FT-NMR-Spektroskopie
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Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
D-CHAB<br />
<strong>FT</strong>-<strong>NMR</strong>-<strong>Spektroskopie</strong><br />
In diesem Versuch war das Ziel die Prinzipien und die Funktionsweise der <strong>FT</strong>-<strong>NMR</strong>-<br />
<strong>Spektroskopie</strong> zu verstehen. Dafür wurden die theoretischen Grundlagen erarbeitet und<br />
anschliessend am Gerät angewandt. Es wurden verschieden Experimente an Cholesterin<br />
durchgeführt. Es wurden ein 1 H-<strong>NMR</strong>-, ein breitbandentkoppeltes 13 C-<strong>NMR</strong>-; ein INEPT-,<br />
ein refokussiertes INEPT-, drei DEPT- und ein HETCOR-Spektrum gemessen und<br />
interpretiert.<br />
Philippe Arnez<br />
Ivo Farkas<br />
Lorena Piticco<br />
Marita Skarpeli-Liati<br />
Assistent: Thomas Westfeld
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
1. Theorie [1][2][3]<br />
Die Kernresonanz-<strong>Spektroskopie</strong> (<strong>NMR</strong>, engl. Nuclear Magnetic Resonance) nutzt die<br />
Eigenschaft des magnetischen Momentes in Atomkernen aus. Jedoch besitzen nicht alle<br />
Atomkerne eine für das <strong>NMR</strong>-Experiment günstige Kernspin-Quantenzahl I. Die Kerne 12 C<br />
und 16 O haben einen Kernspin von I=0 und sind daher nicht für die <strong>NMR</strong>-<strong>Spektroskopie</strong><br />
geeignet. Ein idealer Wert dafür ist I=1/2, diese Voraussetzung erfüllen verschiedene Kerne,<br />
wovon die Kerne 1 H, 13 C, 15 N, 19 F und 31 P die gängigsten sind. Diese Kerne besitzen wie ein<br />
kleiner Stabmagnet ein magnetisches Moment μ, welches sich ausrichtet, wenn ein äusseres<br />
Magnetfeld B0 angelegt wird.<br />
In diesem Umfeld kann der Kernspin zwei Zustände einnehmen, welche mit der magnetischen<br />
Spinquantenzahl m beschrieben werden nach der Regel m = -I, -I+1,…, I.<br />
Beträgt der Kernspin I=1/2, so sind zwei Werte für m möglich, welche auch „spin up“<br />
(m=1/2) und „spin down“ (m=-1/2) genannt und oft als α bzw. β notiert werden.<br />
Der Übergang von α nach β ist erlaubt und entspricht der<br />
Umkehrung des Spins. Die Energiedifferenz zwischen den<br />
Zuständen resultiert in einer einzelnen Linie im Spektrum<br />
bei der so genannten Larmorfrequenz ω0. Diese Frequenz<br />
ist abhängig von einer anderen für die <strong>NMR</strong>-<strong>Spektroskopie</strong><br />
sehr wichtigen Grösse: dem gyromagnetischen Verhältnis γ,<br />
welches für jedes Isotop verschieden ist.<br />
ω0 = -γB0 (1)<br />
Diese Frequenz kann auch als Energiedifferenz ΔE<br />
geschrieben werden:<br />
ΔE = Eβ-Eα = hν = ω0h/2π = -γB0h/2π (2)<br />
D-CHAB 2<br />
Abb. 1: Übergang zwischen<br />
den Zuständen entspricht<br />
einer Linie im Spektrum [2]<br />
Es ist in der <strong>NMR</strong>-<strong>Spektroskopie</strong> üblich, die Energie in Frequenzeinheiten wie Hz oder als<br />
Kreisfrequenz ω [s -1 ] anzugeben.<br />
Diese Erläuterungen waren auf einen einzelnen Spin bezogen. In der Praxis wird jedoch<br />
immer ein Spinsystem behandelt, da Moleküle untersucht werden. In einem Molekül sind<br />
verschiedene Spins verschiedenen chemischen Umgebungen ausgesetzt und verhalten sich<br />
dementsprechend unterschiedlich. In diesem Zusammenhang muss der Begriff der<br />
chemischen Verschiebung eingeführt werden. Die <strong>NMR</strong>-<strong>Spektroskopie</strong> macht sich dieses<br />
Phänomen zu nutzen, um die Zusammensetzung und Konnektivität von Verbindungen zu<br />
entschlüsseln. Dafür ist eine Referenz nötig, wobei für die 1 H- und 13 C-Kerne Trimethylsilan<br />
(TMS) benutzt wird, dessen chemische Verschiebung per Definition Null ist. Die relative<br />
Verschiebung anderer Kerne ist in der Regel so klein, dass diese statt in Hertz in parts per<br />
million (ppm) angegeben wird, das übliche Symbol ist δ und wir folgendermassen berechnet:<br />
ν −ν<br />
TMS δ = (3)<br />
ν TMS<br />
6 ν −ν<br />
TMS<br />
δ ppm = 10 × (4)<br />
ν<br />
Befindet sich nun eine Probe in einem Magnetfeld B0, welches per Definition in z-Richtung<br />
zeigt, so richten sich die Spins der Kerne parallel dazu aus. Diese Magnetisierung kann jedoch<br />
nicht detektiert werden sie muss dafür von der z-Achse ausgelenkt werden. Dies wird in der<br />
Regel mit einem Radiofrequenzpuls (RF-Puls) erreicht. Sobald dies gelungen ist, beginnt die<br />
Magnetisierung, welche auch als Vektor betrachtet werden kann, um die z-Achse zu rotieren.<br />
Diese so genannte Präzession bewegt sich, je nach gyromagnetischem Verhältnis des Kerns,<br />
TMS
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
mit der negativen oder positiven Larmorfrequenz und besitzt eine x-Komponente. Die<br />
Präzession der Magnetisierung induziert eine elektrische Spannung in der Spule und kann<br />
dann gemessen werden. Diese Spule dient nicht nur zur Detektion sondern kann ebenfalls<br />
oszillierende magnetische Felder erzeugen, welche das Gleichgewicht entlang der z-Achse<br />
stören. Das Feld oszilliert beinahe oder genau mit der Larmorfrequenz. Um zu verstehen wie<br />
ein so kleines magnetisches Feld in Anwesenheit des sehr starken B0-Feldes diese Auslenkung<br />
bewirken kann, muss das Konzept des rotierenden Koordinatensystems eingeführt werden.<br />
Darauf wird jedoch nicht weiter eingegangen, da dies den Rahmen dieser Einführung<br />
sprengen würde. Daher wird auf weiterführende Literatur verwiesen wie [1] und [2].<br />
In Abbildung 2 ist die Ausgangslage des Systems gezeigt. Der Spin ist entlang der z-Achse<br />
orientiert. Wird nun ein Puls entlang der x-Achse erzeugt, so wird dieser Spin aus diesem<br />
Gleichgewichtszustand gebracht. In diesem Fall liegt ein so genannter 90° Puls vor, welcher<br />
den Spin genau auf die y-Achse projiziert. Diese Situation ist in Abbildung 3 gezeigt.<br />
Abb. 2: Ein Spin in der Ausgangslage [5] Abb. 3: Der gleiche Spin nach einem 90°x Puls [5]<br />
Es ist nahe liegend, dass auch eine ganze Pulssequenz verschiedener aufeinander folgender<br />
Pulse auf das System wirken kann. Es gibt eine sehr grosse Zahl verschiedener<br />
experimenteller Pulssequenzen, die zur Optimierung und Variation der <strong>NMR</strong>-Spektren<br />
benutzt werden können. Das Signal des 13 C-Kerns ist aufgrund dessen geringen natürlichen<br />
Häufigkeit relativ schwach. Aus diesem Grund gibt es eine Klasse von Pulssequenzen, die<br />
mittels Übertragung der Magnetisierung 1 vom Wasserstoff- auf den Kohlenstoffkern diesem<br />
Problem entgegen wirken. Der theoretische Ansatz dieser Methode basiert auf dem Produkt-<br />
Operator-Formalismus, welcher in Abschnitt 3 näher beschrieben wird.<br />
Der PT ist möglich, da zwischen Atomkernen Spin-Spin-Wechselwirkungen auftreten, die so<br />
genannte J-Kopplung. Damit der PT sauber stattfinden kann, sollte aber die chemische<br />
Verschiebung zeitweise eliminiert werden. Dafür wird die Methode des Hahn-Echos 2<br />
angewendet. Ein grosser Vorteil dieser Methode ist, dass sie unabhängig von der<br />
Winkelgeschwindigkeit und der Zeit ist. Entscheidend ist nur, dass die Intervalle vor und nach<br />
dem 180° Puls gleich lang sind.<br />
In Abbildung 4 ist das Prinzip erkennbar. Die auf die y-Achse projizierten Spins beginnen mit<br />
verschiedenen Geschwindigkeiten zu präzessieren. Nach einer bestimmten Zeit τ haben diese<br />
verschiedene Winkel Ωτ zurückgelegt, wobei Ω die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet. Wirkt<br />
nun ein 180°-Puls auf alle Spins, so werden diese um 180° um die x-Achse gedreht. Ihre<br />
Drehgeschwindigkeit und –bewegung wird jedoch nicht beeinflusst. In einem weiteren<br />
Intervall τ legen alle Spins wieder einen Winkel Ωτ zurück und befinden sich somit nach der<br />
Zeit 2τ wieder genau auf der y-Achse, aber mit umgekehrtem Vorzeichen. Man spricht auch<br />
von refokussierten Spins. Auf diese Weise kann nun der PT stattfinden, wobei dies<br />
mathematisch mit dem Hamiltonian der J-Kopplung dargestellt wird:<br />
HJ = πJ2IzSz<br />
1 Die Übertragung der Magnetisierung wird auch Polarisationstransfer genannt (engl.: Polarization<br />
Transfer) und wird von hier an mit PT abgekürzt.<br />
2 Nach E. L. Hahn, wird oft auch mit Spin Echo bezeichnet.<br />
D-CHAB 3<br />
(5)
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
Der Operator der chemischen Verschiebung<br />
HΩ = ΩIz<br />
(6)<br />
wirkt somit nicht auf den Spin. Die entsprechenden Berechungen sind in Abschnitt 3 zu<br />
finden.<br />
2. Experimentelles [4][5]<br />
Abb. 4: Grafische Darstellung des Hahn-Echos [2]<br />
Für die Versuche wurde der Gerätetyp BRUKER AVANCE 200 mit einem 200 MHz Magneten<br />
benutzt. Es wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Einfache Ein-Puls Experimente<br />
auf die 1 H- und 13 C-Kerne und anschliessend verschiedene Multi-Puls Experimente:<br />
- Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer (INEPT)<br />
- Refocused INEPT<br />
- Distortionless Enhancement by Polarization Transfer (DEPT)<br />
- Heteronuclear Correlation by Polarization Transfer (HETCOR)<br />
Vor Beginn der Experimente wurden die Einstellungen des Magneten optimiert. Dafür wurde<br />
zuerst der Probenkopf mittels des Befehls wobb eingestellt. Dazu wurde das Minimum der<br />
wobbling-Kurve mit den Einstellschrauben matching und tuning auf die Magnetfrequenz<br />
verschoben. Anschliessend wurde das lock-Signal gesucht und gesetzt. Abschliessend wurde<br />
die Homogenität des Magnetfeldes über das so genannte shimming optimiert. 3<br />
1 H-<strong>NMR</strong><br />
Bevor das 1 H-<strong>NMR</strong>-Spektrum aufgenommen wurde, musste noch eine Kalibrierung der<br />
Pulsstärke durchgeführt werden. Da bei einem Puls von 180° theoretisch kein Signal messbar<br />
sein sollte, weil die Magnetisierung auf der z-Achse liegt, kann dies für die Kalibrierung<br />
genutzt werden. Wenn noch ein starkes Signal vorhanden war, wurde der so genannte Power<br />
Level angepasst um das Signal auf ein Minimum zu reduzieren. Die Skala ist in Dezibel (dB),<br />
welche logarithmisch verläuft und je höher der Wert, umso schwächer ist die Verstärkung.<br />
Für das Wasserstoffatom wurde ein Wert von 5.80 dB gefunden. Dieser wurde für alle<br />
3 Die englischen Ausdrücke in diesem Abschnitt sind Fachbegriffe aus der <strong>NMR</strong>-Technik, für genaue<br />
Erklärungen verweisen wir auf entsprechende Literatur. z.B. [4]<br />
D-CHAB 4
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
Messungen beibehalten. Die untenstehenden Parameter wurden eingestellt und die Messung<br />
mit dem Befehl zg gestartet.<br />
F2 - Acquisition Parameters<br />
Channel f1<br />
Parameter Befehl Wert Parameter Befehl Wert<br />
pulse program PULPROG zg.piw nucleus NUC1 1H<br />
total number of<br />
data points<br />
TD 8192 pulse width p1 10.00 μsec<br />
solvent SOLVENT CDCl3 power level PL1 5.80 dB<br />
number of scans NS 4<br />
sweep width SWH 2997.602 Hz<br />
aquisition time AQ 1.3664756 sec<br />
dwell time DW 166.8 μsec<br />
temperature TE 294.1 K<br />
Tab. 1: Parameter des 1 H-<strong>NMR</strong> Experiments<br />
13 C-<strong>NMR</strong> (breitbandentkoppelt)<br />
Auch für das Kohlenstoffatom musste zuerst eine Kalibrierung der Pulsstärke durchgeführt<br />
werden. Diese verlief analog zum vorhergehenden Versuch und es wurde ein Wert von 4.80<br />
dB erhalten, welcher ebenfalls für die folgenden Versuche durchgehend benutzt wurde.<br />
Es wurde auf dem 1 H-Kanal mit dem Programm garp mit 10 kHz entkoppelt. Im Gegensatz<br />
zum Wasserstoffspektrum ist hier eine wesentlich höhere Anzahl Scans für ein sauberes<br />
Spektrum nötig.<br />
F2 - Acquisition Parameters<br />
Channel f1<br />
Parameter Befehl Wert Parameter Befehl Wert<br />
pulse program PULPROG zgdec.piw nucleus 1 NUC1 13C<br />
total number of<br />
data points<br />
TD 8192 pulse width p1 10.00 μsec<br />
solvent SOLVENT CDCl3 power level 1 PL1 4.80 dB<br />
number of scans NS 4096<br />
sweep width SWH 15060.592 Hz<br />
Channel f2<br />
aquisition time AQ 0.2720181 sec<br />
composite pulse<br />
CPDPRG2 garp<br />
D-CHAB 5<br />
decoupling program<br />
dwell time DW 33.199 μsec nucleus 2 NUC2 1H<br />
temperature TE 295.5 K pulse length for CDP PCPD2 25.00 μsec<br />
power level 2 PL2 120.00 dB<br />
power level 12 PL12 14.00 dB<br />
Tab. 2: Parameter des breitbandentkoppelten 13 C-<strong>NMR</strong> Experiments<br />
INEPT<br />
Bei diesem Experiment wird erstmals das Hahn-Echo angewendet. Dies ist in Abbildung 5 zu<br />
sehen, wo die entsprechende Sequenz auf den 1 H-Kanal gepulst wird. Der PT liefert ein 13 C-<br />
Signal in Antiphase, es kann daher keine Entkopplung in diesem Experiment stattfinden, da<br />
diese zu einer Auslöschung des Signals führen würde.<br />
Abb. 5: Pulssequenz INEPT [6]
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
Aus diesem Grund wurde anschliessend ein refokussiertes INEPT-Spektrum aufgenommen.<br />
In diesem Experiment wird der Einfluss der chemischen Verschiebung mit einem zusätzlichen<br />
Hahn-Echo aufgehoben (s. Abb. 6) und es resultiert ein 13 C-Signal in Phase.<br />
Abb. 6: Pulssequenz refokussiertes INEPT [6]<br />
Auf diese Weise wird eine Entkopplung möglich. Es ist selbstverständlich, dass quaternäre<br />
Kohlenstoffe in beiden Experimenten keine Signale liefern.<br />
F2 - Acquisition Parameters<br />
Channel f1<br />
Parameter Befehl Wert Parameter Befehl Wert<br />
pulse program PULPROG ineptrdec.piw nucleus 1 NUC1 13C<br />
total number of<br />
data points<br />
TD 16384 pulse width 1 p1 10.00 μsec<br />
solvent SOLVENT CDCl3 pulse width 2 p2 20.00 μsec<br />
number of scans NS 2048 power level 1 PL1 4.80 dB<br />
sweep width SWH 14970.060 Hz<br />
aquisition time AQ 0.5472756 sec<br />
Channel f2<br />
dwell time DW 33.400 μsec<br />
composite pulse<br />
CPDPRG2 garp<br />
D-CHAB 6<br />
decoupling program<br />
temperature TE 295.0 K nucleus 2 NUC2 1H<br />
pulse width 3 p3 10.00 μsec<br />
pulse width 4 p4 20.00 μsec<br />
pulse length for CDP PCPD2 40.00 μsec<br />
power level 2 PL2 5.80 dB<br />
power level 12 PL12 18.30 dB<br />
Tab. 3: Parameter des refokussierten INEPT Experiments<br />
DEPT<br />
Das DEPT-Experiment ist eine Weiterentwicklung der INEPT-Technik. Der wesentliche<br />
Unterschied besteht darin, dass alle Signale der Kohlenstoffkerne von Beginn an in Phase<br />
sind. So können entkoppelte Spektren ohne zusätzlichen Zeitaufwand für die Refokussierung<br />
gemessen werden. Ebenfalls werden die gewöhnlichen Multiplett-Strukturen beibehalten.<br />
Abb. 7: Pulssequenz DEPT [6]
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
Es wurden drei verschieden DEPT-Spektren gemessen. In Abbildung 7 ist zu sehen, dass der<br />
letzte Puls auf dem 1 H-Kanal eine Variable θ ist. Je nach Pulslänge resultiert ein<br />
unterschiedliches Spektrum:<br />
θ = 45° ergibt ein Spektrum identisch zum refokussierten INEPT.<br />
θ = 90° liefert ein negatives Signal für CH2-Gruppen<br />
θ = 135° zeigt ausschliesslich die Signale der CH-Gruppen<br />
F2 - Acquisition Parameters<br />
Channel f1<br />
Parameter Befehl Wert Parameter Befehl Wert<br />
pulse program PULPROG dept.piw nucleus 1 NUC1 13C<br />
total number of<br />
data points<br />
TD 16384 pulse width 1 p1 10.00 μsec<br />
solvent SOLVENT CDCl3 pulse width 2 p2 20.00 μsec<br />
number of scans NS 2048 power level 1 PL1 4.80 dB<br />
sweep width SWH 14970.060 Hz<br />
aquisition time AQ 0.5472756 sec<br />
Channel f2<br />
dwell time DW 33.400 μsec<br />
composite pulse<br />
CPDPRG2 garp<br />
D-CHAB 7<br />
decoupling program<br />
temperature TE T nucleus 2 NUC2 1H<br />
pulse width 3 p3 10.00 μsec<br />
pulse width 4 p4 20.00 μsec<br />
pulse width 5 p5 τ<br />
pulse length for CDP PCPD2 40.00 μsec<br />
power level 2 PL2 5.80 dB<br />
power level 12 PL12 18.30 dB<br />
Tab. 4: Parameter des DEPT Experiments<br />
θ = 45° → τ = 5.00 μsec ; T = 295.0 K<br />
θ = 90° → τ = 10.00 μsec ; T = 295.4 K<br />
θ = 135° → τ = 15.00 μsec ; T = 294.7 K<br />
HETCOR<br />
Beim HETCOR-Experiment handelt es sich um eine zweidimensionale Methode. Dabei<br />
werden Kreuzsignale gemessen von 1 H- und 13 C-Kernen, welche über eine Bindung<br />
miteinander verbunden sind. Die HETCOR-Methode kann als zweidimensionale Variante des<br />
INEPT-Experimentes betrachtet werden.<br />
Abb. 8: Pulssequenz HETCOR [6]<br />
Die einzelnen Scans dieses Experiments sind lang, da diese aus vielen einzelnen Messungen<br />
bestehen, darum wurden nur 256 derselben durchgeführt.
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
F2 - Acquisition Parameters<br />
Channel f1<br />
Parameter Befehl Wert Parameter Befehl Wert<br />
pulse program PULPROG inept2D.piw nucleus 1 NUC1 13C<br />
total number of<br />
data points<br />
TD 8192 pulse width 1 p1 10.00 μsec<br />
solvent SOLVENT CDCl3 pulse width 2 p2 20.00 μsec<br />
number of scans NS 256 power level 1 PL1 4.80 dB<br />
sweep width SWH 8064.516 Hz<br />
aquisition time AQ 0.5079540 sec<br />
Channel f2<br />
dwell time DW 62.000 μsec<br />
composite pulse<br />
decoupling program<br />
CPDPRG2 garp<br />
temperature TE 295.0 K nucleus 2 NUC2 1H<br />
F1 - Acquisition Parameters<br />
total number of<br />
data points<br />
D-CHAB 8<br />
pulse width 3 p3 10.00 μsec<br />
pulse length for CDP PCPD2 40.00 μsec<br />
TD 256 power level 2 PL2 5.80 dB<br />
Tab. 5: Parameter des HETCOR Experiments<br />
3. Berechungen<br />
3.1 Produktoperatorformalismus<br />
power level 12 PL12 18.30 dB<br />
• Bei Entwicklung eines Kernspins während eines Radiofrequenzpulses in x-Richtung ergibt<br />
sich folgender Produktoperatorformalismus, der wie folgt dargestellt werden kann:<br />
[Iz,Ix] = -Iy, was einem 90°-Puls in x-Richtung auf die Magnetisierung in der<br />
Gleichgewichtslage entspricht.<br />
• Bei der Entwicklung des Kernspins nach einem 90°- Puls mit der chemischen Verschiebung<br />
ΩI resultiert eine Rotation des Kernspins auf der x,y-Ebene mit einer Larmor-Frequenz ΩI.<br />
Diese Bewegung kann durch die Summe von Sinus- und Cosinus-Funktionen dargestellt<br />
werden, wobei der Kernspin vom 1 H-Atom durch I und derjenige vom 13 C durch S<br />
ausgedrückt werden:<br />
ΩIIzt<br />
− Iy ⎯ ⎯⎯ →−Iy<br />
cosΩ<br />
It<br />
+ Ix<br />
sinΩ<br />
It<br />
,<br />
wobei sich Ix aus dem Kommutator von [Iy,Iz] ergibt.<br />
• Im Falle einer Entwicklung der Magnetisierung von zwei J-gekoppelten Spins ( 1 H und 13 C)<br />
während eines INEPT-Experiments bekommt man folgenden Formalismus:<br />
γ<br />
Ix<br />
( 90°<br />
)<br />
HIz<br />
+ γ CS<br />
z ⎯⎯⎯→−γHIy+<br />
γ C<br />
wobei τ = 1 . τ wurde so gewählt, dass der Sinus-Term gleich Null wird und entfällt und<br />
2J<br />
der Cosinus-Term gleich Eins wird.<br />
Die weiteren Pulssequenzen werden durch folgende Operatoren beschrieben:<br />
− γ<br />
I<br />
H y<br />
Iy<br />
( 90°<br />
)<br />
+ γ<br />
C<br />
S<br />
⎯⎯⎯→−2γ<br />
z<br />
I<br />
H z<br />
Iy<br />
( 270°<br />
)<br />
⎯⎯<br />
⎯⎯ →γ<br />
S<br />
z<br />
+ γ<br />
C<br />
S<br />
H z<br />
z<br />
I<br />
+ γ<br />
C<br />
S<br />
z<br />
Sx<br />
( 90°<br />
)<br />
⎯⎯⎯→2γ<br />
I<br />
H z<br />
S<br />
y<br />
S<br />
2IzS<br />
z ( πJτ)<br />
⎯⎯⎯⎯→−2γ<br />
Da sich diese Signale in Antiphase befinden und sich gegenseitig auslöschen würden, legt<br />
man anschliessend einen zusätzlichen Puls in der Sequenz des Hahn-Echos an, woraus sich<br />
das refokussierte INEPT-Spektrum ergibt. Aus der Messung resultieren die Signale der<br />
nichtquaternären Kohlenstoffatome.<br />
− γ<br />
z<br />
C<br />
,<br />
S<br />
H x<br />
y<br />
I<br />
S<br />
z<br />
+ γ<br />
C<br />
S<br />
z<br />
.
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
• Für die Entwicklung der Magnetisierung von zwei J-gekoppelten Spins ( 1 H und 13 C)<br />
während eines DEPT-Experiments erhält man das folgende Pulsschema:<br />
γ<br />
I<br />
H z<br />
⎯<br />
Ix<br />
( 90°<br />
)<br />
2IzSz<br />
( πJτ)<br />
Sx<br />
( 90°<br />
)<br />
⎯⎯→−γHIy⎯⎯⎯⎯→γH2IxSz⎯⎯⎯→−γH Hier wird als Erstes ein 90°-Puls auf dem 1 H-Kanal angelegt und danach ein 90°-Puls auf dem<br />
13 C-Kanal. Es folgt:<br />
− γ<br />
I ( 90°<br />
)<br />
D-CHAB 9<br />
H<br />
2I<br />
x<br />
S<br />
y<br />
⎯<br />
y<br />
⎯⎯→ γ<br />
H<br />
2I<br />
z<br />
S<br />
y<br />
⎯<br />
2IzSz<br />
( πJτ)<br />
⎯⎯⎯→ 3.2 Interpretationen der <strong>NMR</strong>-Spektren<br />
Während des Experimentes sind <strong>NMR</strong>-Spektren von Cholesterin unterschiedlicher<br />
Pulssequenzen aufgenommen worden.<br />
Die Summenformel von Cholesterin beträgt C27H46O und die Strukturformel ist:<br />
1 H-<strong>NMR</strong>-Spektrum:<br />
13 C-<strong>NMR</strong>-Spektrum:<br />
γ<br />
H<br />
S<br />
x<br />
.<br />
2I<br />
x<br />
S<br />
y
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
13 C-Spektrum<br />
Signal Gruppe Exp.<br />
Wert<br />
[ppm]<br />
Lit. Wert<br />
[ppm]<br />
[7]<br />
D-CHAB 10<br />
1 H-<strong>NMR</strong><br />
Integralverhältnis 1:1:1:7:36<br />
Signal Gruppe Exp.<br />
Wert<br />
[ppm]<br />
Lit. Wert<br />
[ppm]<br />
[7]<br />
1 C 140.73 140.80 A CH(2) 5.29 5.35<br />
2 CH 121.55 121.69 B CH(3) 3.42 3.52<br />
3 CH 71.56 71.81 C CH2(7) 2.34 2.28<br />
4 CH 56.71 56.80 L CH3(22) 1.08 1.01<br />
5 CH 56.13 56.21 M CH3(23) 0.96 0.92<br />
6 CH 50.08 50.19 P CH3(14) 0.86 0.87<br />
7 CH2 42.23 42.35 Q CH3(15) 0.84 0.86<br />
8 CH2 39.74 39.83 R CH3(24) 0.63 0.68<br />
9 CH2 39.47 39.56<br />
10 CH2 37.23 37.31<br />
11 C 36.42 36.56<br />
12 CH2 36.15 36.24<br />
13 CH 35.76 35.81<br />
14 CH3 31.84 22.81<br />
15 CH3 31.84 22.60<br />
16 CH2 31.51 31.71<br />
17 CH2 28.19 28.24<br />
18 CH 27.94 28.02<br />
19 CH2 24.24 24.32<br />
20 CH2 23.83 23.89<br />
21 CH2 21.04 21.15<br />
22 CH3 19.34 19.45<br />
23 CH3 18.64 18.74<br />
24 CH3 11.80 11.89<br />
25 CH2 - -<br />
26 CH - -<br />
27 C - -<br />
Tab. 6: Zuordnung der chemischen Verschiebungen<br />
im 13 C-<strong>NMR</strong>-Spektrum<br />
Tab. 7: Zuordnung der chemischen<br />
Verschiebungen im 1 H-<strong>NMR</strong>-Spektrum
Praktikum <strong>Spektroskopie</strong> <strong>NMR</strong> WS 2005/06<br />
4.0 Diskussion<br />
• Zum 1 H-<strong>NMR</strong>-Spektrum:<br />
Die Auswertung der Intensitäten ergibt ein Verhältnis von 1:1:1:7:36, was einer Anzahl von<br />
46 H-Atomen ergibt. Diese Anzahl H-Atome stimmt mit der Summenformel des Cholesterins<br />
überein. Das Signal beim Literaturwert 3.52 ppm entspricht in unserem 1 H-<strong>NMR</strong> Spektrum<br />
dem breiten Signal bei 3.42 ppm, welches dem Wasserstoffatom B zugeordnet werden kann.<br />
Das Wasserstoffatom der Hydroxylgruppe konnte nicht identifiziert werden, was dem<br />
Integralverhältnis widerspricht. Die chemische Verschiebung dieses Kerns befindet sich<br />
theoretisch um 4 ppm. Es wird jedoch angenommen, dass das Signal des Wasserstoffatoms B<br />
mit dem Signal des Hydroxyl-H-Atoms überlagert, wodurch nur ein Peak sichtbar ist. Dies<br />
würde auch erklären, wieso dieser verbreitert ist.<br />
Ansonsten stimmen die experimentell bestimmten chemischen Verschiebungen gut mit den<br />
Literaturwerten überein. Dabei konnten die Signale im Bereich von 0.63 bis 2.56 ppm<br />
mehrheitlich nicht eindeutig zugeordnet werden.<br />
• Zu den 13 C-<strong>NMR</strong>-Spektren:<br />
Allgemein stimmen die Messdaten gut mit den Literaturwerten überein. Für die Peaks Nr. 25,<br />
26 und 27 sind keine Literaturangaben gefunden worden und sie konnten auch nicht in den<br />
Spektren identifiziert werden.<br />
Die chemische Verschiebung des Peaks Nr. 25 (CH2) fällt mit derjenigen des Peaks Nr. 14/15<br />
(CH3) zusammen. Aus diesem Grund wurde das Signal der CH2-Gruppe in den Spektren nicht<br />
gefunden. Nur im DEPT 135-Spektrum zeigt sich ein isochrones Verhalten dieser Gruppen.<br />
Aussergewöhnlich ist die starke Abweichung von ungefähr 10 ppm, der experimentell<br />
ermittelten chemischen Verschiebung der Peaks Nr. 14/15 verglichen mit den Literaturdaten.<br />
Aus Symmetriegründen wurden die CH3-Gruppen dem Signal Nr. 14/15 zugeordnet, da es im<br />
13<br />
C-Breitbandentkoppelten Spektrum im Vergleich zu den übrigen CH3-Signalen die doppelte<br />
Intensität aufweist.<br />
• Zum 1 H, 13 C-HETCOR-Spektrum:<br />
Eine Analyse dieses Spektrums bestätigte im Rahmen der Interpretationsmöglichkeiten unsere<br />
Annahme zur Konnektivität der einzelnen Gruppen untereinander.<br />
5. Literatur<br />
[1] B.H. Meier, Magnetic Resonance - Lecture Notes. ETH Zürich, 2005.<br />
[2] J. Keeler, Understanding <strong>NMR</strong> Spectroscopy; University of Cambridge, 2002.<br />
[3] E. Pretsch, Analytische Chemie I, 5. Kernresonanzspektroskopie, ETH Zürich, 2004.<br />
[4] S. Braun, H.-O. Kalinowski, S. Berger, 100 and More Basic <strong>NMR</strong> Experiments, A<br />
Practical Course, VCH, Weinheim, 1996.<br />
[5] A.E. Derome, Modern <strong>NMR</strong> Techniques for Chemistry Research, Volume 6,<br />
University of Oxford, Pergamon Press, Oxford, 1987.<br />
[6] http://www.chem.queensu.ca/facilities/<strong>NMR</strong>/nmr/index.htm, „The <strong>NMR</strong> facility at<br />
Queen's University“<br />
[7] http://www.aist.go.jp, „National Institute of Advanced Industrial Science and<br />
Technology (AIST)“<br />
D-CHAB 11