Samenvatting identificatietechnieken - ALLE STOF voor het tentamen

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