2D-NMR-Spektroskopie€¦ · NMR: Korrelation Spektroskopie 2 ’ & $ % 2. Die zweite Dimension Alle 2D-Methoden haben fol-genden Ablauf gemeinsam: t2 t1 Detektion Präparation Evolution

NMR: Korrelation Spektroskopie 2

'

&

$

%

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.

'

&

$

%

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


'

&

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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.

'

&

$

%

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


'

&

$

%

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.

'

&

$

%

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


'

&

$

%

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

'

&

$

%

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


'

&

$

%

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


'

&

$

%

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

'

&

$

%

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


'

&

$

%

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


'

&

$

%

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

'

&

$

%


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


'

&

$

%

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


'

&

$

%

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


'

&

$

%

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


'

&

$

%


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

'

&

$

%


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


'

&

$

%

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


'

&

$

%

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!

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