2D-NMR spectroscopy

2 dimensionale -NMR
Spektroskopie
F.D. Sönnichsen
Mittwoch, Oct 22 2008

• Kopplung über Bindungen
• COSY (DQF-COSY)
• TOCSY
• Kopplung durch den Raum
• NOESY
• ROESY
Homonuklear Heteronuklear
• Kopplung über Bindungen
• HETCOR
• (Long-range HETCOR or
COLOC)
• INADEQUATE
• INDIRECT-DETECTION
(HSCQ, HMQC, HMBC)
NMR – die Suppenterrine voller Abkürzungen

Problem
Bei komplexeren, größeren Verbindungen erschwert die Zahl der
Resonanzen und deren eventuelle Überlappung die eindeutige Zuordnung

Beispiel: ein Protein (120 Aminosäuren)
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ppm
1D 1 H-NMR Spektrum:
Ein sehr kompliziertes Spektrum mit dramatischer Überlappung der
Resonanzlinien. Man kann nur wenig Informationen extrahieren, und es
ist bis auf ein paar Außnahmen unmöglich einzelne Resonanzen
zuzuordnen.

Zwei dimensionales NMR (2D)
Die zwei grundlegenden/einfachen
1D-NMR Experimente
Der Prototyp eines 2D- Experimentes

Das einfachste 2D- Experiment
Perioden im
2D Experiment:
Equilibrierung
Vorbereitung
Frequenz-
Bestimmung
Indirekte Dimension
Mischung
N-fach wiederholen,
Jedes Mal mit dem Δt1 –Delay um ein
Inkrement verlängert.
Die einzelnen FIDs werden getrennt
gespeichert.
Akquisition/
Detektion
Direkte Dimension

Die Wirkung von
Pulsen auf die
Magnetisierung

Vektor-Diagramm Analyse des 2D-Experimente –die
Frequenzbestimung in der indirekten Dimension
FID 1:
FID 2:
FID 3:
FID 4:
x
90x
90x 90x
T1=0
T1=τ
T1=2τ
T1=3τ
t 1
Eine Komponente der Magnetisierung wird durch den zweiten Puls in Z-Richtung weitergedreht,
während die zweite Komponente in der transversalen Ebene bleibt. Die Amplitude ist jedoch
verringert, sie ist Sinus-moduliert.
Was passiert wenn wir das Experiment wiederholen, jedesmal mit einer systematisch verlängerten
Delay-Zeit?
t 2
90x
n
Acq
Acq
Acq
Acq

Fourier transform
with respect to t 1

Zur Vereinfachung werden 2D-Spektren im allgemeinen nicht im Seitenblick
gezeigt (links, „stacked plot“), sondern in der Aufsicht (rechts). In dieser liegen
beide Frequenzachsen in der Papierebene, und die Intensität des Peaks ist
vertikal angezeigt in der Form von Höhenlinien / Konturen.

Cross peak
ωI,ωS
Diagonal
ωI,ωI
F2
Zwei Spins, I und S
ωI
F1
Die Diagonale dieses Spektrums ist das 1D-Spektrum.
ωS, wS
Diagonalpeak von S

H
Das 2D COSY Experiment
• Dieses Zwei-Puls experiment ist auch tatsächlich ein sehr nützliches
Experiment. Es wird benutzt, um koppelnde Protonen zu identifizieren, also
Protonen die über J-Kopplungen miteinander verbunden sind. Das
Experiment nennt sich COSY, als Abkürzung für
homonuclear COrrelation SpectroscopY .
• Gleichzeitig ist anzumerken, dass alle 2D Experimente diese Grundstruktur
haben, und sich nur in der Mitte durch das Einfügen weiterer/anderer Pulse
und Delays unterscheiden.

• Für gekoppelte Spins (I,S) mischt sich die Magnetisierung während
t1 (Ix -> IxSz).
• Der zweite Puls wirkt auf diesen gemischten Term, und konvertiert
ihn (IxSz ->IzSx) .
• In t2- ensteht dann/ wird detektiert Magnetisierung beim Kern S
(IzSx-> Sz), die vom Kern I stammt, und deren Frequenz während
der t1–Frequenzbestimmung die Larmorfrequenz von Kern I war.
• Ergebnis: ein Peak, der in t1 mit der Frequenz I moduliert ist, und in
t2 mit der Frequenz S moduliert ist
• Off-diagonal peak=ein Peak der nicht auf der Diagonalen des
Spektrums liegt.
• Dieser Peak verbindet die miteinander koppelnden Protonen/Spin I
und S, und wird zur Identifizierung der Kopplung/ der Nachbarschaft
der Kerne benutzt.

Cross peak
ωI,ωS
Diagonale
ωI,ωI
F2
ωI
F1
ωS
(ähnliche peaks für S)
The correlation appears at the frequency of the two coupled spins, with the frequency of one proton in
the direct dimension,and the frequncy of the other in the indirect dimension
C
HI
HS

COSY Spektrum von Ethylacetat / Essigsäureester
1D
Spektren an
den Seiten
sind zu
Anfang
hilfreich .
These couple No coupling
3 J = 12 Hz
crosspeaks

Ein weiteres Beispiel

1D-NMR spectra of Ipsenol
Which peaks are neighbors and are coupled ? beyond matching coupling constants

Homonuclear spectra are symmetric as the coupling from one proton to the
other is the same as the reverse! Therefore , one often symmetrizes these
during processing and plotting.

DQF-Cosy
Das DQF-COSY ist eine Variante des COSY experimentes. Es ist sehr ähnlich,
und zeigt praktisch identische Information-Peaks. Es ist jeder etwas weniger
empfindlich, hat aber schärfere Diagonalen und Singulett-Unterdrückung, sieht von
daher besser aus.

Um CROSS peaks im COSY zu sehen , brauchen wir Kopplunskonstanten
von mehreren Hz. Daher sehen wir Kopplungen in diesem Experiment nur
für die rot-umrandeten Kopplungen, primär alle geminal und vicinal protons
, rarely for protons which are separated by 4 or more bonds

COSY Zusammenfassung
• Ein 2D-Experiment, mit zwei Frequenzachsen
• Ein Proton – Proton Experiment, d.h. homonuklear
• Die Diagonale ist das 1D-Spektrum
• Das Spektrum ist symmetrisch
• Basiert auf 2,3 J Kopplungen, die die Magnetisierung von
Spins mischen und dadurch correlieren-verbinden
• Koppelnde Protonen sind verbunden durch Kreuzpeaks-
Cross peaks oder off-diagonal peaks (Correlations)
Cross Peaks enstehen nur durch große Kopplungen, also
normalerweise:
Geminale Protonen
• Vicinale Protonen, Dieder-Winkel abhängig.
• Selten weiter Kopplungen , aber öglich ccasionaly longer
range coupling if J>2 Hz (Homoallyl coupling)

Korrelation von unterschiedlichen Kernen
Das HETCOR Experiment
(traditionelle,ursprüngliche
Weg, Protonen mit
HeteroAtomen zu koppeln)
Jetzt selten benutzt
NOTE: Detektion des
Kohlenstoffes
Das HMQC Experiment
(Heteronuclear multiple quantum
coherences)
Benutzt die direkte 1 J-Kopplung
der gebundenen Atome.
Detektiert mit Proton. Sehr
empfindlich . Der benutzte Wert
für J ist typischerweise145 Hz.
Note: der Entkoppler –Decoupler
während der Detektionszeit führt
zur Aufnahme von
Singuletts,ungespaltete Signale

Note: the spectra
are flipped, as the
detected
dimensions are
opposite in the
experiments, and it
is convention to
present the direct
dimension F2 at the
bottom
These spectra also
show nicely that
largely down/upfield
shifts of proton and
carbon resonances
are largely correlated.
Note: no diagonal!
Since hetero!

HSQC –Analoges Experiment zum HMQC
•Das HSQC ist wesentlich komplizierter auf der spektroskopischen Seite (Zahl der Pulse, delays etc.)
•Gleiche Peaks wie das HMQC - Korrleation von H mit direkt gebundenen X-Kern (13C oder 15N)
•selektive Nutzung der 1J-Kopplung
J. B. Lambert & E. P. Mazzola, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Pearson Prentice Hall, 2004

Das HMBC experiment
• Wir haben Protonen direkt verbunden (COSY)
• Wir haben 13 C mit direkt gebunden Protonen verbunden mit der 1 J
coupling (HMQC)
• Können wir auch Fernkopplungen nutzen?
MB steht für Multiple bonds
1. Das HMBC selektiv detektiert Protonen und 13 C die über kleine 2,3 J
Kopplungen verbunden sind (Größenordnung 10 Hz).
2. Hilfreich zum detektieren von quartären Kohlenstoffen
3. Und zum Verbinden von Spinsystemen öber quartäre C hinweg

3
2
1
1
2
3

3
2
1
1
2 JH1-C2
2
3
3 JH3-C1

Ipsenol
Note : the arrows indicate
artifacts, i.e. direct couplings
which are not completely
removed. These are 1J
couplings, ad can be identified
by their large splitting. Since
we don‘t decouple during t2,
the 1J couplings constant splits
the signal into a doublett, with
the ~145 J separation

More on 2D:
• Also, the principle can be extended to 3D,
4D and even higher experiments, i.e. even
more frequencies can be simultaneously
detected What is the caveat ?
•
• A 1D spectrum takes minutes, a 2D hours,
a 3D days, a 4D ……

More on 2D:
• Many more 2D experiments can be
created , that correlate the same or further
nuclei with desired specificity
• Most of these experiments correlate nuclei
using coupling constants, i.e. the correlate
through bonds.
• Some also offer the possibility to correlate
nuclei through space

References
J. B. Lambert & E. P. Mazzola, Nuclear
Magnetic Resonance Spectroscopy,
Pearson Prentice Hall, 2004
RM Silverstein, FX Webster & DJ Kiemle,
Spectrometric Identification of Organic
compounds Wiley 2005.