqc ) hoz létre! 90 o 1 H impulzus 1 H lecsatolás Kifejlődés  = 1/2J ideig  = 1/2J Változó Θ +/- y ismét egy- kvantumos koherenciákat hoz létre! 13 C 180 o impulzus  = 1/2J 180 o 1 H impulzus Akvizició +/- x INEPT DEPT  J  = Θ  =(1/  J)*sin -1 (1/n 0,5 ) Törli a természetes C-13 polarizációt!

Emlékeztető: a több-kvantum koherenciák tulajdonságai A rendűséggel ( p ) arányosan változnak az átmenetek frekvenciái ( p *f 1 ). Ahol f 1 = a gerjesztő rf tér frekvenciája. Ennek megfelelően változnak a fáziscsúszások is a gerjesztő impulzus szögéhez képest ( p *  1 )… A zéró-kvantumos átmenetek függetlenek ettől a hatástól. A csatolások nem befolyásolják !? Gerjesztési eljárás: 90 o -t-180 o -t-90 o ( p =2, 4, 6,...stb)

A DEPT mint több-kvantumszűrő : (kvantummechanikai modell) 13 C 90 o impulzus 90 o 1 H impulzus 1 H lecsatolás Kifejlődés  = 1/2J ideig  = 1/2J  /2   /2 -x impulzusok 13 C 180 o impulzus  = 1/2J 180 o 1 H impulzus Akvizició +/- x Két-kvantum (CH), három-kvantum (CH 2 ) és négy- kvantum (CH 3 ) koherenciákat hoz létre! A Θ szög változtatásával ezek kiválaszthatóak (spektrumszerkesztési lehetőség! Egy-kvantum koherenciákat létrehozó „beolvasó” impulzus!)

Spektrumszerkesztés : a jelintezitások és fázisok függése a Θ szögtől CH 3 CH 2 CH 90 o 135 o 180 o

DEPT, APT : alkalmazási példák C-13{H1} spektrum: minden szénatom látszik! APT spektrum: minden szénatom látszik, a CH-k és CH 3 –ak lefelé, a kvaternerek és a CH 2 -ők felfelé mutatnak! DEPT spektrum: nem minden szénatom látszik, a CH-k és CH 3 –ak felfelé, és a CH 2 -ők lefelé mutatnak, a kvaternerek nem jelennek meg! Az oldószer jelei sem látszanak !!!

Példa igen lassan relaxáló magra: 29 Si T etra- M etil- S zilán (H-1  Si-29, n= 9) DEPT- 135 ns=1 2 J( 29 Si- 1 H) = 7 Hz direkt mérés ns= 1

29 Si : direkt vs.DEPT : TK TMSS DEPT- 135 ns = 1 2 J( 29 Si- 1 H) = 7 Hz direkt mérés, n= 9 ns=4  = arcsin(n) 1/2 radián (független J-től! n = 9 = a csatoló protonok száma

Polarizáció-átvitel egyéb, bármilyen magpár között is lehetséges! 31 P (  =17.235) vs. 107 Ag (  1.98 rads -1 T -1 ) Kvadrupól magok : csak a gyors relaxáció lehet probléma, minnél nagyobb a kérdéses csatolás annál jobbak az esélyek! Figyelem: lehet a kisebbről a nagyobbra is! 13 C  1 H 13 P  107 Ag

Attached Proton Test : alapelv 13 C 180 o impulzus H-1 lecsatolás Relaxációs szünet  = 1/J H-1 lecsatolás  = 1/J 13 C 90 o impulzus J = 13 C- 1 H skaláris csatolási állandó ~ 125 – 230 Hz

Spektrumszerkesztés APT-vel -Nincs polarizáció-átvitel. -Emiatt rossz az érzékenység. - Ha elegendő anyagunk van, ez a legcélszerűbb választás, hiszen az információ tartalma azonos egy normál + egy DEPT spektruméval! - Figyelem: túl rövid relaxációs szünet a kvaterner jelek eltűnéséhez vezethet!!

Javasolt irodalmak Szalontai Gábor: Egy- és kétdimenziós NMR módszerek, jegyzet (pdf) A.Derome: NMR techniques for chemists, Pergamon, Oxford, 1987 T.D.W.Claridge: High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, Pergamon, Oxford, 1999 M.H.Levitt: Spin dynamics, Wiley, Chichester 2002 Braun-Kalinowski-Berger: 200 and More Basic NMR experiments VCH, Weinheim 2004