The Nobel Prize in Chemistry 2002

"for the development of methods for identification and structure

analyses of biological macromolecules"

"for their development of soft desorption

ionisation methods for mass spectrometric

analyses of biological macromolecules"

"for his

development of

nuclear magnetic

resonance

spectroscopy for

determining the

three-dimensional

structure of

biological

macromolecules in

solution"

John B. Fenn Koichi Tanaka Kurt Wüthrich

1/4 of the prize

1/4 of the prize

1/2 of the prize

USA Japan Switzerland

IsotopeNatural %

AbundanceSpin (I)

Magnetic

Moment (μ)*

Magnetogyric

Ratio (γ)†

1H 99.9844 1/2 2.7927 26.753

2H 0.0156 1 0.8574 4,107

11B 81.17 3/2 2.6880 --

13C 1.108 1/2 0.7022 6,728

17O 0.037 5/2 -1.8930 -3,628

19F 100.0 1/2 2.6273 25,179

29Si 4.700 1/2 -0.5555 -5,319

31P 100.0 1/2 1.1305 10,840

* μ in units of nuclear magnetons = 5.05078•10-27 JT-1

† γ in units of 107rad T-1 sec-1

Jedro z magnetnim momentom obravnavamo kot paličast magnet,

na katerega zunanje magnetno polje B0 izvaja navor M

M = B0

ki poskuša magnetni moment zasukati tako, da bi kazal v smeri

polja B0.

Posledica je precesija magnetnega momenta okrog smeri

zunanjega magnetnega polja B0

B0

Precesija vrtavke

0 = M

Kombinacija klasične mehanike in kvantne mehanike

M = 0

0 = . B0 LARMORJEVA FREKVENCA PRECESIJE

0

0 = B0

2

M = B0 = . p B0

hip

vrtilna količina

kotna hitrost precesije

Energija magnetnega momenta v zunanjem magnetnem

polju B0 je kvantizirana

E = - I B0 cos = -h2

m: -I, -I+1, ......, I-1, I magnetno kvantno število

E = + B0 cos h2

12

E= - B0 cos h2

12

E

E = B0h2

B0

N (m = -1/2)

N (m = +1/2)= e – E/kT = e - h Bo

2πkT

Boltzmannova porazdelitev

B0

B

Resonančni pogoj: frekvenca šibkega magnetnega polja B mora biti

enaka Larmorjevi frekvenci precesije.

E = B0h2

h . =

frekvenca polja B

B02 =

1H

13C

1H

13C

= = 26.753

6.728 = 3.975

hip

(Gauss) 1T(esla) = 10000 G

E = B0h . = h2

LOCK

Shema NMR spektrometra

‘’quenching’’

NMR spektrometer

Relaksacija

• T1 longitudinalni relaksacijski čas

‘’spin – lattice’’ relaksacijski čas

• T2 transverzalni relaksacijski čas

‘’spin – spin’’ relaksacijski čas

NMR tomografija (NMR imaging) = slikanje z magnetno resonanco

relaksacija (T1. T2)

hip

-protoni (jedra 1H vode v telesu)

- T1 točka na rač. sliki

relaksacija (T1. T2)

Reflecting the fundamental importance and applicability of MRI in the medical field, Paul Lauterbur and Sir Peter Mansfield of the University of Illinois,

Urbana-Champaign and University of Nottingham were awarded the 2003 Nobel Prize in Medicine or Physiology for their "discoveries concerning magnetic

resonance imaging". The Nobel Prize committee acknowledged Lauterbur's insight of using magnetic field gradients to introduce spatial localization, a discovery

that allowed rapid acquisition of 2D images. Sir Peter Mansfield was credited with introducing the mathematical formalism and developing techniques for

efficient gradient utilization and fast imaging.

The 2003 Nobel Prize in Medicine award was vigorously protested by Raymond Vahan Damadian, who claimed that he was the inventor of MRI, and that Paul

Lauterbur and Sir Peter Mansfield had merely refined the technology.

Paramagnetna kontrastna sredstva

• kompleksi gadolinija (lantanid)

• skrajšujejo longitudinalne (T1) in – v manjši meri –

transverzalne (T2) relaksacijske čase protonov vode v tkivu

[Xe] 4f7 5d1 6s2

Periodni sistem elementov

gadopentetna kislina gadobenska kislina

gadodiamid gadobutrol

mangafodipir

Merilne metode pri NMR spektroskopiji

CW (continuous wave NMR)

FT (Fourier transform NMR)

E = B0h . = h2

kratki radiofrekvenčni pulzi

magnetizacijski vektor……………………….. vektorska vsota magnetnih momentov

relaksacija (T1. T2)

signal proste precesije

free induction decay (FID)

Fourierova transformacija

Fourierova transformacija

signal proste precesije

free induction decay (FID)

• kemijski premik

• sklopitve

• integral

Kemijski premik

= 10 - σ

σ = σdia + σpara + σ’ + σmedium

ppm (parts per million)

300 MHz

10 ppm = 3000 Hz

resonančne frekvence

protonov

ν

Kemijski premik

1H-NMR spekterCH3COOH v CDCl3

13C-NMR spekterCH3COOH v CDCl3(širokopasovnaprotonska razklopitev)

h = B0h2

resonančni pogoj:

visok Bo

nizka

velik

majhen Bo

visoka

majhen

Bo

1H-NMR: obseg kem. premikov 1-10 ppm 13C-NMR: obseg kem. premikov 1-200 ppm

- /

- /

Kemijski premik

Inkrementni sistem

• kemijsko ekvivalentna jedra

• magnetno ekvivalentna jedra

simetrijska operacija

hitra intramolekularna gibljivost (rotacija)

kemijsko ekvivalentna, vendar

magnetno neekvivalentna protona

Kemijski premik - vplivi

• vpliv porazdelitve elektronske gostote v vezi H-X

na kemijski premik

CH3-CH2-OH CH3-CH2-SH

3.71 2.44

Kemijski premik - vplivi

Kemijski premik - vplivi

• intramolekularni

kemijski procesi

TMS

510

TMS

510

Kemijski premik - vplivi

• anizotropijski efekti

H

• povečano zasenčenje nad in pod obročem

• zmanjšano zasenčenje ob obroču

• kemijski premik

• sklopitve

• integral

Spin-spin sklopitveS singlet

d dublet

t triplet

q kvartet

...

m multiplet

• homonuklearna interakcija

• heteronuklearna interakcija

Proton A, proton X I = 1/2

J 1H-1H med -20 in +20 Hz13C-1H cca 250 Hz13C-13C cca 170 Hz

Velikost sklopitvene konstante (Hz)

neodvisna od zunanjega magn. polja Bo

1J sklopitvena konstanta preko 1 vezi1J sklopitvena konstanta preko 2 vezi

...itd

razdalja med signaloma 8 Hz

7.0 ppm

dva singleta ali dublet ???

posnamemo spekter pri drugi frekvenci,

npr. 400 MHz

a) razdalja med signaloma v Hz ostane ista

b) razdalja med signaloma v Hz se spremeni

200 MHz protonski

NMR spekter

dublet

dva singleta

XmAn

Multipliciteta za A = m 2Ix + 1

Multipliciteta za X = n 2IA + 1

Multipliciteta signalov

CH2CH3

AnXm

proton

A

proton

X

rezidualni protoni

sklopitev rezidualnih protonov z devterijem

Multipliciteta za A = m 2Ix + 1

Multipliciteta za H = 2 x 2 x 1+ 1 = 5

spin

devterija

1H – NMR spekter

CHD2

jedro A jedro X

sklopitev jeder 13C z devterijem

Multipliciteta za A = m 2Ix + 1

Multipliciteta za C = 3 x 2 x 1+ 1 = 7

spin

devterija

13C – NMR spekter

CHD3

jedro A jedro XMultipliciteta signalov CDCl3 ???

Devterirana topila

Solvent B.P. °CResidual1H signal (δ)

Residual13

C signal (δ)

acetone-d6 55.5 2.05 ppm 206 & 29.8 ppm

acetonitrile-d3 80.7 1.95 ppm 118 & 1.3 ppm

benzene-d6 79.1 7.16 ppm 128 ppm

chloroform-d 60.9 7.27 ppm 26.4 ppm

cyclohexane-d12 78.0 1.38 ppm 26.4 ppm

dichloromethane-

d2

40.0 5.32 ppm 53.8 ppm

dimethylsulfoxide

-d6

190 2.50 ppm 39.5 ppm

nitromethane-d3 100 4.33 ppm 62.8 ppm

pyridine-d5 1147.19, 7.55 & 8.71

ppm

150, 135.5 &

123.5 ppm

tetrahydrofuran-d8 65.0 1.73 & 3.58 ppm 67.4 & 25.2 ppm

CH3

N+

O-

O

1H-NMR Spekter 1-nitropropana v CDCl3

Sklopitvene konstante

• velikost geminalne sklopitve raste z naraščajočim s-karakterjem hibridne orbitale

• vicinalne sklopitve

• sklopitve na daljavo (long-range sklopitve)

• sklopitve protonov v aromatskih obročih

Temperaturne meritve

Devterijska izmenjava

Sklopitve z drugimi jedri

13C NMR spektroskopija

Širokopasovna protonska razklopitev (Proton broad-band decoupling)

DEPT metoda

net

• moduliran spin-echo eksperiment