NMR strukturní analýza C8950 NMR spektroskopie pevného stavu Radek MAREK 2012 NMR pevné fáze 1 NMR pevné fáze MOTIVACE NMR pevné fáze CrystEngComm, 2005, 7, 1-19 u NMR pevné fáze MOTIVACE Carbon-13 CPMAS spectra of nifedipine (VI). Top: crystalline form I. Bottom: amorphous J. Pharm. Pharmacol. 2007, 59: 225-239 NMR pevné fáze MOTIVACE Polymorph is a solid crystalline phase of a given compound resulting from the possibility of at least two crystalline arrangements of the molecules of that compound in the solid state. W.C. McCrone, in Physics and Chemistry of the Organic Solid State, Vol. 2, Interscience, New York, p. 725, 1965. NMR pevné fáze NMR pevné fáze MOTIVACE Potentially different physical and chemical properties between polymorphs, solvates, amorhous phases. - physical and thermal properties (density, refractive index, melting points, free energy and chemical potential, thermal stability, solubility) - spectroscopic properties (vibrational, rotational, electronic, NMR features) - kinetic properties (rate of dissolution, stability, kinetics of solid-state reactions) - surface properties (surface area, particle size distribution) - mechanical properties (hardness, compression, thermal expansion, drying characteristics) - chemical properties (chemical and photochemical reactivity) NMR pevné fáze Pevná fáze vzorky v podobě monokrystalů, práškové formě (mikrokrystaly) či amorfní fáze omezen molekulární pohyb - anizotropie chemického posunu, výrazný efekt přímé dipolární a kvadrupolární interakce 100% koncentrace vzorku spektra „přesycena" informacemi - vývoj technik ssNMR pro jejich extrakci NMR pevné fáze Interakce jaderného spinu energie interakce spinu reprezentovaného operátorem Tz s okolím vyjadřují jednotlivé členy spinového hamiltoniánu H H Vnější pole B0 RF pole Bx (RF pulz) Nepárový elektronový spin Elektron Paramagnetická interakce Indukované pole elektronové —1 hustoty J Chemický posun Magnetický dipól druhého jádra Přímá spin-spinová interakce Hr Kvadrupól jádra L 4| D-ko nstanta Nepřímá spin-spinová interakce = J-coupling H, V-konstanta Pole generované pohybem molekuly L, Spin-rotační interakce Atom v magnetickém poli Stínící konstanta - tenzor Anizotropní interakce v pevné fázi Jaderné magnetické stínění .Lab (T XX xy yx yy (T zx zy diagonaliace 0 0^ 0 cr22 0 0 0 PAF CTxy Bmci = 0 VCTzx CTzzy lB0/ '11 Sind,z - °zzB0 PPAF '33 Laboratorní kartézská souřadná soustava nahrazena hlavními osami (PAF = principle axes frame). PŘÍČINY ANIZOTROPIE CHEMICKÉHO POSUNU omezený molekulární pohyb plně nekompenzuje nesférický charakter elektronové hustoty molekul ^iso =1/3(^11 +^22 + ^33) izotropní stínění NMR pevné fáze NMR pevné fáze , • ■ - ■ Kubická symetrie - magický uhel ASYMETRICKÁ MOLEKUL Chemický posun v práškovém spektru AXIÁLNE SYME^TO^AM( MOLEKULA Q|| = fiis„+ííoko -^33) Q± = Q,o +^k.-ffn)=^„ +^0(^0 -^22) PRÍČINY ANIZOTROPIE CHEMICKÉHO POSUNU • omezený molekulární pohyb plně nekompenzuje nesférický charakter elektronové hustoty molekul • různé orientace mikrokrystalů v práškovém vzorku NMR pevné fáze spinový pár 15N - 1H v axiálně symetrickém okolí -práškové spektrum v pevné fázi se díky omezenému pohybu interagujících spinových párů projevuje přímá dipolární interakce (dosah 10 Á) prášková spektra odpovídají náhodným a v čase konstantním orientacím mezijaderného vektoru r/s vůči směru B0 signál je v ideálním případě rigidního krystalu štěpen na Pakeův dublet odpovídající a a (3 stavu interagujícího partnera NMR pevné fáze Závislost signálu na orientaci izolovaného spinového páru ^-down 1H-up (/?) (o) Spinový pár 9 = 90° kubická symetrie systému: v čase se všechny orientace vlivem rotace zprůměrují do hodnoty magického úhlu - vynulování členu (3cos29 -1) potlačení heteronukleární dipól-dipólové interakce a složky anizotropie chemického posunu —► zúžení signálů resp. rozpad práškového spektra na jednotlivé rotační signály NMR pevné fáze poskytnout informace o anizotropii jaderného stínění resp. chemického posunu - určení složek tenzoru ô NMR pevné fáze 9 = 54.7 Rotace vzorku pod magickým uniem Rotační signály '22 rozlišené reziduálni rotační signály mohou poskytnout informace o anizotropii jaderného stínění resp. chemického posunu - určení složek tenzoru ô NMR pevné fáze a) 10 kHz 1 CO 1 Ca _K b) 5 kHz C) 2 kHz JJJ. JL__i_A d) 1 kHz e) static ■ ■ 250 200 150 100 50 0 -4-ó/ppm 10 0 -10 10 0 -10 C spektrum práškové směsi glycinu a alaninu • umožňuje téměř zcela potlačit heteronukleární dipolární interakce v ss NMR spektru • založen na kontinuálním ozařování vazebného partnera, např. 1H rezonance, 180° pulzy o stejné fázi —► rotace magnetizace způsobí vyprůměrování spinové složky HDD do nulové hodnoty NMR pevné fáze m2=(iij2,+y2y+iizi2z)=i/2(i1+i-+iri2+)+ i1zi v homonukleárním spinovém páru (např. 1H-1H) hamiltonián dipolární interakce navíc zahrnuje skalární součin vektorů operátorů magnetizace podmínka zachování celkové energie systému nebrání přenosu energie v okamžiku synchronního flip-flop přechodu mezi dvěma interagujícími jádry o blízké rezonanční frekvenci jde o koherentní velmi rychlý proces přenosu magnetizace prostorem, homonukleární interakce proto zapříčiňuje tzv. spinovou difúzi NMR pevné fáze Přímá spin-spinová interakce šíří se přes prostor - přímá interakce jaderných dipólů velikost závislá na orientaci mezijaderného vektoru vůči vnějšímu magnetickému poli uplatňuje se v pevné fázi popř. orientovaných mediích v podobě reziduálního dipolární interakce v roztoku důležitý relaxační mechanismus -NOE magnituda v řádu kHz interakce vs. 7-interakce Nepřímá spin-spinová interakce zprostředkována valenčními elektrony nezávislá na orientaci ani velikosti vnějšího magnetického pole uplatňuje se v roztoku, v pevné fázi překryta intenzivnějšími DD popř. kvadrupolárními interakcemi magnituda v řádu desítky Hz NMR pevné fáze -3/2 -1/2 1/2 3/2 otropní intera 1 i i Zeeman y t fázi Kvad 1 i 3 n -m„+-r 2 Q 4 1 i 3 n 2 Q 4 projevuje se u jader s jaderným magnetickým spinovým číslem s > 1/2 - jaderný spin se může vyskytovat ve 2s + 1 energetický stavech tato jádra mají nesférickou distribuci jaderného náboje - kvadrupólové štěpení rezonančního signálu působí interakce magnetického momentu s gradientem elektrického pole kvadrupólové štěpení dosahuje až řádů MHz a jeho závislost na orientaci spinového systému vůči B0 je popsána vedle harmonické funkce i složkou druhého řádu, MAS neumožňuje zcela odstranit NMR pevné fáze • hnací silou je přímá dipól-dipólová interakce, využívá tendence magnetizace proudit z vysoce polarizovaného systému (velké yY, např. 1H) do systému málo polarizovaného (malé ys, např. 13C) • rezonanční podmínku lze pro heteronukleární spinový pár splnit díky Hartman-Hahnovu experimentu - založen na současném ozařováním obou jader r/ poli o odpovídajících frekvencích, což má za následek precesní pohyb obou spinu kolem směru těchto polí, amplitudy těchto r/ poli jsou nastaveny tak, aby došlo k vyrovnání frekvencí obou precesních pohybů a ustavení tzv. dipolárního kontaktu • v homonukleárním systému je flip-flop cross-polarizační přechod podstatou spinové difúze NMR pevné fáze x • 90° pulzem je excitován 1H vysoce polarizovaný spinový systém • během CP periody jsou magnetizace obou systému udržovány ve shodném směru rf polí (spin-lock) bez vývoje chemického posunu - polarizace se přesouvá z 1H do 13C spinového systému • během akvizice 13C signálu je DD interakce potlačována dekaplovací pulzní sekvencí na 1H • CP experiment představuje významný stavební blok řady pulzních sekvencí v ssNMR - umožňuje až lOOOx zvýšení citlivosti NMR pevné fáze LH O Cross-polarizační experiment Decouplig LH 13C [ TI CP CH3, kvartami C 13C 1 CP -CP Decouplig + 1 ZH3 ,+kvartérní C -CH2 CP 11 • intenzita DD interakcí mezi 1H a 13C závisí na prostorové blízkosti jader a rychlosti reorientace mezijaderného vektoru vůči B0 klesá v řadě: CH2 > CH > CH3 (rotace) > C (vzdálené protony) • (A) Během spinového echa dojde k rozfázování koherence signálu CH2 a CH vlivem DD interakce, jež je v těchto spinových systémech nej rychlejší. • (b) Na inverzi fáze CP spinlokovacího bloku 1H rezonance nejrychleji reagují CH2 skupiny - inverze signálů, následované CH (signál po optimalizaci blízko nule). NMR pevné fáze Např: • DD interakce: 1H - 13C korelační heteronukleární experiment HETCOR • J-interakce: 13C-13C INADEQUATE, HMQC-7-MAS • korelace CSA a DD interakce: orientované systémy- PISEMA NMR pevné fáze