Multipuls-NMR in der Organischen Chemie. 1 H, 1 H, 1 H Relayed-COSY und TOCSY

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1 1 H, 1 H, 1 H Relayed-COSY und TOCSY Das 1 H, 1 H, 1 H-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 H A M X C C C H 1

2 COSY Glutaminsäure 1 H, 1 H, 1 H-Relayed-COSY 2

3 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. 1 H, 1 H, 13 C-Relayed-COSY, in dem ein 1 H, 1 H-COSY- mit einem HETCOR-Schritt kombiniert wird. H A H M Diese Experimente waren zu ihrer Zeit durchaus sinnvoll und nützlich. Auf der nächsten Seite ist ein 1 H, 1 H, 1 H-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. C C X 3

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5 TOCSY Bei der COSY-Spektroskopie wird versucht, direkte Korrelationen zwischen Kernen herzustellen, die eine skalare Kopplung ( n J HH, 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). 5

6 Die TOCSY-Pulssequenz sieht wie folgt aus: (π/2) x τ m 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 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 6

7 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 (τ m ) 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 τ m Polarisationstransfer stattfinden kann; τ m 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 t 1 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. 7

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9 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. 9

10 Man kann aber entlang der Spuren ausgehend vom jeweiligen Anomeren-H alle zu dem jeweils gleichen Zucker gehörenden 1 H-Signale identifizieren, weil die normalen Pentosen und Hexosen über durchgehende 1 H-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 τ m kommt sie z.b. von H-1 über H-2 nur bis H-3, bei etwas längerem τ m bis H-4 und bei ganz langem τ m bis H-5 oder gar H-6, also durch das gesamte Spinsystem. Typische τ m -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 1 H, 1 H-TOCSY-Information auf das benachbarte C-Atom eines der beteiligten H-Atome übertragen wird. 10

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