MAGNETYCZNY REZONANS J

Ą

DROWY W

Ę

GLA

13

C NMR

13

C

1.1%

spin ½

125.721 MHz (11.744 T)

12

C

98.9%

spin 0

nieaktywny w NMR

C

13

H

3

CH

2

OH

CH

3

C

13

H

2

OH

C

13

H

3

C

13

H

2

OH

CH

3

CH

2

OH

1%

1%

0.01%

98%

Spektrometria Magnetycznego Rezonansu J

ą

drowego

13

C

A.Ejchart, L.Kozerski, PWN, Warszawa 1988 (1981)

Spektroskopia

13

C NMR:

wzorzec: sygnał

13

C tetrametylosilanu (0 ppm)

wzorzec wtórny : CDCl

3

77.0 ppm, DMSO-d

6

39.5 ppm, benzen-d

6

128.7 ppm,

aceton-d

6

30.2 / 205.1 ppm, metanol-d

4

49.3 ppm......

rozpuszczalniki: deuterowane; mo

ż

na u

ż

ywa

ć

mieszanin z rozpuszczalnikami

niedeuterowanymi (!)

zakres przesuni

ęć

chemicznych: 0 – 250 ppm

krotno

ść

(multipletowo

ść

) sygnału: zale

ż

na od techniki pomiaru

typowe widmo

13

C NMR: sprz

ęż

enia J(

13

C-

1

H) usuni

ę

te przez odsprz

ę

ganie;

pozostaj

ą

inne sprz

ęż

enia, np. z

19

F,

31

P

sprz

ęż

enia J(

13

C-

13

C) z powodu małej zawarto

ś

ci izotopu

13

C praktycznie nie

maj

ą

wpływu na widmo

intensywno

ść

sygnału: zaburzona (NOE, długi czas T

1

, do kilkudziesi

ę

ciu

sekund

X

X

X

X

X

X

X

Y

X

Y

X

Y

3

4

2

6

6

4

Ilo

ść

sygnałów

13

C

grupy metylowe
równocenne
(swobodna rotacja)

grupy metylowe
nierównocenne
(zahamowana rotacja)

grupy metylowe
nierównocenne
(zwi

ą

zek chiralny)

CH

3

C

H

3

CH

3

CH

3

CH

3

C

H

3

C

H

3

Y

X

*

CH

3

C

H

3

CH

3

F

C

O

H

N

CH

3

CH

3

CH

4

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

CH

3

CH

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

CH

3

- 2.1

5.9

16.1

25.2

27.9

ppm

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

CH

3

CH

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

CH

3

5.9

15.6

24.3

31.5

ppm

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

C

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

15.6

11.5

8.7

ppm

13.2

CH

2

CH

2

CH

3

CH

2

CH

2

X

F

Cl

Br

I

70.0

8.1

- 6.6

0.2

0.0

αααα

ββββ

γγγγ

δδδδ

εεεε

30.5

10.1

- 5.2

- 0.6

- 0.1

19.2

10.2

- 4.0

- 0.6

0.0

- 7.5

10.6

- 2.0

- 1.0

- 0.1

COOH

OH

20.4

2.4

- 2.6

0.3

0.3

49.0

10.4

- 5.8

0.6

0.6

CF

4

/

CHF

3

/ CH

2

F

2

/ CH

3

F 120 - 75 ppm

CCl

4

/

CHCl

3

/ CH

2

Cl

2

/

CH

3

Cl 100 - 20 ppm

CBr

4

/ CH

2

Br

2

/ CHBr

3

/ CH

3

Br 30 - 7 ppm

CH

3

I / CH

2

I

2

/

CHI

3

/

CI

4

(- 20) - (-295) ppm

Przesuni

ę

cie chemiczne

13

C (

δ,

δ,

δ,

δ,

ppm)

efekt

αααα

efekt

ββββ

efekt

γγγγ

Zmiana przesuni

ę

cia chemicznego

∆δ

∆δ

∆δ

∆δ

(ppm) (

!!!

)

Elektroujemno

ść

/ efekt ci

ęż

kiego atomu

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

122.8

128.5

72.8

5.9

Wpływ hybrydyzacji atomu w

ę

gla

(

δδδδ

, ppm)

Elektroujemno

ść

podstawnika

(

∆δ

∆δ

∆δ

∆δ

, ppm)

X

H

H

H

X

H

αααα

ββββ

F

Cl

Br

I

OCH

3

CHO

αααα

ββββ

24.9

- 34.3

14.8

- 59.7

3.3

- 5.4

- 13.3

- 16.9

- 0.7

- 7.2

- 31.6

- 5.9

- 37.4

7.7

- 73.3

11.1

30.3

- 37.3

15.8

14.9

C

O

C

N

C

N

OH

C

S

N

C

S

N

C

O

220 - 140 ppm

125 - 110 ppm

165 - 145 ppm

210 - 180 ppm

140 - 110 ppm

130 - 120 ppm

Grupy funkcyjne

(

δδδδ

, ppm)

NH

2

COOH

- 1.2

- 5.5

- 0.7

- 0.5

- 3.5

- 1.4

- 0.5

δδδδ

sól

-

δδδδ

amina

δδδδ

sól

-

δδδδ

kwas

Wpływ protonowania

(

∆δ

∆δ

∆δ

∆δ

, ppm)

C

+

330 - 100 ppm

Karbokation, (

δδδδ

, ppm)

C

H

N

N

H

N

H

C

H

2

CH

2

C

H

CH

C

H

2

C

F

H

125 Hz

CH

4

127 Hz

161 Hz

156 Hz

159 Hz

249 Hz

182 Hz

170 Hz

208 Hz

199 Hz

CHCl

3

214 Hz

106 Hz

(CH

3

)

2

Mg

200 Hz

Stała sprz

ęż

enia przez jedno wi

ą

zanie,

1

J(

13

C-

1

H)

Sprz

ęż

enia

13

C-

1

H

sprz

ęż

enia

13

C-

1

H dalekiego zasi

ę

gu:

2

J (geminalne): od 0 do 60 Hz

3

J (wicynalne) do 10 Hz

dla

3

J obowi

ą

zuje zale

ż

no

ść

Karplusa

dla zwi

ą

zków aromatycznych

1

J>>

3

J>

2

J>

4

J

1

J(

13

C-

13

C)

36.6 etan

67.0 etylen

56.0 benzen

171.5 acetylen

12.4 cyklopropan

n

J(

13

C-

13

C)

kilka-kilkana

ś

cie Hz

19

F (spin ½)

1

J(

19

F-

13

C) 160 – 300 Hz

n

J(

19

F-

13

C) 0 – 20 Hz

31

P (spin ½)

1

J(

31

P-

13

C) 0 – 250 Hz

n

J(

31

P-

13

C) 0 – 20 Hz

2

H (D) (spin 1)

J(

13

C-

2

H) = J(

13

C-

1

H) / 6.51

Inne sprz

ęż

enia z

13

C

13

C

1

H

Typowy eksperyment

13

C NMR -

widmo

13

C NMR odsprz

ęż

one

Odsprz

ę

ganie: „Composite Pulse Decoupling”, CPD: pulsy 90

o

x

180

o

y

90

o

x

90

o

x

240

o

y

90

o

x

Techniki archaiczne: NBD (Noise Band Decoupling); BB (Broad Band Decoupling)

13

C

1

H

(z NOE)

(bez NOE)

„Na

ś

wietlanie”

Niesko

ń

czona fala ci

ą

gła („monochromatyczna”)

Czas, t

A

m

p

li

tu

d

a

fala ci

ą

gła: impuls o niesko

ń

czonej długo

ś

ci

przenoszona cz

ę

sto

ść

:

νννν

o

impuls: fala ci

ą

gła przez czas od

µµµµ

s do ms

przenoszona cz

ę

sto

ść

: pasmo

νννν

o

±

νννν

x

fala ci

ą

gła: czasami mo

ż

na zast

ą

pi

ć

sekwencj

ą

impulsów

przykład: „Composite Pulse Decoupling”, CPD: pulsy 90

o

x

180

o

y

90

o

x

90

o

x

240

o

y

90

o

x

1.99

0.15

ηηηη

13

C{

1

H}

log (

ωτ

ωτ

ωτ

ωτ

)

Efekt Overhausera (NOE) – układ

13

C –

1

H

13

C{1H}

Wzmocnienie: (I – I

o

) / I

o

= 1.99

13

C

1

H

Widmo

13

C NMR sprz

ęż

one

(widmo wysokiej rozdzielczo

ś

ci

„high resolution” HR)

13

C

Dwa sposoby wykonania widma:

(z NOE)

(bez NOE)

C

13

H

H

H

H

H

H

C

H

3

C

O

CH

2

O

CH

3

X

A

3

M

2

X

A

3

X

A

3

M

2

X

A

2

M

3

X

AMM’NN’Z

(

X

AM

2

N

2

Z)

CH

2

CH

3

13

C NMR:

1

H NMR:

triplet: sprz

ęż

enia protonów grupy CH

3

z protonami grupy CH

2

;

3

J(

1

H-

1

H))

kwartet: sprz

ęż

enia protonów grupy CH

2

z protonami grupy CH

3

;

3

J(

1

H-

1

H)

kwartet: sprz

ęż

enia atomu w

ę

gla grupy CH

3

z protonami grupy CH

3

;

1

J(

13

C-

1

H))

triplet: sprz

ęż

enia atomu w

ę

gla grupy CH

2

z protonami grupy CH

2

;

1

J(

13

C-

1

H)

NH

2

I

H

H

H

H

13

C

1

H

D1

1

H: fala ci

ą

gła (CW) o małej mocy:

selektywne odsprz

ę

ganie jednego protonu (heterodecoupling)

selektywne na

ś

wietlanie jednego protonu – badanie NOE

13

C{

1

H}

Odsprz

ę

ganie cz

ęś

ciowe:

Single Frequency off-Resonance Decoupling (SFORD)

Noise off-Resonance Decoupling (NORD)

Obie te metody zast

ą

piono innymi technikami

Całkowite usuwanie sprz

ęż

e

ń

13

C-

1

H:

Broad Band Decoupling (BB)

Noise Band Decoupling (NBD)

Metody zast

ą

pione obecnie technikami impulsowymi (np. CPD)

Widmo

13

C NMR: ró

ż

ne sposoby odsprz

ę

gania

13

C

1

H

13

C

1

H

13

C

1

H

13

C

1

H

13

C

1

H

NOE
odsprz

ę

ganie

NOE
odsprz

ę

ganie

brak NOE
odsprz

ę

ganie

NOE
brak odsprz

ę

gania

brak NOE
brak odsprz

ę

gania

dm = ‘yyn’

dm = ‘yyy’

dm = ‘nny’

dm = ‘nnn’

Ilo

ś

ciowe widmo

13

C NMR i optymalizacja pomiaru

Widmo ilo

ś

ciowe:

eliminacja NOE

pełna relaksacja próbki (D1 = 5*T

1

; T

1

= 2

÷÷÷÷

3 s dla CH

n

, 30 s i wi

ę

cej dla C

IV

)

dodatek substancji przy

ś

pieszaj

ą

cej relaksacj

ę

(„relaksant”, np. Cr(acac)

3

)

w ilo

ś

ci 1% molowo. Dodatek „relaksanta” uniemo

ż

liwia wiele innych

pomiarów NMR, np. NOE !

Widmo „półilo

ś

ciowe”: pomiar i porównywanie tylko sygnałów CH

n

Optymalizacja pomiaru

13

C NMR:

puls 90

o

i długi czas D1 – silny sygnał, długi czas repetycji

„płaski” puls (<90

o

) i krótszy czas D1 – słabszy sygnał, krótszy czas repetycji

optimum: k

ą

t Ernsta

Varian: polecenie

ernst(T1, pw90)

; przykładowo

ernst(2)

lub

ernst(2,12.6)

13

C

1

H

D1

D1 = 0.5 sek.

D1 = 30 sek.

N

N

N

Zastosowanie sprz

ęż

onego widma

13

C NMR:

identyfikacja zasłoni

ę

tego sygnału C

i

Spektroskopia

13

C NMR – techniki specjalne

1

H

t

90

o

90

o

COSY

1

H

t

Eksperyment wieloimpulsowy

22 impulsy + 3 impulsy gradientowe, o cz

ę

sto

ś

ciach

1

H i

13

C, rozło

ż

one w czasie.

ADEQUATE 2D

Sekwencja impulsów o okre

ś

lonych długo

ś

ciach („kalibracja” spektrometru)

Odpowiedni program fazowy

Precyzyjne rozło

ż

enie w czasie impulsów

Optymalizacja parametrów

Przeniesienie polaryzacji (Polarisation Transfer)

∆∆∆∆

H >

∆∆∆∆

C

∆∆∆∆

~ exp(-

∆∆∆∆

E / kT )

CHCl

3

1

H –

13

CCl

3

1%

1

H –

12

CCl

3

99%

czuło

ść

:

1

H :

13

C = 1 : 0.0159

∆∆∆∆

H

∆∆∆∆

C

500 MHz

125 MHz

∆∆∆∆

C

∆∆∆∆

C

∆

∆

∆

∆

H

∆∆∆∆

H

∆∆∆∆

H

∆∆∆∆

H

+

-

-

∆∆∆∆

C

∆∆∆∆

C

∆∆∆∆

H

∆∆∆∆

H

SPT – Selective Population Transfer
SPI – Selective Population Inversion

1

H

–

13

C

Cl

3

selektywna zmiana

obsadzenia poziomów

(na

ś

wietlanie, lub sel. 90

o

/ 180

o

)

1

H NMR

13

C NMR

1 : 1

1

H NMR

13

C NMR

5 : - 3

13

C

1

H

t

1/4J

1/4J

90

o

y

180

o

y

90

o

x

90

o

180

o

INEPT Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer

90

o

1/4J

180

o

R

S

R

S

1/4J

90

o

J = 135 – 150 Hz
1/4J = 1.85 – 1.67 ms (10%)

J = 2 – 4 Hz
1/4J = 125 – 67 ms (50%)

I

NOE

= I

o

(1 +

γγγγ

H

/2

γγγγ

X

) = I

o

(1

±

υυυυ

oH

/2

υυυυ

oX

)

I

INEPT

= I

o

|

γγγγ

H

/

γγγγ

X

| = I

o

(

υυυυ

oH

/

υυυυ

oX

)

INEPT

refocused INEPT

decoupled, refocused INEPT

Trzy wersje eksperymentu INEPT

13

C

1

H

t

1/2J

1/2J

180

o

y

90

o

x

90

o

y

180

o

x

1/2J

αααα

+/-y

+/-

α

αα

α

= 45

o

DEPT 45

90

o

DEPT 90

135

o

DEPT 135

optymalizacja:

warto

ść

J

k

ą

t

αααα

DEPT

0

o

180

o

DEPT 135

DEPT 45

DEPT 90

13

C

1

H

t

1/4J

1/4J

90

o

y

180

o

y

90

o

x

90

o

180

o

13

C

1

H

t

1/2J

1/2J

180

o

y

90

o

x

90

o

y

180

o

x

1/2J

αααα

+/-y

+/-

α

αα

α

= 45

o

DEPT 45

90

o

DEPT 90

135

o

DEPT 135

Eksperymenty INEPT i DEPT

konieczna znajomo

ść

stałej sprz

ęż

enia

13

C-

1

H (przed pomiarem!);

problem w przypadku sprz

ęż

e

ń

o małej warto

ś

ci

Zalety:

wzrost czuło

ś

ci pomiaru (I / I

o

= 3.98)

I

NOE

= I

o

(1 +

γγγγ

H

/2

γγγγ

X

) = I

o

(1

±

υυυυ

oH

/2

υυυυ

oX

)

I

INEPT

= I

o

|

γγγγ

H

/

γγγγ

X

| = I

o

(

υυυυ

oH

/

υυυυ

oX

)

pomiar kontrolowany czasem T

1

wodoru (

1

H), a nie w

ę

gla (D1

≈≈≈≈

2 s)

INEPT
Insensitive Nuclei Enhanced by
Polarization Transfer

DEPT
Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer

13

C

1

H

180

o

y

∆∆∆∆

φφφφ

180

o

y

∆∆∆∆

Alternatywa dla DEPT: Attached Proton Test (ATP)

sekwencja ATP

13

C

1

H

180

o

y

∆∆∆∆

∆∆∆∆

90

o

x

sekwencja SEFT
(Spin Echo Fourier Transform)

wzmocnienie sygnału: NOE,

nie ma transferu polaryzacji

„czas repetycji” okre

ś

lony

czasem T

1

dla

13

C

Pomiar stałej sprz

ęż

enia J(

1

H-

13

C) inaczej

(metoda „inverse”)

Para

1

H-

13

C

stała sprz

ęż

enia J(

1

H-

13

C) widoczna zarówno na widmie

1

H NMR jak i na widmie

13

C NMR

lepiej mierzy

ć

widmo

1

H NMR, ni

ż

13

C NMR !!

214 Hz

40 Hz

80 Hz

CHCl

3

izotopomer

1

H-

12

C (99%)

CHCl

3

izotopomer

1

H-

13

C (1%)

„satelity w

ę

glowe” na widmie

1

H NMR

Widmo

13

C NMR HR

Widmo

1

H NMR

Widmo

1

H NMR

„filtrowane”

(usuni

ę

te sygnały

12

C-

1

H)

*

*

*

*

Pomiar stałej sprz

ęż

enia J(

13

C-

13

C)

36 Hz

„satelity w

ę

glowe” na widmie

13

C NMR

izotopomer

13

C-

12

C

(1%)

izotopomer

13

C-

13

C

(0.01%)

izotopomer

12

C-

12

C (99%) – nieaktywny w NMR

zastosowanie

„filtru dwukwantowego”

*

*

13

C

1

H

t

1/4J

1/4J

90

o

180

o

y

90

o

I

ncredible

N

atural

A

bundance

D

ouble

Q

uantum

T

ransfer

E

xperiment

INADEQUATE

Sekwencja impulsów usuwa sygnały izolowanych atomów

13

C (singlety)

pozostawia sygnały par

13

C-

13

C (dublety)

Do optymalizacji parametrów eksperymentu konieczna jest znajomo

ść

stałej sprz

ęż

enia

13

C-

13

C, a wi

ę

c wielko

ś

ci która ma by

ć

mierzona (!!!)

C

13

C

13

C

12

C

13

C

12

C

13

C

12

C

13

C

12

C

12

C

12

C

12

C

13

C

13

C

12

C

12

C

13

C

13

C

13

C

13

C

13

nieaktywny w NMR

sygnał odfiltrowany

dublet

dublet

dublet dubletów

1

J(

13

C-

13

C)

36.6 etan

67.0 etylen

56.0 benzen

171.5 acetylen

12.4 cyklopropan

n

J(

13

C-

13

C)

kilka-kilkana

ś

cie Hz

H

C

C

Li

Li

C

C

Li

H

C

C

F

F

C

C

F

293 Hz

61 Hz

37 Hz

216 Hz

F

71 Hz

57 Hz

56 Hz

C

CH

3

C

H

3

N

OH

49.8 Hz

41.2 Hz

C

CH

3

C

H

3

N

OH

ClH

42.5 Hz

42.3 Hz

L.Krivdin, G.Kalabin, Progress in NMR Spectroscopy,
vol. 21, pp. 293-448, 1989

C

C

C

a Hz
b Hz

a Hz

b Hz

odtwarzanie szkieletu

w

ę

glowego

Wykorzystanie

13

C w pomiarze stałych sprz

ęż

enia J(

1

H-

1

H)

C

C

H

H

C

C

H

H

X

X

C

C

H

X

X

H

Układ spinowy A

2

– na widmie

1

H NMR 1 sygnał (singlet)

Problem: jak zmierzy

ć

3

J(

1

H-

1

H) ?

C

13

C

H

H

3 sprz

ęż

enia:

1

J(

13

C-

1

H),

2

J(

13

C-

1

H),

3

J(

1

H-

1

H)

Układ spinowy ABX lub AA’X

Widmo

1

H NMR: fragment AB (AA’)

Widmo

13

C NMR: fragment X