Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Probleme bei der Interpretation von NMR Spektren „großer“ Moleküle - Zuordnung der Resonanzen - Bestimmung der geometrischen Beziehungen (Bindungen, Abstände, Winkel) zwischen den Spins (1H, 13C etc.) Lösung: - Erhöhung der spektralen Auflösung - Beobachtung von Korrelationen zwischen den Spins NMR -4_1

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 7. Mehrdimensionale NMR Spektroskopie 7.1 Messprinzip der mehrdimensionalen NMR 7.2 Klassifikation der zwei -und mehrdimensionalen Experimente 7.3 Homonukleare Experimente - J-aufgelöste Spektroskopie - COSY - NOESY 7.4 Heteronukleare 2D-Experimente HMQC HMBC NMR -4_2

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 7.1 Messprinzip der mehrdimensionalen NMR Erinnerung: nach einem 90°y Puls wird die Magnetisierung eines Spin-1/2 in die y - Richtung des RKS geklappt. Da diese Magnetisierung in der xy-Ebene rotiert, erhält man unterschiedliche Spektren für verschiedene Beobachtungszeiten t1n (unterschiedliche Phase des Signals). t11 t12 t13 t1n … y x FT t2 t1 f(t) = f(t1,t2) NMR -4_3

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Was passiert, wenn man nach der Zeit t1 nicht mit der Detektion des FID beginnt, sondern einen zweiten Puls einstrahlt ? t2 t1 90y 90x y z x 90x wo y z x 90x wo y x 90x wo y x 90x wo - der zweite Puls wirkt nur auf die y- Komponente der Magnetisierung - die x-Komponente bleibt unbeeinflusst, ihre Amplitude hängt allerdings von w0 ab : A(t1)=A0·cos (w0·t1) NMR -4_4

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) wo t1 f2 (t2) „Pseudo-FID“A(t1)=A0·cos (w0·t1) FT NMR -4_5

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) wo f2 f1 Ergebnis der zweiten FT „stack plot“ „contour plot“ NMR -4_6

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Genereller Aufbau eines mehrdimensionalen NMR Experimentes Präparation Präparation: Erzeugung einer transveralen Magnetisierung   Mischzeit tm Mischzeit: das Spinsystem entwickelt sich unter der Wirkung von HS2 Detektion t2 Detektion: Messung des FID t1 Evolution Evolution: das Spinsystem entwickelt sich unter der Wirkung einer oder mehrer Wechselwirkungen HS1 Die Evolutions-und Mischzeit werden n-mal wiederholt, was zu (n+1) eindimensionalen NMR Spektren führt. NMR -4_7

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 7.2 Klassifikation der zwei -und mehrdimensionalen Experimente n-dimensionale Experimente Korrelationsexperimente Separationsexperimente Trennung von das Spinsystem beeinflussenden Wechselwirkungen Korrelation zwischen Verschiedenen gekoppelten Spins Korrelation zwischen zwei Zuständen eines Systems zu den Zeiten t und t´=t+tm Austausch-Spektroskopie chemischer Austausch Spindiffusion NOESY Homo-und heteronukleare Korrelationsexperimente - COSY - HMQC, HMBC etc. Trennung von chem. Verschiebung, J-Kopplung (und dipolarer WW) - J-aufgelöste Spektroskopie NMR -4_8

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 7.3 Homonukleare Experimente t2 t1/2 90x 180x Separation von Wechselwirkungen: J-aufgelöste Spektroskopie -kann verwendet werden, um die J-Kopplung von der chemische Verschiebung zu trennen, d.h. in einer Dimension nur die Multiplettstrukturen darzustellen. hilfreich für Spektren mit komplizierten, sich überlagernden Multiplett-Aufspaltungen Hz 8.0 8.5 9.0 ppm -10 -5 10 5 4Jbc 3Jab H b a c 500 MHz 1H J-resolved Spektrum F O 2 N H a b c 500 MHz 1H Spektrum NMR -4_9

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 90y 90x Correlation Spectroscopy (COSY) - kann nicht mehr mittels Vektorbildern, sondern nur im Rahmen des „Produktoperator-Formalismus“ erklärt werden. plausibel kann man sich die Idee von Jeener (1971) anhand eins AX- Spinsystems machen: A X nA ± JAX nX ± JAB J (Hz) aa ab ba bb A1 A2 X2 X1 Spektrum nach dem ersten 90° Puls NMR -4_10

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Im AX-Fall führt der zweite Puls nicht nur zu einer Änderung der transversalen A-Magnetisierung sondern auch zu Populationsänderungen der anderen Übergänge im Spinsystem. Damit wird Magnetisierung zwischen beiden (i.a. allen) gekoppelten Kernen ausgetauscht, was sich im 2D-Spektrum als Kreuz-Signale bei (nA, nX) bzw. (nx, nA) manifestiert. wX wA f1 f2 wX wA f1 f2 COSY-Spektrum eines AX-Spinsystems phasensensitiv Magnitudenspektrum NMR -4_11

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Beispiel 500 MHz COSY Spektrum NMR -4_12

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 1´ 2´ 3´5´ 4´ 6´ 500 MHz COSY Spektrum, Tieffeld - Ausschnitt NMR -4_13

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 5 1e 4 500 MHz COSY Spektrum, Hochfeld - Ausschnitt 3 6 6 NMR -4_14

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 7.4 Heteronukleare 2D-Experimente Grundidee: F1-Dimension - 1H Spektrum, F2-Dimension - 13C Spektrum 90 t2 t1 1H 13C Keine Korrelation zwischen Protonen und Kohlenstoff, sondern unabhängige Ent- wicklung der Magnetisierungen ! NMR -4_15

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) In einem heteronuklearen Korrelationsexperiment muss die Entwicklung des einen Spinsystems (13C) von der Entwicklung des anderen (1H) abhängen (aufgrund von J-Kopplungen, NOE etc...) Polarisationstransfer zwischen 1H und 13C Spinsystem ( ähnlich DEPT- Experiment) aufgrund der J-Kopplung 90 t2 t1/2 1H 13C Entkopplung 180 JCH d1H Heteronuclear Correlation (HETCOR) d13C C-H J – Kopplung wird durch den 180° Puls „ausgeschaltet“ NMR -4_16

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) b F O N N O 2 2 H c H a H b H c NMR -4_17