AQ -1 = 1.2 Hz digitale Auflösung pro 1.2 Hz ein Datenpunkt

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1 6. Datenaufnahme mit dem FT-Spektrometer: Digitalisierung Anregung Detektion Auswertung RF-Pulse/ Delays Digitalisierung des im AD-Wandler Fouriertransformation, Fensterfunktion, Apodisierung... Der Analog-Digital-onverter speichert Spannungswerte in vorgegebenen eitschritten. So wird das Signal in zwei Dimensionen zerhackt: Intensitäts- und eitschritte.) Dynamischer Bereich des AD (Wortlänge des AD): Ein 6-bit-digtizer gibt an hat eine Intensitätsauflösung von Spannungsstufen. Ein Signal, das kleiner als : ist, wird nicht mehr detektiert. 2.) Die Meßrate des AD ist die Geschwindigkeit, mit der die Digitalisierung stattfindet, d. h. die Auflösung in der eitdomäne. Der eitintervall zwischen zwei Datenpunkten heißt dwell time (DW).. und 2. sind nicht unabhängig voneinander: Je größer die Intensitätsauflösung des AD, desto länger braucht er zur Digitalisierung. Intensitäts- (= y-achse) und eitschritte (x-achse) (Messrate) - = dwell time: DW eit zwischen zwei Messpunkten DW bestimmt die höchste detektierbare Frequenz, d. h. linken und rechten Rand des Spektrums, d. h. Maximalwerte ppm = SW (engl.: sweep width) SW = Spektrale Weite 2 DW Nyquist-Theorem: Um ein Signal der Frequenz F zu messen, müssen zwei Datenpunkte (mindestens) pro Wellenlänge aufgezeichnet werden. Daher der Faktor 2 in der Formel. Beispiel: Die eitschritte des Analog-Digital-Wandlers (AD) bestimmen das Frequenzfenster (kein Gitter oder ähnliches). Messrate = 500 z = DW Bei einer DW von 667 s ist 750 z ist die höchste detektierbare Frequenz Ein Signal mit der zu hohen Resonanzfrequenz von 800 z wird gefaltet. Geistersignal bei "falscher" gezieltes Falten in mehrdimensionalen Spektren Im D-Spektrum gibt es dieses Problem nicht, da spektrale Filter die Frequenzen ausserhalb des gewünschten Messbereichs unterdrücken. Wichtig ist das Falten aber in der indirekten Dimension von 2D -Korrelationen. Eine wichtige Methode, um Messzeit einzusparen, ohne dass dies auf Kosten der digitalen Auflösung (siehe unten) geht. Abschätzung, welche Kopplungen noch aufgelöst werden können im Spektrum. Beispiel: An einem 500 Mz Spektrometer soll ein -NMR über einen Bereich von 0 ppm gemessen werden. Damit ist DW festgelegt: 0 ppm 5000 z = SW DW = = 00 s 2 x 5000 Anzahl der gespeicherten Datenpunkte : TD (time domain) 8k (892 = 2 3 ) 00 s 892 = sec. = Messdauer AQ (Aquisitionszeit) AQ - =.2 z digitale Auflösung pro.2 z ein Datenpunkt RG AQ RG = receiver gain Fazit: Die Elektronik bestimmt das Erscheinungsbild des Spektrums! Unterschiedliche Messbedingungen an unterschiedlichen Spektrometern -NMR am 250 Mz-Spektrometer -NMR am 600 Mz-Spektrometer 0 ppm = 2500 z DW = 200 s 0 ppm 6000 z DW = 83 s TD = 8 K AQ =.64 s TD = 8 K AQ = 0.7 s Digitale Auflösung = 0.6 z/pt Digitale Auflösung =.5 z/pt ppm 800 z 750 z 650 z Geyer, Spektroskopie 7. Sem. 38 Geyer, Spektroskopie 7. Sem. 39

2 Beispiele für eterokerne: 3 -NMR am 600 Mz-Spektrometer ( 3 Große SW und langsame Relaxation, = 50 Mz) 200 ppm = z DW = 6.5 s deshalb viele Datenpunkte registrieren TD = 64 K AQ =. s Digitale Auflösung = 0.5 z/pt r-nmr am 600 Mz-Spektrometer ( 9 Extremes Beispiel (siehe unten): Der r = spin 5/2) ist nach 5 ms vollständig relaxiert. AQ = 0 ms, TD = 024 DW = 0 s Danach wird nur Rauschen registriert. SF = 55.8 Mz SW = z = Linienbreite > 00 z. Eine geeignete 990 ppm Fensterfunktion unterdrückt das Digitale Auflösung = 50 z/pt Rauschen und macht das Signal sichtbar. 7. Vom 3 NMR zur invers detektierten -Korrelation Entkoppelt 3 BB BB = Breitbandentkopplung J entfällt, Singuletts als einzige Information Frequenz Kanal 2 400Mz Frequenz Kanal 00 Mz / = 4 / Ohne Entkopplung 3 nichts J = 50z 2,3 J < 0z BB : schnelle Abfolge von 80 Pulsen Andauernde Refokusierung der J - Kopplung Vorteil: Einfaches Abzählen der Kohlenstoffe Nachteil: Verlust der Information über die Anzahl der gebundenen Protonen Singulett Triplett Dublett Quartett Nachteil : Die geringe Signalintensität wird mindestens halbiert ( bzw. ¼) Nachteil 2: Überlagerungen, da Multipletts über mehrere ppm verteilt sind. 3 x 50 z = 450 z = 4,5 ppm Bei großer spektraler Weite verschenkt man Auflösung und sammelt Rauschen. Deshalb: Anpassung der Spektralen Weite an die Probe Geyer, Spektroskopie 7. Sem. 40 Geyer, NMR-Spektroskopie 4

3 Mehrpulsexperimente. J-moduliertes Spin-Echo Singuletts (d.h. -entkoppelt) mit Editierung:, 3 pos., 2 neg. 2. INEPT Multipletts (d.h. -gekoppelt) aber Insensitive nuclei enhancement Empfindlichkeitsgewinn durch by polarisationstransfer Polarisationstransfer (PT) 3. DEPT Distortionless enhancement by polarisationstransfer Kombination von Editierung und PT z.b. DEPT35:, 3 pos., 2 neg. q sind nicht sichtbar Editierung basiert auf der immer gleichen --Kopplungen von ca. 40 z 40z Die beiden äußeren Mag.vektoren rotieren 40 mal pro Sek. um die Signalmitte 2 +70z 40z -70z Was passiert bei folgendem NMR-Experiment? 3 80 Entkopplung Gleiche Kopplung, die beiden Mag. rotieren halb so schnell um die Signalmitte Nur während der. älfte ist die J -Kopplung wirksam! Wir erkennen die Spin-Echo-Pulssequenz auf dem 3 -Kanal. Das bedeutet, dass ein ein normales -breitbandentkoppeltes 3 -NMR zu erwarten ist: Ein Singulett für jeden Kohlenstoff. Aber die -Entkopplung wird schon ab dem 80 -Puls eingeschaltet. Das hat zur Folge, dass die J -Kopplung nicht refokusiert wird, der ustand wird ab dem Beginn der -Entkopplung "eingefroren". Die 3 -Signale haben unterschiedliche Vorzeichen in Abhängigkeit von der Anzahl der Protonen, die daran gebunden sind. Das Spektrum ist editiert. Editierung basiert auf den unterschiedlichen Umlauffrequenzen der Einzelvektoren der Multipletts. Wir beobachten die unterschiedlichen Multipletts zu bestimmten eiten nach einem -Puls: /4 J /2 J 3/4 J /J =! pos. Signal neg. Signal pos. Signal Geyer, NMR-Spektroskopie 42 Geyer, NMR-Spektroskopie 43

4 Polarisationstransfer 3 starker schwacher "Magnet" gyromagnetisches Verhältnis "Stärke" 4 : 400 Mz 00Mz Resonanzfrequenz Energieniveau (ohne Kopplung) Spinzustände Energieniveaus des weispinsystems (mit Kopplung : 4 Linien, 2 Dubletts) 3 50 z 50 z weispinsystem : Vier Linien, d. h. vier Übergänge zwischen vier Energieniveaus Das niedrigste Energieniveau ist im Gleichgewicht am höchsten populiert und umgekehrt. Wir betrachten hier nur die Differenz der Spinzustände. Dazu definieren wir: N N = 2. Analog gilt für Kohlenstoff: N N = 2 E -+ Differenz, Besetzungsüberschuß Im Gleichgewicht gilt: N ~ exp N E kt Boltzmann: Verhältnis! Wir wissen, daß ein 80 -Puls die Besetzung von und -ustand austauscht. Wenn es nun gelingt nur einen der beiden Protonenübergänge zu invertieren, dann hätten wir folgende Situation: E = = Mit einem selektiven 80 Puls auf eines der Protonensignale kann dieser ustand experimentell erzeugt werden. Beobachtet wird ein enormer Intensitätsgewinn im 3 - NMR, das ist der sog. Polarisationstransfer. NMR 3 NMR Integral E Signal im 3 c + J/2 Signal im + J/2 Besetzungsunterschied s.o. 4 = 2 = Puls J/2 Signal im c - J/2 Signal im 3 Der selektive 80 Puls auf eines der Protonensignale erhöht die Intensität der Einzelsignale im 3 NMR = 2! Die Gesamtintensität bleibt erhalten Geyer, NMR-Spektroskopie 44 Geyer, NMR-Spektroskopie 45

5 Natürlich ist es nicht praktikabel alle -Satelliten einzeln zu invertieren, um dann ein 3 zu messen. Die INEPT-Pulsfolge (INEPT = insensitive nuclei enhancement by polarization transfer) bewirkt den Polarisationstransfer mit unselektiven Pulsen. Die Wartezeit zwischen den Pulsen beträgt (4J) -. Mit dem Vektormodell ist das INEPT nicht mehr zu verstehen. Nur mit dem im Rahmen dieser Vorlesung nicht behandelten Produktoperatorformalismus kann das INEPT verstehen x x y 80 x 90 x. Durchgang +90y 2. Durchgang -90y DEPT-45 DEPT-90 DEPT Beispiel O O O -5 Summe Am sinnvollsten ist natürlich die NMR-Messung, welche die Editierung und den Polarisationstransfer miteinander vereint. Das ist das sog. DEPT-Spektrum. (DEPT = distorsionless enhancement by polarization transfer) O O 3 2J 2J 2J Entkopplung DEPT-Spektrum In der Pulsfolge symbolisieren dünne Striche Pulse und dicke Striche 80 Pulse. ist ein variabler Puls, der das Signalvorzeichen bei der Editierung bestimmt. Geyer, NMR-Spektroskopie 46 Geyer, NMR-Spektroskopie 47

6 8. Dynamische NMR-Spektroskopie Bisher haben wir uns mit kovalenten Verknüpfungen beschäftigt und Spinsysteme zugeordnet. Skalare Kopplungen standen im Mittelpunkt. Allgemein: n J,. Dies ist das "Pflichtprogramm" zur harakterisierung eines neuen Moleküls. Die "Kür" ist die experimentelle harakterisierung der Konformation und internen Dynamik organischer Moleküle. Das reicht von einfachen Platzwechseln bei der Rotation um Einfach- und partielle Doppelbindungen bis hin zur Beschreibung intermolekulare Wechselwirkungen wie der Solvatation oder der Komplexierung organischer Moleküle. Genau darin liegt die eigentliche Stärke der NMR-Spektroskopie. Dynamische Prozesse: Mittelung von NMR-Daten Wann sind Atome (Atomgruppen) gleich? O O Beispiel DMF. Wird die Rotation um die - N-Bindung "eingefroren", dann erwarten wir zwei Methylsignale. Ein schneller Platzwechsel mittelt die beiden Signale zu N Me Me N Me Me einem. Entscheidend ist die eitauflösung der NMR-Messung. Diese wird durch die chemische Verschiebungsdifferenz (in z, eine Rate) der Signale im langsamen Austausch bestimmt. Der andere wichtige Parameter ist die Barriere der Umwandlung: G. Ein weiteres klassisches Beispiel d - yclohexan eq ax 50 % : 50 % Sind Ringpositionen deuteriert, so liegen beide Konformere im Verhältnis : vor: G 0 = 0 E Die Koaleszenztemperatur ist die Temperatur, bei der die Signale zusammenfallen. ier 60 (bei 60 Mz). Die Signalseparation () bei tiefer Temperatur (langsamer Austausch) = 29 z. Mit der Formel k = 2.22 berechnet man die Rate der Ringinversion mit 64 s - ( = die Rate des Platzwechsels ax / eq ) Geyer, NMR-Spektroskopie 48 Geyer, NMR-Spektroskopie 49

7 Wieviele Signale zeigt dieses Molekül im 3 -NMR? 3 eq ax starres Bild Spiegelebene 2 = 6 bzw. 5 = 3 6,3 5,2 4 3 eq 3 ax - 60 identisch ax eq dynamisches Bild Spiegelebene 2 = 3 = 5 = 6 bzw. 4 = ax = eq 2,3 5, x 3 Auch das Brechen und die Bildung kovalenter Bindungen können sich auf der NMR- eitskala abspielen..b. [3,3] sigmatropen ope-umlagerungen von Bullvalen. Konformationeller Austausch, Rotamere um Einfach- bzw. partielle Doppelbindungen z.b. DMF 2. hemischer Austausch, Bindungsbruch/Bindungsbildung, eine chemische Reaktion z.b. Säure/Base-Gleichgewichte 3. Komplexierung ost/guest, Ligand/Rezeptor Anhand der Geschwindigkeit des Austauschprozesses (Rate bzw. albwertszeit) wählt man den geeigneten spektralen Parameter: hemische Verschiebung, Kopplung etc. haben ihr eigenes eitfenster (NMR-eitskala). Mittlere Lebenszeit eines ustandes = (Rate der Umwandlung) - Parameter Langsamer Mittel: Schneller Typische Werte mittlere Austausch Koaleszenz Austausch im -NMR Lebenszeit >> / A - B / A - B << / A - B 0 z 0.0 s J >> /J A -J B /J A -J B << /J A -J B J z 0. s Schnellere Prozesse sind über die Messung von Relaxationszeiten zugänglich, da Austauschprozesse zur Relaxation beitragen. Damit ist mit der NMR-Spektroskopie ein enormes eitfenster beobachtbar. 0 s < Echtzeitmessungen 0 ms < < 0 s 2D-Austauschspektroskopie 00 s < < s Linienformanalyse, Austauschverbreiterung s < < 0 ms T 2 - und T - Relaxationszeiten (rotating frame) 30 ps < < s T Relaxationszeiten < 00 ps Alle NMR-Parameter gemittelt Beispiel: Keto-Enoltautomerie Nur im Grenzfall des langsamen Austauschs wird das gewohnte Spektrum beobachtet. Es gibt viele dynamische Prozesse, die NMR-spektroskopisch analysiert werden können. Wir unterscheiden folgende grundlegende Mechanismen Geyer, NMR-Spektroskopie 50 Geyer, NMR-Spektroskopie 5

8 Geyer, NMR-Spektroskopie 52 Geyer, NMR-Spektroskopie 53

9 Geyer, NMR-Spektroskopie 54 Geyer, NMR-Spektroskopie 55