Spektrometrie NMR a EPRAnalytick aspekty NMR a EPR spektrometrie 
Nuklern magnetick rezonance (NMR)
Teoretick zklady NMR 
  Metoda je zaloena na interakci elektromagnetickho vlnn v oblasti krtkch 
  radiovch vln s jdry men ltky umstnmi ve vnjm magnetickm poli 
  Absorbovan energie zpsobuje pechody nenulovch magnetickch moment na 
  vy energetick stavy 
  Metoda me bt pouita pro kvalitativn i kvantitativn popis men ltky 
  NMR dnes pat mezi nejdleitj spektrometrick metody pouvan pi een 
  strukturnch a kinetickch problm v organick i anorganick chemii 
  Typickou analytickou lohou eenou pomoc NMR je nalezen sloueniny ve smsi 
  nebo vylouen jej ptomnosti 
  Zkladnm pedpokladem NMR spektrometrie je existence nenulovho jadernho 
  magnetickho momentu 
  Pro jadern magnetick moment  plat vztah:
 
 = g.h.I/2p
g  gyromagnetick pomr
h  Planckova konstanta
I  spinov vektor
 
  Konstanta g - gyromagnetick pomr vyjaduje mrnost mezi momentem hybnosti a 
  magnetickm momentem a plat pro ni vztah:
 
g = g.e/2m
 g  faktor spin-orbitln interakce
e  nboj jdra
m  hmotnost jdra
 
  Hodnota magnetickho momentu se asto vyjaduje pomoc jadernho magnetonu N:
 
N = ep.h/4p.mp = 5,0505.10-27 Am2
 mp  hmotnost protonu
ep  nboj protonu
 
  NMR spektrum lze namit pouze pro ltky s atomy obsahujcmi lich poet 
  proton nebo neutron 
  Jdra, kter maj sud poet proton i neutron, maj nulov spinov kvantov 
  slo, nemaj jadern magnetick moment m a nejsou v NMR spektru pozorovateln 

  Jdra se spinovm kvantovm slem I = 1/2 maj jadern magnetick moment a 
  jsou snadno miteln (1H, 13C) 
  Jdra se spinovm kvantovm slem I > 1/2 maj jadern magnetick moment, 
  avak asto bvaj v NMR spektrometrii obtn miteln 
  Pokud je jdro s nenulovm spinovm slem mimo magnetick pole, jadern spin 
  se nijak neprojevuje 
  Po umstn jdra s nenulovm spinovm slem do vnjho magnetickho pole 
  dojde ke vzniku novch energetickch hladin 
  Pro jdra se spinovm slem I = 1/2 je pozorovn v magnetickm poli vznik 
  dvou hladin energie, mezi nimi je energetick rozdl:
 
DE = g.h.B0/2p
g  gyromagnetick pomr (konstanta charakteristick pro jdro kadho izotopu)
h  Planckova konstanta
B0  indukce magnetickho pole
 
  Uveden energetick rozdl odpovd frekvenci pechodu:
 
n = g. B0/2p (rezonann podmnka)
 
  Frekvence pechodu le obvykle v oblasti destek a stovek MHz 
  Populace jader na obou energetickch hladinch je vzhledem k malmu 
  energetickmu rozdlu tm shodn 
 
Instrumentace v NMR spektrometrii
  Vzorek obsahujc magneticky aktivn jdra se umst do magnetickho pole 
  Stdav vysokofrekvenn proud se pivd cvkou, kter je umstna v 
  blzkosti vzorku 
  Je mon spojit mnit intenzitu magnetickho pole nebo frekvenci proudu v 
  cvce 
  Pi splnn rezonann podmnky dojde k absorpci radiofrekvennho zen, 
  kter se elektronicky zaznamen 
  Magnetick pole je obvykle vytveno supravodivmi cvkami ze specilnch 
  slitin 
  Cvka je umstna v kapalnm heliu a protk j proud asi 100 A 
  Indukce magnetickho pole bv 4 - 18 T 
  Magnetick pole mus bt vysoce stabiln, nehomogenita pole se upravuje 
  pomocnmi cvkami a rotac kyvety se vzorkem 
  Zdrojem energetickch kvant je vysokofrekvenn elektromagnetick pole 
  realizovan cvkami napjenmi z vysokofrekvennho genertoru 
  Vzorek se rozpout v deuterovanm rozpoutdle 
  Obvykle se vzorek umisuje do sklenn kyvety (trubiky) o prmru 2 a 5 mm s 
  rovn zabrouenm dnem 
  U souasnch FTNMR spektrometr je obvykle pouvna stejn cvka pro vysln 
  pulsu i pro snmn odezvy systmu 
  Modern spektrometry jsou vhradn zeny vkonnm potaem
 
 FTNMR spektrometrie
  Souasn modern NMR spektrometry pracuj v reimu Fourierovy transformace 
  Vechna jdra jednoho izotopu jsou excitovna velmi krtkm (mikrosekundovm) 
  radiofrekvennm pulsem 
  Krtk radiofrekvenn puls vykazuje jistou neuritost frekvence a obvykle 
  pokrv oblast vech jader studovanho izotopu 
  Nvrat jader do rovnovnho stavu se sleduje jako voln doznvn indukce 
  Voln doznvn indukce m tvar exponenciln tlumen periodick funkce 
  pedstavujc souet sinusoid s frekvencemi psluejcmi jednotlivm 
  signlm 
  Signl zskan jako voln doznvn indukce je podroben Fourierov 
  transformaci vedouc k obvyklmu tvaru spektra NMR 
  Vhodou FTNMR je pedevm monost opakovat rychle po sob stejn men a 
  stat vsledn zznamy, co vznamn zvyuje citlivost men 
  Metoda FTNMR umouje mit znan zedn vzorky 
 
Urovn struktury slouenin z NMR spekter
Chemick posun
  Vznamn strukturn informace obsaen v NMR spektrech 
  Teoreticky by mla vechna jdra jednoho izotopu vloen do tho magnetickho 
  pole rezonovat pi stejn frekvenci (poskytovat jedin signl) 
  Pozorovn NMR spekter je umonno stnnm jader (zejmna elektrony) 
  Jdra stejnho izotopu, kter nemaj stejn chemick okol, se li intenzitou 
  stnn (rozloenm elektron ve svm okol) 
  Intenzita stnn je charakterizovna stnc konstantou s 
  Magnetick pole psobc na jdro je potom dno vztahem: B = B0.(1-s) 
  Pro vyjadovn chemickho posunu se pouv stupnice d s jednotkou ppm 
  odpovdajc miliontin vnjho pole 
  Jako potek stupnice d slou pro 1H NMR spektra signl tetramethylsilanu 
  (TMS) 
  Nejvce stnn protony se vyskytuj pi nzkch nebo dokonce zpornch 
  hodnotch ppm (iontov hydridy, organokovov sloueniny) 
  Nejmn stnna jsou jdra vodku v H+, kter nem v sousedstv dn elektron
 
Multiplicita signl
  Dal vznamn strukturn informace obsaen ve spektrech NMR 
  Je zpsobena interakc jdra s jdry sousednch atom aktivnch v NMR 
  zprostedkovanou valennmi elektrony 
  Ve spektru je pozorovno tpen lini studovanch jader 
  Vzdlenost roztpench lini (v Hz) udv interakn konstanta 
  Interakn konstanty jsou nezvisl na indukci vnjho magnetickho pole 
  Interakce jader 1H-1H dosahuj maximlnch hodnot okolo 25 Hz 
  V ppad 1H NMR lze snadno pozorovat interakce pes dv a pes ti vazby 
  V ppad 1H NMR se nejastji pozoruje tpen signlu zpsoben atomy vodku 
  vzanmi na sousedn atom 
  V ppad 13C NMR spektra se pozoruj interakce s vodky vzanmi pmo na 
  dan uhlkov atom 
  Je-li jdro obklopeno vce magnetickmi jdry, kad linie, kter vznikne 
  interakc s jednm ze sousednch jader, bude dle tpena interakc s dalm 
  sousednm jdrem 
  U jader s I = 1/2 dochz pi bn interakci ke vzniku dvou lini z jedn 
  pvodn 
  Vsledn signl se skld z ady lini, jeho celkov vzhled se nazv 
  multiplicita signlu 
  Pkladem je triplet o pomru intenzit 1:2:1 zskan pro jdra tpen 
  interakc se dvma jdry se stejnmi interaknmi konstantami 
  Pro tpen temi interagujcmi jdry lze nejastji zskat (za pedpokladu 
  tpen se stejnmi interaknmi konstantami) kvadruplet s liniemi v pomru 
  intenzit 1:3:3:1
 
Intenzita signl
  Plocha kadho signlu je mrn potu chemicky ekvivalentnch jader v 
  molekule 
  Poet signl v NMR spektru a jejich intenzita poskytuj informaci o potu 
  skupin chemicky ekvivalentnch jader a o potu jader v kad skupin
 
Aplikace NMR spektrometrie
  Nejvce propracovanou a nejdleitj oblast vyuit NMR spektrometrie je 
  strukturn analza organickch i anorganickch slouenin 
  Skupinov analza slouenin vyuv skutenosti, e jdra atom v podobnch 
  sloueninch maj podobn chemick posuny (dkaz aldehydu i aromtu ve smsi) 

  NMR se asto vyuv pro dkaz ltky ve smsi nebo pro vylouen jej 
  ptomnosti na zklad srovnn se spektrem ist studovan sloky 
  Vedle nejastji mench 1H a 13C NMR spekter se mnohdy provd rovn men 
  spekter 15N, 19F a 31P 
  Pro strukturn analzu bv vhodn kombinovat zvry zskan metodou NMR s 
  vsledky jinch metod (MS, IR, Ramanova spektrometrie) 
  Metoda NMR me bt pouita pro studium rovnovnch pomr chemickch reakc 
  Metoda NMR me bt rovn vyuita pro kvantitativn analzu 
  Pomoc NMR se nejastji m kapaln vzorky, metodu lze pout t k analze 
  a studiu pevnch vzork 
  Modern aplikac NMR je zobrazovn malch prostorovch element rznch 
  objekt vyuvan v lkastv a biologii 
  Metoda NMR je vzhledem k vysok cen stanoven vhodn tam, kde jin analytick 
  metody selhvaj nebo tam, kde jsou vysok nroky na sprvnost analzy
 
Analza pevnch vzork 
  Pevn vzorky lze prostednictvm metody NMR analyzovat, avak jejich men je 
  technicky mnohem nronj ne analza kapalin 
  Je-li mon pevn vzorek pevst do roztoku, upednostuje se men v kapaln 
  fzi 
  Pi analze pevnch vzork metodou NMR je nutn pekonat obte souvisejc s 
  anizotropi chemickho posunu 
  V pevnch ltkch m stejn jdro v rzn orientovanch molekulch (vzhledem k 
  magnetickmu poli) rzn chemick posuny v rozpt a nkolika set ppm 
  Ve spektru by se takto zskaly irok psy neumoujc poskytnout informace o 
  skutench chemickch posunech 
  Zprmrovn je dosaeno velmi rychlou rotac vzorku pod hlem 54,73 vzhledem 
  k magnetickmu poli 
  Dalm problmem analzy pevnch vzork pomoc NMR jsou dlouh relaxan asy 
  Zdrojem obt mohou bt rovn dipolrn interakce vedouc k nedoucmu 
  tpen pozorovanch signl
 
NMR zobrazovn
  NMR zobrazovn (tomografie) pedstavuje metodu umoujc zskat informace o 
  malch prostorovch elementech sledovanho objektu 
  Zobrazovac metoda je zaloena na pouit gradient magnetickho pole 
  Magnetick pole se linern mn ve smru nkter z os 
  V zkladnm proveden metoda poskytuje informaci o mnostv proton v 
  objemovm elementu o rozmrech nkolika milimetr 
  Vznam NMR zobrazovn pro biologii a lkastv je obrovsk 
  Vsledky men se zpracovvaj na rzn orientovan ezy, kde rzn barvy 
  odpovdaj rzn silnm odezvm 
  Barvy jsou voleny tak, aby zdraznily kontrast mezi odezvou z normln 
  (zdrav) a njak postien (nezdrav) tkn studovanho objektu
 
Elektronov paramagnetick rezonance (EPR)
  Metoda zaloen na stejnm principu jako nuklern magnetick rezonance 
  Pi absorpci energie dochz k pechodu mezi energetickmi hladinami 
  odpovdajcmi rznm orientacm spinu neprovch elektron atom i molekul 
  ve vnjm magnetickm poli 
  Kad elektron m vnitn moment hybnosti - spin, se kterm je spojen vznik 
  spinovho magnetickho momentu S:
 
S = ge.h.S/2p
ge  gyromagnetick pomr elektronu
h  Planckova konstanta
S  spin elektronu
 
  Vedle spinovho magnetickho momentu se u elektron projevuje jet magnetick 
  moment, jen vznik v dsledku orbitlnho pohybu elektron:
 
L = ge.h.L/2p
ge  gyromagnetick pomr elektronu
h  Planckova konstanta
L  vektor orbitlnho momentu
 
  Uveden magnetick momenty (spinov a orbitln) se vektorov staj a 
  vsledn magnetick moment lze charakterizovat celkovm momentem hybnosti 
  elektronu J 
  Celkov magnetick moment elektronu je potom popsn vztahem:
 
e = ge.h.J/2p = ge.e.h.J/4p.me = ge.B.J
J  celkov moment hybnosti elektronu
ge  faktor spin-orbitln interakce pro elektron (Landeho faktor)
e  elementrn nboj
me  klidov hmotnost elektronu
B  Bohrv magneton
B = e.h/4p.me = 9,273.10-24 Am2
 
  Metoda EPR je pouiteln pouze pro systmy s nenulovm spinem, tedy pro 
  systmy obsahujc alespo jeden neprov elektron 
  Nenulov spin vykazuj paramagnetick ionty nkterch pechodnch kov nebo 
  kov vzcnch zemin a organick voln radikly 
  Psobme-li na systm s nenulovm spinem magnetickm polem, dojde k roztpen 
  pvodnho energetickho stavu na hladiny odpovdajc jednotlivm orientacm 
  celkovho momentu hybnosti 
  Energie jednotlivch hladin je dna vztahem:
 
E = -e.B0 = -ge.B.J.B0
 
  Pro rozdl energie sousednch hladin plat rezonann podmnka:
 
DE = h.n = ge.B.B0
 ge  faktor spin-orbitln interakce elektronu
B  jednotka magnetickho momentu elektronu - Bohrv magneton
B0  indukce magnetickho pole
h  Planckova konstanta
n ... frekvence elektromagnetickho zen
 
  Vechny hladiny v danm systmu jsou od sebe stejn vzdlen 
  Rozdly energie mezi hladinami jsou vt ne v NMR, systmy studovan v EPR 
  absorbuj mikrovlnn zen s vlnovou dlkou nkolika cm 
  Metoda EPR je mnohem citlivj ne metoda NMR
 
Zkladn parametry spektra EPR
Spin-orbitln interakce v EPR
  Voln elektron bez jakkoliv interakce s okolm m hodnotu faktoru 
  spin-orbitln interakce ge = 2,00000 (po zapoten relativistickch efekt ge 
  = 2,00232) 
  V atomech a v molekulch je hodnota faktoru spin-orbitln interakce vlivem 
  okol zmnna 
  Faktor ge m v EPR spektroskopii podobn vznam jako chemick posun v NMR 
  V organickch radiklech se neprojevuje efekt stnn ostatnmi elektrony a 
  nalezen signl v EPR spektrech m hodnotu ge pouze mlo odlinou od 2,00232 
  V komplexech pechodnch kov me ge faktor dosahovat hodnot vrazn vtch 
  nebo mench ne je teoretick hodnota (mn se od 1 do 8)
 
Spin-spinov interakce v EPR
  Dochz-li k interakci neprovho elektronu s magneticky aktivnmi jdry 
  okolnch atom nebo s jinmi neprovmi elektrony, je signl ve spektru tpen 
  na multiplety 
  U organickch radikl dochz nejastji ke spinovm interakcm mezi 
  neprovm elektronem a vodkovmi jdry v jeho okol (analogie NMR) 
  Intenzita interakce je charakterizovna konstantou hyperjemnho tpen 
  Struktura multiplet me bt obecn dosti sloit
 
Experimentln uspodn v EPR
  Men EPR spekter se provd pi konstantn frekvenci mikrovlnnho zen a 
  plynule promnn indukci magnetickho pole 
  Homogenn magnetick pole poskytuje elektromagnet, na jeho stabilitu jsou 
  kladeny velk nroky 
  Zdrojem mikrovlnnho zen je klystronov osciltor 
  Energie zen prolho vzorkem se m pomoc krystalovho polovodiovho 
  detektoru 
  Vzorek je obvykle umstn v kemenn kapile 
  Jako standard k urovn ge faktoru slou N,N-difenyl-N-dipikrylhydrazinov 
  radikl stabiln v krystalickm stavu (ge = 2,0036)
 
Analytick aplikace EPR
  Metoda EPR slou k dkazu radikl ve vzorcch 
  Pomoc EPR byl potvrzen radiklov mechanismus polymerizanch reakc 
  Metodu lze pout pro sledovn proces spojench s penosem nboje (oxidace, 
  redukce) 
  Bn lze studovat radikly o koncentraci 10-5 mol.l-1 s dobou ivota kolem 1 
  s 
  Men lze provdt v kapalnm, plynnm i pevnm skupenstv 
  Velk praktick vznam m studium iont pechodnch kov a organokovovch 
  slouenin (heterogenn katalza, biochemick a biologick aplikace) 
  Data zskan ze spekter EPR poskytuj informace o rozloen pravdpodobnosti 
  vskytu neprovho elektronu v molekule (urovn elektronov struktury ltek) 

  Intenzity signl je mon vyut ke kvantitativnmu stanoven ltek
 
 Literatura
Spasov S., Kamenov L.: Jadern magnetick rezonance v organick chemii, SNTL, 
Praha 1981.
Derome A.E.: Modern NMR Techniques for Chemistry Research, Pergamon Press, 
Oxford 1987.
Ernst R.R., Bodenhausen G., Wokaun A.: Principles of Nuclear Magnetic Resonance 
in One and Two Dimensions, Oxford University Press, Oxford 1987.
Gunther H.: NMR Spectroscopy. Basic Principles, Concepts and Application in 
Chemistry, Wiley, New York 1992.
Hecht H.G.: Magnetic Resonance Spectroscopy, J. Wiley, New York 1967.
Sanders J.K.M., Hunter B.K.: Modern NMR Spectroscopy, Oxford University Press, 
Oxford 1993.
Wertz J.E., Bolton J.R.: Electron Spin Resonance, Elementary Theory and 
Practical Applications, Chapman and Hall, 1986.
Mabbs F.E., Collison D.: Electron Paramagnetic Resonance of d Transition Metal 
Compounds, Elsevier, Amsterdam 1992.