Nukleární magnetická rezonance NMR spektroskopie pevného stavu NMR pevné fáze, MOTIVACE CrystEngComm, 2005, 7, 1-19 N MR pevné fáze, MOTIVACE CrystEngComm, 2005, 7, 1-19 N M R pevné fáze, MOTIVACE 50 20 10 ■ I ■ 1 ■ ■ I ■ ■ ■ 1 I 1 ' ' ' I ■ ■ ■ ■ I 185 180 175 170 "C (ppm) 180 160 140 120 100 "C (ppm) ~i— 80 60 40 —i— 20 GDQASWSHPQ FEKGAHKFRQ Ll IGV VAL FNIEW V. |YR^ GS SDVMYNAS 20 40 60 100 4 n:coi-CA r ^^IlOJCOl-CA ,/60cc Hftm. ^ ♦ O ljbcd: K17CC-C -. i s&H í í Q * A K17CB-CAI—, v81cb-ca vft?<*íl D29CB-CAI I10)CB-CA< L2bCB-CAt Y7Vľ»-CA' VÍ9CB-CA* O X* . _ á. . .sa-ea >"»-oSi(>)cll.CI)1 . «* 1Í1CB-CC1 I71CB-CG3 L69CB-CD1 tAÍ8CA-ť» .58CA-CB I VaiCA-cq,)"" vb7cajc2 i * P48CA-TO lifc^lCA-CC: *-*ti:ca-cc: a jpyVJ^CA-CM -VííCA-cfl? "^•/J2CA-CCa V»TC-C» VtlC-CB AVBC-CÍI 60C-CB á ľUÍC-ClI vSIC-CB f K27C- M1C-CB r' A40C-CB 70 60 50 40 S "C / ppm 30 20 10 N MR pevné fáze, MOTIVACE r a - 2D NCO 91/A90 G59/A58 G86/A8Í F18/K17 G35/K37^ G50/Y49 T30/D29 S80/E79 L42/A41 G52A/51 K27/026 R24/N23 V32/R31 G62/G61 S7^G72 A41/A40 F46/L4 Y49/P48 L36/G35 W105/E104 M96A/9 R76/Y75 A82A/81 G74/S73 N98/Y97 A99/N98 f»J0.2/F.1Q1. V87/G^3/A82 Y75/G74 A85/K84 V81/S80 A58/T57 V95/D94 V77/R76 18S 180 175 170 11'!: r- b - 2D NCA G91 G59 G86 G72 ™1 N78 G35 230ľN1°2 G5° V32 G14 G74 G52 1103 R76 P48 —i— 70 ô "C / ppm i> "C / ppm NMR pevné fáze MOTIVACE JUJ Carbon-13 CPMAS spectra of nifedipine (VI). Top: crystalline form I. I Bottom: amorphous y y J. Pharm. Pharmacol. 2007, 59: 225-239 N MR 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. N MR pevné fáze, MOTIVACE Potenciálně rozdílné fyzikální a chemické vlastnosti mezi polymorfy, solváty a amorfní fází: - fyzikální a termální vlastnosti (hustota, refrakční index, teplota tání, volná energie a chemický potenciál, termální stabilita, rozpustnost) - spektroskopické vlastnosti (vibrační, rotační, elektronové a NMR vlastnosti) - kinetické vlastnosti (řád rozpustnosti, stabilita, kinetika reakcí v pevné fázi) - povrchové vlastnosti (plocha povrchu, distribuce velikosti částic) - mechanické vlastnosti (tvrdost, komprese, tepelná expanze, charakteristika vysychání) - chemické vlastnosti (chemická a fotochemická reaktivita) N MR pevné fáze, MOTIVACE Polymorf - farmaceutické aplikace Pevná fáze vzorky v podobě monokrystalů, práškové formě (mikrokrystaly) či amorfn 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 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 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 Chemický posun Anizotropní interakce v pevné fázi - CST Jaderné magnetické stínění Stínící konstanta - tenzor ^xy Lab 0 °1 PAF CU COOH 1H decoupling <- 13 kHz 5 KHZ 2 kHz 500 Hz Static CHi\ CH 1 .111. I 10 0 10 Mta 10 •10 13 C spektrum práškové směsi glycinu a alaninu umožňuje téměř zcela potlačit heteronukleární dipolární interakce v ss NMR spektru založen na kontinuálním ozařování interagujícího jádra, např. 1H rezonance, 180° pulzy o stejné fázi —► rotace magnetizace způsobí vyprůměrování spinové složky HDD do nulové hodnoty Anizotropní interakce v pevné fázi 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 D-interakce vs. 7-interakce Přímá spin-spinová interakce Nepřímá 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 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 desítek Hz magnituda v řádu desítek kHz Anizotropní interakce v pevné fázi Kvadrupolární interakce projevuje se u jader s jaderným magnetickým spinovým číslem s > 1/2 - jaderný spin se může vyskytovat ve 2s + 1 energetických stavech tato jádra mají nesférickou distribuci jaderného náboje - kvadrupólové štěpení rezonančního signálu způsobí 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 (double rotation) Q=yRBm Q=ycBlc Křížová polarizace Cross-Polarisation (CP) LH /ibii = /sB is 13c 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 vyvolává precesní pohyb obou spinu kolem směru těchto polí, amplitudy těchto r/ polí 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 Cross-polarizační (CP) experiment LH 13c Q=yRBm Q=ycBlc 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 CP/MAS experiment 9 = 54.7' Kombinace CP experimentu a rotace pod magickým úhlem (MAS) MAS-eliminace anizotropních interakcí CP - zvýšení citlivosti CP/MAS - základ sofistikovanějších experimentů v pevné fázi Dekapling během akvizice - eliminace štěpení 13C NMR spekter jádrem 1H Kubická symetrie - magický úhel CP/MAS experiment • 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). 2D ssNMR spektroskopie HETCOR INADEQUATE .J rc/2Homonukleární decoupling 13C CP tl CP Decouplig CP Decouplig 13c 1 cp T J i n/2 n/2 n yifW' Např: • DD interakce: 1H - 13C korelační heteronukleární experiment HETCOR • J-interakce: 13C-13C INADEQUATE, HMQC-V-MAS • korelace CSA a DD interakce: orientované systémy- PISEMA 13C signal assignment - 2D CP-INADEQUATE 160 150 140 130 120 110 100 90 SO 70 SO SO ppm ssNMR spektroskopie