INADEQUATE 13 C, 13 C-COSY

INADEQUATE 13 C, 13 C-COSY Die bisher diskutierten Korrelationsmethoden beruhen auf Protonen. Da das eigentliche Skelett eines organischen Moleküls das Kohlenstoffgerüst ist, wäre es in einigen Fällen hilfreich, wenn man direkt Konnektivitäten von C-Atomen durch Korrelations-Spektroskopie ermitteln könnte. Diesem Ziel dient die INADEQUATE-Technik. INADEQUATE: Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment Dieser Experimenttyp ist alles andere als inadequate (unangemessen). Er macht sich Doppelquantenübergänge zu Nutze (s. auch DEPT/HMQC). Die direkte Erzeugung von DQ ist quantenmechanisch verboten (Δm wäre 1). Dennoch können diese mit Hilfe geeigneter Pulsfolgen über quantenmechanisch erlaubte Einquantenübergänge dargestellt werden. Leider ist es nicht möglich, dies mit Hilfe der klassischen Vektoranalyse plausibel zu erklären. 1

Auch wenn die INADEQUATE-Technik grundsätzlich auf alle Spinsysteme und Kernsorten anwendbar ist, wollen wir sie hier im Zusammenhang mit der 13 C, 13 C- Korrelation diskutieren. β β E 1 X 1 A 1 βα E 2 E 3 α β A 2 X 2 α α Betrachten wir wieder ein Zweispinsystem, das ja die Minimalvoraussetzung für Korrelation ist. Wieder stellen die schwarzen Pfeile die Einquantenübergänge dar, die sich als NMR-Linien manifestieren. Es gibt aber auch einen Doppelquantenübergang (DQ; roter Pfeil), der direkt quantenmechanisch verboten ist (s.o.) und einer Frequenz ν A +ν X entspricht. E 4 2

13 C, 13 C-Korrelationen sind nur zwischen Kohlenstoffatomen möglich, die chemisch nicht äquivalent (ν A ν X ), beide 13 C und über chemische Bindungen miteinander verknüpft sind ( 1 J -> 13 C- 13 C, 2 J -> 13 C- 12 C- 13 C, 3 J -> 13 C- 12 C- 12 C- 13 C). Welche Möglichkeiten gibt es, wenn man bedenkt, dass das natürliche Vorkommen von 13 C nur 1.1% ist (der Rest ist 12 C)? 12 C- 12 C 12 C- 13 C / 13 C- 12 C 13 C- 13 C Signal - normales Spektrum 13 C-Satelliten %-Anteil ca. 98% ca. 2% ca. 10-2 % Spektrentyp - A (Singlett) AX/B (Dublett) DQ? - - + Die 13 C-Satellitensignale sind gegenüber den (ohnehin wenig intensiven) normalen 13 C-Signalen nochmal um zwei Größenordnungen schwächer. Außerdem müssen die DQ-Signale (S 2 ) bei (störender) Anwesenheit der sehr viel größeren Hauptsignale (S 0 ) detektiert werden. 3

DQ-Kohärenzen haben ein Phasenverhalten, das sich von dem der S 0 -Signale unterscheidet. (Wir haben der Einfachheit halber bisher nie über das Phasenverhalten von NMR-Signalen gesprochen, auch wenn es für die Details der Pulsfolgen von großer Bedeutung ist. Stichworte: Phasenzyklen, Gradienten) Die INADEQUATE-Pulsfolge: (π/2) x (π) y (π/2) x (π/2) φ (φ ist variabel) Δ = 10 µs τ = 1/(4J) τ Δ t Es liegen wie gesagt, zwei verschiedene unabhängige Spinsysteme vor: 1.) Hauptsignale, S 0 (Spinsystem: A bzw. X; je ein Singulett) 2.) Nebensignale, S 2 (Spinsystem: AX; zwei Dubletts) Die Pulsfolge hat stark vereinfacht folgende Auswirkungen auf die Spinsysteme: 4

Vektordarstellung der INADEQUATE Pulsfolge: S 2,1 S 0 S 2,2 S 0 - wird rausgefiltert S 2,1 S 2,2 5

S 0 rotiert während der Zeit τ entsprechend der chemischen Verschiebung ν S (δ) in der x,y Ebene. Wogegen die beiden Magnetisierungen der Nebensignale (S 2 ) mit den Frequenzen ν S +1/2J CC und ν S 1/2J CC rotieren. Nach der Zeit τ = 1/(4J) bilden sie einen 90 0 -Winkel. Der 180 0 aus der y -Richtung invertiert die Magnetisierungsvektoren und vertauscht die labels, da er auf beide 13 C Kerne wirkt. Er refokussiert auch Feldinhomogenitäten und Unterschiede in der chemischen Verschiebung; nach einem weiteren Zeitintervall τ stehen die beiden S 2 -Magnetisierungen antiparallel auf der x -Achse: Der zweite 90 Puls entlang x kippt S 0 in die -z-richtung. Der nach einer kurzen Schaltzeit ( 10 µs) erfolgende 90 Puls erzeugt aus der nicht detektierbaren DQ detektierbare Singlequantenmagnetisierung (SQ, vereinfacht: A x X y -> A x X z bzw. A y X x -> A z X x ), und erlaubt durch Variation der Pulsphase φ das Ausfiltern des S 0 - Signals. Das Variieren der Pulsphase bezeichnet man als Phasenzyklus. Entsprechend muss man mindestens zwei oder mehr Durchläufe machen und die entsprechenden Daten addieren oder subtrahieren, um Störsignale zu eliminieren: Stark vereinfacht: z.b. Experiment 1 φ = x (= 90 x ) & Experiment 2 φ = -x (90 -x ): S 0 einmal auf y und einmal auf +y -> einmal positives, einmal negatives Signal - wenn addiert = 0: 6

+ = Die erzeugten S 2 -Signale haben antiparallele Phase, d.h. ihre Signale haben einen 180 -Phasenunterschied (z.b. positive und negative Absorption): Bei Bedarf können die Signale mit einer Refokussierungs-Pulsfolge wieder in Phase gebracht werden. Die obige Vektordarstellung der INADEQUATE Pulsfolge gibt eine Idee, wie das Experiment funktioniert, ist aber ungenügend zur genauen Beschreibung. Dazu muss man z.b. auf den Produktoperatorformalismus zurückgreifen. 7

1D INADEQUATE von Cyclooctanol: Antiphasen-Signale für jedes C-Atom, bei einigen (C-2, C-3 und C-4) sogar zwei. Dies liegt daran, dass jedes dieser Atome prinzipiell zwei verschiedene 13 C-Nachbarn haben kann, z.b. C-2 kann mit C-1, in einem anderen Molekül aber auch mit C-3 koppeln. (Ferner sind unterschiedliche J-Kopplungen & Isotopeneffekte auf die chemische Verschiebung möglich.) 13 C (ppm) 8

Ein anderes Beispiel (Cyclohexanon) mit refokussierten Dubletts: optimiert auf kleine Kopplungen, n J CC (n>1) optimiert auf große Kopplungen, 1 J CC normales { 1 H}-BB- 13 C-NMR-Spektrum 9

In einem 1D- 1 H-NMR-Spektrum kann man Kopplungspartner daran erkennen, dass sie die gleichen Kopplungskonstanten zeigen. Normalerweise sind J HH innerhalb eines Moleküls deutlich unterschiedlich; Kopplungspaare sind also voneinander unterscheidbar. Dies gilt bei den J CC aber oft nicht (siehe Beispiele). Wenn nicht an einem der Partner ein elektronegativer Substituent (z. B. O) hängt, sind die Kopplungskonstanten 1 J CC üblicherweise in einem Bereich von 32-35 Hz. Dann wird es sehr schwierig, die einzelnen Kopplungspaare zu identifizieren. Da ist es einfacher wenn auch erheblich zeitaufwändiger wenn man ein 2D INADEQUATE Spektrum aufnimmt, dafür baut man zwischen die beiden letzten 90 Pulse eine Evolutionszeit t 1 ein, in welcher sich die DQ-Magnetisierung entsprechend ihrer chemischen Verschiebung (ν A +ν X!) entwickeln kann: 90 x - τ - 180 y - τ - 90 x - t 1-90 φ τ - sollte für 1D & 2D für die J CC, die man detektieren will eingestellt sein: τ = (2n + 1)/ (4J cc ) Allgemein verwendet man das 1D INADEQUATE zur Bestimmung der J cc und das 2D um zu sehen, welche C miteinander koppeln umso die Verknüpfung entlang Kohlenstoffkette bzw. ring zuzuordnen (mehr siehe auch Friebolin). 10

Schematische Darstellung 2D INADEQATE Pulssequenz und Spektrum: F1 ( 13 C-DQ = ν meas. ) ν meas. = ν A + ν X 2ν 1 ν 1 = Trägerfrequenz von Puls Von (auch Vektordarstellung & symmetrische Variante): http://www.chem.queensu.ca/facilities/n mr/nmr/webcourse/inadequat.htm F2 ( 13 C, ppm) C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7 11

Alternativ kann die Verknüpfung der C-Atome über ein symmetrisches, COSYähnliches 2D INADEQATE (2D 13 C- 13 C-COSY) bestimmt werden. diagonal-symmetrisches Spektrum wie COSY beide Achsen normale 13 C Verschiebung in ppm Auch hier ist die Größe der Kopplungskonstanten nur von untergeordneter Bedeutung (wenn sie nur die Größenordnung erreicht, für die das Experiment optimiert wurde). Die Information zur Identifizierung der Kopplungspartner kommt aus der Existenz von Kreuzsignalen (cross peaks). 12

Ausschnitt des 13 C, 13 C-COSY-Spektrums von Cyclooctanol: 1 2 2 3 3 4 4 5...... HO 2 1 3 4 5 Ausgehend von Signal von C-1 (δ = 71) führt ein Konnektivitätsweg (gestrichelte Linie) in einer eindeutigen Art zu allen anderen C-Atomen. Die Signale in der Spur über dem 2D-Spektrum sind in- Phase, weil dieses 1D-Spektrum ein sog. Magnitude- Spektrum ist, d.h. die Speicherinhalte wurden quadriert, sodass die Phaseninformation verloren geht. 13

13 C, 13 C-COSY-Spektrum von Pregnenolon (Ausschnitt: Aliphatenteil). 13 12 13 14 13 18...... s. Alkenbereich Die punktierten Linien zeigen den Weg zur Identifizierung der Signale der drei aliphatischen Nachbarn von C-13 (C-12, C-14 und C-18). Es wurde das gesamte Spektrum gemessen einschließlich der Signale der olefinischen und des Carbonyl- C s. Für sämtliche C-C-Paare wurde ein Kreuzsignal gefunden außer für C(-16)=C(-17). Warum? 14