Das NMR-Experiment Eine kurze Einführung

Transkript

1 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 E 0 in einen angeregten Zustand E 1 versetzt, wenn eine bestimmte, diskrete Energie ΔE (ΔE = E 1 E 0 ) für diese Anregung aufgenommen, absorbiert werden kann. E 1 Die Energie für ein Lichtquant berechnet sich zu ΔE = E 1 -E 2 = h ν = h c/λ mit c = ν λ h? h: Plancksches Wirkungsquantum ν: Anregungsfrequenz c: Lichtgeschwindigkeit E 0 λ: Wellenlänge der Anregungsstrahlung 1

2 Multipuls-NMR in der Organischen Chemie Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum NMR 2

3 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) 3

4 Multipuls-NMR in der Organischen Chemie In B 0 -> 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: p z = m *(h/2π) Die Kernspins präzedieren also mit der Winkelgeschwindigkeit ω 0 auf zwei Kegelmänteln um die z-achse (Richtung von B 0 ). E-Unterschied (α, β) gering -> α-zustand nur geringfügig überpopuliert -> Boltzmann-Verteilung: N β /N α = e - ΔE/kT 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 B 0, da Em = -γ m (h/2π) B 0 x B 0 µ z α, +1/2 (Grundzustand) B 1 y Detektor β, -1/2 (angeregter Zustand) 4

5 Multipuls-NMR in der Organischen Chemie Man gibt die Substanz, die in ca 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 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). 5

6 Multipuls-NMR in der Organischen Chemie Nach Abschalten von B 1 zerfällt die makroskopische messbare transversale Magnetierung M x/y zu Null (transversale bzw. Spin-Spin Relaxation, T 2 ), und es bildet sich wieder das ursprüngliche Boltzmann-Gleichgewicht unter Energieabgabe zurück (M z ->M z0 longitudinale bzw. Spin-Gitter Relaxation, T 1 ). z y x Eine quantitative Beschreibung des NMR-Experiments folgt im Vorlesungsblock NMR-2 (Instrumentelle Methoden II). 6

7 Multipuls-NMR in der Organischen Chemie B A Figure 1 : (A) Cutaway diagram of a superconducting magnet. (B) Probe assembly. Siehe auch S. 9 7

8 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 ( 1 H/ 15 N/ 13 C) 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 1 H/ 15 N/ 13 C probe, there are actually 2 coils: one is used for 1 H and 2 H, the other one is used for 13 C and 15 N. 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 w 0 = (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 w 0 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 B 1 at the position of the sample. The receiver includes preamplifier, analog-digital converter (ADC), and several other components. 8

9 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 9

10 Spektroskopie in der Organischen Chemie Die chemische Verschiebung - 1 Die Messfrequenz ν einer Kernsorte, hier: 1 H (Protonen), hängt bei einem isolierten Kern ausschließlich vom äußeren Magnetfeld (B 0 ) und seinem magnetogyrischen Verhältnis γ, einer Naturkonstanten, ab (Larmor-Beziehung; Grundgleichung der NMR): ν( 1 H) = γ( 1 H) B 0 Dennoch haben nicht alle Wasserstoffatome in realen Molekülen exakt die gleiche Resonanzfrequenz, weil außerdem auch die umgebenden Elektronen einen Einfluss auf ν( 1 H) haben (chemische Umgebung). Die umgebenden Elektronen können lokale Magnetfelder erzeugen und damit B 0 am Ort des Kerns verändern (Abschirmung): B effektiv = B 0 - σ B 0 = B 0 (1 - σ) Die Abschirmungskonstante σ ist zwar gering (10-3 bis 10-6 Hz), reicht aber aus, um einen Resonanzbereich aufzuspannen, innerhalb dessen die 1 H-Signale dispergiert, also separat dargestellt werden. 1 H-NMR-Spektroskopie 1

11 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 B 0 nachträglich umgerechnet werden. Daher bezieht man Angaben zur Signalposition (ν S ) innerhalb des Messbereiches auf einen internen Standard, das Signal einer universell verwendeten Standard- oder Referenzsubstanz (ν ref ), und gibt nur die relativen Abstände dazu an: ν S - ν ref. Der übliche Standard in der 1 H- und 13 C-NMR-Spektroskopie ist Tetramethylsilan (TMS, Si(CH 3 ) 4 ) (alternativ: T-abh. H 2 0 shift, für hetero relativ zu 1 H basierend auf γ-verhältnis) Immer noch unpraktisch, da ν S direkt proportional zu B 0 ist, also vom Typ des verwendeten Spektrometer-Magneten abhängig ist. Dieses Problem eliminiert man, indem man die Frequenzdifferenz durch die Larmorfrequenz der Referenzsubstanz, ν ref, teilt, wodurch man die chemische Verschiebung δ, erhält: (ν S - ν ref [in Hz]) / ν ref [in Hz] x 10 6 = (ν S - ν ref [in Hz]) / ν ref [in MHz] = δ (in ppm) 1 H-NMR-Spektroskopie 2

12 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 [(CH 3 ) 4 Si), 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 ppm (meisten 1H bei 2 bis 12 ppm, 1 ppm 10-6 ) 13 C-Kerne ca. 250 ppm (z.b. C=O ppm, CH3-2 bis H-NMR-Spektroskopie 3

13 Spektroskopie in der Organischen Chemie Es muss also festgehalten werden: (a) (b) (c) Die chemische Verschiebung δ (auf der ppm-skala) ist unabhängig von der Feldstärke B 0 des für die Messung verwendeten Labormagneten. Die chemische Verschiebung ν (in Hz), gemessen als Frequenzabstand vom TMS-Signal (δ = 0, ν = 0), ist jedoch abhängig von der Feldstärke B 0 ; sie nimmt proportional mit B 0 zu. 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, 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

14 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 1 H abgeschirmt zu hohen Frequenzen (paramagnetisch) verschoben zu niedrigen Frequenzen (diamagnetisch) verschoben 10 5 δ (ν, E) 0 1 H-NMR-Spektroskopie 5

15 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-Fourier- Transform-(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