Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

Elementaranalyse

Röntgen-Strukturanalyse

Kernmagnetische Resonanz -

Spektroskopie

Massenspektroskopie andere spektro-skopische Methoden

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OOH

Ibuprofen

…Sie führen alle notwendigen NMR-Experimente an diesem Wirkstoff durch !

…ich wusste es !

patiophorm

…..das riecht nach Arbeit…..

…neue Produktlinie, Synthese, Analytik, Zertifizierung….. …bla bla bla…..

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OOH

Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (NMR*)

* =nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy

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)

Der Spin - eine Eigenschaft des Atomkerns

Die meisten Kerne (wie z.B 1H, 13C, 31P ....) haben einen Spin I 0. Diese Kerneigenschaft

bewirkt, dass diese Kerne ein magnetisches Moment µ besitzen und sich daher wie

“mikroskopische Magnete” verhalten.

S

l N

Bringt man solche Kerne in ein Magnetfeld, so richten sich die “Magnete” im Magnetfeld

aus und vollführen eine Präzession um die Richtung des angelegten Magnetfeldes B0.

Bo

o Präzessionsfrequenz:

o = - B0

Magnetfelder in der NMR:

Spektroskopie: 2 ....21 T Tomographie: 0.1....7 T

Präzessionsfrequenzen für 1H: 4.....900 MHz

Magnetfeld der Erde : 30 ....60 µT

Bo

o

o

Energie E

Magnetfeld BB0

+1/2· h/2· Bo ·

-1/2· h/2· Bo ·

y

x

z

Bo

Mo

z

x

yBo

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.

E = h

Energie E

N S

B1

Empfänger

SenderSteuerung/Auswertung

Magnet

B1-EinstrahlungMo

z

xB1

z

xMxy

y yo

o

Zeit

Mag

netis

ieru

ng

Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls

Frequenz (Hz)In

tens

ität

Spektrum der Probe

Abschirmung des Kernspins durch die umgebenden Elektronen

Die Kerne „spüren“ nicht das tatsächlich anliegende Magnetfeld B0, sondern

werden durch die sie umgebende Elektronenhülle abgeschirmt. Das lokale Feld (das am Kernort)

ist dann: B lokal = (1 - )B0 . Die Konsequenz ist eine veränderte Resonanzfrequenz lokal 0.

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.

Induziertes Magnetfeld

ElektronProton

Chemische Verschiebungen

0TMS

ppm210 7 515

Aliphaten

Alkohole

Olefine

Aromaten,AmideSäuren,

Aldehyde

ppm50150 100 80210

CH3,CH2, CH

Alkohole

Olefine

Aromaten

C=O von Säuren, Aldehyden

0TMS

C=O inKetonen

1H

13C

2. Bestimmung der Struktur einer (un)bekannten Verbindung

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OOH

Ibuprofen

1H NMR Spektrum der Verbindung

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OOH

ppm 024681012

Anzahl der äquivalenten Protonen

1 22 1 2 1

3

6

• 18 Protonen auf 8 nicht-äquivalente Plätzen• 4 Protonen am aromatischen Ring• 2 C-H Protonen• vermutlich eine CH2-Gruppe, eine CH3 Gruppe und zwei weitere

äquivalente CH3-Gruppen• bliebe eine OH-Gruppe

13C NMR Spektrum der Verbindung

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OOH

• 10 Kohlenstoff-Positionen• 2x H-Carom, 3x Cquartär , • 2x H-Cali, • 2x CH3, 1x CH2

ppm 050100150200

Originalspektrum

CH, CH3 pos., CH2 neg.

CH pos.

„..bla..bla…NMR hat die Struktur von Ibuprofen bestätigt….“

DAS IST KEIN BEWEIS !!Wir brauchen noch viel mehr Informationen ! CH2CH

H3C

H3CCH

C

CH3

OOH

• Welches Proton ist an welchen Kohlenstoff gebunden ?• Wie sind die Kohlenstoffe miteinander verbunden ?• Wie groß sind die Abstände zwischen den Kohlenstoffen bzw. Protonen ?

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

CH

CH/CH2

CHCH3

CH3

CH CH CH2CH

CH3

CH3

1H NMR Spektrum

13C

NM

R S

pekt

rum

Korrelation des 1H und des 13C NMR Spektrums zur Zuordnung der einzelnen Signale

Korrelation der 1H NMR Signale zur Bestimmung der Verbindung zwischen den einzelnen CHx-Gruppen

1

1: 2 x CH-CH in aromatischem Ring:

2

2: CH-CH3

3

3: CH2-CH

4

4: CH-CH3

CH

CH

CHCH3

CH3

CH2

CH CHCH

CH3

CH3

CH2

1H NMR Spektrum

1 H N

MR

Spe

ktru

m

HH

H

H2C

H

CH

CH3

O

HO

CH

CH3

CH3

HH

H

H2C

H

CH

CH3

O

HO

CH

CH3

CH3

HH

H

H2C

H

CH

CH3

O

HO

CH

CH3

CH3

HH

H

H2C

H

CH

CH3

O

HO

CH

CH3

CH3

HH

H

H2C

H

CH

CH3

O

HO

CH

CH3

CH3

CH2CHH3C

H3CCH

C

CH3

OHO

H H

HH

Korrelation der Protonen mit dem übernächsten Nachbar-Kohlenstoff

HbHa

CH

CH/CH2

CH

CH3

CH3

CH CH2CH

CH3

CH3

CH

O=C

a

a

Cb

C*

*

b

Ca

C#

b

#

ppm 02468

Messung von Abständen zwischen Kernen (1H, 13C,…)

Hb CH CH

CH3

CH3CH2Ha

t (s)0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

I/I max

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

2.20 Å2.80 Å

r=2.22 Å

r=2.83 Å

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.

3. Anwendungen der NMR in der Medizin (Tomographie)

Zeit

Mag

netis

ieru

ng

Signal der Probe nach Anregung mit einem HF- Puls:Abfall mit einer Zeitkonstanten T2 (Relaxationszeit)

Frequenz (Hz)

Inte

nsitä

t

Spektrum der Probe:Die Intensität des Signals ist proportional zur Anzahl der Protonen

Relaxationszeiten und Intensitäten von (meist) 1H NMR Signalen werden zur Bildgebung(Tomographie) verwendet. Dabei wird das zu untersuchende Objekt (z.B. Mensch) in eineminhomogenen Magnetfeld untersucht, um räumliche Informationen zu erhalten.

Frequenz

Inte

nsitä

t

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

Werden solche Feldgradienten in verschiedenen Raumrichtungen angewendet, erhält man eine Reihe von Spektren, die im Computer zu einem Bild (gewichtet nachIntensität, Relaxationszeit oder Frequenz) zusammengesetztwerden.

Bsp.: a) Tumorzellen haben kürzere Relaxationszeiten als gesundes Gewebe;

b) Knochen liefern eine geringere 1H Signalin-tensität als Muskeln, .....

Tomographie in der Medizin

Beobachtung von GehirnfunktionenAnatomische Untersuchungen

SprachzentrumTumor

NMR-Tomographie: Anwendung in der Neurochirurgie

R

L

R

L

R

L

Detektion von GehirnfunktionenBeispiel: Schach - Mustererkennung

NMR-Tomographie: Anwendung als „Lügendetektor“ ?

Werbung der Firma „No Lie MRI“

NMR: die Fragen…… (mehrere Antworten möglich)1. Wie empfindlich ist die NMR Spektroskopie im Vergleich zu anderen

Analysemethoden ? Kann sie zur „Spurensuche“ (z.B. für Dopingkontrollen) verwendet werden ?(A) empfindlichste Analytikmethode – Routineeinsatz bei der Dopingfahndung(B) genauso empfindlich wie andere Methoden auch, wird aber wegen des

technischen Aufwandes selten angewendet(C) unempfindliche Methode – keine „Spurensuch-Methode“

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

3. Welche Vorteile hat die NMR-Tomographie gegenüber der mit Röntgenstrahlung arbeitenden Computertomographie ?(A) geringerer apparativer Aufwand(B) geringere Strahlenbelastung des Patienten(C) höhere räumliche Auflösung(D) bessere Beobachtbarkeit von Körperteilen mit hohem Wassergehalt

www.uni-due.de/chemie/ak_schrader/ => Vorlesungen: Probestudium 2011