Метод ЯМР-спектроскопии и его применение в химической промышленности Перепухов А. М. Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University) Лаборатория ядерного магнитного резонанса МФТИ

1.Метод ЯМР 2.Одномерная спектроскопия ЯМР высокого разрешения 3.Двумерная спектроскопия ЯМР 4.Твердотельный ЯМР 5.Релаксационные методы ЯМР 6.Методы ЯМР для оперативного контроля параметров дисперсных и пористых сред План доклада

Принцип метода ЯМР B0B0 1H1H mimi = M 1H1H mimi ВЧ импульс: ω 0 =γB 0 M M0M0 M M0M0 Прецессия намагниченности ВЧ Излучение t

Ядра, изучаемые в методом ЯМР Спин ядра 0Более 110 ядер! ЯдроСпинПриродное содержание, % Частота, МГц Относительная чувствительность, отн. 13С 1H1/2~ ,9 7Li1/292,4194,23,69 13C1/21,07125,71,0 15N-1/20,450,70,066 19F1/ ,352,40 27Al5/ ,21,11 29Si-1/24,799,30,49 31P1/ ,34,17 Наиболее часто изучаемые в ЯМР ядра

Химический сдвиг Свободное ядро Частота излучения: ω 0 =γB 0 M M0M0 B0B0 Прецессия намагниченности ВЧ Излучение t

Химический сдвиг: 1 H H H H H H H B1B1 B2B2 B3B3 1 H-ЯМР спектр этилового спирта t Преобразование Фурье

Химический сдвиг: 13 С B1B1 B2B2 СС 13 C-ЯМР спектр этилового спирта

Спин-спиновое расщепление Расщепление сигналов в мультиплеты, обусловленное влиянием ядер соседних групп Информация о взаимодействии ядер различных функциональных групп!

Применение жидкостной спектроскопии ЯМР высокого разрешения

Подготовка образца Пробирка для ЯМР 5мм500 мкл дейтерированного растворителя D 2 O DMSO CDCl 3 CNCD 3 И др. ~1-100 мг исследуемого образца

Контроль содержания примесей в образце Расчётный 1 H ЯМР спектр КК 1 H ЯМР спектр образца КК 1 H ЯМР Спектр примесей Каприловая кислота (КК):

Контроль содержания примесей в образце H F Силиконовое масло Перфтордекалин Не смешивающиеся жидкости? Бинарная тампонада витреальной полости в хирургическом лечении отслоек сетчатки. Лыскин П.В., Казимирова Е.Г.

Контроль содержания примесей в образце Перфтордекалин чистый Примесь перфтордекалина в силиконовом масле 19 F ЯМР спектры Количественная оценка?

Контроль содержания примесей в образце Перфтордекалин чистый Силиконовое масло чистое Примесь перфтордекалина в силиконовом масле ( 1±0,1)% Примесь силиконового масла в перфтордекалине отсутствует 13 С ЯМР спектры

Анализ степени изотопного обогащения 13 С ЯМР спектры каприлата натрия Необогащённый образец (естественное содержание 13 C около 1%) Образец каприлата натрия, с обогащённой изотопом 13 C COONa группой (обогащение 99%)

Анализ смесей веществ 1 H ЯМР – спектр готового продукта (крем)

Определение механизма синтеза продукта ? 1 H 13 C-HMBC 13 C H В мета-эфире 1 H 1 H-COSY t-Bu H В мета-эфире

Твердотельный ЯМР

Вращение под магическим углом Без вращения С вращением

Вращение под магическим углом Твердотельный ЯМР датчик Ротор с образцом d~7мм или 3мм Скорость вращения до 25 кГц

Применение твердотельного ЯМР Ион-обменные мембраны топливных элементов 19 F ЯМР спектр Nafion

Полиморфизм твёрдых лекарственных средств Solid-state characterization of rifampicin samples and its biopharmaceutic relevance, Shrutidevi Agrawal, Yasvanth Ashokraj, Prasad V. Bharatam, Omathanu Pillai, Ramesh Panchagnula. European Journal of Pharmaceutical Sciences 22 (2004) 127–144 Rifampicin

Varian Inova 500WB B 0 : 500MHz ( 1 H) Жидкостные датчики Varian SW PFG 5 mm Nuclei: 1 H, 19 F/ 15 N- 31 P Temperature range: C C Varian PFG Triple 5 mm Nuclei: 1 H/ 13 C/ 15 N - 31 P Temperature range: C C Твердотельные датчики: Chemagnetic-Varian 7.5 mm HXY MAS MAS rate: 1kHz-7kHz Nuclei: 1 H, 7 Li, 13 C, 19 F, 27 Al,… Temperature range: С С Chemagnetic-Varian 3.2 mm HXY MAS MAS rate: 1kHz-25kHz Nuclei: 1 H, 7 Li, 13 C, 19 F, 27 Al,… Temperature range: С С

Релаксационные методы ЯМР

ЯМР релаксация M M0M0 M M0M0 T 1 (продольная или спин-решёточная) релаксация M0M0 M T 2 (поперечная или спин-спиновая) релаксация ВЧ Импульс

Применения ЯМР релаксометрии Определение размера частиц и удельной площади поверхности в суспензиях Определение размера капель в эмульсиях Определение степени смачивания частиц различными жидкостями в суспензиях Определение адсорбционных свойств ПАВ Определение распределения пор по размерам в пористых средах И др.

Метод ЯМР для изучения суспензий и пористых сред Поверхностный слой жидкости ОбОбъёмная жидкость 8.33*V/S – размер частицы λ V/S – размер поры

Метод ЯМР для изучения суспензий и пористых сред Частицы в суспензии Или Поры в пористой среде Размер (частиц или пор)

Спектры времён T 2 релаксации ядер 1 H жидкости в дисперсных средах Три характерных размера пор: 40 нм 100 нм 310 нм Монодисперсная среда (стеклянные шарики) Полидисперсная среда (песок) Свободная вода

T1T2 SiO 2 XiGo Nanotools 2012 Al 2 O 3 T 1 ~T 2 T 1 >>T 2 Анализ размеров частиц в суспензиях

Comparison of measured surface area of sample of Klebosol - monodisperse, colloidal spherical silica suspension(30wt%) By Titration Estimated from Directly by (Manufacturer) Particle Size (DLS) NMR (Acorn) 120 m 2 /g 123 m 2 /g 121 m 2 /g Сравнение с другими методами

T2 Relaxation for 5nm Au (nm)(m 2 g -1 ) Воспроизводимость результатов Номинальный размер Удельная площадь поверхности Наночастицы Золота

10wt% SiO 2 * Suspension Material A Material B Wetted Surface Area (m 2 g -1 ) Silanol Groups (a)Geminal (b) Vicinal (c) Isolated RK. Iler, Chemistry of Silica, Wiley-VCH Verlag, Weinheim (1979) Figures courtesy of Dr. Andrew Flowers, PhD Thesis (Bristol, UK) Влияние химии поверхности Влияние параметров смачиваемости поверхности

Динамические измерения Время измерения времени T2 ~ 1-60 c Осаждение суспензии титаната oбария в воде Time=0 Time= t Measuring Zone

Оборудование The Acorn Area/Flow/Drop Measures without dilution: Surface Area and Volume Fraction Any particle in any fluid Any particle size or shape No sample preparation No clean-up Small footprint Portable Robust No moving parts Simple to use Results in less than 1 min.

Спасибо за внимание! Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University) Перепухов А. М.

Двумерная спектроскопия ЯМР высокого разрешения

Двумерная спектроскопия ЯМР Ядра H2 и H3 Взаимодействуют Ядра H3 и H4 Не взаимодействуют

Гомоядерная 2D спектроскопия COSY NOESY H2 H3 H2 H3 Определение молекулярной структуры больших молекул Определение молекулярных структур отдельных компонент смесей веществ Определение конформационных особенностей больших молекул Изучение комплексов макромолекул

Гетероядерная 2D спектроскопия HSQC HMBC C2 H2 C2 H1 C2 Определение молекулярной структуры больших молекул Определение молекулярных структур отдельных компонент смесей веществ

Определение механизма синтеза продукта ?

1 H 13 C-HMBC 13 C H В мета-эфире 13 C о-H в ТБДМФ 1 H 1 H-COSY t-Bu H В мета-эфире

Времена релаксации T 1, T 2 Зависимости скоростей ЯМР релаксации ядер 1 H воды в растворе медного купороса от концентрации CuSO 4 Зависимость скорости ЯМР релаксации ядер 1 H воды и углеводородов H2OH2O C6H6C6H6 C 6 H 14 C 7 H 16 C 9 H 20 C 10 H 22

Анализ размеров частиц в эмульсиях d ~ 0.12*D Размер частицРазмер поры D d

Применение твердотельного ЯМР Молекулярная подвижность полимерных цепей твёрдых полимеров Малоподвижные функциональные группы полимеров Подвижные функциональные группы полимеров