Спектроскопия ЯМР в (био)органической химии Ф.В. Тоукач, 1996 - н.в. Институт Органической Химии им Н.Д. Зелинского РАН, Центр ЯМР Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, химфак, кафедра фундаментальных проблем химии Московская Академия Тонкой Химической Технологии им. М.В. Ломоносова Высший Химический Колледж РАН

Программа курса
(N - ссылки на слайды)

Часть 1. Введение

1. История изучения ЯМР. Что и зачем изучается в рамках программы. 01
2. Применение ЯМР в органической химии, преимущества, недостатки, уникальные особенности метода. Стоимость ЯМР-исследований. 1
3. Основные характеристики одномерного спектра ЯМР. Количество, положение, форма и площадь сигналов. Простейшие примеры спектров. Интегрирование спектра. 2
4. Причины возникновения явления ЯМР. Ядра в магнитном поле и их экранирование ядер электронами и химическим окружением. Резонансные переходы, гиромагнитное отношение. 3
5. Химический сдвиг, единицы измерения. Физические основы и идея эксперимента ЯМР с непрерывной разверткой. Что есть спектр ЯМР? 3
6. Некоторые магнитно-активные ядра. Абсолютная и относительная чувствительность. Стандарты химических сдвигов, ТМС, диапазоны химических сдвигов для разных ядер. 5
7. Химические сдвиги ¹H. Зависимость от соседствующих атомов и связей, характерные значения. 4
8. Химические сдвиги ¹³C. Зависимость от соседствующих атомов и связей, характерные значения. Расчет химических сдвигов по аддитивным схемам. 6

Часть 2. Спин-спиновое взаимодействие

1. Причины спин-спинового взаимодействия. Спиновое расщепление на нескольких одинаковых соседях. Треугольник Паскаля. Инвариантность дублета дублетов относительно последовательности рассмотрения расщепления. 7
2. Другие примеры спинового расщепления. Случаи с тремя соседями. Вырождение дублета дублетов в триплет. 8
3. Симметрия молекул, химическая и магнитная эквивалентность атомов. 10
4. Спиновое расщепление на ядрах со спином 1. Изотопный сдвиг. Спектр реального DMSO-d6. 9
5. Основные протон-протонные КССВ. 11
6. Спектры, снятые на спектрометрах с разной рабочей частотой. Спектры 1,2,4-дибромбензола и β-D-галактопиранозы. 12
7. Примеры спинового расщепления: сигналы протонов замещенного бензола (простые случаи). Минорные линии в спектрах молекул с химически-эквивалентными, но магнитно-неэквивалентными ядрами. 131415
8. Примеры спинового расщепления: изменения в спектрах при несовпадении КССВ между протонами в замещенном бензоле. 16
9. Примеры спинового расщепления: теоретический спектр ¹H аллилбромида 17
10. Гетероядерное спин-спиновое взаимодействие. Зависимость КССВ от гиромагнитного отношения. Понятие широкополосной развязки. Результат, преимущества и недостатки эксперимента ЯМР ¹³С Gated. 29
11. Сателлиты ¹³С. Появление неэквивалентности атомов в спектрах сателлитов. Спин-спиновое взаимодействие с квадрупольными ядрами. 31
12. Основные протон-углеродные КССВ. Зависимость от гибридизации. Знак КССВ. 30

Часть 3. Корреляция структура-спектр

1. Эффект "крыши". Вырождение двух дублетов в синглет. Различные варианты проявления эффекта крыши в системе ABC. 18
2. Примеры спектров. Алифатические и ароматические протоны. Перекрывание сигналов. Неидеальность формы линии, площади и эффекта крыши. 19-25
3. Отнесение одномерных протонных спектров на основании формы линии и измерения КССВ. 19-25
4. Спектры ЯМР смесей. Выявление подспектров компонентов смеси. Определение количественного состава смеси. 2627
5. Зависимость КССВ от структуры. Влияние валентного угла, π-электронов и заместителей на геминальные КССВ. Влияние торсионного угла и длин связей на вицинальные КССВ. Кривая Карплуса. 32
6. Спектры не первого порядка. Расчетные и экспериментальные спектры сильносвязанных систем. 35
7. Зависимость спектров ЯМР от температуры. Внутримолекулярный и межмолекулярный обмен. Влияние обмена на спиновое расщепление и положение сигналов. Величина барьера перехода. Сигналы подвижных протонов. 33
8. Типичные барьеры распространенных обменных и конформационных процессов. Характеристическое время ЯМР. 34
9. Влияние водородных связей на химические сдвиги мостикового атома, донора и акцептора водорода. КССВ XH и КССВ через водородную связь. 36
10. Решение структурных задач на основании одномерных спектров и брутто-формулы.
11. Получение структурной информации из набора двумерных спектров COSY, TOCSY, HSQC, HMBC. 5657738081
12. Решение структурной задачи на основании данных COSY, HSQC, NOESY. 86878889
13. Предсказание спектров ЯМР. Эмпирические, полуэмпирические и квантомеханические подходы. HOSE. Использование нейронных сетей. 90

Часть 4. Импульсная спектроскопия ЯМР

1. Классический и импульсный ЯМР. Ограничения метода с непрерывной разверткой. Короткие и длинные импульсы. "Настройка колоколов". 37
2. FID и спектр ЯМР. Преобразование Фурье. Лоренцева форма линии. Данные в частотном и временном представлении. 38
3. Схема простейшего эксперимента ЯМР. Отношение сигнал/шум и накопление FID'а. Основные параметры одномерного эксперимента ЯМР. Задержка для релаксации, время накопления. Спектральное окно, число точек выборки. Естественное и цифровое разрешение. 40
4. Магнитный момент ядра и вектор макроскопической намагниченности. Представление осциллирующего поля вращающимися векторами магнитных моментов. Вращающаяся система координат. 43
5. Влияние импульса на вектор макроскопической намагниченности. Виды импульсов. 43
6. Воздействие импульса на образец во вращающейся системе координат. Непопадание линии в резонанс. Детектирование нескольких линий одновременно. Влияние импульсов на заселенность спиновых состояний. 45
7. Рассмотрение химического сдвига и КССВ в рамках формализма, связанного с векторами во вращающейся системе координат. Что реально фиксируется в сигнале FID? 45
8. Продольная и поперечная релаксация, экспоненциальный спад FID'а. Метод инверсии-восстановления. 46
9. Спиновое эхо и рефокусировка компонентов намагниченности. Особенности гомо-и гетероядерного спин-спинового взаимодействия. Широкополосная протонная развязка в спектрах гетероядер. 47
10. Преимущества переноса поляризации. Селективный и неселективный перенос. Влияние гиромагнитных отношений ядер. 48
11. Кросс-релаксация и ядерный эффект Оверхаузера. Зависимость знака и величины NOE от структуры. Применение спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера для выявления пространственных контактов протонов.60

Часть 5. Различные эксперименты ЯМР

1. Двумерная корреляционная спектроскопия. Перенос когерентоности. Эксперимент COSY и его импульсная диаграмма. Двумерное преобразование Фурье. 5051
2. Примеры гомо- и гетероядерных спектров COSY. Информация, получаемая из этих экспериментов в структурных исследованиях. Отнесение протонного спектра по данным COSY. 52-57
3. Селективное подавление спинового взаимодействия. Одномерные спектры двойного резонанса. Неполное подавление КССВ. Сдвиг Блоха-Зигерта. Пример структурного исследования с помощью серии экспериментов двойного резонанса. 5859
4. Эксперименты NOESY и ROESY. Фаза сигналов в двумерных спектрах по наблюдению ЯЭО. Зависимость от частоты спектрометра. 61
5. Разностные эксперименты. Установление положения заместителей и отнесение протонного спектра с помощью разностной спектроскопии NOE. 6263
6. Некорреляционные эксперименты ЯМР и получаемая из них информация. Схема структурного исследования с помощью спектроскопии ЯМР. 67
7. Псевдодвумерные эксперименты ЯМР: диффузионная спектроскопия (DOSY) и развертка мультиплетов на второй оси (J-resolved). 6869
8. Возможности экспериментов APT, INEPT, DEPT, Gated. Перенос поляризации и чувствительность. Редакция углеродных спектров. 49
9. Гомоядерные спиновые корреляции. Разновидности эксперимента COSY: варьирование длины первого импульса, перенос когерентности, двухквантовый фильтр. Эксперимент TOCSY. 70717273
10. Гетероядерные корреляции. Эксперименты HETCOR, HSQC. Перенос когерентности, редакция и протонная развязка в HSQC.777879
11. Сравнение HSQC и HMBC, информация, получаемая из этих экспериментов в одномерном и двумерном вариантах. 8081
12. Комбинированные корреляции (HSQC-TOCSY, HSQC-NOESY). 82
13. Прямая корреляция по гетероядрам (INADEQUATE).74
14. Пространственные корреляции и получаемая из них информация. Перенос намагниченности в NOESY и его использование для исследования связывания субстрат-лиганд. Эксперименты STD, WaterLOGSY, ILOE и INPHARMA. Влияние времени смешивания. 7576
15. Трехмерные эксперименты. Корреляции {H,C,N} и {H,H,N}, используемые в протеомике. Редактирование и фильтрация по гетероядрам (X-edited). 838485

Часть 6. Практическая реализация ЯМР

1. Операции с FID'ом до преобразования Фурье. Взвешивающие функции, лоренцева и гауссова форма линии. Экспоненциальное и Гауссово умножение. Дополнение нулями, обрезание, аподизация. 39
2. Аналоговый и цифровой сигналы. Оцифровка сигнала ЯМР. Усиление в канале приема. 41
3. Принципиальная схема спектрометра ЯМР. Управляющий компьютер и устройства ввода-вывода. Суперкон и его исполнение. Датчики ЯМР: виды, назначение. 4142
4. Понятие о необходимой скорости выборки, объеме памяти, разрядности данных. Критерий Найквиста. Отраженные сигналы и их фаза. Предназначение полосового фильтра. 41
5. Действительная и мнимая части Фурье-образа. Фаза сигналов. Квадратурное детектирование. Понятие о фазовых циклах. 44
6. Что такое разрешение и чувствительность. Стабилизация условий резонанса в пространстве и во времени. Шиммирующие катушки. Дейтериевая стабилизация (LOCK). Критерии оценки разрешения: по опорному сигналу, по FID, по форме линии. Типичные ошибки шиммирования. 64
7. Приготовление образца и выбор растворителя. Влияние размера ампулы, вязкости, концентрации. Распространенные в ЯМР растворители и их свойства. 6566
8. Подавление нежелательных пиков в одно- и двумерной спектроскопии. Декаплер и его аппаратная реализация.
9. Распространенные программы для работы со спектрами ЯМР: MestreNova, ACDLabs, XWinNMR.

Дополнительные материалы

Иллюстрации к лекциям (нажмите сюда)

Монографии:

  А. Дероум "Современная спектроскопия ЯМР в химических исследованиях", М., Мир, 1992 (DjVu, 4.7 Mb, на русском языке)
  Х. Гюнтер "Введение в курс спектроскопии ЯМР", М., Мир, 1984 (PDF, 8.6 Mb, на русском языке)
  K. Denk "NMR spectroscopy", University of Guelph, 2005 (PDF, 4.6 Mb, на английском языке)
  E. Becker "High resolution NMR: therory and chemical applications", Academic Press, 2000 (PDF, 17.5 Mb, на английском языке)
  J. Lambert, E. Mazzola "Nuclear magnetic resonance spectroscopy", Pearson Education Inc., 200x (PDF, 18.8 Mb, на английском языке)
  A. Rahman, M. Choudhary "Solving problems with NMR spectroscopy", Karachi, 200x (PDF, 17.1 Mb, на английском языке)

Методические пособия (Ф. Тоукач):

  Применение двумерной спектроскопии ЯМР в органической химии - 3 примера исследования (PDF, 4.1 Mb)
  Современная спектроскопии ЯМР в исследовании природных соединений - лекция 2011 (слайды)
  Модельное исследование тетрасахарида с помощью 2D ЯМР - лекция 2009 (спектры и описание, English) (PDF, 0.9 Mb)
  Применение двумерной спектроскопии ЯМР в исследовании углеводов - методичка (PDF, 1.3 Mb)
  Иллюстративные материалы к лекциям одним файлом (PDF, 9.7 Mb)
  Введение в импульсный ЯМР (ZIP-архив с документом DOC, 1.3 Mb)
  ЯМР в исследовании природных углеводов (ZIP-архив с документом DOC, 0.3 Mb)
  Номенклатура моносахаридов (SK2, ACDLabs ChemSketch, 108 Kb)

Вопросы и задания

Скачать задания для самопроверки - отнесение спектров, установление структур по 2D-спектрам, установление структур по 1D-спектру и бруто-формуле (ZIP-архив с 18-ю TIFF-файлами, 1.1 Mb)

1. Какая характеристика сигналов в спектре ЯМР соответствует количеству атомов, давших сигнал?
2. Какая характеристика сигналов в спектре ЯМР в наибольшей степени коррелирует с распределением электронной плотности по молекуле?
3. В чем чаще всего измеряются химические сдвиги?
4. В чем чаще всего измеряются константы спин-спинового взаимодействия?
5. Какие атомы называются "магнитно-эквивалентными"?
6. Каковы границы применимости треугольника Паскаля?
7. Какой сигнал должен дать протон с двумя одинаковыми соседями-протонами близко и одним далеко?
8. Какой сигнал должен дать протон с тремя одинаковыми соседями-протонами далеко и одним близко?
9. Как будет выглядеть сигнал протона в соединении H₂N-СО-СНD₂?
10. Как будет выглядеть сигнал выделенного протона в соединении Br₂НС-СНD-COOH?
11. Что такое изотопный сдвиг?
12. Какова должна быть форма сигналов протонов в 3-бромтолуоле, в предположении, что все мета-КССВ равны друг другу, и все орто-КССВ равны друг другу?
13. В каких случаях "крыша" сигналов системы из нескольких протонов получается более крутой?
14. Какие структурные особенности молекул приводят к спектрам не первого порядка?
15. Каковы основные подходы к решению проблемы перекрывания сигналов?

1. Относительно чего измеряются химические сдвиги?
2. Как влияет гибридизация атома углерода на его химический сдвиг?
3. Как влияет электроотрицательность соседних атомов на химический сдвиг?
4. Каковы типичные значения химических сдвигов в ароматике?
5. Каковы характерные значения КССВ через разное число связей в бензольном кольце?
6. Каковы характерные значения геминальной КССВ в замещенном этилене?
7. Каковы характерные значения КССВ через три связи в алифатике?
8. Почему КССВ через 4 связи в алифатике наблюдаются редко, а в ароматике – часто?
9. Как изменится абсолютное значение геминальной КССВ с увеличением валентного угла центрального атома от 105º до 117º?
10. Как изменяется величина вицинальной КССВ с увеличением торсионного угла между крайними связями от 0º до 180º?
11. Как влияют электроотрицательные заместители на величины геминальных и вицинальных КССВ?
12. Как влияет длина средней связи на величину вицинальной КССВ?
13. Какие спектральные параметры зависят от того, образует ли протон водородную связь?
14. Как влияет энергия двухцентровой водородной связи на химические сдвиги донора и акцептора водорода?

1. От чего зависит энергетическая разница между спиновыми состояниями ядер?
2. От чего зависит частота ядерного магнитного резонанса тех или иных ядер?
3. Какие значимые в химии природных соединений ядра являются магнитно-активными и имеют спин, равный 1/2?
4. Каковы особенности спектроскопии ЯМР по квадрупольным ядрам?
5. Чем отличается абсолютная чувствительность ЯМР от относительной?
6. Что такое гиромагнитное отношение?
7. Спектры каких спиновых систем требуют для точного предсказания квантомеханического формализма?
8. Чем продольная релаксация отличается от поперечной?
9. Какой тип релаксации всегда происходит быстрее другого типа релаксации?
10. Как быстрая релаксация проявляет себя в спектрах?
11. Что является причиной появления сателлитов ¹³С в протонном спектре?
12. Как можно повлиять на эффекты, привносимые в спектр квадрупольными ядрами?

1. Чем цифровой сигнал отличается от аналогового?
2. Что такое амплитуда, частота и фаза сигнала?
3. Что такое цифровое разрешение и чем оно отличается от естественного?
4. Как влияет на спектр ЯМР умножение FID на экспоненту?
5. Как влияет на спектр ЯМР умножение FID на функцию Гаусса?
6. В каких случаях применяется обрезание FID и аподизация?
7. Как можно получить FID из спектра ЯМР?
8. Как можно получить частотный спектр ЯМР из записанного во времени электромагнитного отклика на импульс?
9. От чего зависит точность интегрирования спектров?
10. Как внутримолекулярная подвижность влияет на предсказание спектров ЯМР?
11. Для спектров по каким ядрам наиболее эффективен расчет по аддитивным схемам и почему?
12. Каковы основные особенности подхода HOSE применительно к предсказанию спектров ЯМР?
13. Каковы основные особенности нейронных сетей применительно к предсказанию спектров ЯМР?
14. Каков минимальный уровень теории и базис в квантовомеханических расчетах спектров ЯМР органических молекул?

1. Как рабочая частота спектрометра влияет на вид спектров ЯМР?
2. В каком устройстве происходит облучение образца переменным электромагнитным полем?
3. В каком устройстве происходит считывание электромагнитного отклика образца на импульсное облучение?
4. От каких параметров накопления зависит отношение сигнал/шум?
5. Как связаны время накопления, ширина спектрального окна и число точек FID?
6. Какому критерию должна удовлетворять частота выборки для избежания отраженных сигналов?
7. Какое устройство позволяет снизить требования к АЦП в миллионы раз?
8. Как подавляются отраженные сигналы в спектрах ЯМР?
9. Зачем нужно квадратурное детектирование?
10. Каково назначение шиммирующих катушек?
11. Какие градиенты поля меняются сильнее всего при смене образца?
12. Каково назначение системы LOCK?
13. Каковы основные критерии оценки успешности настройки разрешения?
14. Зачем нужно вращение образца вокруг оси 0z?
15. Какова типичная полуширина линии в рутинных экспериментах для образца в DMSO-d6?
16. Что такое фазовый цикл?
17. По каким признакам в спектре можно распознать неадекватное усиление в канале приема?
18. Какими способами можно бороться с проблемой нехватки чувствительности?
19. Какими способами можно бороться с проблемой нехватки разрешения?
20. В каких пределах можно задавать температуру образца?

1. Каков должен быть объем и высота столба растворителя в 5мм ампуле?
2. Какими преимуществами и недостатками обладает DMSO-d6 как растворитель для ЯМР?
3. Какими преимуществами и недостатками обладает CDCl₃ как растворитель для ЯМР?
4. О чем свидетельствует наличие градиента несимметричных искажений формы линии ?
5. Каковы преимущества и недостатки 5-мм ампул по сравнению с 10 мм?
6. Как вязкость растворителя влияет на спектр ЯМР?
7. Сколько вещества нужно для получения спектра ¹³С за несколько часов?
8. Что такое ампулы Шигеми и зачем они нужны?
9. Каковы преимущества и недостатки внешнего стандарта химических сдвигов по сравнению с внутренним?
10. Как можно решить проблему перекрывания сигналов соединения сигналом воды?

1. Почему сигналы –NH2 и –ОН групп часто бывают уширены?
2. Что происходит со спектром ЯМР при нагревании образца, атомы которого неэквивалентны лишь с учетом конформации?
3. Что происходит со спектром ЯМР при добавлении воды в образец, имеющий подвижные протоны?
4. Каково характеристическое время ЯМР?
5. Что такое температура коалесценции?
6. Как с помощью ЯМР измерить барьер перехода между двумя состояниями молекулы?
7. Почему протонный спектр этанола не зависит от конформации?
8. Почему при подкислении этанола пропадает КССВ с гидроксильной группой?
9. Как посчитать усредненный химический сдвиг двух состояний протона?
10. Почему спектры углеводов в D₂O заметно проще, чем в CDCl₃?

1. На какие параметры спектра ЯМР влияет длина импульса и каким образом?
2. Как длина импульса соотносится с его мощностью?
3. Зачем нужны селективные импульсы?
4. Зачем нужна задержка между импульсом и накоплением?
5. Зачем нужна задержка между сканами?
6. На какие параметры спектра ЯМР влияет скорость спадания FID и от чего она зависит?
7. От чего зависит скорость вращения используемой в импульсном ЯМР вращающейся системы координат?
8. От чего зависит угол поворота ВМН сразу после импульса во вращающейся системе координат?
9. Что происходит с заселенностью спиновых уровней при облучении образца 90º-импульсом?
10. Что происходит с вектором макроскопической намагниченности при облучении образца 180º-импульсом?
11. Каковы преимущества импульсного ЯМР перед ЯМР с непрерывной разверткой?
12. Как проще всего измерить длину 90º-импульса?
13. Какая функция приближенно описывает спадание огибающей FID?
14. Как называются осцилляции проекции ВМН на горизонтальную плоскость?
15. Расфокусировка каких компонент ВМН устраняется спиновым эхом?
16. Почему спиновое эхо не рефокусирует гомоядерные мультиплеты?
17. Какой части комплексного Фурье-образа соответствует сигнал поглощения?
18. Функцией какого типа описывается сигнал в резонансной катушке, вызванный вращающимся магнитным моментом?
19. Каковы обязательные атрибуты импульсной последовательности в корреляционных экспериментах?

1. К чему приводит широкополосная развязка от протонов в спектре ¹³С?
2. Зачем в эксперименте Gated включают развязку перед, но не во время накопления?
3. Какую информацию можно извлечь из спектров селективного двойного резонанса?
4. В каких условиях двойной резонанс лучше COSY?
5. Какую информацию можно извлечь из спектров COSY?
6. Как влияет длина второго импульса в COSY на вид спектра?
7. Как влияет применение двухквантового фильтра на вид спектра COSY?
8. Какую дополнительную информацию (по сравнению с COSY) дают корреляционные эксперименты с переносом когерентности?
9. Какую информацию можно извлечь из спектров HSQC?
10. Какие существуют режимы проведения эксперимента HSQC?
11. В каких случаях HETCOR лучше HSQC?
12. Какую информацию можно извлечь из спектров HMBC?
13. В каких условиях одномерный HMBC лучше двумерного?
14. Какую информацию можно извлечь из спектров TOCSY?
15. Как можно уменьшить перекрывание сигналов по диффузионной оси в DOSY?
16. Какую информацию можно извлечь из спектров J-resolved?
17. Какие эксперименты выявляют протонную спиновую систему, связанную с гетероядром?
18. Каким условиям должен соответствовать образец для накопления спектров INADEQUATE?
19. Из каких экспериментов можно извлечь гетероядерные КССВ?
20. В чем преимущества эксперимента INEPT перед SPI?
21. Как отличаются эксперименты APT, DEPT и INEPT по информативности и чувтствительности?
22. Какие существуют гетероядерные двумерные эксперименты с переносом когерентности?
23. Для ядер какого типа особенно эффективны эксперименты с переносом поляризации?
24. Каковы преимущества и недостатки трехмерных экспериментов?
25. Чем отличается эксперимент HNCACO от HNCOCA?

1. Какую информацию можно извлечь из спектров ROESY?
2. Какой тип релаксации приводит к появлению ЯЭО?
3. На каком межатомном расстоянии наблюдается ЯЭО?
4. Каково максимально возможное значение ядерного эффекта Оверхаузера?
5. Как ЯЭО зависит от частоты спектрометра?
6. Как соотносится фаза диагональных пиков и кросс-пиков ядерного эффекта Оверхаузера в спектрах ROESY?
7. Как соотносится фаза кросс-пиков химического обмена и кросс-пиков ядерного эффекта Оверхаузера в спектрах NOESY?
8. Почему наблюедние ЯЭО в одномерном варианте проводится в разностном режиме?
9. Как время смешивания влияет на наблюдение NOE между лигандами в присутствии субстрата?
10. Почему NOE, возникающий при облучении сигнала воды, имеет разный знак для связанных и свободных лигандов?
11. Что содержат стрипы трехмерного эксперимента HSQC-NOESY, отредактированного по ¹⁵N?
12. Каковы требования к концентрации субстрата в экспериментах STD и WaterLOGSY?

ЯМР-практикум

   (нажмите сюда)

---

Дом : Преподавание

Дом : Наука

Последнее обновление: 2019 май 29      Домой