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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 />

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