Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung · Abschirmung des Kernspins durch die...

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Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

Elementaranalyse

Röntgen- Strukturanalyse

Kernmagnetische Resonanz -

Spektroskopie

Massenspektrometrie andere spektro- skopische Methoden

CH2CHH3C

Ibuprofen

Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (NMR*)

* =nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy

1. Wie funktioniert die NMR ?

• Der Spin - eine Eigenschaft des Atomkerns

• Die Wirkung eines Magnetfeldes

• Enstehung eines NMR-Spektrums

2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

3. Anwendungen in der Medizin (Tomographie)

Der Spin - eine Eigenschaft des Atomkerns

Die meisten Kerne (wie z.B 1H, 13C, 31P ....) haben einen Spin I ≠ 0. Diese

Kerneigenschaft bewirkt, dass diese Kerne ein magnetisches Moment µ besitzen

und sich daher wie “mikroskopische Magnete” verhalten.

Bringt man solche Kerne in ein Magnetfeld, so richten sich die “Magnete” aus und

vollführen eine Präzession um die Richtung des angelegten Magnetfeldes B0.

ωo µ Präzessionsfrequenz:

ωo = - γ B0

Magnetfelder in der NMR:

Spektroskopie: 2 ....21 T Tomographie: 0.1....7 T

Präzessionsfrequenzen für 1H: 4.....900 MHz

Magnetfeld der Erde : 30 ....60 µT

ωo µ

µ Energie E

Magnetfeld B B0

+1/2γ· h/2π · Bo ·

-1/2γ· h/2π · Bo ·

Die Kernspins richten sich parallel oder anti-parallel zum angelegten Magnetfeld aus: da die parallel ausgerichteten Momente in der Überzahl sind, wird die Probe magnetisiert.

∆E = h ν

Energie E

B1-Einstrahlung

y y ωo

In deuteriertem Lösungsmittel gelöste Probe wird in der Mitte des Magnets platziert.

Die Probe wird im Magnetfeld rotiert; das Spinsystem wird durch HF-Pulse angeregt.

Proben-Röhrchen

Supraleitender Magnet NMR Console

Workstation/PC

NMR Spektrum

Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls

Frequenz (Hz)

nsitä

Spektrum der Probe

Abschirmung des Kernspins durch die umgebenden Elektronen

Die Kerne „spüren“ nicht das tatsächlich anliegende Magnetfeld B0, sondern

werden durch die sie umgebende Elektronenhülle abgeschirmt. Das lokale Feld (das am Kernort)

ist dann: B lokal = (1 - σ)⋅B0 . Die Konsequenz ist eine veränderte Resonanzfrequenz ωlokal ≠ ω0.

Da diese Abschirmung von der chemischen Umgebung abhängt, nennt man diesen Effekt

chemische Verschiebung - dieser Effekt erlaubt es, chemisch nicht äquivalente Kerne

zu unterscheiden, da ihr Signal im NMR Spektrum bei unterschiedlichen Frequenzen erscheint.

Induziertes Magnetfeld

Elektron Proton

Chemische Verschiebungen

ppm 2 10 7 5 15

Aliphaten

Alkohole

Olefine

Aromaten, Amide Säuren,

Aldehyde

ppm 50 150 100 80 210

CH3, CH2, CH

Alkohole

Olefine

Aromaten

C=O von Säuren, Aldehyden

C=O in Ketonen

2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

CH2CHH3C

Ibuprofen

1H NMR Spektrum der Verbindung

CH2CHH3C

ppm 0 2 4 6 8 10 12

Anzahl der äquivalenten Protonen

1 22 1 2 1

• 18 Protonen auf 8 nicht-äquivalente Plätzen • 4 Protonen am aromatischen Ring • 2 C-H Protonen • vermutlich eine CH2-Gruppe, eine CH3 Gruppe und zwei weitere äquivalente CH3-Gruppen • bliebe eine OH-Gruppe

13C NMR Spektrum der Verbindung

CH2CHH3C

• 10 Kohlenstoff-Positionen • 2x H-Carom, 3x Cquartär , • 2x H-Cali, • 2x CH3, 1x CH2

ppm 050100150200

Originalspektrum

CH, CH3 pos., CH2 neg.

CH pos.

ABER: •Welches Proton ist an welchen Kohlenstoff gebunden ? • Wie sind die Kohlenstoffe miteinander verbunden ? • Wie groß sind die Abstände zwischen den Kohlenstoffen bzw. Protonen ?

Zweidimensionale NMR-Experimente zur Strukturaufklärung Die Korrelation verschiedener Signale liefert Informationen über • Bindungen zwischen einzelnen Kernen ( Proton-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Kohlenstoff,…) • Bindungsabstände, Bindungswinkel, Entfernungen zwischen nicht direkt miteinander verbundenen „Bausteinen“ eines Moleküls

CH/CH2

CH CH3

CH CH CH2 CH

1H NMR Spektrum

Korrelation des 1H und des 13C NMR Spektrums zur Zuordnung der einzelnen Signale

Korrelation der 1H NMR Signale zur Bestimmung der Verbindung zwischen den einzelnen CHx-Gruppen

1: 2 x CH-CH in aromatischem Ring:

2: CH-CH3

3: CH2-CH

4: CH-CH3

CH CH3

CH CH CH

1H NMR Spektrum

CH2CHH3C

Korrelation der Protonen mit dem übernächsten Nachbar-Kohlenstoff

CH/CH2 CH

CH CH2 CH

ppm 0 2 4 6 8

Messung von Abständen zwischen Kernen (1H, 13C,…)

Hb CH CH

CH3 CH2 Ha

t (s) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

I/I max

2.20 Å 2.80 Å

r=2.22 Å

r=2.83 Å

Mit Hilfe der NMR-Messungen kann man • alle Strukturelemente finden, • die Verbindung zwischen den einzelnen „Bausteinen“ des Moleküls detektieren, • Abstände und Winkel innerhalb des Moleküls messen, und somit die Struktur des Moleküls vollständig bestimmen.

Damit ist es auch möglich, die Struktur großer Moleküle, wie sie in der Natur vorkommen (z.B. Proteine mit mehreren Tausend Atomen), zu ermitteln !

3. Anwendungen der NMR in der Medizin (Tomographie)

Medizinstudium, Frankreich 1482 Rembrandt: „Die Anatomie des Dr. Tulp“ 1632

Ultraschallbild, Zwillinge

Röntgenbild, 2009 Röntgenbild, 1896

Ultraschallbild, 3D

3. Anwendungen der NMR in der Medizin (Tomographie)

Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls: Abfall mit einer Zeitkonstanten T2 (Relaxationszeit)

Frequenz (Hz)

nsitä

Spektrum der Probe: Die Intensität des Signals ist proportional zur Anzahl der Protonen

Relaxationszeiten und Intensitäten von (meist) 1H NMR Signalen werden zur Bildgebung (Tomographie) verwendet. Dabei wird das zu untersuchende Objekt (z.B. Mensch) in einem inhomogenen Magnetfeld untersucht, um räumliche Informationen zu erhalten.

Frequenz

nsitä

In der Tomographie werden neben dem statischen Magnetfeld zusätzliche, zeit- und ortsabhängige Felder verwendet – die sogenannten „Feldgradienten“. Im nun inhomogenen Magnetfeld hat jeder Spin eine ortsabhängige Larmorfrequenz.

Feldgradient G

Werden solche Feldgradienten in verschiedenen Raumrichtungen angewendet, erhält man eine Reihe von Spektren, die im Computer zu einem Bild (gewichtet nach Intensität, Relaxationszeit oder Frequenz) zusammengesetzt werden.

Bsp.: a) Tumorzellen haben kürzere Relaxationszeiten als gesundes Gewebe; b) Knochen liefern eine geringere 1H Signalin- tensität als Muskeln, .....

Tomographie in der Medizin

Beobachtung von Gehirnfunktionen Anatomische Untersuchungen

Sprachzentrum Tumor

NMR-Tomographie: Anwendung in der Neurochirurgie

Detektion von Gehirnfunktionen Beispiel: Schach - Mustererkennung

NMR-Tomographie: Anwendung als „Lügendetektor“ ?

Werbung der Firma „No Lie MRI“

Chemie-Quiz im Probestudium

mit freundlicher Unterstützung durch die

Frage 1 Wie empfindlich ist die NMR Spektroskopie im Vergleich zu anderen Analysemethoden ? Kann sie zur „Spurensuche“ (z.B. für Dopingkontrollen) verwendet werden ? (A) empfindlichste Analytikmethode – Routineeinsatz bei der Dopingfahndung (B) genauso empfindlich wie andere Methoden auch, wird aber wegen des technischen Aufwandes selten angewendet (C) unempfindliche Methode – keine „Spurensuch-Methode“

Frage 2 Welche Informationen kann man aus einem zweidimensionalen NMR-Spektrum gewinnen? (A) Bindungsabstände, Bindungs- und Torsionswinkel (B) Masse des Moleküls (C) Nachbarschaft von Kernen im Molekül (D) Löslichkeit des Moleküls in organischen Lösungsmitteln

Frage 3 Welche Vorteile hat die NMR-Tomographie gegenüber der mit Röntgenstrahlung arbeitenden Computertomographie ? (A) geringerer apparativer Aufwand (B) geringere Strahlenbelastung des Patienten (C) höhere räumliche Auflösung (D) bessere Beobachtbarkeit von Körperteilen mit hohem Wassergehalt

Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung · Abschirmung des Kernspins durch die...

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