Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung
Elementaranalyse
Röntgen- Strukturanalyse
Kernmagnetische Resonanz -
Spektroskopie
Massenspektrometrie andere spektro- skopische Methoden
CH2CHH3C
H3CCH
C
CH3
OOH
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.
S
l N
Bringt man solche Kerne in ein Magnetfeld, so richten sich die “Magnete” aus und
vollführen eine Präzession um die Richtung des angelegten Magnetfeldes B0.
Bo
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
Bo
ωo µ
ωo
µ Energie E
Magnetfeld B B0
+1/2γ· h/2π · Bo ·
-1/2γ· h/2π · Bo ·
y
x
z
Bo Mo
z
x
y 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
Mo
z
x B1
z
x Mxy
y y ωo
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
Zeit
Mag
netis
ieru
ng
Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls
Frequenz (Hz)
Inte
nsitä
t
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
0 TMS
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
0 TMS
C=O in Ketonen
1H
13C
2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung
CH2CHH3C
H3CCH
C
CH3
OOH
Ibuprofen
1H NMR Spektrum der Verbindung
CH2CHH3C
H3CCH
C
CH3
OOH
ppm 0 2 4 6 8 10 12
Anzahl der äquivalenten Protonen
1 22 1 2 1
3
6
• 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
H3CCH
C
CH3
OOH
• 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
CH/CH2
CH CH3
CH3
CH CH CH2 CH
CH3
CH3
1H NMR Spektrum
13C
NM
R S
pekt
rum
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
1: 2 x CH-CH in aromatischem Ring:
2
2: CH-CH3
3
3: CH2-CH
4
4: CH-CH3
CH
CH
CH CH3
CH3
CH2
CH CH CH
CH3
CH3
CH2
1H NMR Spektrum
1 H N
MR
Spe
ktru
m
HH
H
H2C
H
CH
CH3
O
HO
CH
CH3
CH3
HH
H
H2C
H
CH
CH3
O
HO
CH
CH3
CH3
HH
H
H2C
H
CH
CH3
O
HO
CH
CH3
CH3
HH
H
H2C
H
CH
CH3
O
HO
CH
CH3
CH3
HH
H
H2C
H
CH
CH3
O
HO
CH
CH3
CH3
CH2CHH3C
H3CCH
C
CH3
OHO
H H
HH
Korrelation der Protonen mit dem übernächsten Nachbar-Kohlenstoff
Hb Ha
CH
CH/CH2 CH
CH3
CH3
CH CH2 CH
CH3
CH3
CH
O=C
a
a
Cb
C*
*
b
Ca
C#
b
#
ppm 0 2 4 6 8
Messung von Abständen zwischen Kernen (1H, 13C,…)
Hb CH CH
CH3
CH3 CH2 Ha
t (s) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
I/I max
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
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)
Zeit
Mag
netis
ieru
ng
Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls: Abfall mit einer Zeitkonstanten T2 (Relaxationszeit)
Frequenz (Hz)
Inte
nsitä
t
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
Inte
nsitä
t
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
R L
R L
R L
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
