Skript2_ NOE

Spektroskopie in der Organischen Chemie
Der Kern-Overhauser-Effekt
(Nuclear Overhauser Effect, NOE)
Die Intensität eines 1H-Signals kann durch ein EntkopplungsB2
I
S
experiment verändert werden. Wird der Übergang eines ausgewählten 1H-Kerns S des Moleküls M für eine gewisse Zeit (im
Sekundenbereich) selektiv durch ein Entkopplerfeld B2 angeregt
und dabei sein Populations-Gleichgewicht gestört (Sättigung),
kann das Relaxationsverhalten eines Nachbarkerns I durch die
durch den Raum wirkende dipolare Kopplung in der Weise beeinflusst werden, dass seine Signalintensität vergrößert wird.
Dies ist aber nur möglich, wenn der Abstand r zwischen S und I möglichst klein ist, weil die
Wechselwirkung durch dipolare Kopplung mit r-6 abnimmt. Dies bedeutet, dass der
Abstand keinesfalls größer als 3-5 Å werden darf.
M
B2(selektiv)
t
NMR-8 – NOE
1
Spektroskopie in der Organischen Chemie
NOE-Experimente sind also hervorragend für die halbquantitive Bestimmung der
räumlichen Abstände von Protonen geeignet.
Ein frühes Beispiel aus den 60er Jahren ist die Bestimmung der Konfigurationsisomeren
eines Chinuclidin-Derivats (von Philipsborn):
NMR-8 – NOE
2
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Die Beeinflussung der Signalintensität von I ist eine
Konsequenz der Kreuzrelaxation.
Betrachten wir das Spinpaar I und S:
S
I
I
S
NMR-8 – NOE
Im Gleichgewichtszustand sind die Populationsdifferenzen durch das Boltzmann-Gleichgewicht bestimmt, bei
dem für jeden Übergang jeweils der Grundzustand überpopuliert ist. Der Populationsunterschied sei 1; dann sind
die mittlere Niveaus gleich 0, das untere +1/2 und das
obere –1/2.
3
Spektroskopie in der Organischen Chemie
S
I
NMR-8 – NOE
I
S
Zu Beginn des Experiments wird der S-Übergang gesättigt. Sättigung bedeutet, dass durch S verbundene Energiezustände die gleiche Population bekommen. Damit
wird die Population von αα (1/2 −> +1/4) und von
βα (0 −> −1/4) kleiner und die von αβ (0 −> +1/4) und von
ββ (−1/2 −> −1/4) größer.
Einquantenübergänge bei der Relaxation von I bringen
keine Änderung der Signalintensitäten von I. Der Populationsunterschied ist in beiden Fällen 1/2 - wie zuvor.
Im Gegensatz zur Anregung sind bei der Relaxation
Doppelquantenübergänge möglich. Damit gibt es zwei
weitere Relaxationswege der Übergangswahrscheinlichkeiten wir W0 und W2 nennen wollen.
4
Spektroskopie in der Organischen Chemie
S
I
I
S
Beginnen wir mit W2 (DQ da ββ -> αα -> netto 2
Spinzustände geändert):
Durch die Relaxation wird der αα-Zustand in seiner
Population um einen Betrag, den wir δ/4 nennen wollen,
vermehrt; entsprechend wird der ββ-Zustand erniedrigt.
Wegen der zugleich andauernden Sättigung des S-Übergangs betrifft die Populationsänderung genauso die βαbzw. αβ-Zustände.
Damit lässt sich eine neue Populationsdifferenz für die IÜbergänge errechnen:
+1/4 +δ/4 - (-1/4 -δ/4) = 1/2 + δ/2
Durch diesen Relaxationsweg wird die Signalintensität
erhöht.
Eine quantitative Berechnung ergibt als maximal mögliche Intensitätserhöhung η bei dominierender Dipol-DipolRelaxation:
η = 1/2 · γ(S)/γ(I) · T1/T1DD
NMR-8 – NOE
5
Spektroskopie in der Organischen Chemie
S
I
I
S
Wie ist es mit W0 (ZQ da βα -> αβ -> netto 0
Spinzustände geändert)?
Durch die Relaxation wird der βα-Zustand in seiner
Population um einen Betrag, den wir δ/4 nennen wollen
vermehrt; entsprechend wird der αβ-Zustand erniedrigt.
Wegen der zugleich andauernden Sättigung des SÜbergangs betrifft die Populationsänderung genauso die
ββ- bzw. αα-Zustände.
Damit lässt sich eine neue Populationsdifferenz für die IÜbergänge errechnen:
+1/4 -δ/4 - (-1/4 +δ/4) = 1/2 - δ/2
Durch diesen Relaxationsweg wird die Signalintensität
erniedrigt.
Die quantitative Berechnung ergibt als maximal mögliche
Intensitätserhöhung η bei dominierender Dipol-DipolRelaxation:
η = - γ(S)/γ(I) · T1/T1DD
NMR-8 – NOE
6
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Es stellt sich die Frage, wann dominiert die W2 und wann die W0-Relaxation? Um dies zu
beantworten, müssen wir uns nur die Größenordnungen der Frequenzen anschauen, die
zu diesen Übergängen gehören.
Nehmen wir an, dass wir 1H-Kerne bei 500 MHz messen. Bei dem Doppelquanten-Übergangswahrscheinlichkeit W2 kommen 2 · 500 MHz = 109 Hz zusammen. Diese Relaxation
wird also dann gut funktionieren, wenn die Molekularbewegung in der gleichen Größenordnung liegt. Das entspricht durchaus der Brownschen Bewegung kleiner bis mittlerer
Moleküle.
Umgekehrt gilt für W0 eine Frequenz von maximal einigen 103 Hz, je nach Unterschied
der chemischen Verschiebungen von I und S. Dies entspricht sehr langsamen Bewegungen wie sie bei sehr großen Molekülen wie z.B. Biopolymeren in polaren Lösungsmitteln
(Wasser) oder hochviskose Polymere. Hier wird man also negative Signale bekommen;
allerdings abhängig vom Pulsprogramm verbunden mit Spin-Diffusion ( siehe später).
NMR-8 – NOE
7
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Bei heteronuklearen NOE-Experimenten (1H-X) ist die Bewegungsabhängigkeit wie folgt;
zunächst für Kerne mit positivem magnetogyrischen Verhältnis γ:
schnelle Bewegung
kleine Moleküle
NMR-8 – NOE
langsame Bewegung
große Moleküle
8
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Nun für Kerne mit negativem magnetogyrischen Verhältnis γ:
schnelle Bewegung
kleine Moleküle
NMR-8 – NOE
langsame Bewegung
große Moleküle
9
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Im homonuklearen ({1H}1H) Fall γ(S) = γ(I)), kann eine maximale Intensitätssteigerung
von 50% erreicht werden, d.h. das Signal kann dann 1+η = 150% der Intensität ohne
Entkopplung von S erreichen (siehe Formel für η wenn W2 dominiert).
Weil der NOE ursächlich mit dem dipolaren Anteil der longitudinalen Relaxationszeit zusammenhängt, baut er sich nur langsam auf und erreicht sein Maximum im Gleichgewicht
üblicherweise erst nach einigen Sekunden (5 · T1DD).
Im allgemeinen wird der theoretische Wert (1+η = 150% im {1H}1H-Experiment) dabei
aber nicht erreicht; vielmehr sind in der Praxis Signalerhöhungen von nur 1-15 % der
Normalfall. Solch geringe Werte sind beim Vergleich von Signalen mit und ohne
Einstrahlung nur sehr schwer zu erkennen.
Hier ist das Experiment der NOE-Differenz-Spektroskopie hilfreich. Dies sei in einem
schematisierten Gedankenexperiment erläutert:
B2
B
C
A
M
NMR-8 – NOE
B2(selektiv)
t
10
Spektroskopie in der Organischen Chemie
In einem Molekül M existieren drei Protonen A, B und C. A wird wie oben beschrieben mit
einem Entkopplerfeld selektiv bestrahlt (Pfeil). Der Kern B zeigt eine NOE-Antwort
(Signalerhöhung), weil er A sehr nahe ist, während die Signalintensität von C wegen der
großen Entfernung von A praktisch nicht beeinflusst wird.
Man führt nun zwei Messexperimente durch, die sich nur dadurch unterscheiden, dass bei
dem einen der Entkoppler zum Aufbau einer NOE-Antwort benachbarter 1H-Kerne (Erhöhung der Signalintensität) vor der eigentlichen Messung für eine Weile (0.5 bis 1.5 s) angeschaltet wird, während er bei dem anderen ausgeschaltet bleibt. Man erhält zwei sehr
ähnliche Spektren, die sich nur in den Intensitäten der Signale des entkoppelten und der
NOE-beeinflussten Signale unterscheiden. Das eingestrahlte Signal des Kerns A hat dann
die Intensität 0 bzw. 1, während das von B (1+η) bzw. 1 hat; C bleibt unverändert (1 bzw.
1). Eine Differenzbildung der beiden Spektren zeigt dann für A ein starkes negatives
Signal (-1), für B ein kleines Signal (η) und keines für C.
Die erhaltenen Signalintensitäten sind zwar am Spektrometer quantitativ bestimmbar, man
sollte sich aber mit halbquantitative Abschätzungen begnügen.
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Diff.: II - I
NOE
Spektrum III (NOE-Diff.)
NOE
gesättigt
Spektrum II (NOE-Exp.)
B2
A
NMR-8 – NOE
B
C
Spektrum I (normal)
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Beispiel: 7-Methoxycumarin (Herniarin)
Selektive
Einstrahlung
4
6
H3C
NMR-8 – NOE
2
O 7
8
O
O
13
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Man erkennt die NOE-Effekte an den Atomen H-6 und H-8. Dies liegt an der konformativen Beweglichkeit der Methoxygruppe; mal ist die Methylgruppe nahe H-6 und mal
nahe H-8.
Merke: Da die Einstrahlungsdauer gegenüber der Verweildauer in den einzelnen Konformeren um viele Größenordnungen (wahrscheinlich mehr als 12) länger ist, werden
NOE-Effekte aus allen denkbaren Konformationen im Spektrum angezeigt. Es kann also
leicht passieren, dass in einem NOE-Experiment Signal-Intensitätserhöhungen angezeigt werden, die mit einer einzigen Struktur/Konformation gar nicht in Übereinstimmung
stehen.
An den Signalpositionen für H-4, H-5 und H-3 sieht man kleine Restsignale, die auf unvollkommene Differenzbildung zurückzuführen sind. Führt man über diese „Signale“ eine
Integration durch, wird man ungefähr 0 erhalten.
Auch wenn NOE-Differenz-Experimente einfach zu sein scheinen, muss man dennoch
einige Effekte und Artefaktbildungen beachten:
NMR-8 – NOE
14
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Achtung: Abhängigkeit der NOE-Effekte (1H-1H) von der Beweglichkeit des Moleküls:
schnelle Bewegung
kleine Moleküle
NMR-8 – NOE
langsame Bewegung
große Moleküle
15
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Beispiel: Tetrasaccharid eines Triterpenoids (in Pyridin-d5)
Man erkennt negative NOE-Signale aufgrund gehinderter Beweglichkeit des großen
polaren Moleküls. Spin-Diffusion, die mit totalem Verlust der Entfernungsabhängigkeit
einhergeht, ist aber noch nicht zu bemerken.
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Achtung: Gefahr von Verfälschungen der Intensitäten von Teilsignalen durch
Polarisationstransfer (PT) aufgrund starker skalarer Kopplung (Bsp: Campher)
Selektive
Einstrahlung
PT
PT
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Bei Sättigung des endo-ständigen Protons HS wird eine sehr starke NOE-Antwort am
geminalen HI erzeugt. Solche „geminalen“ NOEs sind wegen der räumlichen Nähe der
Protonen meist die stärksten, die überhaupt beobachtet werden. Sie liegen oft bei 1015%.
Wenn jedoch die B2-Feldstärkeverteilung nicht optimal eingestellt ist, kann es zu Polarisations-Transfer-Effekten (PT, ) an Signalen von Kernen kommen, die eine starke Kopplung zu dem gestörten Kern (hier: HS) aufweisen. HI und HS haben eine 2J-Kopplung von
ca. -17 Hz; solche Werte gehören zu den größten, die überhaupt in der 1H-NMR-Spektroskopie organischer Verbindungen auftreten.
PT-Effekte verändern die relativen Intensitäten von Teilsignalen; die Gesamtintensität für das Signal bleibt aber gleich. Mit anderen Worten: NOE- und PT-Effekte treten
voneinander unabhängig auf. Man kann also unbesorgt das Gesamtsignal integrieren
und aus dem Integral den NOE abschätzen.
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
NOE-Differenz-Experimente beruhen auf der selektiven Vorsättigung einzelner Kerne.
Dies ist zum einen ein wenig umständlich, zum anderen häufig sogar gar nicht sauber
möglich, weil 1H-Kerne zu nahe beieinander liegen und die Selektivität von B2 nicht
ausreicht.
Ein weiterer Nachteil ist die erwähnte Abhängigkeit von der Beweglichkeit.
In den vergangenen Jahrzehnten sind daher zahlreiche Experimente entwickelt worden,
die die genannten Schwierigkeiten umgehen können, ohne aber auf die NOE-Information
bezüglich räumlicher Entfernungen verzichten zu müssen.
Das zweidimensionale NOESY-Spektrum ( siehe später) bietet hier einen Ausweg an,
weil Vorsättigung nicht erfolgt. Allerdings bleibt die unangenehme Abhängigkeit von der
Beweglichkeit erhalten.
Aber auch hier gibt es Ersatzmethoden: ROESY ( siehe später), ebenfalls ein 2DExperiment.
Von allen zweidimensionalen Methoden gibt es auch eindimensionale Varianten (1DNOESY, 1D-ROESY), die im Aussehen den NOE-Differenzspektren ähneln.
Folgend noch ein paar Anwendungsbeispiele für NOE-Differenzexperimente.
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Beispiel 1: An welchem der Kohlenstoffatome C-6 bis C-9 sitzt die Nitrogruppe?
(s)
H
9
8
NOE-Differenz-Spektrum
O2N
7
6
H3C
O
N
N
(s)
Selektive
Einstrahlung
4
CH3
O
(d)
Normales 1H-NMR-Spektrum
NMR-8 – NOE
20
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Für die Bestimmung der Position der Nitrogruppe muss man die Methingruppen des
aromatischen Rings mit den Atomen des Diazepinonrings korrelieren. Dies über skalare
Kopplungen (durch die Bindungen) zu tun, ist wegen der dazwischen liegenden quartären
C- und der N-Atome sehr schwierig.
Strahlt man dagegen den Übergang der Acetyl-Methylgruppe ein, kann man durch den
Raum induzierte NOE-Antworten erzeugen. Da diese Gruppe um die C-N-Bindung rotieren kann, kommt sie häufig in die unmittelbare Nähe des Protons an C-6. Alle anderen
aromatischen Protonen sind zu weit weg. Sollte also ein aromatisches Proton eine Antwort geben (eine erhöhte Signalintensität haben), muss es sich um H-6 handeln.
Das NOE-Differenz-Spektrum zeigt in der Tat ein Signal bei δ = 8.25 (H-6). Dieses ist (bei
genauem Hinsehen) ein Singulett, was beweist, dass H-6 keinen ortho-ständigen Kopplungspartner (3J ≈ 8 Hz) haben kann, d.h. es kann kein H-7 geben. Damit ist bewiesen,
dass die Nitrogruppe an C-7 steht.
Man beachte auch den NOE für H-4 (δ = 5.12). Er wird ebenfalls durch die Methylrotation
erzeugt. Die C4-CH3-Protonen sind ebenfalls betroffen, was aber hier nicht dargestellt ist.
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Beispiel 2: Welche der beiden vorgeschlagenen Strukturen ist richtig?
NOE-Differenz-Spektrum
OH
CH3
Selektive
Einstrahlung
Normales 1H-NMR-Spektrum
- H2O
CH3
oder
A
B
NMR-8 – NOE
CH3
22
Spektroskopie in der Organischen Chemie
In diesem Beispiel war durch Dehydratisierung eines ungesättigten, tricyclischen Alkohols
ein methylierter tricyclischer Kohlenwasserstoff entstanden. Durch ein NOE-Differenz-Experiment konnte zwischen den alternativen Strukturvorschlägen unterschieden werden:
Struktur A hat im Gegensatz zu B kein Methinproton, das nicht wenigestens ein benachbartes Methinproton besitzt, mit dem es eine vicinale Kopplung unterhalten kann (3J ≈ 8
Hz).
Wenn im Bereich δ = 7 - 9 des 1H-NMR-Spektrums also ein Singulett auftritt, ist Struktur B
richtig, wenn nicht, dann ist A entstanden. Das 1H-NMR selbst lässt diese Entscheidung
nicht zu, weil viele Signale trotz einer Messfrequenz von 400 MHz überlagert sind.
Einstrahlung auf die Methylgruppe führt zu NOE-Antworten an zwei Signalen, von denen
eines tatsächlich ein Singulett ist, was vorher nicht klar sichtbar war. Damit ist die Struktur
B als korrekt ermittelt. Zu welchem Proton gehört das zweite NOE-Signal (Dublett)?
NMR-8 – NOE
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Heteronukleares NOE-Experiment: Fenchone
Selektive
Einstrahlung
auf H-4
7
5
6
9
4
1
NMR-8 – NOE
7
6
5
10
9
CH3
4
1
H3C 8
H
3
2
10
CH3
O
8
3
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Spektroskopie in der Organischen Chemie
Gelegentlich kann man auch heteronukleare ({1H}13C) NOE-Experimente antreffen. Das
Messprinzip ist das gleiche: Vor der eigentlichen 13C-Messung erfolgt selektive Sättigung
eines ausgewählten Protonenüberganges. Räumlich nahegelegene 13C-Kerne können
damit in ihrer dipolaren longitudinalen Relaxation beeinflusst werden und ihre Intensität
deutlich steigern ( 1H-BB-Entkopplung).
Dies wird am Beispiel des Fenchons demonstriert. Es gelingt auf diese Weise die eindeutige Unterscheidung der beiden quartären Kohlenstoffatome C-1 und C-3.
Man beachte jedoch, dass i.a. nur quartäre Kohlenstoffatome gute NOE-Antworten geben. Wasserstofftragende (CH, CH2 und CH3) werden i.a. durch die eigenen Protonen so
effektiv relaxiert, dass die Störung eines benachbarten Proton kaum noch ins Gewicht
fällt.
NMR-8 – NOE
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