2D NMR spektroskopie v pevné fázi – spinová difuze a separace ...

Author:
jiri brus
2D NMR spektroskopie v pevné fázi –
spinová difuze a separace lokálních polí
2D 1 H- 1 H CRAMPS
1 H:
BR24
Mixing
BR24
54° 90°
90° 54°
( )2n ( )2n
∂M
( r,
t)
∂ ⎡ ∂ ⎤ ∂ ⎡ ∂ ⎤ ∂ ⎡ ∂ ⎤
=
⎢
D M ( r,
t) ⎥
+ ⎢D
M ( r,
t) ⎥ +
⎢
D M ( r,
t) ∂t
∂x
⎣ ∂x
⎦ ∂y
∂ ⎣ ∂ ⎥⎦
⎣ ∂y
⎦ z z
Objev více-rozměrné NMR spektroskopie (1971)
Přenos magnetizace přes vazebné elektrony
(konektivita řetězce)
90° ±y
90° ±y
Jean Luis Charles Jeener
*1931
Přednáška na letní škole v Basko Polje, Jugoslávie, 1971
Dvoudimenzionální NMR, COSY
Aue W.P., Bartholdi E., Ernst R.R.
2D Spectroscopy. Application to NMR, J. Chem. Phys. (1976); 64: 229.
11
3
2
4
10 9
5
22
t
1
2D COSY NMR
t
2
1

Korelace 1 H- 1 H chemických posun¢
2D korelační NMR v pevné fázi – 1985
Morfologie polymerních směsí
Caravatti P., Neuenschwander P., Ernst R.R.
Characterization of Heterogeneous Polymer Blends by 2D 1H Spin Diffusion Spectroscopy,
Macromolecules. (1985); 18: 119.
2D 1 H MAS NMR pulse sequence
BR24
Mixing
BR24
100-300µs
54° 90°
90° 54°
1 H:
( )2n ( )2n
Štafetový p¡enos polarizace
nemísitelný
PEO
3.3 nm
PC
2.1 nm
1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 1 H
1 H
1 H
1 H
1 H
1 H
mísitelný
Dipolární interakce v homonukleárním systému
Flip-flop přechody
B 0
Alanin
1 H
Homonukleární
systém
-1/2 -1/2
2
II
2
+ − − +
ˆ
µ γ 1
H = − ( )( ( )
− 2 ˆ ˆ − D h 3cos θ 1 I
+
3
1zI2z
1 I1
I2
I1
I2
4π
r1,2
2
θ
1 H CRAMPS
ω I1 = ωI2
1/2
1 H r 1,2
flip-flop
H 32kHz
-1/2 I 1 I 2 I 1 I 2 -1/2
+ −
1
2
II
1 2
Hˆ
µ γ
= − ( −
+
1/2
2 1 2
0 3cos −1)( 3 ˆ ˆ ˆ ˆ
1/2
D h θ I1
2
− I1I2
)
3
zI
z
4π
r1,2
2
H stat
I ˆ 1
Iˆ
2
= ( I1xI2
x
+ I1yI2
y
+ I1zI
z
)
+
−
I = I
x
+ iI
y;
I = I
x
− iI
y
2

Multipulsní homodekaplink – 1968
Ĥ zz
Solid
echo
Ĥ yy
2Ĥ xx
Ĥ yy Ĥ zz
WHH-4
BR-24
Hˆ = Hˆ
+ Hˆ
+ Hˆ
II
D
Hˆ
Hˆ
CS
CS
≈ Iˆ
≈
z
xx
Hˆ
Hˆ
Hˆ
yy
zz
( 3Iˆ
Iˆ
− Iˆ
I )
ˆ
xx
= .......
1x
2 x 1 2
( 3Iˆ
Iˆ
− Iˆ
I )
ˆ
yy
= .......
1 y 2 y 1 2
( 3Iˆ
Iˆ
− Iˆ
I )
ˆ
zz
= .......
1z
2 z 1 2
( Iˆ
+ Iˆ
+ Iˆ
)/
3
x
y
z
= 0
CH 2
Efektivní precese pod
magickým úhlem
54.7°
B 0
“Magická krychle”
I z
Glycine
Aspartic acid
BR-24
I x
Iy
+y
BR-24
+x
Kontinuální homodekaplink
FSLG dekaplink
Mimorezonanční podmínka
∆LG( O2)
= ω1
2
Doba trvání jednoho pulsu
Pak následuje změna fáze
a offsetu
⎛ 2π
⎞
τ = ⎜ ⎟
⎝ ω
1 ⎠
∆LG( O2)
= −ω1
2
3
2
τ odpovídá 2π rotaci kolem efektivního pole.
-O2 +O2
O = ±ω
2 ω 1 = γ
B1
O 2 1
1
van Rossum BJ.; Foerster H.; De Groot HJM.
High-Field and High-Speed CP-MAS 13C NMR Heteronuclear Dipolar-Correlation Spectroscopy of Solids with
Frequency-Switched Lee–Goldburg Homonuclear Decoupling, J. Magn. Reson. 124, 516, (1997).
120 100 80 60 40 20 0 -20
-40
-60
-80
-100
ppm
-ω off
ω 0
ω off
3

Kontinuální homodekaplink
Fázová modulace
( t) t
φ = ω
PMLG
ω
PMLG
= ω 1
2
Fázově modulovaný
Lee-Goldburgův experiment
„On-resonance“
experiment
90 ±y 35 ±y
1 H:
PMLG
φ φ φ φ
90 ±y35 ±y w-PMLG
Spinová
difuse
φ φ φ φ φ
• • • • •
α
Doba trvání LG cyklu
t LG
=
ω
( 2 3)( 2π
ω )
Celková fázová změna během
jednoho LG cyklu
LG
=
PMLG
tLG
1
o
= 207.8
Trajektorie rf pole
během cyklu PMLG-9
y
t 1
1
H- 1 H PMLG w-PMLG
t 2
207.8°
27.8°
x
0°
1 H
1 H
1
H- 1 H Spinová výměna (difuse)
Výběr a přenos magnetizace
90 ±y 35 ±y
PMLG
1 H:
φ φ φ φ
90 ±y35 ±y w-PMLG
Spinová
difuse
φ φ φ φ φ
• • • • •
t 1
t 2
Rychlost spinové vým¢ny: ∂M
( r,
t)
∂ ⎡ ∂ ⎤ ∂ ⎡ ∂ ⎤ ∂ ⎡ ∂ ⎤
=
⎢
D M ( r,
t) ⎥
+ ⎢D
M ( r,
t) ⎥ +
⎢
D M ( r,
t) ∂t
∂x
⎣ ∂x
⎦ ∂y
∂ ⎣ ∂ ⎥⎦
⎣ ∂y
⎦ z z
Velikost domény dispergované
složky A :
B
1/ 2
ε ⎛ 1 s ⎞
d
A
= 2 ⎜ Dtm
⎟
f ⎝ π ⎠
Stanovení spin-difusního koeficientu z pološí¡ky:
1
12
π
2ln 2
ν
2
D = r ∆
2
rig 1/ 2 D [ ] 1 / 2
mob
= r α∆ν
1/ 2
−1
mob 2
+
6
= 8.2 × 10
−
5
D T 0.007 D = 4.4 × 10
− T 0. 26
1
6
−1
mob 2
+
4

2D spin-difuzní 1 H- 1 H NMR experimenty
2D 1 H MAS NMR pulse sequence
BR24
Mixing
BR24
100-300µs
54° 90°
90° 54°
Obecný dvousložkový systém v 1D 1 H NMR spektru
A
B
1 H:
( )2n ( )2n
a b ppm
Fázov£ separované domény A.....B
Molekulární komplex A-B
Obecný dvousložkový systém ve 2D
spektru
a b ppm
A
B
a+a
b+b
A
B
b+a
A
B
b+a
diagonal
a
b ppm
Only diagonal signals are detected –
no polarization transfer occurs
a+b
diagonal
a b ppm
Weak off-diagonal signals are detected
– small portion of polarization was
transferred from A to B
diagonal
a+b
Strong off-diagonal signals are detected
–polarization was completely
transferred from A to B
ss NMR – 2D spin-difuzní experimenty
Polymer blend
Polycarbonate – Polyethyleneoxide (PC-PEO)
2D 1 H MAS NMR pulse sequence
BR24
BR24
Mixing
54° 90°
90° 54°
PEO(CH 2 )
1 H:
( )2n ( )2n
10 ms
PC(CH 3 )
PC(Ar )
Amorphous phase PEO-PC
intimately mixed
300 µs
Amorphous PC inside
PEO spherulites
3.3 nm
PC
2.1 nm
PEO
Brus J. et al.,
Order and mobility in polycarbonate-poly(ethylene
oxide) blends, Macromolecules (2000); 33: 6448.
Crystallites
Shape and size is not
well-defined
5

ss NMR – 2D spin-difuzní experimenty
PEO(CH 2 ) PE(CH 2 )
Blokový kopolymer
Polyethyleneoxide-Polyethylene
PEO-PE
1 H:
2D 1 H MAS NMR pulse sequence
Mixing
BR24
BR24
0-50 ms
54° 90°
90° 54°
( )2n ( )2n
Crystalline PE
Crystalline PEO
6.5 nm 5.5 nm
Triple-component
process
Double-component
process
1.0-0.5 nm
Amorphous interface
Brus J. et al.,
Potential and limitations of 2D H-1-H-1 spin-exchange CRAMPS experiments to
characterize structures of organic solids, MONATSHEFTE FUR CHEMIE (2002); 133: 1587.
ss NMR – 2D spin-difuzní experimenty
Siloxanová síť
5.14 ppm
0.191 nm
4.81 ppm
0.195 nm
5.95 ppm
0.186 nm
1.07
ppm
2.98 ppm
0.216 nm
Intenzita
I/I 0
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
Vývoj intenzity korela ních signál¡
TE-D 2
O
d w-HB
= 2.20 nm
d s-HB
= 0.66 nm
d i
= 0.0 nm
d n-HB
= 0.45 nm
d w-HB
= 0.60 nm
d i
= 0.0 nm
d n-HB
= 0.70 nm
d s-HB
= 0.71 nm
d i
= 0.03 nm
Velikost klastrů:
w-HB OH 1.5-2.0 nm
s-HB OH
< 1.0 nm
n-HB OH 0.5 -0.4 nm
0.00
0 1 2 3 4 5
t 1/2 , ms 1/2
Sm£šovací ¤as
6

ss NMR – 2D spin-difuzní experimenty
Modifikovaná
siloxanová síť
4.49 ppm
0.194 nm
6.54 ppm
0.184 nm
3.52 ppm
0.199 nm
3.10 ppm
0.210 nm
I/I 0
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
Vývoj intenzity korela ních
TE-DM 3-1
signál¡
d w-HB = 2.10 nm
d Me = 1.24 nm
d i = 0.28 nm
d s-HB = 0.70 nm
d Me = 1.09 nm
d i = 0.07 nm
d w-HB = 2.20 nm
d s-HB = 0.61 nm
d i = 0.08 nm
Velikost klast¤:
w-HB OH ~ 2.0 nm
s-HB OH
~ 1.0 nm
n-HB OH ? (izolované)
Me
~ 1.0 nm
0.00
0 1 2 3 4 5
t 1/2 , ms 1/2
Měření meziatomových vzdáleností
0.3
rel. int.
0.25
t m=35.76 µs
I e = 0.25
0.2
0.15
y = 0.0651 -0.1392
R 2 = 0.9973
0.1
0.05
〈r 2 〉 = 3 D eff
t m
r 12
= 0.178 nm
r 12
= 0.247 nm
t 0=4.57 µs
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
t 1/2 , µs 1/2
0.3
rel. int.
y=0.0234x-0.1157
0.25
R 2 =1 t m = 231 µs
Ie=0.24
0.2
0.15
0.1
t' 0 = 24 µs
0.05
t 0 = 4.6 µs
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
t 1/2 , µs 1/2
7

Měření meziatomových vzdáleností
1
H NMR
2
H NMR
-CH 2
-
-CD 2
-
NH 3
+
ND 3
+
D
D
*
eff
eff
∆ν
≅
∆ν
1/ 2
1/ 2
+
( NH )
3
( CH )
2
δ
Q
≅
δ
Q
+
( NH )
3
1
≅
( CH ) 3
2
Spinová výměna je ovlivněna segmentálním
pohybem, rozsah ovlivnění lze odhadnout z
kvadrupolových interakčncíh konstant.
Měření meziatomových vzdáleností
Mezimolekulární
vzdálenosti mohou být
teoreticky získány z
vývoje spinové difuse.
0.1600
0.1200
0.0800
Vývoj signálu
korelující a-H.
Vývoj signálu
korelující
+
a-H a NH 3
0.0400
0.0000
0 5 10 15 20
8

NMR krystalografie – 2006…
XRD
ss-NMR
Reutzel-Edens S. et al. Crystal Growth & Design 3, 897 (2003)
Elena B. et al. J. Am. Chem. Soc. (2006); 128, 9555.
NMR krystalografie - parametry krystalové buňky
dM
= −K( M − M
0
)
dt
2
⎛ µ
0γ
h ⎞ A
kij
= ∑⎜
⎟
n
λ ⎝ 4π
⎠ ( rij
)
2
λ
k ii
= −∑ k a
i
a
M( t, τ ) = exp( − Kτ
) M ( t,0)
P( τ ) = exp( − Kτ
) M
SD
SD
z
n … Functional dependence on internuclear distance
SD
SD
z
9

NMR krystalografie
Elena B. et al.
Solid-state 1H NMR crystallography, J. Am. Chem. Soc. (2005); 127(25), 9140.
Elena B. et al.
Molecular Structure Determination in Powders by NMR Crystallography from
Proton Spin Diffusion, J. Am. Chem. Soc. (2006); 128, 9555.
dM
= −K( M − M
0
)
dt
2
⎛ µ
0γ
h ⎞ A
kij
= ∑⎜
⎟
n
λ ⎝ 4π
⎠ ( rij
)
2
λ
k ii
= −∑ k a
i
a
M( t, τ ) = exp( − Kτ
) M ( t,0)
P( τ ) = exp( − Kτ
) M
SD
SD
z
SD
SD
z
n
… Functional dependence on internuclear distance
2
χ
2
( calc − )
∑
i
t i
σ
=
2
i
2D dvoukvantové 1 H- 1 H korelační techniky
Steven P. Brown and Hans Wolfgang Spiess.
Advanced Solid-State NMR Methods for the Elucidation of Structure and Dynamics of
Molecular, Macromolecular, and Supramolecular Systems, Chem. Rev. 2001, 101, 4125-
4155
Excitation
DQ
Reconversion
t 1
1 H:
90°
Acquisition
t 2
n=1-4
n
Steven P. Brown
1972
+2
+1
p=0
-1
-2
* Zúžení signálů - pouze rotace vzorku 30 kHz.
* Teplotně stabilní látka.
* Řídká 1 H- 1 H interakční síť.
* Neuplatňuje se spinová difuze.
* Existence dvou dipolárně interagujících H atomů.
* Meziatomová vzdálenost nepřesáhne 3-4 A.
10

Jednokvantová vs. dvoukvantová koherence
Izolovaný spin I = 1/2
Dipolárně interagující pár
spinů I = 1/2
Jednokvantová
koherence
V NMR spektru
pozorujeme dubletu
V NMR spektru
pozorujeme singlet
Platí i pro spin-spinové interakce
2D dvoukvantové 1 H- 1 H korelační techniky
Steven P. Brown and Hans Wolfgang Spiess.
Advanced Solid-State NMR Methods for the Elucidation of Structure and Dynamics of
Molecular, Macromolecular, and Supramolecular Systems, Chem. Rev. 2001, 101, 4125-
4155
Excitation
DQ
Reconversion
t 1
Dvoukvantový Hamiltonián
1 H:
90°
Acquisition
t 2
Hˆ
− ˆ
xx
H yy
n=1-4
n
+2
+1
p=0
-1
-2
* DQC - není přímo sledovatelná
- 2D experiment.
* Rotor-synchronizovaný
experiment.
* Excitace - vývoj - zpětná
konverze.
* S klesající sílou dipolárních
interakcí - větší počet cyklů.
11

Dvoukvantová koherence
V prvním p¡iblížení je intenzita
druhé mocnin¢
signál¡
dipolární interakce,
Intenzita signálu je nep¡ímo
úm¢rná šesté mocnin¢
vzdálenosti
DQC se vyvine pouze tehdy
pokud jsou jádra skute n¢
velmi blízko sebe
Rotor synchronizovaná 2D DQ MAS spektra
Excitation
DQ
Reconversion
* Inkrement DQC (t 1 ) = jedna perioda rotace.
* Rotační signály jsou zcela potlačeny.
* Excitace - vývoj - zpětná konverze.
* S klesající sílou dipolárních interakcí - větší počet cyklů.
1 H:
90°
t 1
n=1-4
Acquisition
t 2
n
+2
+1
p=0
-1
-2
12

Jak dosáhnout lepšího rozlišení
Zavední homodekaplovacích sekvencí do
obou detekčních period
Steven P. Brown Anne Lesage, Be´ne´ dicte Elena, and Lyndon Emsley
Probing Proton-Proton Proximities in the Solid State: High-ResolutionTwo-
Dimensional 1H-1H Double-Quantum CRAMPS NMR Spectroscopy, J. Am.
Chem. Soc. 2004, 126, 13230-13231.
2D 3 H- 3 H korelace – dosah až 13 A
13

Dipol-dipolové interakce a meziatomová vzdálenost
Dipolární oscilace a Fourierova transformace
Dipolar oscillation of 13 C NMR signal in a
typical C-H group
13 C
r 1,2
γ
Iγ
S
1
( 3cos 1) 2Iˆ
zSˆ
z
IS
ˆ
0 2
D
= −
θ −
3
4π
rI
, S
2
H
θ
µ h 1 H
D – dipolar coupling constant depends on 1/r CH3 .
D – dipolar coupling constant should be constant for
all C-H pairs in CH or CH 2 groups as bond length is
always ca. 0.11 nm
FT
Dipolar spectrum of
C-H group
0,1 nm
12,5 kHz
S 1
-40000 -20000 0 20000 40000
Scaling of D
−
⎛ S1
⎞
r CH
= a⎜
⎟
⎝ 2π
⎠
DIS
S1
= sinθ
m
2
sin θ m
= 0.816
o
θ m
= 54.7
1
3
Přesné měření N…H vzdálenosti
Histidin.HCl
90° ±y
1 H:
PI
LGCP
-x +x
Decoupling
(TPPM)
15 N:
+x
t 1
+x
Acquisition
t 2
105 pm
ppm
-5
109 pm
H +
0
5600 Hz
6300 Hz
5
Nízká citlivost experimentu v přirozeném
zastoupení.
Experimentální čas pro získání 2D 1H-15N
dipolárního spektra je cca.2-5 dnů
10
195 190 185 180 175 170 ppm
14

Souhrn
Homodekaplink: BR24, FSLG, PMLG
2D spinová difuse
1 H:
2D 1 H- 1 H CRAMPS
BR24
BR24
Mixing
54° 90°
90°
54°
A
B
b+a
( )2n ( )2n
diagonal
a+b
DQ koherence: BABA
DQ
Excitation
Reconversion
t 1
90°
Acquisition
1 t H:
2
n=1-4
n
+2
+1
p=0
-1
-2
Solid-state NMR
and ………….
NMR krystalografie
2005 2005
Spinová difuse a morfologie polymerů
CRAMPS-DQ/MAS
1985 1985
15