NMR spektroskopie (spektroskopie jaderné magnetické rezonance z angl. nuclear magnetic resonance spectroscopy) je jedna z nejdůležitějších analytických metod současné chemie nacházející své uplatnění v organické i anorganické chemii, biochemii, chemii materiálů nebo potravin. NMR využívá interakce vnějšího magnetického pole supravodivého magnetu s magneticky aktivními jádry (jako jsou například ta v atomech vodíku nebo v přirozeném isotopu uhlíku 13C) obsažených v molekulách. NMR spektrum je pak jakýmsi nezaměnitelným otiskem prstu každé molekuly a zkušený uživatel z něj dokáže vyčíst nejen to, jakým způsobem jsou atomy v molekule propojeny chemickými vazbami, ale i trojrozměrné uspořádání molekul, nebo i to jakým způsobem spolu interagují. Kromě toho, že NMR spektroskopie poskytuje širokou škálu strukturních i dynamických informací o zkoumané látce, je to navíc tzv. nedestruktivní analytická metoda (všechen vzorek lze získat zpět bez jeho poškození), což z ní dělá jednu z nejvyužívanějších technik na světě. Schopnost správně určit molekulovou strukturu z NMR spekter se dnes řadí mezi klíčové dovednosti každého chemika.
Luštění NMR spekter – rozpoznání molekulové struktury z jejího „otisku prstu“ v magnetickém poli – se nedá naučit jiným způsobem než nabytím dostatečného množství zkušeností, čili řešením nepřeberné řady příkladů. Navzdory tomu, jak je tato dovednost pro chemiky klíčová při jejich studiu i laboratorní praxi, studenti chemických oborů mívají k dispozici jen omezené množství spektrálních příkladů k procvičení. Ty mohli získat na specializovaných přednáškách v rámci studia, v odborné literatuře nebo dohledávat spektra publikovaná on-line. Nicméně řada lektorů jen neochotně poskytuje správná řešení v nějaké formě snadno rozšířitelné mezi studenty a pořizovací cena odborné literatury se pro studenty, kteří se nehodlají věnovat výhradně NMR spektroskopii jako vědnímu oboru, pohybuje neúnosně vysoko vzhledem k jejímu přínosu. Navíc příklady uvedené v učebnicích často neobsahují správná řešení. Studenti tak musejí své návrhy nadále konzultovat se zkušenými lektory (popřípadě zakoupit speciální cvičebnice s řešeními). Často lze uvedenou strukturu přiřadit jedině s využitím dalších spektrálních metod jako jsou hmotnostní spektrometrie nebo infračervená spektroskopie, s jejichž spektry studenti nebývají natolik zevrubně seznámeni, aby z nich zvládli strukturní informace vyzískat. S rozvojem e-learningových platforem se stala i NMR spektra pro studenty poněkud dostupnější, ovšem i na vzdělávacích webech se dále objevovaly nedostatky známé z učebních textů – nutná kombinace znalostí ze všech spektrálních metod, chybějící řešení a celkový nedostatek příkladů jako takových.
Vědci z oddělení NMR spektroskopie Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR letos na jaře představili doposud největší vzdělávací web v oblasti NMR spektroskopie NMR Challenge (nmr-challenge.com), na kterém mohou studenti vyřešit přes 160 strukturních příkladů. Příklady jsou rozděleny do dvou hlavních kategorií; základní úroveň Basic obsahuje jednodušší molekuly, jejichž struktury lze vyluštit pomocí tzv. jednodimenzionálních vodíkových a uhlíkových spekter, zatímco v sekci Advanced se studenti musejí ponořit i do složitějších dvojdimenzionálních spekter, která jsou zapotřebí pro správné určení struktury složitějších molekul. V obou zmíněných kategoriích jsou příklady dále odstupňovány jako snadné, středně obtížné a obtížné.
V NMR Challenge čeští vědci skloubili tři základní výhody, které z ní dělají asi nejnavštěvovanější web svého druhu (s více něž 30 000 odeslanými řešeními spektrálních příkladů). Největší výhodou je samozřejmě násobně vyšší počet příkladů. Dále jsou všechna spektra měřená pro skutečné vzorky. To znamená, že se v nich mohou vyskytovat nečistoty, voda, nehomogenity magnetického pole nebo překryvy signálů. Umět si poradit i s takovými spektry dá studentům do budoucí laboratorní praxe mnohem více než luštění tzv. simulovaných spekter, která lze získat sice rychleji a pohodlněji pomocí pár kliknutí v řadě chemických softwarů, ale která obsahují pouze dokonale namodelované tvary signálů dané sloučeniny a jsou tak na míle vzdálená spektrům, s nimiž se studenti budou muset vypořádat v praxi. Největší inovaci ovšem web skýtá v podobě okamžitého hodnocení odeslaného řešení.
Zatímco se studenti probírají spektry a tvoří si první představy o molekulové struktuře neznámé látky, mohou si svou odpověď rovnou črtat ve speciálním nástroji pro kreslení chemických struktur dostupného u každého příkladu. Ovládání nástroje je velice intuitivní a studentům známé z ostatních běžných programů vhodných ke kreslení chemických struktur. Chemickou strukturu lze také pohodlně navrhnout na dotykovém displeji telefonu nebo tabletu. Nejen, že je tento způsob řešení přitažlivý ve své hravosti, ale navíc přispívá k mezinárodní přístupnosti webu, protože chemická struktura (na rozdíl od chemického názvu) je nezaměnitelný identifikátor dané látky. Když jsou studenti se svou navrženou strukturou plně spokojeni, mohou ji jednoduše odeslat tlačítkem níže a okamžitě se objeví notifikace, zda je jejich řešení správné či nikoli. Web také zaznamenává jejich pokrok a označí studentům ty příklady, které již vyřešili správně.
Odeslaná řešení nezmizí v propadlišti dějin, ale slouží jako zpětná vazba k dalšímu vylepšení webové stránky. Na základě úspěšnosti jsou příklady přeřazovány mezi obtížnostmi, popřípadě jsou doměřena další NMR spektra, která by mohla správné určení struktury usnadnit. Díky zpětné vazbě mohou autoři stránky lépe zachytit nejčastější omyly nebo mezery v základních vědomostech studentů, protože respondenti pocházejí z celého světa a nejednotných vzdělávacích systémů. Ty jsou pak diskutovány ve vzdělávacích videích dostupných na Instagramovém účtu nmr_challenge.
Vědci z týmu Martina Dračínského z ÚOCHB AV ČR nám úspěšně ukazují, že i v takto obtížných disciplínách v Česku stále přetrvává koncept Škola hrou.
Zdroj: Redakční článek CZECHSIGHT; nmr-challenge.com
Foto: Terry Vlisidis, Unsplash
Více z chemie na CZECHSIGHT:
Michaela Novotná
Michaela Novotná
Vstup do diskuze