Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie

Transcriptie

1 De Chemical Shift Vrije Universiteit Brussel 20 maart 2012

2 Outline 1 2

3 Outline 1 2

4 Herhaling: Energieniveau s van een Spin-1/2

5 Het Geïnduceerde Veld B 0 B 0 B 0 B 0 B 0 B = σb 0 B' B' B' B' B' B lokaal = B 0 + B = (1 σ)b 0 ω = γb 0 (1 σ) Het externe magneetveld induceert stromingen in de elektronenwolk rond de kern, die op hun beurt een magneetveld opwekken, dat een fractie van het externe veld bedraagt, en het versterkt of afzwakt.

6 De Chemical Shift De verschuiving wordt uitgedrukt als een relatief verschil t.o.v. een standaard, zodat de invloed van het externe veld wordt weggedeeld, en een karakteristieke chemical shift (onafhankelijk van B 0 ) bekomen wordt: δ = ν ν ref = γb 0(1 σ) γb 0 (1 σ ref ) = σ ref σ ν ref γb 0 (1 σ ref ) 1 σ ref Aangezien de numerieke waarde van δ in de praktijk altijd in de orde van miljoensten ligt, wordt ze meestal als "parts per million" (ppm) uitgedrukt. Typische referenties voor 1 H en 13 C zijn tetramethylsilaan (TMS) en 2,2-dimethyl-2-silapentaan-5-sulfonzuur (DSS).

7 Afscherming en Ontscherming (1)

8 Afscherming en Ontscherming (2)

9 Afscherming en Ontscherming (3)

10 Afscherming en Ontscherming (4)

11 Een Rekenvoorbeeld

12 Outline 1 2

13 Algemene Beschrijving De afschermingsfactor σ kan in het algemeen opgedeeld worden in een diamagnetische bijdrage, die voortkomt om bewegingen ("stromen") van electronen binnen moleculaire orbitalen, en een paramagnetische bijdrage, die te wijten is aan bewegingen van elektronen tussen orbitalen: met σ = σ dia + σ para σ dia > 0; σ para < 0 Beide componenten kunnen nog verder onderverdeeld worden in componenten die min of meer gemakkelijk te rationaliseren zijn.

14 Moleculaire Symmetrie In symmetrische moleculen zullen vele (of alle) waterstoffen dezelfde omgeving hebben, en dus op dezelfde chemical shift uitkomen. Symmetrie-argumenten kunnen op zich al veel informatie leveren bij de analyse van structuren.

15 Quantitatieve Integratie van Intensiteiten In eenvoudige gevallen kan de relatieve oppervlakte onder verschillende pieken gebruikt worden om de atomen te "tellen".

16 Specifieke Interpretaties In een aantal gevallen, zoals de methylhaliden (onder) en gesubstitueerde aromaten (rechts) kunnen de waargenomen δ-waarden verklaard worden op basis van eenvoudige chemische principes.

17 Invloed van Aangrenzende Groepen (1)

18 Invloed van een Drievoudige Binding (µ loodrecht > 0 (vooral een paramagnetisch effect) en µ parallel 0, en dus µ parallel µ loodrecht < 0)

19 Invloed van een Aromatische Ring (µ loodrecht 0 en µ parallel < 0 (vooral een diamagnetisch effect), en dus opnieuw µ parallel µ loodrecht < 0)

20 Invloed van Waterstofbruggen Waterstofbruggen kunnen leiden tot sterke ontscherming van het betrokken proton.

21 Eiwitspectra Hoewel de honderden tot duizenden protonen in een eiwitmolecuul in principe ook elk een unieke omgeving en chemical shift hebben, is het resulterende spectrum vrij complex. Een aantal signalen kunnen geïsoleerd bestudeerd worden, maar de grote meerderheid gaat op in overlappende pieken.

22 Functionele Groepen in Eiwitten Het verschil in de elektronische omgeving tussen de geprotoneerde en gedeprotoneerde vorm kan gebruikt worden voor het bepalen van de pk a : δ gem = δ HA +[HA+ ] + δ A [A] [HA + ] + [A]

23 Bijzondere gevallen Atomen met ongepaarde elektronen geven aanleiding tot sterke paramagnetische effecten, die tot extreem negatieve chemical shifts (en zeer efficiënte relaxatie) kunnen leiden. (De gyromagnetische verhouding van het elektron is 660 keer groter dan die van het proton.)

24 (1) De magnetogyrische verhouding γ bepaalt de resonantiefrequentie van een geïsoleerde kern in een extern magneetveld. In een atoom of molecule wordt de kern echter omgeven door elektronen en andere kernen, die door hun invloed het magneetveld ter hoogte van de geobserveerde kern lichtjes veranderen, en zo de resonantiefrequentie een klein beetje opschuiven.

25 (2) De invloed van de elektronen in de buurt van de kern kan beschreven worden d.m.v. de chemical shift δ, die onafhankelijk is van de sterkte van het externe veld. De quantitatieve interpretatie van chemical shifts is nauw verweven met de moleculaire structuurtheorie, en wordt al snel vrij ingewikkeld. Zelfs zonder gedetailleerde interpretatie is de chemical shift een zeer nuttige "handtekening" die toelaat om individuele kernen in een molecule te identificeren.