Page 63 - Perdih, Andrej, Katja Lakota, Alja Prah. 2020. Strukture bioloških molekul. Univerzitetni učbenik z recenzijo in navodila za vaje. Koper: Založba Univerze na Primorskem.
P. 63
strukture bioloških molekul
ima magnetno aktiven atom H, na sosednjem C atomu pa ima vezana dva ekvivalentna
magnetno aktivna protona Ha in Hb.
Začnimo z derivatom 1,1,2,2,2-pentabromoetanom, kjer atom H nima sosednjih vodikov,
ampak še dve dodatni molekuli Br. V primeru take molekule bi proton H čutil le eno magnetno
polje B0, korigirano za senčenje elektronov, in bi v NMR spektu opazili le en signal – t. i. singlet
z določeno vrednostjo kemijskega premika.
Situacija se spremeni, če na sosednji C atom uvedemo proton Ha in tako dobimo molekulo
1,1,2,2-tetrabromoetan. Ta proton Ha ima spin, ki je lahko poravnan v smeri magnetnega polja
↑ B0 ali pa v nasprotni smeri ↓. Distribucija obeh spinov je približno enakovredna - 50 % : 50
%. Zaradi sklopitve spinov sosednjih jeder H in Ha, tako proton H absorbira pri dveh različnih
frekvencah RF valovanja, saj nanj vpliva tudi spin sosednjega magnetno aktivnega jedra, ki
enkrat polje ojača, drugič pa zmanjša. Zato H absorbira enkrat pri višji, drugič pa pri nižji
frekvenci RF valovanja. Poleg tega moramo vedeti, da na frekvenco, pri kateri absorbira H, tako
kot v prejšnjem primeru, vpliva še senčenje elektronov. Zato za eno magnetno jedro H v
izvedenem NMR spektru dobimo dva signala – t. i. dublet, z enako intenziteto, razmerje
intenzitet je 1 : 1. Razdalja med signaloma dubleta, ki je razlika vrednosti kemijskega premika,
je sklopitvena konstanta J (ang. coupling constant) in je merilo moči interakcije med sosednjima
magnetno aktivnima jedroma. Vrednost sklopitvene konstante J podajamo v enotah frekvence
(Hz) in vrednosti le-teh za različne strukturne elemente v molekulah so, podobno kot za
kemijski premik, podane v različnih tabelah. Ti podatki so dostopni tudi na spletu.
Za konec si poglejmo še primer molekule 1,1,2-tribromoetana, kjer imamo za atom H na
sosednji C atom vezana dva ekvivalentna protona Ha in Hb. Ker sta tudi tu za vsak proton možni
dve enako verjetni orientaciji spinov (↑ ali ↓), dobimo štiri možne razporeditve: Ha/Hb ↑↑,
Ha/Hb ↑↓, Ha/Hb ↓↑, Ha/Hb ↓↓, pri čemer sta dve razporeditvi, Ha/Hb ↑↓ in Ha/Hb
↓↑, ekvivalentni. Zato proton H zaradi spin-spin sklopitve z dvema sosednjima magnetno
aktivnima jedrima Ha in Hb absorbira pri treh različnih RF frekvencah. Signal protona H se v
NMR spektu zato loči na tri črte, nastane triplet z razmerjem intenzitet signalov 1 : 2 : 1. Tudi
za triplet lahko izračunamo pripadajočo sklopitveno konstanto J.
Za vajo lahko bralec poskuša razložiti še nastanek kvarteta, kjer je razmerje intenzitet dobljenih
signalov 1 : 3 : 3 : 1, kot posledice sklopitve protona s tremi sosednjimi ekvivalentnimi
magnetno aktivnimi jedri. Prav tako naj bralec preveri svoje razumevanje razloženega z analizo
enostavnega NMR spektra bromoetana, na Sliki 5.
Za konec naj omenimo, da so sklopitve med spini magnetno aktivnih jeder, ki so oddaljene za
več kot 3 kovalentne vezi (npr. proton oddaljen za dva C atoma stran), ponavadi prešibke, da
bi jih lahko zaznali z enostavnimi NMR eksperimenti. Kot bomo videli v nadaljevanju, to
omogočajo nekatere druge tehnike. Zanimivo je tudi, da v NMR spektrih nekaterih cikličnih in
aromatskih sistemov opazimo tudi kompleksnejše vzorce sklopitve, ki so uporabni za lažjo
interpretacijo podatkov in določitev strukture.
63
ima magnetno aktiven atom H, na sosednjem C atomu pa ima vezana dva ekvivalentna
magnetno aktivna protona Ha in Hb.
Začnimo z derivatom 1,1,2,2,2-pentabromoetanom, kjer atom H nima sosednjih vodikov,
ampak še dve dodatni molekuli Br. V primeru take molekule bi proton H čutil le eno magnetno
polje B0, korigirano za senčenje elektronov, in bi v NMR spektu opazili le en signal – t. i. singlet
z določeno vrednostjo kemijskega premika.
Situacija se spremeni, če na sosednji C atom uvedemo proton Ha in tako dobimo molekulo
1,1,2,2-tetrabromoetan. Ta proton Ha ima spin, ki je lahko poravnan v smeri magnetnega polja
↑ B0 ali pa v nasprotni smeri ↓. Distribucija obeh spinov je približno enakovredna - 50 % : 50
%. Zaradi sklopitve spinov sosednjih jeder H in Ha, tako proton H absorbira pri dveh različnih
frekvencah RF valovanja, saj nanj vpliva tudi spin sosednjega magnetno aktivnega jedra, ki
enkrat polje ojača, drugič pa zmanjša. Zato H absorbira enkrat pri višji, drugič pa pri nižji
frekvenci RF valovanja. Poleg tega moramo vedeti, da na frekvenco, pri kateri absorbira H, tako
kot v prejšnjem primeru, vpliva še senčenje elektronov. Zato za eno magnetno jedro H v
izvedenem NMR spektru dobimo dva signala – t. i. dublet, z enako intenziteto, razmerje
intenzitet je 1 : 1. Razdalja med signaloma dubleta, ki je razlika vrednosti kemijskega premika,
je sklopitvena konstanta J (ang. coupling constant) in je merilo moči interakcije med sosednjima
magnetno aktivnima jedroma. Vrednost sklopitvene konstante J podajamo v enotah frekvence
(Hz) in vrednosti le-teh za različne strukturne elemente v molekulah so, podobno kot za
kemijski premik, podane v različnih tabelah. Ti podatki so dostopni tudi na spletu.
Za konec si poglejmo še primer molekule 1,1,2-tribromoetana, kjer imamo za atom H na
sosednji C atom vezana dva ekvivalentna protona Ha in Hb. Ker sta tudi tu za vsak proton možni
dve enako verjetni orientaciji spinov (↑ ali ↓), dobimo štiri možne razporeditve: Ha/Hb ↑↑,
Ha/Hb ↑↓, Ha/Hb ↓↑, Ha/Hb ↓↓, pri čemer sta dve razporeditvi, Ha/Hb ↑↓ in Ha/Hb
↓↑, ekvivalentni. Zato proton H zaradi spin-spin sklopitve z dvema sosednjima magnetno
aktivnima jedrima Ha in Hb absorbira pri treh različnih RF frekvencah. Signal protona H se v
NMR spektu zato loči na tri črte, nastane triplet z razmerjem intenzitet signalov 1 : 2 : 1. Tudi
za triplet lahko izračunamo pripadajočo sklopitveno konstanto J.
Za vajo lahko bralec poskuša razložiti še nastanek kvarteta, kjer je razmerje intenzitet dobljenih
signalov 1 : 3 : 3 : 1, kot posledice sklopitve protona s tremi sosednjimi ekvivalentnimi
magnetno aktivnimi jedri. Prav tako naj bralec preveri svoje razumevanje razloženega z analizo
enostavnega NMR spektra bromoetana, na Sliki 5.
Za konec naj omenimo, da so sklopitve med spini magnetno aktivnih jeder, ki so oddaljene za
več kot 3 kovalentne vezi (npr. proton oddaljen za dva C atoma stran), ponavadi prešibke, da
bi jih lahko zaznali z enostavnimi NMR eksperimenti. Kot bomo videli v nadaljevanju, to
omogočajo nekatere druge tehnike. Zanimivo je tudi, da v NMR spektrih nekaterih cikličnih in
aromatskih sistemov opazimo tudi kompleksnejše vzorce sklopitve, ki so uporabni za lažjo
interpretacijo podatkov in določitev strukture.
63
