NMR

• Kernspinresonanzspetroskopie (engl. nuclear magnetic resonance)

• Spektroskopie: Gruppe experimenteller Verfahren, bei denen die WW elektromagnetischer Strahlung mit der Materie untersucht wird

• Elektromagnetische Strahlung: elektrische Feldstärke, Magn. Flussdichte, Wellenlänge, Ausbreitungsrichtung

• Unten: Chem Verschiebung (Lage der Signale): elektronische Umgebung der Kerne

• Rechts: Feinaufspaltung (Signalform): Anzahl/Arten der Nchbarkerne

• Mitte: Intensität (Integral): Anzahl chem. Äqu. Kerne

• Bestimmung von Verunreinigungen

• Abschätzung chem. Reaktivität

• Bestimmung von Rkt.kin.

• Analyse von Proteinstruktur/Dynamik in Lsg.

• Analyse intramol. WW

Radiowellen

Wellenlängen im UKW (1-10m) und Dezimeterbereicvh (UHF-Frequenzbereich)

Kerspin: Gesamtdrehimpuls P eines Atomkerns um seinen Schwerpunkt

P durch Kernspinquantenzahl I bestimmt:

• Nur Kerne mit I nicht gleich 0 haben Eigendrehimpuls

• Kerne mit P magnetisch aktiv -> nötig für NMR

• Chem. Elemente haben mind 1 Isotop mit I nicht gleich =

• I Werte: 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2… bis 6

• In Anweundg nur Kerne mit I= 1/2 wichtig

• I qualtitativ vorhersagbar:

  I= n/2

• Für gg-Kerne: n= 0

  -> kein NMR möglich

  Bsp: 12C, 16O, 24Mg, 28Si

• Für uu-Kerne: n= gerade -> l=1,2,3…

• Für ug- und gu- Kerne: n=ungerade -> l=1/2, 3/2, 5/2…

  Bsp: für l=1/2: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P

  -> klassische NMR kerne

• wird vom Kernspin erzeugt

• Mü ist proportional zum Eigendrehimpuls P

• Proportionalitätsfaktor ist gyromagnetuisches Verhälntis (Sigma)

• Sigma ist kernspez Konstante

• Formel für magnetisches Moment:

• Beliebige Ausrichtung von mü bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes

• -> alle Kerzustände haben die gleiche Energie

• Bei externen Magnetfeld: Aufhebung der Entartung:

  • Anlegung eines homogenen statischem Magnetfeld B0

  • -> Ausrichtung entlang/entgegen des externen Feldes

  • -> Präzision der magn. Momente um B0-Achse

• Aufspaltung von Spektrallinien durch Magnetfeld

• Grund: Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände durch äußeres Magnetfeld -> Wirkung des Magnetfeldes auf magn. Moment der Atomhülle oder des Kerns

• Aufspaltung von Delta bei Kernen geringer als bei e-, da kleinerer magn. Moment des Kerspin’s

• Mögliche Zustände: 2l+1 (Zeeman Levels):

• Bei Ausrichtung der Kernspin im magn. Feld -> präzession der magn. Momente um die z-Achse

• Frequenz der Präzessionsbewegung: Larmorpräzession

• Präzession um z-Achse kann die Ausrichtung entlang oder entgegen der Feldrichtung der Feldrichtung erfolgen:

Delta E der Spinzustände alpha und beta sind von Magnetfeldstärke B0 und dem Betrag des gyromagn. Verhältnisses gamma abhängig

-> stärkeres Magnetfeld und größerer gyromagn. Verältnis -> größere energetische Aufspaltung (gut für NMR)

• Larmorfrequenz: benötigte Energie um Spin von alpha-Zustand in beta-Zustand zu überführen

• für Übergang gilt Resonanzbedingung:

->prop. Zur Stärke des Magnetfeldes und zum gyromagn. Verhältnis

• Bei Einstrahlung von elektromagn. wellen (ihre Frequenz ist genau die der Larmofrequenz der Kerne bei der Flussdichte B0) -> Übergänge zwischen Energieniveuas

  -> Absoerption (Übergnang von alpha nach beta)

  -> Emission (Übergang von beta nach alpha) elektromagn. Strahlung

• Am Anfang: Alpha Zustand dominiert (stärkere Besetzung) -> Messung Absorption

  -> Resonanzfreque bestimmen:

  Veränderung der Frequenz bei konst. Magnetfeld (Frequenz- Sweep)

  Veränderung des Magnetfelds bei konst. Frequenz (Feld- Sweep)

• Problem: geringe Empfindlichkeit

• Emission nimmt immer weiter zu -> Übergang in tiefere EN -> Energie wird frei

• Bald Gleichbesetzung der Kernspinniveaus -> Sättigung:

  • Gleiche Wahrscheinlichkeit für Absorption und Emmision (nicht beobachtbar)

• Abnahme der Magnetuisierung in y-Richtung aufgrund von Relaxationsprozessen

• system kehrt in GGW-Zustand zurück und induziert oszillierenden Strom in Emepfängerspule

• Abklingende Messsignal = freier Induktionsabfall (FID: Free Induction Decay)

• FID gibt Infos über Resonanzfrequenzen Aller Kerne, die durch Radiofrequenzpuls ausgelenkt wurden

• Messung des Abfalls der Quermagnetisierung als Funktion der Zeit ->FID

• Durch FT wird das Spektrum als Funktion der Frequenz bezeichnet

• Umrechnung von Zeitdomäne in Frquenzdomäne:

CW-NMR: einzelne, sequenzzielle Erfassung der Resoanznfrequ. -> langsam (10-20min pro Messung)

• FT-NMR: gleichzeitige Erfassung aller Resonanzfreque. -> sehr schnell (wenige Sek. )

  • Ermöglicht routinemäßige Überlagerung mehrerer FIDs zur Erhöhung der Empfindlichkeit (Spektrenakkumulation)

    • 1H-NMR: typischerweise wenig Duzend

    • 13C-NMR: mehrere Tausend

Signal-zu Rausch Verhältnis (SNR oder S/N) erhöht sich die prop. Mit der Wurzel aus der Anzahl der Einzelmessungen n:

• Rel. in Richtung des äuzßeren Feldes (longitudinal) oder senkrecht dazu (transversal)

• Longitudinal: Spin-Gitter-Relaxation

  Relaxation in Richtung des äußeren Feldes

  Abgabe von Energie an Umgebung

  Beschr. Durch Relaxationszeit T1

• Transversale Relaxation: Spin-spin-Relaxation

  Rel. senkrecht zur Richtung des äußeren Feldes

  Spins verlieren Phasenkohärenz

  Verhältnis N1/N0 bleibt gleich -> entr. Getriebener Prozess

  Beschreibung durch Relaxationszeit T2

-> T1 und T2 beeinflussen Intensität und Linienbreite

-> Magnetfeld-Inhomogenitäten -> Beschl. Der Transversalen Relaxation (T2*) -> muss minimiert werden

Für T2* Gilt:

Bew. Der neg gel. E- erzeugt Magnetfeld (Blokal) -> wirkt dem angelegten äußeren Magnetfeld B0 entgegen

-> verringertes Magnetfeld Beff wirkt am Kern

-> Kerne werden von e- abgeschirmt

-> chem. Nicht äqu. Kerne ergeben getrennte Resonanzsignale

Beispiel:

Abschirmung steigt mit zunehmender Elektronendichte um den Kern

• Aufspaltung von DeltaE abhängig von der Sträke des Magnetfeldes B0

• starke Magnetfelder -> größere Aufspaltung -> größerer Besetzungsunterschied -> gut für NMR

• Problem:

  Versch. B-Felder -> versch. Resonanzfrequ. Desselben Kerns und somit gilt hier:

-> geben die chem. Verschiebung Gamma im Vergleich zu einem festen Referenzpunkt an

Durch Normierung auf Spektrometerfrequenz wird gamma von der Stärke des Magnetfelds unabhängig

Tetramethylsilan (TMS) -> Zugabe als interner Standard

-> 12 chem. Äqu. Protonen -> geringe Mengen geben starkes Signal

-> starke Abschirmung wegen geringer Elektronennegativität des Si-Zeitrums -> Signal außerhalb des f. org. Moleküle typischen Bereichs

-> chem. Inert und leicht flüchtig -> Einfache Entfernung aus Probe

-> chem. Verschiebung von TMY ist definitionsgemäß 0

-> höhere Flussdichte B0 -> Signale werden schmaler ABER chem. Versch. Bleibt gleich

-> höhere Magnetfeldstärken führen zur Entzerrung von überlagerten Signalen

• Verschiebung nach links auf der ppm-Skala: Tieffeldverschiebung

• … nach rechts: Hochfeldverschiebung

• Stammt aus Feld-Sweep Technik: entschiedet Kerne absorbieren bei geringeren Magnetfeldstärken (und umgekehrte

Chem. Verschiebung steigt mit zunehmender EN des Nachbaratoms

• Anisotropieeffekte bei Verbindungen mit DoBi und Dreifachbindungen

• Ringstromeffekte in Aromaten

• Intermolekularer WW

• Mehrfachbind: freie pi-e- erzeugen ein zusätzliches Magnetfeld

• Magn. Suszeptibilitäten: d.h. Die durch das äußere Feld B0 ind. Magnetisierungen , sind alle 3 Raumrichtungen der Bindung untersch. -> Anisotriopie

• Abschirmung des betrachteten Kern in Gegenwart von Merhfachbind. abhängig von der geometrischen Lage innerhalb der Verbindung

• Bei C-C DoBI:

  • Abschirmung oberhalb und unterhalb der Bindungsebene verstärkt (+)

  • In Moelkülebene herabgesetzt (-)

  • Wirkt noch der e-Zug des Carbonyl-O-Atoms -> verstärkt den Entschirmungseffekt

• Bei C-C Dreifachbindungen:

  • Alkine sp-Hypridisierung -> höhere Azidität als Alkene und Alkane

    -> stärkere entschirmung

  • Anisortrope wirken dem entgegen

    -> verstärkte Abschirmung in Verlängerung der CC-Bindungsache

    -> verringerte Abschirmung um CC-Bindungen

• Protonen in arom. Systemen (Außenseite) haben geringe Abschirmung

• Grund: Ringstromeffekt!

• Äußeres Magnetfeld B0 induziert in Ringebene einen Strom mit pi-e- (Ringstromeffekt) -> erzeugt Masgnetfeld

• Magnetfeld innerhalb des Ringes entgegengerichtet zum äußeren Feld B0

• Außerhalb des Rings ist in Richtung von B0 gerichtet und verstärkt dieses

  -> geringe Abschirmung von Protonen auf der Ringaußenseite

• Bei aromatischen Annulenen oder Cyclophanen: Protonen, die das Innere des arom. Systems gerichtet sind und sind stärker abgeschirmt

  • Geringe (oft negative) chem Verschiebung

• Bsp: Benzyl oder Allypositionen

• Alpha-Position bei Carbonylverbindungen

• Beteiligung eines Protons an H-Brücken verringert Abschirmung:

  • Tieffeldverschiebung

  • starke T-, c-, und Mediumabhängigkeit

  • Verbreiterung der Resonanzsignale durch Austauschphänomene und dynamische h-Brückenbau bei NH/OH-Gruppen

• Lösungsmitteleffekte:

  • NMR-Spektren lösemittelabhängig

  • Verschiebung der Resonanzsignale durch WWs mit LM

  • LM-Effekte bei polaren Gruppen am stärksten

• Isochrone Kerne haben gleiche chem. Verschiebung

• Kann zufällig oder durch chem. Äquivalenz bedingt sein

• Kerne sind chem. Äquivalent wenn durch Symmetrieoperationen ineinander überführt werden können oder durch schnelle intramol. Bew. Identisch werden

• Protonen einer Methylgruoppe durch Rotation ineinander überführbar (freie Rotationvum Einfachbindung)

• Beiden Methylgruppen in Ethan spiegelsymmetrisch

• axiale und äquatoriale Protonen im Cyclohexan nicht durch Symmetrieoperationen ineinander überführt werden, nur durch Umklappen des Rings

• Umklappen des Rings bei RT schnell im Vergleich zu NMR Zeitskala (t1/2 << 1s) -> nur ein gemitteltes Signal

• bei tiefen R (-90 Grad) Umklappen langsam -> chem. Äqu. Aufgehoben

  -> 2 scharfe Signale

• T Erhöhung -> Verbreiterung der Signale

• T bei der beide Signale verschmelzen: Koaleszenztemperatur (Tc)

• T>>Tc: scharfes, gemitteltes Signal (vm)

• Intensität

• Fläche = Maß für Kernanzahl, Protonenverhältnis

• bei 13C: geringere natürliche Häufigkeit der Kerne, Verwendung von Messmethoden die die absolute und relative Intensität der Signale beeinflussen (NO Effekt)

  —> Aussagekraft der Signalfläche begrenzt

• WW der magnetischen Momente der Kerne

• abstand benachbarter signale: Kopplungskonstante J [Hz]

• Direkte: WW Kerne durch den Raum

• indirekt: Kopplung über Bindungselektronen

Multiplizität= n+1 (n = Anzahl Nachbar H Atome)

—> Einflusskaftoren: Substituenten, Bindungszustände, Bindungswinkel

• Ethylverbindungen:

• Cycloalkane: us Kopplungskonst zw axial & äquatorialen Protonen —> Konformation

liegt vor, wenn chem äquivalente Kerne mit allen anderen koppelnden Kernen dieselbe Kopplungskonstante aufweisen

1. Ordnung: nur Singuletts

2. Ordnung: regelmäßige Linienaufspaltung, Signale gehorchen n+1 Regel

höhere Ordnung: komplex, chem Verschiebung & Kopplungskonstanten können nicht mehr direkt aus dem Spektrum abgelesen werden

Übergang von spektren 1. —> höherer Ordnung

Verschiebung Intensitätsverhältnis einzelner Linien eines Multipletts

nimmt zu je geringer Abstand zwischen koppelnden Signalen

Linien auf Seite des koppelnden Signals vergrößern sich, die auf der abgewandten Seite werden kleiner

• chemische Verschiebungen

• intensitäten

• Kopplungen

Abstand Signal zum Standard (chem Verschiebung von 0)

Ursache: Abschirmende Effekte durch Elektronen

rechts: Alkyl Bereich (1-4 ppm)

links: Aryl / aromat Bereich: 7-8 ppm

13C: 0-220 ppm

heteronucleare Kopplung mit Wasserstoff

—> unübersichtliche Spektren

—> Breitbandentkopplung: Aussschaltung der 13C/ 1H Kopplungen

—> nur noch Singuletts sofern keine 19F/ 31P Kerne enthalten

—> Breitbandentkopplung

• Zusätzlich zu 13C werden Protonenresonanzfrequenzen eingestrahlt

• Übergänge aller Protonen werden gesättigt (N1=N0)

• Protonen wechseln sehr schnell ihre Ordnung, 13C Atome erkennen us Spinzustände nicht —> keine Kopplung

• intensivere 13C Signale durch größeren Besetzungsunterschied der 13C Kerne

• wirkt über Raum

—> deuterierte (sonst Störsignale durch Protonen)

Kalibrierung durch restprotonensignale