Nukleární magnetická rezonance fluoru-19

Nukleární magnetická rezonance fluoru-19 (fluorová NMR nebo ¹⁹F NMR) je druh spektroskopie nukleární magnetické rezonance používaný k detekci a identifikaci sloučenin obsahujících fluor. ¹⁹F se z hlediska NMR spektroskopie vyznačuje dobrou receptivitou a rozptylem chemických posunů větším než u protonové NMR.^[1]^[2]^[3]

¹⁹F má jaderný spin ½ a vysoký gyromagnetický poměr, což tento izotop činí vysoce citlivým na NMR; ¹⁹F také tvoří veškerý přírodní fluor. Jedinými dalšími vysoce citlivými jádry monoizotopických nebo téměř monoizotopických prvků, která mají spin ½ a jsou tak NMR-aktivní, jsou ¹H a ³¹P;^[4]⁸⁹Y, ¹⁰³Rh, a ¹⁶⁹Tm jsou též monoizotopické a mají spin ½, ale vykazují nízké gyromagnetické poměry. Jádra ¹⁹F mají třetí nejvyšší receptivitu pro NMR, po ³H a ¹H.

Chemické posuny se u ¹⁹F NMR vyskytují v rozmezí o šířce přibližně 800 ppm. U organofluorových sloučenin je rozpětí užší, běžné jsou hodnoty mezi −50 až −70 ppm (u skupin CF₃) a −200 až −220 ppm (u CH₂F). Toto široké rozpětí může působit potíže při zaznamenávání spekter, například špatná rozlišení a nepřesná integrování.

Chemické posuny

Popsané chemické posuny u ¹⁹F NMR se významně liší, často o více než 1 ppm, a to i při použití téhož rozpouštědla.^[5]

Jako referenční sloučenina se pro ¹⁹F NMR používá CFCl₃,^[6] a to již od 50. let 20. století,^[7] podrobné pokyny pro jejich měření dosud nebyly vydány.^[5]

Zkoumání faktorů ovlivňujících chemické posuny ve fluorové NMR spektroskopii ukázalo, že největší vliv má rozpouštědlo (∆δ = ±2 ppm, někdy i více).^[5] Byla připravena referenční tabulka podle jednotlivých rozpouštědel pro 5 sloučenin (CFCl₃, C₆H₅F, PhCF₃, C₆F₆, a CF₃CO₂H), což umožnilo reprodukovatelné referencování s přesností ±30 ppb.^[5] Měřeny byly tyto chemické posuny vůči čistému CFCl₃:^[5]

Část tabulky referencí vůči čistému CFCl₃ [ppm]
	CFCl₃	C₆H₅F	PhCF₃	C₆F₆	CF₃CO₂H
Rozpouštědlo	[ppm]	[ppm]	[ppm]	[ppm]	[ppm]
CDCl₃	0,65	−112,96	−62,61	−161,64	−75,39
CD₂Cl₂	0,02	−113,78	−62,93	−162,61	−75,76
C₆D₆	−0,19	−113,11	−62,74	−163,16	−75,87
Aceton-d₆	−1,09	−114,72	−63,22	−164,67	−76,87

Celkem bylo použito 11 deuterovaných rozpouštědel a prozkoumáno přes 240 fluorovaných sloučenin.^[5]

Předpovídání chemických posunů

Při ¹⁹F NMR se chemické posuny předvídají obtížněji než u ¹H NMR; bývají výrazně ovlivňovány excitovanými stavy elektronů, zatímco u ¹H NMR na ně nejvíce působí diamagnetické jevy.^[8]

Fluormethylované sloučeniny

¹⁹F chemické posuny skupin F₃C−R
−R	δ (ppm)
H	−78
CH₃	−62
CH₂CH₃	−70
CH₂NH₂	−72
CH₂OH	−78
CH=CH₂	−67
C≡CH	−56
CF₃	−89
CF₂CF₃	−83
F	−63
Cl	−29
Br	−18
I	−5
OH	−55
NH₂	−49
SH	−32
C(=O)Ph	−58
C(=O)CF₃	−85
C(=O)OH	−77
C(=O)F	−76
C(=O)OCH₂CH₃	−74

¹⁹F chemické posuny skupin F₂CH−R
−R	δ (ppm)
H	−144
CH₃	−110
CH₂CH₃	−120
CF₃	−141
CF₂CF₃	−138
C(=O)OH	−127

¹⁹F chemické posuny skupin FH₂C−R
−R	δ (ppm)
H	−268
CH₃	−212
CH₂CH₃	−212
CH₂OH	−226
CF₃	−241
CF₂CF₃	−243
C(=O)OH	−229

Fluoralkeny

U vinylfluorových substituentů lze chemický posun pro ¹⁹F odhadnout podle tohoto vzorce:

$\delta _{C=CF}~[{\text{ppm}}]=-133,9+Z_{\text{cis}}+Z_{\text{trans}}+Z_{\text{gem}}+S_{\text{cis/trans}}+S_{\text{cis/gem}}+S_{\text{trans/gem}},$

kde Z je statistický chemický posun daného substituentu a S interakční faktor.^[9] V tabulce níže jsou uvedeny některé takto získané hodnoty:^[10]

Statistické chemické posuny pro fluoralkenové substituenty
Substituent R	Z_cis	Z_trans	Z_gem
−H	−7,4	−31,3	49,9
−CH₃	−6,0	−43,0	9,5
−CH=CH₂	–	–	47,7
−Ph	−15,7	−35,1	38,7
−CF₃	−25,3	−40,7	54,3
−F	0	0	0
−Cl	−16,5	−29,4	–
−Br	−17,7	−40,0	–
−I	−21,3	−46,3	17,4
−OCH₂CH₃	−77,5	–	84,2

Interakční faktory fluoralkenových substituentů
Substituent	Substituent	S_cis/trans	S_cis/gem	S_trans/gem
−H	−H	−26,6	–	2,8
−H	−CF₃	−21,3	–	–
−H	−CH₃	–	11,4	–
−H	−OCH₂CH₃	−47,0	–	–
−H	−Ph	−4,8	–	5,2
−CF₃	−H	−7,5	−10,6	12.5
−CF₃	−CF₃	−5,9	−5,3	−4,7
−CF₃	−CH₃	17,0	–	–
−CF₃	−Ph	−15,6	–	−23,4
−CH₃	−H	–	−12,2	–
−CH₃	−CF₃	–	−13,8	−8,9
−CH₃	−Ph	–	−19,5	−19,5
−OCH₂CH₃	−H	−5,1	–	–
−Ph	−H	–	–	20.1
−Ph	−CF₃	−23,2	–	–

Fluorbenzeny

Při určování ¹⁹F chemických posunů aromatických organofluoridů, především fenylfluoridů, se používá jiná přibližná rovnice:^[10]

$\delta _{F}~[{\text{ppm}}]=-113.9+\Sigma Z_{\text{ortho}}+\Sigma Z_{\text{meta}}+\Sigma Z_{\text{para}},$

kde Z je statistický chemický posun substituentu v dané poloze vůči atomu fluoru. V následující tabulce jsou uvedeny příklady hodnot pro některé funkční skupiny:^[10]

Statistické chemické posuny fluorbenzenových substituentů
Substituent	Z_ortho	Z_meta	Z_para
−CH₃	−3,9	−0,4	−3,6
−CH=CH₂	−4,4	0,7	−0,6
−F	−23,2	2,0	−6,6
−Cl	−0,3	3,5	−0,7
−Br	7,6	3,5	0,1
−I	19,9	3,6	1,4
−OH	−23,5	0	−13,3
−OCH₃	−18,9	−0,8	−9,0
−NH₂	−22,9	−1,3	−17,4
−NO₂	−5,6	3,8	9,6
−CN	6,9	4,1	10,1
−SH	10,0	0,9	−3,5
−CH(=O)	−7,4	2,1	10,3
−C(=O)CH₃	2,5	1,8	7,6
−C(=O)OH	2,3	1,1	6,5
−C(=O)NH₂	0,5	−0,8	3,4
−C(=O)OCH₃	3,3	3,8	7,1
−C(=O)Cl	3,4	3,5	12,9

Spin–spinové interakce

Spin–spinové interakce ¹⁹F-¹⁹F jsou obecně silnější než u ¹H-¹H, velké rozsahy (²J, ³J, ⁴J či dokonce ⁵J) jsou běžnější; větší rozsah interakcí vede k nižší hodnotě interakčních konstant.^[11] Často dochází také k interakcím vodíku s fluorem, což se také projevuje na vzhledu spekter. U geminálních vodíků mohou hodnoty interakčních konstant dosahovat i 50 Hz. S fluorem takto mohou interagovat i jiná jádra. Interakce mezi jednotlivými atomy fluoru mívají výrazně větší konstanty než interakce H-H, většinou mezi 250 a 300 Hz.^[11]

MRI

¹⁹F lze využít v MRI jako náhradu ¹H. Potíže s nižší citlivostí je možné překonat použitím měkkých nanočástic. Kontrastní látky mohou být citlivé na pH, teplotu, enzymy, ionty kovů, a redoxní reakce; lze je také použít pro dlouhodobé značkování buněk.^[12]

Reference

↑ Timothy Claridge. High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Oxford, United Kingdom: Elsevier, 2016. ISBN 978-0-08-099986-9. S. 428–429.
↑ R. Martino; V. Gilard; M. Malet-Martino. NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Analysis. Boston: Elsevier, 2008. ISBN 978-0-444-53173-5. S. 371.
↑ H. Friebolin "Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy", Wiley-VCH, Weinheim, 2011 ISBN 978-3-527-32782-9
↑ Robin Kingsley Harris; Brian E. Mann. NMR and the periodic table. [s.l.]: [s.n.] ISBN 0123276500. S. 13.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Carl Philipp Rosenau; Benson J. Jelier; Alvar D. Gossert; Antonio Togni. Exposing the Origins of Irreproducibility in Fluorine NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition. 2018-05-16, s. 9528–9533. ISSN 1433-7851. doi:10.1002/anie.201802620. PMID 29663671.
↑ R. K. Harris. NMR nomenclature. Nuclear spin properties and conventions for chemical shifts (IUPAC Recommendations 2001). Pure and Applied Chemistry. 2001, s. 1795–1818. doi:10.1351/pac200173111795.
↑ Compilation of reported F¹⁹ NMR chemical shifts, 1951 to mid-1967. [s.l.]: Wiley-Interscience, 1970. Dostupné online. ISBN 0471226505.
↑ Robert M. Silverstein; Francis X. Webster; David J. Kiemle. Spectrometric Identification of Organic Compounds. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2005. Dostupné online. ISBN 978-0-471-39362-7. doi:10.1351/pac200173111795. S. 323–326.
↑ Jetton, R. E.; Nanney, J. R.; Mahaffy, C. A. L. The prediction of the ¹⁹F NMR signal positions of fluoroalkenes using statistical methods, Journal of Fluorine Chemistry 1995, 72, 121
↑ ^a ^b ^c Ernö Pretsch; Philippe Bühlmann; Martin Badertscher. Structure Determination of Organic Compounds. [s.l.]: Springer, 2009. Dostupné online. ISBN 978-3-540-93809-5. S. 243–259.
↑ ^a ^b Dolbier, W. R. (2009) An Overview of Fluorine NMR, in Guide to Fluorine NMR for Organic Chemists, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA doi:10.1002/9780470483404.ch2
↑ Petr Hermann; Jan Blahut; Jan; Vit Herynek. Metal Ions in Bio-Imaging Techniques. [s.l.]: Springer, 2021. doi:10.1515/9783110685701-014. Kapitola Chapter 8. Paramagnetic Metal Ion Probes for ¹⁹F Magnetic Resonance Imaging, s. 239–270.

Zdroj

[1] Timothy Claridge. High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Oxford, United Kingdom: Elsevier, 2016. ISBN 978-0-08-099986-9. S. 428–429.

[2] R. Martino; V. Gilard; M. Malet-Martino. NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Analysis. Boston: Elsevier, 2008. ISBN 978-0-444-53173-5. S. 371.

[3] H. Friebolin "Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy", Wiley-VCH, Weinheim, 2011 ISBN 978-3-527-32782-9

[4] Robin Kingsley Harris; Brian E. Mann. NMR and the periodic table. [s.l.]: [s.n.] ISBN 0123276500. S. 13.

[:3-5] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Carl Philipp Rosenau; Benson J. Jelier; Alvar D. Gossert; Antonio Togni. Exposing the Origins of Irreproducibility in Fluorine NMR Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition. 2018-05-16, s. 9528–9533. ISSN 1433-7851. doi:10.1002/anie.201802620. PMID 29663671.

[6] R. K. Harris. NMR nomenclature. Nuclear spin properties and conventions for chemical shifts (IUPAC Recommendations 2001). Pure and Applied Chemistry. 2001, s. 1795–1818. doi:10.1351/pac200173111795.

[7] Compilation of reported F¹⁹ NMR chemical shifts, 1951 to mid-1967. [s.l.]: Wiley-Interscience, 1970. Dostupné online. ISBN 0471226505.

[:0-8] Robert M. Silverstein; Francis X. Webster; David J. Kiemle. Spectrometric Identification of Organic Compounds. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2005. Dostupné online. ISBN 978-0-471-39362-7. doi:10.1351/pac200173111795. S. 323–326.

[9] Jetton, R. E.; Nanney, J. R.; Mahaffy, C. A. L. The prediction of the ¹⁹F NMR signal positions of fluoroalkenes using statistical methods, Journal of Fluorine Chemistry 1995, 72, 121

[:1-10] Ernö Pretsch; Philippe Bühlmann; Martin Badertscher. Structure Determination of Organic Compounds. [s.l.]: Springer, 2009. Dostupné online. ISBN 978-3-540-93809-5. S. 243–259.

[:2-11] Dolbier, W. R. (2009) An Overview of Fluorine NMR, in Guide to Fluorine NMR for Organic Chemists, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA doi:10.1002/9780470483404.ch2

[12] Petr Hermann; Jan Blahut; Jan; Vit Herynek. Metal Ions in Bio-Imaging Techniques. [s.l.]: Springer, 2021. doi:10.1515/9783110685701-014. Kapitola Chapter 8. Paramagnetic Metal Ion Probes for ¹⁹F Magnetic Resonance Imaging, s. 239–270.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]