Biomolekulare NMR-Spektroskopie

Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
Magnetische Kernresonanzspektroskopie
Nuclear
≢
Arbeitsprogramm
o Vom Spektrum zur Struktur (fast ohne Theorie)
• chemische Verschiebung
• Signalgruppenzahl
• Integral (Relaxation)
• Multiplizität (Boltzmann-Statistik)
• Kopplungskonstanten
o Ein wenig Theorie
• Energieniveaumodell
• Vektormodell
o Mehrdimensionale NMR
•
COSY, HSQC/HMQC, NOESY, TOCSY
Arbeitsprogramm (Basis)
o Detailliertere Ansichten
• Spinsysteme
• Strukturabhängigkeit von chemischen Verschiebungen und
Kopplungskonstanten
• DNMR
• Relaxation
• FT-NMR, Anwendung des Vektormodells
o Kursbegleitend
• Auswertung diverser Beispielspektren
o Infrastruktur der NMR-Spektroskopie
•
Magnete, Helium, Gerätetechnik, …
Arbeitsprogramm
Unerläßliche Hilfsmittel
Permanent nötige Hilfsmittel
Weiterbildung
Querschnitt durch mehrere Methoden
unbedingt empfehlenswert
Basisliteratur
zum tieferen Einstieg
perfekt, keine Neuauflage
Weiter führende Literatur
Verständliche Einführung in
komplexe Experimente
kapitelweise legal online verfügbar
(http://www-keeler.ch.cam.ac.uk/lectures/)
auch ein interessanter Ansatz zur
Quantenmechanik
Der leichteste Weg zur NMR-Theorie
Für Interessenten
o ca. 1,5 Stunden
o 2 Studenten pro Gruppe
o Termin und Themen nach Vereinbarung
o Alternative zur Nutzung der Routine
o was bedeuten „Lock“, „Shim“ für die Spektrenqualität?
o nicht klausurrelevant
Optionales Programm
Spektrenbearbeitung
o MestreNova
• Campuslizenz, Lizenzaktivierung alle 90 Tage, frei (zu
50% aus Studiengebühren finanziert)
• http://www.oc1.ch.tum.de -> Service -> MNovaCampuslizenz
o TopSpin
• Individuelle Prozessierungslizenz direkt von Bruker (3
Jahre, node locked, umfassend, 99 €)
• http://www.bruker-biospin.com/topspin-student.html
o SpinWorks
• (Kirk Marat, völlig frei, für einfache Zwecke ausreichend)
o Delta
• (Jeol, extrem leistungsfähig, Lizenzierung zur Zeit unklar)
Auswertesoftware
Informationen rund um den Kurs
o diese Präsentation
o Übungsaufgaben
o ergänzende Tabellen
o Moodle
o http://ia.nmrguide.info
•
•
Kennung: ia
Paßwort: ia
o weitere online-Informationsquellen
o alte Klausuraufgaben
o Lösungen
• Passwort: Die Welt ist hart, aber
wenigstens ungerecht.
o Termine (Spektrometer)
Weitere Informationsquellen
NMR im Vergleich
Informationsgehalt
IR
NMR, MS
Kosten (Gerät, Arbeitszeit)
UV/VIS NMR
MS
Empfindlichkeit
MS
• wenige Signale
• kaum verschlüsselt
• einfache Signalselektion
• quantitatives Verfahren
• zerstörungsfrei
NMR
UV/VIS IR NMR
Auswertbarkeit
MS
IR UV/VIS
Einige spektroskopische Methoden im Vergleich
UV/VIS, IR
Basis
o Einige Atomkerne verhalten sich wie magnetische Dipole
o Beispiele: 1H, 13C, 15N (nicht jedoch 12C)
o Die Größe der magnetischen Dipole ist charakteristisch für
den jeweiligen Kern (etwa 1H: 100%, 13C: 25%, 15N: 10%)
N
15
N
1
N
12
C
S
N
13
C
S
Voraussetzungen der Kernresonanzspektroskopie
H
S
o Ein Ensemble magnetisch aktiver Kerne orientiert sich ohne
äußeren Einfluß statistisch
S
13
C
13
N
N
C
N
S
13
13
C
N
13
S
N
C
S
N
13
13
S
C
C
S
N
Voraussetzungen der Kernresonanzspektroskopie
C
S
o Ein externes Magnetfeld zwingt die sehr schwachen Kerndipole in
eine von n (n = 2, 3, 4, …) möglichen Orientierungen, (b.a.w. n = 2)
N
N
S
S
N
S
N
N
N
N
S
S
S
S
S
N
N
S
Voraussetzungen der Kernresonanzspektroskopie
S
N
o Durch externe Energiezufuhr kann die Orientierung der Kerndipole
geändert werden. Dies geschieht bei einer meßbaren Frequenz.
N
E=h*
N
S
S
N
S
Voraussetzungen der Kernresonanzspektroskopie
N
Atom-
 0 : 101000 MHz
B0 : 1 25 T
Erdmagnetfeld :  30 μT
Empfänger
Sender
  f (t )
kerne
S
I

Praktische Realisierung
Kazuyuki Takeda, J. Magn. Reson.
192 (2008) 218 – 229.
Ein vollwertiges NMR-Spektrometer
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1952/bloch-lecture.pdf
NMR-Signal von Wasser
Einige Kerneigenschaften
1
N
13
N
S
z.B. : H
C
15
N
19
E
S
F
N
P
N
S
31
E
B0
S
Im äußeren Magnetfeld richten sich die Kerndipole entweder
in oder entgegen der Richtung des äußeren Magnetfeldes aus.
Die beiden möglichen Anordnungen sind energetisch nicht gleichwertig.
Kerndipole (stark vereinfachtes Modell)
Royal
Society of
Chemistry
Das einfachste Kernresonanzexperiment
Wieso gibt es nur zwei
Anordnungsmöglichkeiten für die
Atomkerne im äußeren
Magnetfeld?
Berechtigte Frage …
Die genaue Antwort ist bekannt
Deep Thought in „The Hitchhiker‘s Guide to the Galaxy“
Es ist, wie es ist.
Die Quantelung im Mikrokosmos widerspricht vollständig unserer
alltäglichen Erfahrung. Wir können dieses Phänomen lediglich
beobachten und versuchen, zu beschreiben. Um den wahren Grund
für dieses Verhalten zu erfahren, müssten wir vermutlich
13 Milliarden Jahre in die Vergangenheit reisen.
Und so ist es nicht!
deutsche Wikipedia 18. 11. 2009, 20:03Uhr
Ein wenig irdischer und wissenschaftlicher …
N
 E ~ B0
N
S
E
E
S
N
N
S
B0
Die Energiedifferenz zwischen den beiden Orientierungen
des Kernmagneten ist proportional zum äußeren Magnetfeld
Einfache Proportionalität
S
E ~ 
E
ΔEH>ΔEF
19
F
B0
Die Stärke der Kernmagneten (gyromagnetisches Verhältnis )
bestimmt ebenfalls die Größe der Energiedifferenz zwischen
den beiden Orientierungen
Das gyromagnetische Verhältnis γ
1
H
15
N
13
C
31
1
P
H
 [MHz)
0
100
200
300
400
500
B0 = 11.7 Tesla (ca. 500 000faches Erdmagnetfeld)
Gyromagnetisches Verhältnis und typische Resonanzfrequenzen
Das Empfindlichkeitsproblem
der Kernresonanzspektrosopie
o In Abwesenheit eines Magnetfeldes sind die Kernspins
ungeordnet, und es gibt keinen Energieunterschied
zwischen ihnen. Sie sind degeneriert:
Ungeordnetes Ensemble von Atomkernen ohne Magnetfeld
Da sie ein magnetisches Moment besitzen, richten sich die Kerne aus, wenn
man ein externes Magnetfeld (Bo) anlegt, und zwar entweder in Feldrichtung
oder entgegengesetzt.
o Die Ausrichtung entgegen dem äußeren Feld ist etwas stabiler
als parallel zum äußeren Feld, deshalb weisen immer mehr Spins
gegen Feldrichtung als umgekehrt (Populationsüberschuss).
Ausrichtung im äußeren Magnetfeld

Bo > 0
E = h 

Bo = 0
Populationsdifferenz

h
Absorption


induzierte
Emission
h
h
h

Absorption und induzierte Emission sind gleich wahrscheinlich
Boltzmann-Verteilung im thermischen Gleichgewicht:
N
N
e
E

k BT
e
hB0

k BT
kB = Boltzmann-Konstante = 1.3805 . 10
T = absolute Temperatur in K
 = 300 MHz (E = h ; B0 = 5.9 T)
-34
h = 6.625 . 10
2
Ws
Boltzmann-Verteilung
-23
JK
-1
Kern Spin nat. Häufig- rel. Empfindkeit [%]
lichkeit [%]
1
H
2
H
3
H
½
1
½
99.985
0.015
0
12
0
98.9
13
C
½
1.108
1,59
14
N
1
99.63
0.101
15
N
½
0.37
0.104
½
100
6.63
C
31
P
Einige interessante Kerne
100
0.965
121
Anzahl an
Protonen
Anzahl an
Neutronen
I
Gerade
gerade
0
Ungerade
ungerade
1, 2, 3, ...
gerade
ungerade
½, 3/2, 5/2, ...
ungerade
gerade
½, 3/2, 5/2, ...
Vorhersage des Gesamtspins I
Eine Zwischenbilanz
o bei gleichem Kern Proportionalität von B0 und 
o bei gleichem B0 Kernabhängigkeit von 
o und …
o da ist noch jemand …
o zwischen äußerem Magneten und Kern befindet sich
die Elektronenhülle
gleiche Sonne über den Schirmen
gleiches Magnetfeld
außerhalb der Elektronenhülle
individuelles Magnetfeld
am Kernort (B0 – B`)
individuell unter jedem Schirm
Die Elektronenhülle macht den Unterschied
Primäraussagen der
Kernresonanzspektroskopie
o Vom Spektrum zur Struktur (fast ohne Theorie)
• chemische Verschiebung
• Signalgruppenzahl
• Integral (Relaxation)
• Multiplizität (Boltzmann-Statistik)
• Kopplungskonstanten
Chemische Verschiebung
B0
Chlorwasserstoff
B0
B0
B0
 ~B
BHCl
Methan
BCH 4
Cl
 HCl   CH
CH3
4
Die Elektronenhülle schirmt das äußere Magnetfeld ab. Das Proton
im Chlorwasserstoff sieht bei gleichem äußeren Magnetfeld ein
stärkeres Magnetfeld als das Proton im Methan. Durch die Elektronenhülle
werden die Protonen unterscheidbar. Die Resonanzfrequenz im Falle
des Chlorwasserstoffprotons liegt höher als beim Methylproton.
Die Elektronenhülle macht den Unterschied
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1952/purcell-lecture.pdf
Die Protonensignale werden unterscheidbar (CH3-CH2-OH)
250130750 Hz
250130250 Hz
250130000 Hz
Probensignale
 Probe  Referenz

[10 6 ]
 Referenz
•Unabhängigkeit von B0
•Handliche Zahlen
Winzige Unterschiede
Referenz
Referenz:
• Tetramethylsilan Si(CH3)4
• für 1H, 13C, 29Si
• leicht löslich
• nur ein Signal
• Signallage am Spektrenrand
Alkohole, Protonen 
ständig zu Ketones
Aldehyde
Aromaten
Amide
Aliphaten
Olefine
Säuren
ppm
15
10
7
5
2
Chemische Verschiebungen der Protonensignale
0
TMS
Br - CH2 - CH3
ppm
3.6
3.2
2.8
2.4
Ein einfaches Protonenspektrum
2.0
1.6
1.2
Aromaten,
Alkene
C=O in
Ketonen und
Aldehyden
Alkine
aliphatische CH3,
CH2, CH
ppm
210
150
C=O in Säuren,
Amiden und Estern
100
80
50
Kohlenstoff neben
Sauerstoff (Alkohole)
Chemische Verschiebungen der Kohlenstoffsignale
0
TMS
CH 2 CH 3
O
H
O
C
H
HC
3
180
C
140
100
ppm
Ein einfaches Kohlenstoffspektrum
60
20
0
HO 
Phenole-OH
Alkohole-OH
Thioalkohole-SH
Amine-NH2
HO C
HS C
C NH2
O
Carbonsäuren-OH
Aldehyde
Heteroaromaten
Aromaten
Alkene
H
H
HO C
O
CH
N
H
N
HC
H
CH2
HC O
Alkohole
O CH2
H3C O
Alkine
X-CH3
C CH
H3C N
S CH3
H3C 
O
CH2
C CH2
H2C
O
CH3
C CH3
H3C
H
X C CH3
Cyclopropyl
M-CH3
H
H3C M (Si,Li,Al,Ge...)
12
11
10
9
8
7
6
Protonensignale im Detail
5
4
3
2
1
0
ppm
Substituenten-Inkremente S zur Abschätzung der 1H-chemischen Verschiebungen von
Alkenen entsprechend (H) = 5,28 + Igem + Icis + Itrans
Substituent
Igem
Icis
Itrans
-H
-CH3 (Alkyl)
-F
-Cl
-Br
-I
-NR2 (aliph.)
-OAlkyl
-OCOCH3
-C6H5
-CH=CH 2
(konj.)
-COOH (konj.)
NO2
0
0,44
1,51
1,00
1,04
1,11
0,69
1,18
2,09
1,35
1,26
0
-0,26
-0,43
0,19
0,40
0,78
-1,19
-1,06
-0,40
0,37
0,08
0
-0,29
-1,05
0,03
0,55
0,85
-1,31
-1,28
-0,67
-0,10
-0,01
0,69
1,84
0,97
1,29
0,39
0,59
Ausgedehnte Analysen zur
Chemischen Verschiebung in
Abhängigkeit von …… entstammen
der Anfangszeit der KernresonanzSpektroskopie und sind heute mit
ganz wenigen Ausnahmen durch
nD-Techniken obsolet.
Die angegebenen groben
Orientierungen genügen fast immer.
Alternative: Inkrementschemata
Anzahl der Signalgruppen
Integral
Kopplungskonstante
J [Hz)
Multiplizität
m=4
(Quartett)
ppm
Multiplizität
m=3
(Triplett)
2 Signalgruppen
3.6
3.2
2.8
2.4
2.0
chemische Verschiebung [ppm]
Parameter der NMR-Spektroskopie: Signalgruppenzahl
1.6
1.2
m
o
Unterscheidung von Isomeren
p
140
130
120
110
100
90
80
70
60
Unterscheidung von Isomeren
50
40
30
20
10
ppm
Integral
Integral
Kopplungskonstante
J [Hz)
2 Signalgruppen
Multiplizität
m=4
(Quartett)
ppm
3.6
3.2
2.8
2.4
Multiplizität
m=3
(Triplett)
2.0
chemische Verschiebung [ppm]
Parameter der NMR-Spektroskopie: Integral
1.6
1.2
2.00
6.11
0.95
1.06
3.12
C4 H9 OH
1.00
alle Isomere
2.05
1.13
(500.13 MHz; CDCl3 )
3.14
9.00
1.18
2.00
ppm
1.98
1.12
3.0
2.0
Unterscheidung von Isomeren
1.98
3.02
1.0
2.00
6.11
0.95
1.06
3.12
OH
1.00
3.14
2.05
1.13
OH
OH
OH
9.00
1.18
2.00
ppm
1.98
1.12
3.0
2.0
Unterscheidung von Isomeren
1.98
3.02
1.0
o Die Fläche unter einem NMR-Signal ist ohne Kalibrierung direkt
proportional zur Anzahl der Kerne, die dieses Signal hervorrufen
o aber: abhängig von den konkreten Messbedingungen können
Abweichungen von dieser Regel auftreten
o Protonenspektren lassen sich fast immer problemlos integrieren.
o Ausnahmen
• „einsame“ Protonen
• Spektrenrandbereiche bei älteren Spektrometern
o Kohlenstoffspektren erfordern spezielle Sorgfalt und lange Messzeiten
für eine quantitative Auswertung
o Grund: Relaxation und NOE
• Kohlenstoffsignale mit gleicher Anzahl an gebundenen Protonen
können meist untereinander verglichen werden
Grundregeln zur Integration
4
3
CH2 OH 4
1
H C C CH2
2
4
Wiederholzeit: 5 Sekunden
3
2
1
2.029
0.640
0.860
2.000
Wiederholzeit: 60 Sekunden
1.994
0.987
0.997
ppm
4.6
4.2
3.8
3.4
3.0
2.6
2.000
2.2
Jede Messung zerstört die Gleichgewichtsmagnetisierung (Boltzmann-Verteilung).
Die Rückkehr in den Gleichgewichtszustand erfolgt mit einer für jeden Kern
individuellen Zeitkonstante (Relaxationszeit, Sekundenbereich)
Protonenintegrale – Regel (unten) und Ausnahme (oben)
2.00
1.93
Wiederholzeit: 120 Sekunden !!
0.97
0.81
3
1
Wiederholzeit: 5 Sekunden
3
1.93
2
2
4
2.00
1
4
0.98
0.44
150
ppm
145
140
135
13
C
130
125
Quartäre C-Atome weisen eine lange Relaxationszeit auf. Integralverfälschend
wirkt auch der NOE-Effekt
Kohlenstoffintegrale – Regel (unten) und Ausnahme (oben)
120
Integral
Kopplungskonstante
J [Hz)
Multiplizität
m=4
(Quartett)
ppm
Multiplizität
m=3
(Triplett)
2 Signalgruppen
3.6
3.2
2.8
2.4
2.0
chemische Verschiebung [ppm]
Parameter der NMR-Spektroskopie: Multiplizität
1.6
1.2
Multiplizität
Beobachtet wird der schwarze Kern.
Der blaue Kern kann im äußeren Magnetfeld α- oder β-orientiert sein.
Sein Magnetfeld wird winkelabhängig zum äußeren Magnetfeld B0 addiert
oder von diesem subtrahiert. Je nach Orientierung des blauen Kernes sieht
der schwarze Kern unterschiedliche Magnetfelder.
Intramolekulare magnetische Wechselwirkungen
Farbnomenklatur
beobachteter Kern
α-orientierter Nachbarkern
β-orientierter Nachbarkern
HA
C
C
C
HX()
HA
1
C
C
HA
C
C
HX()
HX()
HX()
C
HA
C
HX()
C
C
HX()
2
A
C
HX()
HX()
HA
HA
HX()
HX()
1: 2 :1
Alle Kerne liegen wegen der Boltzmann-Statistik zu fast gleichen Teilen in
α- bzw. β-Orientierung vor. Bei identischen Nachbarkernen sind damit alle
möglichen Permutationen nahezu gleichberechtigt.
Die Wechselwirkung erfolgt nicht über den Raum (skalare Kopplung).
Dublett (ein Nachbar) und Triplett (zwei Nachbarn)
HX()
HA
C
(und Permutationen)
HX()
C
HX()
HA
HX()
C
C
HX() (und Permutationen)
HX()
HX()
HA
C
C
HX()
HX()
HA
C
HX()
C
HX()
HX()
Allgemein bei n (Spin-1/2)-Nachbarn
1: 3 : 3 :1
n
0
1
2
3
4
5
6
Linien
-----1
2
3
4
5
6
7
Mult.
----s
d
t
q
qi
sext
sept
rel. Intens.
-----------1
1
1
1
2
1
1
3
3
1
1
4
6
4
1
1
5
10 10 5
1
1
6
15 20 15 6
1
Quartett (drei Nachbarn) und höhere Multipletts
o Chemisch äquivalente magnetisch aktive Kerne (z. B. 1H, 13C, 15N, 31P, 19F)
koppeln nicht miteinander.
o Magnetisch aktive Nachbarkerne rufen eine Signalaufspaltung hervor.
o Die Art der Aufspaltung richtet sich nach der Zahl der chemisch
äquivalenten magnetisch äquivalenten Nachbarkerne.
o Die Anzahl der Linien des beobachteten Kerns ergibt sich aus der Zahl der
magnetisch aktiven untereinander chemisch äquivalenten Nachbarkerne +
1.
o Nachbarkerne sind in der Regel über eine, zwei oder drei Bindungen vom
beobachteten Kern entfernt. Für die Kopplung von Protonen untereinander
ist ein Abstand von drei Bindungen der Regelfall.
Multiplizität = Anzahl der Nachbarn + 1
m=n+1
Multiplizität
Cl H
H H
H C C H
H C C Br
Cl H
H H
1 1
Dublett (d)
1 2 1
Triplett (t)
Skalare Kopplung (Dublett und Triplett)
H H H
H H
Br
H C C Br
C C C
H H H
H H
1 3 3 1
Quartett (q)
1
4 6 4
Quintett
Skalare Kopplung (Quartett und Quintett)
1
Br
H
H
H C H
H C H
H C
1 6 15 20 15 6
Skalare Kopplung (Septett)
O
C H
H C H
H C H
H
H
1
o Die Kopplung zu chemisch nicht äquivalenten Nachbarkernen kann man
stufenweise betrachten.
o Die einzelnen Kopplungsschritte sind voneinander unabhängig und
kommutativ.
o Beispiel: Ein magnetisch aktiver Nachbarkern A spaltet das Signal des
Beobachtungskern zum Dublett auf. Zwei weitere zueinander äquivalente
Nachbarkerne B1 und B2 spalten jede der beiden Linien des Dubletts
zum Triplett auf. Man beobachtet insgesamt 6 Linien im
Intensitätsverhältnis 1:2:1:1.2:1.
m = (n + 1)(o + 1)(p + 1)...
Skalare Kopplung (chemisch nicht äquivalente Nachbarn)
H
C
C
H
Zusammengesetzte Multipletts (Dublett von Dubletts)
H
CH2 OH
H C C CH2
Zusammengesetzte Multipletts (Dublett von Tripletts)
H
CH3
C C
H
H
Zusammengesetzte Multipletts (Dublett von Dubletts von Quartetts)
J2 < J1/2
J1
J2
Wandelbare Multipletts (Triplett von Tripletts – Version 1)
J2 > J1/2
J1
J2
Wandelbare Multipletts (Triplett von Tripletts – Version 2)
J2 = J1/2
J1
J2
Wandelbare Multipletts (Triplett von Tripletts – Version 3)
Vereinfachung von Kopplungsmustern
Lösungsmittelsignale (Beispiel DMSO-d6 / DMSO-d5)
D
D
D
D C S C H
D C
D O D
D
S C D
D O D
1
JC,D
2
JH,D
H = 2.49 ppm
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
C = 39.5 ppm
WS 2010/2011
o DMSO-d6
• 13C: 39.5 ppm, Septett (1:3:6:7:6:3:1)
o DMSO-d5
• 1H: 2.49 ppm, Quintett (1:2:3:2:1), HOD bei 3.3 ppm
o CDCl3
• 13C: 77 ppm, Triplett (1:1:1)
o CHCl3
• 1H: 7.26 ppm, Singulett, HOD bei ca. 1.7 ppm
o Aceton-d6
• 13C: 29.5 ppm, Septett (1:3:6:7:6:3:1)
o Aceton-d5
• 1H: 2.05 ppm, Quintett (1:2.3:2:1)
o HOD
• 1H: 4.7 ppm, Singulett (extrem temperatur- und pH-abhängig)
Auswendig lernen!
Gängige Lösungsmittel
Kopplungskonstante
Integral
Kopplungskonstante
J [Hz]
2 Signalgruppen
Multiplizität
m=4
(Quartett)
ppm
3.6
3.2
2.8
2.4
Multiplizität
m=3
(Triplett)
2.0
chemische Verschiebung [ppm]
Kopplungskonstante
1.6
1.2
H(a)
H(b)
H(c)
3
J H ( a ), H (b )  7 Hz
2
J H (b ), H ( c )  14 Hz
H(a)
H(a)
J H(a),H(b)  10 Hz
4
J H(a),H(c)  2 Hz
5
J H(a),H(d)  0.5 Hz
H(b)
H(c)
J H(a),H(b)  10 Hz
3
J H(a),H(C)  16 Hz
2
J H(B),H(c)  1 Hz
H(b)
H(c)
3
3
H(d)
Auswendig lernen!
Typische Proton-Proton-Kopplungskonstanten
-CH3
C7H7OCl
4x
(1H; 250.13 MHz)
3
1
4 Doppelbindungsäquivalente (
Integration
2
2
Was fehlt? : -O- und -Cl
mögliche Strukturen: Cl-C6H4-O-CH3
Cl-O-C6H4-CH3
kein direkter spektroskopischer Beleg
ppm
7
6
Eine erste Spektrenanalyse
5
4
n-1: 2 Nachbarn
C9H9OCl
( 1H; 250.13 MHz)
5 Doppelbindungsäquivalente
n-1: 3 Nachbarn
2
2
ppm
Cl-CO-C6H4-C2H5
Cl-C6H4-CO-C2H5
1.08
1 .06
1.00
Integral
4x
1 .57
2
3
-C2H5
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Noch ein Beispiel
Anmerkungen:
Die dipolare Kopplung ist winkelabhängig. Summation über alle Winkel durch
die Brownsche Molekularbewegung ergibt gerade 0. In modernen
Experimenten versucht man einen Rest der dipolaren Kopplung zu erhalten
(RDC)
T1 (longitudinale Relaxationszeit) und T2 (transversale Relaxationszeit) werden
aus dem Vektormodell sehr gut verständlich. Modell: Wasserglas im ersten
Obergeschoß, T1 – Heruntertragen, T2 – Glas zerschlagen. Linienbreite invers
proportional zu T2.
Fragen am Wegesrand: dipolare und skalare Kopplung
(äußeres
Magnetfeld)
P
(Drehimpuls)

B0
 (Magnetisches
Moment)
  P

: gyromagnetisches Verhältnis
Nicht vergessen: Das ist ein Modell! Atomkerne sind keine Kreisel!
Atomkerne sind etwas Anderes.
Der Atomkern als Kreisel
I  1/ 2
I 1
z
z
z

p  I (I  1)  
m  1
m   I , I  1, I  2,..., I
cos() 
m
I ( I  1)
1
m
2

m0

m  1
I: Spinquantenzahl
m: Magnetquantenzahl
p: Eigendrehimpuls
Energieniveaus etwas mathematischer
1
m
2
pz  m  
z    m  
E    m    B 0
E
m=-½
0
   p
E   z  B 0
I: Spinquantenzahl
m: Magnetquantenzahl
p: Eigendrehimpuls
 : gyromagnetisches
Verhältnis
 : magnetisches
Moment
1
E   B 0
2
m=-1
m=0
m=+½
1
Ea   B 0
2
m=+1
m  1
Energie der Kerne imMagnetfeld
E  1  B 0
E0  0
E  1  B 0
E      B 0
(äußeres
Magnetfeld)
P
(Drehimpuls)

B0
 (Magnetisches
Moment)
  P

: gyromagnetisches Verhältnis
Nicht vergessen: Das ist ein Modell! Atomkerne sind keine Kreisel!
Atomkerne sind etwas Anderes.
Der Atomkern als Kreisel
0
y
0 + „Spin“
x
Summiert man über sehr viele präzedierende magnetische Momente, so beobachtet man
o einen leichten Überschuß in Richtung des energetisch günstigen Zustandes (hier
nach oben weisend) und
o eine ausschließliche Ausrichtung der resultierenden Magnetisierung in z-Richtung
(senkrechte Koordinate)
Summation über viele Kerne
z
z
0
a
y
y
x
x
B1
a = 0º
B1
Sender ein
B1
a = 90º
Sender aus
Zeit
Lassen wir gedanklich ein Magnetfeld senkrecht zur summarischen Magnetisierung
in z-Richtung einwirken. Es wird wieder eine Präzession zu beobachten sein.
Aber: Die Präzession mit 0 war nur bei kolinearer Anordnung der Magnetisierung
zum äußeren Magnetfeld nicht sichtbar, innerhalb der x,y-Ebene beobachtet man die
Präzession. Wie wirkt B1 immer aus der gleichen Richtung?
B1: on
Rotierendes Koordinatensystem
B1
schematisch, …
ohne, und …
Im Probenkopf
… mit Probe
B0
B1
o Die von der Probenkopfspule erzeugte
elektromagnetische Strahlung besteht
aus zwei Komponenten, von denen uns
vom Standpunkt der NMR-Messung
her nur die magnetische Komponente
interessiert.
o Dieses Magnetfeld oszilliert linear mit
der Sendefrequenz senkrecht zum
Hauptmagnetfeld
Radiofrequenz
Ein-und
Ausgang
Im Probenkopf
o Die elektrische Komponente kommt bei
Vorhandensein starker Dipole in der
Probe unangenehm zum Tragen
(Salzlösungen)
Im Probenkopf
Bx  B1 cos(t )
Bx
1
1
Bx  By
2
2
1
1
Bx  By
2
2
y
By  B1 sin(t )
x
Die „Kurbel“ im Probenkopf (Translation in Rotation)
Nach der Anregung präzediert die Magnetisierung mit der
Larmorfrequenz in der xy-Ebene
Eine der Komponenten des B1-Feldes präzediert mit, die
zweite Komponenten wird an dieser Stelle vernachlässigt
z
nn 
= n n
a
b
y
x
Nach der Anregung
0
o Die Bewegung der Magnetisierung im Laborkoordinatensystem führt zu hohen
Frequenzen und ist mathematisch ungünstig zu beschreiben. Zur Vereinfachung
der Beschreibung wählt man daher oft ein sog. rotierendes Koordinaten-System.
o Das Koordinatensystem selbst rotiert mit der Frequenz der Larmorfrequenz der
Referenzsubstanz (o = 20). Ein Signal mit der Larmorfrequenz 1 (1 = 2 1)
bewegt sich im rotierenden Koordinatensystem mit der Frequenz (0-1)=1.
o Jedes NMR-Signal entspricht im rotierenden Koordinatensystem einem Vektor mit
der Kreisfrequenz n, insgesamt erhält man eine Summe an Frequenzen 1, 2,
…, n.
Rotierendes Koordinatensystem
z
z
o
y
Bo x
Mxy
y’
o
x’
Labor-Koordinatensystem
Übergang zum rotierenden Koordinatensystem
Mxy
Übergang zum rotierenden Koordinatensystem
Laborkoordinatensystem
rotierendes Kooordinatensystem
o = 500.130 546 MHz
0 = 0 Hz
1 = 500.130 522 MHz
1 = - 24 Hz
2 = 500.130 547 MHz
2 = 1 Hz
3 = 500.130 556 MHz
3 = 10 Hz
In diesem Beispiel wird die Frequenz des rotierenden Koordinatensystems
mit 500. 130 546 MHz angenommen.
Man beachte, daß je nach Wahl der Frequenz des rotierenden
Koordinatensystems im rotierenden Koordinatensystem sowohl negative
als auch positive Frequenzen auftreten können.
Beispiele
Technische Realisierung des rotierenden Koordinatensystems
Die Summenfrequenz läßt sich leicht filtern
1
sin   sin   [sin(   )  sin(   )]
2
Praktische Umsetzung (Produktmischer)
Was man davon hat: der FID (Free Induction Decay)
o Manchmal kann man im FID einige der überlagerten exponentiell
abklingenden Sinusschwingungen direkt erkennen
o Der exponentielle Abfall resultiert aus der Relaxation
FID
Zeit
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Der FID enthält alle Signale zugleich
CW: Ton für Ton (Frequenz für Frequenz)
FT: alle Frequenzen zugleich
Fehlte da vielleicht eine Saite?
K. Zanier
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Sie nutzen den Umgang mit rotierenden Koordinatensystemen mit größter
Selbstverständlichkeit jeden Tag.
Sprache: 0… 20 kHz
Sendefrequenz: 900 / 1800 MHz
Am Rande …
Vektormodell Wiederholung
o Wir betrachten Atomkerne als Kreisel mit einer Achse nicht kolinear zum
äußeren Magnetfeld
o Dieser Kreisel präzediert im äußeren Magnetfeld (B0)
o Die Präzessionsfrequenz erhält den Namen Larmorfrequenz und ist mit
der Resonanzfrequenz aus dem Energieniveaumodell (oder dem
Spektrum) identisch. Beispiel: 500.13 MHz
o Kerne in verschiedenen chemischen Umgebungen weisen verschiedene
Larmorfrequenzen auf
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Vektormodell Wiederholung
o Wir fassen alle Kerne mit gleicher Larmorfrequenz zu einem Ensemble
zusammen. Ob die spezifische Larmorfrequenz durch unterschiedliche
chemische Verschiebung oder Kopplung zustande kommt, spielt an
dieser Stelle keine Rolle.
o Die als Kreisel angenommenen Atomkerne verteilen sich auf zwei
Kegelflächen, wobei in der energetisch günstigeren Anordnung () mehr
Kerne aus dem Ensemble zu finden sind
o Im Ensemble mitteln sich die x- und y-Komponenten der Magnetisierung
aus, es verbleibt wegen der größeren Zahl der Kerne in -Orientierung
eine z-Magnetisierung.
o In dieser summarischen z-Magnetisierung sind sowohl die Eigendrehung
als auch die Larmorfrequenz enthalten, aber nicht meßbar.
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Vektormodell Wiederholung
o Gelänge es, ein konstantes Magnetfeld senkrecht zur z-Magnetisierung
einwirken zu lassen, so würde wiederum eine Präzession stattfinden,
diesmal in Richtung x,y-Ebene
o Der auf diese Weise in die x,y-Ebene bewegte Magnetisierungsvektor
bewegt sich mit der Larmorfrequenz innerhalb der Ebene
o Das oben erwähnte Magnetfeld müßte sich eigentlich mit der
Larmorfrequenz mitbewegen.
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Vektormodell Wiederholung
o Die Sende/Empfangsspule erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zu B0 und
senkrecht zum z-Magnetisierungsvektor
o Dieses Feld ist aber linear ausgerichtet und ändert fortlaufend seine
Amplitude (z.B. mit der Larmorfrequenz)
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Vektormodell Wiederholung
o Ein linear oszillierende Feld, läßt sich in zwei zirkulierende Komponenten
gleichbleibende Amplitude vektoriell zerlegen
o Wählt man die Frequenz des B1-Feldes identisch mit der Larmorfrequenz
eines Kernensembles, dann steht eine der zirkulierenden Komponenten
gegenüber der z-Magnetisierung des ausgewählten Kernemsembles still
o Die zweite Komponenten rotiert mit doppelter Larmorfrequenz und kann
an dieser Stelle vernachlässigt werden.
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Anregung bei Frequenzdifferenz
o Annahmen:
• 1=2000 Hz (4 ppm bei 500 MHz)
• Zeitdauer B1 (t1): 10s
• Startwinkel  zwischen Magnetisierungsvektor und B1-Feld: 90° (/2)
o  = (2 * 1 * t1) = 0,04 
o Nach 10 s B1-Feld :  = (0,5+0,04)  = 0,54 
o Effektivität des B1-Feldes nach 10s: sin(0,54 ) = 0,992
o Zum Vergleich: Effektivität des B1-Feldes nach 30s: sin(0,62 ) = 0,930
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
1
H
2D-NMR-Spektroskopie
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
1
CH3
1
3
2 CH
4
2
CH
CH3
4
2-Butanol
OH
1
(1H; 250.13 MHz; DMSO-d6)
OH
H
3
2
ppm
4
3
2
3.25
3.40
2.28
0.07
1.15
1.00
Integral
DMSO-d5
1
1
3 Protonen, Dublett
3
2 Protonen, Multiplett (diastereotope Protonen!)
2
1 Proton, Multiplett (Dublett [OH] von
Dubletts [2a] von Dubletts [2b] von
Quartetts [1] (32 Linien)
4
3 Protonen, Pseudotriplett (eigentlich Dublett von Dubletts)
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (eindimensionales Protonenspektrum)
ohne Entkopplung
1
CH3
3
2 CH
4
2
CH
CH3
1
H
OH
2-Butanol
mit Protonenentkopplung
3
(13C; 62.9 MHz; DMSO-d6)
2
1
4
DMSO-d6
ppm
70
65
60
55
50
1
Quartett, tieffeldiger als 4 durch nähere OH-Gruppe
2
Dublett
45
40
35
30
25
20
15
10
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (eindimensionales Kohlenstoffspektrum)
5
ohne Entkopplung
Wanted …
Eindeutige Zuordnung
von 1 und 4
1
H
mit Protonenentkopplung
3
2
1
4
DMSO-d6
ppm
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
HMQC: Heteronuclear Multiple Quantum Coherence
HSQC: Heteronuclear Single Quantum Correlation
Spektroskopikerwunsch an den Weihnachtsmann, oder …
1
CH3
3,5/67ppm
Die Koordinaten der Peaks geben
die chemischen Verschiebungen
der direkt gebundenen Protonen
und C-Atome an.
3
2 CH
4
2
CH
CH3
OH
1
4
3,5/67ppm
3
2
1H
HMQC: zwei Frequenzdimensionen
13C
1
4
1
CH3
3
2 CH
4
2
CH
CH3
2
3
1
OH
H
10
4
20
1
30
F1
3
40
2-Butanol
50
(entkoppeltes HMQC; DMSO-d6;
1
H/13C; 250.13/62.9 MHz)
60
2
70
ppm
ppm
4
3
F2
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (Standard-HMQC)
2
1
1
4
1
CH3
3
2 CH
4
2
CH
CH3
OH
3
2
10
4
20
1
30
F1
3
1
2-Butanol
JCH
40
(gekoppeltes HMQC; DMSO-d6;
50
1
H/13C; 250.13/62.9 MHz)
60
2
70
ppm
ppm
4
3
F2
2
1
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (HMQC ohne Kohlenstoffentskopplung)
o Das HSQC/HMQC selektiert hier 13C/1Hn-Paare (CH, CH2, CH3)
o
12C/1H-Paare
ergeben kein HSQC/HMQC-Signal
o andere Kernkombinationen sind möglich, häufig beispielsweise 15N/1H
o die detektierten Protonengruppen (CH, CH2, CH3) weisen immer einen
magnetisch aktiven Nachbarkern auf  Dublettaufspaltung (immer)
o einfache Messung von C/H-Kopplungskonstanten
o zur Auswertung „virtuell“ entkoppeln
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (HMQC)
1
CH3
1
3
2 CH
4
2
CH
CH3
4
2-Butanol
OH
1
(1H; 250.13 MHz; DMSO-d6)
OH
H
3
2
ppm
4
3
2
3.25
3.40
2.28
0.07
1.15
1.00
Integral
DMSO-d5
1
2, 3: quo vadis …
 COSY: Correlation SpectroscopY
 DQF-COSY: Double Quantum Filtered COSY
Beispiel 2–Butanol: so einfach erkennt man die Verknüpfung auch nicht
1
1
CH3
4
3
2 CH
4
2
CH
CH3
OH
2
3
1
OH
H
4
1
1
3
2
2-Butanol
F1
(1H; DQF-COSY; 250.13 MHz; DMSO-d6)
3
2
4
OH
ppm
ppm
4
3
2D-NMR: Beispiel 2-Butanol (DQF-COSY)
F2
2
1
Die alternative Darstellung
1
1
CH3
3
2 CH
4
2
CH
CH3
OH
OH
4
3
2
10
4
direkte Korrelation
H-4 / C-4
1
20
30
F1
3
40
2-Butanol
50
(HMBC; 50 ms Evolution; DMSO-d6;
1
H/13C; 250.13/62.9 MHz)
60
2
70
ppm
ppm
4
3
F2
2
HMBC: Heteronuclear Multiple Bond Correlation
2D-NMR: Das Puzzle unter den 2D-Methoden - HMBC
1
1
4
1
CH3
3
2 CH
4
2
CH
CH3
OH
2
3
OH
4
1
1
3
2
2-Butanol
(TOCSY; Mischzeit: 100 ms;
3
1
H; 250.13 MHz; DMSO-d6)
2
4
OH
ppm
ppm
4
3
2
1
o TOCSY: TOtal Correlation SpectrscopY
o In Proteinen erhält man separate Protonenspektren jeder einzelnen Aminosäure
2D-NMR: Beim Butanol weniger hilfreich - TOCSY
13.4
21.0
34.5
77.7
77.2
76.6
133.0
158.3
193.6
C6H10O
13
1
C{ H}
62.9MHz
180
160
140
120
100
80
60
2D-NMR: Ein Beispiel - Kohlenstoffspektrum
40
20
ppm
2 Doppelbindungsäquivalente
C6H10O
keine Entartung (ein Signal für jedes C)
3 mal >C=
3 mal >C<
Keton?
Ester?
Aldehyd?
Lösungsmittel:
CDCl3
180
160
140
120
100
80
60
2D-NMR: Ein Beispiel - Kohlenstoffspektrum
40
20
ppm
3
Aldehyd
2
C6H10O
Olefine
2
1
H
1
9
8
7
6
5
4
2D-NMR: Ein Beispiel - Protonenspektrum
3
2
3.04
2.06
2.00
0.99
0.94
1
250.13 MHz
0.93
1
1
ppm
3
-CH3
2
2
1
aldehydisches Proton bei
ca. 10 ppm
-CH22
-CH2-
3
4
grobe Trennung
zwischen sp2-und sp3hybridisertem
Kohlenstoff bei 100 ppm
5
1
1
1
-CH=
6
-CH=
7
250.13/62.9 MHz
8
C,H-COSY
9
-CHO
Integrale aus dem
Protonenspektrum
10
180
160
140
120
100
80
60
40
20
ppm
2D-NMR: Ein Beispiel – C,H-Korrelation (Äquivalent zu HMQC/HSQC
OHC-CH=
OHC-CH=CH-
DQF-COSY; 250.13 MHz
-CH3
-CH2 -
OHC-CH=CH-CH2-
1
2
-CH2 3
OHC-CH=CH-CH2-CH2-
4
5
=CH=CH-
6
7
OHC-CH=CH-CH2-CH2-CH3
8
9
-CHO
10
10
9
8
7
6
5
4
3
2D-NMR: Ein Beispiel – Protonenkorrelation (DQF-COSY)
2
1
ppm
21.0
(1.5)
193.6
(9.5)
133.0
(6.0)
OHC
H2 C
C
H
C
H
13.4
(0.9)
Fertig?
CH3
Wie sieht es mit der
Konfiguration an der
Doppelbindung aus
CH2
34.5
(2.3)
158.3
(6.8)
7.9 Hz
6.2
Hz
1497.8
1499.3
1500.8
1505.7
1507.2
1508.7
1513.4
1514.9
1516.5
1521.3
1522.8
1524.3
Hz
1497.8
1499.3
1500.8
1505.7
1507.2
1508.7
1513.4
1514.9
1516.5
1521.3
1522.8
1524.3
Hier sollte es am einfachsten funktionieren (Dublett von Dublett von Triplets?)
15.6 Hz
6.1
6.0
5.9
ppm
6.2
2D-NMR: Ein Beispiel – finale Struktur
6.1
6.0
5.9
ppm
o Vom Spektrum zur Struktur (fast ohne Theorie)
• chemische Verschiebung
• Signalgruppenzahl
• Integral (Relaxation)
• Multiplizität (Boltzmann-Statistik)
• Kopplungskonstanten
o Ein wenig Theorie
• Energieniveaumodell
• Vektormodell
o Mehrdimensionale NMR
•
COSY, HSQC/HMQC, NOESY, TOCSY
Bisher
o Detailliertere Ansichten
• Spinsysteme
• Strukturabhängigkeit von chemischen Verschiebungen und
Kopplungskonstanten
• DNMR
• Relaxation
• FT-NMR, Anwendung des Vektormodells
o Kursbegleitend
• Auswertung diverser Beispielspektren
o Infrastruktur der NMR-Spektroskopie
•
Magnete, Helium, Gerätetechnik, …
Weiterführende Informationen
Spinsysteme


Miteinander koppelnde Kerne bilden ein Spinsystem.
Beispiel: die fünf Protonen einer Ethylgruppe sind ein Fünfspinsystem.
Mehrere Spinsysteme in einem Molekül, die nicht miteinander koppeln, können
unabhängig voneinander behandelt werden (auch bei zufälliger Signalüberlagerung).
Chemisch nicht äquivalente Kerne werden mit verschiedenen Großbuchstaben des
Alphabets bezeichnet. Man beginnt mit A und ordnet die Signale von links nach
rechts im Spektrum, d.h. von höheren zu tieferen Frequenzen.
NH2
A
H
Phenyl
CH3
COOH
H
X
CH3
X
X
A
CH3
O CH2
CH3
C
O
X
A
Spinsysteme - Nomenklatur
CW-Beispielspektrum
H
(A)
(B)
OCH2CH3
H
Cl
N
N
60 MHz-1H-NMR-Spektrum von 3-Chlor-6-ethoxy-pyridazin in CCl4 mit
Integration; die aromatischen Protonen bilden ein AB-System
(aus: Horst Friebolin, Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie,
VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1988, Seite 98, Abbildung 4-5)
AB-Spinsystem (1/2)
AB-Spinsystem (2/2)
Analytische Auswertung
| J AB | | f 1  f 2 | | f 3  f 4 | H z
  |( f 1  f 4 )( f 2  f 3 )| Hz

A   Z 
2
und

B  Z 
2
AB-Spinsystem (2/2)
JAX
A
M
X
JAM
JAM
JAX
JAX
JMX
JMX
JMX
Styrol
JMX
250 MHz-1H-NMR-Spektrum
von Styrol in CDCl3.
JAM = 17.6 Hz, JAX = 10.9 Hz,
JMX = 1.0 Hz
HA
C
C
HX
HM
Dacheffekte!
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
AMX-Spinsystem
ppm
Beispielspektrum
60 MHz-1H-Spektrum (Spektrentyp ABX) von
3-Thiophencarbonsäure
in DMSO-d6. Die Linie 1, 2, 3, 4 und 1', 2', 3', 4'
bilden die zwei AB-Subspektren.
ABX-Spinsystem (1/3)
0.99 Hz
Hz 2030
2010 1990
X
=100 Hz
130
90
C
Fallgrube X-Teil
74.23
70
H
C C
-2 Hz
110
B=2000 Hz
7 Hz
H
103.48
102.49
97.49
96.50
125.76
1986.13
1992.12
2002.13
2008.12
2015.38
2014.39
2031.38
2030.39
Hz
5.99 Hz
16 Hz
H
A =2020 Hz
ABX-Spinsystem (2/3)
Simuliertes ABX-Spektrum mit
plausiblen Parametern für chemische
Verschiebung und Kopplungskonstante.
Die Auswertung des X-Teils nach
Regeln erster Ordnung ergibt falsche
Kopplungskonstanten. Die beiden
sehr kleinen Linien gehören
zum Spektrum und sind in realen
Spektren meist im Rauschen verborgen.
2.55 Hz
Hz
2030 2010 1990
X
=100 Hz
110
90
B=2000 Hz
7 Hz
H
H
C C
2 Hz
C
16 Hz
H
A=2020 Hz
ABX-Spinsystem (3/3)
Fallgrube X-Teil
74.34
104.49
101.94
98.04
95.49
125.65
1985.95
1992.40
2001.95
2016.11
2013.56
2008.40
2032.11
2029.56
6.45 Hz
70
Auch mit einem veränderten Vorzeichen
der long-range-Kopplungskonstante
läßt sich der X-Teil nicht nach Regeln
1. Ordnung auswerten.
Bedenken: Der AB-Teil könnte unter
weiteren Signalen verborgen sein..
Etwas unerwartet?
0.2 Hz
H
H
4
H
5
3
6
H
Hz
40
20
0
-20
-40
Magnetische und chemische (Nicht)äquivalenz
Cl
Cl
0.2 Hz
H
H
4
H
5
3
6
Cl
Cl
H
Hz
40
20
0
-20
-40
Chemische Äquivalenz:
Zwei Kerne i und k sind chemisch äquivalent, wenn sie gleiche Resonanzfrequenz
aufweisen: i = k
Beispiel: H-3 und H-6 bzw. H-4 und H-5 im o-Dichlorbenzol
Magnetische und chemische (Nicht)äquivalenz
0.2 Hz
H
Hz
40
20
0
-20
H
4
H
5
-40
3
6
Cl
Cl
H
Magnetische Äquivalenz:
Zwei Kerne i und k sind magnetisch äquivalent, wenn
- sie chemisch äquivalent sind (i = k) und
- für alle Kopplungen der Kerne i und k mit anderen Kernen des Moleküls, zum
Beispiel
mit dem Kern l, gilt: Jil = Jkl.
Beispiel: Wegen JH-3,H-4 ≠ JH-3,H-5 sind H-4 und H-5 magnetisch nicht äquivalent. Die
Unterscheidung in der Spinsystemnomenklatur erfolgt durch Strich-Indices.
Magnetische und chemische (Nicht)äquivalenz
60 MHz-1H-NMR-Spektren von
(a) CH2F2 und (b) CH2=CF2. Im Fall
von (a) kann wegen der chemischen
und magnetischen Äquivalenz der
Protonen nach 1. Ordnung ausgewertet
werden, im Fall von (b) liegt wegen
der magnetischen Nichtäquivalenz
der Protonen ein System höherer
Ordnung (AA´XX´) vor. (Die sehr
schwachen Linien in (a) und (b)
sind Rotationsseitenbanden
bzw. eine Verunreinigung.)
(aus: Edwin D. Becker, High
Resolution NMR: Theory and
Chemical Applications, Academic
Press, New York, London, Toronto,
Sydney, San Francisco, 1980,
Seite 91, Abb. 5.3
Magnetische und chemische (Nicht)äquivalenz
Aromatenteil des 250-MHz-Protonenspektrums von (2R)-(-)-4-Nitrobenzoesaeure-(2,3)epoxypropylester in CDCl3. Wegen der geringen erreichten Auflösung ähnelt das hier
vorliegende AA´BB´-Spinsystem einem einfachen AB-System.
Aromatenteil des 250-MHz-Protonenspektrums
von p-Chloranisol in CDCl3. Durch die
zusätzlich angewandte Lorentz-zu-GaußTransformation läßt sich die Feinstruktur
des vorliegenden AA´XX´-Spinsystems
nahezu ideal erkennen.
Scheinbar einfache Spektren
0 Hz
H
C
X
5 Hz
H
C
10 Hz H
M
B
A´
C
A
Das AA´X-Spinsystem ist ein möglicher Grenzfall zwischen drei koppelnden Spins. Die
scheinbare Kopplungskonstante im X-Teil ist der Mittelwert von JA´X (JBX, JMX)
und JAX.
Scheinbar einfache Spektren
3,4
NO2
6
Cl
Cl
8.0
7.5
ppm
60 MHz-1H-NMR-Spektrum von 2,5-Dichlornitrobenzol in CDCl3. Das Tieffeld-Triplett
gehört zu H-6, das Dublett zu H-3 und H-4 mit zufällig gleicher chemischer Verschiebung.
Die beobachtete Kopplungskonstante von 1.6 Hz entspricht dem Mittelwert von Jmeta (3 Hz)
und Jpara (0 Hz).
(aus: Edwin D. Becker, High Resolution NMR: Theory and Chemical Applications, Academic
Press, New York, London, Toronto, Sydney, San Francisco, 1980, Seite 163, Abb. 7.13)
Scheinbar einfache Spektren
4 Hz
8 Hz
H
13
C C C
C
16 Hz
abhängig von
JH,H
H
0 Hz
ppm
-20
0
+20
Falsche aus Kohlenstoffspektren extrahierte Kopplungskonstanten können eine
Konformationsanalyse ad absurdum führen. Simulation mit den extrahierten Parametern
ist sehr empfehlenswert.
Scheinbar einfache Spektren
CH2Br
H-1
H-4
ppm
3.2 3.0
CH2
CH2
2.8
2.6
H-2
H-3
CH2Br
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
Eine Kopplung zwischen chemisch äquivalenten Protonen wird nicht beobachtet, wenn
diese Protonen auch magnetisch äquivalent sind. Bei magnetischer Nichtäquivalenz
beobachtet man ein Spinsystem höherer Ordnung. Wegen der scheinbar beobachteten
zusätzlichen kleinen Kopplungskonstanten spricht man von „virtueller Kopplung“.
Der Effekt tritt unabhängig von der verwendeten Spektrometerfrequenz auf.
Virtuelle Kopplung
CH2Br
CH2
H-1
H-4
ppm
H-1
H-5
ppm
CH2
CH2Br
H-2
H-3
100 MHz-1H-NMR-Spektrum von
(a) 1,4-Dibrombutan und
(b) 1,5-Dibrompentan. Virtuelle
Kopplung tritt in (a), aber nicht in (b)
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6
auf. Die Protonen in 2- und 3-Stellung
des 1,4-Dibrombutans sind chemisch,
aber nicht magnetisch äquivalent.
CH2Br
CH2
CH2Br Die Kopplungskonstante zwischen
H-2
CH2
CH2
diesen Protonen beträgt etwa 7 Hz.
H-4
3.2
3.0
2.8
H-3
2.6 2.4
2.2
2.0 1.8
1.6
Virtuelle Kopplung
250 bzw. 600 MHz-1H-NMRSpektren von (a) 2,5-Dimethylchinon
CH3
und (b) 2,6-Dimethylchinon mit
250
MHz
a)
deutlicher virtueller Kopplung im
Fall von (b).
H3C
Die olefinischen Protonen in beiden
O
Isomeren sind chemisch, aber nicht
magnetisch äquivalent. Damit ist in
ppm 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
beiden Isomeren die Voraussetzung
für ein Spinsystem höherer Ordnung
bzw. virtuelle Kopplung gegeben. Die
250 MHz Kopplungskonstante zwischen den
b)
olefinischen Protonen im 2,5-DiO
methylchinon beträgt jedoch 0 Hz.
H3C
CH3
Damit kann der Effekt nicht beobppm 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
achtet werden. Die Effekt der virtuellen
600 MHz
Kopplung ist feldstärkeunabhängig.
Auch bei 600 MHz wird ein in etwa
O
identischer Effekt wie bei
ppm 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
250 MHz beobachtet (b).
O
Virtuelle Kopplung
Kopplung
1
J ~ 3 (3 cos 2   1)
r
o Größenordnung: 20 kHz!!
o vorzeichenabhängig
o isotrope Mittelung über
alle : 0 Hz
Relativ neue Entwicklungen:
In manchen Medien (Phagen, Membranen, …) wird eine vollständig isotrope
Mittelung verhindert und es verbleiben kleine Anteile dipolarer Kopplung.
Daraus ist eine direkte Ableitung von  möglich.
Dipolare Kopplung (Festkörper)
m=-1/2
m=-1/2
X
m=-1
m=0
parallel
antiparallel
m=1/2
A
antiparallel
m=0
m=1/2
X
m=1
parallel
Skalare Kopplung im AX-system (J > 0)
m=-1
X
parallel
m=0
antiparallel
A
antiparallel
m=0
X
m=1
parallel
Skalare Kopplung im AX-system (J < 0)
o Fermi: Elektronen in Kernnähe tendieren zu antiparalleler
Ausrichtung zum Kernspin
o Pauli: Elektronen im gleichen Bindungsorbital sind strikt antiparallel
ausgerichtet (Fermionen …)
o Hund: Elektronenspins in unterschiedlichen Orbitalen in der Nähe
des gleichen Kerns tendieren zu paralleler Ausrichtung
Informationsübertragung über die Bindungselektronen
Hybridisierung
C
C H
C
H
H
125 Hz
160 Hz
250 Hz
Elektronegativität
N
N
C
N C
N C H
N C
H
H
H
140 Hz
180 Hz
205 Hz
O
C
H
O
O
C
C
H
145 Hz
O
H
170 Hz
200 Hz
Skalare Kopplung über eine Bindung
269 Hz
Ringgröße und Elektronegativität
H
H
C
161 Hz
134 Hz
129 Hz
H
H
C H
C H
C
125 Hz
C H
C H
C
C
O
O
O
176 Hz
150 Hz
145 Hz
Skalare Kopplung über eine Bindung
O
140 Hz
H

15

15
H
C
H
C
10
J [Hz]
10
H
3
3J
H,H=A+B
5
0
5
o
0
o
90

o
180
Skalare Kopplung über drei Bindungen (Karplus)
0
cos+C cos2
H
H
H
H
H
H
+7 Hz
+3 bis +4 Hz
+1,1 Hz
O
H
H
O
H
H3C
CH3
H
+ 0,9 Hz
+ 1,2 Hz
Fernkopplung über Einfachbindungen
< 0,5 Hz
Spektrenvereinfachung
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spektrenvereinfachung: Shiftreagenzien
H
H
CH2OH
H
CH2
H
H
OH
+ 7mg Pr(hfc)3
CH2
Europium(III) tris[3(heptafluoropropylhyd
roxymethylene)-lcamphorate]
+ 10mg Pr(hfc)3
* Protonensignale
von Pr(hfc)3
*
*
*
CH2
**
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spektrenvereinfachung: Shiftreagenzien
H
H
CH2OH
H
CH2
H
H
OH
+ 14mg Pr(hfc)3
CH2
m
12.1Hz
+ 17mg Pr(hfc)3
o
OH (gefaltet)
p
CH2
7
6
5
4
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
3
2
1
0
-1
WS 2009/2010
Spektrenvereinfachung: Meßfrequenz
Beispielmolekül
6
HO
4
3
2
HO
HN
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
OH
5
O
1
O
Ala5
Ala2
Ala4
D-Pro
WS 2009/2010
3
Spektrenvereinfachung: Meßfrequenz
250 MHz
500 MHz
600 MHz
750 MHz
ppm
3.26
3.22
3.18
3.14
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
3.10
3.06
3.02
WS 2009/2010
Spektrenvereinfachung: Lösungsmittelabhängigkeit
O
(CH3)3C
O
OH
N
H
OH
(1H; 250.13 MHz)
DMSO-d6
CDCl3
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spektrenvereinfachung: H/D-Austausch
O
(CH3)3C
O
OH
N
H
OH
CDCl3
CDCl3 nach D2O-Austausch
ppm
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
3.5
3.0
2.5
WS 2009/2010
Klausur
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
o Hauptfragestellung: Lösung eines spektroskopischen Problems
o nutzbare Hilfsmittel:
• im Prinzip: alle (mit Ausnahme eines direkten persönlichen
Erfahrungsaustausches)
• praktisch: alles Nötige bis auf Basisinfos (Kopplungskonstanten,
Lösungsmittel, Basisbereiche der chemischen Verschiebung) im
Anhang der Fragestellung
o Für die schlechte Tagesform
• ergänzende Fragen
• Beispiel: woher rührt die miserable Empfindlichkeit der
Kernresonanzspektroskopie
• wie sähe das 31P-Multiplett in P(CH3)3 aus
o Gaaaanz wichtig: Es zählen nur die Angaben auf den leeren Seiten.
Jeglicher Verweis auf Notizen in der Aufgabenstellung geht nicht in die
Bewertung ein. Ausnahmslos!
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Relaxation
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Relaxation im Überblick
o T1
• longitudinale Relaxation
• Spin-Gitter-Relaxation
• Rückkehr ins thermische Gleichgewicht (Boltzmann)
o T2
• transversale Relaxation
• Zerfall der detektierbaren Magnetisierung
• nicht notwendigerweise Rückkehr ins thermische Gleichgewicht
o Typische Werte für Flüssigkeiten: Sekunden bis Minuten
o Quelle: molekülinterne erzeugte Radiofrequenzen durch Umorientierung
der Kerndipole als Folge der Brownschen Molekularbewegung
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spin-Spin-Relaxation
Verlust an Phasenkohärenz bedeutet,
dass die einzelnen Kernspins nicht mehr
in Phase präzedieren, sondern dass ein
Teil langsamer und ein Teil schneller als
mit Larmor-Frequenz präzediert. In der
Darstellung im rotierenden
Koordinatensystem sieht man ein
Auffächern der Kernspins. Je weiter die
Auffächerung fortschreitet, um so
kleiner wird My und damit das
in der Empfängerspule induzierte Signal.
dM y
dt

My
T2
My = M0 . e-(t/T2)
1/2 = 1/( * T2)
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spin-Gitter-Relaxation
Ruhezustand
z
y
x
nach 90°-Puls
z
y
x
M  M0
dM z
 z
dt
T1
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
Spin-Gitter-Relaxation
Nach der Anregung durch einen
90°x-Puls kehrt die Magnetisierung
durch Spin-Gitter-Relaxation
(Abgabe der Überschussenergie an
die Umgebung) wieder in den
Gleichgewichtszustand zurück. Die
z-Komponente der Magnetisierung,
Mz, wächst dabei von Null auf den
Gleichgewichtswert M0. Nach dem
untenstehenden
Geschwindigkeitsgesetz hat Mz nach
t = T1 63.2% und nach t = 5T1
99.3% von M0. wieder erreicht.
Nach 5T1 kann die Relaxation als
vollständig angesehen werden.
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
DNMR
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2009/2010
dNMR
H3C
O
H3C
N
H3C
O
N
CCl3
H3C
CCl3
Allerhand, Gutowsky (1964)
Koaleszenz-Temperatur Tc
= 18 °C (291 K)
Verschiebungsdifferenz 
= 15 Hz (bei –8.5 °C)
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
dNMR
Unter bestimmten Voraussetzungen läßt sich
die Geschwindigkeitskonstante kc bei der
Temperatur Tc ermitteln:
Voraussetzungen:
1.
2.
3.
Intensitätsverhältnis der koaleszierenden
Signale = 1:1
Signale nicht spin-gekoppelt
Signalbreite bei langsamem Austausch <<

kc = 0,707  = 2.22  (Gutowsky-Holm-Gleichung)
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
dNMR
Für das vorgenannte Beispiel ergibt sich (unter der nicht
bewiesenen Annahme, dass  sich mit der Temperatur
nicht ändert): k (291 K) = 2.22*15 Hz = 33.3 s-1.
Die Eyring-Gleichung erlaubt die Berechnung der Freien
Enthalpie der Aktivierung G** für den beobachteten
Prozess (Rotation um die Amidbindung):
k = k kB/h T exp(-G**/RT)
k = Transmissionskoeffizient (= 1 bei Reaktionen ohne
Zwischenprodukte)
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
dNMR
Untersuchungsobjekte der dynamischen NMR:
•gehinderte Rotation
•Inversion
•Keto- Enol Tautomerie
•Protonenaustausch
•Ringinversion
•Valenztautomerie
Kernresonanzspektroskopie organischer Verbindung
WS 2010/2011
Magnetfeldhomogenität
Informationen am Wegesrand
überstehende
Lösung
18
mm
40
mm
Sende/Empfangsspule
Homogenität (Füllhöhe)
o Das Temperiergas (Luft, N2) und das
Lösungsmittel sind diamagnetisch
o Die Stärke des Diamagnetismus wird über die
diamagnetische Volumensuszeptibilität χ
beschrieben.
18
mm
40
mm
o Die Volumensuszeptibilitäten zwischen
Temperiergas und Lösungsmittel unterscheiden
sind bis zu einigen ppm.
o B0 im Temperiergas unterscheidet sich von B0
im Lösungsmittel um diesen Betrag
o Im Grenzbereich ist das Magnetfeld nicht
homogen.
Homogenität (Füllhöhe)
o Bei ausreichender Füllhöhe verbleiben die
Inhomogenitäten in einem Probenvolumen von
ca. 1 cm ober- und unterhalb der
Sende/Empfangsspule
o Das homogene Magnetfeld innerhalb des
Meßbereichs führt zu einem einwandfreien
Spektrum
18
mm
40
mm
Homogenität (Füllhöhe)
o bei zu kleiner Füllhöhe reichen die
Inhomogenitäten bis in den aktiven Meßbereich
o qualitativ hochwertige Spektren sind nicht mehr
möglich
o die asymmetrische Linien Form ist typisch für
ein symmetrisch gestörtes Magnetfeld
18
mm
30
mm
Homogenität (Füllhöhe)
o Entfernung über einfachen Filter
o Häufige Quelle von Mikropartikeln: neue
HPLC-Säulen!
Grenzflächen in der Probe: Mikropartikel
o Parabelförmiger Feldverlauf im Magneten (nur ein unendlich langer
Magnet ergäbe parallele Feldlinien)
o Abweichungen von der kreisförmigen Geometrie des Magneten (10-9 !)
o Zentrierung der Probe im Magneten (nicht vergessen: 10-9 !)
o Kolinearität von Probe und Magnetachse
o Umgebung des Magneten
o Probenkopf
o …
Was tun?
Quelle von Inhomogenitäten
Es können bis zu 38 der hier stellvertretend entfernten zwei Mikrospulen existieren.
Jede Spule erzeugt ein eigenes charakteristisch geformtes Korrekturfeld.
Shimeinheit
Shimeinheit im Magneten