Analytische Chemie III
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1 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Analytische Chemie III - Teil 3 – Fröhlich WS 2010/2011 N M R (Nuclear Magnetic Resonance) ist ein Phänomen, das beobachtet wird, wenn man Kerne gewisser Atome in ein statisches Magnetfeld platziert und diese dann zusätzlich einem zweiten, oszillierenden Magnetfeld aussetzt. Ob dieses Phänomen bei Isotopen auftritt hengt davon ab ob das jeweilige Atom einen Kernspinn besitz. Ist dies der Fall, so können sich, vereinfacht gesagt, die Kernspins dieser im homogenen Magnetfeld in bestimmte und der Anzahl nach definierte Richtungen orientieren (Quantelung des Kernspins). Die Umorientierung der Kernspins zwischen diesen Niveaus, durch Aufnahme elektromagnetischer Energie, bezeichnet man als Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance: NMR), sie verknüpft Kernspin und Magnetfeldstärke mit der Energie (E), aus der direkt die Resonanzfrequenz (ν) abgeleitet werden kann: H - Magnetfeldstärke p - Kernspin E - Energie h - Planck’sches Wirkungsquantum ν − Frequenz Die für den Chemiker interessante Information eines NMR Spektrums ist die chemische Verschiebung, die es gestattet, verschiedene Atome des gleichen Atomtyps in einem Molekülverband zu detektieren. D.h. Atome des gleichen Isotops haben mit unterschiedlicher chemischer Umgebung ebenso unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Dies ist nur möglich da die Elektronen, die die chemischen Bindungen in Molekülen bilden, Zusatzfelder erzeugen, welche Abhängigkeit von der chemischen Umgebung und Funktionalität unterschiedlich stark sind. Dieser Effekt wird Abschirmung/Entschirmung genannt. Aus diesem Grund variieren die Resonanzfrequenzen der betrachteten Kernsorte für die einzelnen Atome im Molekülverband in Abhängigkeit von deren chemischer Umgebung. Positive Auswirkungen: • Mechanismus- und Reaktivitätsbetrachtungen geläufigen induktiven und mesomeren Effekten (+I, -I, +M, -M) • Multiplizitätsanalyse und Frequenzabstand (= Kopplungskonstante J) von Liniengruppen, die durch Wechselwirkung der Kernspins benachbarter Atome (=JKopplung) entstanden sind Zusammengefasst liefert diese Methode Konstitutions-, Konfigurations- und Konformationsaussagen, was ein unverzichtbares Werkzeug in der Strukturaufklärung ist. Physikalische Grundlage: In der klassischen Mechanik ist der Drehimpuls einer Masse proportional zum Drehmoment (rotierender Kreisel). In ähnlicher Weise erzeugt ein kugelförmiger Atomkern (= Masse), dessen Kernladung und Masse, zusammengesetzt aus Beiträgen der Protonen und Neutronen, um eine Achse rotiert, unter der Voraussetzung, dass er einen Kernspin p (= Drehimpuls) aufweist, ein magnetisches Moment µ (= Drehmoment). Das Magnetische Moment µ und Kernspin p sind über γ, das gyromagnetische Verhältnis, zueinander proportional. Dieses γ ist eine Stoffkonstante, die für der 2 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner jedes NMR-aktive Isotop einen anderen Wert aufweist und letztlich, weil sie die Größe von µ festlegt, ein Maß für die Empfindlichkeit des betrachteten Kernes ist. Sie stellt aber auch einen Faktor dar, der die Resonanzfrequenzverhältnisse der einzelnen Isotope untereinander bestimmt. Es lässt sich quantenmechanisch auf Basis der Schrödinger- Gleichung zeigen, dass nur gewisse Werte für den Kernspin p erlaubt sind, dieser daher "gequantelt" ist: Die Quantelung des Kernspins p und somit des magnetischen Moments erfolgt über die Kernspinquantenzahl I. Verschiedene Isotope sind durch unterschiedliche Spinquantenzahlen charakterisiert. Es gilt allgemein: • I kann halbzahlig sein • I kann ganzzahlig sein • I kann Null sein Die Halb- oder Ganzzahligkeit der Kernspinquantenzahl I (nicht aber der absolute Zahlenwert!) kann jedoch aus der Gerad- bzw. Ungeradzahligkeit der Protonen und Neutronenanzahl (und aus den daraus resultierenden Masse- und Ordnungszahlen für ein Isotop) (Klammer weil ist nicht eindeutig) abgeleitet werden. Das magnetische Moment µ wird durch die Kernspinquantenzahl I bestimmt: Daraus ist auch ersichtlich, dass bei I = 0 (12C) auch das magnetische Moment = 0 ist und somit auch keine Resonanz auftreten kann. Das bedeutet, dass das magnetische Moment ebenso "gequantelt" ist, also sich nicht kontinuierlich, sondern nur in „erlaubte" Richtungen orientieren darf. Wird nun ein Atomkern in ein starkes, statisches Magnetfeld H0 gebracht, so erfolgt eine Präzessionsbewegung des magnetischen Moments µ um die Feldachse des Magnetfeldes H0. Vereinfachte Formel: 3 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Die Einstellungsmöglichkeiten für das magnetische Moment µz werden durch die magnetische Quantenzahl m beschrieben, die aus I wie folgt entwickelt wird: Die Anzahl der Orientierungsmöglichkeiten von µz im Magnetfeld H0 beträgt somit 2I+1. In der organischen Chemie wichtige Atome wie das Proton 1H oder das Kohlenstoffisotop 13C sind Kerne mit I=½ und weisen daher für µz mit m = +½, -½ zwei Einstellungsmöglichkeiten (= zwei Energiezustände) im angelegten Magnetfeld H0 auf. Für Deuterium mit I=1 gilt: m=-1, 0, +1. Es besteht folgender Zusammenhang zwischen der Magnetfeldstärke H0 und der Energie E: Setzt man in diese Formel für µz, dem Proportionalitätsfaktor zwischen Energie und Magnetfeldstärke, die Beziehung zwischen µz und γ ein, so ergibt sich: Für Atome wie das Proton oder das Isotop 13C mit I = ½ berechnen sich die Energien der beidenmöglichen Spinzustände wie folgt: Diese Energie muss von außen zugeführt werden, um die Resonanz des Atomkernes herbeizuführen bzw. wird von Atomkern abgegeben, wenn er von außen durch z. B. einen Puls bestrahlt worden ist und nun vom angeregten in den Grundzustand zurückkehrt. Aus dieser graphischen Darstellung kann zusammengefasst festgestellt werden: • ohne H0-Feld kann kein Kernresonanzexperiment stattfinden, weil keine energetische Aufspaltung zwischen den Spinzuständen gegeben ist. • je größer das gyromagnetische Verhältnis γ ist, desto größer ist die Empfindlichkeit des zu vermessenden Atomkernes. • steigendes H0-Feld erhöht mit größer werdendem _E die Messempfindlichkeit. Somit können geringere Substanzmengen auch unempfindlicher bzw. NMR-isotopenarmer Kerne vermessen werden. Aus diesem Grund geht der Trend zu immer stärkeren Magnetfeldern. 4 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Die NMR Frequenzskala: Die im energetisch tiefer liegenden Spinzustand befindlichen Atomkerne können durch Bestrahlung mit einer geeigneten Frequenz in den höheren Energiezustand angeregt und somit detektiert werden: Eingesetzt in die Beziehung für die Energiedifferenz ∆E gilt für die Resonanzfrequenz ν0 (Larmorgleichung): Daraus folgt: • Jedes NMR-aktive Isotop besitzt bei gegebener Feldstärke eine definierte Resonanzfrequenz. • Die Verhältnisse der Resonanzfrequenzen der Kerne zueinander werden durch das gyromagnetische Verhältnis γ festgelegt. • Praktisch gesehen liegen bei den Feldstärken der verwendeten Magnete die Resonanzfrequenzen für 1 H im Bereich von 60 - 90 MHz bei älteren Geräten mit Elektromagneten, bis zum Bereich von 200 MHz bis 600 MHz bei Kryomagneten. Analog für das 13C-Isotop bedeutet das einen Frequenzbereich von 15 – 150 MHz (wegen γ (1H) : γ (13C) = 4 : 1). Das entspricht – mit dem Rundfunkbereich verglichen – dem UKW- bis VHF-Bereich. Die Resonanzfrequenzen NMR-aktiver Isotope stellen sich zueinander wie folgt dar: Abschirmung Entschirmung: Man setzt beim NMR-Experiment jedoch nicht alleine den isolierten Atomkern dem Magnetfeld aus, sondern gesamte Atome in einem Molekül. Somit werden also auch die den Atomkern umgebenden Elektronen, die für die chemischen Bindungen in den Molekülen verantwortlich sind, dem externen, statischen Magnetfeld H0 ausgesetzt. Die Elektronen werden durch das äußere Magnetfeld H0 in eine Rotationsbewegung versetzt (Induktionseffekt). Dieser Elektronenstrom bewirkt aber seinerseits wieder ein magnetisches Feld. Die auf diese Weise entstehenden Wechselwirkungen der Bindungselektronen mit H0 verursachen kleine magnetische Zusatzfelder, die die jeweiligen Atomkerne in der 5 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Molekülstruktur gegenüber dem äußeren Feld umhüllen. Je nachdem, ob diese Zusatzfelder dem externen Feld H0 direkt am Atomkern, dem Ort, an dem die Kernresonanz stattfindet, entgegenwirken oder dieses verstärken, bezeichnet man dieses Phänomen als Abschirmung oder Entschirmung. Die Elektronendichte, die jeden Kern innerhalb eines Moleküls umgibt, variiert nun je nach Atom- und Bindungstypen in der jeweiligen Struktur. In Abhängigkeit davon ändern sich auch die durch Elektronen verursachten Zusatzfelder HZusatz und somit das jeweilig effektiv wirksame Magnetfeld Heff an den einzelnen Kernorten: dieses Phänomen wird als die chemische Verschiebung bezeichnet. Die chemische Verschiebung: Die chemische Verschiebung umfasst jenen Bereich, über den sich die Resonanzbedingung eines Kernes unter dem Einfluss von Struktureigenschaften (wie z. B. Elektronendichten, Iund M-Effekte) ausdehnt und somit die Aufnahme eines NMR-Spektrums für eine Kernsorte ermöglicht. Um also beispielsweise bei 1H-NMR-Messungen die Resonanzbedingungen (die Larmorgleichung ) für die Protonen des Moleküls zu erfüllen, müssen von "außen" größere oder kleinere Energien (bzw. höhere oder niedrigerer Frequenzen) eingebracht werden, um an den einzelnen Kernorten das für die Resonanzbedingung nötige Heff zu erreichen. Somit kann die Resonanzbedingung für durch HZusatz elektronenbeeinflusste Atomkerne in einem Molekülverband wie folgt entwickelt werden: • HZusatz wird zur Vereinfachung als Teil des H0-Feldes dargestellt und mit σ die Abschirmungskonstante eingeführt. Sie kann positiv oder negativ sein, je nach dem ob das Zusatzfeld dem Hauptfeld entgegenwirkt oder dieses verstärkt (also Abschirmung oder Entschirmung im Sinn der chemischen Verschiebung vorliegt). • Somit errechnet sich Heff durch einsetzen der obigen Beziehung: • Die "nukleare" atomspezifische Resonanzbedingung wird durch Ersatz von H0 durch Heff zur "molekularen", verschiebungsabhängigen Resonanzbedingung: (Beispiele für Chemische Verschiebung Siehe ab Seite 17) 6 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Die PPM – Skala: Der Einfluss der durch die Elektronen verursachten Zusatzfelder ist relativ gering, so dass die Abschirmungskonstanten für 1H im Bereich σ = 10-5 und für 13C im Bereich σ = 10-4 liegen. Daraus ergeben sich relativ kleine, jedoch mittels NMR-Spektroskopie eindeutig detektierbare Frequenzfenster, in denen sich die Verschiebungsinformation (= das NMRSpektrum) präsentiert. In absoluten Zahlen liegt daher die Resonanzfrequenz für das Proton bei einer Feldstärke von ca. 23500 Gauss im Bereich von 100 000 000 bis 100 001 500 Hz und für 13 C im Bereich von 25 000 000 bis 25 005 000 Hz. Diese Zahlenwerte sind einerseits unhandlich groß, andererseits wären Verschiebungswerte, die aus Messungen an NMR-Geräten unterschiedlicher Magnetfeldstärken resultieren, wegen der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von H0 nicht vergleichbar. Aus diesem Grund wurde für die chemische Verschiebung die geräteunabhängige und dimensionslose Größe δ, als deren "Einheit" sich jedoch die Bezeichnung "ppm" eingebürgert hat, eingeführt. Durch diese Formel wird mit Hilfe der Frequenz eines Standards die Verschiebung auf die Magnetfeldstärke normiert. Man erhält gleiche Verschiebungen bei verschiedenen Feldstärken. Als Standard für 13C- und 1H-Spektren, der zugleich als Referenzpunkt für 0 ppm verwendet wird, dient Tetramethylsilan (TMS). Sowohl die Protonen als auch die Kohlenstoffatome im TMS sind durch die Elektronen aus der Si-C Bindung besonders stark abgeschirmt und die Erfahrung zeigt, dass in praktisch allen organischen Verbindungen die Wasserstoff- und die Kohlenstoffatome von den Bindungselektronen der verschiedensten funktionellen Gruppen weniger abgeschirmt werden als in TMS, d.h. allesamt größere, positive ppm-Werte aufweisen. Die meisten gemessenen Substanzen sind daher entschirmter und spüren ein stärkeres Magnetfeld, die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus wird also größer, somit die detektierte Frequenz höher. Nach Konvention schreibt man die ppm-Skala von rechts nach links, somit markiert TMS am rechten Rand den Wert 0ppm, gemessene Substanzen kommen dann weiter links, je weiter links, desto entschirmter (abziehende Gruppen, Anisotropieeffekt, etc.). Berechnung von Hz aus Spektrum (wichtig für Kopplungskonstanten) Zwei H-Signale seinen um 0,15ppm unterschiedlich, die Gerätefrequenz der Protonen sei 100 MHz. Aus der zuvor angegebenen Gleichung ergibt sich: 0,15 * 100 = 10 Hz Eigenschaften von Spinsambles Das NMR-Phänomen kann, wie in der Herleitung modellhaft am Einzelkern beschrieben, jedoch beim Messen realer Proben, werden vieler Einzelspins (Spingruppen, Spinensembles) interpretieren. Platziert man eine Gruppe von Spins mit I = ½ im Magnetfeld H0, so kann sich jeder Spin in zwei Richtungen orientieren, die man häufig als +½ und -½ oder als α und β bezeichnet. 7 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Das Resonanzexperiment besteht nun darin, Spins vom tieferen Energieniveau in das höhere anzuregen und die absorbierte Energie über die zugehörige Frequenz zu messen bzw. die Frequenzemission der Spins bei der Rückkehr in den Grundzustand zu detektieren. Leider befinden sich nicht alle Spins vor der Anregung im Grundzustand, was für die Intensität des Resonanzsignals sehr günstig wäre, sondern es gilt für deren Verteilung auf Grundzustand (N-) und angeregten Zustand (N+) die Boltzmann-Statistik : Aus dieser Statistik kann die Zahl der sich im Grundzustand befindlichen Spinns errechnet werden und es stellt sich heraus dass dies nur eine sehr, sehr kleine Zahl ist. (Bsp: =>) Das NMR-Experiment lebt also von einer sehr kleinen Populationsdifferenz, die man im Verlauf der Messung behutsam behandeln muss. Verliert man durch zu starke Energiezufuhr diesen minimalen Überschuß im Grundzustand, so gibt es nichts mehr anzuregen und in der Folge kann kein Resonanzsignal detektiert werden (Sättigung des Spinsystems). Es muss daher nach der Anregung des Spinsystems darauf geachtet werden, dass vor einem neuerlichen Resonanzexperiment ausreichend lange gewartet wird, um durch Rückkehr der auf β gehobenen Spins in den Grundzustand wieder das Boltzmanngleichgewicht zu erreichen. Das dafür nötige Intervall wird als Relaxationszeit T1 bzw. longitudinale Relaxation oder Spin/Gitter-Relaxation bezeichnet Im H0-Feld platzierte Spinpakete bzw. –ensembles (z. B. vom gleichen Proton in einem Molekül stammend) lassen sich am einfachsten durch einen von den Spins generierten Magnetisierungsvektor beschreiben, dessen Größe für das betrachtete Atom proportional zu (N- - N+) ist. (Die Vektorsumme der Magnetisierungsvektoren aller Spinpakete eines Moleküles bezeichnet man als Netto-Magnetisierung oder Überschußmagnetisierung Mz.) 8 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Entsprechend der Festlegung für das NMR-Koordinatensysten ist dieser Überschußmagnetisierungvektor Mz im Zustand des Boltzmanngleichgewichtes gemeinsam mit dem H0-Feld in Richtung der z-Achse orientiert. Für die Wahl der Messparameter eines Experimentes ist es auch wichtig, die des zu messenden Isotops zu kennen. NMREmpfindlichkeit Kerne mit I = ½ sind bezüglich ihrer Resonanzfrequenzen und NMR-Spektren einfacher interpretierbar, da sie mit –½ und +½ nur Grund- und angeregten Zustand aufweisen, höherzahlige Spins weisen wesentlich komplexere Besetzungsschemata auf. Angenehmerweise besitzen die wichtigen NMR-Kerne wie 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si und 31P einen Spin von I = ½ Gerätetechniken: CW Aufnahmetechnik: Die ersten NMR-Geräte für den Einsatz in der Strukturaufklärung arbeiteten nach dem CW (=Continuous Wave)-Verfahren . (veraltete Technik, nicht mehr oft verwendet) Ähnlich wie beim suchen eines Radiosenders wird die Probe mittels einer sich ändernden Frequenz gescannt (frequency sweep) und an jenen Positionen, an denen Resonanz mit der chemischen Verschiebung eines Atomkernes auftritt (= ein Radiosender gefunden wird), wird ein Signal detektiert und in aufgezeichnet. Nachteile: • Geringe Empfindlichkeit • Großer Zeitbedarf (eine Messung: 5 – 20 min) • Kein gutes S/N Verhältnis Auch die computerunterstützte Addition von einzelnen, abgespeicherten Durchgängen zu Verbesserung des Signal/Rausch(S/N)-Verhältnisses war nicht praktikabel da sich das S/N-Verhältnis erst mit dem Quadrat der Zahl an Durchgängen verdoppelt. Des weiteren kommt es bei Sweep-Zeiten von durchschnittlich 10 Minuten pro Durchgang zu ein kontinuierlicher Felddrift, da das da das Magnetfeld über solch lange Zeiträume nicht ausreichend stabil bleibt. Dies führt in der Folge auch zu einem „Wandern" des spektroskopischen Fensters und die für S/NVerbesserung notwendiges punktgenaue Addition der einzelnen Spuren („Signal auf Signal") wird unmöglich. 9 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner FT – NMR Grundlagen FT-NMR-Spektroskopie kann am besten mit einem Schlag (= Puls) auf ein Glockenspiel (= Atome eines Moleküls) verglichen werden beidem alle Glocken (= Atome) gleichzeitig angeregt werden. Der entstehende, exponentiell leiser werdende Klang (= Relaxationszeit), der ein Interferenzsignal der einzelnen Glockenklänge ist, liefert ein Zeit/IntensitätsDiagramm (FID= Frequency Induced Decay). Durch Fourier-Transformation wird aus dem FID ein Frequenz/Intensitäts- Diagramm (das NMR-Spektrum) erhalten, vergleichbar damit, dass man aus dem gemeinsamen Glockenklang ermittelt, welche individuellen Klänge ( = Frequenzen der Atome, = chemische Verschiebungen) den einzelnen Glocken (Atomen des Moleküls) zuzuordnen sind. Die Detektion der NMR-Resonanzen des Moleküls läuft im Gegensatz zur CWSpektroskopie nicht kontinuierlich ab, sondern es werden alle Spins gemeinsam angeregt: Dies erfolgt durch Bestrahlung der Probe mit einem sehr kurzen Hochfrequenzpuls (µsBereich), dessen Frequenz genau in das spektroskopische Fenster des Bereiches der chemischen Verschiebungen des zu messenden NMR Isotops trifft. FT – NMR Aufnahmetechnik Durch Abstrahlen des Pulses von der Sendespule auf die Probe, die sich gemeinsam mit der Empfängerspule im sogenannten Probenkopf befindet, induziert das Antwortsignal eine analoge Spannung an der Empfängerspule, genannt FID (Free Induction Decay): Hierbei handelt es sich um ein Interferogramm, das aus den überlagerten Resonanzfrequenzen der in den Grundzustand zurückkehrenden Kernspins gebildet wird. Die Länge des abgestrahlten Pulses entscheidet über die spektrale Bandbreite, die durch den Puls angeregt wird (Unschärferelation). Der FID wird durch eine exponentielle Funktion gedämpft: das Signal wird schwächer, da die angeregten Spins wieder in das Boltzmann-Gleichgewicht zurückkehren – dieser Vorgang wird als Relaxation bezeichnet. ACHTUNG: Wenn man vor dem neuerlichen Senden eines Pulses die Wiederherstellung der Boltzmannverteilung nicht abwartet, besteht die Gefahr der Sättigung des Spinsystems (Mz = 0), dann ist keine Anregung und somit keine weitere Signalakkumulation mehr möglich. Das jeweils an der Empfangsspule gesammelte Signal (= Akquisition) wird nach AnalogDigital- Konversion (ADC) und gegebenenfalls einer Akkumulierung (Aufnahme und Addition vieler Scans) zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses der weiteren Verarbeitung zugeführt. Die wichtigste Nachbearbeitung ist die Fourier-Transformation (FT), die das Zeit-Intensitäts-Signal in eine Frequenz- Intensitäts-Beziehung - das NMR-Spektrum - überführt. Bei neueren NMR-Maschinen erfolgen Frequenzerzeugung und –bearbeitung ab dem ADCSchritt digital, wodurch Störungseinflüsse von außen zum größten Teil verhindert werden können. Der Vorteil der FT-NMR-Methode besteht darin, dass • mit einem Anregungspuls gleichzeitig an allen Spinübergängen des betreffenden NMR-Isotops Kernresonanz herbeigeführt wird, 10 AC III – Teil 4 Fröhlich • • • • Martin Prießner in einem nur wenige Sekunden dauernden Antwortsignal, dem FID, die gesamte spektroskopische Information des Moleküls als Zeit/Intensitätsbild komprimiert vorhanden ist, wegen der kurzen Aufnahmezeit für ein Spektrum und der Stabilität der Kryomagnete die Akkumulierung vieler Tausend Scans innerhalb weniger Stunden und ohne Störungen möglich ist, was zu Spektren mit exzellentem Signal/Rausch-Verhältnis führt und die Vermessung unempfindlicher Kerne problemlos ermöglicht, der FID zur Signalverbesserung und zum Herausarbeiten gewünschter spektroskopischer Information noch vor der Fourier-Transformation mit geeigneten mathematischen Funktionen bearbeitet werden kann. durch Einsatz wesentlich komplexerer Mehrpulsprogramme weitere Entwicklungen wie die 2DNMR- Spektroskopie oder bildgebende Techniken wie das Magnetic Resonance Imaging (MRI) ermöglicht wurden. Elektromagnet- und Kyromagnetsysteme Elektromagnetsysteme sind zumeist in CW-Spektrometern vorhanden. Vor der Zeit der supraleitenden Systeme waren sie die einzige Quelle zur Erzeugung starker Magnetfelder im TeslaBereich, wie man sie für die Kernresonanzspektroskopie benötigt, um vernünftige Empfindlichkeiten zu erzielen. Das NMR-Messröhrchen (aus Glas, meist 5 mm Durchmesser, ca. 15 cm lang; Höhe des Messvolumes an gelöster Probe ca. 3cm) befindet sich zwischen den Polschuhen. Die Magnetfeldlinien des H0-Feldes (z-Achse) laufen quer durch das Röhrchen. Folgende Nachteile erforderten die Abkehr von diesen Systemen: • großes Gewicht im Tonnenbereich setzen oftmals spezielle Baulichkeiten voraus, • zur Abführung der Wärmeentwicklung ist dauernde Wasserkühlung nötig, • der Stromverbrauch ist enorm hoch und • mit ca. 100 MHz Resonanzfrequenz bezogen auf 1H ist die Grenze für die erzielbaren H0- Felder • sehr früh erreicht. Kryomagnete sind in Spulenform gewickelt. Der dafür verwendete Draht ist aus supraleitenden seltenen-Erde-Legierungen gefertigt (bspw. Nb-Zr). Da die Supraleitung jedoch nur bei sehr tiefen Temperaturen stattfindet, muss sich die Spule immer in vollem Umfang in flüssigem Helium befinden. Als Magnetbehälter dienen daher große, hochevakuierte Doppelmantel-Dewargefäße (ca. 10-7 Torr), um die Verdampfungsverluste möglichst gering zu halten. Im inneren Dewar, gefüllt mit flüssigem Helium, befindet sich die Magnetspule. Der äußere, den Heliumbereich 11 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner umschließende Dewar enthält billigeren, flüssigen Stickstoff, um den Kryobereich möglichst gut zu isolieren. Bei der Installation solch eines Systems muss der Magnet erst einmal "geladen" werden: Die Vakuumkammern werden evakuiert und das System wird stufenweise mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium auf die Sprungtemperatur für Supraleitung gebracht. Dann wird mit einem Ladegerät die Spule auf die nötige Stromstärke geladen und somit das Magnetfeld hochgefahren. Nach dem Abhängen des Ladegerätes bleibt die Spule wie ein Permanentmagnet auf Feld. Verliert der Magnet – sei es durch Heliumverlust oder auch durch andere Störungen wie starke Erschütterung – auch nur partiell die Supraleitung, so entsteht eine Störstelle für die Supraleitung in der Magnetwicklung. An dem sich dadurch bildenden elektrischen Widerstand entlädt sich innerhalb sehr kurzer Zeit der gesamte fließende Strom. Dies ist mit enormer Wärmeentwicklung verbunden, die Flüssiggase verdampfen in kürzester Zeit und die Feldstärke geht verloren („Quench" eines Magneten). Die hohen Kräfte und Belastungen während eines Quenchs können schwere Schäden am Magnetsystem herbeiführen. Das NMR-Röhrchen befindet sich bei Messungen mit einem Kryomagneten im inneren, zylindrischen Volumen der Spule. Anders als beim Elektromagneten verlaufen die Magnetfeldlinien des H0-Feldes (z-Achse) längs durch das Röhrchen. Vorteile von Kryomagneten: • • • • • leichte Bauweise keine Wasserkühlung nötig einmal auf Feld gebracht, wird kein Strom mehr verbraucht große Stabilität hohe Feldstärken sind erreichbar: bis 900 MHz Resonanzfrequenz bezogen auf 1H (2005) Entwicklung der chemischen Verschiebung Nach der Aufnahme, Digitalisierung und Akkumulierung der Daten liegt der FID als ein Satz von Datenpunkten vor. Diese Funktion aus Zeit und Intensität wird durch die Fouriertransformation in eine Frequenz/Intensitäts-Beziehung, das NMR-Spektrum, übergeführt. Dieser Vorgang soll an einem einfachen Beispiel veranschaulicht werden: Wenn bspw. das Protonenspektrum von CHCl3 vermessen wird, so ist für das einzige Wasserstoffatom ein Signal bei dessen chemischer Verschiebung zu erwarten. Die in das H0-Feld gebrachten Chloroform-Moleküle richten ihr magnetisches Moment der chemischen Verschiebung gehorchend in einer Präzessionsbewegung um das externe Magnetfeld aus. Entsprechend der Boltzmannstatistik resultiert daraus eine durch das H-Atom-Ensemble des CHCl3 verursachte Überschußmagnetisierung MZ, ebenfalls in Richtung H0 gerichtet. Diese Magnetisierung ist mit der chemischen Verschiebung der Chloroform-Protonen markiert (siehe Abbildung unten, (a) ). Beim Start des NMR-Experimentes wird ein kurzer Hochfrequenz-Puls entlang der x-Achse, also normal zum H0-Feld angelegt. Dessen Energie verursacht eine Auslenkung von MZ aus der z-Achse in die x,y- Ebene: da elektromagnetische Strahlung ein Magnetfeld induziert - E und H stehen ja miteinander in Beziehung - kann man die Pulsenergie entlang der xAchse auch als kurzfristigen Verursacher eines magnetischen Konkurrenzfeldes HPuls normal zum H0 -Feld betrachten, dem nun Mz für die Dauer des Pulses in einer Präzessionsbewegung folgt (Abbildung (b) ). In der x,y-Ebene beginnt nun die Magnetisierung (jetzt als MX,Y vorliegend), die ja mit der Resonanzfrequenz der Chloroform-Protonen markiert ist, mit der Frequenz der chemischen 12 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Verschiebung zu rotieren. Die Empfängerspule ist in diesem orthogonalen System an der yAchse platziert und "sieht" nun MX,Y mit der Kreisfrequenz der Chloroform-Verschiebung "vorbeirotieren" (Abbildung (c) ). Dadurch wird im Empfänger eine sinus-förmige Spannung induziert, die als FID (Frequency Induced Decay) bezeichnet wird. Am Beispiel des Chloroform- Wasserstoffs weist die Sinuskurve die Frequenz dessen chemischer Verschiebung auf, gedämpft durch eine Exponentialfunktion, weil die nun aus dem Boltzmanngleichgewicht ausgelenkte Überschußmagnetisierung wieder nach MZ zurückkehrt (= relaxiert). Bei komplexeren Molekülen ist der FID ein Überlagerung aus vielen Sinus- und CosinusFrequenzen, weil ja jeder Atomkern nach dem Puls aus Mz (in dem die magnetischen Momente aller Atome der Struktur überlagert sind) in der x,y-Ebene seine chemischen Verschiebung als Kreisfrequenz entwickelt. Die Fourietransformation Auf den Punkt gebracht ist die Fouriertransformation die Konversion eines zeitabhängigen Signals in ein frequenzabhängiges Spektrum. Da bei der Fouriertransformation die Zeit- in die Frequenzdomäne übergeführt wird und t = 1/ν gilt, spricht man auch von einer reziproken Transformation. Durch Umformung der e-x-Funktion in einen sin/cosTerm erhält man einen realen und einen imaginären Signalteil: Das erhaltene Spektrum entspricht dem Realteil nach der Transformation, d.h. das Spektrum besteht aus digitaler Sicht nur aus der Hälfte an Datenpunkten des ursprünglichen FID. Der Imaginärteil wird nicht dargestellt, aber zur Phasenkorrektur des Spektrums benötigt. Ein weiterer Vorteil der FT-NMR-Spektroskopie besteht darin, dass der FID vor der 13 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Fouriertransformation mit geeigneten Funktionen mathematisch behandelt werden kann, um z.B. das Signal/Rausch-Verhältnis oder die Auflösung (=getrennte Darstellung naher Signale) zu verbessern. Eine fallende Exponentialfunktion beispielsweise dämpft die späteren FID-Anteile, die überwiegend Rauschen enthalten, verstärkt aber die "signalreiche" vordere FID-Sektion: somit wird das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert. Der Einfluss der exp-Funktion auf die Linienbreite wird verdeutlicht, wenn man die FT der exp-Funktion separat betrachtet. Die Fourier-Transformierte einer Exponentialfunktion ist eine Lorentzfunktion: Steil fallend – breite Lorentzfunktion Langsam fallend – schmale Lorenzfunktion Ein Nachteil: nach der Fouriertransformation muss man mit etwas schlechteren Linienbreiten der Signale im NMR Spektrum rechnen (+dafür Empfindlichkeitsgewinn) Die Behandlung des FID mit einer Gauß-Funktion hingegen wird zur Verbesserung der Auflösung eng beisammenliegender Signale verwendet. Die Gauß-Kurve wird zu dessen Verstärkung über den zeitlich späteren Teil des FID gelegt: Signale, die nur durch einen kleinen Frequenzunterschied getrennt sind, beginnen im FID erst nach vielen Wellenzügen mit einem detektierbaren Gangunterschied auseinanderzulaufen, die Gaußrechnung führt diese Information über die Präsenz unterschiedlicher Frequenzen (= NMR-Resonanzen) der Fouriertransformation zu. Die geringere Breite einer Gaußfunktion an der Basis gegenüber einer vergleichbaren Lorentzfunktion steuert einen zusätzlichen, positiven Beitrag zur verbesserten Darstellung getrennter Signale bei. NMR-Spektrum NMR-Spektren werden innerhalb einer von rechts nach links ansteigenden ppm-Skala dargestellt. Im Falle der in der Strukturaufklärung besonders wichtigen 1H- und 13CSpektren markiert die chemische Verschiebung von TMS (Tetramethylsilan) den 0 ppm-Punkt. Das Aussehen und die Nomenklatur einer Aufnahme wird in der folgenden Abbildung anhand des einfachen 1H-NMR-Spektrums von Essigsäurebenzylester diskutiert. Qualitative Auswertung Betreffend die Korrelation zwischen der chemischen Verschiebung und elektronischer und chemischer Umgebung der betrachteten Atomkerne gilt vereinfacht: • je mehr elektronenabziehende Funktionalitäten mit –I und/oder –M - Eigenschaften einen betrachteten Atomkern umgeben, desto weiter wandert die Resonanzfrequenz in Richtung Tieffeld (= Entschirmung/links): wegen der unterstützenden Wechselwirkung des Elektronenfeldes mit dem H0-Feld muss für die Kernresonanz von „außen" weniger Energie zugeführt werden 14 AC III – Teil 4 Fröhlich • Martin Prießner je mehr +I und/oder +M – Einflüssen der Kern ausgesetzt ist, desto kleinere ppmWerte (bei höherem, abgeschirmtem Feld) sind zu erwarten: das Elektronenverursachte Zusatzfeld wirkt dem H0-Feld entgegen, mehr Energie muss von „außen" zugeführt werden, um die Resonanzbedingung am Kernort zu erfüllen. Bezogen auf den Essigsäurebenzylester erklärt dies, dass die CH2-Gruppe (2 abziehende Gruppen in der Nachbarschaft, davon ein elektronegatives Sauerstoffatom direkt gebunden) mit 5 ppm wesentlich entschirmter ist als die CH3-Gruppe bei 2 ppm mit lediglich der Carbonylgruppe als Substituent (in der der elektronegative Sauerstoff nicht direkt am beobachteten Zentrum gebunden ist). Anisotropieeinflüsse von funktionellen Gruppen (räumlich verschieden orientierte Ab- bzw. Entschirmungsvektoren) können diese Effekte in die eine oder die andere Richtung beeinflussen. Quantitative Auswertung Eine weitere Größe, die aus einem NMR-Spektrum abgelesen werden kann, ist das Integral über die Peakflächen. In der Protonenresonanz sind diese Integralwerte proportional zur Anzahl der Wasserstoffatome, die den jeweiligen Signalen zugeordnet werden können. Im NMR-Spektrum des Essigsäurebenzylesters gibt das Stufenintegral daher mit 52 mm : 21 mm : 32 mm die 5 aromatischen Wasserstoffe, die 2 CH2- und die 3 CH3-Protonen wider. • Anzumerken ist, dass die Information aus dem Integral nur dann für die Bestimmung der relativen Atomverhältnisse verwertbar ist, wenn im Beobachtungszeitraum (= Akquisitionszeit ) alle Atome diese Information im gleichen Ausmaß abgeben: das gilt eben nur für die ähnlich und relativ schnell relaxierenden Protonen. Im Fall der 13 C-Kerne, die zum Teil sehr langsam und vor allem unterschiedlich schnell relaxieren, kann das Integral ohne spezielle Parametrisierung der Messsequenz nicht zur direkten quantitativen Auswertung herangezogen werden J-Kopplungen: Kerne, die zu anderen NMR-aktiven Atomen (I <> 0) benachbart sind, "spüren" durch Transport über die Bindungselektronen deren Kernspin-Einstellmöglichkeiten. Das führt zu einer Signalaufspaltung, deren Multiplizität durch Anzahl N und Kernspin I der Nachbaratome bestimmt wird: Für Protonen mit I = ½ vereinfacht sich die Beziehung zu: N müssen magnetisch gleichwertige Nachbarn sein. Wird das betrachtete Atom von verschiedenen, nicht gleichwertigen Atomen oder Atomgruppen umgeben, so gilt - wiederum allgemein – folgende Produktfunktion: Beispiel: Ph-CH2-CH2-CH2-Br, Multiplizität des mittleren CH2: (2+1)*(2+1) = 9 Beispiel: d6-DMSO 15 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Verschiebung: ca. 35ppm+/-10ppm Im 13C-Spektrum treten keine Kopplungen mit anderen 13C Kernen auf, da die Wahrscheinlichkeit, dass zwei 13C-Kerne nebeneinander liegen sehr gering ist. (Satellitensignale) Es treten aber Kopplungen mit D auf. Allgemein gilt für Kopplungen mit Kernen mit der Kernspinquantenzahl : ℎ = 2 + 1 … ℎ ℎ D hat ein von 1, somit ergeben sich 7 Linien, ein Septett. Allgemein gilt für Kopplungen mit Kernen mit der Kernspinquantenzahl : ℎ. = 2 + 12 + 1, … ℎ ℎ. ℎ I für 19F: ½ I für D: 1 Keine Kopplung mit 13C, da zu selten. (2*2*1/2 +1)(2*1*1+1) = 9 Man erhält also 9 Linien die sich wie folgt aufspalten: Die Kopplung mit D gäbe 3 Siguletts. Die doppelte Kopplung mit F gäbe ein Triplett. In Summe spaltet das Signal also in 3 Tripletts auf (jedes der 3 Singuletts in ein Triplett, bzw. das Triplett verdreifacht sich, je nach Betrachtungsweise). In Abhängigkeit von den verschiedenen Kopplungskonstanten ergibt sich dann eine gewisse Verschiebung und eventuelle Überlagerung etc. Da nicht alle Hs vollständig deuteriert sein können, treten auch Restsignale im ProtonenSpektrum auf. Das einzelne Proton koppelt mit den benachbarten 2 D zu einem Quintett (2*2*1+1). Multipizitäts- und Intensitätsregeln sind nur streng gültig für Spektren 1. Ordnung. Diese Art von Kopplung, die über die chemische Bindung transportiert wird, bezeichnet man als Spin- Spin-Kopplung, skalare Kopplung oder J-Kopplung. Der Wert der Kopplungskonstanten J wird in Hertz angegeben, die allgemeine Nomenklatur lautet: Beispiele: 3JHH ist eine Kopplung zwischen Protonen über 3 Bindungen entsprechend z.B. folgendem Strukturfragment: H-C-C-H, auch als vicinale Kopplung bezeichnet; 2JHH entspricht einem H-C-H- Fragment, auch als geminale Kopplung bezeichnet: Beides sind Beispiele für HOMO-Kopplungen (zwischen Kernen gleicher Sorte) 4JCF ist eine Kopplung zwischen 13 C und 19F über 4 Bindungen, z.B: C-C-C-F Fragment; dies ist ein Beispiel für eine HETERO-Kopplung; Kopplungen die über mehr als 3 Bindungen Reichen, werden Häufig als longe-range-Kopplungen bezeichnet. Es gilt: • J wird mit der Anzahl der Bindungen, die die Kopplungspartner trennt, kleiner. 16 AC III – Teil 4 Fröhlich • • • • • Martin Prießner J wird durch elektronische Einflüsse funktioneller Gruppen (I-, M-Effekte) und durch den Bindungstyp (σ, π) beeinflusst. J wird durch den Diederwinkel/Bindungswinkel der Kopplungspartner zueinander beeinflusst. (Karplus Beziehung). J wird nicht durch H0 beeinflusst (Kopplungskonstante!). miteinander in Kopplung stehende Kerne können über die gleich große Kopplungskonstante, die, die gegenseitige Signalaufspaltung verursacht, leicht identifiziert werden. aus der Multiplizität der Signale kann auf die Anzahl der benachbarten Kopplungspartner geschlossen werden (wie aus den Gleichungen oben ersichtlich ist). Kopplungen zwischen gleichen Kernspins werden als homonukleare Kopplungen, solche zwischen verschiedenen NMR-aktiven Isotopen als heteronukleare Kopplungen bezeichnet. Bei Spektren erster Ordnung gehorchen die Intensitäten der Multiplettlinien dem Pascal’schen Zahlendreieck: Singulett (1), Dublett (1 : 1), Triplett (1 : 2 : 1), Quartett (1 : 3 : 3 : 1). 17 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Die folgenden Computersimulationen stellen Spektren einer fiktiven Verbindung mit den Protonen A, B und C dar; ein Strukturelement dieser Art könnte beispielsweise durch 3 Protonen an einer Vinylgruppe, die mit einem protonenfreien Rest R substituiert ist, gegeben sein. Aus folgenden Ausgangsdaten werden 1H-NMR-Spektren bei verschiedenen Magnetfeldstärken („Gerätefrequenzen") simuliert: Simulierte Geräte: 50 MHz (60 MHz - Geräte waren bis in die 80-iger Jahre als Routinegeräte im Einsatz) 100 MHz, 200 MHz bzw. 400 MHz (gegenwärtige Routinespektrometer) 600 MHz („High-end"-Spektrometer) Die Frequenzen der Kerne, die in die Simulation eingehen, ergeben sich aus den vorgegebenen ppm- Werten, die wegen der Normierung auf die "Gerätefrequenz" vom Spektrometer unabhängig sind, aus folgender Formel: Resonanzfrequenzen des ABC-Systems bei variierenden Magnetfeldstärken Die Werte für das jeweilige v ergibt sich aus der Multiplikation des ppm Wertes mit der gemessenen Frequenz. Wichtig zu beachten ist, dass bekannterweise J-Kopplungen Konstanten (daher auch als "Kopplungskonstanten" bezeichnet) sind, die unabhängig gegenüber der Messfrequenz sind. Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum Messungen bei höheren Frequenzen (neben gesteigerter Empfindlichkeit) auch Vorteile bei der Interpretation der Multipletts von Spinsystemen mit sich bringen. Anhand der Simulationsergebnisse kann gezeigt werden, warum man in der NMR-Analytik (gerade bei immer komplexer werdenden Strukturen aus dem Proteinbereich) zu höheren Feldstärken (und damit größeren Messfrequenzen) tendiert: Die invarianten Kopplungskonstanten erscheinen mit steigenden Feldstärken immer „kleiner" im Vergleich zu den in Hertz größer werdenden Differenzen der chemischen Verschiebungen. Dadurch vereinfachen sich überlappende, schwer interpretierbare Spinsysteme höherer Ordnung und 18 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner entflechten sich zu übersichtlichen Teilspinsystemen (oftmals 1. Ordnung/1st Order), die den zugehörigen Protonen wesentlich leichter zuordenbar sind. Dieser Effekt kann optisch anhand der Simulation des A,B,C-Spinsystems bei verschiedenen Gerätefrequenzen beeindruckend gezeigt werden. Die Ordnung eines Spektrums beschreibt grob gesagt die Komplexität der Signalsysteme. Je mehr sich die Signalgruppen der einzelnen vermessenen Kerne überlagern und/oder Abweichungen von den Intensitäten entsprechend dem "Pascal'schen" Dreieck auftreten bzw. die Linienanzahl nicht 2nI+1 entspricht, desto höher ist die Ordnung des Spektrums. "Erste Ordnung" ist dann gegeben, wenn die Resonanzfrequenzdifferenzen in Hz zwischen betrachteten Protonen (in unserem Fall A, B und C) möglichst groß (ab einem Faktor > ca. 10) im Vergleich zu den J-Kopplungskonstanten zwischen den Kernen sind. Solche Systeme werden auch AX Systeme genannt, wobei das X über die weite "Entfernung" vom A im Alphabet den großen Resonanzfrequenzunterschied der beiden Kerne (HA und HX) anzeigt. Dies gilt im vorliegenden Beispiel für Proton A und B (siehe Tabelle "Resonanzfrequenzen des ABC-Systems bei variierenden Magnetfeldstärken"): • bei 600 MHz Resonanzfrequenz ist mit ∆ (Hz) = 120 und mit JAB = 15 Hz diese Vorgabe erfüllt. • bei den Messfrequenzen 50 MHz und 100 MHz ist diese Bedingung mit _(Hz) = 10 bzw. 20 und mit JAB = 15 Hz bei weitem nicht erfüllt. Ähnliches gilt für die anderen Protonen dieses Strukturelementes. Im 1st-Order-Fall (AX-Fall) liefert beispielsweise die Kopplung eines Protons zu einem benachbarten Wasserstoffatom als Signal ein Dublett mit der Aufspaltung J (in Hz), wobei die chemische Verschiebung des Kernes das arithmetische Mittel aus den ppm-Werten der beiden Linien des Dubletts darstellt (siehe δA in folgender Abbildung S.16). Wegen der relativ großen ∆[δ]/J-Verhältnisse liegen die Signalgruppen voneinander separiert (siehe dazu das Gesamspektrum bei 600 MHz im Vergleich zu 50 MHz, 100 MHz ): • zusammenhängende Spinsysteme können leicht erkannt werden 19 AC III – Teil 4 Fröhlich • • • Martin Prießner die Ableitung von Strukturelementen ist direkt aus den Multiplizitäten möglich. die Intensitäten gehorchen näherungsweise (bis auf sogenannte "Dacheffekte" zwischen koppelnden Signalgruppen) der Pascal´schen Verteilung (siehe Kapitel "Die J-Kopplung") die Linienanzahl der Kopplungsmuster folgt der (2nI+1)-Formel. Spektren höherer Ordnung (AB-Fall) (z.B. bei niederen Feldstärken gemessen) führen aus mehreren Gründen zu komplexeren, unübersichtlicheren und somit schwierig interpretierbaren Spektren (das B symbolisiert die Nähe der Veschiebungen der betrachteten Kerne): • die Aufspaltung der Verschiebungen durch die J-Kopplung erfolgt, wie bei der Auswertung gezeigt, unsymmetrisch - die Verschiebungspositionen der einzelnen Kerne können nicht durch das arithmetische Mittel aus der Position der Multiplettlinien beschrieben werden. • Überlappungen und teilweises Zusammenfallen von Linien wegen ähnlicher _[d]/JVerhältnisse (z.B.: 100 MHz-Spektrum des ABC-Systems). • zusätzlich erlangen bei tieferen Feldstärken andere als die (2nI+1)-EnergieÜbergänge an Bedeutung, das Erkennen von zusammengehörigen Kopplungsmustern wird dadurch weiter erschwert (z.B.: 50 MHz-Spektrum des ABCSystems). Während die chemische Verschiebung der Protonen im AX-Fall bei 600 MHz einfach aus dem Mittelwert der beiden ppm-Werte der Linien f3 und f4 (z.B. für den Kern A) ermittelt werden kann, muss beim Vorliegen eines AB-System, wo keine symmetrische Aufspaltung gegeben ist, der Verschiebungswert wie folgt berechnet werden: Für obigen AB-Fall bedeutet das mit f1=6.30 ppm, f2=6.15 ppm, f3=6.05 ppm und f4 = 5.90 ppm und somit Z=6.10 ppm ein δA = 6.00 ppm (w.z.b.w). Außerdem gilt für die Intensitäten I der Linien in einem AB-System (dadurch können bei überlappenden Spinsystemen zusammengehörige Liniengruppen leichter erkannt werden): 20 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner An diesen Expansionen wird die Symmetrie des Aufspaltungsmusters im Falle erster Ordnung bei 600 MHz den unsymmetrischen Subspektren im Falle immer niedrigerer Messfrequenzen gegenübergestellt. Man sieht auch, dass das Spinsystem - als Dublett eines Dubletts (auch dublettisches Dublett) - bis zu 200 MHz visuell leicht als zusammengehörig erfasst werden kann, was die Interpretation von Spektren sehr erleichtert. Bei tieferen Messfrequenzen jedoch wird das Erkennen von zusammenhängenden Multiplettmustern und daraus das Ableiten von Strukturelementen (siehe auch die simulierten Gesamtspektren) schon sehr schwierig bis unmöglich (bei 50 MHz sind die Hz-Werte der Kopplungskonstanten teils schon größer als die ∆[δ]-Werte der chemischen Verschiebungen!). Abhängigkeit der chemischen Verschiebung: • Hybridisierung: Typische Verschiebungsbereich von Protonen: aliphatische 0 -4 Olefine 4-8, Aromaten noch höher. Für C13: aliphatische 0-100, Olefine 120-220 (zu diesem Bereich gehörten auch die Aromaten dazu.) SP ist zwischen sp3 und sp2. Diese Tatsache hängt mit der Alkinelektronik zusammen. Alkine besitzen aufgrund ihrer reifachbindung eine Elektronenwolke um das Molekül was bedeutet, dass die Hs an den Enden eher abgeschirmt werden. (Zusätzlich beeinflusst der Anisotropie-Effekt die Abschirmung.) • Anisotropie-Effekt: Funktionelle Gruppen bilden räumlich verschieden orientierte Ab- bzw. Entschirmungsvektoren. Diese Hoch- (Abschirmung) bzw. Tieffelder(Entschirmung) beeinflussen das resultierende Magnetfeld, haben also einen Einfluss auf die chemische Verschiebung. Durch Betrachtung dieser Anisotropieeinflüsse (magnetisch anisotrop = unterschiedliche lokale Magnetfelder im Raum) können wir erklären, warum bestimmte funktionelle Gruppen bei bestimmten ppm-Werten detektiert werden. Neben der Anisotropie beeinflussen auch Mesomerie, Elektronegativität, sterische Einflüsse, H-Brücken, Lösungsmittel, Konzentration und Temperatur die chemische Verschiebung. Man kann grundsätzlich eine Abnahme der Elektronendichte (also zunehmende Entschirmung zunehmende ppm-Werte) in der Reihenfolge: Alkane, Alkine, Alkene, Aromaten feststellen. Durch einen Anisotropiekegel kann das lokale Magnetfeld anschaulich dargestellt werden (+Abschirmung, -Entschirmung). 21 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Bei Aromaten tritt der Ringstromeffekt auf, welcher ebenfalls ein magnetische Anisotropieeffekt ist. • Elektronendichte: • Bei diesem Beispiel ist leicht zu erkennen, dass die Elektronendichte beim zentralen Kohlenstoffatom mit der zunehmenden Anzahl an OH Gruppen (durch den Elektronenzug vom O) verringert wird und dadurch eine Abschirmung stattfindet. Elektonische Effekte: In dieser Tabelle ist die Auswirkungen von Elektronenziehenden Gruppen oder Elementen auf eine Kohlenstoffkette dargestellt. 22 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Durch den Mesomerieeffekt kommt es zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Ladung was sich auf die ppm Werte dementsprechend auswirkt. (+M – Abschirmung, -M Entschirmung) Aromaten werden Stärker entschirmt als Aliphaten. Durch das Einbauen von Methylgruppe verliert die Verbindung seine Koplanarität (der Bindungswinkel ändert sich) wodurch sich ebenfalls die ppm Werte verändern. Ein normales Aldehyd – H würde bei 10ppm sichtbar sein. Aufgrund eines +M Effekts des Stickstoffs kommt es jedoch zu einer Abschirmung und das H erscheint bei 8ppm. Warum besitzen die beiden Methylgruppen unterschiedliche Signale? Die Erklärung dafür ist wieder im Anisotropen kegel der vom O ausgeht zu suchen. Die beiden Methylgruppen werden zu langsam gedreht (Wegen Mesomerer Doppelbindung – Rotationsbarriere) 23 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner und daher ist das c. Kohlenstoff-Atom abgeschirmter als das b. Wenn man die Probe erhitzt wird die Rotationsbarriere durchbrochen wodurch die C-N Bindung frei rotieren kann. Ab der sogenannten „Koaleszenztemperatur“ unterscheiden sich die zwei Methylgruppen Signale im Spektrum nicht mehr und die ursprünglichen zwei Signale fallen zusammen zu einem Singulett mit doppelter Intensität + Größenreihenfolge der Kopplungen: Orto(3JHH)>Meta(4JHH)>Para(5JH) Beispiel: Das Ha ist aufgrund der Nähe zu den zwei Nitrogruppen am meisten entschirmt. Dann folgt Hb und dann Hc. 24 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner So sieht das jeweilige Spektrum für die Verbindung aus. Wenn die Protonen von CH2 durchdrehen können sind sie gleich. (Ketten: --CH2-CH2-CH2-- dabei sind jeweils die zwei H Atome symmetrisch und frei verdrehbar und deshalb ergeben sie nur eine Verschiebung. Wann sind solche H nicht äquivalent? Dann wenn es eine Umgebung gibt die eine solche Asymmetrie verursacht. Wenn sie unterschiedlich sind Koppel sie auch (geminal) miteinander. Um Festzustellen, ob die Beiden Protonen einer –CH2– Gruppe gleich sind, substituiert man gedanklich zuerst das ein, und dann das andere H durch ein D. Sind die beiden erhaltenen Produkte gleich, so sind die beiden Protonen Homotop und geben ein Signal im Spektrum. Bsp. Dichlormethan Erhält man zwei Enantiomere (Bild zu Spiegelbild), so sind die Protonen enantiotop. Für den Fall, dass die beiden Gebunden Atome kein Chiralitätszentrum haben (anderfalls wären die Protonen diastereotop), sind die beiden Protonen gleich und geben ebenfalls ein Signal. In chiralem Lösungsmittel geben sie jedoch 2 Signale. Bsp. Chlorfluormethan 25 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Erhält man durch die Substitution zwei Diastereomere (nicht Bild zu Spiegelbild), so sind die Protonen diastereotop. Die beiden Protonen sind nicht gleich und geben in der Regel zwei Signale im Spektrum (unterschiedliche Verschiebung). Bsp. 1,2-Dibrompropan. Zwischen den beiden diastereotopen Protonen kommt es zur Kopplung. Enantiomere sind Stereoisomere chemischer Verbindungen, deren räumlichen Strukturen sich zueinander exakt wie Bild und Spiegelbild verhält. Daher nennt man sie auch Spiegelbildisomere. Diastereomere sind Stereoisomere (chemische Verbindungen gleicher Konstitution aber unterschiedlicher Konfiguration), welche sich – im Gegensatz zu Enantiomeren – nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten. Karplus Beziehung Die Karplus-Beziehung beschreibt den Zusammen zwischen der Kopplungskonstante und dem Bindungswinkel der Kopplungspartner zueinander (Diederwinkel !). 26 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Sie ist Grundlage für das erschließen von geometrischen Strukturen. Für eine J-Kopplung gilt folgende Nomenklatur: 3 $ "# ist eine Kopplung der Partner und % über Bindungen. Somit ist eine JHH-Kopplung (vicinale Kopplung, 2J = geminale Kopplung) eine Kopplung zweier Protonen über 3 Bindungen. Solche Kopplungen treten beispielsweise in einer Alkylkette auf. &'( &') &') … Die einzelnen Kohlenstoffe bilden mit ihren 4 Bindungen ein Tetraeder, die Alkylkette kann also aus verknüpften Tetraedern aufgefasst werden. Bei schneller Rotation erhält man für die Kopplungskonstante einen Mittelwert. Geht man von drei gleich stark populierten staggeredKonformationen aus, so folgt für 60° 3,5Hz, für 180° 14Hz und für 300° 3,5Hz und als Mittelwert somit 7 Hz. Mit Hilfe der Karplus-Beziehung können in der NMR-Spektroskopie auch Konformationen aufgeklärt werden. (zB. Sesselkonformation von Cyclohexan) Probenvorbereitung für Spektren: Proben werden in Deuterierten Solvens gelöst und in Röhrchen die sich rotieren um gegeben um eventuelle Inhomogenitäten auszugleichen. (10 – 30mg). DTMS Standard wird jetzt nicht mehr dazugegeben sondern automatisch eingezeichnet. Wenn man die Probe rotiert (20Hz) bekommt man Rotationsseitenbanden. Wenn zu langsam rotiert wird, werden diese Banden deutlich sichtbar. Die Geschwindigkeit der Rotation muss so gewählt werden, dass die Seitenbanden möglichst weit entfernen und die Probe als gesamtes rotiert (es sollen nicht nur Teile/Schichten rotieren und es dürfen keine Wirbel entstehen) Welche Störsignale können bei Spektren entstehen? Chloroform in Aceton. (D3C-CO-CHD2) (Hexadeuteroaceton) Das Restsignal des Standards welches bei 0 ppm Sichtbar ist, bezieht sich auf das markierte H in der Verbindung, welche nicht vollständig deuteriert wurde. Dieses liefert eine komplexere Aufspaltung. (H mit 2 Nachbarn mit spinn = 1 =>(2n + 1) = 5 Signale.) 27 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner R sind die Rotationsseitenbanden Da DMSO ist hygroskopisch ist, tritt Wasser als Signal bei (2,05) auf. Man bekommt alle Signale die ein 1H Spektrum hat durch die C13 Satellitensingnale Als Satellitensingnale bezeichnet man Kopplungssignale schwacher Intensität, die bei der Kopplung von reichlich vorhanden NMR-aktiven Kernen (1H) mit sehr wenig vorhanden NMR-aktiven Kernen (13C, 29Si, usw.) auftreten. Beim Chloroform CHCl3 koppeln die 13CKerne ganz normal mit den Protonen zu einem Duplett. Durch Entkopplung (Breitbandentkopplung, etc.) können im 13C-Spektrum alle Kohlenstoffe als Singuletts dargestellt werden. Es treten außerdem Kopplungen mit den Cl-Kernen auf, deren häufigsten Isotope 35Cl und 37Cl eine Kernspinquantenzahl von 1,5 haben. Durch die Häufigkeiten von ca. 25 und 75% kann man hierbei nicht von Satelliten sprechen. Solche Satellitensignale treten aber im 1H-NMR-Spektrum auf. Bei der Kopplung des Protons mit den 1,1% vorhandenen 13C-Kernen. Es ergeben sich somit 98,9% Singuletts und 1,1% Dupletts. Die Kopplungssignale sind von geringer Intensität, wie zu erwarten. Die einzelnen Integrale der Signale ergeben ein Verhältnis von ca. 0,5:99:0,5 Auch die sterische Geometrie hat Einflüsse auf die Kopplungskonstanten. Bei diesem Beispiel ist klar ersichtlich, dass sich die Kopplungskonstanten abhängig von der räumlichen Anordnung ändern. So können ebenfalls die Bindungswinkel berechnet werden. (trans>cis) 28 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner Bei diesem Beispiel erfolgt die Aufspaltung des Kopplungsmuster nach folgendem Prinzip: beim CH3 sind alle 3 Hs identisch und wegen der Rechenregel (N+1) ergibt sich eine Aufspaltung zum Triplett. Beim CH2 wird dieselbe Rechenregel verwendet und das ergibt ein Quartett. Wegen dem –I- Effekt vom Brom, welcher sich noch stark auf CH2 (nur sehr schwach auf CH3) auswirkt, ist das CH2 Signal etwas entschirmter. Da es sich bei dieser Verbindungen um frei drehbare Bindungen handelt, stellt sich auch über die KarplusBeziehung eine mittlere Kopplungskonstante von 7Hz ein. Wie entsteht Kopplung (Triplett/Quartett)? Ein Atom wird durch die Spineinstellungsmöglichkeiten seiner Nachbaratome aufgespalten. Bei dem kleinen Feldunterschiede, welche durch die Spinmöglichkeiten entstehen, kommt es zu einer Aufspaltung. (siehe Pfeile) Da CH3 zwei Nachbarn besitzt sind 4 verschiedene Spinnkombinationen möglich (2 sind davon gleich). Beim CH2 sind drei Nachbarn relevant und deshalb entsteht eine Quartettaufspaltung (Siehe Pfeile). 29 AC III – Teil 4 Fröhlich Martin Prießner
