Kernresonanzspektroskopie

Transkript

1 Gleich geht s los!

2 Kernresonanzspektroskopie 1. Geschichtliche Entwicklung 2. Physikalische Grundlagen 3. Das NMR-Spektrometer 4. Anwendung der 1 H-NMR-Spektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen 5. Anwendung der 13 C-NMR-Spektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen 6. Anwendung in der Medizin

3 1. Geschichtliche Entwicklung 1936 C.J. Gorton sagt das Phänomen der nuclear magnetic resonance (NMR) voraus 1946 Es gelingt den beiden Arbeitsgruppen Bloch, Hansen und Packard sowie Purcell, Torrey und Pound unabhängig voneinander der erste Nachweis von Kernresonanz- Signalen 1952 Bloch und Purcell werden gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik für diese Entdeckung ausgezeichnet 1991 R.R. Ernst erhält für die Entwicklung der heute üblichen Fourier-transform-Methode den Nobelpreis der Chemie

4 2. Physikalische Grundlagen Was ist Spektroskopie? Analysenmethoden, die auf der Absorption (oder Emission) von Strahlung durch die zu untersuchenden Moleküle beruhen Die absorbierte Strahlung bewirkt im Molekül eine Veränderung des elektronischen oder mechanischen Zustandes ( Anregung!) Die zur Anregung erforderliche Energie ist gequantelt; Anregung erfolgt nur, wenn die eintretende Strahlung exakt die für das untersuchte Molekül richtige Portion Energie liefert

5 Ein Molekül kann vielen unterschiedlichen Arten der Anregung unterliegen, von denen jede eine bestimmte Energie E erfordert unterschiedliche Strahlungsarten nötig:

6 Kernspin: - Atomkerne, die eine ungerade Anzahl Protonen oder Neutronen oder eine ungerade Anzahl beider enthalten, besitzen einen Kernspin/Kerndrehimpuls P mit P = I( I + 1) h: Plancksches Wirkungsquantum Drehimpuls ist gequantelt I: Kernspinquantenzahl mit I = 0, ½, 1, 1 ½, 2, bis 6 - Kerne mit I = 0 besitzen keinen Spin und haben eine gerade Anzahl Protonen und Neutronen, wie z.b. 12 C und 16 O. - Ist I>0, so erzeugt die Drehung des Atomkerns (wie die Bewegung jedes geladenen Teilchens) ein Magnetfeld; die Kerne besitzen ein magnetisches Kernmoment, wie z.b. 1 H (I=1/2), 13 C (I=1/2), 14 N (I=1), 31 P (I=1/2), usw.. h 2π γp = µ = γ I( I + 1) h 2π

7 Kernspin und das äußere Magnetfeld am einfachsten Beispiel des 1 H: - In einem äußeren Magnetfeld B 0 können sich die magnetischen Kernmomente in 2I+1 Richtungen zum äußeren Feld einstellen - Der Atomkern von 1 H, das Proton mit I = ½ kann mit einem Stabmagneten verglichen werden; es gibt (nach obiger Formel) zwei Einstellungsmöglichkeiten zum äußeren Feld: parallel (energieärmer, Spin ) oder antiparallel (energiereicher, Spin )

8 Mit der Existenz dieser beiden, energetisch unterschiedlichen Zustände (hier künstlich erschaffen!!) ist die Voraussetzung für Spektroskopie erfüllt: Der Übergang vom energieärmeren () zum energiereicheren () Zustand erfordert die Zufuhr eines entsprechenden Energiequants! Um den Übergang spektroskopisch zu messen bedarf es nun nur noch einer Strahlung geeigneter Frequenz, dass es zur Resonanz kommt! Nach der Anregung fallen die Spins wieder in ihren energieärmeren Zustand zurück (Relaxion); die absorbierte Energie wird als Wärme abgegeben. Unter Resonanzbedingungen finden deshalb kontinuierlich Anregung und Relaxion statt.

9 - Der Energieunterschied E zwischen den Spinzuständen hängt direkt von der Stärke B 0 des externen Magnetfeldes ab - Auch die Frequenz der absorbierten Strahlung ist der Stärke des äußeren Magnetfeldes proportional: v = yb 0 ;

10 - Um nun zu wissen, wie viel Energie zur Spinanregung von nach nötig ist, ist es notwendig zu wissen, wie groß i.d.r. das externe Magnetfeld ist. B 0 =1,4-15 T (Tesla) [Erdmagnetfeld: 7*10-4 T] - Die entsprechenden Frequenzen reichen dann von MHz v = yb 0 ; E - = hv - Der Energieunterschied zwischen den beiden Spinzuständen ist i. A. recht klein schnelle Einstellung des Gleichgewichts; im Durchschnitt befinden sich nur etwas mehr als die Hälfte im energieärmeren Zustand! - Jedes, zu Kernresonanz befähigtes Atom hat einen anderen charakteristischen Wert y bei gleicher Feldstärke absorbieren unterschiedliche Atomkerne bei unterschiedlichen Frequenzen v!

11 Niedriges Feld Hohes Feld

12 3. Das NMR-Spektrometer Modernes 500MHz Fourier-Transform-NMR-Spektrometer

13 Schematische Darstellung der wichtigsten Bestandteile eines NMR-Spektrometers: Unter Resonanzbedingungen wird ein Teil der von der Radiofrequenz-Quelle abgegebenen Energie absorbiert Induktion einer geringen elektrischen Spannung in der Messspule um das Probenröhrchen durch die Spinumkehr, die mit einem RF-Detektor gemessen und in ein elektronisches Signal umgewandelt wird ( Rekorder); Rotation des Röhrchens (Pressluft) Mittelung der Orientierung der einzelnen Moleküle im Feld.

14 Zwei verschiedene Typen des NMR-Spektrometers: CW-Spektrometer: - Das Spektrum wird Punkt für Punkt aufgezeichnet, während B 0 oder v kontinuierlich verändert werden Continuos Wave - Wird B 0, also die magnetische Flussdichte über Sweep- Spulen bei konstanter v verändert: Feld-Sweep - Wird v, also die Senderfrequenz, bei konstantem B 0 verändert: Frequenz-Sweep FT-Spektrometer: - Das Spektrum wird hier nicht abgefahren - Die Probe wird einem oder mehreren Radiofrequenzpulsen ausgesetzt, so dass alle Kerne gleichzeitig angeregt werden - Die Daten werden von einem Computer gespeichert; Umrechnung aus Abhängigkeit von t in gewohnte Spektren - Spektrenaufnahme in Sekunden - Durch Mittelung besseres Signal-Rausch-Verhältnis

15 Wie sieht ein NMR-Spektrum nun aus? NMR-Spektren werden normalerweise in einer Frequenz-Skala [Hz] anstatt einer Feldstärke-Skale [T] aufgezeichnet, so als ob die Frequenz bei konstantem Magnetfeld verändert würde, selbst wenn bei den CW-Geräten die Frequenz konstant gehalten wurde, oder bei der FT-Methode zunächst eine Abhängigkeit von der Zeit erhalten wird! Die Frequenz der Aufnahme ist i.d.r. angegeben; frühe Spektroskope arbeiteten bei einer Feldstärke von 1,4T; die Resonanzfrequenz der Wasserstoffatomkerne lag dann bei 60 MHz; heute, mit supraleitenden Magneten: höhere Feldstärken 90, 300, 500 und 600 MHz-Spektrometer in Gebrauch

16 90 MHz 1 H-NMR-Spektrum von Chlormethoxymethan Der Nullpunkt der Skala befindet sich bei einer Messfrequenz von 90 MHz am rechten Rand des Spektrums (Signale der 1 H-Kerne von bis Hz hochauflösende Aufnahme)

17 4.Anwendung der 1 H-NMR-Spektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen Warum können für die unterschiedlichen Wasserstoffatome im Chlormethoxymethan unterschiedliche Signale beobachtet werden? Die Position eines NMR-Signals (=chemische Verschiebung) ist abhängig von der Elektronendichte um das entsprechende H- Atom, die wiederum von der chemischen Umgebung abhängt. Die chemische Verschiebung erlaubt Rückschlüsse auf die Konstitution eines Moleküls! Im Beispiel: Das Cl ist stark elektronegativ, entschirmt (durch Anziehung der Elektronen der Hs, die in einem äußeren Magnetfeld ein lokales Feld induzieren, das dem äußeren entgegengerichtet ist und somit die effektive Feldstärke verringern würden) also die benachbarten Hs etwas Verschiebung nach niedrigerem Feld bzw. höherer Frequenz!

18 Die Lage eines NMR-Signals wird durch die chemische Verschiebung angegeben: - Das Vermessen der exakten Frequenz wäre technisch ziemlich anspruchsvoll! Die Lage der NMR-Signale wird relativ zu den Signalen eines internen Standards (Tetramethylsilan: (CH 3 ) 4 Si) mit stärker abgeschirmten Hs als in üblichen organischen Verbindungen gemessen. - Die chemische Verschiebung ist zudem abhängig vom Magnetfeld bzw. der Resonanzfrequenz. Um Spektren vergleichbar zu machen wurde die chemische Verschiebung also als feldunabhängige Größe definiert: δ = Frequenzunterschied zum Signal von ( CH Spektrometerfrequenz ν 0 ) Si in Hz

19 Funktionelle Gruppen haben charakteristische chemische Verschiebungen (in ), z.b.: - Primäres Alkyl-H 0,8-1,0 - Sekundäres Alkyl-H 1,2-1,4 - Tertiäres Alkyl-H 1,4-1,7 - Chloralkan 3,6-3,8 - Aromatisches H 6,0-9,5 Elektronenarme Umgebung entschirmt das H Absorption schon bei tieferem Feld bzw. höherer Frequenz, höherer chemischen Verschiebung! Chemisch äquivalente Wasserstoffkerne haben dieselbe chemische Verschiebung!

20 Weitere Information ist aus den Spektren zu entnehmen: Die Signalintensitäten (Peakflächen) korrelieren mit der Anzahl der dem Signal entsprechenden Kerne quantitative Abschätzung möglich! NMR-Spektrometer haben hierzu zur Vereinfachung eine elektronische Einrichtung zur Integration relative Signalintensität wird mit abgebildet, die Stufenhöhe entspricht dabei der Peakfläche!

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22 Die Spin-Spin-Kopplung: Auf den bisherigen Spektren nur relativ einfache, scharfe Linien zu sehen: Singuletts Aber: nichtäquivalente Hs am Nachbar-C (=Nachbarkerne) spalten das Signal des entsprechenden Kerns auf! In vielen Fällen erfolgt diese Spin-Spin-Aufspaltung nach der N+1 - Regel, in der N die entsprechende Anzahl der Nachbarkerne ist, d.h.: N=0 eine Linie Singulett (1) N=1 zwei Linien Duplett (1:1) Intensitäts- N=2 drei Linien Triplett (1:2:1) verhältnis N=3 vier Linien Quartett (1:3:3:1) Grund der Spin-Spin-Kopplung?

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24 Beispiel eines NMR-Spektrums mit Spin-Spin-Kopplung:

25 5.Anwendung der 13 C-NMR-Spektren zur Analyse der Konstitution von Molekülen - Nicht nur Wasserstoffspektren finden in der Analyse von Molekülen Verwendung, sondern auch viele andere Atomkerne, bei denen dann natürlich etwas andere Effekte auftreten können C-NMR-Spektroskopie ist z.b. eine Spektroskopie eines Isotops geringer natürlicher Häufigkeit es ist daher ziemlich unwahrscheinlich, dass 2 solche 13 Cs nebeneinander vorliegen und eine C-C-Spin-Kopplung auftritt, dagegen treten z.b. Kopplungen zu Wasserstoffkernen sehr wohl auf - Nutzung der 13 C-NMR-Spektroskopie z.b. in der Biochemie zur Aufklärung von Reaktionswegen durch Synthesen mit 13 C- markierten Vorläufern

26 6. Anwendung in der Medizin: Magnetische Resonanz-Tomographie - Der Körper(teil) des Patienten wird zwischen 2 Polen eines starken Elektromagneten platziert, die 1 H-NMR-Spektren von bestimmten Körperregionen werden gesammelt und zu einer Querschnittsdarstellung der Signalintensität verarbeitet, die dann zu einem 3D-Bild der Protonendichte im Gewebe kombiniert werden. - Information wird hier nicht wie bei der NMR-Spektroskopie aus der chemischen Verschiebung, den relativen Intensitätsverhältnissen oder dem Aufspaltungsmuster der Signale erhalten, sondern mit Hilfe eines anderen Phänomens: Protonen-Relaxionszeiten Die Geschwindigkeit, mit der ein zu einem Spinübergang angeregtes Proton wieder in den -Zustand zurückkehrt ist nicht konstant, sondern hängt stark von seiner Umgebung ab (einige ms bis einige Sekunden!)

27 Im Körper relaxieren Wasserstoffkerne von Wassermolekülen, die an einer Oberfläche eines Biomoleküls gebunden sind deutlich schneller, als die freier Wassermoleküle; Relaxionszeiten unterscheiden sich also in Abhängigkeit vom Gewebe. Zu jeder beliebigen Zeit t werden sich somit selbst bei gleicher Wasserdichte die NMR-Bilder der verschiedenen Gewebsarten unterscheiden, z.b. durch Hell-Dunkel-Kontrast oder verschiedene Farben (abhängig vom darstellenden Programm) Vorteile der Kernspin-Tomographie im Gegensatz zu anderen Bildgebenden Methoden ist, dass die NMR-Technik nicht invasiv ist, d.h. es ist weder ionisierende Strahlung, noch die Einnahme radioaktiver Substanzen für die Bildgebung notwendig; Untersuchungen können also ohne Weiteres wiederholt werden!

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32 Das war s!