Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

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1 Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung Elementaranalyse Massenspektrometrie andere spektroskopische Methoden Röntgen- Strukturanalyse Kernmagnetische Resonanz - Spektroskopie

2 H 3 C H 3 C 2 C OH 3 O Ibuprofen

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4 Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (NMR*) 1. Wie funktioniert die NMR? Der Spin - eine Eigenschaft des Atomkerns Die Wirkung eines Magnetfeldes Enstehung eines NMR-Spektrums 2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung 3. Anwendungen in der Medizin (Tomographie) * =nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy

5 Der Spin - eine Eigenschaft des Atomkerns Die meisten Kerne (wie z.b 1 H, 13 C, 31 P...) haben einen Spin I 0. Diese Kerneigenschaft bewirkt, dass diese Kerne ein magnetisches Moment µ besitzen und sich daher wie mikroskopische Magnete verhalten. l N S Bringt man solche Kerne in ein Magnetfeld, so richten sich die Magnete aus und vollführen eine Präzession um die Richtung des angelegten Magnetfeldes B 0. ω o µ Präzessionsfrequenz: B o ω o = - γ B 0

6 Magnetfeld der Erde : µt Magnetfelder in der NMR: Spektroskopie: T Tomographie: T Präzessionsfrequenzen für 1 H: MHz

7 Energie E µ +1/2γ h/2π B o ω o B o -1/2γ h/2π B o B 0 Magnetfeld B ω o µ

8 Die Kernspins richten sich parallel oder anti-parallel zum angelegten Magnetfeld aus: da die parallel ausgerichteten Momente in der Überzahl sind, wird die Probe magnetisiert. z x y z B o M o x y B o

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10 Energie E z z M o B 1 -Einstrahlung E = h ν B 1 y x y M xy x ω o ω o In deuteriertem Lösungsmittel gelöste Probe wird in der Mitte des Magnets platziert. NMR Spektrum Proben- Röhrchen Supraleitender Magnet Die Probe wird im Magnetfeld rotiert; das Spinsystem wird durch HF-Pulse angeregt. NMR Console Workstation/PC

11 Magnetisierung Zeit Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls Intensität Frequenz (Hz) Spektrum der Probe

12 Abschirmung des Kernspins durch die umgebenden Elektronen Die Kerne spüren nicht das tatsächlich anliegende Magnetfeld B 0, sondern werden durch die sie umgebende Elektronenhülle abgeschirmt. Das lokale Feld (das am Kernort) ist dann: B lokal = (1 - σ) B 0. Die Konsequenz ist eine veränderte Resonanzfrequenz ω lokal ω 0. Induziertes Magnetfeld Elektron Proton Da diese Abschirmung von der chemischen Umgebung abhängt, nennt man diesen Effekt chemische Verschiebung - dieser Effekt erlaubt es, chemisch nicht äquivalente Kerne zu unterscheiden, da ihr Signal im NMR Spektrum bei unterschiedlichen Frequenzen erscheint.

13 Chemische Verschiebungen Säuren, Aldehyde Alkohole Aromaten, Amide Olefine Aliphaten 1 H ppm TMS C=O in Ketonen Aromaten Olefine 3, 2, 210 C=O von Säuren, Aldehyden Alkohole 0 TMS ppm 13 C

14 2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung H 3 C H 3 C 2 C OH 3 O Ibuprofen

15 1 H NMR Spektrum der Verbindung Anzahl der äquivalenten Protonen H 3 C H 3 C 2 3 C O OH ppm 0 18 Protonen auf 8 nicht-äquivalente Plätzen 4 Protonen am aromatischen Ring 2 C-H Protonen vermutlich eine 2 -Gruppe, eine 3 Gruppe und zwei weitere äquivalente 3 -Gruppen bliebe eine OH-Gruppe

16 13 C NMR Spektrum der Verbindung Originalspektrum, 3 pos., 2 neg. pos. H 3 C H 3 C 2 3 C O OH 10 Kohlenstoff-Positionen 2x H-C arom, 3x C quartär, 2x H-C ali, ppm 2x 3, 1x 2 ABER: Welches Proton ist an welchen Kohlenstoff gebunden? Wie sind die Kohlenstoffe miteinander verbunden? Wie groß sind die Abstände zwischen den Kohlenstoffen bzw. Protonen?

17 Zweidimensionale NMR-Experimente zur Strukturaufklärung Die Korrelation verschiedener Signale liefert Informationen über Bindungen zwischen einzelnen Kernen ( Proton-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Kohlenstoff, ) Bindungsabstände, Bindungswinkel, Entfernungen zwischen nicht direkt miteinander verbundenen Bausteinen eines Moleküls Korrelation des 1 H und des 13 C NMR Spektrums zur Zuordnung der einzelnen Signale / 2 13 C NMR Spektrum 1 H NMR Spektrum

18 Korrelation der 1 H NMR Signale zur Bestimmung der Verbindung zwischen den einzelnen x -Gruppen : 2 x - in aromatischem Ring: 3 2: : 2-4: H NMR Spektrum H H 1 3 H 2 C 3 1 H NMR Spektrum 3 O H H HO

19 H 3 C H 3 C 2 H # H b b a a H * H 3 C O HO H a H b Korrelation der Protonen mit dem übernächsten Nachbar-Kohlenstoff 3 / 2 C * C b C a C # O=C

20 2.80 Å 2.20 Å Messung von Abständen zwischen Kernen ( 1 H, 13 C, ) 3 H a H b ppm 0 1,0 r=2.22 Å 0,8 max I/I 0,6 0,4 r=2.83 Å 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 t (s)

21 Mit Hilfe der NMR-Messungen kann man alle Strukturelemente finden, die Verbindung zwischen den einzelnen Bausteinen des Moleküls detektieren, Abstände und Winkel innerhalb des Moleküls messen, und somit die Struktur des Moleküls vollständig bestimmen. Damit ist es auch möglich, die Struktur großer Moleküle, wie sie in der Natur vorkommen (z.b. Proteine mit mehreren Tausend Atomen), zu ermitteln!

22 3. Anwendungen der NMR in der Medizin (Tomographie) Medizinstudium, Frankreich 1482 Rembrandt: Die Anatomie des Dr. Tulp 1632

23 Röntgenbild, 1896 Röntgenbild, 2009 Ultraschallbild, Zwillinge Ultraschallbild, 3D

24 3. Anwendungen der NMR in der Medizin (Tomographie) Magnetisierung Intensität Zeit Frequenz (Hz) Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls: Abfall mit einer Zeitkonstanten T 2 (Relaxationszeit) Spektrum der Probe: Die Intensität des Signals ist proportional zur Anzahl der Protonen Relaxationszeiten und Intensitäten von (meist) 1 H NMR Signalen werden zur Bildgebung (Tomographie) verwendet. Dabei wird das zu untersuchende Objekt (z.b. Mensch) in einem inhomogenen Magnetfeld untersucht, um räumliche Informationen zu erhalten.

25 In der Tomographie werden neben dem statischen Magnetfeld zusätzliche, zeit- und ortsabhängige Felder verwendet die sogenannten Feldgradienten. Im nun inhomogenen Magnetfeld hat jeder Spin eine ortsabhängige Larmorfrequenz. Feldgradient G Intensität Frequenz

26 Bsp.: a) Tumorzellen haben kürzere Relaxationszeiten als gesundes Gewebe; b) Knochen liefern eine geringere 1 H Signalintensität als Muskeln,... Werden solche Feldgradienten in verschiedenen Raumrichtungen angewendet, erhält man eine Reihe von Spektren, die im Computer zu einem Bild (gewichtet nach Intensität, Relaxationszeit oder Frequenz) zusammengesetzt werden.

27 Tomographie in der Medizin Anatomische Untersuchungen Beobachtung von Gehirnfunktionen

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30 NMR-Tomographie: Anwendung in der Neurochirurgie Sprachzentrum Tumor

31 Detektion von Gehirnfunktionen Beispiel: Schach - Mustererkennung R L R L R L

32 NMR-Tomographie: Anwendung als Lügendetektor? Werbung der Firma No Lie MRI

33 Chemie-Quiz im Probestudium mit freundlicher Unterstützung durch die

34 Frage 1 Wie empfindlich ist die NMR Spektroskopie im Vergleich zu anderen Analysemethoden? Kann sie zur Spurensuche (z.b. für Dopingkontrollen) verwendet werden? (A) (B) (C) empfindlichste Analytikmethode Routineeinsatz bei der Dopingfahndung genauso empfindlich wie andere Methoden auch, wird aber wegen des technischen Aufwandes selten angewendet unempfindliche Methode keine Spurensuch-Methode Frage 2 Welche Informationen kann man aus einem zweidimensionalen NMR-Spektrum gewinnen? (A) Bindungsabstände, Bindungs- und Torsionswinkel (B) Masse des Moleküls (C) Nachbarschaft von Kernen im Molekül (D) Löslichkeit des Moleküls in organischen Lösungsmitteln Frage 3 Welche Vorteile hat die NMR-Tomographie gegenüber der mit Röntgenstrahlung arbeitenden Computertomographie? (A) (B) (C) (D) geringerer apparativer Aufwand geringere Strahlenbelastung des Patienten höhere räumliche Auflösung bessere Beobachtbarkeit von Körperteilen mit hohem Wassergehalt