A brief analysis of 2D and 13 C-NMR at low field

Význam tématu

Benchtop NMR spektrometry s nízkým magnetickým polem (<90 MHz) představují kompaktní a cenově dostupnou alternativu k vysokopolním NMR přístrojům, zejména pro rychlou analýzu malých organických molekul. Avšak fyzikální omezení nízkého pole výrazně snižují citlivost, zvětšují šířku signálů a zvyšují přeslechy, což omezuje užitečnost heteronukleárních (13C) a dvourozměrných (2D) experimentů. Proto je klíčové vyhodnotit, kdy a jak využít tyto experimenty, nebo naopak sáhnout po rychlejších ortogonálních metodách, jako je infračervená spektroskopie.

Cíle a přehled studie

Autoři se zaměřili na praktické posouzení přínosu 13C a 2D NMR experimentů na benchtop spektrometrech pro běžné molekuly (ibuprofen, lidokain). Hlavním cílem bylo porovnat informační obsah těchto experimentů s 1D-1H NMR a alternativními ortogonálními technikami, zejména FT-IR spektroskopií, z hlediska rychlosti akvizice a objemu získaných dat.

Použitá metodika a instrumentace

• Benchtop NMR: Thermo Scientific picoSpin 80 Series II (1H, 60 MHz) a Magritek Spinsolve 60 (13C, 43 MHz).
• Infračervená spektroskopie: Thermo Scientific Nicolet iS5 FT-IR s ATR příslušenstvím iD5.
• Vzorky: roztoky ibuprofenu a lidokainu v CDCl3 v koncentracích 2 M a 0,1 M.
• Experimenty: 1D-1H NMR, 1D-13C NMR, 2D HSQC a HMBC, FT-IR měření s časem akvizice od 30 s do >2 h.

Hlavní výsledky a diskuse

• Ibuprofen (2 M): 1D-1H NMR poskytl jednoznačnou strukturální informaci, a to i přes částečnou překryv signálů. 2D HSQC (~1 h) a HMBC (~2 h) nepřinesly nové užitečné detaily.
• Lidokain (2 M): 1D-1H NMR určil většinu kostry, ale neodhalil amido‐carbonyl. 1D-13C NMR (~10–18 min) strukturu potvrdil, avšak FT-IR (<1 min) rovněž jednoznačně identifikoval karbonyl (~1660 cm⁻¹) a aminoskupinu (3243 cm⁻¹).
• Koncentrace 0,1 M: 13C NMR vyžaduje až ≥120 min, zatímco FT-IR zvládne akvizici do 1 min. Kombinace 1H NMR + FT-IR nabízí 14–121násobnou úsporu času oproti 13C NMR bez ztráty strukt. informací.

Přínosy a praktické využití metody

Pro rutinní stanovení struktury jednoduchých organických látek postačuje často 1D-1H NMR. Pokud chybí informace o heteroatomech (např. karbonyl), je efektivnější doplnit IR spektroskopii než spouštět dlouhé 13C nebo 2D experimenty na benchtop NMR, což zvyšuje pracovní výkonnost laboratoře a snižuje náklady.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizovaná integrace 1H NMR a FT-IR dat v rámci jednoho stanoviště pro rychlou analýzu vzorků.
• Vývoj citlivějších detektorů a vyšších frekvencí pro benchtop systémy s cílem zkrátit dobu akvizice 13C a 2D experimentů.
• Využití strojového učení pro interpretaci kombinovaných NMR-IR dat a předpověď struktur i u složitějších vzorků.

Závěr

Benchtop NMR systémy jsou užitečné pro rychlou analýzu jednoduchých molekul, avšak jejich omezená citlivost pro 13C a 2D experimenty často neospravedlňuje dlouhé doby měření. Kombinace 1D-1H NMR s FT-IR spektroskopií představuje rychlou, robustní a praktickou alternativu, která šetří desítky až stovky minut práce bez ztráty kvality získaných strukturálních informací.

Reference

• http://www.magritek.com/products/spinsolve60, přístup 16. 3. 2017
• http://www.magritek.com/wp-content/uploads/2016/12/007-Lidocaine-1D-13C-43MHz.jpeg, přístup 16. 3. 2017