parzysta lub nieparzysta Założenie – jądro = kula posiadająca ładunek dodatni wykonująca ruch wirowy. Z ruchem wirowym związany jest wektor momentu pędu tzw. SPIN JĄDROWY – P Wielkość spinu jądrowego zależy od KWANTOWEJ LICZBY SPINOWEJ – I, która dla różnych jader może mieć wartości: 0, 1/2, 1, 3/2, itd. Często potocznie spin jądrowy określa się kwantową liczbą spinową, np. proton ma spin 1/2. Wartość kwantowej liczby spinowej zależy od liczby protonów i neutronów w jądrze: Liczba masowa Liczba atomowa Liczba spinowa, I Przykład jądra nieparzysta parzysta lub nieparzysta 1/2, 3/2, 5/2 … I = 1/2: 1H, 13C, 31P, 19F, 15N parzysta 12C, 16O 1, 2, 3 … I = 1 14N, 2H Jądra o niezerowej wartości spinu (I  0) wykazują właściwości magnetyczne; są dipolami magnetycznymi o pewnym momencie magnetycznym - :  =  P - WSPÓŁCZYNNIK MAGNETOGIRYCZNY. Określa wielkość dipola magnetycznego jądra i jest cechą charakterystyczną danego jądra. Jądrowy dipol magnetyczny umieszczony w polu magnetycznym może przyjmować tylko ściśle określone położenia. Dozwolone są takie ukierunkowania, dla których spełniony jest warunek: Pz = mI h/2, gdzie mI – MAGNETYCZNA LICZBA KWANTOWA przybierająca wartości I, I-1, I-2, … -I.

Liczba dozwolonych ustawień i poziomów energetycznych N dla izolowanego jądra zależy od wartości I: N = 2I + 1 Dla jąder o I = 1/2, np. 1H, możliwe są dwa poziomy energetyczne mI = +1/2 i mI = -1/2.

Dla jąder o I = 1, np. 2H, możliwe są trzy poziomy energetyczne Liczba dozwolonych ustawień i poziomów energetycznych N dla izolowanego jądra zależy od wartości I: N = 2I + 1 Dla jąder o I = 1, np. 2H, możliwe są trzy poziomy energetyczne mI = +1, mI = 0 i mI = -1

Energia oddziaływania jądrowego momentu magnetycznego protonu z polem o indukcji magnetycznej B0 wynosi - zB0 z =  Pz Pz = -1/2(h/2) lub Pz = +1/2(h/2) E = -1/2 (h/2) B0 E = +1/2 (h/2) B0 E = (h/2)  B0 = h Warunek rezonansu: n = (1/2)  B0 Prawo Boltzmanna: N/N = exp(-E/kT)  1 – (h/2) B0/kT W temperaturze 300 K dla B0 = 7,06 T (300 MHz) N-N = 25 na 106 jąder dla B0 = 1,41 T (60 MHz) N-N = 5 na 106 jąder

ISTOTA NMR m + no = (1/2p)gBo moment magnetyczny P moment pędu wirujące jądro 1H m = gP E2 – E1 = hno = (h/2p)gBo no = (1/2p)gBo B o b, E2, wyższa energia, mniejsza populacja E ...... E2 – E1 a, E1, niższa energia, większa populacja . ..... Bo = 0 Bo > 0 We współczesnych spektrometrach stosuje się magnesy o takich wartościach indukcji magnetycznej Bo, że protony absorbują promieniowanie z zakresu UKF (200-600…? MHz)

WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE WYBRANYCH JĄDER   Jądro Spin I Zawartość naturalna [%] Częstotliwość rezonansowa [MHz] (Bo=2.3488 T) Współczynnik żyromagnetyczny [107 rad T-1 s-1] 1H 1/2 99.98 100.000 26.7519 2H 1 0.016 15.351 4.1066 12C 98.90 - 13C 1.108 24.144 6.7283 14N 99.63 7.224 1.9338 15N 0.37 10.133 -2.712 16O 99.96 19F 100.00 94.077 25.181 29Si 4.70 19.865 -5.3188 31P 40.481 10.841  

POWSTAWANIE SYGNAŁU NMR B z z z z m r f y y y y x x x x z z relaksacja podłużna y y mz = m0(1-e-t/T1) x x

FORMY ZAPISU SYGNAŁU NMR FID (free induction decay) Transformacja Fouriera

PRZESŁANIANIE JĄDER PRZEZ ELEKTRONY powstałe pole magnetyczne B’ przysłanianie = ekranowanie H cyrkulacje elektronowe Befekt = Bo – B’ no = (1/2p)gBefekt B o H C H H 2 Jądra wodoru „odczuwają” silniejsze pole Befekt w chlorku metylu niż w metanie

ANIZOTROPIA MAGNETYCZNA PIERŚCIENIA AROMATYCZNEGO indukowane pole B’ prąd kołowy H H B0

ANIZOTROPIA MAGNETYCZNA -1.8 +8.9 ppm [18]-annulen

FORMY ZAPISU SYGNAŁU NMR FID (free induction decay) t Transformacja Fouriera 6.60 6.80 7.00 7.20 7.40 7.60 7.80 8.00 8.20 n

DEFINICJA SKALI WIDM NMR TMS = Si(CH3)4

NAJCZĘŚCIEJ STOSOWANE ROZPUSZCZALNIKI Wzór dH[ppm] związku monoprotonowanego Chloroform –d CDCl3 7.26 Sulfotlenek dimetylowy-d6 (CD3)2SO 2.49 Acetonitryl-d3 CD3CN 1.95 Aceton-d6 (CD3)2CO 2.05 Benzen-d6 C6D6 7.28 „Ciężka woda” D2O 4.72 Kwas trifluorooctowy-d CF3CO2D 11.6  

TYPOWE ZAKRESY PRZESUNIĘĆ CHEMICZNYCH Typ związku d [ppm] Alkil-CH3 0.90 C=C-H 4.50 –7.00 Alkil-CH2-Alkil 1.25 Aromatyczne 6.50 – 8.50 (Alkil)3CH 1.50 Aldehydowe 9.30 – 10.00 N-CH3 C=C-CH3 1.70 – 3.00 Kwasowe Enolowe > 10.00 O-CH3 3.00 – 4.50

ELEKTROUJEMNOŚĆ PODSTAWNIKA A PRZESUNIĘCIE CHEMICZNE CH3 Typ związku d [ppm] CH3-Al -0.30 CH3-Si 0.00 CH3-C 0.90 CH3-N 2.25 CH3-O 3.35 CH3-F 4.26

WZÓR SHOOLERY’EGO dCH2 = 0.23 + S deff Podstawnik deff [ppm] -CH3 0.47 Cl 2.53 -CR=CR’R’’ 1.32 Br 2.33 -CR=O 1.70 I 1.83 -C6H5 -OH 2.56 -COOR 1.55 -OR 2.36 -CN -OCOR 3.13 -NR’R’’ 1.57

WIDMO PROTONOWE OCTANU BENZYLU dCH2 = 0.23 + 1.83 + 3.13 = 5.19 ppm dCH3 = 0.23 + 1.55 = 1.78 ppm 1.95 ppm 4.95 ppm

WIDMO PROTONOWE OCTANU ETYLU Ustawienie spinów protonów A Eb – Ea dla protonów X Wygląd widma protonów X DE’ = hn’ DE’’ = hn’’ DE’’’ = hn’’’ n ‘ n ‘‘ n ‘’’ 3JAX 3JAX

MULTIPLETOWOŚĆ SYGNAŁÓW Typ układu Ustawienie spinów X Wygląd widma protonów Ap Nazwa Przykład   Ap singlet CH3I ApX dublet CH3CHO ApX2 tryplet CH3CH2OR ApX3 kwartet CH3CH2OH ApX6 septet CH3CHICH3  

WICYNALNE STAŁE SPRZĘŻENIA SPINOWO-SPINOWEGO -zawsze 3JH,H > 0 -zależą od: -kąta dwuściennego H-C-C-H -podstawników -odległości między atomami -kąta H-C-C 6 do 10 Hz H a 3Ja,a = 7 do 9 Hz 3Ja,e~ 3Je,e = 2 do 5 Hz H e H H H e H a H 3 do 6 Hz H

ZALEŻNOŚĆ STAŁEJ 3JH,H OD KĄTÓW MIĘDZY WIĄZANIAMI 2 4 6 8 10 12 14 16 20 40 60 80 100 120 140 160 180 kąt dwuścienny F J [Hz] 3JH,H 8,8-10,5 5,1-7,0 2,5-4,0 0,5-2,0 Hz

WICYNALNE STAŁE SPRZĘŻENIA SPINOWO-SPINOWEGO X-CH2-CH3 X 3J(H,H) Li 8.4 H 8.0 CH3 7.3 Cl 7.2 OR 7.0 X 3Jcis 3Jtrans Li 19.3 23.9 H 11.6 19.1 Cl 7.3 14.6 OCH3 7.1 15.2 F 4.7 12.8

GEMINALNE STAŁE SPRZĘŻENIA SPINOWO-SPINOWEGO -zwykle 2JH,H < 0 -zależą od: -kąta H-C-H -hybrydyzacji atomu węgla -podstawników H H H H Q C H H H H 2JH,H [Hz] -11 do –14 -2 do –5 +3 do –3 Q 1090 1200 1200 przykład metan cyklopropan eten -12.4 -4.5 +2.5

Elektroujemność wg Paulinga GEMINALNE STAŁE SPRZĘŻENIA SPINOWO-SPINOWEGO X 2J [Hz] Elektroujemność wg Paulinga Li +7.1 1 H +2.5 2.2 Cl -1.4 3.0 OCH3 -2.0 3.5 F -3.2 4.0 Związek 2J [Hz] CH4 -12.4 CH3Cl -10.8 CH2Cl2 -7.5 H2C=O +41

SPRZĘŻENIE SPINOWO-SPINOWE DALEKIEGO ZASIĘGU 1. Układy alifatyczne – konformacja W (0.1 – 3 Hz) H c H a C 2. Układy allilowe (0 – 3 Hz) H b 3. Układy homoallilowe (1 – 1.5 Hz) 4. Układy benzylowe (0 – 2 Hz) 5. Wiązanie potrójne (2.5 – 3 Hz)

UKŁAD SPINOWY SŁABO (AX) I SILNIE (AB) SPRZĘŻONY 2 3 1 UKŁAD SPINOWY SŁABO (AX) I SILNIE (AB) SPRZĘŻONY 4 nA =1/2(n1 + n2) nB=1/2(n3 + n4) AX 16 nA nB 2 3 10 1 4 2 DnAB= [(n1-n3)2+(n1-n2)2]1/2 AB DnAB n1-n2 = JAB nA nB A2 [Hz]

UKŁAD SPINOWY AMX dH3 dH1 dH2 J1,3 J1,2 J1,2 J1,3 J2,3 J1,3 J2,3 J2,3 Dd1,3 = 40 Hz Dd1,2 = 42 Hz J1,3 J1,2 J1,2 J1,3 J2,3 J1,3 J2,3 J2,3 J2,3 J1,2 = -5.9 Hz J1,3 = 4.0 Hz J2,3 = 2.5 Hz 1H NMR (CDCl3) 3.35 (dd, 1H, H3, JH3,H1= 4.0 Hz, JH3,H2= 2.5 Hz), 2.96 (dd, 1H, H1, JH1,H2= -5.9 Hz), 2.56 (dd, 1H, H2)

UKŁAD SPINOWY AM2X3 O C C H C H H 2 3 0.4 0.8 1.2 12 11 10 9 8 7 6 5 4

UKŁADY SPINOWE AX2  AB2 nB = n6 nA = (n2+n4)/2 J = (n5-n8+n1-n3)/3 JAB = 7 Hz AB2 DnAB = 6 Hz 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 4 3 2 1 5 6 7 8 DnAB = 30 Hz AX2 30 20 10 -10 DnAB = 500 Hz 500 Hz (t1) 400 300 200 100

UKŁADY SPINOWE A2B i A2X 3 4 5 2 1 6 7 90 MHz 8 nB = n6 nA = (n2+n4)/2 7.10 7.00 6.90 6.80 6.70 6.60 6.50 6.40 nB = n6 nA = (n2+n4)/2 J = (n5-n8+n1-n3)/3 1+2 3+4 6 7 300 MHz 8 5 7.10 7.00 6.90 6.80 6.70 6.60 6.50 6.40

UKŁADY SPINOWE AA’BB’ i AA’ XX’ 24 linie spektralne DnAB = 5 Hz JAB = 7 Hz HA i HA’ – równocenne chemicznie, ale nierównocenne magnetycznie, bo chociaż dA = dA’ to np. JA,B  JA’,B AA’XX’ 20 linii spektralnych DnAB = 150 Hz 8.00 7.90 7.80 7.70 7.60 7.50

UKŁAD SPINOWY AA’BCC’

UKŁAD SPINOWY AA’BCC’

SPRZĘŻENIA DALEKIEGO ZASIĘGU

WIDMO PROTONOWE METANOLU -40 0C -6 0C 0 0C +40 0C

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 2.1 1.9

OKREŚLANIE SKŁADU MIESZANINY (6.6+2.6)/7=1.31 (2.0+3.0+2.1+2.3+3.0)/12=1.03 Stosunek molowy = 1.31:1.03 = 1.3:1

PODSTAWNIKI DIASTEREOTOPOWE Związek chiralny L-walina

PODSTAWNIKI DIASTEREOTOPOWE Związek achiralny 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8

CH3 CH3 + CH3 CH3

19F NMR C O H N P h F ( R ) S C O H H H N O C H F C O C H P h ( R ) ( 2 H 3 N P h F ( R ) S C O H 2 H H N O C H 3 F C O C H 3 3 P h ( R ) ( R )

NUCLEAR OVERHAUSER EFFECT WIDMO „NOE difference” CH3 CH3 sygnał naświetlany standardowe widmo 1H NMR widmo różnicowe

1 2 3

COrrelated SpectroscopY CH3 OH CH3 H + H CH zanieczysz- czenie

a-D-galktopiranozylo-(12)-chiro-inozytol

6’ 4’ 3 1 6 5’ 4 2 3’ 2’ 5’ 4 6’ 3 5 2’ 1’ 2 d1’=5.02 ppm 3’ 4’ 6 5’ 1

Efekt Overhausera może wzmocnić sygnał 13C nawet trzykrotnie SPEKTROSKOPIA 13C NMR P = (h /2p)[I(I+1)]1/2 m = gxP I(1H) = ½ I(12C) = 0 I(13C) = ½ g(1H) = 25.75 g(13C) = 6.73 DE(a-b) = (ghB0)/2p naturalna zawartość 13C w przyrodzie – 1.1% CZUŁOŚĆ 1H = 5600xCZUŁOŚĆ 13C Efekt Overhausera może wzmocnić sygnał 13C nawet trzykrotnie Max. krotność wzmocnienia = [1 + gH/(2gC)] = 1 + 26.75/2x6.73 = 2.99 Czas realaksacji T1 dla 1H – kilka sekund, dla 13C – od kilku do kilkudziesięciu sekund mz = m0(1-e-t/T1)

SYGNAŁY ROZPUSZCZALNIKÓW I(D) = 1 CDCl3 CD3COCD3 1 B0 J(D,13C) = 19.5 Hz J(D,13C) = 31.5 Hz -1

ZAKRESY WYSTĘPOWANIA SYGNAŁÓW 13C MRJ

WIDMO 13C NMR ODSPRZĘŻONE (A) I SPRZĘŻONE Z PROTONAMI (B) 7 5 4 2 A 1 6 3 1JH7,C7=129,4 Hz B 2JH7,C6=6,4 Hz

WIDMO PROTONOWE KROTONIANU ETYLU 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 1.0 1.0 2.0 3.0 3.0

WIDMO COSY KROTONIANU ETYLU

WIDMO 13C NMR KROTONIANU ETYLU

WIDMO HETCOR KROTONIANU ETYLU WIDMO 13C

ZADANIE 3 C9H12

ZADANIE 3 C9H12

ZADANIE 3 C9H12

ZADANIE 7 C6H10

ZADANIE 7 C6H10

ZADANIE 7 C6H10

ZADANIE 14 C8H6O2

ZADANIE 14 C8H6O2

ZADANIE 17 C9H10O3

ZADANIE 17 C9H10O3

ZADANIE 17 C9H10O3

ZADANIE 27 C8H19N

ZADANIE 27 C8H19N

C6H10O2

C6H10O2

C10H12O2

C7H8O

C9H10O2

4 7 1 5 2 6 4 3 endo egzo 7 1 6 5 2 3

exp = a(ref – xendo  endo – xegzo  egzo) L. p. xendo xexo a ref [ppm] Odchylenie stantardowe Współczynnik korelacji 1 1.0 0.0 0.9766 180.7 0.92 0.9999 2 0.9726 181.9 5.18 0.9979 3 0.90 0.10 0.9767 180.8 0.71 1.0000

Tyrozynemia typu I H O N C F O O O H H O 3 2 NTBC alanina tyrozyna aminotransferaza tyrozynowa kwas 4-hydroksypirogronowy HPPD O dioksygenaza HPPD = 4-hydroksyfenylo- pirogronianowa O O H H O kwas homogentyzynowy 1,2-dioksygenaza homogentyzynianowa maleiloacetooctan izomeraza - C O 2 acetyloacetoacetonianowa sukcynyloacetooctan sukcynyloaceton fumaryloacetooctan fumaryloacetoacetaza acetooctan fumaranian

O H N 2 C F 3 X 1 4 5 6 7 1' 2' 3' 4' 5' 6' 7' X = H - NTBC X = OH - NTBC-OH 8 NTFA

ppm 8.150 8.200 8.250 8.300 8.350 8.400 8.450 8.500 8.550 1H NTBC-4-OH NTBC-5-OH NTFA ?

+ NTBC

Mocz + NTBC + NTBC-4-OH Mocz + NTBC Mocz