Метод ЯМР-спектроскопии и его применение в химической промышленности

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

2. План доклада • Метод ЯМР • Одномерная спектроскопия ЯМР высокого разрешения • Двумерная спектроскопия ЯМР • Твердотельный ЯМР • Релаксационные методы ЯМР • Методы ЯМР для оперативного контроля параметров дисперсных и пористых сред

3. Принцип метода ЯМР 1H mi = B0 1H mi M ВЧимпульс: ω0=γB0 Прецессия намагниченности ВЧИзлучение M0 M0 M M t

4. Ядра, изучаемые в методом ЯМР Более 110 ядер! Спин ядра 0 Наиболее часто изучаемые в ЯМР ядра

5. Химический сдвиг Свободное ядро Прецессия намагниченности B0 ВЧИзлучение M0 t M Частота излучения: ω0=γB0

6. Химический сдвиг: 1H B2 B3 B1 H H t H H Преобразование Фурье H H 1H-ЯМР спектр этилового спирта

7. Химический сдвиг: 13С B2 B1 С С 13C-ЯМР спектр этилового спирта

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

9. Применение жидкостной спектроскопии ЯМР высокого разрешения

10. Подготовка образца Пробирка для ЯМР 5мм • 500 мкл дейтерированного растворителя • D2O • DMSO • CDCl3 • CNCD3 • И др. ~1-100 мг исследуемого образца

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

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

13. Контроль содержания примесей в образце 19F ЯМР спектры Перфтордекалин чистый Примесьперфтордекалина в силиконовом масле Количественная оценка?

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

15. Анализ степени изотопного обогащения 13СЯМР спектры каприлата натрия Необогащённый образец (естественное содержание 13C около 1%) Образец каприлата натрия, с обогащённой изотопом 13C COONaгруппой (обогащение 99%)

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

17. Определение механизма синтеза продукта ? Вмета-эфире Вмета-эфире t-Bu H 13CH 1H13C-HMBC 1H1H-COSY

18. Твердотельный ЯМР

19. Вращение под магическим углом Без вращения С вращением

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

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

22. Полиморфизм твёрдых лекарственных средств Rifampicin Solid-state characterization of rifampicin samples and its biopharmaceutic relevance, ShrutideviAgrawal, YasvanthAshokraj, Prasad V. Bharatam , OmathanuPillai, RameshPanchagnula. European Journal of Pharmaceutical Sciences 22 (2004) 127–144

23. Varian Inova 500WB • B0: 500MHz (1H) • Жидкостные датчики • Varian SW PFG 5 mm • Nuclei: 1H,19F/15N-31P • Temperature range: -800C - +1000C • Varian PFG Triple 5 mm • Nuclei: 1H/13C/15N -31P • Temperature range: -800C - +1000C • Твердотельные датчики: • Chemagnetic-Varian 7.5 mm HXY MAS • MAS rate: 1kHz-7kHz • Nuclei: 1H,7Li,13C,19F,27Al,… • Temperature range: -1500С -+2500С • Chemagnetic-Varian 3.2 mm HXY MAS • MAS rate: 1kHz-25kHz • Nuclei: 1H,7Li,13C,19F,27Al,… • Temperature range: -1000С -+1500С

24. Релаксационные методы ЯМР

25. ЯМР релаксация ВЧИмпульс T1 (продольная или спин-решёточная) релаксация T2 (поперечная или спин-спиновая) релаксация M0 M0 M0 M M M

26. 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.

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

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

29. Спектры времён T2релаксации ядер 1H жидкости в дисперсных средах Свободная вода Монодисперсная среда (стеклянные шарики) Три характерных размера пор: 40 нм 100 нм 310 нм Полидисперсная среда (песок)

30. Анализ размеров частиц в суспензиях T1 T2 SiO2 T1~T2 Al2O3 T1>>T2 XiGo Nanotools 2012

31. Сравнение с другими методами 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™) 120m2/g123m2/g121m2/g

32. Воспроизводимость результатов Наночастицы Золота T2 Relaxation for 5nm Au Номинальный размер Удельная площадь поверхности (nm) (m2g-1) 5 1011 20 619 50 148

33. Влияние химии поверхности Влияние параметров смачиваемости поверхности 10wt% SiO2* Suspension Material A Material B Wetted Surface Area (m2g-1) 600 400 • Silanol Groups • 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)

34. Динамические измерения Time=0 Time= t Время измерения времени T2 ~ 1-60 c Осаждениесуспензии титанатаoбария в воде Measuring Zone

35. 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.

36. Спасибо за внимание! Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University) Перепухов А. М. Aleksandr-iv@mail.ru

39. Двумерная спектроскопия ЯМР высокого разрешения

40. Двумерная спектроскопия ЯМР Ядра H3и H4 Не взаимодействуют Ядра H2 и H3 Взаимодействуют

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

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

43. Определение механизма синтеза продукта ?

44. 13Cо-H в ТБДМФ Определение механизма синтеза продукта В мета-эфире 13CH 1H13C-HMBC Вмета-эфире t-Bu H 1H1H-COSY

45. Времена релаксации T1, T2 Зависимость скорости ЯМР релаксации ядер 1H воды и углеводородов Зависимости скоростей ЯМР релаксации ядер 1H воды в растворе медного купороса от концентрации CuSO4 H2O C6H6 C6H14 C7H16 C9H20 C10H22

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

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