Transferencia de polarizacion (TP)

Transferencia de polarizacion (TP)
• Hasta ahora hemos considerado vectores (magnetizaciones)
proporcionales a la sensibilidad de los nucleos en estudio.
• En experimentos de pulsos multiples vamos a hacer muchas
cosas con un grupo de espines para obtener informacion. Si
los nucleos son insensibles, sus efectos en otros nucleos
(NOE, acople, etc.) va a ser dificil de ver.
• En el caso del APT, miramos 13C y desacoplamos 1H durante
el segundo periodo tD. Si consideramos que tenemos efectos
NOE, la intensificacion de la señal de carbono sera a lo sumo
4 (γH / γC). Como hay muchas rutas de relajacion ademas
del NOE, esto jamas se da…
• ¿Que tal si pudiesemos usar el exeso de poblacion del
nucleo sensible (1H) y pasarsela a los nucleos menos
sensibles (13C, 15N), todo en forma controlda y predecible?
• El metodo se llama transferencia de polarizacion, y
involucra pasar el gran exceso de poblacion (polarizacion) de
los 1H a los nucleos insensibles antes de perturbarlos.
• Para entenderlo usamos el diagrama de energias de un
sistema de dos espines ligeramente acoplados, y
empezamos considerando un sistema homonuclear (1H)...
TP (continuado)
• Para este diagrama usamos dos 1H que estan ligeramente
acoplados y tienen una diferencia grande de δ‘s. Los llamo
I y S para mantener no se que convencion, e indicamos con
un • el exceso de poblacion de un estado a otro:
α I βS • •
I
4
βI β S
1,2 3,4
I
S
S
••
2
S
1,3 2,4
3
I
•••• αα
I S
βI α S
1
• Ahora irradiamos y saturamos una sola de las lineas de los
nucleos selectivamente (con una BC). Despues de un
tiempo, las poblaciones de esa transicion se igualan:
α I βS • •
I
4
βI β S
3,4
S
• • • β α 1,3 2,4
I S
2
S
I
•••
1
3
1,2
αI αS
I
S
TP - TPS and IPS
• Como cambiamos las poblaciones del sistema de espines,
la intesidad de las lineas del espectro lo reflejan. Lo que
hicimos fue transferir polarizacion de un nucleo a otro. Lo
llamamos transferencia de polarizacion selectiva, or TPS.
• Hay una variacion util de la tecnica. Consideren la siguiente
secuencia de pulsos:
90
180s
• El pulso gordito es un pulso π selectivo de baja potencia.
Invierte las poblaciones de una sola de las lineas en el 3,4
sistema de espines.
α I βS • •
I
4
βI β S
2,4
S
1,2
•••• βα
I S
2
S
I
••
1
3
αI αS
1,3
TP - TPS and IPS (continuado)
H
a
O
• Un jemplo practico de esta
secuencia usando etilcinamato:
OEt
H
b
b
a
• En este caso invertimos cada linea de los 1H olefinicos a y b,
y vemos como varian las intensidades de las otras lineas.
Hecho a 90 MHz (Anasazi Eft-90).
TP heteronuclear
• En este caso, el experimento se llama inversion de
polarizacion selectiva, o IPS. De nuevo, la intensdad de las
señales se debe a lo que hicimos con las poblaciones del
sistema de espines.
• A pesar de que podemos usar TPS e IPS para identificar
espines en regiones muy complicadas de un espectro 1H, la
TP homonuclear no es tan util como la TP heteronuclear.
Pensemos en estos experimentos en sistema heteronuclear:
13C
α C βH
••
4
2
1,2
βC β H
3,4
1H
1H
αC αH
•••••
•••••
1
••••
• • • • β α 1,3 2,4
C H
13C
3
I
S
• Aca las diferencias de poblaciones entre los niveles reflejan
que tenemos un radio de 1 a 4 entre 13C y 1H debido a las
diferencias en los radios giromagneticos. Aca es que se
empieza a ver porque esto puede ser util…
• Una cosa que esta mal en el diagrama son las intensidades
relativas de las señales. Las dibujamos pensando en el radio
de radios giromagneticos, no en la abundancia natural...
TP heteronuclear - TPS
• Ahora aplicamos TPS e IPS a este sistema y vemos que
pasa. Primero TPS…
• Despues de que saturamos, digamos, la transicion 1,2 vemos
las siguientes poblaciones en el diagrama de energias:
3,4
α C βH
•••
•••
13C
4
2
βC β H
2,4
1H
1H
αC αH
•••
•••
1
••••
•••• β α
C H
13C
3
1,3
1,2
I
S
• Las señales de los dos espines cambian de acuerdo a la
variacion de poblaciones, pero ahora una de las transiciones
de 13C es tres veces mas grande que al principio. Ahora se
pone interesante...
• Si consideramos los valores absolutos de las señales,
tenemos el doble de señal que en el espectro original...
TP heterocuclear - IPS
• Ahora hacemos el mismo analisis para IPS. Si invertimos
selectivamente las poblaciones de 1,2, nos da lo siguiente:
13C
•••••
α C βH • • • • •
4
2
βC β H
2,4
3,4
1H
••••
•••• β α
C H
1H
αC αH
••
13C
3
1
1,2
I
• Ahora, ESTO SI esta bueno, si
consideramos que empezamos
con una señal de 13C que era asi:
1,3 2,4
S
1,3
I
• Manipulando las poblaciones de los protones, obtenemos
una intensificacion de 4 en la señal de 13C (considerando
señales positivas y negativas).
Modulacion J y TP
• El aumento en la señal de 13C esta bien, pero todavia hay que
lidiar con un espectro 13C que esta acoplado a 1H y que tiene
picos para arriba y para abajo. No podemos desacoplar en la
adquicision, porque el aumento se debe a los niveles de 1H,
que desaparecen si desacoplamos…
• Lo que hacemos es combinarlo con modulacion J.
Consideren la siguiente secuencia de pulsos:
90
tD
13C:
180s
{1H}
1H:
• Hacemos que tD sea 1 / 2J. Esto significa que despues del
pulso π / 2 en 13C y el tD, la magnetizacion de 13C va a haber
reenfocado los acoples con 1H. Con vectores…
Modulacion J y TP (continuado)
• Solo consideramos magnetizacion de 13C, porque lo unico
que hicimos con 1H es invertir las poblaciones selectivamente
el puslo π gordito). Despues del puslo π / 2 en 13C, tenemos
componentes de la magnetizacion de +5 y -3 en <xy>:
y
y
J/2
tD = 1 / 2J
x
{1H}
SIN REENFOQUE
ANTES DE DESACOPLAR
x
{1H}
CON REENFOQUE
ANTES DE DESACOPLAR
TP selectiva con pusos duros
• Barbaro. Otro problema de la TPS y la IPS es que tenemos
que usar pulsos suaves, que en los equipos mas viejos no se
pueden hacer. Seria bueno si pudiesemos usar pulsos duros
para hacer lo mismo. Dos secuencias de 1H hacen esto.
• La primera es selectiva para lineas de 1H que esten en
resonancia con los dos pulsos π / 2. Notar que los dos pulsos
se aplican en el mismo eje:
90
90
tD = 1 / 2JCH
tD
• La otra invierte las poblaciones de un solo proton si el pulso
esta en resonancia con el corrimiento quimico del doblete
(i.e., en el centro del doblete):
90x
90y
tD = 1 / 2JCH
tD
• En los dos casos, tD = 1 / 2JCH. Analizamos solo para el
primer caso, y el otro se los dejo a ustedes...
TPS con pulsos duros (continuado)
• Despues del pulso π / 2, los dos vectores α y β estan en en
eje +x:
z
z
tD = 1 / 2J
α
x
β
y
α
x
β
y
JCH / 2
• Si esperamos 1 / 2JCH segundos, el vector que se mueve
mas rapido (α) se aleja del otro (β) por π radianes. Si en este
momento aplicamos el otro pulso π / 2, invertimos las
poblaciones (los estados α y β cambian de lugar):
z
z
β
90
α
β
y
x
x
y
α
• Esta secuencia se puede usar con excitacion de 13C para ver
intensificacion de nucleos de 13C enlazados a este proton.
TP no-selectiva
• Otro problema de la TPS y la IPS es que es selectiva, y
tenemos que ir de a un 1H por vez. Seria bueno poder hacer
todo a la vez, de forma que transfiiriesemos polarizacion de
todos los protones a todos los nucleos insensibles (13C o 15N)
que esten enlazados.
• Una forma de hacerlo es combinando la ultima secuencia de
pulsos con un eco de espin con un tD = 1 / 4JCH
90
1801H & 18013C
90
tD = 1 / 4JCH
tD
tD
• El pulso π y los dos tD’s reenfocan corrimientos quimicos,
osea que las poblaciones de todos los 1H en la molecula son
invertidas a la vez. El puslo π en el nuclo X invierte las
marcas α y β de los 1H:
y
y
y
β
1801H
18013C
β
x
α
tD
β
α
x
x
α
• Ahora el puslo π / 2 invierte los vectores α y β de nuevo al eje
z, y tenemos inversion de las poblaciones de 1H.
TP no-selectiva - INEPT
• Si expandimos esta secuencia un poquito mas obtenemos el
INEPT (Insensitive Nuclei Enhancement by Polarization
Transfer). Es un una secuencia de pulsos importante que
aparece como un bloque en muchas secuencias de pulso
mutinucleares.
• Es usada para intensificar la señal (polarizacion) de nucleos
como 13C, 15N, 29Si, etc. La secuencia es:
Bloque
INEPT
180
90
180x
90y
X:
90x
1H:
tD
tD
• Aca X es 13C o 15N. El analizis es el mismo que vimos para
protones, mas el pulso π / 2 de ‘lectura’ en el nucleo X para
crear (y poder detectar) magnetizacion transversal.
INEPT reenfocado
• Con el INEPT comun aun tenemos el problema de señales
+5 hacia arriba y -3 hacia abajo. Seria bueno reenfocar las
dos lineas en una, y sabemos que no podemos desacoplar.
• Simplemente combinamos el INEPT con un bloque de
reenfoque al final (un eco), y detectamos en el eje -y:
180
90
180
13C:
[ -y ]
90x
180x
tD
90y
tD
180x
Δ
Δ
{1H}
1H:
• Dependiendo del tipo de carbono usamos diferentes Δ’s:
• CH - Δ = 1 / 4J
• CH2 - Δ = 1 / 8J
• Para que todos los tipos de carbono tengan un aumento
similar, usamos Δ ≈ 1 / 7J.
INEPT reenfocado (continuado)
• Despues del pulso π / 2 en 13C, tenemos la magnetizacion
de 13C aumentada (+5 & -3) en el plano <xy>.
y
y
β
Δ
β
x
α
x
α
y
18013C
y
α
α
β
Δ
x
1801H
x
β
• Variaciones de esta secuencia aparecen en todos lados.
Con ella podemos transferir polarizacion de y hacia nucleos
insensibles (13C, 15N, 29Si, etc., etc.). Tambien la podemos
usar para editar los espectros, y para marcar a un nucleo
con informacion sobre otros nucleos (δ’s, J’s).
• Se usa como bloque en casi todas las secuencias de RMN
de proteinas que involucran 1H, 15N, y 13C.
INEPT reenfocado (continuado)
• Un ejemplo con INEPT de 1H a 29Si. Aceite de bomba de
difusion Dow 709. Hecho en un Eft-60 (Anasazi):
• Espectro de 29Si 1D normal:
H3C
H3C
Si
CH3
Si
O
CH3
Si
O
• Espectro INEPT reenfocado de 29Si:
• El acople 2J1H-29Si es ~7 Hz, y el radio γ1H / γ29Si es 5.
Mas transferencia de polarizacion - DEPT
• DEPT (Distortionles Enhancement by Polarization
Transfer) es otra secuencia que toma ventaja del exceso
de poblacion de 1H para ver señales de 13C. Es mas, se
usa para editar señales y obtener distintas respuestas de
carbonos CH, CH2, y CH3 dependiendo de los parametros
de la secuencia:
90x
180x
180x
φy
13C:
90x
tD
tD
tD
{1H}
1H:
• Dezafortunadamente, se basa en la creacion y manipulacion
de magnetizacion de cuantos multiples (el pulso π / 2 en
13C) que no podemos analizar con vectores.
• De cualquier manera, se pueden analizar los resultados para
distintos valores de φ.
Resultados del DEPT para distintos angulos φ
• Usando como ejemplo datos de la pulegona:
H
Me
O
• Con φ = π / 2 (90), editamos los carbonos CH:
• Con φ = 3π / 4 (135), distinguimos carbonos CH, CH2, y CH3.
DEPT (continuado)
• Si graficamos las respuestas de distintos tipos de carbonos
en funcion del angulo φ del pulso de 1H, obtenemos:
π/4
π/2
3π/2
CH
CH2
CH3
• Mañana empezamos con 2D...