Spektroskopija NMR cvstog stanja - pmf.unizg.hr · struktura polimorfa i pseudopolimorfa razlike u SSNMR spektrima razlike u SSNMR spektrima solvati signali otapala u SSNMR spektru

Spektroskopija NMR Spektroskopija NMR ččvrstog stanjavrstog stanja

Spektroskopija NMR čvrstog stanjaSpektroskopija NMR Spektroskopija NMR ččvrstog stanjavrstog stanja

13C NMR spektar alanina u otopini

13C NMR spektar (statični) alanina u čvrstom stanju

vremenski usrednjeni elemenatinuklearnog spinskog hamiltonijana; relativne veličine za čvrsto stanje i otopinu

međuspinske interakcije anizotropnogsu karaktera

(3cosθθθθ − 1) orijentacijska ovisnost

međuspinske interakcije anizotropnogsu karaktera


� široki signali u NMR spektrima čvrstih tvari u usporedbi s uskim signalima otopina

�u otopini brza reorijentacija molekula : <3cosθθθθ − 1> → 0

Međuspinske interakcijeMeđuspinske interakcije

međuspinske interakcije anizotropnogsu karaktera(orijentacijski ovisne)

TENZORI 2. REDA

nuklearne spinske interakcije

električne magnetne

kvadrupolnosprezanje

kemijski pomak spin-spin sprezanje

izotropnikemijski pomak

anizotropijakemijskog pomaka

J-sprezanjedipolno

sprezanje

Principal axis frame (PAF)Principal axis frame (PAF)

Osnovni koordinatni sustav (principal axis frame, PAF); definicija glavnih komponenti xPAF, yPAF i zPAF te Eulerovih kuteva φφφφ i θθθθ.

xx xy xz

yx yy yz

zx zy zz

0 0

0 0

0 0

PAF

PAF

PAF

x

y

z

Principal axis frame (PAF)zPAF → najveća komponenta

elipsoid

Anizotropija kemijskog pomakaAnizotropija kemijskog pomaka

� kemijski pomak δδδδ rezultat je interakcije nuklearnog spina i lokalnog vanjskog magnetnog polja posredstvom elektrona

� budući da elektroni u okolini jezgre, kao električki nabijene čestice, posjeduju magnetni moment, vanjsko magnetno polje, B0, inducira stvaranje slabih magnetnih poljaelektrona, Bind (≈1×10-6 B0), koje mijenjaju efektivno magnetno polje koje određena jezgra osjeća

Bind = σσσσ B0

Bloc = B0 − Bind = B0 (1 − σσσσ)

σ = konstanta zasjenjenja

� anizotropija kemijskog pomaka (zasjenjenja) posljedica je nesferične raspodjele elektrona u okolini jezgre

� rezonancijska frekvencija jezgre određena orijentacijom elektronskog oblaka (odnosno molekule) u odnosu na vanjsko magnetno polje B0


( )2 20

13cos 1 sin cos2

2CS z iso CSAH γB I θ η θ φδ δ = + − +

( )11 22 33

1

3PAF PAF PAF

isoδ δ δ δ= + +

33PAF

CSA isoδ δ δ= −

( )11 22 33PAF PAF PAFη δ δ δ= −

33 22 11PAF PAF PAFδ δ δ≤ ≤

izotropni kemijski pomak

anizotropija

asimetrija

( )2 213cos 1 sin cos 2

2iso CSA θ η θ φδ δ δ= + − +

� hamiltonijan kemijskog pomaka kao zbroj izotropnog i anizotropnog doprinosa

otopina → δδδδiso

• brza molekulska gibanja (translacije, rotacije):anizotropni doprinos→ 0

σσσσiso

σσσσiso

σσσσiso

kubi čna simetrija

neaksijalna simetrija

aksijalna simetrija


utjecaj asimetrije tenzora zasjenjenja na pojavnost NMR signala

utjecaj asimetrije tenzora zasjenjenja na pojavnost NMR signala

Dipolne interakcijeDipolne interakcije

� dipolno sprezanje posljedica je direktne interakcije jednog nuklearnog spina s magnetnim poljem drugog nuklearnog spina, i obratno (interakcija kroz prostor)

z

y

x

11HH

1313CC

θθθθBB00

r( )2

IS z z3cos 1H d I Sθ= − −

034I S

IS

dr

µ γ γπ

=

h

( ) ( )( )21 2 1 21 2 3cos 1 3II z zH d I I I Iθ= − − − ⋅

1 2

20

34I

I I

dr

µ γπ

=

hkonstanta

dipolne sprege

konstantadipolne sprege

heteronuklearnoheteronuklearno homonuklearnohomonuklearno

r−3

strukturna informacija

� jakost dipolne sprege proporcionalna d (γγγγ, r)

� u otopini brza reorijentacija molekula : <3cosθθθθ − 1> → 0

Nuklearni par Udaljenost jezgri d1H, 1H 10 Å 120 kHz1H, 13C 1 Å 30 kHz1H, 13C 2 Å 3.8 kHz

Dipolne interakcijeDipolne interakcije

Pakeov dublet dvaju spinova u dipolarnoj interakciji

� 2 komplementarna signala odgovaraju paralelnoj i antiparalelnoj orijentaciji spinova

� intenzitet određene točke na krivulji mjera je populacije određene orijentacije molekula

� udaljenost između maksimuma dubleta odražava konstantu dipolarne sprege

� d (54,7º) = 0

homonuklearnohomonuklearno ( )20

33cos 1

4d θν ν= ± −

3/2 dsve orijentacije spektar praha

homonuklearnohomonuklearno ( )20

33cos 1

4d θν ν= ± −

3/2 dsve orijentacije spektar praha

( ) ( )20

13cos 1

2I Id θν ν= ± −heteronuklearnoheteronuklearno ( ) ( )2

0

13cos 1


0

13cos 1


0

13cos 1

2I Id θν ν= ± −heteronuklearnoheteronuklearno

Kvadrupolne interakcijeKvadrupolne interakcije

� kvadrupolne jezgre, I > 1/2, karakterizira asimetrična raspodjela nukleona, tj. nesferična raspodjela pozitivog električnog naboja

� nuklearni električni kvadrupolni moment, Q, interagira s gradijentima električnog polja u molekuli koje generiraju okolni elektroni

� kvadrupolne interakcije uzrokuju promjene Zeemanovih energijajezgre

� jakost kvadrupolne interakcije→ konstanta kvadrupolne sprege, ωQ

e= naboj elektronaeq= z- komponenta gradijenta električnog polja( )

3

2 2 1Q

eq eQ

I Iω =

− h

Zeemanoveenergije

(1)

(1)

Q

Q

H

ω

+

∝ ( )

(2)

2(1)

0

Q

Q

H

B

ω

+

∝

satelitski prijelaz

centralni prijelaz

satelitski prijelaz

Zeemanoveenergije

(1)

(1)

Q

Q

H

ω

+

∝ ( )

(2)

2(1)

0

Q

Q

H

B

ω

+

∝

Zeemanoveenergije

(1)

(1)

Q

Q

H

ω

+

∝ ( )

(2)

2(1)

0

Q

Q

H

B

ω

+

∝

satelitski prijelaz

centralni prijelaz

satelitski prijelaz


� kvadrupolna interakcija obuhvaća interakciju prvog i drugog reda

(1) (2)Q Q QH H H= +

( )2(1)

(2)

02Q

Qωω

ω=( )

(1) 3

2 2 1Q

eq eQ

I Iω =

− h >>>

� kvadrupolna interakcija drugog reda značajna za jezgre s velikom ωQ

(1)

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

(1)QH+ (2)

QH+

(1)QH+ (2)

QH+

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

I=

1I

= 3

/2

Zeeman

Zeeman

(1)QH+ (2)

QH+

(1)QH+ (2)

QH+


� rezultat kvadrupolne interakcije prvog reda su multipleti signala kvadrupolne jezgre

( )(1)

(1) 2 23cos 1 sin cos 22Q

Q θ η θ φω

ω∆ = − +

I = 5/2

� tekućine: � anizotropija uprosječena uslijed brzih

molekulskih gibanja� kvadrupolne jezgre brzo relaksiraju,

rezultat čega su široki signali

� kvadrupolna interakcija prvog reda ne utječe na centralni prijelaz (+1/2 → –1/2) jezgri I > 1

� satelitski prijelazi pomaknuti su za iznos proporcionalan ∆ωQ

(1) te su uslijed orijentacijske ovisnosti u pravilu preširoki da bi se mogli opaziti


� orijentacijska ovisnost kvadrupolne interakcije drugog reda znatno složenija od one prvog reda(nije tenzor drugog reda)

� kvadrupolna interakcija drugog reda utječe na centralni prijelaz što rezultira jako širokim signalima u NMR spektrima

� konstanta ωQ(2) obrnuto je proporcionalna

jakosti vanjskog magnetnog polja B0

↓smanjenje doprinosa kvadrupolnih interakcija drugog reda primjenom jačeg magnetnog polja

I = 5/2

Spektroskopija NMR čvrstog stanjaSpektroskopija NMR Spektroskopija NMR ččvrstog stanjavrstog stanja

interakcija električnog kvadrupolnog momenta jezgre s gradijentima električnog polja u molekuli

prostorna interakcija spinova jezgri

interakcija spinova jezgri posredstvom veznih elektrona

interakcija spina jezgre i lokalnog magnetnog polja posredstvom

elektrona

Fizikalna osnova

01 – 10 MHzgeometrijakvadrupolna sprega (I > 1/2)

010 – 100 kHzprostorna udaljenostdipolna sprega

J1 – 100 Hzkemijska vezaindirektna (skalarna) sprega

σiso10 kHzkoordinacijski brojvezni kutevi i udaljenosti

anizotropija kemijskog pomaka

Izotropna vrijednost

Red veličineInformacijaNMR interakcija

Utjecaj NMR interakcija na pojavu NMR spektara u izotropnim (tekućina)i anizotropnim (čvrsto stanje) uvjetima

Utjecaj NMR interakcija na pojavu NMR spektara u izotropnim (tekućina)i anizotropnim (čvrsto stanje) uvjetima

SSNMR visoke rezolucijeSSNMR visoke rezolucijeSSNMR visoke rezolucije

� SSNMR visoke rezolucijezahtijeva primjenu tehnika za:

� uklanjanje (smanjenje) anizotropnih NMR interakcija

� povećanje osjetljivosti (omjera signal/šum) jezgri s malom prirodnom zastupljenošću i malom žiromagnetnom konstantom γ (13C, 15N)

� povećanje efikasnosti spin-rešetka relaksacije (skraćivanje vremena relaksacije, a time i vremena potrebnog za izvođenje eksperimenta)

� tehnike suvremene SSNMR visoke rezolucije temelje se na mehaničkim (prostornim) i spinskim (radiofrekventni pulsevi) manipulacijamačvrstih tvari

� odabir tehnike uvjetovan je prirodom promatranog spinskog sustava, a time i vrstom i jakošću prisutnih NMR interakcija

DOR (eng. DOubleRotation)DAS (eng. Dynamic Angle Spinning)MQ-MAS tehnika (eng. Multiple-Quantum Magic Angle Spinning)

WAHUHA (eng. WAugh-HUber-HAberlen)MREV-8 (eng. Mansfield-Rhim-Elleman-Vaughn)CRAMPS (eng. Combined Rotation and Multiple Pulse Spectroscopy)

MAS (eng. Magic Angle Spinning)CP-MAS (eng.Cross Polarization Magic Angle Spinning)

SSNMR eksperiment

I > 1/2(2H, 14N)

I =1/2, velika γ(1H, 19F)

I =1/2, mala γ(13C, 15N, 29Si, 31P, 113Cd)

Jezgra

Vrtnja pri magičnom kutu (MAS)Vrtnja pri magiVrtnja pri magiččnom kutunom kutu (MAS(MAS)

� u otopini brza reorijentacija molekula:<3cosθθθθ − 1> → 0

HIS ,HII

HCS (aksijalna simetrija, asimetrija = 0)

HQ(1) (aksijalna simetrija, asimetrija = 0)


(3cosθ − 1) = 0za θθθθ = 54,7º; magični kut

� MAS : vrtnja praškastog uzorka u cilindričnom rotoru pod kutem θθθθ = 54,7º (magični kut) u odnosu na vanjsko magnetno polje B0

� supresija anizotropne interakcije zahtijeva vrtnju frekvencijom većom od anizotropije same interakcije(tj. širine linije uzrokovane anizotropnom interakcijom)

� kao rezultat vrtnje frekvencijom manjom od CSA javljaju se dodatni signali(eng. sidebandovi) u spektru, udaljenost kojih je jednaka brzini vrtnje

oponašanje izotropnog gibanja molekula u otopini

oponašanje izotropnog gibanja molekula u otopini


Utjecaj MAS na CSA različite simetrijeUtjecaj MAS na CSA različite simetrije

Vrtnja pri magičnom kutu (MAS)Vrtnja pri magiVrtnja pri magiččnom kutunom kutu (MAS(MAS)fr

ekve

ncija

vrt

nje

(kH

z)

rezonancijska frekvencija (kHz)

frek

venc

ija v

rtnj

e (k

Hz)

rezonancijska frekvencija (kHz)

Utjecaj brzine vrtnje na CSA i pojavu „sidebandova”

Utjecaj brzine vrtnje na CSA i pojavu „sidebandova”

� „sidebandovi” (dodatni signali) u spektru kao rezultat vrtnje frekvencijom manjom od CSA

� „sidebandovi” su linije u spektru udaljenost kojih je jednaka frekvenciji vrtnje

� porastom frekvencije rotacije smanjuje se broj rotacijskih „sidebandova”

� izotropni kemijski pomak je jedini signal u spektru koji ne mijenja poziciju s promjenom frekvencije vrtnje


3.8 kHz2 Å1H, 13C

30 kHz1 Å1H, 13C

120 kHz10 Å1H, 1H

dUdaljenost jezgriSpinski par

Utjecaj MAS-ana homonuklearnudipolnu spregu

Utjecaj MAS-ana homonuklearnudipolnu spregu

� jako je teško ukloniti dipolnuspregu protona u čvrstom stanju (potrebna je jako brza vrtnja)

•• 1H 90o puls generira xy-magnetizaciju (B 1H)

• Spin-lock puls zadržava magnetizaciju u xy-ravnini

brzina precesije γγγγHB1H

• 13C puls generira xy-magnetizaciju

brzina precesije γγγγCB1C

• Prijenos polarizacije : kontaktno vrijeme (ms)

Hartmann Hahn uvjet γγγγHB1H = γγγγCB1C

Križna polarizacija uz vrtnju pri magičnom kutu (CP-MAS)KriKri žžna polarizacija uz vrtnju pri magina polarizacija uz vrtnju pri magiččnom kutu (CPnom kutu (CP--MAS)MAS)

� CP-MAS: križna polarizacija (CP) + MAS + rasprezanje

� CP: povećanje osjetljivosti (intenziteta signala) jezgri s malom konstantom γ (13C, 15N) prijenosom magnetizacije jezgri s velikom konstantom γ (1H)

� maksimalno povećanje intenziteta: γH/ γC

� jezgre su dipolno spregnute

� rasprezanjeuklanja heteronuklearnu dipolnuiskalarnu spregu

� homonuklerna dipolna sprega nije značajna za prirodno slabo zastupljene jezgre

Laboratorijski sustav:

ω0H > ω0C

Dvostruko rotiraju ći sustav:ω1H ω1C

ω0H ω0C

ω1H ω1Cpolarizacijapolarizacija≈

Laboratorijski sustav:

ω0H > ω0C

Dvostruko rotiraju ći sustav:ω1H ω1C

ω0H ω0C

ω1H ω1Cpolarizacijapolarizacija≈

Križna polarizacija uz vrtnju pri magičnom kutu (CP-MAS)KriKri žžna polarizacija uz vrtnju pri magina polarizacija uz vrtnju pri magiččnom kutu (CPnom kutu (CP--MAS)MAS)

Utjecaj CP i rasprezanja na osjetljivost (signal/šum) 13C NMR spektra

Utjecaj CP i rasprezanja na osjetljivost (signal/šum) 13C NMR spektra

Utjecaj MAS i rasprezanja na rezoluciju 13C SSNMR spektraUtjecaj MAS i rasprezanja na rezoluciju 13C SSNMR spektra

SSNMR spektrometarSSNMR spektrometarSSNMR spektrometar

� prilagođen magnet i elektronika

� MAS proba (1H/X ili 1H/X/Y)

� ZrO2 rotori

� brzina vrtnje ovisi o promjeru rotora i vrsti eksperimenta

� pneumatička vrtnja: 1 – 35 kHz(i statični eksperimenti)

� temperaturni interval: -150 do +250 ºC

Primjena SSNMRPrimjena SSNMR

� Određivanje strukture molekula

� Dinamika u čvrstom stanju

� Određivanje strukture proteina

� Konformacijska analiza

� Stakla, polimeri, supravodljivi materijali

� Anorganska strukturna kemija

� Polimorfija i pseudopolimorfija (solvati)

� Fizika čvrstog stanja

� Kvantitativna analiza

Identifikacija polimorfa i solvataIdentifikacija polimorfa i solvataIdentifikacija polimorfa i solvata

13C δ / ppm13C δ / ppm

� promjene u molekulskoj konformaciji i/ili lokalnoj elektronskoj strukturi odražavaju se promjenama u kemijskom pomaku NMR-aktivnih jezgri

� različita kristalna struktura polimorfa i pseudopolimorfa

razlike u SSNMR spektrima

razlike u SSNMR spektrima

� solvati

signali otapala u SSNMR spektru

signali otapala u SSNMR spektru

polimorfi i solvati tranilasta

polimorfi i solvati tranilasta

15N δ (ppm u odnosu na nitrometan)15N δ (ppm u odnosu na nitrometan)15N δ / ppm (prema nitrometanu)15N δ (ppm u odnosu na nitrometan)15N δ (ppm u odnosu na nitrometan)15N δ / ppm (prema nitrometanu)

Identifikacija polimorfa i solvataIdentifikacija polimorfa i solvataIdentifikacija polimorfa i solvata

15N SSNMR spektri polimorfa tranilasta

15N SSNMR spektri polimorfa tranilasta

Amorfni obliciAmorfni obliciAmorfni oblici

kontrola procesa kristalizacije

kontrola procesa kristalizacije

� signali amorfnih tvari širi su u odnosu na signale SSNMR spektara kristaliničnih čvrstih tvari kao posljedica neuređenosti amorfnih sustava (superpozicija brojnih orijentacija molekula u uzorku)

13C δ / ppm13C δ / ppm

nifedipin

kristalni oblik

amorfni oblik

Kvantitativna analizaKvantitativna analizaKvantitativna analiza

� NMR signal direktno povezan s relativnim brojem ekvivalentnih atoma prisutnih u uzorku

� kvantitativna analizu heterogenih smjesa (smjesa polimorfa, smjesa kristalinične i amorfne krutine, formulirani lijek i dr.) s granicom detekcije manjom odw(sastojak, uzorak) = 1 %.

� uporaba unutarnjeg standarda

reduciran (uklonjen) utjecaj brojnih čimbenika koji utječu na apsolutni intenzitet NMR signala

13C CP-MAS spektar simuliranog lijeka koji sadrži w = 5 % bambuterol-hidroklorida (BHC)

u smjesi s laktozom, terbutalin-sulfatom (TBS) te magnezijevim stearatom (unutarnji standard)

13C CP-MAS spektar simuliranog lijeka koji sadrži w = 5 % bambuterol-hidroklorida (BHC)

u smjesi s laktozom, terbutalin-sulfatom (TBS) te magnezijevim stearatom (unutarnji standard)

Documents

Spektroskopija NMR cvstog stanja - pmf.unizg.hr · struktura polimorfa i pseudopolimorfa razlike u SSNMR spektrima razlike u SSNMR spektrima solvati signali otapala u SSNMR spektru