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Arten der 2D-NMR
Zweidimensionale (2D) NMR-Spektroskopie umfasst:-
Homonuklear
- Durch Bindungen: COSY, TOCSY, 2D-INADEQUATE, 2D-ADEQUATE
- Durch den Raum: NOESY, ROESY
Heteronukleare Korrelation
- Ein-Bindungs-Korrelation HSQC, HMQC
- Langstrecken-Korrelation HMBC
Beispiele für 2D-Spektralzuordnung
Zuordnung von 12,14-Ditbutylbenzochrysen
Zuordnung von Cholesterylacetat
Die Grundlage der 2D-NMR
In einem 1D-NMR-Experiment erfolgt die Datenaufnahme direkt nach der Pulsfolge. Diese Reihenfolge wird auch bei komplexen Experimenten beibehalten, obwohl eine Vorbereitungsphase vor der Akquisition hinzugefügt wird. In einem 2D-NMR-Experiment ist die Aufnahmephase jedoch durch Zwischenschritte, die Evolution und Mischen genannt werden, von der Anregungsphase getrennt. Der Evolutionsprozess dauert eine Zeitspanne an, die mit t1 bezeichnet wird. Die Datenerfassung umfasst eine große Anzahl von Spektren, die wie folgt erfasst werden: Beim ersten Mal wird der Wert von t1 nahe Null gesetzt und das erste Spektrum wird erfasst. Beim zweiten Mal wird t1 um Δt erhöht, und ein weiteres Spektrum wird erfasst. Dieser Vorgang (Inkrementierung von t1 und Erfassung von Spektren) wird so lange wiederholt, bis genügend Daten für eine Analyse mittels 2D-Fourier-Transformation vorliegen. Das Spektrum wird in der Regel als topografische Karte dargestellt, wobei eine der Achsen f1 ist, d. h. das Spektrum in der Dimension t1, und die zweite Achse das Spektrum ist, das nach den Entwicklungs- und Mischungsphasen erfasst wird (ähnlich wie bei der 1D-Erfassung). Die Intensität des Signals wird durch eine stärkere Farbe dargestellt, je intensiver es ist.
In der resultierenden topographischen Karte sind die Signale eine Funktion von zwei Frequenzen, f1 und f2. Es ist möglich, dass ein Signal bei einer Frequenz (z.B. 20 Hz) in f1 und einer anderen Frequenz (z.B. 80 Hz) in f2 erscheint, was bedeutet, dass sich die Frequenz des Signals während der Entwicklungszeit geändert hat. In einem 2D-NMR-Experiment wird die Magnetisierungsübertragung gemessen. Manchmal geschieht dies durch Bindungen zum gleichen Kerntyp wie bei COSY, TOCSY und INADEQUATE oder zu einem anderen Kerntyp wie bei HSQC und HMBC oder durch den Raum wie bei NOESY und ROESY.
Die verschiedenen 2D-NMR-Techniken sind nützlich, wenn 1D-NMR nicht ausreicht, z. B. wenn sich die Signale überschneiden, weil ihre Resonanzfrequenzen sehr ähnlich sind. 2D-NMR-Techniken können vor allem dann Zeit sparen, wenn man an der Verbindung zwischen verschiedenen Arten von Kernen (z.B. Proton und Kohlenstoff) interessiert ist.
Das grundlegende 2D-NMR-Experiment (Abb. 1) besteht aus einer Impulsfolge, die die Kerne mit zwei Impulsen oder Gruppen von Impulsen anregt und dann den freien Induktionsabfall (fid) empfängt. Die Impulsgruppen können reine Hochfrequenzimpulse sein oder magnetische Gradientenimpulse enthalten. Die Erfassung wird viele Male durchgeführt, wobei die Verzögerung (Evolutionszeit – t1) zwischen den beiden Impulsgruppen erhöht wird. Die Evolutionszeit wird mit t1 und die Erfassungszeit mit t2 bezeichnet.
Abb. 1. Grundlegende Impulsfolge für die 2D-Erfassung
2D-Fourier-Transformation
Der FID wird dann in beide Richtungen Fourier-transformiert (Abb. 2), um das Spektrum zu erhalten. Das Spektrum wird üblicherweise als Konturdiagramm dargestellt. Die Entwicklungsfrequenz wird mit f1 und die Erfassungsfrequenz mit f2 bezeichnet und von rechts nach links aufgetragen.
Abb. 2. 2D-Fourier-Transformation
Das 2D-Spektrum wird der Übersichtlichkeit halber gewöhnlich mit seinen 1D-Projektionen aufgetragen. Dies können echte Projektionen oder die entsprechenden 1D-Spektren sein. In einem homonuklearen Spektrum gibt es normalerweise eine Diagonale (mit Ausnahme von 2D-INADEQUATE), die die Korrelation der Peaks zueinander darstellt und an sich nicht sehr informativ ist. Die Signale abseits der Diagonale stellen Korrelationen zwischen zwei Signalen dar und werden für die Zuordnung verwendet. Zum Beispiel korreliert im homonuklearen COSY-Spektrum in Abb. 3 das 1H-Signal bei 1,4 ppm mit dem 1H-Signal bei 2,8 ppm, weil es Kreuzpeaks gibt, die aber nicht mit den Signalen bei 7 korrelieren.3 ppm.
Abb. 3. 2D-COSY-Spektrum von Ethylbenzol
In einem heteronuklearen Spektrum gibt es keine diagonalen Signale, und alle Signale stellen Korrelationen dar. Zum Beispiel korreliert im heteronuklearen HSQC-Kurzstreckenkorrelationsspektrum in Abb. 4 das 1H-Signal bei 1,4 ppm mit dem 13C-Signal bei 15,7 ppm, das 1H-Signal bei 2.8 ppm korreliert mit dem 13C-Signal bei 29,0 ppm usw.
Abb. 4. 2D-HSQC-Spektrum von Ethylbenzol
Die Signale in einem 2D-Spektrum sind nicht immer phasenrein. Manchmal kann die Phase nicht einfach ausgedrückt werden, wie bei HMBC und 2D-INADEQUATE, in diesem Fall wird ein Magnitudenspektrum aufgezeichnet. In diesem Fall wird ein Magnitudenspektrum aufgezeichnet. Magnitudenspektren führen jedoch im Vergleich zu reinen Phasenspektren zu einer geringeren Auflösung (und im Gegensatz zu Fensterfunktionen, die Linien verbreitern, nicht zu einer höheren Empfindlichkeit). Daher sollte das 2D-Spektrum, wo immer möglich, in Phase aufgezeichnet werden. Die sich ergebenden Signale können reinphasig, gegenphasig oder negativ phasig sein, wie in Abb. 5 dargestellt. Negative Signale werden üblicherweise durch gepunktete oder rote Konturen dargestellt.
Abb. 5. Mögliche Phasen für eine Korrelation zwischen zwei Doubletten
