The scope of this course is to provide students with understanding of basic principles of pulse Fourier transform NMR spectroscopy and two-dimensional techniques (2D NMR).
Simple one-dimensional pulse sequences (inversion recovery, APT, spin-echo experiments). Nuclear Overhauser effect. Principles of two-dimensional spectroscopy, polarization transfer, homonuclear correlated spectra (COSY), J-resolved spectra, heteronuclear correlations H,C, inversion techniques. Dynamic processes studied by NMR spectroscopy. Basics of solid-state NMR spectroscopy.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (25.02.2021)
Studenti budou seznámeni se základními principy pulzní NMR spektroskopie s Fourierovou transformací a se základy dvourozměrných spekter (2D NMR). Budou probrány jednoduché pulzní sekvence jednorozměrných spekter (inversion recovery, APT, spinové echo). Nukleární Overhauserův efekt, principy 2D spekter a některé používané pulzní sekvence, přenos polarizace, homonukleární a heteronukleární korelovaná spektra a J-rozlišená spektra, inverzní techniky, dále studium dynamických dějů pomocí NMR spektroskopie a základy NMR spektroskopie pevných látek. V rámci cvičení budou řešeny struktury neznámých látek z 1D a 2D NMR spekter.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (25.02.2021)
Literature - Czech
M. Dračínský: NMR Spektroskopie pro chemiky, PřF UK, 2021
nmr-challenge.com
H. Günther: NMR Spectroscopy, 2nd Edition. Wiley, New York, 1995. J. K. M. Sanders, B. K. Hunter: Modern NMR Spectroscopy. A Guide for Chemists, 2nd Edition. Oxford University Press, Oxford, 1994. J. K. M. Sanders, E. C. Constable, B. K. Hunter, C. M. Pearce: Modern NMR Spectroscopy. A Workbook of Chemical Problems, 2nd Edition. Oxford University Press, Oxford, 1993. M. Buděšínský, J. Pelnař: Nukleární magnetická rezonance. 25.svazek cyklu Organická chemie. Ústav organické chemie a biochemie AVČR, Praha, 2000.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (22.06.2022)
Requirements to the exam -
Written test + 80% of homework assignments.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (19.02.2025)
Písemná zkouška v rozsahu přednášené a procvičované látky. Odevzdání 80% domácích úkolů.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (19.02.2025)
Syllabus -
Basic principles of pulse Fourier transform NMR spectroscopy, magnetization, pulse angle, vector model, free induction decay (FID). Fourier transformation. Pulse sequencies of simple one-dimensional spectra (inversion recovery, spin-echo, attached proton test). Broad-band decoupling, off-resonance decoupling, gated decoupling. Effect of chemical exchange. Nuclear Overhauser effect. Principles of two-dimensional spectroscopy, polarization transfer. Homonuclear correlated spectra (H,H-COSY, LR-COSY, TOCSY, NOESY, ROESY, EXSY). 2D J-resolved spectra. Heteronuclear H,C-correlated spectra, inversion techniques (HSQC, HMBC). Connectivity of carbon atoms (2D-INADEQUATE). Utilization of 2D spectra for structural analysis. Analysis of high-resolution NMR spectra. NMR spectra of other nuclei.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (25.02.2021)
Základní principy pulzní NMR spektroskopie s Fourierovou transformací, magnetizace, pulzní úhel, vektorový model, FID. Fourierova transformace, měření spekter. Pulzní sekvence pro jednoduchá jednorozměrná měření (inversion recovery, spinové echo, APT). Různé druhy dekaplingu, širokopásmový, mimorezonanční a přerušovaný dekapling. Vliv chemické výměny na spektra. Nukleární Overhauserův efekt. Principy dvojrozměrné spektroskopie, přenos polarizace. Homonukleární korelovaná spektra (H,H-COSY, LRCOSY, TOCSY, NOESY, ROESY, EXSY), J-rozlišená spektra, heteronukleární H,C-korelovaná spektra (HSQC, HMBC). Zjišťování konektivity uhlíkových atomů (2D-INADEQUATE). Použití dvojrozměrných spekter pro řešení chemických problémů. Analýza NMR spekter vysokého rozlišení. NMR spektra dalších jader.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (25.02.2021)
Learning outcomes -
Upon completing the course, the student will be able to:
Propose the structures of organic molecules based on the analysis of one-dimensional hydrogen and carbon NMR spectra.
Describe the basic principles of NMR spectroscopy.
Describe the magnetic properties of isotopes of the most common elements found in organic compounds.
Identify typical regions of hydrogen and carbon chemical shifts where signals of common functional groups of organic compounds are expected. Explain the influence of inductive and mesomeric effects on chemical shifts.
Explain what indirect spin-spin couplings are, how they appear in NMR spectra, and how they can be used in structural analysis.
Explain the effect of magnetic field strength on NMR spectra.
Explain what exchangeable hydrogens are and describe the influence of the solvent on their signals.
Describe simple pulse sequences for measuring 1D spectra, including sequences for measuring relaxation times, APT, INEPT, and sequences for quantitative carbon spectra. Explain terms such as pulse, delay, acquisition, decoupling.
Identify chemically equivalent atoms in a molecule and recognize magnetically equivalent nuclei.
Classify pairs of atoms or groups of atoms as homotopic, enantiotopic, or diastereotopic.
Explain the principle of detecting enantiomers in NMR spectroscopy.
Explain the principle of Fourier transform and the influence of relaxation on the shape of signals in spectra.
Describe the effect of acquisition parameters (e.g., acquisition time, number of points in the FID, spectral width) and processing parameters (e.g., apodization, zero-filling) on the resulting spectra.
Explain the principles of two-dimensional NMR experiments and their use in the structural analysis of organic compounds.
Propose the structures of organic molecules based on the analysis of common 2D spectra (COSY, HSQC, HMBC, ROESY).
Explain the use of magnetic field gradients for measuring diffusion coefficients and for magnetic resonance imaging.
Clarify the principle of the nuclear Overhauser effect and its use in structural analysis.
Utilize not only hydrogen and carbon spectra but also spectra of fluorine, phosphorus, nitrogen, and other nuclei for solving organic molecule structures.
Describe the effect of temperature on the signals of nuclei involved in chemical exchange. Describe the use of NMR spectroscopy to obtain data on the kinetics of chemical reactions and to determine energy barriers in equilibrium reactions.
Describe methods for suppressing solvent signals.
Describe the basic components of an NMR spectrometer.
List the most common solvents used in NMR spectroscopy.
Explain basic operations in NMR measurements (sample preparation, tubes, concentrations, tuning of the resonance circuit, adjustment of magnetic field homogeneity, sample spinning).
Explain the basic principles of relaxation in NMR spectroscopy (transverse relaxation, longitudinal relaxation) and describe experiments to determine relaxation times.
Describe the fundamental principles of measuring and interpreting solid-state NMR spectra, including techniques such as magic angle spinning, cross-polarization, detection of polymorphs, or crystallographically nonequivalent molecules.
Explain the basic principles and applications of electron paramagnetic resonance.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (09.01.2025)
Po absolvování předmětu student:
Na základě analýzy jednodimenzionálních vodíkových a uhlíkových NMR spekter navrhne struktury organických molekul.
Popíše základní principy NMR spektroskopie.
Popíše magnetické vlastnosti izotopů nejběžnějších prvků vyskytujících se v organických látkách.
Popíše typické oblasti vodíkových a uhlíkových chemických posunů, kde lze očekávat signály běžných funkčních skupin organických látek. Vysvětlí vliv indukčního a mezomerního efektu na chemické posuny.
Vysvětlí, co jsou nepřímé spin-spinové interakce, jak se projevují v NMR spektrech, a jak je lze využít při strukturní analýze.
Vysvětlí vliv velikosti magnetického pole na NMR spektra.
Vysvětlí, co jsou vyměnitelné vodíky, a popíše vliv rozpouštědla na jejich signály.
Popíše jednoduché pulzní sekvence pro měření 1D spekter včetně sekvencí pro měření relaxačních časů, sekvencí APT, INEPT a sekvence pro měření kvantitativních uhlíkových spekter. Vysvětlí pojmy pulz, prodleva, akvizice, dekapling.
Rozpozná chemicky ekvivalentní atomy v molekule. Rozpozná magneticky ekvivalentní jádra.
Zařadí dvojice atomů nebo skupin atomů mezi homotopní, enantiotopní, nebo diastereotponí.
Vysvětlí princip detekce enantiomerů v NMR spektroskopii.
Vysvětlí princip Fourierovy transformace a vliv relaxací na tvar signálů ve spektru.
Popíše vliv akvizičních (například akviziční čas, počet bodů ve FIDu, šířka spektra) a procesních (například apodizace, doplnění nulami) parametrů na výsledná spektra.
Vysvětlí princip dvoudimenzionálních NMR experimentů a jejich využití při strukturní analýze organických látek.
Na základě analýzy nejběžnějších 2D spekter (COSY, HSQC, HMBC, ROESY) navrhne struktury organických molekul.
Vysvětlí možnosti použití gradientů magnetického pole pro měření difuzních koeficientů a pro zobrazování pomocí magnetické rezonance.
Objasní princip nukleárního Overhauserova efektu a jeho využití ve strukturní analýze.
Při řešení struktur organických molekul využívá kromě vodíkových a uhlíkových spekter i spektra fluoru, fosforu, dusíku, případně dalších jader.
Popíše vliv teploty na signály jader podléhajících chemické výměně. Popíše použití NMR spektroskopie pro získání dat o kinetice chemických reakcí a pro zjištění energetické bariéry v rovnovážných reakcích.
Popíše metody potlačení signálu rozpouštědla.
Popíše základní součásti NMR spektrometru.
Popíše nejběžnější rozpouštědla používaná v NMR spektroskopii.
Popíše základní operace při měření NMR spekter (příprava vzorku, kyvety, koncentrace, ladění rezonančního obvodu, ladění homogenity magnetického pole, rotace vzorku).
Vysvětlí základní principy relaxace v NMR spektroskopii (příčná relaxace, podélná relaxace) a popíše experimenty, pomocí kterých lze zjistit relaxační časy.
Popíše základní principy měření a interpretace NMR spekter pevných látek, včetně například rotace pod magickým úhlem, křížové polarizace, detekce polymorfů nebo krystalograficky neekvivalentních molekul.
Popíše základní principy a využití elektronové paramagnetické rezonance.
Last update: Dračínský Martin, doc. RNDr., Ph.D. (09.01.2025)
