NMR-17 - RELAY-TOCSY - Institut für Organische Chemie

Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
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H,1H,1H Relayed-COSY und TOCSY
Das 1H,1H,1H-Relay-COSY-Experiment gehört historisch zu den älteren und wurde
später durch das weit überlegene TOCSY-Experiment ersetzt. Dennoch sei es
hier kurz erläutert:
Beim „einfachen“ COSY-Experiment wird Magnetisierung von Kern A auf den
Kopplungspartnerkern M übertragen. Das Relay-Experiment versucht, die dabei
an M erzeugt A-Magnetisierung durch einen weiteren COSY-Schritt auf einen dritten Kern X, der ein Kopplungspartner von M, aber nicht notwendigerweise von A
ist, weiterzugeben. M ist dann der Relay-Kern.
Im Spektrum erscheint dann – neben den üblichen „cross peaks“ für die Kopplungen – ein Kreuzsignal, das die Kerne A und X verbindet, obwohl sie keine Kopplungspartner sind!
H
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A
HM
C
C
H
X
C
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Glutaminsäure
COSY
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H,1H,1H-Relayed-COSY
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Das markierte Kreuzsignal im Spektrum von Glutaminsäure beweist die Konnektivität zwischen H-2 und H-4 über H-3.
Man kann also durch ein solches Experiment Kerne miteinander verknüpfen, auch
wenn durch eine unglückliche Signalüberlappung der Konnektivitätsweg über die
COSY-Kreuzsignale mehrdeutig werden sollte.
Es gibt auch heteronukleare Varianten, z.B. 1H,1H,13C-Relayed-COSY, in dem ein
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H,1H-COSY- mit einem HETCOR-Schritt kombiniert wird.
HA
C
HM
CX
Diese Experimente waren zu ihrer Zeit durchaus sinnvoll und nützlich. Auf der
nächsten Seite ist ein 1H,1H,1H-Relayed-COSY-Spektrum eines Triterpen-tetraglycosids abgebildet, wo man ausgehend von jedem Anomeren-Wasserstoff (1)
bis zum jeweiligen H-3 gelangen kann.
Darüberhinaus gehende Relay-Schritte sind wegen der langen Pulssequenz i.a.
nicht mehr effektiv.
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TOCSY
Bei der COSY-Spektroskopie wird versucht, direkte Korrelationen zwischen Kernen herzustellen, die eine skalare Kopplung (nJHH, n = 2,3, evtl. auch 4 und 5) miteinander teilen. Bei TOCSY-Experimenten (TOtal Correlation SpectroscopY) hingegen erhält man Korrelationen zwischen allen Kernen, die zu einem zusammen
hängenden Spinsystem gehören, auch wenn sie nicht alle miteinander koppeln. In
einer Kette von Protonen A-B-C-D-E-… wird Magnetisierung von A auf B, C, D, E.
usw übertragen, wobei dazwischen liegende Kerne als Relay-Kerne wirken. Man
kann also im Prinzip für ein solches Spinsystem alle Kerne mit allen anderen korrelieren (Totale Korrelation). Damit hat TOCSY die gleichen Vorteile beim Vorliegen überlappender Signale wie Relayed-COSY, nur dass dieses Experiment viel
empfindlicher und einfacher ist.
Die Magnetisierungsübertragung erfolgt beim TOCSY-Experiment über eine
homonukleare Kreuzpolarisation. Es wird in der Literatur manchmal auch als
HOHAHA-Experiment (homonukleare Hartmann-Hahn-Spektroskopie) bezeichnet
(siehe auch NMR-09).
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Die TOCSY-Pulssequenz sieht wie folgt aus:
τm
(π/2)x´
t1
Spin-Lock (y´)
t
Zunächst wird die Magnetisierung aller Kerne gleichzeitig in die y´-Richtung gebracht; dort stehen sie alle parallel, wie zuvor in der z-Richtung. Statt des Mischpulses im COSY-Experiment steht hier eine Mischsequenz (Spin-Lock; siehe
unten), während der der Magnetisierungstransfer so stattfindet, wie auf der vorigen Seite beschrieben.
Die Spin-Lock-Sequenz besteht aus einer Serie von 1800-Pulsen in die y´-Richtung mit niedriger Intensität (relativ langer Pulszeit), die durch sehr kleine Zeitintervalle getrennt sind. Man könnte diese Sequenz auch als ein kontinuierliches
Einstrahlen in die y´-Richtung mit niedriger Amplitude bezeichnen. Die einzelnen
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1800-Pulse bewirken, dass alle Magnetisierungen immer wieder als Spin-Echos in
die y´-Richtung zurückkehren. Da die Intervalle zwischen den Pulsen sehr kurz
sind, bleiben sie letztlich also während der gesamten Spin-Lock-Zeit (τm) dort
parallel angeordnet liegen. Es entsteht also keinerlei Evolution der chemischen
Verschiebung. (Diese beruht ja auf der Präzession von M in der transversalen
Ebene.) Im Gegensatz dazu bleiben alle Kopplungs-Wechselwirkungen aktiv, sodass während τm Polarisationstransfer stattfinden kann; τm ist i.a. lang genug, um
auch die oben beschriebenen Relay-Effekte zu erlauben.
Nach Abschalten der Spin-Lock-Sequenz können dann alle Kernen mit ihren Frequenzen, zugleich moduliert mit allen anderen, präzedieren, wobei sie zugleich als
FIDs registriert werden. Die Variable t1 hat den gleichen Effekt wie im COSY-Experiment, sodass letztendlich ein 2D-TOCSY-Spektrum erhalten wird.
Der Informationsinhalt eines 2D-TOCSY-Spektrums sei auf der nächsten Seite am
Beispiel des Chinidins (Ausschnitt; nur Chinuclidinteil) gezeigt. Es handelt sich um
die Identifizierung eines weit verzweigten Spinsystems, beobachtet von H-16 ausgehend. Gemeinsam mit dem entsprechenden COSY-Spektrum lassen sich also
leicht größere Konnektivitätsmuster zusammenstellen, selbst wenn es zu Signalüberlappungen kommt.
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Eine sehr nützliche Anwendung ist auch die 2D-TOCSY-Messung von Zuckerderivaten, die mehrere Monosaccharideinheiten enthalten. Hier kommt es praktisch
immer zu extrem starken Überlappungen der Saccharid-Protonensignale in einem
engen δ-Bereich.
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Man kann aber entlang der Spuren – ausgehend vom jeweiligen Anomeren-H –
alle zu dem jeweils gleichen Zucker gehörenden 1H-Signale identifizieren, weil die
normalen Pentosen und Hexosen über durchgehende 1H-Spinsysteme verfügen.
Um auch noch die Reihenfolge der H-Atome im jeweiligen Monosaccharid festzustellen, gelingt es oft sogar, durch Variation der Spin-Lock-Zeit den Weg des
Polarisationstransfers unterschiedlich lang zu machen. Bei kurzem τm kommt sie
z.B. von H-1 über H-2 nur bis H-3, bei etwas längerem τm bis H-4 und bei ganz
langem τm bis H-5 oder gar H-6, also durch das gesamte Spinsystem. Typische
τm-Werte sind 50 bis 200 ms.
TOCSY-Experimente lassen sich mit anderen Experimenten koppeln.
Ein Beispiel sei das HMQC-TOCSY eines pentacyclischen Triterpenoids (nächste
Seite), bei dem die 1H,1H-TOCSY-Information auf das benachbarte C-Atom eines
der beteiligten H-Atome übertragen wird.
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