Двумерная спектроскопия ЯМР - OXFORDST.RU

Двумерная спектроскопия ЯМР

Двумерная спектроскопия ЯМР

Использование современных физических инструментов в области биологии и медицины является одним из доминирующих трендов развития науки и сопутствующих технологий. Оптические методы в настоящее время широко используется для исследования структуры сложных химических и биологических соединений, в частности, белков. Спектроскопия поглощения и комбинационного рассеяния, Фурье- спектроскопия, а также целый спектр нелинейно-оптических методов обеспечивают высокую информативность, пространственное и временное разрешение. Одним из новых методов, помогающих получить ответы на вопросы о динамике и конформационных изменениях в сложных молекулярных соединениях и ангармонизме колебаний является двумерная импульсная инфракрасная спектроскопия. Этот метод по сути является одним из нелинейно-оптических методов, реализуемых за счет резонансного четырехволнового взаимодействия предельно коротких лазерных импульсов среднего инфракрасного диапазона с молекулярными переходами исследуемых объектов. Эта методика является информативной, но в тоже время очень сложной, требующей наличия уникальной лазерной и измерительной техники, работающей в среднем инфракрасном спектре. Это условие является принципиально важным, так как в этом диапазоне располагается значительная часть практически значимых колебательных и вращательных резонансов биологическим молекул. Техника двумерной ИК-спектросокпии активно развивается в различных зарубежных университетах и научных центрах, однако, в России практически не используется, в том числе в связи с необходимостью использования сложной и дорогостоящей экспериментальной техники. Наша научная группа обладает необходимым базовым экспериментальным оборудованием и богатым опытом реализации нелинейно-оптических методов, и стремится развивать и использовать метод двумерной инфракрасной ИК спектроскопии для структурной диагностики сложных органических соединений. В первую очередь объектом исследований могут быть белковые структуры, составляющие основу опто- и термочувствительные каналов, а также новые типы маркерных и флуоресцентных белков, используемых в нейрофотонике, опто- и термогенетике.

Двумерная ИК спектроскопия является относительно новым и эффективным методом нелинейно-оптической спектроскопии, обеспечивающим получение большего объема спектральной информации относительно стандартных методик инфракрасной спектроскопии. Это преимущество реализуется за счет варьирования и регистрации по нескольким спектрально-временным переменным и в результате дает информацию о связи колебательных мод, ангармонизме колебаний, динамике конформационных изменений в сложных молекулах с фемтосекундным временным разрешением. Можно сказать, что методы двумерной и многомерной ИК-спектроскопия являются развитием методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии). Однако, в ЯМР-спектроскопии временное разрешение составляет величины порядка миллисекунд и более, поэтому даже твердотельную ЯМР-спектроскопию трудно применить к динамическим системам. Совмещение высокого временного разрешения и спектральной чувствительности к структурным характеристикам делают двумерную инфракрасную спектроскопию чрезвычайно мощным экспериментальным инструментом.

Можно сказать, что любое спектроскопическое измерение, которое изображается как функция двух переменных, в некотором смысле является двумерным спектром, однако, в настоящее время термин «двумерная спектроскопия» применяется к ситуации, реализуемой именно в следующей интерпретации. На исследуемый образец падают три импульса A, B и C и генерируют сигнал S. Импульсы разнесены во времени с задержками t1 и t2, а сигнал излучается во времени t3. Первый импульс с волновым вектором kA переводит систему в когерентную суперпозицию между основным состоянием |0> и возбужденным состоянием |1>. Второй импульс kB преобразует суперпозицию в совокупность возбужденных состояний. Населенность в возбужденном состоянии не колеблется, но сохраняет фазу состояния суперпозиции. Третий импульс kC преобразует населенность обратно в состояние когерентной суперпозиции, которое излучает поле сигнала с волновым вектором kS = — kA + kB + kC. Двумерный спектр затем генерируется путем сканирования времени t1 и записи сигнала как функции времени t3, а далее реализуется в процессе двумерного преобразования Фурье относительно времен t1 и t3 [1]. Очевидно, что форма и свойства генерирующегося импульса S зависят от падающих на образец импульсов A, B и C, их пространственного и временного распределения, и от оптических свойств среды.

Рис. 1. Порядок следования импульсов и изменение энергетического состояния в двухуровневой системе в результате их действия [1].

Большинство спектроскопических, в том числе нелинейных, методик третьего порядка не полностью измеряют функции отклика, обнуляя некоторые из переменных времени t1, t2 или t3, интегрируя их и/или измеряя только модуль комплексной функции отклика. Двумерная ИК-спектроскопия, напротив, способна измерить функции отклика третьего порядка во всей их полноте, используя последовательность коротких импульсов, которые минимизируют свертки в уравнении для описания поляризации среды, что приводит к возможности регистрации как амплитудных, так фазовых компонент. Можно сказать, что двумерная ИК-спектроскопия извлекает максимальное количество информации об изучаемой молекулярной системе [2]. Например, в одномерном спектре невозможно различить связанные и несвязанные резонансы. Напротив, в двумерном спектре связанные резонансы приводят к формированию недиагональных перекрестных пиков с частотой поглощения одного резонанса и частотой излучения другого, тогда как несвязанные резонансы проявляются на двумерном спектре вдоль диагональной линии. На рисунке приведены одномерный и двумерный спектры двух линий паров калия. Линии соответствуют переходам из основного состояния в два различных возбужденных состояния и поэтому резонансы связаны между собой. В результате 2D-спектр показывает четыре пика. Два пика, обозначенные A и B, лежат на диагонали и соответствуют переходам D1 и D2. Пики C и D представляют собой недиагональные перекрестные пики с частотой поглощения одного перехода и частотой излучения другого, как и ожидается для связанных резонансов.

Одномерный спектр поглощения (a), двумерный спектр (b) и соответствующие уровни энергии (c) паров калия [1].

Двумерная спектроскопия является технически сложной методикой, для её реализации необходимы точный контроль временных задержек между импульсами и определенное пространственное распределение пучков накачки для выполнения фазового синхронизма [3, 4]. Однако, все это помогает реализовать мощнейший инструмент для исследования молекулярной структуры и динамики сложных белковых комплексов на фемтосекундном масштабе времени с высоким спектральным разрешением. Дополнительная информация, а также гибкость во временном и поляризационном управлении лазерными импульсами, способствует идентификации и интерпретации спектральных линий, что особенно важно при изучении комплексов молекул. В последние годы разработано большое количество разнообразных улучшений метода многомерной инфракрасной спектроскопии. Так, полезным оказывается измерение двумерных спектров с одновременным нестационарным воздействием различной природы на исследуемый объект: скачок температуры, лазерная ионизация, быстрое смешивание, начало химической реакции и т.п. Многомерные эксперименты с использованием одновременно ИК и видимого излучения очень важны для изучения эффектов фотосинтеза.

Схема для двумерной ИК спектроскопии (лаб. 508 МГУ).

В лаборатории 508 МГУ имеется источник сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона с микроджоулевыми уровнями энергий, что позволяет получить последовательность нескольких фемтосекундных импульсов, необходимых для реализации схемы двумерной инфракрасной спектроскопии. Этот источник включает в себя генератор фемтосекундных импульсов на кристалле Ti:Sapphire, регенеративный усилитель и две последовательные ступени понижения частоты (подробности см. в разделе Лаборатории и оборудование). Фемтосекундные импульсы среднего ИК диапазона далее используются в оптической схеме, представленной на рисунке. Для контроля временных задержек между импульсами используется две интерферометрические и квадратурное детектирование.

Для теоретического моделирования двумерной ИК спектроскопии будет использоваться квантовое описание процесса взаимодействия полей накачки с исследуемой средой с использованием формализма матрицы плотности и анализом ее эволюции (и, соответственно, анализа динамического отклика вещества) на основе решения уравнения фон Неймана для матрицы плотности в приближении теории возмущений с учетом марковости релаксационных процессов. В настоящее время проведено тестирование численного кода на примере модельной системы — молекулы воды. При построении двумерных спектров восстанавливается ангармонизм колебаний в трехуровневой системе, что подтверждает корректность работы кода и возможность его применения для теоретического исследования отклика сложных молекулярных соединений и их динамики.

Пример рассчитанной двумерной спектрограммы молекулы воды для двух задержек зондирующего импульса.

Развиваемая методика нелинейной спектроскопия будет использована для структурной диагностики полупроводниковых наночастиц, сложных органических соединений и биомолекул. Методы двумерной ИК-спектроскопии помогут исследовать пространственно-энергетическое устройство молекул, охарактеризовать первичную и вторичную структуру белков в динамике, и позволят разобраться в процессах, отвечающих за конформационные изменения в белковых структурах, в частности, термо- и фотоактивацию мембранных белков.

  1. S. T. Cundiff and S. Mukamel, «Optical multidimensional coherent spectroscopy,» Phys. Today 66, 44–49 (2013).
  2. P. Hamm and M. Zanni, Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy (Cambridge University Press, 2011).
  3. X. Dai, A. D. Bristow, D. Karaiskaj, and S. T. Cundiff, «Two-dimensional Fourier-transform spectroscopy of potassium vapor,» Physical Review A 82, 052503 (2010).
  4. T. Buckup and J. Léonard, Multidimensional Time-Resolved Spectroscopy (Springer, 2018).
  5. D. R. Skoff, J. E. Laaser, S. S. Mukherjee, C. T. Middleton, and M. T. Zanni, «Simplified and economical 2D IR spectrometer design using a dual acousto-optic modulator,» Chemical physics 422, 8–15 (2013).
Читайте также  Кем я хочу стать

ЯМР-спектроскопия

Спектроскопи́я я́дерного магни́тного резона́нса, ЯМР-спектроскопия — спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса. Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР-спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопия), фтора-19 (инфракрасной спектроскопии, ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Однако, он обеспечивает более полную информацию, чем ИС, позволяя изучать динамические процессы в образце — определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Эти особенности делают ЯМР-спектроскопию удобным средством как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов.

Содержание

Базовая ЯМР техника

Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда ее помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота, энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Так в поле в 21 Тесла, протон резонирует при частоте 900 МГц.

Химический сдвиг

В зависимости от местного электронного окружения, разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты и основная резонансная частота прямо пропорциональны силе магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того что обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объема образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH3CH2OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH3, второй для СН2-группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH3-группы примерно равен 1 ppm, для CH2-группы присоединенной к OH-4 ppm и OH примерно 2—3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять как много протонов дает вклад в эти пики.

Спин-спиновое взаимодействие

Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР-спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах, что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.

Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.

Взаимодействие второго порядка (сильное)

Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР-спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.

Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение чем низкочастотный спектр.

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулы в сравнении с простым органическим соединением, базовый 1 D спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов применяют метод меченых атомов, используя 13 С или 15 N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современой фармацевтике. В последнее время получают распространение методики(имеющие как преимущества так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

Ф.В. Тоукач, п.А. Беляков применение двумерной спектроскопии ямр в органической химии.

учебное пособие по дисциплине

«Спектроскопия ЯМР в органической химии»

Тоукач Ф.В., Беляков П.А., Применение двумерной спектроскопии ЯМР в органической химии. – М.: МИТХТ, 2006, 36 (A4).

Рецензент: д.х.н. проф. Ю.А. Книрель

Издание предназначено для студентов 5-го курса, обучающихся по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология», в качестве учебного пособия по дисциплине «Спектроскопия ЯМР в органической химии» (магистерская программа 550828 «Химия и технология биологически активных веществ»).

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ в качестве учебного пособия.

1. Пример структурного исследования с помощью двумерной спектроскопии ЯМР 4

2. 500 МГц спектры ЯМР трисахарида UN30 20

1 H, 1 H COSY 23

1 H, 1 H TOCSY 25

1 H, 13 C HSQC 27

1 H, 1 H NOESY 29

1 H, 13 C J-HMBC 31

250 МГц и 500 МГц спектры ЯМР

1 H, 1 H ROESY 34

1 H, 13 C HSQC 35

Пример структурного исследования: соединение d374.

Проведено ЯМР-исследование органического соединения D374, предположительно имеющего следующую структурную формулу:

Исследование.

На рис. 1 приведен спектр ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтеродиметилсульфоксиде. В спектре наблюдаются широкие сигналы вещества, перекрывающиеся с сигналами растворителя и между собой. По этой причине было принято решение измерить условия регистрации спектров. В качестве растворителя использовали дейтерохлороформ (рис. 2).

Рис. 1. Спектр ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтеродиметилсульфоксиде.

На рис. 2 приведен спектр ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтерохлороформе. В этом растворителе сигналы вещества заметно менее широкие, чем в ДМСО. При этом одни сигналы уширены, а другие – нет. Уширенный сигнал σ = 7.31 соответствует подвижному NH-протону. Число протонов в спектре по фрагментам молекулы (ароматика/алифатика) соответствует предложенной структурной формуле.

Рис. 2. Спектр ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтерохлороформе.

Дальнейшие исследования проводились в дейтерохлороформе. На рис. 3 приведен фрагмент №1 спектра COSY (алкильная область), отражающего спин-спиновые взаимодействия протонов.

Рис. 3. Фрагмент №1 спектра COSY соединения D374 в дейтерохлороформе.

Синглет с σ = 3.71 соответствует метоксильным протонам 38. Два протона СН2-группы 19 взаимодействуют только друг с другом. Четыре протона двух СН2-групп 26 и 27 взаимодействуют между собой. Один из протонов 26 сдвинут в слабое поле за счет эффективного влияния электроноакцепторных свойств соседнего атома азота.

На рис. 4 приведен фрагмент №2 спектра COSY (арильная область).

Рис. 4. Фрагмент №2 спектра COSY соединения D374 в дейтерохлороформе.

Читайте также  Векторная и растровая графика

В спектре отчетливо видны две спиновые системы, соответствующие двум бензольным кольцам. Два дублета в области химических сдвигов 6.58-6.85 соответствуют пара-замещенному циклу. Два отдельных уширенных синглета, не взаимодействующих с другими сигналами, соответствуют СН-протонам двух тиофеновых циклов. Четыре сигнала области химических сдвигов 6.99-7.43 соответствуют орто-замещенному циклу. Отметим, что как в алифатической, так и в ароматической области протонного спектра наблюдаются как широкие, так и узкие сигналы. По всей видимости, в спектрах соединения D374 наблюдаются динамические процессы.

На рисунке 4 приведено полное соотнесение ароматических сигналов, объяснение которому будет дано позже.

На рис. 5 приведен фрагмент №1 спектра NOESY, отражающего пространственные взаимодействия протонов.

Рис. 5. Фрагмент №1 спектра NOESY соединения D374 в дейтерохлороформе.

Метоксильная группа 38 взаимодействует с орто-протонами 22,24. Протоны СН2-группы 19 – с двумя другими орто-протонами 21,25 и с СН-протоном 7 ближайшего тиофенового цикла, с которым также взаимодействует метильная группа 18. СН-протон 15 другого тиофенового цикла взаимодействует с метильной группой 40. Один из протонов СН2-группы 27 взаимодействует с ближайшим протоном 33 орто-замещенного цикла. На основании корреляций COSY (рис. 4) соотносим остальные протоны этого бензольного кольца.

Рис. 6. Фрагмент спектра ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтерохлороформе.

На рис. 5 приведен фрагмент спектра ЯМР 1 Н соединения D374 в дейтерохлороформе. Спектр достаточно хорошо разрешен. Сигнал метильной группы 40 расщеплен в квадруплет с константой около 0.5 Гц. Мультиплетность указывает на взаимодействие с тремя протонами, т.е. с другой метильной группой. По всей видимости, наблюдается дальнее спин-спиновое взаимодействие с метильной группой 39 этого тиофенового цикла.

На рис. 7 приведен фрагмент №2 спектра COSY (алкильная область).

Рис. 7. Фрагмент №3 спектра COSY соединения D374 в дейтерохлороформе.

На рисунке видно взаимодействие метильной группы 40 с другой метильной группой 39. Аналогичное взаимодействие видно и между метильными группами 17 и 18. Сигналы этих групп уширены за счет обменных процессов, поэтому расщепления линий не наблюдается.

После соотнесения всех протонов переходим с спектру ЯМР 13 С.

На рис. 8 приведен спектр ЯМР 13 С соединения D374 в дейтерохлороформе. Отметим, что одни сигналы уширены, а другие – нет. Общее число сигналов – 32 – соответствует предложенной структурной формуле.

Рис. 8. Спектр ЯМР 13 С соединения D374 в дейтерохлороформе.

Рис. 9. Фрагмент №1 спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху) соединения D374 в дейтерохлороформе.

На рис. 9 приведен фрагмент №1 (алкильная область) спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху), отражающего число протонов, с которыми связаны атомы углерода. Сигналы атомов углерода, связанных с четным числом протонов, направлены вверх, а с нечетным – вниз. В спектре видны 5 сигналов метильных групп, и 4 сигнала от СН2— и С, что соответствует алкильным фрагментам предложенной структурной формулы.

На рис. 10 приведен фрагмент №2 (арильная область) спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху).

Рис. 10. Фрагмент №2 спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху) соединения D374 в дейтерохлороформе.

В спектре видны 8 сигналов ароматических СН-углеродов и 15 сигналов четвертичных атомов углерода. Число сигналов в арильной области соответствует ароматическим фрагментам предложенной структурной формулы.

Вначале соотносим все сигналы протон содержащих атомов углерода, поскольку все сигналы протонов отнесены. На рисунках 11 и 12 изображены фрагменты спектров HMQC (алкильной и арильной областей, соответственно), отражающих прямые протон-углеродные взаимодействия.

Рис. 11. Фрагмент №1 спектра HMQC соединения D374 в дейтеро-хлороформе.

Рис. 12. Фрагмент №2 спектра HMQC соединения D374 в дейтеро-хлороформе.

Далее соотносим оставшиеся сигналы четвертичных атомов углерода.

Рис. 13. Фрагмент №1 спектра HMBC соединения D374 в дейтерохлороформе.

На рисунке 13 изображен фрагмент №1 спектра HMBC, отражающего дальние протон-углеродные взаимодействия. Протоны метокси-группы 38 связаны дальним спин-спиновым взаимодействием с углеродом 23 пара-замещенного бензольного цикла.

На фрагментах №2 и №3 спектра HMBC, изображенных на рис. 14, видны дальние взаимодействия протонов СН2-групп 19 и 26 с четвертичным атомом углерода 2.

Таким образом, сигналы алифатической области спектра ЯМР 13 С отнесены (рис. 15).

Рис. 14. Фрагменты №2 и №3 спектра HMBC соединения D374 в дейтерохлороформе.

Рис. 15. Фрагмент №1 спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху) соединения D374 в дейтерохлороформе с соотнесением сигналов.

Далее один за одним соотносим сигналы всех оставшихся атомов углерода. Все необходимые фрагменты спектра HMBC соединения D374 приведены в приложении. Важно, что все сигналы отнесены на основании корреляций. Нет необходимости относить сигналы по остаточному принципу. Некоторые из приведенных в приложении корреляций не содержат новой информации, а лишь подтверждают сделанные ранее выводы.

Рис. 16. Фрагмент №2 спектров ЯМР 13 С (внизу) и APT (вверху) соединения D374 в дейтерохлороформе с соотнесением сигналов.

Ароматическая область спектра ЯМР 13 С с полным соотнесением сигналов приведена на рисунке 16. Отметим также наличие пространственного взаимодействия между протоном СН2-группы 19 и подвижным протоном NH-группы 31 (рис. 17).

Таким образом, по совокупности полученных спектральных данных соединение D374 соответствует предложенной структурной формуле.

Рис. 17. Фрагмент №2 спектра NOESY соединения D374 в дейтерохлороформе.

Двумерная спектроскопия ЯМР

Д.х.н., с.н.с. В. А. Чертков
Тел: (495) 939-53-78;
e-mail: chertkov@org.chem.msu.ru

Этот курс задуман для того, чтобы познакомить слушателей с последними достижениями в спектроскопии ЯМР высокого разрешения применительно к задачам установления структуры и свойств органических соединений. Он ориентирован на студентов старших курсов, аспирантов и молодых научных сотрудников Химического факультета МГУ знакомых с основами метода ЯМР и имеющих базовую подготовку в рамках общих курсов по органической и физической химии, теории строения молекул и квантовой механике. Я предпринял попытку, стартовав с основ метода, подвести аудиторию к пониманию наиболее сложных и эффективных структурных методов ЯМР. Курс включает три основных раздела: “Расшифровка мультиплетной структуры спектров ЯМР”, “Импульсная и Фурье-спектроскопия” и “Двумерная спектроскопия ЯМР”. Он рассчитан на 50 лекционных часов (полтора академических семестра) и включает большое число демонстрационных и контрольных задач, непосредственно подводящих слушателя к самостоятельной расшифровке сложных спектров и установлению структуры его собственных соединений. Занятия проводятся в вечернее время (ориентировочно по четвергам с 18 00 ). Более точную информацию о времени и месте проведения очередного занятия можно получить по электронной почте chertkov@org.chem.msu.ru.

I. Расшифровка мультиплетной структуры спектров ЯМР

  1. Основные определения: Явление резонанса, химический сдвиг и константа спин-спинового взаимодействия.
  2. Химическая и магнитная эквивалентность, группы магнитных ядер и классификация спиновых систем.
  3. Основы квантовомеханического описания взаимодействия спинов:
    • Операторы спинового момента и гамильтониан.
    • Уровни энергии и диаграммы переходов.
    • Вероятности переходов.
  4. Понятие о прямой и обратной спектральных задачах в ЯМР.
  5. Сильная и слабая связь спинов и приемы расшифровки спектров первого порядка.
  6. Анализ спектров ЯМР спиновых систем типа
    • AB, AX
    • A2B, AA’B, ABX, AMX
    • AA’BB’, AA’XX’
  7. Численные методы решения обратных спектральных задач. Программные комплексы: LAOCOON, NMRCON, DAVINS , PERCH, PAREMUS-LAOCOON и VALISA.
  8. Влияние быстрой релаксации ядер на мультиплетную структуру спектров ЯМР.
  9. Химический обмен и введение в динамический ЯМР.
  10. Эффекты ориентации молекул в магнитном поле.
  11. Программы для визуализации спектров ЯМР и для их предварительной обработки: NUTS, WINNMR, ACD/Spec_Manager.

II. Импульсная и Фурье-спектроскопия

  1. Спектрометр ЯМР высокого разрешения:
    • Регистрация и обработка данных.
    • Система ЯМР-стабилизации (Lock) и настройка разрешения.
    • Свойства дейтерированных растворителей и приготовление образцов.
    • Настройка датчика.
    • Подготовка спектрометра к работе и тесты.
  2. Краткое введение в теорию метода:
    • Ядерный спин и магнитный резонанс.
    • Уравнения Блоха и вращающаяся система координат.
    • Импульсы и регистрация сигнала.
    • Формализм составных операторов (product operators) для описания импульсных ЯМР экспериментов.
  3. Важнейшие одномерные эксперименты:
    • Гомо- и гетероядерная развязка.
    • Редактирование спектров с использованием техники спинового эхо.
    • Перенос намагниченности и редактирование спектров (APT, INEPT, DEPT, PENDANT).
Читайте также  Ифляция и дефляция

III. Двумерная спектроскопия ЯМР

  1. Гомоядерная корреляция через химическую связь:
    • COSY.
    • DQF-COSY.
    • COSY-45 и регистрации малых констант.
    • Эстафетный перенос когерентности.
    • TOCSY.
    • TROSY.
    • Многоквантовая фильтрация. INADEQUATE.
    • ADEQUATE.
  2. Эксперименты гетероядерной корреляции через химическую связь:
    • HETCOR и HSQC.
    • HMQC.
    • HMBC.
  3. Современная стратегия использования двумерных корреляционных экспериментов при расшифровке структуры новых органических соединений и природных продуктов.
  4. Разделение химического сдвига и констант спин-спинового взаимодействия: двумерная спектроскопия J-разрешения:
    • Гомоядерная J-спектроскопия;
    • Гетероядерная J-спектроскопия.
  5. Мягкие импульсы и селективное возбуждение как альтернатива многомерному ЯМР. Методы генерации селективных импульсов:
    • DANTE;
    • SOFTCOSY;
    • 2D J-спектроскопия с селективным возбуждением.
  6. Импульсные градиенты поля.
  7. Двумерная корреляционная спектроскопия через пространство. Ядерный эффект Оверхаузера.
  8. Принципы построения трехмерных ЯМР экспериментов.

Рекомендуемая литература:

  1. A. Дероум, “Современные методы ЯМР для химический исследований”, 1992.
  2. Х. Гюнтер, “Введение в курс cпектроскопии ЯМР”, 1984.
  3. Н. М. Сергеев, “Спектроскопия ЯМР”, 1981.
  4. T. D. W. Claridge, “High resolution NMR technique in Organic Chemistry”, 1999.
  5. A. Бакс, “Двумерный ядерный магнитный резонанс в жидкости”, 1988.
  6. Р. Эрнст, Дж. Боденхаузен, А. Вокаун, “Спектроскопия ЯМР в одном и двух измерениях”,1990.
  7. В.С. Туманов, “Ведение в теорию спектров ЯМР”, 1988.
  8. S. Braun, H.-O. Kalinowski, S. Berger, “150 and more basic NMR experiments”, 1998.
  9. R. S. Macomber, “A complete introduction to modern NMR spectroscopy”, 1998.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Возможности ЯМР-спектроскопии в ИНЭОС

Перечень услуг, которые в принципе может осуществлять ЛЯМР для сторонних организаций.

1. Обычные спектры ПМР:

А. Образцов растворов, приготовленных заказчиком (D-растворитель и ампула ЯМР заказчика);

Б. Образцов растворов, приготовленных сотрудниками ЛЯМР.

2. Спектры ПМР с подавлением интенсивного сигнала растворителя, обычно воды.

Биологические и биохимические применения 1 Н ЯМР требуют записи в нормальной воде с добавкой 10% D2O для стабилизации. Большее содержание тяжелой воды приводит к исчезновению обменивающихся NH-сигналов. Для подавления сигнала воды используются различные методики.

3. Двумерные спектры COSY ( 1 H, 1 H) для отнесения сигналов протонов, связанных спин-спиновым взаимодействием (COrrelation SpectroscopY).

4. Двумерные спектры TOCSY ( 1 H, 1 H) для отнесения всех сигналов протонов в спиновых системах данной молекулы (TOtal Correlation SpectroscopY).

5. Двумерные фазочувствительные спектры NOESY или ROESY ( 1 H, 1 H), использующие ядерный эффект Оверхаузера (ЯЭО) для определения пространственного расположения протонов и отдельных фрагментов молекул в пространстве (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY, Rotation frame Overhauser Effect SpectroscopY).

6. Двумерные фазочувствительные спектры EXSY ( 1 H, 1 H) для изучения кинетики медленных в шкале времени ЯМР динамических процессов (обменные реакции, конформационные переходы и др.; EXchange SpectroscopY).

7. Спектры динамического ЯМР (ДЯМР) на различных ядрах для определения кинетических и термодинамических параметров химических реакций, протекающих со скоростями, соизмеримыми с временной шкалой метода ЯМР.

8. Спектры ЯМР 13 С, записанные в различном режиме — широкополосное подавление, без подавления, в режиме inverse gated decoupling для устранения влияния ЯЭО и точного интегрирования сигналов ядер 13 С, режим JMODECHO — J-модулированного спинового эха для редактирования сигналов 13 С (С, СH, CH2, CH3), методика DEPT для выделения однотипных групп ядер 13 С, связанных с одним, двумя или тремя протонами (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer).

9. Спектры ЯМР «чувствительных ядер» — 19 F и 31 P, записанные в режиме с подавлением или без подавления спин-спиновой связи с протонами.

10. Двумерные спектры COSY ( 19 F, 19 F), ( 11 B, 11 B) и ( 31 Р, 31 Р) для отнесения сигналов соответственно ядер фтора-19, бора-11 или фосфора-31, связанных спин-спиновым взаимодействием.

11. Двумерные спектры гетероядерной корреляционной 1 Н, 13 C спектроскопии HSQC или HMQC, позволяющие установить взаимосвязь протона и ядер 13 С через прямые Н,С-взаимодействия. Эксперимент HMBC позволяет выявить Н,С-взаимодействия через несколько связей (геминальные и вицинальные). Эксперименты HSQC по 1 Н, 31 Р-корреляции, устанавливающие взаимосвязь протона и ядер 31 Р. Эксперимент HOESY ( 1 Н, 19 F), устанавливающий пространственную сближенность протона и ядер 19 F. Эксперимент HMBC ( 1 H, 15 N), позволяющий определять химические сдвиги ядер 15 N при их естественном содержании (при условии наличия ССВ с соседними протонами в фрагментах N–H, N–C–H или N–C–C–H).

12. Диффузионно упорядоченные спектры (DOSY), позволяющие определять коэффициенты диффузии молекул в растворе, определять наличие различных соединений, в том числе ассоциатов, с перекрывающимися сигналами в обычных спектрах ПМР или ЯМР 13 С.

13. Определение размеров пор в полимерах и природных соединениях методом низкотемпературной ЯМР-порометрии.

14. Определение времен спин-решеточной (Т1) и спин-спиновой (Т2) релаксации для характеристики динамических процессов и характера взаимодействий молекул в растворах.

Задачи, которые можно решать с помощью методик ЯМР.

  • Определение химического строения, конформации молекул в растворах, межмолекулярных взаимодействий и равновесий, чистоты химических соединений, получение кинетических и термодинамических характеристик реакций.
  • Анализ конечных и промежуточных продуктов химических реакций.
  • Анализ образцов сложного состава по коэффициентам диффузии компонентов смеси, изучение процессов диффузии.
  • Определение размеров пор в пористых материалах методом ЯМР-порометрии.

ЯМР-спектрометры высокого разрешения ЛЯМР ИНЭОС РАН

1. Bruker AVANCE™ 300 (2002 г.)

Ларморова частота по протонам 300 МГц. Сила магнитного поля (плотность магнитного потока) 7,05 Тл.

Датчик QNP на 4 ядра — 1 H, 13 C, 19 F, 31 P. Специально сконфигурирован под задачи ИНЭОС. Преимущество — не требует смены датчика, а чувствительность по гетероядрам 13 C, 19 F, 31 P практически такая же, как и для селективных датчиков.

Датчик ВВ — диапазон частот от 109 Ag (13,9 МГц) до 31 Р (121,5 МГц).

Реальные ядра — 11 В, 29 Si, 27 Al, 207 Pb, 119 Sn, 199 Hg, 195 Pt, 77 Se, 125 Te, 113 Cd, 2 H.

Можно работать с 14 N, 15 N, 17 O и др.

Нельзя работать с 103 Rh (9,6 MHz), 101 Ru (15,5 MHz), 57 Fe (9,7 MHz)

Температурная приставка — от −100 до +100 °С .

2. Bruker AVANCE™ 400 (2005 г., магнит 1990 г.)

Ларморова частота по протонам 400 МГц. Сила магнитного поля (плотность магнитного потока) 9,4 Тл.

Датчики BBI, BBIZ, селективный 19 F, селективный 13 С. В настоящее время используется датчик BBFO plus, позволяющий без смены датчика регистрировать спектры ЯМР 19 F и всех других ядер из широкополосного диапазона. Позволяет проводить регистрацию двумерных корреляционных спектров HOESY ( 1 H, 19 F), использующих ядерный эффект Оверхаузера, и определять пространственную сближенность протонов и ядер 19 F.

3. Bruker AVANCE™ 600 (2005 г.)

Ларморова частота по протонам 600 МГц. Сила магнитного поля (плотность магнитного потока) 14,1 Тл.

Датчики TBI, BBI, BBIZ. В основном используется BBIZ — инверсный градиентный датчик, позволяющий выполнять эксперименты с импульсными полевым градиентами. Снабжен температурной приставкой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: