Kernresonanzspektroskopie

Ein 900 -MHz -NMR -Instrument mit 21,1T Magnet bei Hwb-nmr, Birmingham, Großbritannien

Kernresonanzspektroskopieam häufigsten als bekannt als NMR -Spektroskopie oder Magnetresonanzspektroskopie (FRAU), ist ein spektroskopisch Technik, um lokale Magnetfelder zu beobachten Atomkerne. Die Probe wird in ein Magnetfeld platziert und das NMR -Signal wird durch Anregung der Kernenprobe mit erzeugt Radiowellen hinein Kernspinresonanz, was mit empfindlichen Funkempfängern erkannt wird. Das intramolekulare Magnetfeld um ein Atom in einem Molekül verändert die Resonanzfrequenz und bietet so Zugang zu Details der elektronischen Struktur eines Moleküls und seiner individuellen funktionellen Gruppen. Da sind die Felder für einzelne Verbindungen in modernen einzelne oder sehr charakteristisch organische Chemie Praxis, NMR -Spektroskopie ist die endgültige Methode zur Identifizierung von monomolekular organische Verbindungen.

Das Prinzip von NMR umfasst normalerweise drei sequenzielle Schritte:

  1. Die Ausrichtung (Polarisation) der magnetischen Kernspins in einem angelegten, konstanten Magnet aufstellen B0.
  2. Die Störung dieser Ausrichtung der nuklearen Spins durch einen schwachen oszillierenden magnetischen aufstellen, normalerweise als Radio bezeichnet.Frequenz (RF) Puls.
  3. Nachweis und Analyse der elektromagnetischen Wellen, die durch die Kerne der Probe infolge dieser Störung emittiert werden.

In ähnlicher Weise verwenden Biochemiker NMR, um sich zu identifizieren Proteine und andere komplexe Moleküle. Neben der Identifizierung liefert die NMR -Spektroskopie detaillierte Informationen zu Struktur, Dynamik, Reaktionszustand und chemischer Umgebung von Molekülen. Die häufigsten Arten von NMR sind Proton und Carbon-13 NMR Spektroskopie, ist jedoch für jede Art von Probe anwendbar, die Kerne besitzen drehen.

NMR-Spektren sind einzigartig, gut aufgelöst, analytisch verfolgbar und oft sehr vorhersehbar für kleine Moleküle. Anders funktionelle Gruppen sind offensichtlich unterscheidbar, und identische funktionelle Gruppen mit unterschiedlichen benachbarten Substituenten liefern immer noch unterscheidbare Signale. NMR hat traditionell weitgehend ersetzt Nasschemie Tests wie Farbreagenzien oder typische Chromatographie zur Identifizierung. Ein Nachteil ist, dass eine relativ große Menge von 2–50 mg einer gereinigten Substanz erforderlich ist, obwohl sie durch eine Aufarbeitung zurückgewonnen werden kann. Vorzugsweise sollte die Probe in einem Lösungsmittel gelöst werden, da die NMR -Analyse von Festkörpern eine spezielle Magischer Winkel drehen Maschine und kann nicht gleich aufgelöste Spektren geben. Die Zeitskala von NMR ist relativ lang und ist daher nicht geeignet, schnelle Phänomene zu beobachten und nur ein gemitteltes Spektrum zu erzeugen. Obwohl große Mengen an Verunreinigungen in einem NMR -Spektrum angezeigt werden, gibt es bessere Methoden zum Nachweis von Unreinheiten, da NMR von Natur aus nicht sehr empfindlich ist - obwohl bei höheren Frequenzen die Empfindlichkeit höher ist.

Korrelationsspektroskopie ist eine Entwicklung von gewöhnlichem NMR. Im Zweidimensionaler NMRDie Emission dreht sich um eine einzelne Frequenz, und es werden korrelierte Resonanzen beobachtet. Dies ermöglicht die Identifizierung der benachbarten Substituenten der beobachteten funktionellen Gruppe, wodurch eindeutig die Resonanzen identifiziert werden. Es gibt auch komplexere 3D- und 4D -Methoden und eine Vielzahl von Methoden, mit denen bestimmte Arten von Resonanzen unterdrückt oder verstärkt werden. Im Nuklearübersicht Effekt (NOE) Spektroskopie, die Entspannung der Resonanzen werden beobachtet. Da NOE von der Nähe der Kerne abhängt, ermöglicht die Quantifizierung des NOE für jeden Kern die Konstruktion eines dreidimensionalen Modells des Moleküls.

Ausschnitt eines NMR -Magneten, der seine Struktur zeigt: Strahlungsschild, Vakuumkammer, Flüssigstickstoffgefäß, flüssiges Heliumgefäß und kryogener Scheiben.[1]

NMR -Spektrometer sind relativ teuer; Universitäten haben sie normalerweise, aber sie sind in privaten Unternehmen seltener. Zwischen 2000 und 2015 kostete ein NMR -Spektrometer rund 500.000 - 5 Millionen USD.[2][3] Moderne NMR -Spektrometer haben eine sehr starke, große und teuer Flüssiges Helium-kühlt Superkondition Magnet, weil die Auflösung direkt von der Magnetfeldstärke abhängt. Es sind auch günstigere Maschinen mit permanenten Magneten und niedrigerer Auflösung verfügbar, die für bestimmte Anwendungen wie die Reaktionsüberwachung und die schnelle Überprüfung von Proben eine ausreichende Leistung bieten. Es gibt gerade Nuklearmagnetresonanzspektrometer mit Nuklear -Magnetresonanz -Spektrometern. NMR kann in Magnetfeldern weniger als ein Millitesla beobachtet werden. NMR mit niedriger Auflösung erzeugt breitere Peaks, die sich leicht überlappen können, was zu Problemen bei der Lösung komplexer Strukturen führt. Die Verwendung von Magnetfeldern mit höherer Festigkeit führt zu einer klaren Auflösung der Peaks und ist der Standard in der Industrie.[4]

Geschichte

Gutschrift für die Entdeckung von NMR geht an Isidor Isaac Rabi, der 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt.[5] Die Purcell -Gruppe bei Harvard Universität und die Bloch -Gruppe bei Universität in Stanford Unabhängig entwickelte NMR -Spektroskopie in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren. Edward Mills Purcell und Felix Bloch teilte 1952 Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckungen.[6]

Grundlegende NMR -Techniken

Die NMR -Probe wird in einem dünnwandigen Glasröhrchen hergestellt - an NMR -Röhrchen.

Resonanzfrequenz

Wenn in einem Magnetfeld platziert werden, sind NMR aktive Kerne (wie z. 1H oder 13C) absorbieren elektromagnetische Strahlung bei einer Frequenz charakteristisch von der Isotop.[7] Die Resonanzfrequenz, die Energie der Strahlung und die Intensität des Signals sind proportional zur Stärke des Magnetfeldes. Zum Beispiel in einem 21 Tesla Magnetfeld, Wasserstoffkerne (Allgemein als Protonen bezeichnet) mit 900 MHz resonieren. Es ist üblich, einen 21 T -Magneten als 900 zu bezeichnen MHz Magnet Da Wasserstoff der häufigste Nucleus ist, wird jedoch unterschiedliche Kerne bei unterschiedlichen Frequenzen bei dieser Feldstärke im Verhältnis zu ihrer Resonanz resonieren nukleare magnetische Momente.

Probenbehandlung

Ein NMR und Elektronik zur Steuerung des Systems. Das Spinnen der Probe ist normalerweise erforderlich, um die Diffusionsbewegung durchschnittlich zu durchschnittlich. Einige Experimente erfordern jedoch eine stationäre Probe, wenn die Lösungsbewegung eine wichtige Variable ist. Zum Beispiel Messungen von Diffusionskonstanten (Diffusion geordnete Spektroskopie oder dosy)[8][9] werden unter Verwendung einer stationären Probe mit Abspinnen durchgeführt, und Durchflusszellen können zur Online -Analyse von Prozessflüssen verwendet werden.

Deuterierte Lösungsmittel

Die überwiegende Mehrheit der Moleküle in einer Lösung ist Lösungsmittelmoleküle, und die meisten regelmäßigen Lösungsmittel sind Kohlenwasserstoffe und enthalten so NMR-aktive Protonen. Um zu vermeiden, dass nur Signale aus Wasserstoffatomen Lösungsmittel nachweisen, werden deuterierte Lösungsmittel verwendet, wenn 99+% der Protonen durch ersetzt werden Deuterium (Wasserstoff-2). Das am häufigsten verwendete deuterierte Lösungsmittel ist Deuterochloroform (CDCL3), obwohl andere Lösungsmittel aus verschiedenen Gründen verwendet werden können, wie z. B. Löslichkeit einer Stichprobe, den Wunsch zu kontrollieren Wasserstoffbindung, oder schmelzende oder Siedepunkte. Die chemischen Verschiebungen eines Moleküls ändern sich geringfügig zwischen Lösungsmitteln und das verwendete Lösungsmittel wird fast immer mit chemischen Verschiebungen angegeben. NMR -Spektren werden häufig gegen den bekannten Lösungsmittelrestepeak anstelle von zugesetztem Tetramethylsilan kalibriert.

Shim und Lock

Um die sehr kleinen Frequenzverschiebungen aufgrund der nuklearen Magnetresonanz zu erkennen, muss das angelegte Magnetfeld während des gesamten Probenvolumens konstant sein. Hochauflösende NMR -Spektrometer verwenden Scheiben Um die Homogenität des Magnetfelds an Teile pro Milliarde anzupassen (ppb) in einem Volumen von wenigen Kubikzentimetern. Um Inhomogenität und Drift im Magnetfeld zu erkennen und zu kompensieren, behält das Spektrometer ein "Sperre" auf der Lösungsmittel -Deuteriumfrequenz mit einer separaten Schleuseneinheit bei, die im Wesentlichen ein zusätzlicher Sender- und HF -Prozessor ist, der auf den Sperrkern (Deuterium) abgestimmt ist (Deuterium) eher als die Kerne der Probe von Interesse.[10] In modernen NMR -Spektrometern wird Shimming automatisch angepasst. In einigen Fällen muss der Bediener die Shim -Parameter manuell optimieren, um die bestmögliche Auflösung zu erhalten[11][12]

Erwerb von Spektren

Bei der Anregung der Probe mit einer Funkfrequenz (60–1000 MHz) Impuls, einer nuklearen Magnetresonanzantwort - a Freier Einführungsverfall (Fid) - wird erhalten. Es ist ein sehr schwaches Signal und erfordert sensible Funkempfänger, um abzuholen. EIN Fourier-Transformation wird durchgeführt, um das Frequenz-Domänen-Spektrum aus der rohen Zeitdomänen-FID zu extrahieren. Ein Spektrum aus einer einzigen FID hat ein niedriges Tief Signal-Rausch-Verhältnis, aber es verbessert sich leicht mit der Mittelung von wiederholten Akquisitionen. Gut 1H -NMR -Spektren können mit 16 Wiederholungen erworben werden, was nur Minuten dauert. Für Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, ist die Entspannungszeit jedoch ziemlich lang, z. ca. 8 Sekunden für 13Daher kann der Erwerb von quantitativen Schwerelementspektren zeitaufwändig sein, was Zehn Minuten bis Stunden dauert.

Nach dem Impuls sind die Kerne im Durchschnitt auf einen bestimmten Winkel im Vergleich zum Spektrometermagnetfeld angeregt. Das Ausmaß der Anregung kann mit der Impulsbreite gesteuert werden, typischerweise ca. 3-8 µs für den optimalen 90 ° -Puls. Die Impulsbreite kann durch Auftragen der (signierten) Intensität als Funktion der Impulsbreite bestimmt werden. Es folgt a Sinuskurveund dementsprechend signieren Änderungen bei Impulsbreiten, die 180 ° und 360 ° Impulsen entsprechen.

Die Zerfallzeiten der Anregung, typischerweise in Sekunden, hängen von der Wirksamkeit der Relaxation ab, die für hellere Kerne und in Festkörpern schneller ist und für schwerere Kerne und in Lösungen langsamer ist, und sie können in Gasen sehr lang sein. Wenn der zweite Anregungsimpuls vor dem Abschluss der Relaxation vorzeitig gesendet wird, hat sich der durchschnittliche Magnetisierungsvektor nicht auf den Grundzustand verfallen, was die Stärke des Signals auf unvorhersehbare Weise beeinflusst. In der Praxis sind die Spitzenbereiche dann nicht proportional zur Stöchiometrie; Nur das Vorhandensein, aber nicht die Menge an funktionellen Gruppen ist zu erkennen. Ein Inversionsrückgewinnungsexperiment kann durchgeführt werden, um die Relaxationszeit und damit die erforderliche Verzögerung zwischen Impulsen zu bestimmen. Ein 180 ° -Puls, eine einstellbare Verzögerung und ein 90 ° -Puls werden übertragen. Wenn der 90 ° -Puls das Signal genau absagt, entspricht die Verzögerung der Zeit, die für 90 ° Relaxation benötigt wird.[13] Die Inversionsrückgewinnung lohnt sich für quantitiv 13C, 2d und andere zeitaufwändige Experimente.

Chemische Verschiebung

Hauptartikel: Chemische Verschiebung

Eine Spinnladung erzeugt ein Magnetfeld, das zu einem magnetischen Moment proportional zum Spin führt. In Gegenwart eines externen Magnetfeldes gibt es zwei Spinzustände (für einen Spin 1/2 -Kern): ein Spin nach oben und ein Spin nach unten, wobei einer mit dem Magnetfeld ausrichtet und der andere dadurch entspricht. Der Energieunterschied (ΔE) zwischen den beiden Spinzuständen nimmt mit zunehmender Stärke des Feldes zu, aber dieser Unterschied ist normalerweise sehr gering, was zu starken NMR-Magneten (1-20 t für moderne NMR-Instrumente) führt. Die Bestrahlung der Probe mit Energie, die der exakten Spinzustandsabtrennung eines bestimmten Kernenssatzes entspricht, führt zu einer Anregung der Kerne -Kerne im niedrigeren Energiezustand zum höheren Energiezustand.

Für Spin -1/2 -Kerne ist der Energieunterschied zwischen den beiden Spinzuständen bei einer gegebenen Magnetfeldstärke proportional zu ihrem magnetischen Moment. Selbst wenn alle Protonen die gleichen magnetischen Momente haben, geben sie keine Resonanzsignale bei den gleichen Frequenzwerten an. Dieser Unterschied ergibt sich aus den unterschiedlichen elektronischen Umgebungen des interessierenden Kerns. Bei Anwendung eines externen Magnetfelds bewegen sich diese Elektronen als Reaktion auf das Feld und erzeugen lokale Magnetfelder, die sich dem viel stärkeren angelegten Feld widersetzen. Dieses lokale Feld "schützt" das Proton aus dem angelegten Magnetfeld, das daher erhöht werden muss, um eine Resonanz (Absorption der HF -Energie) zu erreichen. Solche Schritte sind sehr klein, normalerweise in Teilen pro Million (ppm). Zum Beispiel wird der Protonspeak aus einem Aldehyd ca. 10 ppm im Vergleich zu einem Kohlenwasserstoffpeak, da als Elektronen-Withdrawing-GruppeDas Carbonyl wird das Proton durch Reduzierung der lokalen Elektronendichte. Der Unterschied zwischen 2,3487 T und 2,3488 T beträgt daher etwa 42 ppm. Eine Frequenzskala wird jedoch üblicherweise verwendet, um die NMR -Signale zu bezeichnen, obwohl das Spektrometer möglicherweise durch das Abfegen des Magnetfelds betrieben wird und der 42 ppm 4200 Hz für eine 100 -MHz -Referenzfrequenz (RF) beträgt.

Angesichts der Tatsache, dass die Position verschiedener NMR -Signale von der externen Magnetfeldstärke und der Referenzfrequenz abhängt, werden die Signale normalerweise relativ zu einem Referenzsignal angegeben, normalerweise die von TMS (Tetramethylsilan). Da die Verteilung der NMR -Signale feldabhängig ist, werden diese Frequenzen außerdem durch die Spektrometerfrequenz geteilt. Da wir Hz jedoch durch MHz teilen, wäre die resultierende Zahl zu klein und wird daher mit einer Million multipliziert. Dieser Betrieb gibt daher eine Lokatorzahl, die als "chemische Verschiebung" bezeichnet wird, mit Einheiten von Teilen pro Million.[14] Im Allgemeinen sind chemische Verschiebungen für Protonen sehr vorhersehbar, da die Verschiebungen hauptsächlich durch einfachere Abschirmungseffekte (Elektronendichte) bestimmt werden, aber die chemischen Verschiebungen für viele schwerere Kerne werden jedoch stärker von anderen Faktoren beeinflusst Tensor).

Beispiel für die chemische Verschiebung: NMR -Spektrum von Hexaboran B6H10 Die in Frequenz verschobenen Peaks, die Hinweise auf die molekulare Struktur ergeben. (Klicken Sie hier, um Interpretationsdetails zu lesen)

Die chemische Verschiebung liefert Informationen über die Struktur des Moleküls. Die Konvertierung der Rohdaten in diese Informationen wird aufgerufen Zuweisung Das Spektrum. Zum Beispiel für die 1H-NMR-Spektrum für Ethanol (CH3CH2OH), man würde Signale in jedem der drei spezifischen chemischen Verschiebungen erwarten: eine für das cH3 Gruppe, eine für die cH2 Gruppe und eine für das oH Gruppe. Ein typischer ch3 Gruppe hat eine Verschiebung um 1 ppm, ein CH2 An einem OH verbunden ist eine Verschiebung von etwa 4 ppm und eine OH hat eine Verschiebung zwischen 2 und 6 ppm, je nach verwendeten Lösungsmittel und der Menge an Wasserstoffbindung. Während das O -Atom die Elektronendichte von der angeschlossenen H durch seine gegenseitige Sigma -Bindung entfernen, badet das Elektronen einsame Paar am O den H in ihrem Abschirmeffekt.

Im Paramagnetische NMR -SpektroskopieMessungen werden an paramagnetischen Proben durchgeführt. Der Paramagnetismus führt zu sehr unterschiedlichen chemischen Verschiebungen. Im 1H -NMR -Spektroskopie, der chemische Verschiebungsbereich kann bis zu Tausende von ppm überspannen.[15]

Wegen der molekularen Bewegung bei Raumtemperatur die drei Methylprotonen Durchschnittlich Während des NMR -Experiments (das normalerweise einige benötigt Frau). Diese Protonen werden degenerieren und bilden einen Peak bei derselben chemischen Verschiebung.

Die Form und der Bereich von Peaks sind auch Indikatoren für die chemische Struktur. Im obigen Beispiel - das Protonenspektrum von Ethanol - das ch.3 Der Peak hat das Dreifache der Fläche des OH -Peaks. Ähnlich der ch2 Der Höhepunkt wäre doppelt so hoch wie der OH -Gipfel, aber nur 2/3 der Fläche des CH3 Gipfel.

Die Software ermöglicht eine Analyse der Signalintensität von Peaks, die unter Bedingungen einer optimalen Relaxation mit der Anzahl der Protonen dieses Typs korrelieren. Die Analyse der Signalintensität erfolgt durch Integration- Der mathematische Prozess, der die Fläche unter einer Kurve berechnet. Der Analyst muss den Peak integrieren und seine Höhe nicht messen, da die Peaks auch haben Breite- und so ist seine Größe von seiner Fläche abhängig, nicht von seiner Höhe. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass die Anzahl der Protonen oder ein anderer beobachteter Kern nur proportional zur Intensität oder das Integral des NMR-Signals in den einfachsten eindimensionalen NMR-Experimenten ist. In ausgefeilteren Experimenten beispielsweise in experimentellen Experimenten, die typischerweise verwendet werden, um zu erhalten Carbon-13 NMR -Spektren, das Integral der Signale, hängt von der Relaxationsrate des Kerns und seinen skalaren und dipolaren Kopplungskonstanten ab. Sehr oft sind diese Faktoren schlecht bekannt - daher ist das Integral des NMR -Signals in komplizierteren NMR -Experimenten sehr schwer zu interpretieren.

J-Kopplung

Hauptartikel: J-Kopplung
Vielzahl Intensitätsverhältnis
Singulett (en) 1
Doublet (d) 1: 1
Triplet (t) 1: 2: 1
Quartett (q) 1: 3: 3: 1
Quintett 1: 4: 6: 4: 1
Sextett 1: 5: 10: 10: 5: 1
Septett 1: 6: 15: 20: 15: 6: 1
Beispiel 1H -NMR -Spektrum (1-dimensional) von Ethanol als Signalintensität aufgetragen vs. chemische Verschiebung. Es gibt drei verschiedene Arten von H Atome in Ethanol bezüglich NMR. Der Wasserstoff (h) auf der –OH Gruppe Koppelt sich nicht mit den anderen H -Atomen und erscheint als Singulett, sondern die CH3− und die –CH2− Hydrlene koppeln miteinander, was zu einem Triplett bzw. ein Quartett führt.

Einige der nützlichsten Informationen zur Strukturbestimmung in einem eindimensionalen NMR-Spektrum stammen von stammen von J-Kopplung oder Skalarkopplung (Ein spezieller Fall von Spin -Spin -Kopplung) zwischen NMR -aktiven Kern. Diese Kopplung ergibt sich aus der Wechselwirkung verschiedener Spinzustände durch die chemischen Bindungen eines Moleküls und führt zur Aufteilung von NMR -Signalen. Für ein Proton unterscheidet sich das lokale Magnetfeld geringfügig, je nachdem, ob ein benachbarter Kern auf oder gegen das Spektrometermagnetfeld hinweist, was zwei Signale pro Proton anstelle von einem entsteht. Diese Spaltmuster können komplex oder einfach sein und ebenfalls einfach interpretierbar oder täuschbar sein. Diese Kopplung bietet detaillierte Einblicke in die Konnektivität von Atomen in einem Molekül.

Kopplung an n äquivalente (Spin ½) Kerne teilen das Signal in a n+1 Multiplett mit den folgenden Intensitätsverhältnissen Pascals Dreieck wie rechts beschrieben. Die Kopplung an zusätzliche Spins führt zu weiteren Aufspalten jeder Komponente des Multipletts, z. Die Kopplung an zwei verschiedene Spin -½ -Kerne mit signifikant unterschiedlichen Kopplungskonstanten führt zu a Dublett der Doppel (Abkürzung: DD). Beachten Sie, dass die Kopplung zwischen chemisch äquivalentem Kernen (dh die gleiche chemische Verschiebung hat) keinen Einfluss auf die NMR -Spektren und Kopplungen zwischen Kern, die entfernt sind (normalerweise mehr als 3 Bindungen für Protonen in flexiblen Molekülen), normalerweise zu klein) beobachtbare Spaltungen verursachen. Langstrecken Kupplungen über mehr als drei Bindungen können häufig in beobachtet werden zyklisch und aromatisch Verbindungen, die zu komplexeren Spaltmustern führen.

Zum Beispiel im oben beschriebenen Protonenspektrum für Ethanol das CH3 Gruppe wird in a aufgeteilt Triplett mit einem Intensitätsverhältnis von 1: 2: 1 von den beiden benachbarten CH2 Protonen. Ebenso das ch2 ist in a aufgeteilt Quartett mit einem Intensitätsverhältnis von 1: 3: 3: 1 von den drei benachbarten CH3 Protonen. Grundsätzlich die beiden ch2 Protonen würden auch erneut in a aufgeteilt Doublet zu bilden a Doppel der Quartette Durch das Hydroxylproton, aber der intermolekulare Austausch des sauren Hydroxylprotons führt häufig zu einem Verlust von Kopplungsinformationen.

Die Kopplung an Spin-1/2-Kerne wie Phosphor-31 oder Fluor-19 funktioniert auf diese Weise (obwohl die Größen der Kopplungskonstanten möglicherweise sehr unterschiedlich sein können). Aber die Spaltmuster unterscheiden Quantenzahl Spin hat mehr als zwei mögliche Werte. Zum Beispiel spaltet die Kopplung an Deuterium (ein Spin -1 -Kern) das Signal in a 1: 1: 1 Triplett Weil der Spin 1 drei Spinzustände hat. In ähnlicher Weise ein Spin 3/2 -Kern wie z. 35Cl spaltet ein Signal in a 1: 1: 1: 1 Quartett usw.

Die Kopplung in Kombination mit der chemischen Verschiebung (und der Integration für Protonen) erzählt uns nicht nur über die chemische Umgebung der Kerne, sondern auch über die Anzahl der Anzahl Nachbar NMR aktive Kerne innerhalb des Moleküls. In komplexeren Spektren mit mehreren Peaks bei ähnlichen chemischen Verschiebungen oder in anderen Spektren von Kernen als Wasserstoff ist die Kopplung häufig der einzige Weg, um verschiedene Kerne zu unterscheiden.

1H -NMR -Spektrum von Menthol mit chemische Verschiebung in ppm auf der horizontalen Achse. Jedes magnetisch ungleiche Proton hat eine charakteristische Verschiebung, und Kopplungen an andere Protonen erscheinen als Aufteilung der Peaks in Multiplets: z. Gipfel a, wegen der drei magnetisch äquivalenten Protonen in der Methylgruppe a, Paar zu einem benachbarten Proton (e) und erscheint so als Doublet.

Zweite (oder starke) Kopplung zweiter Ordnung

In der obigen Beschreibung geht davon aus, dass die Kopplungskonstante im Vergleich zum Unterschied der NMR -Frequenzen zwischen den ungleicheren Spins gering ist. Wenn die Verschiebungstrennung abnimmt (oder die Kopplungsstärke zunimmt), werden die Multiplettintensitätsmuster zuerst verzerrt und dann komplexer und weniger leicht analysiert (insbesondere wenn mehr als zwei Spins beteiligt sind). Die Intensivierung einiger Peaks in einem Multiplett wird auf Kosten des Restes erreicht, was manchmal fast im Hintergrundrauschen verschwindet, obwohl die integrierte Fläche unter den Peaks konstant bleibt. In den meisten Hochfeld-NMR sind die Verzerrungen jedoch normalerweise bescheiden und die charakteristischen Verzerrungen (Dachbeobachtung) kann tatsächlich dazu beitragen, verwandte Peaks zu identifizieren.

Einige dieser Muster können mit dem analysiert werden Methode herausgegeben von John Pople,[16] obwohl es nur begrenzt umfangreich ist.

Die Effekte zweiter Ordnung nehmen mit zunehmender Frequenzdifferenz zwischen Multiplets ab, so dass High-Field-(d. H. Hochfrequenz-) NMR-Spektren eine geringere Verzerrung aufweisen als niedrigere Frequenzspektren. Frühe Spektren bei 60 MHz waren anfälliger für Verzerrungen als Spektren von späteren Maschinen, die typischerweise bei Frequenzen bei 200 MHz oder mehr funktionierten.

Darüber hinaus kann wie in der Figur rechts eine J-Kopplung verwendet werden, um eine ortho-meta-para-Substitution eines Rings zu identifizieren. Die Ortho -Kopplung ist bei 15 Hz am stärksten, Meta folgt mit einem Durchschnitt von 2 Hz, und schließlich ist die Para -Kopplung in der Regel für Studien unbedeutend.

Magnetische Ungleichheit

Weitere Informationen: Magnetische Ungleichheit

Subtilere Effekte können auftreten, wenn chemisch äquivalente Spins (d. H. Durch Symmetrie und damit die gleiche NMR -Frequenz) unterschiedliche Kopplungsbeziehungen zu externen Spins aufweisen. Spins, die chemisch äquivalent sind, aber nicht nicht zu unterscheiden sind (basierend auf ihren Kopplungsbeziehungen), werden als magnetisch ungleichmäßig bezeichnet. Beispielsweise unterteilt sich die 4-h-Stellen von 1,2-Dichlorbenzol in zwei chemisch äquivalente Paare durch Symmetrie, aber ein einzelnes Mitglied eines der Paare hat unterschiedliche Kopplungen an den Drehungen, die das andere Paar ausmachen. Magnetische Ungleichheit kann zu hochkomplexen Spektren führen, die nur durch Computermodellierung analysiert werden können. Solche Effekte treten bei NMR-Spektren von aromatischen und anderen nicht flexiblen Systemen häufiger auf, während die Konformationsmittelung über C-C-Bindungen in flexiblen Molekülen tendenziell die Kupplungen zwischen Protonen an benachbarten Kohlenstücken ausgleichen, was die Probleme mit magnetischer Inäquivalenz verringert.

Korrelationsspektroskopie

Weitere Informationen: 2d-nmr

Korrelationsspektroskopie ist eine von mehreren Arten von zweidimensionalen Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR) oder 2d-nmr. Diese Art von NMR -Experiment ist am besten durch seine bekannt Akronym, GEMÜTLICH. Andere Arten von zweidimensionalem NMR sind J-Spektroskopie, Austauschspektroskopie (EXSY), Nuklearübersicht Effekt Spektroskopie (NOESY), Gesamtkorrelationsspektroskopie (TOCSY) und heteronukleäre Korrelationsexperimente, wie z. HSQC, HMQC, und HMBC. In der Korrelationsspektroskopie befindet sich die Emission auf den Peak eines einzelnen Kerns; Wenn sein Magnetfeld mit einem anderen Kern durch Bond (gemütlich, hsqc usw.) oder durch den Raum (NOE) Kopplung korreliert ist, kann auch auf die Frequenz des korrelierten Kerns eine Reaktion nachgewiesen werden. Zweidimensionale NMR-Spektren liefern mehr Informationen über ein Molekül als eindimensionale NMR-Spektren und sind besonders nützlich bei der Bestimmung der Struktur von a Molekülinsbesondere für Moleküle, die zu kompliziert sind, um mit eindimensionaler NMR zu arbeiten. Das erste zweidimensionale Experiment, Cosy, wurde 1971 von Jean Jeener, einem Professor an der Université Libre de Bruxelles, vorgeschlagen.[17][18] Dieses Experiment wurde später von Walter P. Auue, Enrico Bartholdi und implementiert Richard R. Ernst, der ihre Arbeit 1976 veröffentlichte.[19]

Festkörpermagnetresonanz für Festkörper

Festkörper 900 MHz (21,1 t[20]) NMR-Spektrometer in der kanadischen National Ultrahoigh-Field NMR-Einrichtung für Feststoffe
Weitere Informationen: Festkörper-NMR

Eine Vielzahl von physikalischen Umständen ermöglichen es nicht, Moleküle in Lösung zu untersuchen, und gleichzeitig nicht durch andere spektroskopische Techniken auf atomarer Ebene. In Festphasenmedien wie Kristallen, mikrokristallinen Pulver, Gelen, anisotropen Lösungen usw. ist es insbesondere die dipolare Kopplung und die chemische Verschiebungsanisotropie, die dem Verhalten der Kernspin-Systeme dominiert. In der herkömmlichen NMR-Spektroskopie für Lösungsstände würden diese zusätzlichen Wechselwirkungen zu einer signifikanten Erweiterung der Spektrallinien führen. Eine Vielzahl von Techniken ermöglicht die Festlegung hochauflösender Bedingungen, die zumindest für 13C-Spektren, vergleichbar mit NMR-Spektren mit Lösungsstaat.

Zwei wichtige Konzepte für hochauflösende Festkörper-NMR-Spektroskopie sind die Begrenzung einer möglichen molekularen Orientierung durch Probenorientierung und die Verringerung der anisotropen nuklearen magnetischen Wechselwirkungen durch Probenspinnen. Des letzteren Ansatzes, schnell um die Zauberwinkel ist eine sehr herausragende Methode, wenn das System Spin 1/2 -Kerne umfasst. Spinnrate von ca. 20 kHz werden verwendet, wodurch spezielle Ausrüstung erforderlich ist. Eine Reihe von Zwischentechniken mit Proben der teilweisen Ausrichtung oder einer verringerten Mobilität wird derzeit in der NMR -Spektroskopie verwendet.

Anwendungen, bei denen Festkörper-NMR-Effekte auftreten, hängen häufig mit Strukturuntersuchungen zu Membranproteinen, Proteinfibrillen oder allen Arten von Polymeren und chemischen Analysen in der anorganischen Chemie zusammen, umfassen jedoch auch "exotische" Anwendungen wie die Pflanzenblätter und Brennstoffzellen. Zum Beispiel haben Rahmani et al. untersuchte den Effekt von Druck und Temperatur auf die Selbstorganisation der Bicellar Structures unter Verwendung von Deuterium-NMR-Spektroskopie.[21]

Biomolekulare NMR -Spektroskopie

Proteine

Hauptartikel: Kernmagnetresonanzspektroskopie von Proteinen

Ein Großteil der Innovation innerhalb der NMR -Spektroskopie war im Bereich von Protein NMR Spektroskopie eine wichtige Technik in Strukturbiologie. Ein gemeinsames Ziel dieser Untersuchungen ist es, hochauflösende dreidimensionale Strukturen des Proteins zu erhalten, ähnlich wie durch Röntgenkristallographie. Im Gegensatz zur Röntgenkristallographie ist die NMR-Spektroskopie normalerweise auf Proteine ​​begrenzt, die kleiner als 35 sind KDA, obwohl größere Strukturen gelöst wurden. Die NMR -Spektroskopie ist häufig der einzige Weg, um hochauflösende Informationen über teilweise oder ganz zu erhalten intrinsisch unstrukturierte Proteine. Es ist jetzt ein gemeinsames Instrument zur Bestimmung von Konformationsaktivitätsbeziehungen Wo die Struktur vor und nach der Wechselwirkung mit zum Beispiel ein Drogenkandidat mit seiner bekannten biochemischen Aktivität verglichen wird. Proteine ​​sind Größenordnungen größer als die kleinen organischen Moleküle, die früher in diesem Artikel diskutiert wurden, aber auch die grundlegenden NMR -Techniken und einige NMR -Theorie gilt. Aufgrund der viel höheren Anzahl von Atomen, die in einem Proteinmolekül im Vergleich zu einer kleinen organischen Verbindung vorhanden sind, wird die grundlegenden 1D -Spektren mit überlappenden Signalen in einem Ausmaß überfüllt, in dem die direkte spektrale Analyse unhaltbar wird. Daher wurden mehrdimensionale (2, 3 oder 4D) Experimente entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Um diese Experimente zu erleichtern, ist es wünschenswert zu isotopisch Beschriften Sie das Protein mit 13C und 15N weil das vorherrschende von Natur aus vorkommende Isotop 12C ist nicht nmr-aktiv und das nukleare Quadrupolmoment des vorherrschenden natürlich vorkommenden 14N Isotop verhindert, dass hochauflösende Informationen aus diesem Stickstoffisotop erhalten werden. Die wichtigste Methode zur Strukturbestimmung von Proteinen wird verwendet Noe Experimente Entfernungen zwischen Atomen innerhalb des Moleküls. Anschließend werden die erhaltenen Abstände verwendet, um eine 3D -Struktur des Moleküls durch Lösen von a zu erzeugen Entfernungsgeometrie Problem. NMR kann auch verwendet werden, um Informationen über die Dynamik und Konformationsflexibilität verschiedener Regionen eines Proteins zu erhalten.

Nukleinsäuren

Hauptartikel: Kernmagnetresonanzspektroskopie von Nukleinsäuren

Nukleinsäure NMR ist die Verwendung der NMR -Spektroskopie, um Informationen über die Struktur und Dynamik von Poly zu erhaltenNukleinsäuren, wie zum Beispiel DNA oder RNA. Ab 2003Fast die Hälfte aller bekannten RNA -Strukturen wurde durch NMR -Spektroskopie bestimmt.[22]

Nukleinsäure- und Protein -NMR -Spektroskopie sind ähnlich, aber Unterschiede bestehen. Nukleinsäuren haben einen geringeren Prozentsatz an Wasserstoffatomen, die die Atome sind, die normalerweise in der NMR -Spektroskopie beobachtet werden, und weil Nukleinsäure -Doppelhelices sind steif und ungefähr linear, sie falten sich nicht auf sich selbst zurück, um "Langstrecken" -Korrelationen zu geben.[23] Die Arten von NMR, die normalerweise mit Nukleinsäuren erfolgen, sind 1H oder Proton NMR, 13C nmr, 15N nmr, und 31P nmr. Zweidimensionaler NMR Es werden fast immer Methoden verwendet, wie z. Nuklearübersicht Effekt Spektroskopie (NOESY) zum Nachweis von Kopplungen zwischen Kernen, die im Raum nahe beieinander liegen.[24]

Parameter aus dem Spektrum, hauptsächlich Noesy Cross-Peaks und Kopplungskonstantenkann verwendet werden, um lokale strukturelle Merkmale wie z. Glykosidbindung Winkel, Diedralwinkel (Verwendung der Karplus -Gleichung) und Zuckerpuckerkonformationen. Für eine groß angelegte Struktur müssen diese lokalen Parameter mit anderen strukturellen Annahmen oder Modellen ergänzt werden, da sich Fehler summieren, wenn die Doppelhelix durchquert wird, und im Gegensatz zu Proteinen hat die Doppelhelix keinen kompakten Innenraum und fällt nicht auf selbst. NMR ist auch nützlich, um nicht standardmäßige Geometrien zu untersuchen, wie z. gebogene Helices, nicht watson-kricks Basispairing und Koaxialstapel. Es war besonders nützlich bei der Untersuchung der Struktur natürlicher RNA -Oligonukleotide, die dazu neigen, komplexe Konformationen wie z. Stammschleifen und Pseudoknots. NMR ist auch nützlich, um die Bindung von zu untersuchen Nukleinsäuremoleküle an andere Moleküle wie Proteine ​​oder Arzneimittel, indem sie sehen, welche Resonanzen bei der Bindung des anderen Moleküls verschoben werden.[24]

Kohlenhydrate

Hauptartikel: Kernmagnetresonanzspektroskopie von Kohlenhydraten

Kohlenhydrat -NMR Die Spektroskopie befasst sich mit Fragen zur Struktur und Konformation von Kohlenhydrate. Die Analyse von Kohlenhydraten durch 1H -NMR ist aufgrund der begrenzten Variation der funktionellen Gruppen eine Herausforderung, was zu 1H -Resonanzen führt, die in engen Banden des NMR -Spektrums konzentriert sind. Mit anderen Worten, es gibt eine schlechte spektrale Dispersion. Die anomeren Protonenresonanzen werden von den anderen getrennt, da die anomeren Kohlenstoffe zwei Sauerstoffatome tragen. Bei kleineren Kohlenhydraten erleichtert die Dispersion der anomeren Protonenresonanzen die Verwendung von 1D -TOCSY -Experimenten, um die gesamten Spinsysteme einzelner Kohlenhydratreste zu untersuchen.

Drogenentdeckung

Die Kenntnis der Energie -Minima- und Rotationsenergiebarrieren kleiner Moleküle in Lösung kann unter Verwendung von NMR, z. Betrachten Sie die Konformationspräferenzen der freien Liganden bzw. der Konformationsdynamik. Dies kann verwendet werden, um Arzneimitteldesign -Hypothesen zu leiten, da experimentelle und berechnete Werte vergleichbar sind. Zum Beispiel verwendet AstraZeneca NMR für seine Onkologieforschung und -entwicklung. [25]

Siehe auch

Verwandte Methoden von Kernspektroskopie:

Verweise

  1. ^ Strukturbiologie: Praktische NMR -Anwendungen (PDF) (2. Aufl.). Springer. 6. September 2012. p. 67. ISBN 978-1-4614-3964-6. Abgerufen 7. Dezember 2018.
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Weitere Lektüre

Externe Links

  • James Keeler. "NMR -Spektroskopie verstehen" (Nachdruck bei Universität von Cambridge). Universität von Kalifornien, Irvine. Abgerufen 2007-05-11.
  • Die Grundlagen von NMR - Ein nichttechnischer Überblick über NMR-Theorie, Ausrüstung und Techniken von Dr. Joseph Hornak, Professor für Chemie bei RIT,
  • Gamma- und Pygamma -Bibliotheken - Gamma ist eine Open -Source -C ++ - Bibliothek, die zur Simulation von Experimenten der nuklearen Magnetresonanzspektroskopie geschrieben wurde. Pygamma ist eine Python -Wrapper um Gamma.
  • Entspannen Sie sich Software zur Analyse der NMR -Dynamik
  • Vespa - Vespa (vielseitige Simulation, Impulse und Analyse) ist eine kostenlose Software -Suite, die aus drei Python -Anwendungen besteht. Diese GUI -basierten Tools dienen der Spektralsimulation von Magnetresonanz (MR), HF -Impulsdesign sowie spektraler Verarbeitung und Analyse von MR -Daten.