Das NMR-Experiment – Eine kurze Einführung

Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
Das NMR-Experiment – Eine kurze Einführung
Spektroskopie bedeutet Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung
(Photonen) mit Materie; meist Absorption, aber auch Beugung und Streuung.
Absorption: Die Teilchen werden von einem Grund- (Ruhe-)zustand mit der
Energie E0 in einen angeregten Zustand E1 versetzt, wenn eine bestimmte, diskrete Energie ΔE (ΔE = E1 – E0) für diese Anregung aufgenommen, absorbiert
werden kann.
Die Energie für ein Lichtquant berechnet sich zu
ΔE = E1-E2 = h · ν = h · c/λ
mit c = ν · λ
E1
h: Plancksches Wirkungsquantum
h?
ν: Anregungsfrequenz
c: Lichtgeschwindigkeit
E0
NMR-01 – Eine kurze Einführung
λ: Wellenlänge der Anregungsstrahlung
1
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum
NMR
NMR-01 – Eine kurze Einführung
2
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
Wie entstehen die diskreten Energiezustände in der NMR?
Die meisten Atomkerne haben ein Eigendrehimpuls (Kernspin) p ≠ 0 und damit
auch ein magnetisches Moment µ = γp . γ ist das magnetogyrische Verhältnis,
eine charakteristische Stoffkonstante für jeden Kern [γ(1H) ≈ 4
· γ(13C)]. Damit µ in unterschiedlichen Energiezuständen exisz
tieren kann, muss man es mit einem anderen
B0
magnetischen Moment in Wechselwirkung
bringen. In der NMR-Spektroskopie verwendet
man dazu ein äußeres, statisches Magnetfeld
µ
H0 mit einer Flussdichte B0. Dies bedeutet,
dass für eine NMR-Messung ein Magnetfeld
y
erzeugt, also ein Labormagnet (links)
x
aufgestellt werden muss. Die Wechselwirkung
wird durch das Vektorprodukt beschrieben und erzeugt eine sog. LARMORPräzession von µ um die Richtung von B0 (z-Achse) mit einer Winkelgeschwindigkeit ω0, bzw. der Larmorfrequenz ν0:
ω0 = 2 π ν0 = - γ · B0 (LARMOR-Beziehung)
NMR-01 – Eine kurze Einführung
3
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
In B0 -> ausgewählte Orientierungen für Drehimpulsvektor
p (Richtungsquantelung): p = (I(I+1))0.5*(h/2π)
1
H- und
13
C-Kerne -> Spinquantenzahl I = 1/2
Im äußeren Magnetfeld 2I+1 = 2*1/2 +1 = 2 Energiezustände: m = + 1/2 und -1/2 (m = mag. Quantenzahl).
Komponente von p in Feldrichtung: pz = m *(h/2π)
B0
z
α , +1/2
(Grundzustand)
µ
B1
y
Detektor
Die ‚Kernspins’ präzedieren also mit der Winkelgeschwin- x
digkeit ω0 auf zwei Kegelmänteln um die z-Achse
β , -1/2
(Richtung von B0).
(angeregter Zustand)
E-Unterschied (α , β) gering -> α-Zustand nur geringfügig
- E/kT
überpopuliert -> Boltzmann-Verteilung: Nβ/Nα = e Δ
k = Boltzmann-Konstante und T = absolute Temperatur in K.
Dadurch ist die NMR (Nuclear Magnetic Resonance = Kernmagnetische
Resonanz) eine recht unempfindlichen und relativ substanzaufwändigen spektroskopischen Methode. Aber ΔE steigt linear mit Zunahme von B0, da
Em = -γ m (h/2π) B0
NMR-01 – Eine kurze Einführung
4
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
Man gibt die Substanz, die in ca. 0.5-1 ml Lösungsmittel aufgenommen wird, in einem 5-mm-Probenröhrchen mit Hilfe eines Rotors
(Spinner, links) in den Magneten, wo er sich in einem nur wenige
cm3 großen Probenraum befindet und meist zur Verbesserung der
Feldhomogenität mit 10-20 Hz rotiert.
Strahlt man ein elektromagnetisches Wechselfeld B1
mit ν1 (= ν0, Larmorfrequenz, via RF Spule) in der
transversalen Ebene (x,y) ein, kann Energieabsorption erfolgen (α → β), sodass sich die
Populationen zugunsten des angeregten Zustands
(β) verändern. Dabei wird in der transversalen
Ebene eine makroskopische Magnetierung erzeugt,
die vom Detektor (auch RF coil) registriert und
danach zum NMR-Signal weiter verarbeitet wird (->
Tafel).
NMR-01 – Eine kurze Einführung
5
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
Nach Abschalten von B1 zerfällt die makroskopische messbare transversale
Magnetierung Mx/y zu Null (transversale bzw. Spin-Spin Relaxation, T2), und es
bildet sich wieder das ursprüngliche Boltzmann-Gleichgewicht unter
Energieabgabe zurück (Mz->Mz0 longitudinale bzw. Spin-Gitter Relaxation, T1).
z
y
x
Eine quantitative Beschreibung des NMR-Experiments folgt im Vorlesungsblock
NMR-2 (Instrumentelle Methoden II).
NMR-01 – Eine kurze Einführung
6
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
B
A
Figure 1 : (A) Cutaway diagram of a superconducting magnet. (B) Probe assembly. Siehe auch S. 9
NMR-01 – Eine kurze Einführung
7
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
- The superconducting magnet (600 MHz proton frequency, 14.1 T) (see A,)
The very strong (and homogeneous) magnetic fields necessary for high-resolution NMR spectroscopy can only be
achieved by superconducting electromagnets. The superconducting magnet itself is cooled by liquid helium (boiling
point 4 K = -269°C). At this temperature, the magnet wire is superconducting, meaning that the current flows with
negligible resistance. To slow down the evaporation of the helium, a second cooling bath surrounds the helium
vessel (Dewar). This second bath consists of liquid nitrogen (boiling point 77 K = -196°C). The radiofrequency probe
is located in the central bore of the magnet and is kept at room temperature. The sample is placed inside this probe
for the measurements. The temperature of the sample is precisely adjusted by a precooled stream of nitrogen gas
that can be heated to the desired temperature.
- The triple-resonance probe (1H/15N/13C) with field gradients (see B)
The probe consists of a radio frequency (RF) circuit containing a coil for applying RF pulses at a certain nucleus
frequency and subsequently detecting the magnetization. In the triple-resonance 1H/15N/13C probe, there are actually
2 coils: one is used for 1H and 2H, the other one is used for 13C and 15N. The characteristics of a probe RF circuit as
a function of an applied RF frequency w is described by the complex impedance Z = R + i[wL – 1 / (wC)] where
i = −1 , R = resistance, L = inductance, C = capacity. This circuit has minimal impedance (it resonates) at a
frequency w0 = (LC)-1/2. In order to efficiently deliver RF energy to the sample and to optimize signal sensitivity, the
probe circuit must be tuned so that the resonance frequency w0 equals the RF frequency. This is done by adjusting a
capacitor, i.e. by changing C. In addition, the impedance of the coil has to be matched to the impedance of the
amplifier output . The two adjustments are usually called tuning and matching.
- The RF transmitter and receiver equipment
The RF transmitter consists of frequency synthesizers and amplifiers for producing pulses at a certain frequency
w. These pulses are applied to the probe in order to produce oscillating magnetic fields B1 at the position of the
sample.
The receiver includes preamplifier, analog-digital converter (ADC), and several other components.
NMR-01 – Eine kurze Einführung
8
Multipuls-NMR in der Organischen Chemie
-The data acquisition and processing computer (i.e. the console)
For data acquisition, the console permits to set up all parameters of the electronic system. In addition the time
sequence of the RF pulses is determined by a program written in a specific language.
For data processing, the console permits the digital signal in the time domain to be transformed in the frequency
domain (the actual spectrum).
Ergänzung zu Figur 1(A), S. 7 -> in der Regel supraleitende
Magnete zum Beispiel Magnetspulen aus Niob/Tantal-Draht -> Kühlung notwendig damit supraleitend
NMR-01 – Eine kurze Einführung
9
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Die chemische Verschiebung - 1
Die Messfrequenz ν einer Kernsorte, hier: 1H (Protonen), hängt bei einem isolierten Kern ausschließlich vom äußeren Magnetfeld (B0) und seinem magnetogyrischen Verhältnis γ, einer Naturkonstanten, ab (Larmor-Beziehung; Grundgleichung der NMR):
ν(1H) = γ(1H) · B0
Dennoch haben nicht alle Wasserstoffatome in realen Molekülen exakt die gleiche Resonanzfrequenz, weil außerdem auch die umgebenden Elektronen
einen Einfluss auf ν(1H) haben (chemische Umgebung). Die umgebenden
Elektronen können lokale Magnetfelder erzeugen und damit B0 am Ort des
Kerns verändern (Abschirmung):
Beffektiv = B0 - σ B0 = B0 (1 - σ)
Die Abschirmungskonstante σ ist zwar gering (10-3 bis 10-6 Hz), reicht aber aus,
um einen Resonanzbereich aufzuspannen, innerhalb dessen die 1H-Signale
dispergiert, also separat dargestellt werden.
1
H-NMR-Spektroskopie
1
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Es ist technisch schwierig, absolute Resonanzfrequenzen/ Abschirmungskonstanten σ zu messen. Dies ist zudem nicht leicht reproduzierbar und muss für
Messungen bei unterschiedlichem B0 nachträglich umgerechnet werden.
Daher bezieht man Angaben zur Signalposition (νS) innerhalb des Messbereiches auf einen internen Standard, das Signal einer universell verwendeten
Standard- oder Referenzsubstanz (νref), und gibt nur die relativen Abstände
dazu an: νS - νref. Der übliche Standard in der 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie
ist Tetramethylsilan (TMS, Si(CH3)4) (alternativ: T-abh. H20 shift, für hetero
relativ zu 1H basierend auf γ-Verhältnis)
Immer noch unpraktisch, da νS direkt proportional zu B0 ist, also vom Typ des
verwendeten Spektrometer-Magneten abhängig ist. Dieses Problem eliminiert
man, indem man die Frequenzdifferenz durch die Larmorfrequenz der
Referenzsubstanz, νref, teilt, wodurch man die chemische Verschiebung δ,
erhält:
(νS - νref [in Hz]) / νref [in Hz] x 106 = (νS - νref [in Hz]) / νref [in MHz] = δ (in ppm)
1
H-NMR-Spektroskopie
2
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Der Zusatz „[ppm]“ (≡ 10-6; part per million) ist im Prinzip keine Einheit, wird
aber nach den neuesten IUPAC-Empfehlungen wie eine Einheit behandelt.
Tetramethylsilan [(CH3)4Si), TMS mit δ = 0 ppm) ist eine vorteilhafte Referenzverbindung,
- weil es eine leicht flüchtige Verbindung ist, die nach der Messung wieder
einfach entfernt werden kann,
- weil es chemisch inert ist und seine chemische Verschiebung nur wenig vom
Messmedium abhängt
- und weil fast alle Signale der üblichen Substrate eine deutlich größere, also
positive chemische Verschiebung haben.
Resonanzbereiche
1
H-Kerne: ca. 10-15 ppm (meisten 1H bei –2 bis 12 ppm, 1 ppm ≡ 10-6)
13
C-Kerne ca. 250 ppm (z.b. C=O ∼170-180 ppm, CH3 ∼ -2 bis +2.
1
H-NMR-Spektroskopie
3
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Es muss also festgehalten werden:
(a) Die chemische Verschiebung δ (auf der ppm-Skala) ist unabhängig von
der Feldstärke B0 des für die Messung verwendeten Labormagneten.
(b) Die chemische Verschiebung ν (in Hz), gemessen als Frequenzabstand
vom TMS-Signal (δ = 0, ν = 0), ist jedoch abhängig von der Feldstärke
B0; sie nimmt proportional mit B0 zu.
(c) Die chemische Verschiebung eines Signals, ν in Hz, ergibt sich also aus
dem δ-Wert multipliziert mit der Messfrequenz in Hz.
Beispiel: Wurde die chemische Verschiebung eines Kerns bei einer
Messfrequenz von 400 MHz mit δ = 3,25 ppm bestimmt, so ist das Signal
3,25 × 400 Hz = 1300 Hz vom TMS-Signal entfernt. Bei 200 MHz ist der
Abstand bei gleichem δ-Wert nur 650 Hz.
Merke: Während die chemische Verschiebung ν in Hz feldstärkeabhängig
ist, sind δ-Werte in ppm feldstärkeunabhängig (und auch die
Kopplungskonstante J in Hz als substanzspezifische Größe; siehe später).
1
H-NMR-Spektroskopie
4
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Einiges zum Sprachgebrauch:
Wird ein Kern entschirmt, verschiebt sich sein NMR-Signal zu höheren Frequenzen oder paramagnetisch (im Spektrum nach links). Die veraltete
Bezeichnung, das Signal werde „tieffeldverschoben“ ist zwar immer noch
gebräuchlich, sollte aber vermieden werden.
Wird ein Kern abgeschirmt, verschiebt sich sein NMR-Signal zu kleineren
Frequenzen oder diamagnetisch (im Spektrum nach rechts). Die veraltete
Bezeichnung ist: „hochfeldverschoben“.
entschirmt
abgeschirmt
1H
zu niedrigen Frequenzen
(diamagnetisch)
verschoben
zu hohen Frequenzen
(paramagnetisch)
verschoben
10
5
0
δ (ν, E)
1
H-NMR-Spektroskopie
5
Spektroskopie in der Organischen Chemie
Merke:
Die Begriffe „Abschirmung“ und „Entschirmung“ beziehen sich immer auf
die Kerne; es handelt sich um eine physikalische Eigenschaft.
Der Begriff „Signalverschiebung“ bezieht sich immer auf die NMR-Signale
und das Spektrum; es ist das Ergebnis einer Messung.
Die Bezeichnungen „hoch-“ und „tieffeldverschoben“ sind deswegen veraltet, weil sie aus der Zeit der sog. Sweep-Spektroskopie („Continuous-Wave“)
stammen, bei der in der Tat während der Messung das magnetische Feld verändert wurde. In der heute praktisch ausschließlich verwendeten Puls-FourierTransform-(PFT)-Methode wird dagegen kein magnetisches Feld mehr variiert.
Die genannten Bezeichnungen sind daher nach dem Übergang zur PFT-Methode (während der 1970er Jahre) physikalisch sinnlos geworden, aber wegen
ihrer „Griffigkeit“ immer noch weit verbreitet.
1
H-NMR-Spektroskopie
6