NMR spektroszkópia (vegyész mesterkurzus: VEMKSI 4312S)

1. NMR spektroszkópia(vegyész mesterkurzus: VEMKSI 4312S) Homonukleáris korrelációs spektroszkópia (2D NMR, COSY, TOCSY) Szalontai Gábor 2010. február Pannon Egyetem Anyagmérnöki Intézet NMR Laboratórium

2. Adatfeldolgozás két- és többdimenzióban (abszolútérték és fázisérzékeny spektrumok, korrelációs spektroszkópia, COSY) • Két időváltozó függvényében felvett spektrumok • Az alapszekvencia • Fázis- és amplitudómoduláció • Két- és többdimenziós felvételek • Felbontás a két dimenzióban • Fourier transzformáció két dimenzióban • Keresztcsúcsok (az információ hordozói) • A jelek fázisa és sávalakja • A keresztcsúcsok finomszerkezete • Abszolútérték és fázisérzékeny spektrumok • Az ellentétes fázisú csúcsok törlődésének lehetősége • Súlyzás két dimenzióban • Ajánlott irodalom: Szalontai G. Mágneses magrezonancia. Egy- és kétdimenziós módszerek a kémiai szerkezetkutatásban • (egyetemi jegyzet CD-n, 2003)

3. Cél • A nagyobb molekulák bonyolultabb, sok átfedést tartalmazó spektrumainak jobb felbontása • Homonukleáris korrelációk detektálása

4. Szalontai Gábor: folyadékfázisú NMR 2D NMR:általánoskét-dimenziós alapelvek, kivitelezési eljárások

5. keveredés előkészítés kifejlődés(t1) mérés(t2) Kétdimenziós spektroszkópia, 2D Mérés két időváltozó (t1és t2 ) szerint…. Cél: - a spektrális felbontás javítása és ezáltal a spektrum információtartalmának lényegesen jobb hasznosítása … - a mérés hatékonyságának javítása (információ/idő tényező) … Eredmény: nagyobb molekulák váltak vizsgálhatóvá … Három- n-dimenziós spektroszkópia, 3D, nD ….

6. Kodein 2D (COSY) spektrum 1D spektrum A skalárisan csatolt magok között mutatja ki a korrelációkat a keresztcsúcsok segítségével …

7. Emlékeztető!

8. H6 F2 F2 (ppm) (ppm) 4.2 4.4 H5/H8 4.4 Nincs H5/H8 keresztcsúcs 4.6 4.6 4.8 H5 H5 4.8 5.0 H8 5.0 H8 5.2 5.2 5.4 5.4 5.6 H7 5.6 5.8 5.8 4.2 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 5.8 F1 (ppm) F1 (ppm) COSY kísérletek: továbbított (relayed) COSY (a) (b)

9. Kétdimenziós NMR: „bő” magok (1H, 19F, 31P, …) korrelációs spektroszkópiája, a COSY kísérlet (vektormodell) t1változó t2 állandó 90o(x) 90o(x) B1(90o)x Mz=Mcos2pnt1 Mx=Msin2pnt1 B1(90o)x

10. Triplett jelkifejlődés az akvizició, t2 alatt (vektormodell)

11. Triplett jelkifejlődés t1 alatt (vektormodell) • A második (mesterséges) dimenzióban megoldandó feladatok: • fázisállítás • szűrés • fázisreferencia

12. Fázismoduláció: 1D spektrumok eltérő t1 idővel felvéve .. • t1 alatt hatnak: • -kémiai eltolódás • skaláris csatolások • relaxáció • dipoláris csatolások

13. Kétszeres Fourier transzformáció t1és t2 szerint

14. Csak t2 szerint transzformált adathalmaz … Moduláció = skaláris csatolás

15. Egy AX spinpár viselkedésének kvantum mechanikai leírása lehetséges spin-sűrűség mátrixokkal vagy ún. szorzat operátorokkal J

16. n n n n 1 2 3 4 n n x a n n +n /2 n =(n +n /2, Két eltérő kémiai eltolódású mag = ( és 1 2) 3 4) a x n -n n -n amelyeket skaláris csatolás, J köt össze J = = 1 2 3 4 n n n n 1 2 3 4 Négy eltérő kémiai környezetű mag A t1 idő alatti frekvenciamoduláció eredménye: keresztcsúcs (a) (b) nincs moduláció ! (a) Csatolt spinpár (b) négy szingulett

17. t1 alatti modulációskaláris csatolás miatt 2 Hz 2 Hz

18. Abszolút érték vs.fázisérzékeny spektrumok • Cél: a J kapcsolatok felderítése abszolút érték spektrum (F1 dimenzió: alacsony felbontás, ~ 10-15 Hz) • Cél: a J csatolások nagyságának meghatározása és a passszív vagy aktív jellegének felderítése: fázisérzékeny spektrum (F1 dimenzió: magas felbontás ~ 1-3 Hz)

19. 1D: hagyományos vs. kvadratúr detekció

20. 1D: a kvadratúr detektálás: zajcsökkentés, frekvencia szűrés

21. „Egyszerű” vs. kvadratúr detekció

22. „Egyszerű” vs. kvadratúr detekció

23. Az eltérő hardverből adódó hibák eltűntetése:fázisléptetés

24. A Lorentz eloszlású 1D NMR jel alakjai • Ha külön detektáljuk őket a két forma tetszés szerinti arányban keverhető ! • abszorpciós Lorentz sávalak (W,Wo,l) = (l/(l2+(W-Wo)2) Félértékszélesség = 2l Magasság = 1/l • diszperziós Lorentz sávalak (W,Wo,l) = ((W-Wo)/(l2+(W-Wo)2)

25. 2D adatfeldolgozás • Képzetes (Imag.) és valós (Real.) vetületek (adathalmazok) jönnek létre mindkét dimenzióban (IR, II, RR és RI), ha az akvizíció az f1 –ben is „kétszeres” volt. • Választás : a fázisérzékeny spektrum esetében a valós - valós párosítás (RR) a legmegfelelőbb.

26. Súlyzás: a fázisérzékeny spektrum 2D jelalakjai

27. A 2D komplex Lorentz sávalak valós része: abszorpciós és diszperziós 1D Lorentz formák keveréke Ábra: 5.34 M.Levitt Spin Dynamics, 2002

28. A 2D komplex Lorentz sávalak imaginárius része: abszorpciós és diszperziós 1D Lorentz formák keveréke Eltérően az 1D esettől ezek a nem kívánatos, kevert formák nem szüntethetőek meg fáziskorrekcióval! Ábra: 5.35 M.Levitt Spin Dynamics, 2002

29. 2D: koszinusz és szinusz modulált jelalakok Ábra: 5.4 M.Levitt Spin Dynamics: normál 2D FT AX sávalakok, a gyakorlatban nem használhatóak!!

30. Tiszta abszorpciós fázisú 2D spektrumok: előállíthatóak bizonyos feltételek esetében • States eljárás: két 2D adathalmazt (1. koszinusz és 2. szinusz amplitúdó moduláció t1,t2 szerint) hoz létre. • Ezeket Fourier transzformálja t2 szerint. • A valós részekből alkot egy új komplex jelet. • Ennek t1 szerinti FT –a adja a 2D spektrumot, amelynek valós része tiszta abszorpciós fázisú!!

31. A States eljárással kapott tiszta fázisú, „fázisérzékeny” 2D spektrum jelalakjai 5.41 ábra: M.Levitt Spin Dynamics, Wiley, 2002

32. Az abszolútérték spektrumokjellemzői • Cél: a vicinális és geminális J kapcsolatok felderítése (két-, és három-kötéses csatolások alapján). F1 dimenzió: alacsony felbontás ~ 10-15 Hz, az F2 dimenzióban sem szükséges ennél jobb felbontás. Kicsi az időszükséglete (a gradiens segített változatban tipikusan 10-12 perc).

33. Súlyzás: abszolútérték spektrum esetében Szinuszos súlyzás …

34. Az fázisérzékeny spektrumokjellemzői • Cél: a vicinális és geminális J kapcsolatok felderítése (két-, és három-kötéses csatolások alapján) F1 dimenzió: jó felbontás, ~ 2-5 Hz F2dimenzió: itt sem szükséges ennél jobb felbontás Kétszeres az időszükséglete (a koszinuszos és szinuszos amp. modulált adathalmazok felvétele miatt)

35. Keresztcsúcsok: „fázisérzékeny” COSY esetén passzív csatolás aktív csatolás Ábra: M.Lewitt Spin Dynamics

36. Diagonális csúcs: diszperziós „fázisérzékeny” COSY Ábra: M.Levitt Spin Dynamics

37. A fázisérzékeny spektrum információtartalma és problémái

38. Példa a COSY spektrum értelmezésére: norbornadién

39. COSY (abszolútérték) értelmezés, ábrázolás: norbornadién kontúrtérkép J(BC) J(AB) J(AC)

40. COSY (abszolútérték) példák: pravastatin (amin só)

41. Példák: pravastatin H-1 NMR 400 MHz dmso-d6

42. Példa: pravastatin absz. érték COSY dmso-d6

43. COSY 90o-90o spektrum példa (pravast. absz.érték, kinagyítás)

44. Kvantumszűrt COSY változatok Két-kvantumszűrésű (DQF) fázisérzékeny -COSY (Kisérletileg DQF-COSY =NOESY=EXSY) (persze ennek következményei is vannak)

45. Két-kvantum szűrt COSY* spektrum példa (pravastatin só fázisérzékeny, kinagyítás) *Kvantumszűrés: azon koherenciák kiválasztása, amelyek léteztek az adott kvantumszinten (2,3,4 …). A két-kvantum szűrés csak az AX, AB, AX2, stb., (legalább két spin alkotta) spin-rendszereket hagyja meg! Tehát eltűnnek a spektrumok az A3, A2, stb. szingulett jelei, ami igen kellemes a kisebb intenzitású jelek detektálása szempontjából!

46. További COSY változatok • továbbított COSY → TOCSY • késleltetett COSY: kis csatolások detektálása • A csatolások előjelének meghatározása is lehetséges: COSY-45, E-COSY, stb.

47. Továbbított (relayed) COSY: három-spin rendszer (AMX) JAM, JMX, JAX=0 Hz) t=D/2= 1/2J t=D/2= 1/2J mérés(t2) X X p Kifejlődés (t1) X A harmadik 90(x) impulzus szétosztja az MX koherenciát az érintett átmenetek között: A-X keresztcsúcs jön létre! Az AM csatolás aktív (antifázisú) keresztcsúcsokat eredményez A rögzített D = J szünet alatt az MX csatolás is aktív (antifázisú) keresztcsúcsokat eredményez

48. Továbbított (relayed) COSY: három-spin rendszer (AMX) JAM, JMX, JAX=0 Hz) -CH2(A)-CH(M)-CH2(X)- Az A-ról X-re továbbított koherencia mennyisége arányos az alábbi kifejezéssel, ahol t a továbbításhoz rendelkezésre álló idő! sin2pJAMt*sin2pJMXt ha J = 7 Hzakkor t = 35 ms

49. Nagyon kis csatolások detektálása: késleltetett (delayed) COSY JAX< = vonalszélesség (0.1 -0.5 Hz) mérés(t2) X D (t1) X D ahol a jel a legnagyobb: tmax= (1/pJ)tan-1pJT2 A rögzített D szünet = 0.05 – 0.45 s Tulajdonképpen 2T2 –nyi akvizició kellene mindkét dimenzióban!

50. TOtal Correlation SpectroscopY (1) (R.Ernst. J.Magn.Res. 53, 521 (1983)) • Továbbított polarizáció-átvitel segítségével képes egy teljes spin-rendszer azonosítására a skaláris csatolásokon keresztül • Tiszta fázisú polarizáció-átvitel van (tehát az anti fázisú jelek törlődésének problémája (fázisérzékeny COSY) nem lép fel) • Az átvitel mértéke (előre (hátra) haladás) a keveredési idővel szabályozható!