Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 6. 13C NMR Spektroskopie Die Empfindlichkeit des NMR Experiments hängt von folgenden physikalischen Parametern (optimale Abstimmung des Spektrometers vorausgesetzt) ab: Feldstärke Bo, Temperatur T, gyromagnetisches Verhältnis g des beobachteten Kerns, natürliche Häufigkeit des beobachteten Kerns.   1H 13C gyromagnetisches Verhältnis: 2.675 108 T-1s-1 6.728 107 T-1s-1 natürliche Häufigkeit: 99.985 % 1.10 % Intensitätsverhältnis I1H/I13C ~ 5700 NMR -3_1

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Signal – Amplitude S Rausch – Amplitude N Signal/Noise S:N ~ (NS)1/2 NMR -3_2

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Aufspaltungsmuster für CH, CH2, CH3 Intensität Spektren 1 CH |JCH| 1 1 |JCH| CH2 2 |JCH| 1 1 |JCH| 3 CH3 |JCH| 3 |JCH| 1 NMR -3_3

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) (ppm) 12.0 13.0 14.0 15.0 13C (ppm) 60.0 61.0 62.0 63.0 200 160 120 80 40 (ppm) 132.0 131.0 130.0 129.0 (ppm) NMR -3_4

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Methoden zur Steigerung der Empfindlichkeit Konzentrationserhöhung Konzentration der Lösung, Isotopenanreicherung Heteronukleare Breitband-Entkopplung (Einstrahlung der 1H Resonanzfrequenz) alle 13C Signale werden Singuletts, weitere Intensitätssteigerung durch den „nuclear- Overhauser- effect“ (NOE) CLM-1542-0.25 L-TYROSINE (RING-13C6, 99%) 0.25 G $1,240.00 CLM-2263-0.1 (U-13C9, 98%) 0.1 G $635.00 CLM-2263-0.25 (U-13C9, 97-98%) $1,055.00 CLM-2263-0.5 0.5 G $1,760.00 CLM-3378-0.1 (3-13C, 99%) $435.00 CLM-3378-0.25 $925.00 CLM-437-0.1 (2-13C, 99%) $465.00 CLM-437-0.25 $770.00 CLM-622-0.25 (PHENOL-4-13C, 97%) $700.00 CLM-623-0.25 (PHENOL-3,5-13C2, 99%) $1,060.00 aus: Cambridge Isotope Laboratries NMR -3_5

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Energie EProtonen 1H 13C DE = h n Sättigung des +1/2  -1/2 Überganges (Protonen) => keine Unterscheidung mehr => keine Aufspaltung aufgrund der J-Kopplung Problem: Einstrahlung nur einer 1H Frequenz w0 für die ganze Zeit der Messung bedeutet geringe Anregungsbreite => nur ein kleiner Bereich des Spektrums wird entkoppelt Lösungen: a) Frequenz-“sweep“ während der Datenaquisition um w0 ± Dw (CW-Entkopplung) b) andere Entkopplungs-“Pulsfolgen“ NMR -3_6

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) ohne Entkopplung mit Entkopplung 180 140 100 60 20 (ppm) NMR -3_7

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) 180 140 100 60 20 (ppm) Resonanz 167.1 131.9 130.5 128.3 31.1 13.6 Zuordnung C=O Cquart CH CH2 CH3 Intensität (mit Entkopplung) 1.00 1.05 2.20 2.35 2.50 (ohne Entkopplung) 1.08 1.11 1.12 NMR -3_8

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Kern-Overhauser Effekt (nuclear Overhauser effect, NOE) ab aa ba bb 2-Spin-System IS Gleichgewichtszustand (symbolische Besetzungszahlen) Sättigung der S-Linie W2 W0 W1I W1S A B MzI/ M0I = 1+(W2-W0) (2W1I+W2+W0)-1 (gS/gI) MzI/ M0I = 1+ (gS/2gI) NMR -3_9

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) MzI/ M0I = 1+(W2-W0) (2W1I+W2+W0)-1 (gS/gI) Kreuzrelaxationsrate (der Dipol-Dipol- Wechselwirkung) Dipolare longitudinale Relaxationsrate (T1DD) Die Relaxationsraten sind abhängig von dder Dynamik des Moleküls; die Korrelationszeit der Umorientierung eines Moleküls sei mit tc beschrieben. Nach Neuhaus/williamson („The Nuclear Overhauser Effect“, VCH 1989) gilt dann: W0 = 1/10·D2 · tc/(1+(wI-wS)2 · tc2) W2 = 3/5·D2 · tc/(1+(wI+wS)2 · tc2) W1I = 3/20·D2 · tc/(1+wI2 · tc2) mit D = (m0/4p)gIgSrIS-3 (dipolare Kopplungskonstante) Kleine Moleküle: W2 > W0 => positiver NOE Macromoleküle, viskose Flüssigkeiten, Festkörper: W0> W2 => negativer NOE NMR -3_10

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Standard: CW bzw. Puls-Entkopplung NOE wirkt => Intensitäten verfälscht Singuletts Gated-decoupling NOE wirkt nur während der Wartezeit Tr => Intensitäten verfälscht - Multipletts Inverse Gated-decoupling NOE wirkt nur während der Aquisitionszeit TAQ => korrekte Intensitäten beste Methode zur exakten Intensitätsbestimmung Tr TAQ Tr >> TAQ NMR -3_11

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Inverse Gated-decoupling CW-decoupling 200 160 120 80 40 (ppm) NMR -3_12

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) Ein Experiment, dass sowohl den Polarisationstransfer (=Intensitätsgewinn) realisiert und Singuletts liefert, ist das DEPT-Experiment (distortionless enhancement by polarization transfer). 90° F 180° t= 1/2J t= 1/2J 1H 90° 180° t= 1/2J CH CH3 Abhängigkeit der CHx - Magnetisierung vom Winkel F CH2 NMR -3_13

Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie (OC IV) DEPT-90 DEPT-135 CW-decoupled 160 140 120 100 80 60 40 20 (ppm) NMR -3_14