Kernspinresonanzspektroskopie

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Kernspinresonanzspektroskopie
Der Magnet eines 300-MHz-NMR-Spektrometers

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie von englisch nuclear magnetic resonance) ist eine spektroskopische Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. Dies erm√∂glicht die Aufkl√§rung der Struktur und der Dynamik von Molek√ľlen sowie Konzentrationsbestimmungen.

Da die Methode auf dem magnetischen Moment der Atomkerne beruht, sind nur Nuklide mit ungerader Massen- oder Ordnungszahl einer NMR-spektroskopischen Untersuchung zugänglich, da nur diese einen magnetischen Atomkern haben können. In der Organischen Chemie und Biochemie spielen 1H-, 15N- und 13C-NMR-Spektroskopie eine wichtige Rolle.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Felix Bloch, 1961

Als Ursprung der Kernspinresonanzspektroskopie kann man das Atomstrahlexperiment von Otto Stern im Jahr 1922 ansehen.[1] Er konnte zeigen, dass ein Strahl von Silberatomen durch ein Magnetfeld in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die den beiden Spinzust√§nden zugeschrieben wurden. Das Experiment ist in der Physik als Stern-Gerlach-Versuch bekannt. Stern erhielt f√ľr diese Arbeiten 1943 den Nobelpreis f√ľr Physik.

Die ersten Kernspinresonanz- und ESR(Elektronenspinresonanz)-Experimente f√ľhrte Isidor Isaac Rabi, der 1944 mit dem Nobelpreis f√ľr Physik ausgezeichnet wurde, mit einer modifizierten Stern-Gerlach-Anordnung durch. Er zeigte, dass einer der Halbstrahlen verschwand, wenn man auf ihn mit Hilfe einer Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld geeigneter Frequenz (n√§mlich der Larmorfrequenz) einstrahlte.[2] Das erste erfolgreiche Magnetresonanzexperiment in kondensierter Materie f√ľhrte E. K. Zavoisky in Kasan an der Wolga im Jahr 1944 durch.[3] Es handelte sich allerdings um ein ESR-Experiment. 1946 ver√∂ffentlichten Felix Bloch und Edward Mills Purcell unabh√§ngig voneinander erstmals erfolgreiche NMR-Experimente in fl√ľssiger und fester Phase. Sie erhielten daf√ľr den Nobelpreis f√ľr Physik im Jahr 1952.[4] Die ersten erfolgreichen NMR-Experimente in Europa f√ľhrte Harry Pfeifer in Leipzig im Jahr 1951 durch.

Nachdem kurz darauf die Aufspaltung der Spektren durch chemische Verschiebung und skalare Kopplung erkannt wurde, begann die Kernspinresonanzspektroskopie sich zu einer wichtigen Methode in der chemischen Strukturaufkl√§rung zu entwickeln. Zun√§chst wurde haupts√§chlich die Continuous-Wave-(CW)-Methode benutzt, bei der durch Variation der Frequenz oder des Feldes die Resonanzen nacheinander angeregt wurden.[5] 1947 reichten Russell Varian und Felix Bloch ein Patent ein f√ľr das erste Kernspinresonanz-Spektrometer. Das erste kommerzielle Kernspinresonanz-Spektrometer baute 1952 die Firma Varian Associates in Palo Alto. Um 1955 baute die japanische Firma Jeol ebenfalls NMR-Spektrometer. Die US-amerikanische Biophysikerin Mildred Cohn setzte in den fr√ľhen sechziger Jahren die Kernspinresonanz-Spektroskopie zur Aufkl√§rung metabolischer Prozesse auf molekularer Ebene ein.[6] Ihre bahnbrechenden Pionierarbeiten auf diesem Gebiet m√ľndeten in Methoden und Anwendungen, die noch heute von vielen Forschern genutzt werden.

Kurt W√ľthrich

Da die CW-Technik durch ein schlechtes Signal-Rausch-Verh√§ltnis gekennzeichnet war, entwickelte ab Mitte der 1960er Jahre Richard R. Ernst (Nobelpreis f√ľr Chemie 1991) bei der Firma Varian ein Puls-Fourier-Transformation-NMR-Spektrometer (FT-NMR), das eine wesentlich schnellere Aufnahme der Spektren erm√∂glichte, was ‚Äď bei gleicher Messzeit ‚Äď im Vergleich zu den CW-Spektrometern eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit und damit des Signal-Rausch-Verh√§ltnisses bedeutete.[7] Bereits in den Jahren 1949 und 1950 wurden von Hahn und Torrey die ersten Pulsverfahren untersucht.[8] Die ersten kommerziellen Kernspinresonanz-Impulsspektrometer wurden Mitte der 1960er Jahre von der deutschen Firma Bruker[9] (gegr√ľndet von G√ľnther Laukien, einem der NMR-Pioniere in Deutschland) in Karlsruhe von einer Gruppe um Bertold Kn√ľttel und Manfred Holz gebaut. Es folgte die Einf√ľhrung von Breitbandentkopplung und von Mehrpulsverfahren. Nach einer Idee von Jean Jeener wurden ab Anfang der 1970er Jahre Mehrpulsexperimente mit einer systematisch variierten Wartezeit zwischen zwei Pulsen entwickelt, die nach Fourier-Transformation √ľber zwei Zeitbereiche zu zweidimensionalen Spektren f√ľhrten.

Kurt W√ľthrich und andere bauten diese 2D- und Multi-Dimensions-NMR zu einer bedeutenden Analysetechnik der Biochemie aus, insbesondere zur Strukturanalyse von Biopolymeren wie Proteinen. W√ľthrich bekam f√ľr diese Arbeiten 2002 den Nobelpreis in Chemie.[10] Im Gegensatz zur R√∂ntgenstrukturanalyse liefert die Kernspinresonanz-Spektroskopie Strukturen von Molek√ľlen in L√∂sung. Von besonderer Bedeutung ist die M√∂glichkeit, detaillierte Informationen √ľber die Molek√ľldynamik mit Hilfe von Relaxationsparametern zu gewinnen.

Physikalischer Hintergrund

Quantenmechanische Grundlagen

Veranschaulichung der Präzession eines Atomspins um ein externes Magnetfeld

Teilchen und Atomkerne, die einen Kernspin \vec{I} besitzen, haben als rotierende Ladungsträger ein magnetisches Moment, das oft mit \vec{\mu} bezeichnet wird. Das magnetische Moment von Atomkernen kann in einem äußeren Magnetfeld nicht jede beliebige, sondern nur bestimmte, durch die Quantenmechanik beschriebene Orientierungen einnehmen. Die Zahl der möglichen Orientierungen wird durch die Kernspinquantenzahl I bestimmt (siehe: Multiplizität). Zu jeder Kernspinquantenzahl I existieren 2I + 1 Orientierungen und jeder Orientierung ist eine magnetische Kernspinquantenzahl mI zugeordnet.

Beispiele:

  • Wasserstoff-Kern mit Kernspin I = ¬Ĺ : zwei Orientierungen mit mI = +¬Ĺ und ‚ąí¬Ĺ
  • Deuterium-Kern mit Kernspin I = 1 : drei Orientierungen mit mI = +1, 0 und -1

Ohne ein √§u√üeres Magnetfeld sind die mit mI gekennzeichneten Zust√§nde energetisch gleich (siehe Entartung (Quantenmechanik)). In Anwesenheit eines √§u√üeren Magnetfeldes entstehen Energiedifferenzen (Zeeman-Effekt). Kernresonanz-Ph√§nomene beruhen auf der Anregung von Kernspin-√úberg√§ngen zwischen solchen mI-Zust√§nden. Die dazu ben√∂tigte Energie őĒE ist proportional zur St√§rke des √§u√üeren Magnetfeldes B0 und zum gyromagnetischen Verh√§ltnis ő≥ des betrachteten Atomkerns:

\Delta E = \hbar \gamma B_0 = \hbar \omega_0

Diese Energie wird durch Einstrahlen von resonanten elektromagnetischen Wellen eingebracht. Die Resonanzfrequenz wird in der NMR als Larmor-Frequenz ŌČ0 bezeichnet und liegt im Radiowellen-Bereich. G√§ngige NMR-Spektrometer arbeiten bei Protonen-Resonanzfrequenzen zwischen 300 MHz und 1 GHz.

Wenn alle 1H- oder 13C-Atome die exakt gleiche Larmor-Frequenz h√§tten, w√§re die NMR-Methode zur Strukturaufkl√§rung wenig interessant. Tats√§chlich h√§ngen aber die Resonanzfrequenzen von den individuellen, atomar aktiven Magnetfeldern ab. Diese lokalen Magnetfelder k√∂nnen in ihrer St√§rke vom Hauptmagnetfeld abweichen, beispielsweise durch den Einfluss der elektronischen Umgebung eines Atomkerns oder durch magnetische Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomkernen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird die Kernresonanzspektroskopie zur Strukturaufkl√§rung von Molek√ľlen eingesetzt.

Messverfahren der Kernresonanzspektroskopie

Aufbau eines NMR-Spektrometers

Zur Messung bringt man die Probe in ein homogenes magnetisches Feld, das sogenannte Hauptmagnetfeld. Die Probe wird von einer Induktionsspule umgeben, welche ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld senkrecht zum Hauptmagnetfeld erzeugt. Dann variiert man die Stärke des Hauptmagnetfeldes, bis der Resonanzfall eintritt (Continuous-Wave-Verfahren, veraltet). Alternativ kann auch die magnetische Feldstärke konstant gehalten und die Frequenz des eingestrahlten Wechselfeldes variiert werden (engl. continuous field, veraltet). Wenn der Resonanzfall eintritt, die Probe also Energie aus dem Wechselfeld aufnimmt, verändert sich die Stromstärke, welche zum Aufbau des Wechselfeldes benötigt wird. Dies kann man messen.

Moderne Messverfahren strahlen nicht mehr kontinuierliche Wechselfelder in die Probe ein, sondern Radiowellen-Pulse. Ein kurzer Radiowellenpuls regt dabei ein Frequenzband an, dessen Frequenzbreite √ľber die Fourier-Beziehung umgekehrt proportional zur Pulsdauer ist. Dadurch werden in der Probe alle √úberg√§nge, die in dieses Frequenzband fallen, gleichzeitig angeregt. Bei korrekter Wahl von Pulsdauer und Pulsleistung kann die Magnetisierung der angeregten Kernspins in die Transversalebene senkrecht zum Hauptmagnetfeld gebracht werden. Nach Beendigung des Pulses oszilliert diese Transversalmagnetisierung f√ľr kurze Zeit senkrecht zum Hauptmagnetfeld. Dabei oszilliert jeder Kernspin mit seiner individuellen Larmor-Frequenz. Diese Summe dieser Oszillationen wird als elektrischer Strom √ľber elektromagnetische Induktion mit der gleichen Induktionsspule detektiert, die auch zum Senden des Anregungspulses gedient hat. Das empfangene Signal wird digitalisiert und aufgezeichnet. Mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation ist es m√∂glich, die individuellen Larmor-Frequenzen aus der Summe der Oszillationen zu extrahieren, um ein NMR-Spektrum zu erhalten. Darum tragen moderne NMR-Verfahren den Namen PFT-NMR f√ľr Pulsed Fourier Transform NMR Spectroscopy. F√ľr dieses Verfahren bleibt das Hauptmagnetfeld statisch, √ľblicherweise wird es mit Hilfe von supraleitenden Elektromagneten erzeugt, die mit fl√ľssigem Helium und Stickstoff gek√ľhlt werden.

Relaxation

‚Üí Hauptartikel: Relaxation (NMR)

Bei der PFT-NMR existieren drei Relaxationsprozesse, die einerseits die Leistungsf√§higkeit der PFT-NMR einschr√§nken, aber andererseits einzigartige Informationen zur Molek√ľl-Dynamik und Material-Inhomogenit√§ten liefern k√∂nnen. Die T1-Relaxation ist der Prozess der R√ľckkehr der Kernspins vom angeregten Zustand zum thermischen Gleichgewicht unter Abgabe der bei der Anregung aufgenommenen Energie als W√§rme. Wird zwischen zwei NMR-Experimenten (scans) nicht die vollst√§ndige T1-Relaxation abgewartet, so steht f√ľr jedes weitere nur eine gewisse, geringere Magnetisierung und damit Signalintensit√§t zur Verf√ľgung. Falls eine kurze Repetitionzeit gew√ľnscht ist, muss auch der Anregungswinkel (auf den sog. Ernst-Winkel) verkleinert werden, um trotzdem ein m√∂glichst starkes Signal zu erhalten. Die T2-Relaxation ist die Dephasierung der Transversalmagnetisierung aufgrund entropischer Effekte, die mit der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung benachbarter Atomkerne zusammenh√§ngt. Hier wird keine Energie abgegeben, da die Spins im angeregten Zustand verbleiben, aber die Transversalmagnetisierung l√§uft von einem Vektor zun√§chst zu einem F√§cher und zuletzt zu einer Kreisfl√§che auseinander, so dass kein NMR-Signal mehr in der Detektionsspule induziert wird. Befinden sich zus√§tzlich Magnetfeldinhomogenit√§ten in der Probe, sei es durch Imperfektionen des Hauptmagnetfeldes oder durch Suszeptibilit√§tsunterschiede innerhalb der Probe, wird statt der T2-Relaxation die beschleunigte T_2^*-Relaxation beobachtet.

Die T_2^*-Relaxation bzw. T2-Relaxation beschränkt die Lebensdauer des NMR-Signals direkt nach der Anregung. Das NMR-Signal wird darum als gedämpfte Schwingung, als FID (free induction decay) gemessen. In der Praxis wird die T2-Relaxationszeit mit Hilfe der Spin-Echo-Methode gemessen.

Die T1-Relaxation limitiert, wie schnell man NMR-Experimente hintereinander ausf√ľhren kann. Die T1-Relaxation und die T2-Relaxation h√§ngen stark von der Dichte und Viskosit√§t/Rigidit√§t der Probe ab.

Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie

Ein inh√§rentes Problem der NMR-Spektroskopie ist ihre vergleichsweise geringe Empfindlichkeit (schlechtes Signal-Rausch-Verh√§ltnis). Dieses ist darauf zur√ľckzuf√ľhren, dass die Energiedifferenzen der mI-Zust√§nde klein und die Populationsunterschiede zwischen den Zust√§nden im thermischen Gleichgewicht sehr gering sind (Boltzmannverteilung).

Das Besetzungsverh√§ltnis  \left(p_\alpha/p_\beta\right) der beiden beteiligten Energiezust√§nde kann durch deren Energiedifferenz im Verh√§ltnis zur thermischen Energie bei gegebener Temperatur T ausgedr√ľckt werden:

 \frac { p_\alpha } { p_\beta }\ = e^{ \big( \frac{E_\beta - E_\alpha}{kT}\ \big)}

Darin ist k die Boltzmann-Konstante. Die Energiedifferenz entspricht dabei der Energie eines Energiequants ( \mathit{h} \cdot \nu ), das ein Teilchen vom g√ľnstigeren in den ung√ľnstigeren Zustand bef√∂rdert (Grundgleichung der Spektroskopie). Bei einer Resonanzfrequenz von 600 MHz und einer Temperatur von 0 ¬įC bzw. 273 K ergibt sich ein Wert von ungef√§hr e0,0001, also sehr nahe bei eins. Daher sind schon im thermischen Gleichgewicht fast gleich viele Kerne im angeregten Zustand wie im Grundzustand. Zum Vergleich: Sichtbares Licht besitzt um einen Faktor von etwa 1 Million h√∂here Frequenzen. Folglich haben √úberg√§nge, die durch sichtbares Licht angeregt werden, Besetzungsunterschiede von etwa e100, liegen also vollst√§ndig im Grundzustand vor, was die Spektroskopie im sichtbaren Bereich wesentlich empfindlicher macht.

Die Empfindlichkeit ist somit im Wesentlichen von drei Faktoren abhängig:

  • Temperatur (Abh√§ngigkeit 1/T)
  • Unterschied der Energiezust√§nde őĒE (proportional zu Magnetfeldst√§rke B0 und isotopspezifischer Konstante ő≥
  • H√§ufigkeit des Isotops

Die Faktoren ő≥ und Isotopenh√§ufigkeit lassen sich durch die relative Empfindlichkeit Er ausdr√ľcken. Dabei wird 1H als Referenz mit der relativen H√§ufigkeit 1 verwendet. Somit ergibt sich f√ľr ein Isotop mit Spin I und dem gyromagnetischen Verh√§ltnis ő≥i bei gleicher Temperatur, gleichem magnetischen Feld und gleicher Isotopenh√§ufigkeit die relative Empfindlichkeit Er:

 E_r = \frac { 4 } { 3 }\ I (I + 1) \left (\frac { \gamma_i } { \gamma_H } \right)^3

Multipliziert man diesen Wert mit der nat√ľrlichen H√§ufigkeit des Isotops, erh√§lt man die absolute Empfindlichkeit Eabs..[11] Seltener wird die relative Empfindlichkeit auch zu 13C als Referenz angegeben.

Um die Empfindlichkeit zu steigern, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen:

  • Messung m√∂glichst empfindlicher Nuklide (besonders 1H)
  • Anreicherung magnetischer Nuklide, deren nat√ľrliche H√§ufigkeit gering ist (z. B. 13C bzw. 15N). Das wird z. B. bei Proteinen oft gemacht.
  • Signal-Akkumulation durch mehrfache Messung einer Probe und Addition aller Spektren
  • Erh√∂hung der Magnetfeldst√§rke B0 durch Einsatz st√§rkerer (supraleitender) Magnete.
  • Senkung der Temperatur der Probe
  • Verringereung des elektronischenRauschens durch K√ľhlung der Empf√§nger (Kryoelektronik).
  • Verwendung von Hyperpolarisationsmethoden, um die Besetzungsunterschiede k√ľnstlich zu vergr√∂√üern.
  • Ausnutzen des Kern-Overhauser-Effekts (NOE)
  • √úbertragung der Magnetisierung empfindlicher Kerne (1H) auf unempfindlichere (13C) (Kreuzpolarisation CP)

Die Senkung der Temperatur und die Erh√∂hung der Magnetfeldst√§rke √§ndern das thermische Besetzungsgleichgewicht der mI-Zust√§nde, so dass mehr Kernspin-√úberg√§nge angeregt werden k√∂nnen. Mit Hilfe der Hyperpolarisation kann ein Besetzungs-Ungleichgewicht erzeugt werden, das stark vom thermischen Gleichgewicht abweicht und in dem der energetisch g√ľnstigste mI-Zustand fast vollst√§ndig besetzt ist.

Zur Optimierung der Signaldetektion wird rauscharme Elektronik verwendet. Der Einsatz von elektrischen Schwingkreisen begrenzt die Detektion auf ein schmales Frequenzband im Bereich der erwarteten Larmor-Frequenz, d.h. die Detektion von St√∂rsignalen und von Rauschen aus anderen Frequenzbereichen wird unterdr√ľckt.

Die Signal-Akkumulation dient dazu, das Signal-Rausch-Verh√§ltnis zu verbessern. Eine NMR-Messung wird n-mal auf identische Weise durchgef√ľhrt und die gemessenen Signale der einzelnen Messungen werden addiert. Durch diese Akkumulation nimmt die NMR-Signalst√§rke um den Faktor n zu, w√§hrend statistisches Rauschen nur um den Faktor \sqrt{n} zunimmt. Da zwischen NMR-Experimenten die vollst√§ndige T1-Relaxation der Spins erfolgen sollte und die T1-Relaxation organischer Substanzen einige zehn Sekunden dauern kann, kann die Signal-Akkumulation zu einer erheblichen Verl√§ngerung der Messdauer f√ľhren.

F√ľr typische Messungen sind je nach Experiment und Messzeit ca. 10 nmol bis 1 ¬Ķmol Substanz notwendig (typische Probenmenge: 1 mL einer L√∂sung mit einer Konzentration von 10 ¬Ķmol/L bis 1 mmol/L).

Auflösungsvermögen

Die erreichbare Aufl√∂sung eines Pulsspektrometers ist invers proportional zu L√§nge des FID-Signals. Neben der transversalen Relaxation (T2) der Probe wird sie von der Inhomogenit√§t des B0-Feldes in der Probe bestimmt. Das Ausgleichen von Magnetfeld-Inhomogenit√§ten erfolgt √ľber das sog. Shimming. Dazu werden im Spektrometer mit Hilfe elektrischer Str√∂me schwache Magnetfelder zus√§tzlich zum Hauptmagnetfeld B0 erzeugt, mit denen lokale Inhomogenit√§ten zum Teil ausgeglichen werden k√∂nnen. Die erh√∂hte Homogenit√§t des resultierenden Gesamtmagnetfeldes reduziert die T_2^*-Relaxation, wodurch das NMR-Signal langlebiger wird.

Anwendungsgebiete

NMR-Spektren k√∂nnen am einfachsten f√ľr Molek√ľle aufgenommen werden, die sich in L√∂sung befinden und nicht mit paramagnetischen Substanzen in Wechselwirkung stehen. NMR-Spektroskopie an paramagnetischen Substanzen und an Festk√∂rpern ist ebenfalls m√∂glich, die Interpretation der Spektren und die Aufbereitung der Proben f√ľr die Messung sind aber in beiden F√§llen deutlich komplexer. Bez√ľglich der NMR an Festk√∂rpern vgl. auch Magic-Angle-Spinning.

Die hochaufl√∂sende Kernresonanzspektroskopie in L√∂sung wird heute in gro√üem Ma√üstab f√ľr folgende Aufgaben verwendet:

  • Zum zerst√∂rungsfreien Nachweis von Inhaltsstoffen einer Probe
  • Zur Bestimmung von Molek√ľlstrukturen (von kleinen Molek√ľlen bis hin zu Proteinen und Nukleins√§urefragmenten)
  • Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molek√ľlen

Neben spektroskopischen Untersuchungen vermittelt auch die Bestimmung von Kernspin-Relaxationszeiten Informationen √ľber die Struktur und Dynamik von Materialien. In Fl√ľssigkeiten z.B., deren Mikrostruktur und -Dynamik mit herk√∂mmlichen Methoden nur schwer erforscht werden kann, k√∂nnen Abst√§nde zwischen molekularen Nachbarn und molekulare Umorientierungszeiten, die typischerweise im Pico- bis Nanosekunden- Bereich liegen, mittels Relaxationszeitmessungen bestimmt werden.

Unterschiedliche Kernspin-Relaxationszeiten in verschiedenen biologischen Geweben bilden auch die Basis f√ľr die in der Medizin als bildgebendes diagnostisches Verfahren genutzte Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie). Magnetresonanztomographie-Methoden finden au√üer in der medizinischen Diagnostik auch zunehmend Anwendungen in den Ingenieur- und Geowissenschaften.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Untersuchung der translatorischen Molek√ľldynamik, also von Diffusion und Flie√übewegungen von Molek√ľlen oder Molek√ľlaggregaten in Fl√ľssigkeiten und Festk√∂rpern mittels Feldgradienten-NMR.[12] Mit der sogenannten diffusion-ordered-spectroscopy (DOSY) kann in Mischungen die translatorische Beweglichkeit der, NMR-spektroskopisch identifizierten, Einzelkomponenten gemessen werden.

Methoden zur Strukturaufklärung in der organischen Chemie

Chemische Verschiebung und Integration von Signalen

Die Resonanzfrequenzen werden nicht als Absolutwerte, sondern als chemische Verschiebung gegen√ľber einer Referenzsubstanz, dem so genannten Standard, angegeben. Die chemische Verschiebung ist definiert als

\delta = \frac{\nu_\mathrm{H(Probe)} - \nu_\mathrm{H (Standard)}}{\nu_\mathrm{H (Standard)}} ,

wodurch sie unabh√§ngig von der Feldst√§rke des gerade verwendeten Magneten wird. Da die Werte der chemischen Verschiebung sehr klein sind, werden sie in ppm angegeben. Als Standard f√ľr 1H- und 13C-Spektren organischer L√∂sungen wird die Resonanzfrequenz der jeweiligen Kerne in Tetramethylsilan (TMS) verwendet. W√§hrend fr√ľher jeder Probe einige Milligramm TMS zugesetzt wurden, bezieht man sich heutzutage in der Regel auf die bekannte chemische Verschiebung der Restprotonen des deuterierten L√∂sungsmittels.

Die chemische Verschiebungen von Wasserstoffkernen in organischen Molek√ľlen wird durch die Art der funktionellen Gruppen beeinflusst. Je nach der Struktur des Molek√ľls weichen die chemischen Verschiebungen gleicher funktioneller Gruppen leicht voneinander ab, so dass das NMR-Spektrum charakteristisch f√ľr eine Substanz ist. Au√üerdem werden sie auch durch benachbarte Molek√ľle in der Probe beeinflusst, so dass in unterschiedlichen L√∂sungsmitteln oder in der Reinsubstanz unterschiedliche relative und absolute Resonanzfrequenzen der Protonen einer Probe auftreten. Bei starken Wechselwirkungen zwischen Substanz und L√∂sungsmittel treten dabei auch Unterschiede von mehreren ppm auf. Mit Hilfe der Shoolery-Regel kann die chemische Verschiebung abgesch√§tzt werden.

Die relative Anzahl der einem bestimmten Signal zugrundeliegenden Wasserstoffatome ist bei einfacher 1H-Spektroskopie proportional zum Flächeninhalt (dem Integral) des betreffenden Signals.

Durch Auswertung dieses Integrals kann also beispielsweise bestimmt werden, wie viele Wasserstoffatome eines Molek√ľls sich an Methylgruppen, an Aromaten, an Carboxygruppen, an Doppelbindungen usw. befinden. Diese Kenntnis ist f√ľr die organische Chemie bei der Bestimmung von Strukturen √§u√üerst wichtig.

Wasserstoffatome typische chemische Verschiebungen őī [ppm]
H3C‚Äď 0,9
H3CCR=C 1,6
H3C‚ÄďAr 2,3
H3C‚ÄďCO‚ÄďR 2,2
H3C‚ÄďOR 3,3
R2C‚ÄďCH2‚ÄďCR2 1,4
‚ÄďC‚ÄďCH2‚ÄďCl 3,6
Ar-H 6,8 bis 7,5 (bis 8.5 bei Heteroaromaten)
R-CHO 9 bis 10
R‚ÄďCOOH 9 bis 13
ROH 0,5 bis 4,5

Skalare Kopplung

Durch die skalare Kopplung werden die Spinzust√§nde durch in ihrer Nachbarschaft befindliche weitere Kerne mit von Null verschiedenem Spin unabh√§ngig vom anliegenden externen Feld in energetisch unterschiedliche Niveaus aufgespalten, deren Zahl von der Anzahl m√∂glicher unterschiedlicher Orientierungen der einzelnen Spins abh√§ngt. Diese Kopplung wird durch die Spins der die Bindung zwischen den Teilchen bildenden Elektronenpaare vermittelt, ihre Wirkung ist gew√∂hnlich √ľber bis zu vier Bindungen feststellbar. Kerne, die chemisch und spin-symmetrisch gleich sind, koppeln nicht miteinander (sie sind magnetisch √§quivalent).

Aus dem dadurch beobachteten Kopplungsmuster kann der Spektroskopiker die Nachbarschaftsverhältnisse der einzelnen Kerne, und damit in vielen Fällen die vollständige Struktur einer Verbindung erschließen.

Mitunter kann es hilfreich sein, f√ľr die Strukturaufkl√§rung eine bestimmte oder alle Kopplungen zu unterdr√ľcken. Dazu wird ein Radiosignal mit der Frequenz eines Kernes oder einer ganzen Gruppe von Kernen (Breitbandentkopplung) eingestrahlt, das √ľbrige Spektrum verh√§lt sich dann so als w√§re der entsprechende Kern nicht vorhanden, da dessen Besetzungsunterschied dann null ist. 13C-Spektren werden standardm√§√üig 1H-entkoppelt, da sie durch die √úberlappung der Kopplungsmuster der einzelnen Kerne sonst oft uninterpretierbar w√§ren. Au√üerdem wird die geringe Empfindlichkeit der Methode durch die fehlende Aufspaltung verbessert.

In anisotropen Proben (Substanzen mit kristallinen Anteilen) wird der richtungsabh√§ngige Teil der skalaren Kopplung, sowie die dipolare Kopplung, nicht mehr zu null ausgemittelt. Solche Proben zeigen gro√üe, feldunabh√§ngige Aufspaltungen, bzw. Linienverbeiterungen von mehreren kHz f√ľr 1H-Spektren.

Funktionsprinzip

Die Kernsuszeptibilit√§ten sind wesentlich geringer als die diamagnetischen und paramagnetischen Suszeptibilit√§ten (Faktor:104). Bei Dia- und Paramagnetismus sind die Elektronen des Atoms f√ľr die Suszeptibilit√§t verantwortlich. Bei Kernen kann die Suszeptibilit√§t mit der Langevin-Debye-Formel bestimmt werden.

Fr√ľher wurden NMR-Resonanzen mit einer Br√ľckenschaltung in Schwingkreisen bestimmt. Bloch und Mitarbeiter nutzten zwei identische Schwingkreise, d. h. zwei Spulen und zwei Kondensatoren, um einen Abgleich mit einer Br√ľckenschaltung vorzunehmen; eine Spule als Sender eine als Empf√§nger. Es ist aber auch m√∂glich, eine Br√ľckenschaltung mit nur einer Spule herzustellen. Dieses Verfahren wurde von Purcell genutzt.

Vor der Probenvermessung wird die Br√ľcke mit der zu messenden Frequenz abgeglichen. Mit Gleichungen aus der Physik kann man f√ľr einen Schwingkreis und eine Br√ľckenschaltung die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, den Scheinwiderstand und die Stromlosigkeitsbedingungen einer Br√ľcke berechnen.

In die Spule kommt nun ein Substanzröhrchen hinein. Ein Magnetfeld (mit einem Permanentmagneten oder Elektromagneten) wird dann horizontal zur Spulenachse erzeugt. Bei einer ganz bestimmten Frequenz und einer bestimmten Magnetfeldstärke und nur bei Anwesenheit einer Substanzprobe (mit entsprechenden Atomkernen) wird der Schwingkreis verstimmt. Im Oszilloskop oder mit einem Schreiber ist diese Verstimmung sichtbar.

Sehr bedeutsam war die Bestimmung der r√§umlichen Magnetisierung durch das angelegte Magnetfeld. Bloch f√ľhrte f√ľr alle Raumrichtungen Berechnungen durch und konnte die schwingungsabh√§ngigen Suszeptibilit√§ten f√ľr die Raumrichtungen ableiten (Bloch-Gleichungen). Ungekl√§rt blieb jedoch noch die Frage der Relaxationszeit, das hei√üt, der Zeitdauer bis der angeregte Kernspin auf das Grundniveau zur√ľckf√§llt. Mittels paramagnetischer Salze konnte dann die Relaxationszeit von reinen Wasserstoffprotonen auf etwa drei Sekunden berechnet werden.

Wasserstoffkerne konnten auch bei sehr geringen Frequenzen (wenige kHz) und einem sehr schwachen Magnetfeld durch Schwingkreisverstimmung nachgewiesen werden. Interessant wird die Methode f√ľr die Strukturaufkl√§rung von komplexen Molek√ľlen jedoch erst bei hohen Frequenzen (ab 60 MHz) und st√§rkeren Magnetfeldern (1,4 Tesla), da sich dann die chemischen Verschiebungen von unterschiedlichen Wasserstoffatomen komplizierter Verbindungen deutlicher unterscheiden. Will man jedoch nicht nur ein einziges Signal auf dem Oszilloskop sehen, sondern mehrere unterschiedliche Wasserstoffatomkerne (oder andere Kerne) so muss ein ganzes Frequenzband eingestrahlt werden.

Fr√ľher ‚Äď bis in die 1970er Jahre ‚Äď nutzten die NMR-Spektrometer das Continuous-Wave-Verfahren (CW), um das Spektrum einer komplexen Verbindung abzutasten.

Heute ist die Puls-Fourier-Transformation (PFT) √ľblich. Hierbei wird ein Hochfrequenzimpuls eingestrahlt. Dieser Impuls enth√§lt ein ganzes Band an Schwingungen.

Die bereits angesprochene Abh√§ngigkeit der Energieniveaus der Kernspins von der Molek√ľlstruktur r√ľhrt in erster Linie von der Wechselwirkung der Elektronenstruktur der Molek√ľle mit dem √§u√üeren Magnetfeld her: Hierdurch entsteht in der Elektronenh√ľlle ein Induktionsstrom, welcher wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das dem √§u√üeren entgegen gerichtet ist. Dadurch wird das Magnetfeld am Atomkern geschw√§cht, die Frequenz der f√ľr den √úbergang notwendigen Strahlung ist also kleiner als im Falle eines nackten Atomkerns. Die Differenz hei√üt chemische Verschiebung und wird √ľblicherweise im Verh√§ltnis zur f√ľr den nackten Atomkern n√∂tigen Frequenz angegeben. Chemische Verschiebungen liegen √ľblicherweise im Bereich von 0‚Äď5000 ppm.

Das magnetische Feld wird am Atomkern durch die Ausrichtung weiterer magnetischer Momente in der unmittelbaren Umgebung beeinflusst. Befindet sich beispielsweise ein Kern mit zwei Ausrichtungsm√∂glichkeiten in der N√§he, so kann dieser das Feld verst√§rken oder abschw√§chen. Dies f√ľhrt zu einer Aufspaltung des Signals, man spricht von einer Kopplung. Weil die chemische Verschiebung im Wesentlichen von der Elektronendichte am Atomkern abh√§ngt, kann man f√ľr Atomkerne in chemisch √§hnlichen Umgebungen auch √§hnliche Verschiebungen erwarten. Aus der Kopplung erh√§lt man zus√§tzlich Informationen √ľber Nachbarschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Kernen in einem Molek√ľl. Beides zusammengenommen liefert wesentliche Hinweise √ľber die Struktur des gesamten Molek√ľls.

Atomkerne mit einer ungeraden Protonen- und/oder Neutronen-Zahl besitzen einen Kernspin I. Dieser kann ganz- und halbzahlige Werte (z. B. 1/2, 1, 3/2, ‚Ķ, 9/2) annehmen: bei den sogenannten uu-Kernen ist I = n (also nur ganzzahlig: 1,2,3,...) w√§hrend bei gu- und ug-Kernen I = (2n+1)/2 ist (also halbzahlig: 1/2, 3/2, 5/2,...), bei Isotopen mit gerader Protonen- und Neutronenzahl (sogenannten gg-Kernen) ist I = 0. Von Null verschiedene Kernspins gehen mit einem magnetischen Dipolmoment einher. Die Gr√∂√üe dieses Dipolmoments wird durch das gyromagnetische Verh√§ltnis des betreffenden Isotops beschrieben. In einem √§u√üeren, statischen Magnetfeld richten sich magnetische Kernmomente entsprechend den Regeln der Quantenmechanik aus. Ein Atomkern mit I = ¬Ĺ hat die Form einer Kugel, Kerne mit I > ¬Ĺ haben eine ellipsoidische Form und haben daher zus√§tzlich ein elektrisches Quadrupolmoment ‚ÄěeQ‚Äú, welches mit elektrischen Feldgradienten wechselwirken kann (siehe auch Kernquadrupolresonanz-Spektroskopie). Diese zus√§tzliche starke, elektrische Wechselwirkungsm√∂glichkeit f√ľhrt zu breiten NMR-Resonanzlinien, die komplizierter zu interpretieren sind als die schmalen, durch gut aufl√∂sbare Kopplungen strukturierten Resonanzlinien der Spin-¬Ĺ-Kerne.

Die am meisten f√ľr die chemische Strukturaufkl√§rung genutzten Isotope sind daher Kerne mit Spin ¬Ĺ. Hierzu geh√∂ren unter anderem die Nuklide 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si und 31P. Spin-¬Ĺ-Kerne k√∂nnen nur zwei diskrete Zust√§nde annehmen, n√§mlich entweder parallel oder antiparallel zum √§u√üeren Magnetfeld. Zwischenstellungen sind quantenmechanisch verboten. Die zwei Anordnungsm√∂glichkeiten entsprechen zwei unterschiedlichen Energiezust√§nden.

Die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen ist proportional zur Stärke des Magnetfelds am Kernort. Der Proportionalitätsfaktor ist dabei das gyromagnetische Verhältnis des betreffenden Isotops. Übergänge zwischen den beiden Orientierungen der Kernmomente können durch die Einstrahlung resonanter magnetischer Wechselfelder ausgelöst werden. Die Resonanzfrequenz ist der Energieaufspaltung zwischen den beiden Kernspins proportional und wird auch als Larmorfrequenz bezeichnet.

Spindiagramm eines Atoms und mehrerer Atome

Veranschaulichen l√§sst sich dies durch das nebenstehende Diagramm. Hierbei denkt man sich ein Koordinatensystem mit dem √§u√üeren Magnetfeld entlang der z-Achse. Ein Atomkern mit einem Spin von ¬Ĺ richtet sich mit einem Spin-Vektor entweder parallel oder antiparallel zum √§u√üeren Feld aus. Wenn man nun die Vektoren mehrerer Atome in dieses Koordinatensystem aufnimmt, entstehen zwei Kegel, jeweils einer f√ľr parallel und antiparallel. Infolge des Energie-Unterschieds zwischen der parallelen und der antiparallelen Orientierung der magnetischen Kernmomente gibt es im thermischen Gleichgewicht einen Besetzungsunterschied zwischen den beiden Orientierungen. Dieser folgt in Hochtemperatur-N√§herung der Boltzmann-Verteilung und bewirkt eine √úberschussmagnetisierung in positiver Richtung entlang der z-Achse.

Das NMR-Signal kommt dadurch zustande, dass man die zu untersuchende Probe im Magnetfeld einem Radiofrequenz-Puls aussetzt. Dabei werden die Spins der einzelnen Atome durch das Magnetfeld des Pulses beeinflusst, so dass der Gesamtvektor, der sich aus den gezeigten Spin-Kegeln ergibt, gekippt wird. Er liegt nun nicht mehr parallel zur z-Achse, sondern ist um einen Winkel ausgelenkt, der proportional zur Dauer und Intensit√§t des Radiofrequenzpulses ist. Typisch sind Pulsl√§ngen von etwa 1‚Äď10 ¬Ķs. Eine maximale Quermagnetisierung senkrecht zur z-Achse wird bei einem Auslenkungswinkel von 90¬į erreicht.

Diese Quermagnetisierung verh√§lt sich wie ein magnetischer Kreisel und pr√§zediert in der Ebene senkrecht zum statischen Magnetfeld. Diese Pr√§zessionsbewegung macht sich als sehr schwaches magnetisches Wechselfeld bemerkbar, das mittels geeigneter Verst√§rker gemessen wird. Nach Beenden der resonanten Einstrahlung treten zwei Prozesse, sogenannte Relaxationsprozesse, ein, durch die die Quermagnetisierung wieder abnimmt. Das NMR-Signal wird also nach Beenden des Radiofrequenzpulses als Freier Induktionszerfall (FID; von englisch: free induction decay) gemessen. Die Zeitkonstante T_2^* dieses freien Induktionszerfalls h√§ngt von der transversalen Relaxationszeit T2 sowie von der Homogenit√§t des Magnetfelds ab. F√ľr leicht bewegliche Fl√ľssigkeiten in homogenen Magnetfeldern kann sie im Bereich von mehreren Sekunden liegen. Der FID wird durch die Frequenzunterschiede infolge von chemischer Verschiebung und Kopplung moduliert. Durch eine Fourier-Transformation kann die Verteilung der verschiedenen Frequenzen aus dem FID berechnet werden. Dies ist dann das NMR-Spektrum. Das NMR-Spektrum liefert in vielen F√§llen einen eindeutigen ‚ÄěFingerabdruck‚Äú des jeweiligen Molek√ľls. Zusammen mit Informationen aus weiteren Messungen wie z. B. der Massenspektrometrie kann aus den Spektren die chemische Struktur einer unbekannten Substanz bestimmt werden.

Kommerzielle NMR-Spektrometer f√ľr die chemische Strukturaufkl√§rung arbeiten √ľblicherweise bei magnetische Flussdichten zwischen 7 und 21 Tesla. F√ľr 1H entsprechen die Resonanzfrequenzen (Larmorfrequenzen) dann zwischen 300 und 900 MHz. Da 1H der wichtigste NMR-Kern ist, wird die Feldst√§rke von Spektrometern gew√∂hnlich in dessen Larmorfrequenz ausgedr√ľckt. Bei 1H betr√§gt die Aufspaltung der Spektren infolge unterschiedlicher chemischer Verschiebungen ca. 10 ppm. Dies entspricht also einer maximalen Bandbreite von ca. 3 kHz bei einer NMR-Frequenz von 300 MHz. Die Frequenzbandbreite der NMR-Spektren infolge der chemischen Verschiebung w√§chst proportional zum Magnetfeld an. Die chemische Verschiebung selbst ist als Verh√§ltnis der Differenz der Resonanzfrequenz des Kerns in einer bestimmten chemischen Umgebung und der Resonanzfrequenz in einer Referenzverbindung zur Resonanzfrequenz selbst definiert. Dies erlaubt einen einfachen Vergleich zwischen NMR-Spektren, die bei verschiedenen Feldern gemessen wurden. F√ľr Wasserstoff und Kohlenstoff wird Tetramethylsilan (TMS)) als Referenzsubstanz genommen. Der Bereich von chemischen Verschiebungen f√ľr Kohlenstoff und viele andere Kerne ist wesentlich breiter als f√ľr Wasserstoff und kann mehrere 100 ppm betragen. Bei einigen sehr schweren Kernen wie z. B. 207Pb werden auch chemische Verschiebungen im Bereich von Prozent beobachtet.

Puls-Fourier-Transform NMR

FID

Heutzutage arbeiten alle modernen NMR-Spektrometer mit der Puls-Technik. Bei dieser wird ein einzelner Radiofrequenzimpuls (RF-Puls) oder eine Sequenz von RF-Pulsen auf eine Probe gesandt, die sich in einem starken Magnetfeld befindet. Nach dem Abklingen des Pulses in der Empfangselektronik (Totzeit) wird der Zerfall der Magnetisierung (engl. free induction decay, FID), d. h., ihre R√ľckkehr in den Gleichgewichtszustand, √ľber die dadurch in der Empfangsspule induzierte Spannung als Funktion der Zeit detektiert. Durch Fourier-Transformation wird dieses Zeitsignal im Computer in das Frequenzspektrum (Signalintensit√§t als Funktion der Frequenz) transformiert.

Diese Messtechnik hat das fr√ľher verwendete CW-Verfahren (engl. continous wave) (s. o.) fast vollst√§ndig verdr√§ngt.

Experimentelle Größen

  • Die chemische Verschiebung einer Resonanz ist vom lokalen Magnetfeld am Kernort abh√§ngig, das wiederum von der chemischen Umgebung des betrachteten Kerns abh√§ngt.
  • Die Intensit√§t einer Resonanz ist zumeist proportional zur Anzahl der sie hervorrufenden Kerne, solange die Besetzungsunterschiede nicht durch starke Kopplung oder Suszebtibilit√§tsunterschiede ver√§ndert werden.
  • Bei den Relaxationszeiten angeregter Zust√§nde unterscheidet man zwischen longitudinaler Relaxationszeit (Spin-Gitter-Relaxation) und transversaler Relaxationszeit (Spin-Spin Relaxation). Longitudinale Relaxationszeiten bestimmen die Einstellung der Gleichgewichtsmagnetisierung. Die transversalen Relaxationszeiten bestimmen die Linienbreite der Resonanzlinien. Relaxationseffekte geben Aufschluss √ľber vorhandene Wechselwirkungen und molekulare Bewegungen.
  • R√§umlich benachbarte Kerne wechselwirken miteinander √ľber magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung (dipolare Kopplung). Diese Wechselwirkung verschwindet in isotropen L√∂sungen im zeitlichen Mittel.
  • Indirekt k√∂nnen Kerne auch √ľber chemische Bindungen miteinander wechselwirken. Diese skalare Kopplung ist f√ľr die Aufspaltung der Signale in Multipletts verantwortlich und stellt eine wesentliche Grundlage f√ľr die molekulare Strukturbestimmung mit NMR dar. Der Abstand zweier benachbarter Linien eines Multipletts wird als Kopplungskonstante, die in Hertz gemessen wird, bezeichnet.

Eindimensionale NMR-Spektroskopie

Typisches NMR-Spektrum

Die eindimensionale NMR-Spektroskopie ist die am häufigsten angewandte Strukturaufklärungsmethode der Chemie. Bei ihr wird die chemische Verschiebung eines Atoms von einer Referenzsubstanz gemessen. 1H und 13C sind die Kerne, die am häufigsten in der organischen Chemie gemessen werden, aber auch 15N, 31P, 19F und viele andere NMR-aktive Isotope können spektroskopiert werden.

Quartett-Aufspaltung

Das Aussehen der Spektren h√§ngt entscheidend von der Aufnahmeart ab. 1H-Spektren werden in der Regel nicht Breitband-entkoppelt aufgenommen. Damit haben alle Wasserstoffatome die M√∂glichkeit, ihren Spin mit anderen Kernen zu koppeln, die sogenannte Spin-Spin-Kopplung. Damit entsteht bei der charakteristischen chemischen Verschiebung eines Atoms eine f√ľr seine Umgebung charakteristische Aufspaltung des Signals, aus der Informationen √ľber die Molek√ľlstruktur abgeleitet werden k√∂nnen.

13C, 15N, 31P, 19F und andere Kerne werden häufig 1H-Breitband-entkoppelt aufgenommen, so dass die Aufspaltung der Signale aufgrund der Kopplungen zu 1H-Kernen ausbleibt.

skalare Kopplung

Der Kern eines Atoms kann mit einem benachbarten Atomkern in Wechselwirkung treten. Das kann entweder direkt (durch den Raum) oder indirekt (√ľber die Bindungselektronen zwischen den Kernen) geschehen. Bei einer fl√ľssigen Probe mittelt sich die direkte (dipolare) Wechselwirkung durch die schnelle Bewegung der Kerne im Raum aus. Erhalten bleibt die skalare Kopplung, die dadurch vermittelt wird, da√ü die (stets gepaart (‚Üď‚ÜĎ)) auftretenden Spins der Bindungselektronen unterschiedlich mit den Kernspins auf beiden Seiten der Bindung wechselwirken.

Hat ein Kern den Zustand őĪ (‚ÜĎ), so wird das (‚ÜĎ)-Elektron der Bindung von ihm abgesto√üen, h√§lt sich also eher am anderen Kern auf. Weitere von dort ausgehende Bindungen werden gleichfalls (in geringerem Ausma√ü) Spinpolarisiert. Wird so ein weiterer Kern mit I>0 erreicht, ergibt sich ein Energieunterschied zwischen dessen Zustand őĪ und ő≤ durch wiederum seine Wechselwirkung mit den Elektronen der Bindung. Solche Kopplungen sind gew√∂hnlich √ľber max. drei bis vier Bindungen nachweisbar, in konjugierten ŌÄ-Systemen z.B. aber auch weiter.

Das NMR-Signal des ersten Kerns wird dadurch zu einem Dublett aufgespalten, und das des zweiten Kerns gleichfalls, und zwar um den gleichen Betrag, da der Energieunterschied (sog. Kopplungskonstante) zwischen őĪőĪ(=ő≤ő≤) und őĪő≤(=ő≤őĪ) derselbe sein mu√ü. Durch die gleichstarke Aufspaltung ist dann die Nachbarschaft der beiden Atome im Molek√ľl nachgewiesen. Koppelt ein Kern zu zwei (oder allgemein n) gleichartigen (mit gleicher chemischer Umgebung und Spin-Symmetrie), so erh√§lt man ein Triplett (oder Quartett, Quintett, usw., also (n+1) Linien, bzw. 2nI + 1 Linien f√ľr Kerne mit I>1/2), deren relative Intensit√§ten sich (f√ľr I=1/2 - Kerne) aus der (n+1)-ten Zeile des Pascalschens Dreiecks ergeben, also 1:2:1 oder 1:3:3:1. Sind die Kopplungskonstanten unterschiedlich, so fallen die mittleren Linien nicht zusammen, man erh√§lt dann z.B. ein Dublett vom Triplett o.√§.

Beispielspektren

Als ein einfaches Beispiel dient Propan (H3C‚ÄďCH2‚ÄďCH3): Die CH2-Gruppe beim Propan hat zwei benachbarte Methylgruppen (‚ÄďCH3). Dies entspricht sechs benachbarten, √§quivalenten H-Atomen. Das Signal wird also in ein Septett aufgespalten. Die Methyl-Protonen werden von den beiden Methylen-Protonen zum Triplett aufgespalten, die 4J-Kopplung zu den drei anderen Methyl-Protonen ist zu schwach, um noch aufgel√∂st zu werden.

Sind in einem Molek√ľl mehrere unterschiedliche z. B. Methyl-Gruppen vorhanden, so √ľberlagernd sich deren Multipletts h√§ufig, wodurch sie schnell unauswertbar werden. Um solche F√§lle besser aufl√∂sen zu k√∂nnen, wird hierf√ľr vielfach auf mehrdimensionale NMR-Techniken wie COSY zur√ľckgegriffen. Da die Aufspaltung nicht feldabh√§ngig ist, der Abstand zwischen den Signalen chemisch unterschiedlicher Protonen aber schon, k√∂nnen √úberlagerungen auch durch Anwendung eines h√∂heren Feldes aufgel√∂st werden.

Erklärungen zum Spektrum von Ethanol:

Die OH-Gruppe bildet nur ein Singulett, wenn das Ethanol in w√§ssriger L√∂sung vorliegt. Das alkoholische Wasserstoffatom ist leicht acid, und wird deswegen st√§ndig durch Wasserstoffatome aus dem L√∂sungsmittel ausgetauscht. Das f√ľhrt dazu, dass keine permanenten Spin-Spin-Kopplungseffekte auftreten. In reinem Ethanol w√ľrde dort, wie wegen der CH2-Gruppe erwartet (M = n + 1), ein Triplett entstehen.

Beispiele zweidimensionaler NMR-Spektroskopie

COSY (engl. correlation spectroscopy)
Zweidimensionale Methode, bei der gleichartige Kerne (1H) (homonukleare COSY) oder verschiedenartige Kerne (heteronukleare COSY) √ľber ihre skalaren Kopplungen miteinander korreliert werden. COSY-Spektren sind symmetrisch bez√ľglich der Diagonalen. Mit COSY k√∂nnen komplizierte Kopplungsmuster r√§umlich entzerrt werden.
DOSY (engl. diffusion ordered spectroscopy)
Verfahren, bei dem mittels Feldgradienten-NMR Molek√ľle mit unterschiedlichem Diffusionsverhalten NMR-spektroskopisch getrennt erfasst werden k√∂nnen.
TOCSY (engl. total correlated spectroscopy)
Zweidimensionale Methode, bei der gleichartige Kerne (1H) √ľber ihre skalaren Kopplungen miteinander korreliert werden. TOCSY-Spektren sind wie COSY-Spektren symmetrisch bez√ľglich der Diagonalen. Zus√§tzlich zu den im COSY detektierten Signalen erscheinen im TOCSY auch Korrelationen zwischen dem Startkern und s√§mtlichen indirekt √ľber mehrere Kopplungen mit ihm verbundenen Kernen (Spinsystem). Das TOCSY-Experiment ist vor allem bei der Strukturaufkl√§rung hochmolekularer Substanzen mit r√§umlich begrenzten Spinsystemen, wie etwa Polysacchariden oder Peptiden, sehr n√ľtzlich.
HSQC (engl. heteronuclear single quantum coherence)
Zweidimensionale Methode, bei der chemische Verschiebungen unterschiedlicher miteinander skalar koppelnder Nuklide korreliert werden. Die HSQC-Spektren sind h√§ufig recht √ľbersichtlich, da gew√∂hnlich nur Signale von direkt aneinander gebundenen Atomen erscheinen. Typische Beispiele sind 1H,13C- und 1H,15N-Korrelationen.
HMBC (engl. heteronuclear multiple bond correlation)
Zweidimensionale Methode, bei der chemische Verschiebungen unterschiedlicher miteinander skalar koppelnder Nuklide korreliert werden. Im Gegensatz zum HSQC werden im HMBC Korrelationen √ľber mehrere Bindungen angezeigt. Typisch sind vor allem 1H,13C-Korrelationen.
NOESY (engl. nuclear overhauser enhancement spectroscopy)
Zweidimensionale Methode, mit der Korrelationen √ľber den Kern-Overhauser-Effekt (NOE) anstatt √ľber skalare Kopplungen detektiert werden. Mit dieser Methode k√∂nnen r√§umlich benachbarte Kerne erkannt werden, auch wenn sie nicht skalar miteinander koppeln. Es gibt sowohl homo- als auch heteronukleare Versionen. Dieses Verfahren wird h√§ufig in der Strukturaufkl√§rung eingesetzt.

All diese Varianten beruhen darauf, eine lange Reihe an Spektren aufzunehmen, und währenddessen einen Pulsparameter kontinuierlich in seiner Dauer zu verändern, wodurch sich Phase und Intensität der Spektren systematisch ändern. Durch erneute Fourier-Transformation der einzelnen Punkte der Spektren entlang dieser Zeitachse wird aus den eindimensionalen Spektren ein zweidimensionales erhalten. Durch Variation weiterer Parameter können auch höherdimensionale Spektren erhalten werden. Die benötigte Spektrenzahl und damit Meßzeit steigt dabei exponentiell an.

Niederfeld-NMR

Es gibt relativ preiswerte Niedrigfeld-NMR-Ger√§te (‚Čą 10‚Äď40 MHz), die, mit einem Permanentmagneten ausgestattet, zwar keine aufgel√∂sten Spektren liefern, daf√ľr aber in den Betriebskosten unvergleichlich g√ľnstiger (keine He-K√ľhlung) sind. Auch k√∂nnen solche Systeme portabel ausgelegt werden. Durch Analyse der 1H-Relaxationszeiten k√∂nnen Mischungsanteile von Mehrstoffsystemen (Suspensionen, teilkristalline Substanzen[13]) und, nach Kalibrierung, auch Absolutmengen von Stoffen quantifiziert werden, was besonders in der Industrie interessant ist. Messungen erfolgen dabei anstatt in einem (teuren) deuterierten L√∂sungsmittel √ľblicherweise in Substanz. Andere Kerne als Wasserstoff werden aufgrund der geringen Empfindlichkeit nur selten untersucht.

Deuterium-Kernspinresonanzspektroskopie

Deuterium (D, 2H) stellt insofern eine Besonderheit dar, weil der Spin I = 1 betr√§gt. Das hat zur Folge, dass die Linienbreite der NMR-Signale gegen√ľber 1H-Kernen gr√∂√üer ist. Die Resonanzfrequenzen liegen deutlich unter denen von 1H-Kernen (61,4 gegen√ľber 400 MHz bei 9,39 Tesla). Die Deuterium-NMR-Spektroskopie ist ungef√§hr um den Faktor 100 unempfindlicher als die 1H-NMR-Spektroskopie. Au√üerdem ist der Deuteriumanteil gegen√ľber Wasserstoff in organischen Verbindungen sehr gering (ca. 0,0159 %). Mit modernen NMR-Spektrometern stellt die Untersuchung jedoch heute kein Problem dar. Die Aufnahmen bzw. Auswertungen erfolgen mit der Fourier-Transform-Methode. Die Interpretation der Spektren ist nicht schwierig, weil die chemischen Verschiebungen praktisch identisch mit denen von 1H sind.

Mit der 2H-NMR-Spektroskopie lassen sich die Deuteriumverteilung in den einzelnen Positionen in einer organischen Verbindungen und das D/H-Verh√§ltnis bestimmen. Die Deuteriumverteilung l√§sst sich aus den Spektren direkt ablesen, das D/H-Verh√§ltnis kann man nur bestimmen, wenn man einen Standard mit einem bekanntem D/H-Verh√§ltnis benutzt. Diese Methode ist f√ľr die Analytik bedeutungsvoll, weil so eine Aussage √ľber die Herkunft einer organischen Verbindung getroffen werden kann. Dies ist einerseits darin begr√ľndet, dass der Deuteriumanteil auf der Erde unterschiedlich ist und die Ausgangsstoffe, f√ľr Naturstoffe im Wesentlichen auch Wasser, damit einen geringf√ľgigen Unterschied im Deuteriumgehalt aufweisen. Andererseits ist bei den Synthesewegen der kinetische Isotopeneffekt von Bedeutung. So weist z.B. Ethanol in Weinen aus unterschiedlichen Regionen eine unterschiedliche Deuteriumverteilung im Molek√ľl bzw. ein unterschiedliches D/H-Verh√§ltnis auf. Das gleiche gilt f√ľr alle Naturstoffe und somit kann man inzwischen f√ľr viele dieser Stoffe eine Herkunft bzw. die Syntheseart, auch ob nat√ľrlich oder synthetisch, zuordnen. [14]
Bei aus G√§rungsprozessen hergestelltem Ethanol l√§sst sich insbesondere auch √ľber das D/H-Verh√§ltnis (sogenannter R-Wert) die pflanzliche Herkunft feststellen, also ob aus Zuckerrohr, R√ľben, Getreide, Mais, Kartoffeln, Trauben oder √Ąpfeln. Daneben lassen sich auch unerlaubte Zuckerzus√§tze ermitteln. Neben Ethanol k√∂nnen zudem aus 13C-Spektren weitere Inhaltsstoffe im Wein, wie Glycerin, Methanol, Organische S√§uren und Konservierungsmittel qualitativ und quantitativ bestimmt werden [15]

Metallkern-Kernspinresonanzspektroskopie

Neben den Untersuchungen von organischen Verbindungen mit der 1H-, 13C- und 19F-NMR-Spektroskopie ist auch die Metallkern-NMR-Spektroskopie von Bedeutung. Hierbei k√∂nnen Metall-Metall- bzw. Metall-Ligand-Bindungen in Komplexverbindungen und metallorganischen Verbindungen direkt untersucht werden. Auch lassen sich Proteine mit eingelagerten Metallionen untersuchen. Kurzlebige Zwischenstufen, die nach der Reaktion nicht oder nur schwer nachweisbar sind, lassen sich in den Reaktionsl√∂sungen nachweisen. Man ben√∂tigt keine speziellen L√∂sungsmittel, sondern kann die Messungen in der Reaktionsl√∂sung durchf√ľhren. Beispiele sind die 6/7Li-, 25Mg-, 27Al-NMR-Spektroskopie und Messungen an Schwermetallkernen, wie z.B. 195Pt, 205Tl und 207Pb.

Die Untersuchung elektrisch leitender metallischer Festk√∂rper erfordert andere experimentelle Voraussetzungen als die von Metallkernen in L√∂sungen. Die Kernspin-Quantenzahl I mancher Metallkerne ist gr√∂√üer als 1/2 (Beispiele: 6Li: 1, 7Li: 3/2, 23Na: 3/2, 25Mg: 5/2, 59Co: 7/2). Solche Kerne haben ein elektrisches Quadrupolmoment, sie relaxieren √ľber einen besonderen Relaxationsmechanismus und haben daher oft sehr breite Resonanzlinien, was Auswirkungen auf die Empfindlichkeit der NMR-Messungen hat. [16]

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Die spinen, die Teilchen bei desy.de.
  2. ‚ÜĎ Isidor Isaac Rabi (1898-1988), bei National High Magnetic Field Laboratory
  3. ‚ÜĎ What is EPR ? bei ETH Z√ľrch.
  4. ‚ÜĎ Nobelpreisvortrag von F. Bloch, 1952.
  5. ‚ÜĎ Continuous-Wave Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy bei Department of Chemistry, University of Adelaide.
  6. ‚ÜĎ Nicole Kresge, Robert D. Simoni, Robert L. Hill: Succeeding in Science Despite the Odds; Studying Metabolism with NMR by Mildred Cohn. In: Journal of Biological Chemistry. 279, Nr. 53, 31. Dezember 2004, S. e12, PMID 15615732 (Online, abgerufen am 18. August 2010).
  7. ‚ÜĎ Nobelpreisvortrag von Ernst.
  8. ‚ÜĎ E. R. Andrew, Nuclear Magnetic Resonance, Cambridge at the University Press, 1958, S. 62.
  9. ‚ÜĎ C. Reinhardt, T. Steinhauser: Formierung einer wissenschaftlich-technischen Gemeinschaft. NMR-Spektroskopie in der Bundesrepublik Deutschland. In: NTM Zeitschrift f√ľr Geschichte der Wissenschaften, Technik und Medizin. 16, 2008, S. 73‚Äď101, doi:10.1007/s00048-007-0280-z.
  10. ‚ÜĎ Nobelpreisvortrag von W√ľthrich.
  11. ‚ÜĎ Grundlagen der NMR
  12. ‚ÜĎ P. T. Callaghan: Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. Clarendon Press, Oxford 1991.
  13. ‚ÜĎ Andreas Maus, Christopher Hertlein, Kay Saalw√§chter: A Robust Proton NMR Method to Investigate Hard/Soft Ratios, Crystallinity, and Component Mobility in Polymers In: Macromolecular Chemistry and Physics. 207, 2006, S. 1150, doi:10.1002/macp.200600169.
  14. ‚ÜĎ H.O. Kalinowski: Der Schrecken der Weinpanscher ‚Äď Quantitative Deuterium-NMR-Spektroskopie, Chemie in unserer Zeit, 22. Jahrg. 1988, Nr. 5, S. 162 ‚Äď 171
  15. ‚ÜĎ A. Rapp, A. Markowetz: NMR-Spektroskopie in der Weinanalytik, Chemie in unserer Zeit, 27. Jahrg. 1993, Nr. 3, S. 149, ISSN 0009-2851
  16. ‚ÜĎ B. Wrackmeyer: NMR-Spektroskopie von Metallkernen in L√∂sung, Chemie in unserer Zeit, 28. Jahrg. 1994, Nr. 6, S. 309 ‚Äď 320, ISSN 0009-2851

Literatur

  • Malcom H. Lewitt: Spin Dynamics. Wiley & Sons, Chichester 2001, ISBN 0-471-48922-0.
  • Harald G√ľnther: NMR-Spektroskopie. 3. Auflage. Thieme, Stuttgart 1992, ISBN 3-13-487503-9.
  • Ullmanns Enzyklop√§die der Technischen Chemie. Band 5. 4. Auflage. Weinheim 1980, ISBN 3-527-20005-3, S. 382 ff.
  • A. Streitwieser Jr., C. H. Heathcock: Organische Chemie. Verlag Chemie, Basel 1980, ISBN 3-527-25810-8, S. 205‚Äď249.
  • Dudley H. Williams, Ian Fleming: Spektroskopische Methoden zur Strukturaufkl√§rung, Kernmagnetische Resonanz-Spektren. Thieme, Stuttgart 1975, ISBN 3-13-437203-7, S. 80‚Äď161.
  • H. Friebolin: Ein- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie. 4. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2006 ISBN 3-527-31571-3.
  • Siegmar Braun, Hans-Otto Kalinowski und Stefan Berger: 150 and More Basic NMR Experiments. A Practical Course. Wiley-VCH, Weinheim 1998, ISBN 3-527-29512-7.

Weblinks

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