Kernresonanz-Spektroskopie Nuclear Magnetic Resonance-(NMR)-Spektroskopie Historisches 1938 Messung des Kernspins von I. Rabi 1946 Entdeckung des NMR-Effektes in den Arbeitsgruppen Bloch und Purcell 1952 Nobelpreis für Bloch und Purcell 1965 Beginn der Entwicklung der Fourier-Transformations(FT)-Technik (R. Ernst) 1973 Entwicklung des NMR-Imaging-Verfahrens (MRI) (Einsatz u.a. in der Medizin-Diagnostik als Kernspin-Tomographie) 1991 Nobelpreis für R. Ernst (FT-Methode) 2002 Nobelpreis für K. Wüthrich (Strukturaufklärung von Proteinen mit NMR) 2003 Nobelpreis für Lauterbur und Mansfield (MRI-Verfahren)

Der NMR-Effekt Kern-Drehimpuls P Der NMR-Effekt basiert auf magnetischen Eigenschaften von Atomkernen. Viele Atomkerne besitzen einen Eigendrehimpuls P, auch Kernspin genannt, der dem Kern besondere magnetische Eigenschaften verleiht. Vereinfacht betrachtet verhalten sich solche Kerne wie kleine Magnete. Auch die Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff, aus denen zum größten Teil die Verbindungen der belebten Natur bestehen, besitzen mit den Isotopen 1H und 13C magnetisch aktive Kerne. Entsprechend können solche Verbindungen mit Hilfe dieser Methode besonders gut analysiert werden. Kern-Drehimpuls P I: Drehimpulsquantenzahl (I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,..., 6) h: Plancksches Wirkungsquantum

Kerne im statischen homogenen Magnetfeld B0 Die Spins der Atomkerne können sich beliebig im Raum ausrichten. Dies ändert sich jedoch, wenn man die Kerne in ein statisches, homogenes Magnetfeld (B0) bringt. Wie bei zwei Magneten, die man einander annähert, wird die beliebige Ausrichtung im Raum aufgehoben, und es gibt für die Kernspins nur bestimmte Einstellungsmöglichkeiten relativ zum äußeren Magnetfeld. Beispiel: bei Kernen mit I=1/2 (z.B. 1H) gibt es zwei Ausrichtungsmöglichkeiten: parallel oder antiparallel zum äußeren Magnetfeld. Zwischen diesen Einstellungen läßt sich durch Energiezufuhr in Form von elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge hin- und herschalten. Dieser Prozeß wird als Anregung bezeichnet. Die benötigte Strahlungsenergie ist abhängig von - der Kernsorte (1H, 13C, usw.) - der Stärke des äußeren Magnetfeldes der chemischen Umgebung der Kerne Die zur Änderung der Ausrichtung der Spins notwendige Strahlung ist relativ energiearm und liegt im Bereich der Radiowellen (s. elektromagnetisches Spektrum). Anlegen eines äußeren Magnetfeldes B0

Anregungsenergien E B0 [T] 2 4 6 8 10 12 Die Wellenlängen für die Anregung der Kernspins liegen im Radiowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums (cm) E(11 T): ca. 3,3*10-25 J (zum Vergleich: Infrarot(IR)-Spektroskopie E = ca. 8*10-18J) Energie (Resonanzfrequenz) für die Anregung der Kernspins ist abhängig von der Stärke des äußeren Magnetfeldes - dem gyromagnetischen Verhältnis g des Kerns (isotopenspezifische Konstante) E Energie in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke m=-1/2 (ß-Spin) E=100 MHz E=300 MHz E=500 MHz m=+1/2 (-Spin) B0 [T] 2 4 6 8 10 12

"Landkarte" der NMR-Spektroskopie H 1H, 2H He 3He Li 7Li Be 9Be Kerne mit NMR-aktivem Isotop Kerne mit I=1/2-Isotop B 11B C 13C N 15N O 17O F 19F Ne 21Ne Na 23Na Mg 25Mg Al 27Al Si 29Si P 31P S 33S Cl 35Cl Ar K 39K Ca 43Ca Sc 45Sc Ti 49Ti V 50V Cr 53Cr Mn 55Mn Fe 57Fe Co 59Co Ni 61Ni Cu 63Cu Zn 67Zn Ga 71Ga Ge 73Ge As 75As Se 77Se Br 81Br Kr 83Kr Rb 87Rb Sr 87Sr Y 89Y Zr 91Zr Nb 93Nb Mo 95Mo Tc Ru 101Ru Rh 103Rh Pd 105Pd Ag 107Ag Cd 113Cd In 115In Sn 119Sn Sb 121Sb Te 125Te I 127I Xe 129Xe Cs 133Cs Ba 137Ba Ln 138Ln Hf 179Hf Ta 181Ta W 183W Re 187Re Os 187Os Ir 193Ir Pt 195Pt Au 197Au Hg 199Hg Tl 205Tl Pb 207Pb Bi 209Bi Po At Rn Fr Ra Ac Ce Pr 141Pr Nd 143Nd Pm Sm 147Sm Eu 153Eu Gd 157Gd Tb 159Tb Dy 163Dy Ho 165Ho Er 167Er Tm 169Tm Yb 171Yb Lu 175Lu Th Pa U 235U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Moderner NMR-Spektrometeraufbau mit supraleitendem Magneten Aufbauprinzip eines NMR-Gerätes b Sender/ Empfänger Shim/ Sweep-Einheit Magnetpol Probenröhrchen Meßkopf 1: He-Dewar 2: Probenkopf mit Sende-/Empfangsspulen 3: Probenröhrchen 4: Meßkanal 5: Shim-Einheit zur Homo- genisierung des Magnet- feldes a: Magnetspule b: Füllöffnung He-Tank c: Füllöffnung N2-Tank d: Dewar-Mäntel

Das 1H-NMR-Spektrum 4 3 2 1 Das NMR-Spektrum liefert Informationen über: Essigsäureethylester Anzahl chemisch verschiedener Kerne einer Kernsorte (Beispiel: 3 Sorten von Protonen) Feinaufspaltung chemische Umgebung bzw. Bindungssituation durch chemische Verschiebung, der Lage der Resonanzen auf der ppm-Skala (Beispiel: 1.25, 2.03 und 4.12 ppm) Integral Anzahl der Protonen in der Nachbarschaft über die Signal- struktur bzw. Feinaufspaltung Signales durch Kopplungen (Beispiel: grün: 3 Linien, blau: 1 Linie, rot: 4 Linien) 4 3 2 1 ppm 4.12 ppm 2.03 ppm 0.98 ppm relatives Verhältnis der Protonen zueinander über das Integral (Fläche unter der Kurve) des Signals (Beispiel: grün: 3, blau: 3, rot: 2)

1H-Chemische Verschiebungen von organischen Verbindungen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ppm

Kopplungen NMR-aktive Nachbarkerne, insbesondere Kerne mit einem Spin von I=1/2, bewirken über magnetische Kopplungen eine Feinaufspaltung der Resonanz, da das Eigenmagnetfeld der Nachbarkerne das Magnetfeld am Kernort und damit die Lage der Resonanz der gerade beobachteten Kernsorte beeinflußt (Beispiel: rote Kerne beeinflussen grüne Kerne, grüne Kerne beeinflussen rote Kerne, blaue Kerne werden nicht beeinflußt, da sich in direkter Nachbarschaft keine Protonen befinden). Essigsäureethylester Spektrum ohne Kopplungen beobachtetes Spektrum H H H H H H

Dn=Kopplungskonstante J [Hz] Kopplungen Die Spins der Protonen in der Nachbarschaft einer beobachteten Protonensorte können sich entweder parallel oder antiparallel relativ zum äußeren Magnetfeld einstellen. Daraus resultierenden Einstellungsmöglichkeiten ergeben aus der Statistik. Beispiel: CH2-Gruppe (Signal bei 4.12 ppm); für die Einstellung der Protonen in der Nachbar-CH3-Gruppe ergeben sich folgende Einstellungszustände - alle drei Protonen sind antiparallel ausgerichtet: 1 Möglichkeit - zwei Protonen sind antiparallel und ein Proton ist parallel ausgerichtet: 3 Möglichkeiten - ein Proton ist antiparallel und zwei Protonen sind parallel ausgerichtet: 3 Möglichkeiten - alle drei Protonen sind parallel ausgerichtet: 1 Möglichkeit Die Größe der Feinaufspaltung (Abstand zwischen den einzelnen Linien in Hz) wird als Kopplungskonstante J bezeichnet. HCH CH3 HCH CH2 H Essigsäureethylester H=Spineinstellung parallel H=Spineinstellung antiparallel HCH CH3 HCH CH3 HCH CH3 Dn=Kopplungskonstante J [Hz] ß ß 4 3 2 1 ppm

Multiplizitätsregeln für die Signalstruktur M = 2nI+1 M: Anzahl der Linien des Signals n: Anzahl der koppelnden Kerne mit gleicher Kopplungskonstante I: Spinquantenzahl bei I=1/2 vereinfacht sich das zu M=n+1 Anzahl der Kopplungspartner Muster und Intensität der Linien des Signals Bezeichnung der Linienstruktur n = 0 1 Singulett n = 1 1 1 Dublett n = 2 1 2 1 Triplett n = 3 1 3 3 1 Quartett n = 4 1 4 6 4 1 Quintett n = 5 1 5 10 10 5 1 Sextett n = 6 1 6 15 20 15 6 1 Septett

Heterokerne Neben dem Proton lassen sich viele andere Kerne NMR-spektroskopisch beobachten Diese Kerne werden als Heterokerne bezeichnet. Weitere wichtige Kerne mit I=1/2 sind: Kohlenstoff-Isotop 13 (13C: natürliche Häufigkeit 1.1 %) Fluor-Isotop 19 (19F: natürliche Häufigkeit 100%) Phosphor-Isotop 31 (31P: natürliche Häufigkeit 100%) Wesentliche Unterschiede zur 1H-NMR-Spektroskopie sind: - geringere Empfindlichkeit z.B. durch eine geringe natürliche Häufigkeit (erfordert zum Teil erheblich längere Meßzeiten) - größerer Bereich für die chemische Verschiebung