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NMR: Korrelation Spektroskopie 2
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&
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2D-NMR-Spektroskopie
1. In der 1D-NMR-Spektroskopie werden die Kerne als Individuen behandelt:jeder Kern gibt ein Signal ab—mal links, mal rechts im Spektrum. DieWechselwirkungen untereinander werden nicht direkt gezeigt, nur dieSignal-Multiplizitat gibt einen Hinweis auf Nachbarschaft zweier Kernen.
Die 2D-NMR hebt dieses Manko auf, indem die Kerne als Gemeinschaft be-trachtet werden und die Kern-Kern-Beziehungen direkt gezeigt werden:
F1 (ppm)
406080100120140160180
F2(ppm)
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
O
N
Hier ist ein 2D -Spektrummit den dazugehorigen 13C-(oben) und 1H-Spektren(links). Die 13C-Signale der
protonierten Kohlenstof-fe werden mit ihren direktverbundenen 1H-Signalenals Punkte auf einemrechteckiges Feld korreliert.
'
&
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%
2. 1D ⇒ 2D
Die NMR-Spektren, die wir bisher gesehen haben, zeigen den Zusammen-hang zwischen Intensitat und einer Frequenz: I = X( f1 ).
F1 (ppm)
127128129130131132133134135136137
F2(ppm)
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
8.1
R
3b
4c5a
2
a
c
b
2 3 4 5 Ein 2D-Spektrum aber defi-niert man als eine Funktionvon zwei Frequenzen:
I = X( f1, f2 )
In dem Spektrum nebenan:f1: 13C -Frequenz(von rechts nach links)f2: 1H -Frequenz(von oben nach unten)
Das 1D-Spektrum wird durch Fourier-Transformation eines Signals erzeugt,das eine Funktion von Zeit ist: X(f) = FT (x(t)).Ein 2D-Spektrum dagegen kommt durch Transformation einer Funktion von
zwei Zeiten zustande: X(f1, f2) = FT (x(t1, t2))
1
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
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2. Die zweite Dimension
Alle 2D-Methoden haben fol-genden Ablauf gemeinsam:
t 2
t 1
DetektionPräparation
EvolutionMischung
Die Praparations- und Mischungs-Zeiten bestehen normalerweise aus RF-Pulsen und festen Wartezeiten, deren genaue Einzelheiten von der Art desExperiments abhangen. Wahrend der Detektionszeit t2 werden die Datenzu regelmaßigen Zeitpunkten (t02, t12, t22 usw.) digitalisiert und gespeichert.
P M D
P
P
M D
M Dt w
ird
inkr
emen
tiert
1
E
E
t 1 t 2
Die zweite Dimension kommt zustande, indem mant1 inkrementiert und fur jeden t1-Wert einenneuen FID speichert. Eine 2D-Messung besteht ausder Wiederholung der gleichen Pulssequenzmit steigender t1-Zeit (t01, t11, t21 bis tn1 , n = 512, z.B.).Die Spektren, die nach der Transformation dieserFIDs entstehen, sind alle unterschiedlich . Wiedie sich voneinander unterscheiden, hangt von derPraparation und der Mischung ab.
'
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3. Das COSY -Experiment ( 1H - 1H )
Das einfachste 2D-Experiment heißt COSY(COrrelated SpectroscopY) und seine Puls- t 2
D
MP
1t9090
o o
E
sequenz besteht aus zwei 90◦-Pulsen und den zwei Zeiten t1 und t2.Wenden wir die COSY-Sequenz auf eine Probe mit nur einem Signal anz.B. CHCl3. Der erste Puls bringt die Magnetisierung in die xy -Ebene (a).Wahrend der Zeit t1 findet eine Prazession statt (b). Der zweite Puls bringtdie Magnetisierung in die xz -Ebene mit Komponenten entlang der z- undx-Achsen (c).
t 2o90t190
o
ω
x y
z
x y
z
B1x y
z
B1x y
M
x y
z
ω
M
M
M
(a) (b) (c) (d)
1
Mcos( t )ω
Msin( t )ω
1
z
Die Lange der x-Komponente ist eine Funktion von ω und t1 : M sin(ωt1).Der FID, der wahrend t2 gemessen wird, entsteht durch Prazession dieserKomponente um z (d). Die Intensitat des FIDs und somit die Amplitudedes Peaks bei f2 = ω in den Spektren X(f2, t1) sind abhangig von derLange dieser x-Komponente und werden nach sin(ωt1) moduliert .
2
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
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&
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%
Nach diesem Experiment gibt es n FIDs(z.B. 512), die wir zunachst in n Spektrentransformieren konnen. Das Signal ist in allenSpektren an der gleiche Stelle f2 = ω ,aber seine Intensitat ist nach sin(ωt1)
t 2
t1
t1
FT(t )2
f 2
ω
moduliert . Dies ist leicht zu sehen, wenn die Spektrenhintereinander gezeichnet werden.
t1
f2
ω
t1
Die Intensitat des gezeigten Peaks stellt eine ArtFID entlang t1 dar. Eine Transformation diesesFIDs FT(t1) wurde ein Spektrum in f1 mit einemPeak bei f1 = ω ergeben.
'
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%
Die Verallgemeinerung dieser Prozedur ist, dass die zweite TransformationFT(t1) nicht nur auf den einzelnen Peak bei f2 = ω angewendet wird,sondern auf alle Frequenzen entlang der f2-Achse.
t 2
t1
t1
f 2 f 2
f1
FT(t )2 1FT(t )Zeilenn
Zunachst werden die n FIDs in Spektren umgewandelt, FT(t2). Dann:
• Fur jedes Spektrum nimmt man den ersten Punkt. Diese 512Punkte werden zusammengefasst, um einen ”t1“-FID zu bilden, der an-schließend transformiert wird.
• Dann nimmt man von jedemSpektrum den zweitenPunkt, bildet einen FID undtransformiert ihn.
• Dann Punkt 3, usw.f
2
f1
3
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
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5. Darstellung
Ein Spektrum mit zwei Linien sieht so aus:
f2
f1
Normalerweise wendet man einen Kontur-plot an (siehe rechts). Das Spektrum wirdubersichtlicher, wenn man eine Schwellefestlegt—Hohenlinien unterhalb der Schwel-le werden nicht gezeichnet. Somit bekommtman ein 2D-Spektrum ohne Grundrauschen;
kleine Linien gehen dabei verloren .
f2
f1
'
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6. COSY -Spektren ( 1H - 1H )
Bisher haben wir sehr einfa-che COSY-Spektren gesehen.Die Spektren werden erst in-teressant, wenn Kopplungenzwischen den Kernen beste-hen. Dann tauchen zusatzlicheSignale auf, die die Kopplun-gen beweisen (”Cross“-Peaks).
ν
ν
νν
X
A
AX
f2
f1
AX
A
X
Diagonal−Peak
Cross−Peak
Diagonal
symm
etrisch
Die Signale entlang der Diagonale entsprechen dem 1D-Spektrum. Nur dieCross-Peaks liefern zusatzliche Information:
• Ein Cross-Peak zwischen νA und νX beweist, dass A und X miteinanderkoppeln .
• Das COSY-Spektrum ist symmetrisch bezuglich der Diagonale.
• Cross-Peaks konnen eine Feinstruktur haben.
4
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
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%
7. Interpretation von COSY-Spektren: Beispiel I
F1 (ppm)
6.97.07.17.27.37.47.57.67.77.87.9
F2(ppm)
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
CHCl 3
CHCl 3
a
c
b
a b c d e
d
e
In diesem Beispiel ist dieSchwelle so gesetzt, dassman alle Cross-Peaks sieht.
OCH
NO
OH
2
3
'
&
$
%
7. Interpretation von COSY-Spektren: Beispiel I
F1 (ppm)
6.97.07.17.27.37.47.57.67.77.87.9
F2(ppm)
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
CHCl3
CHCl3
a
c
b
a b c d e
e
d
Reihenfolge:e - d - ca - b
Die richtige Zuordnung fur aund b ist mit diesen Spektrennicht moglich.
NO
OH
2
3OCH
d
a/b
c
e
a/b
5
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
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%
8. Aufteilung der 2D-Spektren
Experiment f1 f2 Information
COSY δH δH Stichwort ” Kopplung “:welcher Kern koppelt mit welchem Kern.
NOESY δH δH Stichwort ” Abstand “:welcher Kern ist in der Nahe welches Kernes.
HSQC δC δH Stichwort 1JCH :(HETCOR) δH δC welcher Wasserstoff ist direkt mit welchem
Kohlenstoff verbunden.
HMBC δC δH Stichwort 3JCH / 2JCH :(COLOC) δH δC welcher Wasserstoff ist uber 3 bzw. 2 Bindun-
gen mit welchem Kohlenstoff verbunden.
COSY: COrrelated SpectrosopY HSQC: Heteronuclear Single Quantum Coherence
NOESY: NOE SpectroscopY HMBC: Heteronuclear Multiple Bond Correlation
HETCOR: HETeronuclear CORrelation COLOC: COrrelated LOng-range Couplings
'
&
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%
9. HSQC (Korrelation uber 1JCH -Kopplung): Beispiel I
F1 (ppm)
110115120125130135140145150
F2(ppm)6.9
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
F1 (ppm)
110115120125130135140145150
F2(ppm)6.9
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
CHCl3
a
b
e
1
c
d
2 46
85 73
NO
OH
2
3OCH
8e
5d 7c
* *
4b3a*
Quartare Cs: 1, 2, 6, da keine Kopplungen zu Proton sichtbar
6
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
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%
10. HMBC (Korrelation uber 2/3JCH -Kopplung): Beispiel I
Genaue Zuordnung der Olefinischen Gruppe
F1 (ppm)
110115120125130135140145150
F2(ppm)
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
8.0
CHCl3
JCH2
JCH2a
b
e
c
d
21 3 46
5 87
5/a 7/a
J1
CH
3/cd
3/b
4/aNO
OH
2
3OCH
H H
HH
H
ba
d
e
c5 7
8
3 4
'
&
$
%
10. HMBC (Korrelation uber 2/3JCH -Kopplung): Beispiel I
Zuordnung von quartaren Cs
F1 (ppm)
110115120125130135140145150
F2(ppm)
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
8.0
CHCl3
a
b
e
c
d
21 3 46
5 87
2/e
1/cd
6/bNO
OH
2
3OCH
H H
HH
H
ba
d
e
c5 7
8
3 4
12
6
7
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
11. Ordnen Sie die Signale zu.
a b c f g h i
d e
k
ppm2345678
bc d e
f
ppm7.07.27.47.67.8
NH
H
H
H
HH
NH
b/cd/e
d/e
b/ca
f
i
g/h
g/h
k
1 2
3
4 5
7
86
9 10 11
ppm30405060708090100110120130140
'
&
$
%
11. Ordnen Sie die Signale zu.
a b c f g h i
d e
k
ppm2345678
bc d e
f
ppm7.07.27.47.67.8
NH
H
H
H
HH
NH
b/cd/e
d/e
b/ca
f
i
g/h
g/h
k
1 2
3
4 5
7
86
9 10 11
ppm30405060708090100110120130140
8
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
12. Interpretation von COSY-Spektren: Beispiel II
F1 (ppm)
7.07.17.27.37.47.57.67.7
F2(ppm)
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
CHCl3
CHCl3
f
f
b c ed
d
b
c
b/e
d/c
e/de
Hier sind nur die ”ortho“Kopplungen sichtbar.Reihenfolge:
b - e - d - c
oder
NH
H
H
H
HH
R
c
d
e
b
f
NH
H
H
H
HH
R
b
e
d
c
f
'
&
$
%
13. HSQC (Korrelation uber 1JCH -Kopplung): Beispiel II
F1 (ppm)
30405060708090100110120130140
F2(ppm)
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
i
c
fd e
g
h
1 2 3
456
7
8 9 10 11
bNH
H
H
H
HH
NH
b/cd/e
d/e
b/ca
f
i
g/h
g/h
k
Heutzutage ersetzt das HSQC das DEPT -Spektrum
positives Signal:CH/CH3
rot oder ◦
negatives Signal:CH2
blau oder •
CH2: 9h 11gCH3: 10i
9
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
13. HSQC (Korrelation uber 1JCH -Kopplung): Beispiel II
F1 (ppm)
111112113114115116117118119120121122
F2(ppm)7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
CHCl3
b
c
f
d
e
53
4 67
8
oder
NH
H
H
H
HH 3f
NH
H
H
H
HH 3f
6b
5e
4d
4d
5e
8c
6b
NH
NH
8c
C7: quartares C, da keine Kopplung zu Proton sichtbar
'
&
$
%
14. HMBC (Aromatische Cs): Beispiel II
F1 (ppm)
112114116118120122124126128130132134136
F2(ppm)
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
e
c
h
g
1 2
d
f
4
3
65 8
7
b
NH
H
H
H
HH
NH
10
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
14. HMBC (Aromatische Cs, Aliphatische Hs): Beispiel II
F1 (ppm)
112114116118120122124126128130132134136
F2(ppm)
2.9
3.0
3.1
3.2
g
h
1 6 82 73 4 5
2/g 7/g
7/h
J2
CH
J3
CH
Quartare Cs 1, 2 und 7:C1: zeigt keine Kopplungen zu Protonen g bzw. h ⇒ weit weg von CH2-CH2
C7: hat Kopplungen zu Protonen g und h ⇒ ganz nah an CH2-CH2
C2: koppelt nur zu Protonen g ⇒ erlaubtdie Zuordnung von Protonen g und h
NH
H
H
H
HH
NHH H
H H
2 7
g
h1
'
&
$
%
13. HMBC (Aromatische Cs, Aromatische Hs): Beispiel II
F1 (ppm)
110112114116118120122124126128130132134136
F2(ppm)
7.07.17.27.37.47.57.67.77.8
1 6 82 73 4 5
c
b
f
ed
3/f1/f
1/d
1/b
2/f2/e2/c
C1 koppelt mit Protonen b, d und f.C2 koppelt mit Protonen c, e und f.Wenn wir annehmen, dass die 3JCH-Kopplungen uberwiegen, ist nur eineZuordung moglich.
NH
H
H
H
HH
NHH H
H H
e
d
c
2 7
1
g
h
f
3
b
11
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
14. Ordnen Sie die Signale zu.
O
O H H
H
H H
H
H
HH
H
H
H
a
i
b
12
3
3 245678910
3CHClb
cd e
f
g h
i
a
20406080100120140160180200
1 2
3
4 56
8
7
'
&
$
%
14. Ordnen Sie die Signale zu.
O
O H H
H
H H
H
H
HH
H
H
H
a
i
b
12
3
3 245678910
3CHClb
cd e
f
g h
i
a
20406080100120140160180200
1 2
3
4 56
8
7
12
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
15. HSQC (Korrelation uber 1JCH-Kopplung): Beispiel III
F1 (ppm)
15202530354045505560657075
F2(ppm)
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
F1 (ppm)
15202530354045505560657075
F2(ppm)
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5c
d
f
gh
e
i
4 5 6 7 8
O
6
7
4 5
8
i
d/e c
g/h
O
Zentrumchirales
f1a
b
2
3
DiasterotopeProtonen inMethylen -
Gruppen sindleicht zuidentifizierenin HSQC
'
&
$
%
16. HMBC (Korrelation uber 2/3JCH -Kopplung): Beispiel III
F1 (ppm)
20406080100120140160180200
F2(ppm)
3
4
5
6
7
8
9
10
CHCl 3
b
e
d
c
gh
i
1 2
3 4 5 7 86
a
.
.
f
O
O H H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H2
i
i
ia
7
meistens3JCH
13
NMR: Korrelation Spektroskopie 2
'
&
$
%
16. HMBC (Korrelation uber 2/3JCH -Kopplung): Beispiel III
F1 (ppm)
20406080100120140160180200
F2(ppm)
3
4
5
6
7
8
9
10
CHCl 3
b
e
d
c
gh
i
1 2
3 4 5 7 86
a
.
.
f
J1
CH
O
O H H
H
H
H
H
H
H
HH
H
Ha
g
7
h
2c
c
1
2JCH Kopp-lungen (selten)sind von derForm her nichtvon 3JCH
Kopplungen zuunterscheiden.1JCH Kopp-lungen konnenauch vorkom-men!
14