Kernresonanz-SpektroskopieNuclear 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 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.

Der NMR-Effekt

)1( IIP 2

h

I: Drehimpulsquantenzahl(I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,..., 6)

h: Plancksches Wirkungsquantum

Kern-Drehimpuls P

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 äußerenMagnetfeldes B0

10 128642B0 [T]

E

m=-1/2 (ß-Spin)

m=+1/2 (-Spin)

E=100 MHz E=300 MHz E=500 MHz0)2/1( BE I

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 des Kerns (isotopenspezifische Konstante)

Energie in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke

Anregungsenergien

H1H, 2H

H1H, 2H

Li7Li

Li7Li

Na23Na

Na23Na

Be9Be

Be9Be

Mg25Mg

Mg25Mg

K39K

K39K

Ca43Ca

Ca43Ca

Rb87Rb

Rb87Rb

Sr87Sr

Sr87Sr

Cs133Cs

Cs133Cs

Ba137Ba

Ba137Ba

Sc45Sc

Sc45Sc

Ti49Ti

Ti49Ti

V50V

V50V

Cr53Cr

Cr53Cr

Mn55Mn

Mn55Mn

Co59Co

Co59Co

Ni61Ni

Ni61Ni

Cu63Cu

Cu63Cu

Zn67Zn

Zn67Zn

Ga71Ga

Ga71Ga

Ge73Ge

Ge73Ge

As75As

As75As

Y89Y

Y89Y

Zr91Zr

Zr91Zr

Nb93Nb

Nb93Nb

Mo95Mo

Mo95Mo

Ru101Ru

Ru101Ru

Pd105Pd

Pd105Pd

In115In

In115In

Sb121Sb

Sb121Sb

Ln138Ln

Ln138Ln

Hf179Hf

Hf179Hf

Ta181Ta

Ta181Ta

Re187Re

Re187Re

Ir193Ir

Ir193Ir

Au197Au

Au197Au

Bi209Bi

Bi209Bi

Br81Br

Br81Br

Kr83Kr

Kr83Kr

I127I

I127I

B11B

B11B

O 17O

O 17O

Al27Al

Al27Al

S33S

S33S

Ne21Ne

Ne21Ne

Cl35Cl

Cl35Cl

Ar

Ar

He3He

He3He

C13C

C13C

N15N

N15N

F19F

F19F

Si29Si

Si29Si

P31P

P31P

Fe57Fe

Fe57Fe

Se77Se

Se77Se

Te125Te

Te125Te

Xe129Xe

Xe129Xe

Sn119Sn

Sn119Sn

Pb207Pb

Pb207Pb

Tl205Tl

Tl205Tl

Po

Po

At

At

Rn

Rn

Hg199Hg

Hg199Hg

Pt195Pt

Pt195Pt

Rh103Rh

Rh103Rh

Os187Os

Os187Os

W183W

W183W

Tc

Tc

Ag107Ag

Ag107Ag

Cd113Cd

Cd113Cd

Fr

Fr

Ra

Ra

Ac

Ac

Pr141Pr

Pr141Pr

Nd143Nd

Nd143Nd

Sm147Sm

Sm147Sm

Eu153Eu

Eu153Eu

Tb159Tb

Tb159Tb

Er167Er

Er167Er

Tm169Tm

Tm169Tm

Yb171Yb

Yb171Yb

No

No

Pm

Pm

Ce

Ce

Gd157Gd

Gd157Gd

Dy163Dy

Dy163Dy

Ho165Ho

Ho165Ho

Lu175Lu

Lu175Lu

Md

Md

Fm

Fm

Es

Es

Cf

Cf

Bk

Bk

Cm

Cm

Am

Am

Pa

Pa

Th

Th

U235U

U235U

Pu

Pu

Np

Np

Lr

Lr

Kerne mit NMR-aktivem Isotop

Kerne mit I=1/2-Isotop

"Landkarte" der NMR-Spektroskopie

Moderner NMR-Spektrometeraufbaumit supraleitendem Magneten

Sender/Empfänger

Shim/Sweep-Einheit

MagnetpolMagnetpol

Probenröhrchen

Meßkopf

1: He-Dewar2: Probenkopf mit

Sende-/Empfangsspulen3: Probenröhrchen4: Meßkanal5: Shim-Einheit zur Homo-

genisierung des Magnet-feldes

a: Magnetspuleb: Füllöffnung He-Tankc: Füllöffnung N2-Tankd: Dewar-Mäntel

b

Aufbauprinzip eines NMR-Gerätes

Das 1H-NMR-Spektrum

01234 ppm

H C

H

H

C

O

O C

H

H

C

H

H

H

EssigsäureethylesterDas NMR-Spektrum liefertInformationen über:

Anzahl chemisch verschiedenerKerne einer Kernsorte(Beispiel: 3 Sorten von Protonen)

chemische Umgebung bzw.Bindungssituation durch chemischeVerschiebung, der Lage derResonanzen auf derppm-Skala (Beispiel: 1.25, 2.03und 4.12 ppm)

Anzahl der Protonen in derNachbarschaft über die Signal-struktur bzw. FeinaufspaltungSignales durch Kopplungen(Beispiel: grün: 3 Linien,blau: 1 Linie, rot: 4 Linien)

relatives Verhältnis der Protonen zueinander über das Integral(Fläche unter der Kurve) desSignals (Beispiel: grün: 3,blau: 3, rot: 2)

Feinaufspaltung

Integral

0.98 ppm2.03 ppm4.12 ppm

1H-Chemische Verschiebungen von organischen Verbindungen

0123456789101112ppm

C OH

OH

C SH

C NH2

C OH

O

C H

O

N

HN

HH

H

C

H

C

H

H

C O

H

C H

C N

H

C S

H

CH3

CH2CH3/

M CH3

H

H

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).

Spektrum ohne Kopplungenbeobachtetes Spektrum

H H

H

Kopplungen

H C

H

H

C

O

O C

H

H

C

H

H

H

Essigsäureethylester

H

H

H

ppm

H=Spineinstellung parallelH=Spineinstellung antiparallel

01234

=Kopplungskonstante J [Hz]

HCHCH2

HHCH

CH2

H

HCHCH2

HHCH

CH2

H

HCHCH2

HHCH

CH2

HHCH

CH2

HHCH

CH2

H

HCH

CH3

HCH

CH3

HCH

CH3

HCH

CH3C CH

H

H

O

O C

H

H

C

H

H

H

Essigsäureethylester

KopplungenDie 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.

Multiplizitätsregeln für die Signalstruktur

n = 0 1 Singulettn = 1 1 1 Dublettn = 2 1 2 1 Triplettn = 3 1 3 3 1 Quartettn = 4 1 4 6 4 1 Quintettn = 5 1 5 10 10 5 1 Sextettn = 6 1 6 15 20 15 6 1 Septett

M = 2nI+1M: Anzahl der Linien des Signalsn: Anzahl der koppelnden Kerne

mit gleicher KopplungskonstanteI: Spinquantenzahl

bei I=1/2 vereinfacht sich das zu M=n+1

Anzahl derKopplungspartner

Muster und Intensitätder Linien des Signals

Bezeichnung derLinienstruktur

Heterokerne

Neben dem Proton lassen sich viele andere Kerne NMR-spektroskopisch beobachtenDiese 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