NMR (Kernmagnetische Resonanz, Nuclear Magnetic Resonance) Horst Friebolin: Wiley, VCH, ISBN-10: 3527315713, 49,90 Euro 1
NMR historisch Isidor Isaac Rabi Nobelpreis 1944 Weist in Molekularstrahlexperiment den resonanten Übergang zwischen Kernspinzuständen nach 2
NMR historisch H 2 O Bloch EtOH "hochaufgelöst" Purcell Felix Bloch Edward Mills Purcell Nobelpreis Physik 1952 Erster Aufnahmen von NMR Spektren in kondensierter Materie 3
NMR historisch Richard R Ernst Nobelpreis Chemie 1991 Mehrdimensionale, hochaufgelöste NMR 4
NMR historisch Kurt Wüthrich Nobelpreis Chemie 2002 Strukturbestimmung von Biomakromolekülen in Lösung 5
NMR historisch Paul Lauterbur, Sir Peter Mansfield Nobelpreis Medizin 2003 Bildgebende Verfahren, Kernspintomographie 6
NMR Grundlagen Die meisten Kerne haben Kerndrehimpuls Kreisel-Modell des Kernspins 7
NMR Grundlagen Die meisten Kerne haben Kerndrehimpuls Kreisel-Modell des Kernspins. Mögliche Orientierungen für Spin-1/2 und Spin-1 Kerne in Magnetfeld. Die Spins nehmen den Winkel Θ (54.73 bzw. 45 ) gegenüber der Z-Achse ein. 8
NMR Grundlagen Tabelle 1.11 Friebolin 9
NMR Grundlagen Die magnetischen Momente präzisieren mit der Larmorfrequenz Öffnungswinkel 54,44 10
NMR Grundlagen Im externen magnetischen Feld überwiegen die parallelen Spinzustände was zu einer makroskopischen Magnetisierung M 0 führt 11
NMR Grundlagen Tabelle 1.11 Friebolin rel. Sensitivität: Bei konst. B und gleicher Kernzahl abs. Sensitivität: rel. Sensitivität * Häufigkeit 12
NMR Grundlagen Die relevante Energie: γ-rays X-rays UV VIS IR μ-wave radio 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 0 10 2 wavelenght (cm) B 0 [Tesla] Resonanzfrequenz [MHz] 1 H 13 C 235 2.35 100 25.15 5.87 250 62.90 9.4 400 100.61 11.75 500 125.76 18.97 800 201.16 19 T entspicht ca. 600.000 fachem des Erdmagenetfelds 13
NMR Grundlagen CW-Spektrometer N,S) Polschuhe von Magnet A) Sweepspulen (mit ihnen wird das Feld durchgefahren) B) Empfängerspule. Die Spule des Senders mit konstanter RF Frequenz ist orthogonal (entlang der x- Achse) 14
Der Puls Graphische Darstellung des Pulses in der Zeitdomäne τ p = Pulsdauer p Frequenzkomponente des Pulses τ p = Pulsdauer Bandbreite ca. ν 1 - τ -1 p bis ν 1 + τ -1 p 15
Der Puls Frequenzkomponente des Pulses τ p = Pulsdauer Bandbreite ca. ν 1 - τ -1 p bis ν 1 + τ -1 p z.b. τ p = 10-5 s regt Frequenzband von ca. 10 5 Hz an. Hinreichend, i um alle Kerne eines Isotops anzuregen. 16
Der Pulswinkel Nach 90 Puls sind beide Energieniveaus gleichbesetzt, aber die Magnetisieungsdipole in Phasenkoärenz. 17
Das rotierende Koordinatensystem Die dreidimensionale Darstellung wird jetzt in rotierendes Koordinatensystem überführt. 18
Der Pulswinkel Die Magnetisierung in xy Richtung ist jetzt einfach darstellbar 19
Der Pulswinkel Die Magnetisierung in xy Richtung ist jetzt einfach darstellbar 20
Der Pulswinkel Schematische Darstellung eines NMR Experiments mit 90 Puls 21
Der Pulswinkel 90 180 Signal von Wasser mit unterschiedlichen Pulslängen aufgenommen 22
Relaxation: Spin Gitter Wechselwirkungen Z-Komponente der Magnetisierung geht nach 1...100 s wieder in Gleichgewichtszustand über 23
Messung der Spin Gitter Relaxation IRFT Experiment 180 90 Detektion Z-Komponente der Magnetisierung ist nicht direkt beobachtbar aber: Inversion Recovery Fourier Transformation Methode möglich 24
Messung der Spin Gitter Relaxation IRFT Experiment Detektion Detektion Z-Komponente der Magnetisierung ist nicht direkt beobachtbar aber: Inversion Recovery Fourier Transformation Methode möglich 25
Messung der Spin Gitter Relaxation IRFT Experiment Detektion Z-Komponente der Magnetisierung ist nicht direkt beobachtbar aber: Inversion Recovery Fourier Transformation Methode möglich 26
Messung der Spin Gitter Relaxation IRFT Experiment 27
Messung der Spin Gitter Relaxation IRFT Experiment ln (M 0 -M τ ) 28
Relaxation: Spin Spin Wechselwirkungen XY-Komponente der Magnetisierung geht in 10-500 ms verloren 29
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment 30
Der Pulswinkel Das Signal Die Magentisierung im rotierenden Koordinatensystem entspricht einem pulsierenden magnetischen Vektor in X und Y-Richtung Die resultierende elektromagenetische Welle kann mit Detektor nachgewiesen werden 31
Fourier Transformation XY-Komponente der Magnetisierung geht in 10-500 ms verloren 32
Fourier Transformation XY-Komponente der Magnetisierung geht in 10-500 ms verloren 33
Das klassische PFT-Experiment XY-Komponente der Magnetisierung geht in 10-500 ms verloren 34
Fourier Transformation Free Induction Decay FID 1 H-NMR von CHI 3 35
Fourier Transformation 36
Fourier Transformation 13 C-NMR von 13 CH 3 OH 37
Fourier Transformation 38
Phasenkorrektur Spektrum ohne Phasenkorrektur Mit Phasenkorrektur 39
Spektrenakkumulation 75 Scans Schnelle Erfassung von labilen Intermediaten möglich 7500 Scans Niedriges Signal / Rauschverhältnis 15 N-NMR von BSA mit oxoperoxonitrat / CO 2 Addukt 40
NMR Probenvorbereitung Lösungsmittel: zur 1 H-NMR deuterierte Lösungsmittel einsetzbar 41
NMR Probenvorbereitung 42
Fourier Transformation Bei schneller Relaxation werden die Linien verbreitert (z.b. Eisensalze in der Probe) 43
NMR Spektrometer Erschütterungsfreie, stabile Aufstellung von Grossgerät 44
NMR Spektrometer Starkes Magnetfeld erfordert hohen technischen Aufwand 45
NMR Spektrometer B 0 Probenkopf 46
LC NMR 47
Integration 3 Gruppen von Protonen 3 : 4.5 : 4.5 Als Zusammensetzung 2 : 3 : 3 4 : 6 : 6 etc Erfassung von genügend Punkten nötig Ethylacetat 48
Chemische Verschiebung 90 MHz Spektrum Tieffeld e Hochfeld TMS (Si(CH 3 ) 4 ) bei 90.000.000 Hz, CH 3 Br bei 90.000.237Hz... 49
Chemische Verschiebung Chemische Verschiebung δ = ν Substanz - ν Referenz ν Referenz Angabe in ppm (Korrektur um Faktor 10 6 ) da Δν im Hz Bereich und ν im MHz Bereich Dimensionslos, unabhängig von B 0 50
Chemische Verschiebung Einfluss der Ladungsdichte: Der diamagnetische Abschirmungsterm σ dia Magnetfeld induziert in Elektronenhülle Strom der am Kernort Gegenfeld induziert CH 3 F CH 3 OCH 3 CH 3 I CH 3 CH 3 CH 3 Li 3 3 3 3 3 3 3 1 H δ(ppm) 4.26 3.24 2.16 0.88-1.9 EN F 4.1 O 3.5 I 2.1 C 2.5 Li 0.97 Trotz EN Unterschied Platztausch wegen freien Elektronenpaaren im I "Wenige e -" tiefes Feld "Viele e -" hohes Feld 51
Chemische Verschiebung 52
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss 53
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss Magnetische Anisotropie von Nachbargruppen σ N abgeschwächt ht verstärkt 54
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss Magnetische Anisotropie von Nachbargruppen σ N z.b. 55
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss σ N Magnetische Anisotropie von Nachbargruppen Ringstromeffekt σ R z.b. Tieffeldverschiebung 56
Ringstromeffekt 57
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss σ N Magnetische Anisotropie von Nachbargruppen σ R Ringstromeffekt Elektrische Feldeffekte σ e ph 58
Chemische Verschiebung Zusätzlich σ para Paramagnetischer Abschirmungsterm Berücksichtigt, dass Ladungsverteilung nicht kugelsymmetrisch sein muss σ N Magnetische Anisotropie von Nachbargruppen σ R Ringstromeffekt Elektrische Feldeffekte σ e σ = σ dia + σ para + σ n + σ R + σ e +... 59
Tabellen für Chemische Shift 60
Inkrementenmethode Regel von Shoolery für X-CH 2 -Y δh = 0,23 + Ix + Iy δh = 7,27 + Σ I 61
Inkrementenmethode 62
Chemische Verschiebung http://www.colby.edu/chemistry/pchem/scripts/marvinweb/smibsmarv.html 63
Chemische Verschiebung Berechnet (Gemessen) 1: 47.1 (45) ppm: +sp3+na+ao+nb+csp2o+me 3: 173.9 ppm (191): +C=O+nA+Asp3OR+nB+nA+nB 5: 31.0 ppm (34): +sp3+na+nb+bcoo+c-mtna+nb+na+nb 6: 21.8 ppm (24): +sp3+na+nb+co+csp2o+na+nb 7: 30.0 0 ppm (33): +sp3+na+nb+na+nb 8: 129.0 ppm (145): +sp2+na+nb++na' 9: 127.0 ppm (129): +sp2++na'+na+nb+ac=c 10: 144.5 ppm (151): +sp2+na+nb+ac=c++na'+b'sp2o+b sp2o 11: 121.5 ppm (130): +sp2++na'+na+nb+bo 12: 191.7 (193) ppm: +C=O+nA+Asp2C+nB+Bsp2C http://www.colby.edu/chemistry/pchem/scripts/marvinweb/smibsmarv.html 64
Chemische Verschiebung http://www.acdlabs.com/products/spec_lab/predict_nmr/ 65
Computer Assisted Structure Elucidation (CASE) Find the constitution of an unknown molecule upon evidence from spectroscopic data, in particular from NMR. A typical set of information used to prepare a structure elucidation run consists of: * the molecular formula (high-resolution mass spectrometry) * 1D carbon nmr data * 1JCH NMR correlation data, like CH COSY, HMQC, HSQC * long-range CH or NH correlation data from HMBC, NH HMBC * HH correlation data http://sourceforge.net/projects/seneca 66
Computer Assisted Structure Elucidation (CASE) http://sourceforge.net/projects/seneca 67
Computer Assisted Structure Elucidation (CASE) Genetic algorithms http://sourceforge.net/projects/seneca 68
Computer Assisted Structure Elucidation (CASE) Genetic algorithms: Cross over von vielversprechenden Strukturen http://sourceforge.net/projects/seneca 69
Verschiebungsreagenzien 70
Verschiebungsreagenzien 71
Verschiebungsreagenzien 72
Chirale Derivatisierungsreagenzien od. anderes Enantiomer Mosher Ester JACHS 1973, 95, 512 73
Spin Spin Kopplung O C H H H H R O C H H H H R CH 3 CH 2 O H H H H H H H H Ethylacetat O C H H H R O C H H H R M lti li ität l M 2 I 1 Z hl d ä i l t N hb 74 Multiplizitätsregel: M = 2n I + 1 n = Zahl der äquivalenten Nachbarn Intensitäten mit Pascalschem Dreieck
Spin Spin Kopplung 500 MHz 60 MHz 75
Spin Spin Kopplung 76
Spin Spin Kopplung 15x Vergrössert 77
Spin Spin Kopplung 78
Selektive Spinentkopplung CH 3 CH 2 O Ethylacetat 79
Selektive Spinentkopplung CH 3 CH 2 O Ethylacetat 80
Selektive Spinentkopplung 81
Selektive Signalunterdrückung Lösungsmittelunterdrückung z.b. bei HPLC NMR (Signal HDO bei 4.05 und Acetonitril bei 1.93 unterdrückt). Damit auch mit nichtdeuterierten Lösungsmitteln HPLC-NMR möglich 82
Breitbandentkopplung A) Normale Messung B) Entkopplung der Methylgruppe yg C) Breitbandentkopplung J CC tritt aufgrund der Isotopenhäufigkeit nicht dominant auf 83
Breitbandentkopplung A) Normale Messung B) Entkopplung der Methylgruppe yg C) Breitbandentkopplung J CC tritt aufgrund der Isotopenhäufigkeit nicht dominant auf 84
Breitbandentkopplung A) Normale Messung B) Entkopplung der Methylgruppe yg C) Breitbandentkopplung J CC tritt aufgrund der Isotopenhäufigkeit nicht dominant auf 85
Breitbandentkopplung Höherer Empfindlichkeitsgewinn durch Entkopplung als aus Zusammenlegung der Linien zu erwarten wäre. 86
Kern Overhauser Effekt (NOE) E z.b. A = 1 H; X = 13 C 87
Kern Overhauser Effekt (NOE) 88
Kern Overhauser Effekt (NOE) Offene Balken: Besetzung im Gleichgewicht 89
Kern Overhauser Effekt (NOE) Schwarze Balken: Anteile, die bei Sättigung der A Übergänge von N1 und N2 übertragen werden 90
Kern Overhauser Effekt (NOE) Situation bei Einstrahlung 91
Kern Overhauser Effekt (NOE) Jetzt: Durch W 0 und W 2 Übergänge (erlaubt bei Relaxation) neues Gleichgewicht 92
Kern Overhauser Effekt (NOE) Relevanter Unterschied für Detektion von X wird durch W2 Vergrössert 93
Kern Overhauser Effekt (NOE) Relevanter Unterschied für Detektion von X wird durch W0 Verkleinert 94
Kern Overhauser Effekt (NOE) 95
Kern Overhauser Effekt (NOE) 96
Kern Overhauser Effekt (NOE) eingestrahlt erhöht 97
Kern Overhauser Effekt (NOE) stark erhöht eingestrahlt 15 nicht erhöht, also H unter der Ringebene 18 11 17 13 98
Kern Overhauser Effekt (NOE) erhöht eingestrahlt erhöht Somit beide Protonen an C 20 zuzuordnen 99
Der Pulswinkel Nach 90 Puls sind beide Energieniveaus gleichbesetzt, aber die Magnetisieungsdipole in Phasenkoärenz. 100
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Nomenklatur der Pulse im rotierenden Koordinatensystem 101
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Einfluss der Pulse auf einen magnetischen Vektor der in y' Richtung liegt 102
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Einfluss von x' und y' Pulsen auf beliebige magnetische Vektoren A und B. 103
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Einfluss von x' und y' Pulsen auf beliebige magnetische Vektoren A und B. 104
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Einfluss von x' und y' Pulsen auf beliebige magnetische Vektoren A und B. 105
Eindimensionale NMR mit komplexen Pulsfolgen Einfluss von 180 Pulsen auf magnetische Vektoren A und B. 106
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment Beispiel: Zwei Kerne A und B im inhomogenen Magnetfeld 107
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment Θ von Magnetfeldinhomogenität abhängig Beispiel: Zwei Kerne A und B im inhomogenen Magnetfeld 108
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment Beispiel: Zwei Kerne A und B im inhomogenen Magnetfeld 109
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment Beispiel: Zwei Kerne A und B im inhomogenen Magnetfeld 110
Bestimmung von T2: Spin Echo Experiment Beispiel: Zwei Kerne A und B im inhomogenen Magnetfeld t= h Signale unabhängig von B lokal refokussiert 111
J-moduliertes Spin Echo Experiment C quartär Spezialfall t=1/j(c,h) 112
J-moduliertes Spin Echo Experiment C quartär CH Spezialfall t=1/j(c,h) 113
J-moduliertes Spin Echo Experiment C quartär CH CH 2 Spezialfall t=1/j(c,h) 114
J-moduliertes Spin Echo Experiment Spezialfall t=1/j(c,h) 115
J-moduliertes Spin Echo Experiment (APT) COOH 2 9 3 1 H BB entkoppeltes 13 C NMR 116
J-moduliertes Spin Echo Experiment Situation nach 90 X' Puls 117
J-moduliertes Spin Echo Experiment Situation nach 90 X' Puls 118
J-moduliertes Spin Echo Experiment Situation nach 90 X' Puls 119
J-moduliertes Spin Echo Experiment Situation nach 90 X' Puls 120
J-moduliertes Spin Echo Experiment Situation nach 90 X' Puls z.b. CHCl 3 121
J-moduliertes Spin Echo Experiment Koordinatensystem rotiert mit γ l I Situation dreier Kerne mit unterschiedlichen chemischen Verschiebungen und unterschiedlichen J(CH) nach 90 x' τ Dann BB Entkopplung 122
J-moduliertes Spin Echo Experiment Signalintensität von Kopplungskonstante abhängig 123
Gepulste Feldgradienten 124
Gepulste Feldgradienten a,c ) Nach 90 x' b,d) Im linearen Feldgradienten führt Auffächerung zu Abnahme der Quermagnetisierung 125
Spin-Echo Experiment mit gepulstem Feldgradienten y'! y! Keine Veränderung, da rotierendes Koordinatiensystem y'! 126
Spin-Echo Experiment mit gepulstem Feldgradienten Int. Oligoparabenzamid Diffusion in isotropischer / anisotropischer Phase von Flüssigkristallen Flüssigkristalle Gradient 127
Selective Population Inversion (SPI) Normal Dublett J(CH) = 209 Hz z.b. AX-Zweispinsystem ( 13 CHCl 3 ) A-Übergänge im 1 H beobachtbar, X-Übergänge im 13 C 15x Vergrössert Nach 180 A 2 Puls Nach 180 A 1 Puls 128
INEPT Experiment 1 H Richtungsänderung g 13 C 129
INEPT Experiment Besetzungszahlen nach 1 H 90 y' Puls Vergleich mit SPI ohne Einstrahlung A 2 Einstrahlung A 1 Einstrahlung identisch 130
INEPT Experiment 1 H M H Cα M H Cβ M H Cα CHCl 3 M H Cβ M H Cα M H Cα M H Cβ M H Cβ M H Cβ M H Cβ M H Cα M H Cα M H Cα 13 C M H Cβ 131
INEPT Experiment Normal INEPT CH Verstärkte Signale mit positiver und negativer Amplitude CH 2 Ideal: Mittlere Linie wird 0 die anderen um Faktor 2γ( 1 H)/γ( 13 C) verstärkt CH 3 Ideal: Vier Signale um Faktor 3γ( 1 H)/γ( 13 C) verstärkt Quartäre C geben kein Signal 132
INEPT Experiment INEPT Mit CH Kopplungen 1 H-BB-Entkoppelt C2 C3 CH 3 COO 133
Refokussiertes INEPT Experiment τ τ CH: Δ= 1/(4J(CH)) CH2: Δ= 1/(8J(CH)) CH2: Δ~ 1/(8J(CH)) Immer Kompromiss erforderlich 134
INEPT Experiment Refokusiertes INEPT mit 1 H-BB-Entkopplung Refokusiertes INEPT INEPT Mit CH Kopplungen 1 H-BB-Entkoppelt C2 C3 CH 3 COO 135
DEPT Experiment Subspektrum Subspektrum Subspektrum BB entkoppeltes 13 C 136
DEPT Experiment 1 H 90 x' 180 x' Θ y' BB 90 x' 180 x' 13 C 137
DEPT Experiment 138
DEPT Experiment DEPT 135 139
Selektives TOCSY Experiment 140
INADEQUATE Experiment 141