Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N nuclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ?

Az előadások a következő témára: "Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N nuclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ?"— Előadás másolata:

1 Mit jelent az, hogy NMR spektroszkópia ? Mit jelent az, hogy NMR ? N nuclear M magnetic R resonance Mit jelent az, hogy spektroszkópia ? http://tonga.usp.edu/gmoyna Spektrum = színkép ? Az anyag (minta, vizsgált molekula) és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatását vizsgáljuk. Kölcsönhatás leggyakoribb formája : abszorpció Az elektromágneses sugárzás tipusai : 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 hullámhossz (  cm)  -sugár Röntgen UV VIS IR  -hullám radio

2 Az NMR spektroszkópia jelentősége Szerkezeti kémia Szerves kémia: Minőségi analízis. Új vegyületek szerkezetvizsgálata. Enantiomer tisztaság vizsgálata. Természetes vegyületek szerkezetvizsgálata.. Metabolitok vizsgálata Fizikai-kémiai vizsgálatok Gazda-vendég kölcsönhatások. Reakciókinetika Makromolekulák háromdimenziós szerkezete Peptidek, fehérjék, enzimek DNS/RNS, DNS/RNS komplexek Poliszaharidok Gyógyszerkutatás Receptor kötődési vizsgálatok Orvostudomány: diagnosztika Magnetic Resonance Imaging (MRI)

3 Felix Bloch Edward Purcell

4

5

6 Elméleti alapok Az atommagok egy makroszkópikusan nehezen értelmezhető sajátsággal, un. spinnel rendelkeznek Az NMR spektroszkópia számára csak azok az atommagok érdekesek, ahol a spinkvantumszám ( I )  0 Az atommagok csoportositása : Páros tömegszám és rendszám  I = 0 ( 12 C, 16 O) Páros tömegszám és páratlan rendszám  I = egész szám ( 14 N, 2 H, 10 B) Páratlan tömegszám  I = 1/2, 3/2, 5/2…stb ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P) Másik lehetséges csoportositás NMR szempontból: természetes előfordulás szerint Egy mag lehetséges spinállapotai ( m ) m neve: mágneses kvantumszám m = I, ( I - 1), ( I - 2), …, - I

7 A legfontosabb (és általunk tárgyalt ) magok ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P) esetén I = 1 / 2, tehát Ennek eredményeképpen csak két energiaszintet kell figyelembe vennünk Az atommagok további fontos paramétere az un. mágneses momentum (  ), amelyet kifejezhetünk: Ez egy vektormennyiség, amely megadja a mag által reprezentált „elemi mágnes” irányát és nagyságát, ahol h a Planck konstans  a giromágneses állandó, amely függ a mag anyagi minőségétől. Minden egyes mag mágneses momentuma (és természetesen giromágneses állandója) különböző. m = 1 / 2, - 1 / 2  =  I h / 2 

8 Egy spin energiája egy polarizáló külső mágneses térben ( B o, ) a tér nagyságától és a mágneses momentumtól (  függ. A külső B o tér bekapcsolásakor a spinek energiája felhasad. Két energiaszint lép fel, a külső térrel paralell és antiparallel állapot. Az energia a két vektor szorzataként írható le a követ- kezőképpen Az energiakülönbség a két nívó,  és , között Az energiakülönbség a polarizáló B o, tértől függ. A nivók. benépesítettsége  E függvénye, amit egy Boltzmann tipusú eloszlásból kiszámíthatunk  A  E 1 H esetén 400 MHz-en (B o = 9.4 T) 4 x 10 -5 Kcal / mol. BoBo  BoBo  E = -    B o E  = -  h B o / 4  E  =  h B o / 4   E =  h B o / 2  N  / N  = e  E / RT Az N  / N  arány csak 1.000064.

9 NMR mérés érzékenysége Az érzékenységet befolyásoló tényezők: - Giromágneses tényező  3.(   N  / N   a tekercs mágneses fluxusa) - Természetes előfordulás 13 C mérés 64-szer érzéketlenebb a giromágneses tényező értéke miatt Amennyiben a temészetes előfordulást 13 C (~1%) is számbavesszük, 6400 –szer kevésbé érzékeny A rezonancia-frekvencia az energiakülönbség értékéből számítható:   E = h o  E =  h B o / 2  Az 1 H magokra a jelenleg forgalmazott mágnesek (2.35 – 23.49 T) esetén a rezonanciafrekvencia 100 MHz és 1.00 GHz közötti érték.  13 C = 6,728 rad / G  1 H = 26,753 rad / G  o =  B o / 2 

10 Néhány fontos NMR- aktív mag NévSpinTermészetes el ő fordulás (%) Relatív érzékenység Larmor frekvencia 11.7 T térer ő esetén (MHz) 1H1H1/299.981500.13 13 C1/21.071.76*10 -4 125.75 2H2H10.0151.45*10 -6 76.77 31 P1/21006.6*10 -2 161.97 23 Na3/21009.25*10 -2 132.29 19 F1/21008.22*10 -1 470.59 10 B319.583.89*10 -3 53.73 11 B3/28.421.33*10 -1 160.46 14 N199.631.00*10 -3 36.14 15 N1/20.373.85*10 -6 50,69 17 O5/20.0371.08*10 -5 67.80 29 Si1/24.73.68*10 -4 99.36 195 Pt1/233.83.36*10- 3 107,51

11 o értékéből adható meg a precesszó sebessége, az un. Larmor frekvencia  o   o  =  2  o    o  =  B o (radian) A precesszió magyarázata : minden mag (mágneses és nem-mágneses) rendelkezik szögmomentummal (( L) A magokat mint kis mágneseket képzeljük el, melyek tengelyük körül forognak A mágneses momentum vektorokra két erő hat a polarizáló mágneses térben - B o, kényszeríti a térirányba történő beállást - igyekeznek megtartani a szögmomentumot BoBo oo  L  L

12 Eredő mágnesezettség A mintát alkotó elemi mágneses momentumok a B 0 bekapcsolása után rendezettséget mutatnak. Ennek eredménye az eredő mágnesezettség megjelenése, melyet egy koordinátarendszerben ábrázolva érthetünk meg Ha felbontjuk a  vektort a z and,komponensekre MoMo y x z x y z BoBo BoBo A mágneses térrel parallel és antiparallel beállású vektorok aránya N  / N . x y = = “0” z z Az eredő mágnesezettség a B o irányába mutat, ezt hasznosítjuk az NMR -benl

13 Pulzusszélesség és pulzusszög Az alkalmazott rádiofrekvenciás pulzust tekintve alapvető információ a frekvenciatartomány (spektrumszélesség), vala- mint az un, pulzusszélesség, vagyis az az idő, mely ideig a B 1 gerjesztő mágneses tér be van kapcsolva.is és az M o : mágnesezettség a z irányból kitér. Van egy bizonyos idő, mely alatt ez a kitérés az xy síkba történő teljes beforgatást jelenti, ez az un. 90 fokos (  / 2 ) pulzus.. A kitérés szögének megfelelően így beszélhetünk tehát  / 4 (45),  / 2 (90),  (180), stb pulzusokról. z x M xy y z x y MoMo B1B1 tt tptp  t =  * t p * B 1

14 mágnesezettség észlelése xy síkban A mágnesezettség M xy észlelése xy síkban A B 1 oszcilláló mágneses tér kikapcsolása után az M xy vektor vissza fog térni a z tengely irányába ( egyensúlyi M o,) és visszaáll az eredeti spineloszlás (N  / N  ) relaxáció M xy vektor visszatérése z tengely irányába: precesszió az sikban Az M xy vektor oszcillációja egy változó mágneses teret jelent, amely egy tekercsben áramot indukál: z x M xy y z x y Vevőtekercs (x) MoMo  NMR jel egyensúly. oo z x M xy y oo BoBo

15 NMR jel észlelése NMR jel észlelése A B 0 tér bekapcsolása (illetve a minta mágneses térbe való helyezése) még nem eredményez NMR jelet, csak a nívók (egyébként nem észlelhető) felhasadását A mintának energiát kell abszorbeálni. Az energiát egy oszcilláló elektromágneses sugárzással tudjuk biztosítani. ( B 1 tér bekapcsolása) MoMo z x i B 1 = C * cos (  o t) B1B1 adótekercs (y) y BoBo B 1 kikapcsolva MoMo z x B1B1 z x M xy yy oo oo BoBo BoBo

16 Szabad indukció lecsengés (FID) Szabad indukció lecsengés (FID) A hasznos NMR jel az síkban elhelyezett vevőtekercsben megjelenő, a precesszáló mágnesezettség által indukált áram. Az eredő mágnesezettség relaxáció által visszatér az egyensúlyi állapotba. A vevőtekercs egy csillapított koszinuszfüggvényt detektál. (amennyiben egyetlen rezonan- ciafrekvencia van - a spktrum egy jelből áll)  = o = o M xy  -  o > 0 M xy idő

17 Fourier transzformáció Ma szinte minden NMR spektrométer ezen az elven működik. Egy hangszer „sajátfrekvenciájának” meghatározása. a) rezonanciapartner frekvenciájának lépetése (CW) b) szélessávú gerjesztés és a jel időfüggésének vizsgálata RF pulzus : az összes lehetséges frekvenciát tartalmazza Az NMR detektor jele: intenzitás-idő függvény. Mi intenzitás- frekvencia függvényt tudunk értékelni, számunkra ez hordozza a hasznos információt. Az időfüggvényből a kívánt frekvencia- függvényt a Fourier transzformáció segítségével nyerjük. Frekvenciafüggvényből időfüggvényt inverz Fourier transz- formáció segítségével kaphatunk. Pulzustechnika + Fourier transzformáció az NMR mérés- technika forradalmi megújítása – Ernst, 1965 S (  ) = ∫ S (t) e -i  t dt S (t) = (1/2  ∫ S (  ) e i  t d  --  -- 

18 Fourier transzformáció A valóságban akár több száz különböző spin is alkothatja mintánkat, így a válaszfüggvény is bonyolult, mi ezeknek a kombinációját észleljük a detektorban. Ez a szabad indukció csökkenés vagy Free Induction Decay (FID): Ennek Fourier transzformáltja a spektrum

19 Spektrumakkumuláció Zaj : sztohasztikus (véletlenszerű) jelenség jel/zaj viszony javítása: akkumuláció ( a kisérlet megismétlése, az eredmények összeadása, ma már számítógéppel) N akkumuláció N 1/2 szeres javulást eredményez

20 NMR spektrométer Az NMR spektrométer alapvetően egy nagy és drága FM rádió. Mágnes- Ma döntően szupravezető mágnesek. Frekvenciagenerátor – Előállítja az  o frekvenciát, amely a B 1 teret indukálja. CW és pulzustechnika. Detektor - érzékeli a mágnesezettséget az síkban Recorder - XY plotter, oszcilloszkóp, számítógép, stb É D BoBo B1B1 Detektor Frekvencia generátor Rekorder Mágnes

21 NMR spektrométerek egykor és ma

22 J. T. Arnold, S. S. Dharmatti, M. E. Packard, J. Chem. Phys. 1951, 19, 507 Az etanol spektruma (kisérleti eredmény) BME, 1995

23 Kémiai eltolódás Ha minden magnak egy jellemző  o Larmor freknciája van egy adott mágneses térben, mire jó az NMR spektroszkópia? Minden egyes mag megérzi azt a kémiai környezetet, amely befolyásolja a körülötte kialakuló effektív mágneses teret, mely a polarizáló és a helyi mágneses tér együttes hatására alakul ki körülötte B eff = B o - B loc --- B eff = B o ( 1 -  )  neve : mágneses árnyékolás. A mágneses árnyékolást befolyásolja a szomszédos magok, csoportok jelenléte, az elektronfelhő, azaz a molekulában levő kötések, hibridállapot stb. Ennek alapján az etanol spektrumának így kellene kinézni: H O-C H 2 -C H 3 oo low field high field

24 A kémiai eltolódást befolyásoló tényezők Az árnyékolás az adott mag környezetében fel- lépő elektronsűrűségtől függ.. A teljes árnyékoláshoz való hozzájárulás több faktorát el tudjuk különíteni. A  dia diamágneses hozzájárulás a B o térrel ellentétes irányú mágneses tér árnyékolását fejezi ki, amely a magot közvetlenül körülvevő pályák, tehát az s orbitálok árnyé- kolásából ered.  para az un. paramágneses hozzájárulás, melyet a p orbitálok és kötőelektronok által létrehozott, a B o.térrel azonos irányú mágneses tér okoz. A harmadik,  loc, un.lokális árnyékolás a szom- szédos csoportok okozta hozzájárulás, amely azonos irányú, de ellentétes is lehet a B o, térrel, a csoport jelle- gétől és térbeli elhelyezkedésétől függően..A  loc felelős a molekulát alkotó hasonló jellegű magok eltérő árnyéko- lásáért, így a kémiai eltolódás fellépéséért, A szerves szerkezetfelderítés szempontjából két legfontosabb mag, az 1 H és 13 C, szempontjából látható, hogy az 1 H –NMR spektroszkópiában ( mivel az 1 H mag- nak csak 1s pályái vannak),  dia a meghatározó. A 13 C (és „nehezebb” magok) esetén viszont a  para is lényeges, mivel ezekben több a betöltött p pálya.  =  dia +  para +  loc

25 A kémiai eltolódást befolyásoló tényezők A kémiai eltolódást befolyásoló tényezők Az árnyékolást, amit döntően az elektronsűrűség határoz meg, egy izolált 1 H magra (amely körül szimmetrikus az elektroneloszlás) az un. Lamb formula segítségével szá- míthatjuk ki Általánosságban ez a formula alkalmas bármely molekula, bármely magja esetén a kémai eltolódás kiszámítására és nem kellene törődni a különböző tipusú árnyékolási hozzájárulásokkal. Azonban a gyakorlatban már egyszerű molekulák esetén is a  (r) leirására szolgáló függvény rendkívül bonyolult, hiszen figyelembe kell ven- nünk az s, p, d, hibrid pályákat (pl. sp n ), és a különböző molekulaorbitálokat is. A kvantummechanikai alapon végzett kémiai eltolódás számítások ma még nem elég gyorsak és ponto- sak. Ugyanakkor az árnyékolási hozzájárulások legtöbbje kvalitatív módon leírható. 1 H –NMR spektroszkópiában csak a  dia and  loc hozzájárulással kell számolni, mivel, mint láttuk, a  para hozzájárulás itt elhanyagolható. Elsőként az egyik leglényegesebb hozzájárulással, a  dia szempontjából meghatározó induktív és mezomer effek- tussal foglalkozunk. Ezek szerepe nagyon fontos, mivel az 1 H mag körüli elektronsűrűséget a hozzá kapcsolódó csoport jellege határozza meg.  =  r  (r) dr  o e 2 3 m e 0 ∞

26 Kémiai eltolódás skála ( , ppm) Lehetne frekvencia skálát is alkalmazni. Nehézkes, mivel B loc isokkal kisebb, mint B o, a számláló viszonylag kicsil (néhány száz Hz), míg a nevező nagy (száz MHz). Egy relatiív skálát használunk, minden jelet egy belső standard vegyület bizonyos jeléhez vonatkoztatva,. A skála előnye, hogy minden műszeren mért eredmény összehasonlítható. Általános belső standard a tetrametilszilán (TMS), mivel oldható a legtöbb oldószerben, semleges, könnyen eltávolítható és 12 ekvivalens 1 H és 4 ekvivalens 13 C atomot tartalmaz H 3 C Si CH 3 CH 3 CH 3  -  ref  = ppm (parts per million)  ref

27 Kémiai eltolódás skálák 1 H, ~ 15 ppm: 13 C, ~ 220 ppm: 0 TMS ppm 2107515 Alifás H Alkoholok, ketonok  protonjai Olefinek Aromás H Amidok Sav OH Aldehidek ppm 5015010080210 Alifás CH 3, CH 2, CH Heteroatomhoz kapcsolódó C Olefinek Aromás C, konjugált alkének C=O savak, aldehidek, észterek 0 TMS C=O ketonok

28 Induktív effektus Az 1 H árnyékolást (és így a kémiai eltolódást) azonban nemcsak a hidrogénatomhoz közvetlenül kapcsolódó atomok határozzák meg. Az adott mag körüli elektronsű- rűséget a teljes molekula elektonfelhője, vagyis a molekulá- ban levő kötések szabják meg. Az induktív effektust a molekula elektronfelhője közvetíti. Ha egy elektronszívó atom kapcsolódik egy szénatomhoz, a szénatomhoz kapcsolódó hidrogénatomok 1s pályája körül Is érvényesül az elektronszívó hatás. Igy pl. a metil- halogenidek metil-jeleinek kémiai eltolódása is az előző ábrán észlelt trendet mutatják. Az induktív effektusért felelős csoport nemcsak halogénatom lehet, hanem az elektronsűrűséget befolyásoló bármely atom vagy funkciós csoport, pl -NO 2, -OH, -SH, -NH 2, stb H-CH 3 H-CH 2 IH-CH 2 BrH-CH 2 ClH-CH 2 F 2.12.52.83.04.0 0.231.982.452.844.13 E 

29 Induktív effektus Az induktív effektus hatása a az elektronegatív csoporttól való távolság, tehát a kötések számának, a lánc hosszának növekedésével csökken. Példa lehet protonjelek kémiai eltolódása lineáris telített szénhidrogénekben Az elektronsűrűséget befolyásoló további lényeges faktor a szénatomon fellépő parciális pozitív vagy negatív töltés. Ezt szemlélteti aromás ionok protonjainak kémiai eltolódásá- nak a benzoléval való összehasonlítása Vegyük észre, hogy mindegyik rendszer azonos számú, tehát 6  elektront tartalmaz, tehát a 4n + 2 szabálynak felel meg. A tropilium ion szénatomján a töltés pozitív, így az 1 H atomok körül kisebb elektronsűrűség, azaz kisebb árnyé- kolás érvényesül. Az ellenkező igaz a ciklopentadienil anionra. H-CH 3 H-CH 2 -CH 3 H-CH 2 -CH 2 -CH 3 0.230.800.91

30 Mezomer effektus Kettős kötéshez kapcsolódó (olefin, vinil) hidrogénatomok kémiai eltolódására a különböző szubsztituensek (+M or -M). mezomer effektusai is kifejtik hatásukat. Vizsgáljuk meg elektronszívó és elektronküldő szubsztitu- ensek hatását az etilén protonjainak kémiai eltolódására.. A metil-vinil-ketonban (az acetlcsoport elektronszívó) az olefinprotonok kémiai eltolódása nő, mivel az elektronsűrűség a protonok körül az elektronelszivás következtében csökken, tehát az árnyékolás is csökken. Ellenkező hatást észlelünk a metil-vinil-éter esetében. Az elektronküldő metoxi-csoport.növeli az elektronsűrűséget a vinil-protonok körül, igy növeli az árnyékolást, csökkenti a kémiai eltolódást. 6.11 5.29 6.52 3.74 5.29 3.93

31 Mezomer effektus Hasonlóan változik aromás vegyületek protonjeleinek kémai eltolódása: Például,a dimetil-anilinben a dimetilamino csoport +M effektussal rendelkező elektronküldő csoport. Mivel az aromás gyűrűn megnövekszik az elektronsűrűség, így minden protonjel árnyékoltabb lesz, mint a megfelelő benzol-protonok (7.26 ppm). A mezomer szerkezeteket felrajzolva belátható, hogy az orto és para pozíciókban alakul ki nagyobb elektronsűrűség. Ezért, az orto és para szénatomokhoz kapcsolódó protonok jelein alakul ki nagyobb árnyékolás (kisebb kémiai eltolódás) 7.08 6.55 6.70 7.08 6.55

32 Mezomer effektus Egy elektronszívó, -M hatású szubsztituens, mint a nitro- csoport esetén az előbbiek ellenkezőjét tapasztalhatjuk. Minden proton korül kisebb elektronsűrűség alakul ki, mint a benzol megfelelő protonjainak kornyezetében. A nitrobenzol minden protonjának jele kevésbé árnyékolt, mint a benzolprotonoké. A hatás különösen az orto és para pozíciókban jelentkezik kifejezetten, 7.55 8.15 7.70 7.55 8.15

33 Anizotróp effektus Anizotróp effektus Minden kémiai kötés eredendően anizotróp, azaz a térben egy adott elrendeződést, irányítottságot mutat, a kötések mentén és körül bizonyos tulajdonságok irány- (koordináta) függőek. Amennyiben a kötéseket (illetve az őket létrehozó elektron- felhőt) egy külső (B o ), mágneses térbe helyezzük, az indu- kált mágneses momentum is anizotróp lesz. Ennek következtében az 1 H magok mágneses környezete, melyet a  loc tag jellemez, szintén anizotróppá válik. Egy-egy mag eltérő térbeli helyzetétől függően eltérő effektív mág- neses teret, azaz árnyékolást fog „érezni” Egy C-C kötés (amely hengerszimmetrikusnak tekinthető) esetében az indukált mágneses dipólus így alakul : Azt tapasztalhatjuk tehát, hogy a kötések végpontjaiban a mágneses tér megnövekszik, ugyanakkor a kötések felett és alatt a tér bizonyos mértékben csökken. CC BoBo

34 Anizotróp effektus Az indukált dipólus értékének számításához szükségünk van a mágneses szuszceptibilitás ( . értékére, mely két komponensből épül fel, a kötésirányú,  ||, és az arra merőleges,   tagból. A számítás az un. McConnell egyenlet alapján történhet ahol r az adott proton távolsága a kötés centrumától  a két nevezett pontot összekötő egyenes és a kötésirány által bezárt szög Bár ez a formula csak egy közelítés, viszonylag hasznosan alkalmazható, nemcsak egyes, hanem kettős és hármas kötések esetén (pl. karbonilcsoport hatásának modellezé- sére), továbbá aromás rendszerekben is. 1  = (  || -   ) · ( 1 - 3cos 2  ) 3r 3 4  1  = (  || -   ) · ( 1 - 3cos 2  ) 3r 3 4  C C H 

35 Anizotróp effektus Anizotróp effektus Amennyiben az egyenletet grafikus formában ábrázoljuk, leghasznosabb információ, hogy a kötés centrumából kiindulva két kúpot kapunk. A kúpon belül az árnyékolás csökkenése, a kúpon kivüli térrészben árnyékolás várható. 54.7 o fokos szög esetén nincs effektus. Kettős kötések (C=O, C=C) esetén hasonló effektus: Hármas kötések esetén az indukált mágneses dipólus olyan, hogy a  || és   értékek felcserélődnek: - + + CC - - + + CC - + - - + CC

36 Az anizotróp effektus alkalmazása Térállás eldöntése cukorszármazékokban. Pl. a metoxi- galaktóz  és  anomerjeit meg tudjuk határozni Az  -izomerben az anomer 1 H a C-C kötések árnyékolást csökkentő zónájában foglal helyet, míg a  -izomerben ugyanez a hidrogén az árnyékoló zónában., Aldehid-protonok magas kémiai eltolódásának megyarázata.  H (kb 9 ppm) A proton egy olyan szénatomhoz kapcsolódik, amely egy kettőskötéssel oxigénhez van kötve. Az elektronegatív oxigén az elektronfelhőt a proton felől maga felé szívja, csökkentve az árnyékolást a proton körül. Ugyanakkor ez a proton a kettőskötés egyúttal a kettőskötés árnyékolást csökkentő zónájában helyezkedik el. - + + OC - H

37 Gyűrűáramok Az 1 H-NMR spektrumokban észlelhető, indukált mágneses momentumok legjellegzetesebb formája figyelhető meg az aromás gyűrűk által okozott effektusokban. Az aromás gyűrűk által indukált mágneses dipólust könnyen elképzelhetjük, ha az aromás gyűrűk elektronfelhőjét mint egy „gyűrűáramot” vesszük figyelembe. Ez az áram egy a gyűrű síkjára merőleges mágneses teret indukál, mely ellenkező irányú, mint a polarizáló B 0 mágneses tér. Belátható, hogy, a gyűrűn „átmenő” térerő vonalak a külső mágneses tér ellen dolgoznak, az indukált mágneses momentum ellentétes azzal, míg a „visszatérő” vonalak, amelyek a gyűrűn kívül helyezkednek el, erősítik a külső B 0 teret. Ezeket figyelembe véve, joggal feltételezhetjük, hogy azok- nak a protonoknak, melyek a gyűrű síkjában fekszenek, árnyékolása csökken, míg azok, melyek a gyűrű alatt/felett helyezkednek el, árnyékolása nő, (tehát kémiai eltolódása csökken.) e-e- BoBo B ring

38 Gyűrűáramok Ugyanúgy, mint az egyes, kettős és hármas kötések esetén, felrajzolhatjuk a kúpalakú árnyékolási szektorokat, ahol a kémiai eltolódás csökkenésére, illetve növekedésére számíthatunk. Azok a protonok, melyek az aromás gyűrű síkjában helyezkednek el, kevésbé árnyékoltak (kémiai eltolódásuk nagyobb), mint az aromás gyűrű alatti és feletti szektorba kerülő protonok A gyűrűáram effektussal magyarázható az aromás gyűrűhöz kapcsolódó, a gyűrű síkjában elhelyezkedő aromás protonok kémiai eltolódás értéke.( 6 és 9 ppm között) 7.277.79 7.41 ++ _ _

39 Gyűrűáramok Lehetséges, hogy ugyanazon molekula különböző helyzetű protonjai az árnyékolási kúp eltérő zónájába esnek és ez szélsőségen eltérő kémiai eltolódása eredményez, pl. a [18]annulén esetén A ciklopropán gyűrűnek is jelentős anizotróp effektusa van. A feszült gyűrű szénatomjai sp 2 karakterrel rendelkeznek. Az indukált dipólus a gyűrű síkjára merőleges. Ezáltal, valamint a gyűrűfeszülés következtében a ciklo- propán gyűrű protonjai az árnyékolási zónábe kerülnek és így kémiai eltolódásuk a metilcsoportokénál általában kisebb (0.8 -0,2 ppm) +9.28 -2.99 ++ - -

40 Elektromos tér és van der Waals effektus Elektromos tér és van der Waals effektus elektromos tér: töltés a molekulában Térközelség hatása a kémiai eltolódásra: pagodánok, H…H vagy H…O térközelségek hatása és eltérő effektusa

41 Példák Karbonil C=O kötés anizotrópiájának hatása aromás gyűrűt tartalmazó ketonokban: Antiaromás rendszerek paramágneses tulajdonsággal rendelkeznek. (Az indukált tér a külső mágneses térrel egyirányú). A modellként választott dihidropirénben a 14 (3 x 4 + 2) elektronos aromás  rendszer megnöveli az árnyékolást a metilcsoport jelén Fém káliummal redukálva egy 16 elektronos antiaromás rendszer jön létre mely paramágneses, és ezért drámai módon megváltoztatja a gyűrűprotonok és a metil-jel kémiai eltolódását 7.277.979.07  (CH 3 ) ~ -4  (Ar-H) ~ 8  (CH 3 ) ~ 21  (Ar-H) ~ -4

42 A kémiai eltolódás empirikus számítása. Additivitási szabályok Az adott protonra ható különböző effektusok hatásait az irodalomban számos táblázatban foglalták össze. Az adott protonra ható különböző hatások, melyek kémiai eltolódását meghatározzák, összegeződnek, így az eredő kémiai eltolódás empirikusan számítható. additivitás (csoportok, kötések, szubsztituensek) Empirikus szabályok J. Shoolery 1950- 60 as évek E. Pretsch 1970-es évektől (adatbázisok) Alkalmazásuk feltételei, sorrendje - milyen tipusú proton eltolódását számoljuk? (alifás, CH 3, CH 2, CH, olefin, aromás –alapérték - milyen csoportok hatnak – táblázat - számítás  H =  H alap +  effektusok

43 Additivitási szabályok Alifás protonok alapesetek : R 1 -CH 2 -R 2 vagy : R 1 -CH-(R 2 )-R 3, R 1, R 2, és R 3 szubsztituensek Így pl. a CH 2 Br 2 protonjainak eltolódására  = 1.25 + 1.9 + 1.9 = 5.05 ppm adódik, amelyet a 4.94 ppm kísérleti adattal vethetünk össze Szubsztituens  Alkil0.0 -C=C-0.8 -C  C- 0.9 -C 6 H 5 1.3 -CO-R1.3 -OH1.7 -O-R1.5 -O-CO-R2.7 -NH 2 1.0 -Br1.9 -Cl2.0 R 1 -CH 2 -R 2  = 1.25 + R 1 + R 2 R 1 -CH-(R 2 )-R 3  = 1.50 + R 1 + R 2 + R 2

44 Additivitási szabályok Olefinek. Más kiinduló értékkel kell számolni és figyelembe kell vegyük a szubsztituens számított protonhoz kapcsolódó helyzetét is (cisz, transz, vagy gem): A fahéjsav (transz Ph-CH a =CH b -COOH), esetén a két érték:  H a = 5.25 + 1.38 + 0 + 0.98 = 7.61, és,  H b = 5.25 + 0.80 + 0 + 0.36 = 6.41 ppm a kisérleti adat :7.82 and 6.47 ppm. Szubsztituens  gem H-0.0 Alkyl-0.45 -OR1.21 -Ar1.38 -C=C-1.24 -OH1.22 -Cl1.08  cisz 0.0 -0.22 -0.60 0.36 0.02 -1.07 -0.40  transz 0.0 -0.28 -0.07 -0.05 -1.21 -1.02  = 5.25 + R gem + R transz + R cisz -COOH0.800.980.32

45 Additivitási szabályok Aromás rendszerek (szubsztituált benzolok) esetében a benzol kémiai eltolódása (  =7,27 ppm) a számítás kiindulási alapja.  = 7.27 + R orto + R meta + R para Szubsztituens  ortho -H0.0 -CH 3 -0.17 -NO 2 0.95 -OCH 3 -0.43 -Cl0.02 -F-0.30  meta 0.0 -0.09 0.17 -0.09 -0.06 -0.02  para 0.0 -0.18 0.33 -0.37 -0.04 -0.22 -COOH0.800.140.20 -NH 2 -0.75 -C 6 H 5 0.18 -SCH 3 -0.03 -0.24 0.00 -0.63 0.08 0.00

46 Additivitási szabályok p-xilol  H a = 7.27 - 0.17 - 0.09 = 7.01 (6.97)  H b =  H a 1-klór-4-nitrobenzol  H a = 7.27 + 0.95 - 0.06 = 8.16 (8.17)  H b = 7.27 + 0.02 + 0.17 = 7.46 (7.52) mezitilén  H = 7.27 - 2 * 0.17 - 0.18 = 6.75 (6.78) 2,4-dinitro-1-metoxibenzol  H a = 7.27 - 0.43 + 2 * 0.17 = 7.18 (7.28)  H b = 7.27 + 0.95 + 0.33 - 0.09 = 8.46 (8.47)  H c = 7.27 + 2 * 0.95 - 0.09 = 9.08 (8.72)

47 ppm 5015010080210 Alifás CH 3, CH 2, CH Heteroatomhoz kapcsolódó C Olefinek Aromás C, konjugált alkének C=O savak, aldehidek, észterek 0 TMS C=O ketonok A 13 C kémiai eltolódást befolyásoló tényezők Hibridizáció Induktív effektus Nehézatom effektus Izotóp effektus Anizotróp effektus, gyűrűáramok Elektromos tér effektus Mezomer effektus Szolvatáció, oldószerhatás, hidrogénhidak Szterikus effektusok

48 XFClBrI CH3XCH3X75.224.910.0-20.7 CH2X2CH2X2 109.054.021.4-54.0 CHX 3 116.477.512.1-130.9 CX 4 118.596.5-28.7-292.5 Nehézatom effektus Halogénszubsztituált metánszármazékok szénatomjainak kémiai eltolódásai Izotóp effektus Gyakran használt NMR oldószerek szénatomjainak kémiai eltolódásai CHCl 3 77.5C6H6C6H6 128.5 CDCl 3 77.2C6D6C6D6 128.0

49 Gyűrűáramok, mágneses anizotrópia

50  13 C +  13 CH 3 (CH 3 ) 3 C + 32847 (CH 3 ) 2 CH + 31860 (CH 3 ) 2 CC 2 H 5 + 33243 (CH 3 ) 2 CPh + 254 CH 3 CPh2 + 198 Ph 3 C + 211 Elektromos tér effektus 13 C kémiai eltolódás karbokationokban

51 Mezomer effektus, konjugáció

52

53 Szolvatáció, hidrogénhidak van der Waals effektus

54 Sztérikus effektusok,  -sztérikus eltolódás  -gauche effektus

55 Fenol nitrálásának termékei

56 Additivitási szabályok Aromás rendszerek (szubsztituált benzolok) esetében a benzol kémiai eltolódása (  =7,27 ppm) a számítás kiindulási alapja.  = 7.27 + R orto + R meta + R para Szubsztituens  ortho -H0.0 -CH 3 -0.17 -NO 2 0.95 -OCH 3 -0.43 -Cl0.02 -F-0.30  meta 0.0 -0.09 0.17 -0.09 -0.06 -0.02  para 0.0 -0.18 0.33 -0.37 -0.04 -0.22 -COOH0.800.140.20 -NH 2 -0.75 -C 6 H 5 0.18 -SCH 3 -0.03 -0.24 0.00 -0.63 0.08 0.00

57 Fenol nitrálásának termékei

58 Mért kémiai eltolódások:  121.7,136.2, 139.6 és 148.5 ppm

59 Spin-spin csatolás Az NMR spektrumokat jellemző harmadik paraméter a csatolási állandó. Az 1 H-NMR spektrumok szinte mind- egyikében fellép a spin-spin csatolás, melynek jellemzője, a csatolási állandó a kémiai szerkezetmeghatározás szem- pontjából alapvető fontosságú. A skaláris spin-spin csatolás eredménye jelfelhasadás, a spektrális finomszerkezet megjelenése. Csatolás felléphet minden NMR-aktív mag között, melyek kémiai kötéseken keresztül kapcsolódnak egymáshoz. A jel felhasadása azt jelenti, hogy bizonyos magok átmenetei során nagyobb energiakülönbség észlelhető. Az ok a kötő elektronok mágneses momentumában keresendő. A magok mágneses momentuma az elektronok kismértékű polarizációját (elrendeződését) eredményezi, és az átlapoló molekulapályák ezt közvetítik a szomszédos, illetve közeli magok felé. I S J  0 I S J = 0

60 Csatolási állandók Egy mag spinállapotait befolyásolhatja a szomszédos spinek energiaállapota, mely kölcsönös. Ez a jelenség a csatolás. A csatolás legtipikusabb esete a molekula elektronfelhőjének közvetítésével jön létre – a kötésen keresztül. Energiaszintek: Mindegyik spin nivóján további felhasadás észlelhető A felhasadás nagysága a csatolási állandó, (J) melyet Hz- ben mérünk. Értéke nem függ a mágneses térerőtől! A csatolási kép és a csatolási állandó a kémiai szerkezet meghatározásá- nak alapvető eszköze. 13 C 1 H 1 H 1 H Egy kötés Három kötés ISIS ISIS ISIS ISIS I S S S I I J (Hz) AX spinrendszer

61 Elsőrendű spinrendszerek Elsőrendű spinrendszerek Kezdetnek vizsgáljuk meg a legegyszerűbb csatolt rendszert, amelyet bonyolult kvantummechanikai megközelítés nélkül is viszonylag egyszerűen értelmezhetünk Nézzük meg mindezt az etil-klorid példáján!. Ebben a vegyü- letben az etil CH 3 jel ~ 1.3 ppm, míg az etil CH 2 jel ~ 4.2 ppm körül várható. A legtöbb mai spektrométer esetén ez a kémiai eltolódás különbség, , sokkal nagyobb, mint a J csatolási állandó, mely esetünkben ~ 7 Hz. Ebben az esetben jogosan feltételezhetjük, hogy rendszerünk elsőrendű spinrendszer. Ha a rendszert az egyszerű AX spinrendszerhez hasonló módszerrel közelítjük, belátható, hogy minden metilénproton 4 metilállapotot fog „érezni”, míg minden metilproton 3 lehetséges metilénállapotot. Ugyanakkor mind a 3 metil- proton ekvivalens egymással, ugyanígy a két metilénproron is. Hogy ezt jobban be tudjuk látni, az etil-klorid molekulában minden egyes 1 H mag energiaállapot lehetőségét egy energiadiagramban ábrázoljuk        CH 2 CH 3

62 Elsőrendű spinrendszerek Általánosítva az előzőeket : ha egy A mag csatol n db azonos X ( 1 / 2 ) spinű maggal, az A jele a spektrumban n + 1 jelet fog mutatni. Ezért az EtCl molekula CH 2 jele 4-s felhasadást mutat, azaz quartett lesz. Analóg módon, az EtCl CH 3 jele 3-as jelcsoportot alkot, tehát triplett lesz A multiplett vonalainak egymástól való távolsága egyenlő lesz a két különböző kémiai eltolódású mag (metil és metilén, A és X) közötti csatolási állandóval. (~ 7 Hz). Az energiadiagramból nemcsak a multiplicitások, hanem az intenzitások is megállapíthatóak Mivel a spinállapotok valószínűsége azonos és az adott sorok a diagramban azonos energiaállapotokat reprezentál- nak, a metilcsoport jeleinek intenzitás-aránya 1:2:1 lesz, míg a metiléncsoport jeleinél ez az arány 1:3:3:1 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 J (Hz) 4.2 ppm1.3 ppm

63 Elsőrendű spinrendszerek Az eddigi tapasztalatok általánosítása: Az A mag rezonan- ciajelét a közelében levő, I spinkvantumszámmal rendelkező X mag 2 I + 1 vonalra hasítja fel Egy 8 intenzitású -CH 2 jel felhasadásai: (A metilcsoport minden egyes protonjával a csatolás azonos!) Mivel a csatolás minden egyes 1 H protonnal azonos, az azonos frekvenciánál megjelenő vonalak intenzitása össze- adódik. A multipletten belüli intenzitásarányok egy binomiális formulával írhatók le. 8 4 4 2 22 2 1111 1 Csatolás az első 1 H maghoz (2 * 1 / 2 + 1 = 2) Csatolás a második 1 H maghoz Csatolás a harmadik 1 H maghoz 1 : n / 1 : n ( n - 1 ) / 2 : n ( n - 1 ) ( n - 2 ) / 6 :...

64 Elsőrendű spinrendszerek Amennyiben n db ekvivalens, 1 / 2 spinnel rendelkező maggal csatol a jel, multiplicitások és az ezen belüli intenzitásokat a Pascal háromszög írja le Ha egy spinrendszerben egy mag többféle maggal csatol - és mindegyik csatolás elsőrendűnek tekinthető – a fel- hasadás és az intenzitásviszonyok leírása az eddigi szabá- lyok továbbgondolásával lehetséges Tekintsünk egy CH csoportot, (A) mely csatol egy CH 3 csoporttal (M), J AM =7 Hz csatolási állandóval és egy CH 2 csoporttal (X), J AX = 5 Hz csatolási állandóval. Lépésenként haladva, a nagyobb csatolás a jelet kvartetté hasítja: Ezután a kisebb csatolás a kvartett minden egyes vonalát tripletté hasítja fel. 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1 7 Hz 5 Hz

65 Elsőrendű spinrendszerek Az elsőrendű spinrendszerek analízisének eredményei, néhány egyszerű szabálya Utolsó példaként vegyünk egy CH magot (A), mely csatol két CH jellel, (M és R), J AM = 8 Hz és J AR = 5 Hz csatolási állandóval és egy további CH 2 csoporttal, (X) amellyel a csatolás J AX = 6 Hz: Az első szabály: ha van egy „tisztán” elsőrendű csatolásokkal felhasított jel, akkor bármilyen bonyolult is a csatolási kép, a multiplett megjelenése, a jel kémiai eltolódása a multiplett középpontja. Második szabály: bármilyen bonyolult is egy multiplett, a legszélső vonalakról leolvasható csatolás mindig az adott jel legkisebb csatolási állandója. 8 Hz 5 Hz 6 Hz 5 Hz AA

66 Másodrendű spinrendszerek - az AB rendszer Eddigi megközelítéseinkben a csatoló magok kémiai elto- lódáskülönbsége sokkal nagyobb volt, mint maga a csatolási állandó,  >> J Ha  megközelíti J értékét, több átmenet lehetséges, és a spektrum több vonalat fog mutatni, mint azt az eddig ismert n+1 szabály alapján várhatuk volna. Ezenfelül, az intenzitás arányok, sőt a vonalak helyei is eltérnek az eddig ismert szabályoktól.. Van két csatoló magunk, A és B, ha elkezdjük a polarizáló B o mágneses teret csökkenteni a két mag közti  küönbség csökken, J nem változik. Egy idő után,  ~ J. Elindultunk egy elsőrendú AX spinrendszerből, A és X kémiai eltolódása nagyon különbözik, és végül eljutottunk az AB spin- rendszerhez, ahol  ~ J Végül elérünk egy un. másodrendű spinrendszerhez, ahol az eddig ismert egyszerú multiplicitás- szabályok nem lesznek többé érvényesek..  >> J  = 0

67 Az AB rendszer Az AB rendszer Egy AB spinrendszer analízise (a kémiai eltolódások és csatolási állandók meghatározása) nem annyira egyszerű, mint az az AX spinrendszer esetén volt… A másodrendű spektrumok jellegzetes sajátossága a „háztető effektus”: ami egy AB rendszerben is megfigyelhető és a csatoló partner irányát mutatja. Hasonlóan az AX spinrendszerhez a J AB csatolási állandó is meghatározható, mint az 1 és 2, illetve 3 és 4 vonalak frelvenciakülönbsége: A és B magok kémiai eltolódásai nem lesznek a „dublettek” számtani középpontjai ! Helyük kiszámítható a következő formulákkal : Mivel  a A - B kémiai eltolódás különbség, A és B pontos kémiai eltolódása : 1 2 3 4 AB Z A B | J AB | = | f 1 - f 2 | = | f 3 - f 4 |  2 = | ( f 1 - f 4 ) ( f 2 - f 3 ) | A = Z -  / 2 B = Z +  / 2  2 = | ( f 1 - f 4 ) ( f 2 - f 3 ) | A = Z -  / 2 B = Z +  / 2 I 2 I 3 | f 1 - f 4 | = = I 1 I 4 | f 2 - f 3 | I 2 I 3 | f 1 - f 4 | = = I 1 I 4 | f 2 - f 3 | Hasonló módon számít- hatók a jelintenzitások :

68 Átmenet 1.. és 2. rendű spinrendszerek között. Az alábbi példa két háromspin-rendszert mutat, ahol a  különböző, de a J AB, csatolási állandók közel azonosak. Az A 2 X spinrendszer A 2 B spinrendszerré „torzul” A jobb oldali spektrum egy hagyományos (CW), 60 MHz-es spektrométeren készült, kisebb térerőnél a másodrendú spinrendszerek sokkal gyakoribbak. A lecsengés (ringing) a CW technika jellemzője.

69 B 0 polarizáló mágneses tér növelése Hatások : Véletlen izokrónia (jelátfedések)megszüntetése Magasabbrendű spinrendszerek egyszerűsödése Jel/zaj viszony növekedése, rövidebb mérési idő

70 A Karplus egyenlet Az 1 H-NMR spektrumokban leggyakrabban megfigyelt csatolási állandó a 3 J Mivel az 1 J és a 2 J csatolás a magspin és az elektronspinek kölcsönhatásából jön létre, 1 J and 3 J azonos előjelű, míg a 2 J ellentétes előjelű. A 3 J csatolás esetén a hullámfüggvények átlapolása függ a diéderes szögtől. Mindez megjelenik a 3 J csatolási állandó nagyságának mértékében, amely felhasználható a torziós szög meghatá- rozására ( Karplus, 1958) 1H1H C C 1H1H 

71 3 J HH = A · cos2(  ) + B · cos(  ) + C 3 J HH (Hz)  ( o ) A Karplus egyenlet Kapcsolatot teremt a 3 J HH csatolási állandó és a diéderes szög között. A, B és C a kötéshez kapcsolódó és a szubsztituensektől (elektronegativitástól) függő állandók. Grafikusan ábrázolva a Karplus egyenlet megoldása : A Karplus egyenlet segítségével a 3 J csatolási állandók ismeretében megbecsülhetjük a diéderes szögeket. Az A, B és C konstansok természetesen eltérőek a különböző vegyülettipusokra. (pl cukrok, peptidek)

72 Karplus, Martin "Vicinal Proton Coupling in Nuclear Magnetic Resonance". J. Am. Chem. Soc 85, 2870-2871 (1963)

73 2013. október 9 Three US scientists win Nobel Prize in chemistry for using computers to map chemical processes. Prize was awarded to Michael Levitt, Martin Karplus and Arieh Warshel. Their work has helped develop computers to unveil chemical processes. Among other things, these processes have laid the foundations for new pharmaceuticals, optimised catalysts for cars and improved solar cells. M. Karplus (b. 1930, Austria)

74 3 J HH = 5.4 Hz 3 J HH = 1.7 Hz A Karplus egyenlet alkalmazása A transz laktámot reagáltatták. (Kérdés: történt SN 2 inverzió ?) A diéderes szög a transz vegyületben 137.3 o, ugyanakkor egy cisz származékban 1.9 o. Tehát, tudjuk, hogy megtörtént az inverzió. N3-N3-

75  és  térállás megkülönböztetése cukrokban csatolási állandó alapján 3 J HH

76 Tipikus J HH csatolási állandók

77 Csatolási állandó térfüggése: „W” elrendeződés Csatolási állandő távolságfüggése

78 Csatolási állandó függése a gyűrűtagszámtól Csatolási állandó alkalmazása: Z/E izoméria

79 Heteronukleáris csatolás Heteronukleáris csatolás Hogyan jelentkezik a 13 C –NMR spektrumokban? A 13 C spektrum jelei felhasadnak az 1 H magokkal való csatolás következményeképpen. Az 1 J CH csatolási állandók értéke 50 és 250 Hz között váltakozhat A további csatolások a spektrumokat bonyolulttá és áttekinthetetlenné teszik. Az 1 H átmeneteket telítve (lecsatolva) ezek az átmenetek megszűnnek, a 13 C multiplettek egy vonalként jelentkeznek.: I J (Hz) I 1H1H 13 C 1H1H CHCH CHCH CHCH CHCH CHCH CHCH CHCH CHCH 1H1H 1H1H

80 A 1 J 13C-1H csatolási állandót befolyásoló tényezők gyűrűfeszülés Csatolási állandók (Hz) térszerkezet

81 CH 3 LiCH 3 M e CH 3 HCH 3 N H 2 CH 3 O H CH 3 N H 3 + CH 3 N O 2 CH 3 C l 98124.9125.1133141.1145146.7151 Me 3 Si MeMeONH 2 NO 2 CN orto156 159156168165 meta158 157165164 para158159160 163162 A 1 J 13C-1H csatolási állandót befolyásoló tényezők szubsztituens hatás tipikus csatolási állandók (Hz) különbözően szubsztituált metilszármazékokban CH 4 CH 3 ClCH 2 Cl 2 CHCl 3 1 J 13C-1H 125.1151178209 aromás vegyületekben

82 A 3 J 13C-1H csatolási állandó függése a kötésszögtől

83 3 J 13C-1H csatolási állandó függése a kötéshossztól

84 Mágneses és kémiai ekvivalencia A különböző spinrendszerek csatolási mintáinak tanulmányo- zása elótt néhány definíciót, illetve fogalmat kell tisztázni, mindenekelőtt a kémiai és a mágneses ekvivalencia fogalmát. Első lényeges fogalom a spinrendszer. Erről akkor beszélünk, ha van n db NMR aktív magunk ( I = 1 / 2 ), melyet nem több, mint n rezonanciafrekvencia (kémiai eltolódás) i és n ( n - 1 ) / 2 db csatolási állandó, J ij jellemez. Minden csatolás a spinrendszeren belül valósul meg. A mágneses ekvivalencia fogalmát egy példán keresztül próbáljuk bemutatni. Mondjuk, van egy etoxi csoportunk (-O-CH 2 -CH 3 ). Mint azt az előző, elsőrendű spinrendszer példáján is be- láttuk, joggal gondolhatjuk, hogy minden CH 2 proton (a metiléncsoporton belül) egyenértékű, úgyszintén minden CH 3 proton is a metilcsoporton belül. A kémiai egyenértékűség könnyen belátható, és amennyiben a kötés körüli forgás is szabad, a kémiai eltolódások és a csatolási állandók azonosak lesznek.

85 Mágneses ekvivalencia MIvel az egyes szénatomokhoz kapcsolódó protonok kémiai eltolódása ugyan változhat, a szabad forgás követ- keztében csak egy átlagos kémiai eltolódást figyelhetünk meg. Ugyanez igaz a csatolási állandókra is. Az általunk megfigyelhető J HH csatolás is egy átlagérték, azaz a metilén- csoport bármely protonjának csatolása bármely metilpro- tonnal azonos. Az eddigi szimbólumrendszert kiterjesztve, és figyelembe véve, hogy  CH 2 ) >>  CH 3 ), egy un. A 2 X 3 spinrendszerünk lesz : Van 2 mágnesesen ekvivalens 1 H mag a CH 2, csoporton és 3 a CH 3 csoporton. A 2 J HH geminális csatolás (azonos szénatomokhoz kapcsolódó protonok között) esetünkben 0, mivel bármely mag energiaszintje a két (három) proton közül azonos álla- potú. A CH 2 csoport protonjait A –val, míg a CH3 csoport protonjait X -el jelöljük, mivel kémiai eltolódásuk különbsége sokszorosa a köztük fellépő csatolási állandónak. Általában a nagyobb eltolódású protont jelöljük A -val. Az ‘A n X m ’ tipusú spinrendszerre további példa a difluormetán: Ebben az esetben is a 1 H és 19 F magok ekvivalensek, de nem a szabad forgás, hanem a szimmetria eredményeként. Ez egy A 2 X 2 spinrendszer.

86 Mágneses ekvivalencia Hasonlítsuk most össze a csatolási állandókat a CH 2 F 2, molekulában, hogy megnézzük, hogy a 1 H és 19 F magok ekvivalensek-e. Belátható, hogy J H1F1 = J H1F2 = J H2F1 = J H2F2. Mindez a szimmetria következménye… Vajon ugyanez állítható az 1,1-difluoretilén esetén is ? Most is fennáll a szimmetria, de nincs szabad forgás. A két 1 H és a két 19 F mag (külön-külön egymással) kémiailag ekviva- lens, könnyen belátható, hogy  Ha =  Hb és  Fa =  Fb. Ugyanakkor a geometriai helyzetükből következően J HaFa  J HaFb. Hasonlóan, J HbFa  J HbFb. Továbbgondolva, mivel a csatolási állandók különböznek, H a és H b energianívói is eltérőek (nem úgy, mint pl. a CH 3 csoport 1 H magjai !), ezért köztük a csatolás J HaHb  0. Ha minden lehetséges csatolást számbaveszünk, látható, hogy mindkét proton három különböző partnerrel csatol. A H a mag lehetséges csatolásai J HaFa, J HaFb és J HaHb, míg H b esetében ezek J HbFa, J HbFb ésJ HbHa. Ebből következően több mint nyolc (2*2*2) lehetséges állapot lesz az energia- diagramban, azaz több lesz a lehetséges vonalak száma a spektrumban !

87 Mágneses ekvivalencia A CH 2 F 2 és F 2 C=CH 2 molekulák 1 H spektrumrészletei A CH 2 F 2 A 2 X 2 spinrendszert képez,  A>>  X, de F 2 C=CF 2 egy AA’XX’ rendszer. A két A mag kémiailag ekvivalens, de mágnesesen nem! Ugyanez igaz az X ( 19 F) magokra! Példák AA’XX’ spinrendszerekre: CH 2 F 2 H 2 C=CF 2

88 Homotópia, enantiotópia, diasztereotópia

89 Példa: Etilbenzol 1 H csatolt 13 C spektruma Részlet : alifás szénatomok jelei Részlet : aromás szénatomok jelei

90 Szélessávú protonlecsatolás A szélessávú protonlecsatolás kisérleti módszere a következő: Jellemzők: Egyszerű, egy-pulzus, majd adatgyűjtéses pulzusprogram Kétcsatornás méréstechnika : egy mérő- és egy lecsatoló csatorna alkalmazása. A lecsatolás a teljes mérési idő alatt be van kapcsolva. Következmény: Egyszerű, szingulett jeleket tartalmazó 13 C-NMR spektrum A kettősrezonancia folytán szükségszerűen fellépő hetero- nukleáris Overhauser effektus fellépése. Ez 1 H- 13 C magpár esetén pozitív, intenzitás-növekedés jelentkezik (max 2,5- szörös), tehát javul a jel/zaj viszony. { 1 H} 1 H: 13 C:

91 Szélessávú protonlecsatolt 13 C-NMR spektrum Annyi jel, ahány kémiailag nem- ekvivalens szénatom

92 APT (attached proton test)

93 DEPT kisérlet különböző   szögekkel Alkalmazás példa: pulegon  =  / 2 (90)esetében a CH szénatomok jelennek meg  = 3  / 4 (135) CH, esetében megkülönböztethetjük CH, CH 2 és CH 3 szénatomokat.

94 A DEPT módszer változatai DEPT-135 DEPT-45 DEPT-90

95 APT DEPT spektrumszerkesztés APT és DEPT összehasonlítás