Das COSY (COrrelated SpectroscopY)-Experiment
Das COSY-Experiment ist das älteste und wohl bekannteste (verschiebungskorrelierte) 2D-Verfahren.Ziel ist es, auf der skalaren Spin-Spin-Kopplung (über Bindungen) beruhende Beziehungen zwischen Kernen aufzudecken.
Besonders sinnvoll ist die Aufnahme eines COSY-Spektrums, wenn im 1D-NMR-Spektrum überlappende Multipletts und Teilspektren höherer Ordnung auftreten.
COSY-Impulsfolgen
Es gibt viele verschiedene COSY-Pulssequenzen, man kann auch zwischen heteronuclearen (z.B. C,H-COSY) und homonuclearen COSY-Spektren (z.B. H,H-COSY) unterscheiden.Das gängigste Verfahren ist das H,H-COSY-Experiment, was im folgenden näher erläutert wird.
In seiner einfachsten Form besteht das COSY-Experiment aus zwei 90°-Impulsen, die nur durch die Evolutionszeit t1 getrennt sind:
Das H,H-COSY-Spektrum
Im H,H-COSY-Spektrum sind auf beiden Achsen die 1H -chemischen Verschiebungen aufgetragen; prinzipiell sind auf beiden Achsen die 1H -NMR-Spektren zu sehen. Es ergibt sich also ein zur Diagonalen symmetrisches Diagramm.H,H-COSY-Spektrum von Acetylsalicylsäure
Im Spektrum ist nur der Bereich zwischen 7,0 und 8,2 ppm aufgetragen, da nur hier skalare H-H-Kopplungen zu erwarten sind.
Man unterscheidet zwei Arten von Signalen:
- Diagonalsignale: treten bei den Koordinaten δaδa (bei Kern A), δbδb (bei Kern B)...auf, die aber für die Auswertung der Kopplungen zwischen verschiedenen Kernen keine Rolle spielen, da es sich hierbei nur um das Signal eines Kerns handelt. Die Diagonale mit all ihren Signalen entspricht dem 1D-H-NMR-Spektrum.
- Beispiel Acetylsalicylsäure
7,13 ppm/7,13 ppm = δ2δ2 (H-Atom 2)
7,34 ppm/7,34 ppm = δ4δ4 (H-Atom 4)
7,61 ppm/7,61 ppm = δ3δ3 (H-Atom 3)
8,11 ppm/8,11 ppm = δ5δ5 (H-Atom 5)
- Kreuzsignale: Diese Signale beruhen auf der skalaren Spin-Spin-Kopplung und sind für die Spektrenauswertung von enormer Bedeutung.
- Beispiel Acetylsalicylsäure
7,13 ppm/7,61 ppm (δ2δ3 ) und 7,61 ppm/7,13 ppm (δ3δ2 ) - vicinale Kopplung zwischen den H-Atomen 2 und 3
7,34 ppm/7,61 ppm (δ4δ3 ) und 7,61 ppm/7,34 ppm (δ3δ4 ) - vicinale Kopplung zwischen den H-Atomen 4 und 3
7,34 ppm/8,11 ppm (δ4δ5 ) und 8,11 ppm/7,34 ppm (δ5δ4 ) - vicinale Kopplung zwischen den H-Atomen 4 und 5
Bei guter Auflösung der COSY-Spektren können aus der Feinstruktur von Kreuz- und Diagonalsignalen die Kopplungskonstanten bestimmt werden, was jedoch selten gemacht wird, da dies einfacher aus 1D-H-NMR-Spektren möglich ist.
Das HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence)-Experiment
Für die Strukturaufklärung von komplexen chemischen Verbindungen ist die Aufnahme von 2D-heteronuklear korrelierten NMR-Spektren (z.B. zwischen C und H bzw. N und H) von großer Wichtigkeit.Die Aufnahme von Spektren unempfindlicher Kerne (z.B. C, N) ist im Allgemeinen jedoch sehr langwierig; daher werden normale heteronukleare 2D-Verfahren wie das C,H-COSY-Experiment durch inverse Verfahren (z.B. HSQC , HMBC1)) ersetzt, was zu einer drastischen Verkürzung der Messzeit führt. Bei inversen Aufnahmetechniken werden im Kanal der unempfindlichen Kerne (C, N) Kohärenzen erzeugt, die dann auf den empfindlichen Kern (meist 1H) übertragen werden, dessen Resonanzen dann gemessen werden.
Die HSQC-Spektren sind meist recht übersichtlich, da nur Signale von direkt gebundenen C (N...)- und H-Atomen erscheinen.
HSQC-Impulsfolge
Die HSQC-Impulsfolge ist sehr komplex und besteht sowohl im X-Kern-Kanal (C, N...) als auch im Protonen-Kanal aus einer Vielzahl von 90° - und 180°-Impulsen, die durch Zeiten τ und t1 getrennt sind.Das HSQC-Spektrum
Im HSQC-Spektrum ist auf der x-Achse die 1H-chemische Verschiebung aufgetragen, auf der y-Achse die 13C-(15N-...) chemische Verschiebung. Das Spektrum setzt sich also prinzipiell aus einem H-NMR- und einem breitbandentkoppelten C-(N...)NMR-Spektrum zusammen.- Hinweis
- Die Nummern an den einzelnen Atomen der Strukturformel beziehen sich im 1H-NMR-Spektrum auf die H-Atome, im 13C-NMR-Spektrum auf die C-Atome.
Im Folgenden ist das HSQC-Spektrum der Acetylsalicylsäure zu sehen. Der Bereich der chemischen Verschiebung wurde sowohl bei den Protonen als auch beim Kohlenstoff so gewählt, dass alle Signale des 2D-Spektrums sichtbar sind. Das Signal des Lösungsmittels CDCl3 wurde entfernt.
Im HSQC-Spektrum erscheinen fünf Signale:
21 ppm/2,4 ppm: Signal der CH3-Gruppe (C-H-Kopplung über eine Bindung)
124 ppm/7,1 ppm: Signale der aromatischen CH-Gruppen (Kopplung C-H über eine Bindung)126 ppm/7,3 ppm132 ppm/8,1 ppm 135 ppm/7,6 ppm
Zur besseren Anschaulichkeit ist im folgenden HSQC-Spektrum der Acetylsalicylsäure nur der Bereich dargestellt, in dem die Signale für die aromatischen C-H-Gruppen erscheinen.
- Abb.3
Das HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation)-Experiment
Für die Strukturaufklärung von komplexen chemischen Verbindungen ist die Aufnahme von 2D-heteronuklear korrelierten NMR-Spektren (z.B. zwischen 13C und 1H bzw. 15N und 1H) von großer Wichtigkeit.Die Aufnahme von Spektren unempfindlicher Kerne (z. B. 13C, 15N) ist im Allgemeinen jedoch sehr langwierig; daher werden normale heteronukleare 2D-Verfahren wie das C,H-COSY-Experiment durch inverse Verfahren (z.B. HSQC, HMBC ) ersetzt, was zu einer drastischen Verkürzung der Messzeit führt. Bei inversen Aufnahmetechniken werden im Kanal der unempfindlichen Kerne (13C, 15N) Kohärenzen erzeugt, die dann auf den empfindlichen Kern (meist 1H) übertragen werden, dessen Resonanzen dann gemessen werden.
In den HMBC-Spektren sind Korrelationen über mehrere Bindungen, z.B. zwischen 13C (15N...)- und 1H-Atomen sichtbar. Das HMBC-Experiment ist eins der empfindlichsten Verfahren für Weitbereichskorrelationen.
HMBC-Impulsfolge
Die HMBC-Impulsfolge besteht sowohl im X-Kern-Kanal (13C, 15N...) als auch im Protonen-Kanal aus mehreren 90° - und 180°-Impulsen, die durch Zeiten τ und t1 getrennt sind.Das HMBC-Spektrum
Im HMBC-Spektrum ist auf der x-Achse die 1H-chemische Verschiebung aufgetragen, auf der y-Achse die 13C- (15N-...) chemische Verschiebung. Das Spektrum setzt sich also wie das HSQC-Spektrum prinzipiell aus einem 1H-NMR- und einem breitbandentkoppelten 13C-(15N-...) NMR-Spektrum zusammen.- Hinweis
- Die Nummern an den einzelnen Atomen der Strukturformel beziehen sich im 1H-NMR-Spektrum auf die H-Atome, im 13C-NMR-Spektrum auf die C-Atome.
Im Folgenden ist das HMBC-Spektrum der Acetylsalicylsäure zu sehen. Der Bereich der chemischen Verschiebung wurde so gewählt, dass alle Signale des 2D-Spektrums sichtbar sind. Das Signal des Lösungsmittels CDCl3 wurde entfernt. Im Spektrum sind viele Signale zu erkennen, da sowohl C-H-Kopplungen über drei Bindungen als teilweise auch über zwei und vier Bindungen sichtbar sind.
Zur besseren Anschaulichkeit ist im Folgenden ein Ausschnitt aus dem HMBC-Spektrum der Acetylsalicylsäure dargestellt. Die intensiven Signale sind Kopplungen über drei Bindungen, die schwächeren über zwei bzw. vier Bindungen.
Im folgenden Spektrenausschnitt ist das Signal vergrößert dargestellt, das im obersten HMBC-Spektrum ganz unten rechts erscheint. Hier ist nun deutlich zu erkennen, dass dieses Signal von der C-H-Kopplung (über zwei Bindungen) des Protons der Methyl-Gruppe mit dem C-Atom 8 stammt. Eine (auch unwahrscheinliche) Kopplung mit C-Atom 7 kann ausgeschlossen werden.
Das NOESY (Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY)-Experiment
Der Unterschied des NOESY-Experimentes im Vergleich mit den anderen hier erläuterten 2D-Verfahren (COSY, HSQC, HMBC) besteht darin, dass hier keine Beziehungen zwischen Kernen, die über skalare Spin-Spin-Kopplungen, d.h. über Bindungen, miteinander in Wechselwirkung treten, sichtbar gemacht werden, sondern Wechselwirkungen zwischen koppelnden Kerndipolen, die direkt über den Raum übertragen werden.Dieser Magnetisierungstransfer über den Raum erfolgt über den Kern-Overhauser-Effekt.
Am häufigsten wird das homonukleare H-H-NOESY-Experiment durchgeführt, um Beziehungen zwischen Protonen (über den Raum) aufzudecken. Vorteilhaft ist die Aufnahme eines NOESY-Spektrums, wenn Beziehungen zwischen Protonen vermutet werden, die zwar über viele Bindungen voneinander getrennt (keine Signale im COSY-Spektrum), aber sich räumlich sehr nahe sind.
NOESY-Impulsfolge
Die HMBC-Impulsfolge besteht aus mehreren 90° - Impulsen und zusätzlichen gepulsten Gradientenfeldern.Es ist darauf hinzuweisen, dass die Aufnahme eines NOESY-Spektrums mehrere Stunden in Anspruch nimmt (4,5 für das unten dargestellte Spektrum der Acetylsalicylsäure), wogegen die Aufnahmezeit von COSY-, HSQC- bzw. HMBC-Spektren meist zwischen 15 und 1 liegt.
Das NOESY-Spektrum
Im H,H-NOESY-Spektrum sind analog dem H,H-COSY-Spektrum auf beiden Achsen die 1H-chemischen Verschiebungen aufgetragen; prinzipiell sind auf beiden Achsen die 1H-NMR-Spektren zu sehen. Es ergibt sich also ein zur Diagonalen symmetrisches Diagramm. Das Spektrum beinhaltet wieder Diagonal- und Kreuzsignale.NOESY-Spektrum von Acetylsalicylsäure
Im Folgenden ist das NOESY-Spektrum der Acetylsalicylsäure zu sehen. Der Bereich der chemischen Verschiebung wurde so gewählt, dass alle Signale des 2D-Spektrums sichtbar sind.
Am interessantesten ist das Kreuzsignal bei 2,4 ppm/7,1 ppm, das die räumliche Nähe und somit die Wechselwirkungen über den Raum zwischen den Protonen 9 und 2 veranschaulicht. Weiterhin erscheinen die Signale, die auch im H,H-COSY-Spektrum zu sehen sind (die meist über drei Bindungen koppelnden Protonen sind sich auch räumlich nahe, so dass Signale im NOESY-Spektrum erscheinen).
Zur besseren Anschaulichkeit ist im Folgenden ein Ausschnitt aus dem NOESY-Spektrum der Acetylsalicylsäure dargestellt.
- Iran, Kermanshah, Kambadn
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