Hoorcollege 1
Identificatie en zuiverheid: nuclear magnetic resonance (NMR)
Toepassingen van NMR
Identificatie van chemische structuur
- natuurproducten
- aantonen product na chemische synthese: belangrijkste tool voor synthetische
chemici in combinatie met MS en IR
studie van dynamische processen
- reactie kinetiek
- evenwichten (chemische of structurele)
3D-structuren
- eiwitten, eiwit-ligand complexen
- DNA, RNA, eiwit-DNA complexen
- polysacharides
metabolomics: geen scheiding metabolieten nodig
drug design: SAR
Gezondheidszorg: MRI
Juiste identiteit: klopt de werkelijke structuur met verwachte structuur
Waarom belangrijk?
- interpretatie biologische assays
- publiceren resultaten
- patentaanvraag
- investigational new drug (IND) aanvraag → fase 1 studies
Elektromagnetisch spectrum:
- lage energie straling
- 100 MHz
Waarom is NMR nuttig?
- kernspinresonantie → observeren atoomkernen
- informatie over omgeving atoomkernen
Nucleaire spin
- tollende lading genereert magnetisch veld
- kernen zoals 1H of 13C kunnen twee verschillende spin toestanden aannemen (spin
+½ en -½)
- het magnetische veld van spin +½ en spin -½ wijzen in tegengestelde richting
- deze ‘magneetjes’ hebben in niet magnetische omgeving een willekeurige oriëntatie
- is een extern magnetisch veld (h0) worden de nucleaire magnetische momenten
parallel en anti-parallel aan externe veld georiënteerd
- er zijn net wat meer nucleaire magneetvelden parallel aan magnetisch veld
georiënteerd
- verschil in energie is proportioneel met magnetisch veld
, - radiofrequentie (RF) straling kan de spintoestand naar hoger energieniveau tillen
Nucleaire spin: eigenschap atoomkernen
- protonen en neutronen hebben spin van ½
- spin komt in veelvouden van ½ voor, weergegeven door nucleaire psin nummer I
- I = 0, ½, 1, etc
- magnetisch kwantum nummer (mI)
- aantal mogelijke toestanden → 2*I +1
Basis principes NMR
- alleen atoomkernen met spin zijn NMR actief
- voor atoomkernen met spin = ½
- magnetisch veld → 2 toestanden
- 1. met veld mee (lagere energie)
- 2. tegen veld in (hogere energie)
- onder invloed van EM-straling (radiofreq) → meer kernen naar hogere
energietoestand
- afhankelijk van type kern en omgeving: specifieke frequentie (Hz) → dit is frequentie
waarbij kern resoneert
NMR signaal
- verschil in energie is proportioneel met externe magnetische veld
- verschil is verder afhankelijk van de gyromagnetische ratio (gamma)
- gamma = ratio tussen magnetisch moment en draaimoment / impulsmoment
- deltaE = gamma h Bpi
- NMR signaal ontstaat door overgang van lage (alfa) naar hoge (beta) energie
- verschil in populatie tussen alfa en beta spin toestand bepaalt sterkte van signaal
- populatie N verschil kan worden bepaald met de Boltzmann distributie en het
energieverschil tussen alfa en beta spin toestanden
- Nalfa/ Nbeta = e^(dE/kT)
- hoe hoger dE → hoe groter Nalfa/Nbeta (ratio) → hoe groter NMR signaal
Overgang van lage energie naar hoge energie spin door absorptie van radiofrequentie (RF)
straling → daar resoneert heet
Chemical shift
- voor karakteriseren organische structuren: rapporteren NMR signalen (onafhankelijk
apparatuur)
- chemical shift wordt gemeten in parts per million (ppm) → verschuiving tov referentie
- referentie = tetramethylsilaan (TMS)
- chemical shift, ppm delta: shift downfield from TMS (in Hz)/spectrometer frequency in
(MHz)
Shielding, de-shielding en chemical shift
- shielding: situatie waarin geobserveerde kern (paraplu)
- meer wordt afgeschermd van aangelegde magnetisch veld
- minder voelt van het aangelegde veld
- de shielding: situatie waarin geobserveerde kern
, - minder wordt afgeschermd van afgelegde magnetisch veld en dus
- meer ‘voelt’ van aangelegde magnetisch veld
- shielding en de shielding hebben invloed op frequentie waarbij kern resoneert
- shielding = shift upfield = kleinere chemical shift
- deshielding = shift downfield = grotere chemical shift
Waarom verschil in shift?
- elk atoom heeft mini-magnetisch veld
- dit veld “beschermt” de kern tegen het NMR-magnetisch veld
- versterking van het aangelegde magnetisch veld ook mogelijk: afhankelijk van
elektronenconfiguratie in molecuul → de shielding
Mate van shielding afhankelijk van
omgeving:
- elektronen donerende groepen: shielding (lagere chemical shift)
- elektronen zuigende groepen: deshielding (hogere chemical shift)
hybridisatie:
- general 13C chemical shifts: sp2 > sp > sp3
atomen naast elektornen zuigende groepen
- relatief lage elektronendichtheid
- de shielding
- relatief lagere chemical shift
atomen naast elektronen donerende groepen
- relatief hoge elektronendichtheid
- shielding
- relatief lage chemical shift
75-80 ppm: 3 streepjes is chloroform: CDCl3
>160 ppm: carbonyl (C aan elektrozuigend)
95-160 ppm: aromaat alkeen
< 95 ppm: alifatisch
Verschillende 13C NMR experimenten
‘normaal’ 13C NMR experiment
- alle signalen dezelfde kant op: Cq, CH, CH2 = dezelfde fase
APT:
- Cq en CH2: even aantal H aan C is signaal dezelfde kant op
- CH en CH3: oneven aantal H aan C is signaal dezelfde kant op
- oneven en even staan tegengestelde kant op
- afhankelijk van ‘fasering’ staan signalen omhoog of omlaag
- kijken naar CDCl3: hoeveel H deze heeft (is 0 dus even) → even staan dus dezelfde
kant op
DEPT
Identificatie en zuiverheid: nuclear magnetic resonance (NMR)
Toepassingen van NMR
Identificatie van chemische structuur
- natuurproducten
- aantonen product na chemische synthese: belangrijkste tool voor synthetische
chemici in combinatie met MS en IR
studie van dynamische processen
- reactie kinetiek
- evenwichten (chemische of structurele)
3D-structuren
- eiwitten, eiwit-ligand complexen
- DNA, RNA, eiwit-DNA complexen
- polysacharides
metabolomics: geen scheiding metabolieten nodig
drug design: SAR
Gezondheidszorg: MRI
Juiste identiteit: klopt de werkelijke structuur met verwachte structuur
Waarom belangrijk?
- interpretatie biologische assays
- publiceren resultaten
- patentaanvraag
- investigational new drug (IND) aanvraag → fase 1 studies
Elektromagnetisch spectrum:
- lage energie straling
- 100 MHz
Waarom is NMR nuttig?
- kernspinresonantie → observeren atoomkernen
- informatie over omgeving atoomkernen
Nucleaire spin
- tollende lading genereert magnetisch veld
- kernen zoals 1H of 13C kunnen twee verschillende spin toestanden aannemen (spin
+½ en -½)
- het magnetische veld van spin +½ en spin -½ wijzen in tegengestelde richting
- deze ‘magneetjes’ hebben in niet magnetische omgeving een willekeurige oriëntatie
- is een extern magnetisch veld (h0) worden de nucleaire magnetische momenten
parallel en anti-parallel aan externe veld georiënteerd
- er zijn net wat meer nucleaire magneetvelden parallel aan magnetisch veld
georiënteerd
- verschil in energie is proportioneel met magnetisch veld
, - radiofrequentie (RF) straling kan de spintoestand naar hoger energieniveau tillen
Nucleaire spin: eigenschap atoomkernen
- protonen en neutronen hebben spin van ½
- spin komt in veelvouden van ½ voor, weergegeven door nucleaire psin nummer I
- I = 0, ½, 1, etc
- magnetisch kwantum nummer (mI)
- aantal mogelijke toestanden → 2*I +1
Basis principes NMR
- alleen atoomkernen met spin zijn NMR actief
- voor atoomkernen met spin = ½
- magnetisch veld → 2 toestanden
- 1. met veld mee (lagere energie)
- 2. tegen veld in (hogere energie)
- onder invloed van EM-straling (radiofreq) → meer kernen naar hogere
energietoestand
- afhankelijk van type kern en omgeving: specifieke frequentie (Hz) → dit is frequentie
waarbij kern resoneert
NMR signaal
- verschil in energie is proportioneel met externe magnetische veld
- verschil is verder afhankelijk van de gyromagnetische ratio (gamma)
- gamma = ratio tussen magnetisch moment en draaimoment / impulsmoment
- deltaE = gamma h Bpi
- NMR signaal ontstaat door overgang van lage (alfa) naar hoge (beta) energie
- verschil in populatie tussen alfa en beta spin toestand bepaalt sterkte van signaal
- populatie N verschil kan worden bepaald met de Boltzmann distributie en het
energieverschil tussen alfa en beta spin toestanden
- Nalfa/ Nbeta = e^(dE/kT)
- hoe hoger dE → hoe groter Nalfa/Nbeta (ratio) → hoe groter NMR signaal
Overgang van lage energie naar hoge energie spin door absorptie van radiofrequentie (RF)
straling → daar resoneert heet
Chemical shift
- voor karakteriseren organische structuren: rapporteren NMR signalen (onafhankelijk
apparatuur)
- chemical shift wordt gemeten in parts per million (ppm) → verschuiving tov referentie
- referentie = tetramethylsilaan (TMS)
- chemical shift, ppm delta: shift downfield from TMS (in Hz)/spectrometer frequency in
(MHz)
Shielding, de-shielding en chemical shift
- shielding: situatie waarin geobserveerde kern (paraplu)
- meer wordt afgeschermd van aangelegde magnetisch veld
- minder voelt van het aangelegde veld
- de shielding: situatie waarin geobserveerde kern
, - minder wordt afgeschermd van afgelegde magnetisch veld en dus
- meer ‘voelt’ van aangelegde magnetisch veld
- shielding en de shielding hebben invloed op frequentie waarbij kern resoneert
- shielding = shift upfield = kleinere chemical shift
- deshielding = shift downfield = grotere chemical shift
Waarom verschil in shift?
- elk atoom heeft mini-magnetisch veld
- dit veld “beschermt” de kern tegen het NMR-magnetisch veld
- versterking van het aangelegde magnetisch veld ook mogelijk: afhankelijk van
elektronenconfiguratie in molecuul → de shielding
Mate van shielding afhankelijk van
omgeving:
- elektronen donerende groepen: shielding (lagere chemical shift)
- elektronen zuigende groepen: deshielding (hogere chemical shift)
hybridisatie:
- general 13C chemical shifts: sp2 > sp > sp3
atomen naast elektornen zuigende groepen
- relatief lage elektronendichtheid
- de shielding
- relatief lagere chemical shift
atomen naast elektronen donerende groepen
- relatief hoge elektronendichtheid
- shielding
- relatief lage chemical shift
75-80 ppm: 3 streepjes is chloroform: CDCl3
>160 ppm: carbonyl (C aan elektrozuigend)
95-160 ppm: aromaat alkeen
< 95 ppm: alifatisch
Verschillende 13C NMR experimenten
‘normaal’ 13C NMR experiment
- alle signalen dezelfde kant op: Cq, CH, CH2 = dezelfde fase
APT:
- Cq en CH2: even aantal H aan C is signaal dezelfde kant op
- CH en CH3: oneven aantal H aan C is signaal dezelfde kant op
- oneven en even staan tegengestelde kant op
- afhankelijk van ‘fasering’ staan signalen omhoog of omlaag
- kijken naar CDCl3: hoeveel H deze heeft (is 0 dus even) → even staan dus dezelfde
kant op
DEPT
