wieviele orientierungen im magnetfeld hat ein atomkern mit spin 3/2?

VO Molekulare Analytik und Spektroskopie

Wieviele Orientierungen im Magnetfeld hat ein Atomkern mit Spin 3/2?


NMR (Kernresonanz) Spektroskopie

NMR = Nuclear Magnetic Resonance (selbe Grundlagen wie „Magnetresonanz“-Imaging in der Medizin)

Grundlagen:Manche Atomkerne (z.B.: 1H, 13C, 15N) besitzen einen von Null verschiedenen Spin I. Klassisch betrachtet entspricht dies etwa der Rotation des Atomkerns um die Kernachse. Quantenmechanisch betrachtet ist der Spin gequantelt:Def.: |I2|=I.I=ħ2[I(I+1)] I: Spinquantenzahl.ħ=h/(2)h:Planck’sches WirkungsquantumDieser Spin erzeugt ein magnetisches Moment . =I: gyromagnetische Konstante (oder: magnetogyrisches Verhältnis);.In einem Magnetfeld orientieren sich Kerne mit magnetischen Moment und es gibt 2I+1 verschiedene Einstellungen, die den folgenden Magnetquantenzahlen entsprechen:m=(-I,-I+1,...I-1,I)Beispiel: I=1/2 m=-1/2,+1/2E=- B0

B0: Magnetfeldstärke

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Literatur:Vorlesungsunterlagen: www.uni-graz.at/klaus.zangger/lehre.html

M.Hesse, H. Meier, B. Zeeh, „Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie“Thieme Verlag Stuttgart/New York, 7.Auflage 2005

H.Günther, „NMR-Spektroskopie“, Thieme Verlag Stuttgart, 1992


Für Spin ½ Kerne gibt es 2 mögliche Einstellungen im Magnetfeld.

Die magnetischen Momente prezessieren mit der Frequenz 0=B0 um das Magnetfeld (die z-Richtung). 0=LarmorfrequenzDie Energie der beiden Zustände ist unterschiedlich: Em=-mħB0

Daraus ergeben sicher unterschiedliche Besetzungszustände für die beiden Energiezustände gemäß einer Boltzmannverteilung:

energieniedrigere Zustände (m=+1/2) sind stärker besetzt. => mehr Spins in Zustand.

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kT

E

m

m

eN

N

2

1

2

1

Die z-Komponente des Spins besitzt die Werte:Iz=ħmKernspin: I Spinquantenzahl: Iz-Komponente: Iz Magnetquantenzahl: m


Oft betrachtet man die Gesamtmagnetisierung M. M=∑

Ein NMR Signal wird erzeugt durch eine Auslenkung der z-Magnetisierung in die x oder y Richtung und anschließender Beobachtung des Zeitverlaufs dieser Magnetisierung.Auslenkung der z-Magnetisierung aus der Gleichgewichtslage durch einen Radiofrequenzpuls:

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Wechselwirkung B1 mit M

Auslenkung der z-Magnetisierung aus der Gleichgewichtslage durch einen Radiofrequenzpuls:

Die Frequenz der elektromagnetischen Welle muss der Energiedifferenz zwischen und Zustand entsprechen damit es eine Wechselwirkung gibt.Aufgrund der Rotation der Spins um z wird zur Betrachtung meist ein rotierendesKoordinatensytem verwendet.

In diesem Koordinatensystem ist die transversale Magnetisierung ist starr.

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Energienieveauübergänge werden erzeugt durch Wechselwirkung der magnetischen Kernspins mit der magnetischen Komponente elektromagnetischer Wellen, deren Energie genau der Differenz der - Energien entspricht. Bei modernen NMR Geräten sind dies für Wasserstoffkerne Frequenzen zwischen ca. 200 und 950 MHz. Das entspricht Magnetfeldstärken im Bereich 5-25 Tesla (stärkste verfügbaren Magnete).Die Beobachtung der präzidierenden Bewegung nach der Anregung mit einem kurzem Puls elektromagnetischer Strahlung bildet die Grundlage der gepulsten FT NMR Spektroskopie.

Früher: Continous Wave (CW) NMR.Bei der CW Spektroskopie wurde eine Radiofrequenzwelle bestimmter Wellenlänge eingestrahlt und die Frequenz kontinuierlich verändert. Dabei wird die Absorption als Funktion der Wellenlänge registriert. Aufnahme dauert länger.Akkumulieren der Spektren nicht leicht möglich

In der FT-NMR Spektroskopie wird ein mit der Larmorfrequenz oszillierendes Radiofrequenzfeld in der x- (oder y-) Richtung auf die Gleichgewichtsmagnetisierung eingestrahlt. Durch die Wechselwirkung der magnetischen Komponente dieser elektromagnetischen Welle mit dem Mz (Gesamtmagnetisierung) beginnt letzteres um die x-Achse zu rotieren.

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Stoppt man das eingestrahlte Feld nach einem 90° Puls so erzeugt man aus Mz ->My. Die Gesamtmagnetisierung präzidiert dann um die z-Achse in der ja nach wie vor das Magnetfeld B0 wirkt. In einer Spule die entlang der y-Richtung angelegt ist induziert das einen Strom der immer dann maximal ist wenn die Gesamtmagnetisierung in die y-Richtung zeigt. Der Zeitverlauf dieses Stromes zeigt eine cosinus Modulation mit der Larmor-frequenz des oszillierenden Kernes.

Um aus dem Zeitverlauf die Frequenz zu erhalten führt man eine Fourier-Transformation (FT) durch. Die Fourier-Transformation entspricht einer Frequenzanalyse eines zeitlich oszillierenden Vorganges.

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Die aus dem Gleichgewicht ausgelenkte Gesamtmagnetisierung My verschwindet langsam wieder (Relaxation), was im induzierten oszillierenden Strom als exponentieller Abfall zu beobachten ist.Daher der Ausdruck FID (Free Induction Decay) für das detektierte Signal als Funktion der Zeit.Die Frequenzanalyse ist umso wichtiger wenn mehrere Kerne präzidieren und somit am FID beteiligt sind.

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FT

Die FT einer Summe von Funktionen ergibt die Summe der Fouriertransformierten:

FT[f(x)+g(x)]=FT[f(x)]+FT[g(x)]

Zeit Frequenz


FT von komplexeren FIDs

Zeit Frequenz

FTDer FID ist bei Auftreten mehrererSignale sehr schwierig zu interpretieren.Die Fourier Transformation liefert eine „Frequenzanalyse“ des zeit-abhängigen´Signales.

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Wichtige Eigenschaft der FT:Ist eine Funktion breit in einer Domäne (Zeit oder Frequenz) ergibt das eine schmale Funktion nach der FT und umgekehrt.

Die FT einer Summe zweier Funktionen ergibt die Summe der FTs der einzelnen Funktionen (zwei Peaks).

FT[f(x)+g(x)]=FT[f(x)]+FT[g(x)]


In der NMR wichtigste Eigenschaft: Was in der Zeitdomäne schmal ist gibt in der Frequenzdomäne eine breite Funktion und umgekehrt. D.h. um schmale Peaks zu bekommen braucht man eine langsam abklingende Zeitfunktion.

Der „Strom“ wird nicht kontinuierlich gemessen sondern nur alle ca 100 s (= dwell time DW).

Nyquist Bedingung: DW=1/2SW

SW… Sweep Width oder Spectral WidthD.h. pro Schwingung der maximalen Frequenz braucht man mindestens 2 Punkte.

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Geräteaufbau:

Magnet

Probe

500 MHz NMR

11Probe in 5 mm Röhrchen


NMR-aktive Kerne:

Magnetisch aktive IsotopeKeine magnetisch aktiven Isotope

Häufig in der NMR werden folgende Kerne vermessen:

Kern: Spin: Vorkommen: rel.Sensitivität: rel. Frequenz:1H ½ 99.98% 1.0 1002H 1 0.015% 9.7*10-3 15.35111B 3/2 80.42% 0.17 32.08413C ½ 1.108% 1.6*10-2 25.14415N ½ 0.37% 1.04*10-3 10.13319F ½ 100% 0.83 94.07729Si ½ 4.7% 7.84*10-3 19.86531P ½ 100% 6.63*10-2 40.481113Cd ½ 12.26% 1.09*10-2 22.182103Rh ½ 100% 3.11*10-5 3.147

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Probenvorbereitung:

In der hochaufgelösten NMR können nur flüssige Proben vermessen werden. Um keine Signale vomviel konzentrierteren Lösungsmittel im 1H Spektrum zu erzeugen, müssen deuterierte Lösungsmittel verwendet werden. Typisch: CDCl3, DMSO-d6.Das 2H Signal des Lösungsmittel wird auch verwendet um das angelegte Magnetfeld konstant zu halten (field-frequency lock), sowie um die Homogenität des Magnetfeldes zu verbessern (shimming).

Chemische Verschiebung:

Durch Elektronen in der Umgebung von Atomkernen wird die Resonanzfrequenz beeinflusst. In der Elektronenhülle wird durch das angelegte Magnetfeld ein Strom induziert. Dieser Strom erzeugt selbst ein Magnetfeld welches dem ursprünglich angelegten entgegen gerichtet ist (Lenz’sche Regel) und schwächt daher das Magnetfeld am Ort des Kerns ab.je höher die Elektronendichte um einen Kern desto geringer das wirksame Magnetfeld geringere Resonanzfrequenz.

B=(1-)Bo=(1-)Bo

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Besonders stark werden Resonanzfrequenzen durch aromatische Systeme verändert Ringstromeffekt:

aber auch Doppel- und Mehrfachbindungen haben einen starken Effekt auf die chemische Verschiebung. Ebenso elektropositive, sowie elektronegative Gruppen.Grundsätzlich gilt: Je höher die Elektronendichte um einen Kern desto geringer die Resonanzfrequenz („weniger ppm“).

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Früher (und auch heute noch) übliche Terminologie aus der CW Spektroskopie:Je geringer die Resonanzfrequenz desto stärker die Verschiebung zu hohem Feld und umgekehrt.

VO Molekulare Analytik und Spektroskopie15

Die Änderung der Resonanzfrequenz ist jedoch extrem gering und wird daher in ppm relativ zu einem definierten Standard angegeben:(in ppm)=106*(Substanz-Standard)/0

Standards einiger Kerne:Kern: Standard:1H TMS (oder für wässrige Lösungen:DSS)13C TMS15N NH3(l)31P 85% H3PO4

113Cd 0.1M Cd(ClO4)

TMS: Tetramethylsilan DSS:2,2-Dimethyl-2-silapentane-5-sulfonsäure

Skalare Kopplung:Ist eine magnetische Wechselwirkung der Kerne über die Elektronen der chemischen Bindung.Dabei verursacht das magnetische Moment eines Kernes eine schwache Polarisation der Elektronehülle die im Molekül, unter Beachtung des Pauli-Prinzips, mittels der überlappenden Molekülorbitale weitergeleitet wird.

HF CH2

Elektronenspin

Kernspin


Die energetisch günstigere relative Anordnung von Kern zu Elektronenspin wird durch den Fermi-Kontaktterm beschrieben, die von Elektronenspin in Molekülorbitalen durch das Pauli-Verbot. Daher gibt es Fälle in denen eine parallele Anordnung zweier koppelnder Kerne energetisch günstiger ist und welche wo es umgekehrt ist Vorzeichen der Kopplungskonstanten) Parallele Anordnung führt zur Anhebung der Energie: J ist positiv) Parallele Anordnung führt zur Absenkung der Energie: J ist negativ

Beispiel: a) ohne Kopplung, b) mit Kopplung, J ist positiv

E

Man kann die Kopplung ansehen als eine Frequenzverschiebung eines NMR Signales zu höheren oder geringeren Frequenzen abhängig vom Spin ( oder ) des Kopplungspartners

Da in ca. der Hälfte der Moleküle der Kopplungspartner ein -Spin ist und in der anderen Hälfte -Spin hat ist jeweils eine Hälfte des Signales zu geringerer und die andere Hälfte zu höherer Frequenz verschoben. Das Signal spaltet also durch die Kopplung auf in 2 Signale.


Die Kopplungskonstanten sind umso größer je weniger chemische Bindungen zwischen den Kernen liegen. Das Aufspaltungsmuster bei Kopplung zu mehreren anderen Kernen läst sich bestimmen durch Kopplungsbäume:

bei Kopplung zu mehreren identischen Kernen gilt:1) Aufspaltung in n+1 Komponenten (n=Zahl der koppelnden Kerne).2) Die relativen Intensitäten erhält man aus dem Pascal’schen Dreieck:

Um einen Kopplungsbaum zu erstellen benötigt man die Anzahl der Kopplungspartner und die Größen der Kopplungskonstanten


Nomenklatur von gekoppelten Kernen: Die Kerne werden mit bestimmten Buchstaben des Alphabets bezeichnet (überlicherweise A,B, M und X) wobei der Unterschied in der chemischen Verschiebung korreliert ist mit dem Abstand der Buchstaben im Alphabet, also in einem AB System haben die Kerne A und B sehr ähnliche chemische Verschiebungen; bezieht man sich auf unterschiedliche Kerne also z.B. ein 1H-13C Fragment so wird dieses als AX system bezeichnet. Die Bezeichnung ist in gewissen Ausmaß willkürlich (hängt auch von der verwendeten Magnetfeldstärke ab) Kopplungen über 3 Bindungen (3J) hängen vom Diederwinkel dazwischen gemäß einer Karplus-Kurve (manchmal auch als Karplus-Conroy Kurve bezeichnet) ab:

empirische Korrelation: 3J=A+Bcos(Ccos(2)), wobei die Konstanten A, B und C von der Art des H-X-Y-H Fragmentes abhängen, also in erster Linie von den Atomen X und Y.


Relaxation:

Wird die Gesamtmagnetisierung aus der Gleichgewichtslage (entlang der z-Richtung des angelegten Magnetfeldes) ausgelenkt, kehrt sie aufgrund der Relaxation wieder in diese zurück. Arten der Relaxation:

1) Longitudinale Relaxation (Auslenkung aus +z Richtung):

T1 ist die longitudinale Relaxationszeit (Spin-Gitter Relaxationszeit).Relaxationszeit: Ist die Zeit in der die Auslenkung aus der Gleichgewichtslage auf den Faktor 1/e (=ca 1/3) abfällt.

R1=1/T1

dMz(t)/dt=R1[M0-Mz(t)]

integriert:

Mz(t)=M0-[M0-Mz(0)]*exp(-R1*t)

Messung der T1 Relaxationszeiten durch das Inversion Recovery Experiment:

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) Inversion der z-Magnetisierung durch einen 180° Puls) Relaxation findet während dem delay statt) Die vorhandene z-Magnetisierung wird durch einen 90° Puls in beobachtbarex oder y-Magnetisierung umgewandelt und danach ein FID (Free InductionDecay) aufgenommen.

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Beispiel: Inversion Recovery an Toluen:

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2) Transversale Relaxation (Auslenkung in x,y Richtung):

T2 ist die trasnversale Relaxationszeit (Spin-Spin Relaxationszeit). R2=1/T2

dMx(t)/dt=R2Mx(t)integriert: Mx(t)=Mx(0)*exp(-R2*t)Messung der transversalen Relaxationszeit durch ein Spin-Echo Experiment:

) Auslenkung der z-Magnetisierung durch einen 90° Puls in die x,y-Ebene) Relaxation findet während dem delay statt) In der Mitte des delays wird die Magnetisierung invertiert um Inhomogenitäten des Magnetfeldes zu beseitigen.) Die vorhandene x oder y-Magnetisierung wird aufgenommen.

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Die charakteristische Form des FID ist bedingt durch die Abnahme der Magnetisierung aufgrund von T2-Relaxation und Magnetfeldinhomogenitäten.


Im Termschema eines 2-Spin Systems kann man jene Übergänge beobachten die mit dem Umklappen eines Spins zusammen hängen. Sind jedoch zwei Spins „dipolar gekoppelt“ (räumlich benachbart), dann sind auch Übergänge die mit dem Umklappen beider Spins einhergehen möglich:

NOE (Nuclear Overhauser Effect)

Dient der Bestimmung räumlicher Nachbarschaften

Durch kontinuierliche Sättigung eines Signales wird die Intensität eines dipolar gekoppelten Kerns um den Faktor 1+IS verändert. IS ist die Signalverstärkung/abschwächung durch den NOE.


Wichtig ist die Abhängigkeit der Kreuzrelaxationsrate vom Abstand zwischen den Kernen I und S (rIS):IS=k/rIS

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Durch diese Abhängigkeit vom interatomaren Abstand ist es möglich durch Messung der NOE Werte Informationen über die Molekülstruktur zu erhalten.Die Abhängigkeit über r-6 bedeutet, daß der NOE nur für sehr kleine Abstände (<5Å) signifikant ist.

Der NOE hängt auch von der Beweglichkeit(Korrelationszeit) des Moleküles ab.Bei „mittelgroßen“ Molekülen (MW ~ wenige kD) verschwindet er.Für diese Moleküle gibt es jedoch einenAusweg: ROE (Rotating Frame Overhauser Effect). Dieser ist immer positiv.Seine experimentelle Erfassung jedoch fehleranfälliger.


Austauschprozesse im NMR

Verbindungen bei denen es entweder konformationellen oder chemischen Austausch von Protonen untereinander gibt hängt das Erscheinungsbild des Spektrums von der Austauschrate ab. Beispiel für konformationellen Austausch (Mesomerie in Dimethylformamid):

Während der Aufnahme des NMR Spektrums wechseln dann die austauschenden Signal ihre Resonanzfrequenz. Bei langsamen Austausch ändern sich in erster Näherung während der Aufnahme des FIDs die Frequenzen nicht und man erhält nach Fourier Transformation ein reguläres 1D Spektrum. Bei schnellem Austausch, d.h. wenn während der Aufnahme des FIDs die Signal oft ihre Frequenz ändern erhält man ein gemitteltes Spektrum wobei Signale dort auftreten wo der Mittelpunkt der chemischen Verschiebung der austauschenden Peaks liegt.

Im Zwischenbereich dieser Extremfälle wandern die austauschenden Signale als Funktion der Austauschrate zueinander und es gibt einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Extremfällen.Zu bedanken ist dabei dass das Integral der Signal immer gleich bleiben muss. Das heißt je breiter die Signale sind desto weniger intensiv sind sie. Im Bereich um den Koaleszenzpunkt das heißt bei intermediär-schnellem Austausch führt das bei eher schwachen Signalen auch oft zum kompletten Verschwinden der Signale im Spektrum.

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Beispiel: Austausch der Methylsignale von DMF in Abhängigkeit der Lebensdauer

(=Kehrwert der Austauschrate):

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NMR Spektroskopie in der Strukturanalyse:

Zur Analyse von 1D NMR Spektren verwendet man die Informationen über chemische Verschiebungen (gibt an in welcher „Umgebung“ sich ein Proton befindet) und der skalaren Kopplung (gibt an mit welchen anderen Protonen Nachbarschaften durch chemische Bindungen bestehen).Wichtig das ist dass

*) skalare Kopplungen nur dann zu beobachten sind wenn die koppelnden Kerne NICHT die gleiche chemische Verschiebung haben,

d.h. magnetisch nicht äquivalent sind. Außerdem *) beobachtet man skalare Kopplungen zwischen Protonen typischerweise nur wenn nicht mehr als 3 Bindungen zwischen ihnen liegen.

Beispiel 360 MHz 1H-NMR von Ethanol in DMSO-d6:

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und das dazugehörige 1H-entkoppelte 13C Spektrum:

Zur Interpretation kann man Tabellen mit Standardverschiebungsbereichen verwenden:


Für 1H chemische Verschiebungen:


und für 13C:


Oft reicht die die Aufnahme von 1D Spektren nicht aus um die Signale zuzuordnen. 2- und mehr dimensionale NMR Spektroskopie.

Ein-dimensionale Spektren helfen bei größeren Molekülen oft nicht weiter.Es können damit weder Signale zugeordnet werden, noch Hilfen für die Strukturbestimmung gegeben werden.Die Auflösung und den Informationsgehalt kann man durch mehr-dimensionale Spektren drastisch erhöhen.

Anstelle eines Spektrums, wird eine Serie von 1-dimensionalen Spektren aufgenommen, wobei ein Zeitinterval, genannt t1, schrittweise inkrementiert (erhöht) wird. Durch die zeitliche Entwicklung (Evolution) der chemischen Verschiebung während t1 ist die Signalintensität zu Beginn der Aufnahme (Acquisition) moduliert.

Prinzip der 2-dimensionalen NMR:


Prinzip der 2D NMR


Beispiel eines 2D NMR Experimentes

1. Inkrement

2. Inkrement . . . .

VO Molekulare Analytik und Spektroskopiezu

nehm

ende

s t 1

Direkte Dimension(F2)


Wie kommt man zur 2. Dimension

Serie von t1-modulierten Spektren

Intensität als Funktion von t1

2D FT


2D Stack vs Contour Plot

Stack Plot Contour Plot

Zur übersichtlicheren Darstellung wird anstelleeines stack plots meistens ein countour plot verwendet.


FT

(t 1

)

FT

(t 1

)

moduliert durch xI S


meist auch noch eine Mischzeit, in der verschiedene Informationen von einem Signal auf ein anderes übetragen werden kann:

Beispiel: 2D NOESY (EXSY)

Sinnvollere 2D Experimente


FT

(t 1

)

FT

(t 1

)

I+S

S+I

I+S

S+I


Beispiel 2D Spektren

COSYCOrrelated SpectroscopY

HSQCHeteronuclear Single Quantum Correlation(HC-COSY, HetCor)

OO CH3


Solche Korrelationen können nicht nur von skalaren Kopplungen kommen, sondern auch über den sogenannten Kern Overhauser Effekt (NOE) direkt durch den Raum übertragen werden. Durch den NOE ist es möglich direkte Entfernungen von Protonen in einem Molekül zu bestimmen. Möglichkeit zur Bestimmung der 3-dimensionalen Struktur eines Moleküls. Solche Strukturbestimmungen sind

bei organischen Molekülen oft irrelevant, da die 3D Struktur entweder aus der 2D Struktur

(gezeichnetes Molekül) ermittelt werden kann, oder ein Gleichgewicht verschiedener Strukturen darstellt. Besonders interessant ist jedoch die Bestimmung der 3D Strukturen biologischer

Makromoleküle, wie Polysaccharide, Nukleinsäuren oder Proteinen (NMR Forschung am Institut). Die NMR

Spektroskopie stellt dabei neben der Röntgen-Kristallstrukturanalyse die einzige Methode dar 3D Strukturen

auf atomarer Ebene zu bestimmen.


EPR SpektroskopieEPR= Electron Paramagnetic Resonance, oder ESR= Electron Spin Resonance

Die EPR Spektroskopie ist verwandt mit der NMR Spektroskopie. Man betrachtet hier aber den Spin der Elektronen anstatt den der Atomkerne.Elektronen in Orbitalen sind meistens gepaart sodass kein Gesamtspin übrigbleibt. In der EPR kann man nur ungepaarte Elektronen beobachten. Nur für paramagnetische Systeme anwendbar.

Durch den Spin des Elektrons welcher als eine Art Drehmoment verstanden werden kann entsteht wegen der negativen Ladung ein magnetisches Moment μS:

μS=-ge.μB.S/ħμB=Bohr magneton, ge=freie Elektronen g-Faktor (Landé Faktor)=2.0023, S=Spinvektor des Elektrons.

Die Spinquantenzahl für Elektronen ist ½, und deswegen kann die z-Komponente des Spins wie bei Kernen mit Spinquantenzahl ½ zwei mögliche Werte Sz=± ħ/2 annehmen.

Die Energie der beiden Zustände ist gegeben durch

E±=±geμBB0/2

H0=Magnetfeldstärke

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Die Aufspaltung der beiden Niveaus (h= geμBB0) hängt ab vom angelegten Magnetfeld:

Bei den meisten EPR Spektrometern wird das Spektrum wie in der CW-NMR Spektroskopie durch „abscannen“aufgenommen. FT-EPR Spektrometer sind seltener. Da es jedoch technisch einfacher ist das Magnetfeld zu verändern verglichen zur Frequenz gibt man in der EPR die Signalintensität als Funktion der Magnetfeldstärke an.

Das magnetische Moment der Elektronen ist um ein Vielfaches größer als dasjenige von Kernspins.

größerer Besetzungsunterschied zwischen und Niveaus

intensivere Signale

Anregung mit höheren Frequenzen (im Mikrowellenbereich)

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Als Frequenzquellen verwendet man Mikrowellenquellen welche für Radaranlagenverwendet werden. Diese erzeugen Mikrowellenstrahlung in einem recht schmalenFrequenzbereich. z.B.:

Name: Frequenz: Magnetfeld:X-band 9.5 GHz 0.33 TQ-band 36 GHz 1.25 TW-band 95 GHz 3.5 T

EPR-Spektren werden meisten nicht im absorptiven Modus (Lorentz-Kurve) sondern als deren 1.Ableitungangegeben. Dadurch verbessert sich die Auflösung und die Signalintensität.

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Der g-Faktor:

In Molekülen hängt die Position im Spektrum ab von der chemischen Umgebung.Das am Elektron wirkende Magnetfeld ist abgeschwächt:

B=(1-)Bo

Und damit wird die Resonanzfrequenz

h= geμB (1-) B0 ge(1- )=g

Dieser g-Faktor welcher aus dem Spektrum ermittelt wird gibt Information über das Orbital welches das beobachtete Elektron beinhaltet.

Hyperfein-Kopplung:

Durch die Wechselwirkung des Elektronenspins mit benachbarten Kernspins (durch den Fermi-Kontakt-Term) erhält man eine Aufspaltung im Spektrum. (= ähnlich der skalaren Kopplung in der NMR):

Signal eines CH3-Radikals

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Bei einem Mn2+-Ion erhält man eine 5-fach Aufspaltung, da die Kern-spinquantenzahl für Mangan 5/2 ist:

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Massenspektroskopie

Mit Hilfe der Massenspektroskopie lassen sich die Massen von Molekülen und Molekülbruchstücken genau bestimmen. Es handelt sich dabei um keine „eigentliche“ spektroskopische Methode, da hier nicht wie bei den anderen bisher beschriebenen Methoden elektromagnetische Wellen eingestrahlt werden und dadurch Energieniveau-Übergange angeregt werden, sondern man die Massen ionisierter Moleküle oder deren Fragmente beobachtet. Ein großer Vorteil sind die für die MS verwendeten Probenmengen welche zwischen fg (femto gram) und mg liegen.

Beispiel: EI-MS Spektrum von Acetophenon

Das Erscheinungsbild eines MS Spektrums hängt im Gegensatz zu den bisher beschriebnen spektroskopischen Methode sehr stark von der Aufnahme Art, im speziellen der Art der Ionisierung ab.


Apparativer Aufbau:

In der Massenspektroskopie werden Moleküle verdampft und ionisiert. Dabei entstehen einfach oder mehrfach geladene Ionen. Bei Elektronenbeschuss (häufig verwendet für organische Moleküle) entstehen positiv geladenen Ionen da Elektronen aus den äußeren Hüllen entfernt werden.Je nach Ionisierungsmethode werden dabei die Moleküle mehr oder weniger stark fragmentiert. Diese geladenen Moleküle/Fragmente werden anschließend in einem elektrischen Feld beschleunigt und danach gemäß ihrer Masse getrennt.Ein Massenspektrometer besteht daher im Wesentlichen aus den folgenden vier Teilen:1) Einem „Einlasssystem“ für die Probe2) Der Ionisiereinheit3) Einem „Analysator“ zur Trennung der Ionen nach Masse4) Einer Registriereinheit

Einlasssystem:

Um Zusammenstöße von Ionen mit Molekülen und Atomen zu verhindern findet die Ionisierung und Auftrennung im Hochvakuum statt. Ein Problem besteht darin Proben von Normaldruck in dieses Hochvakuum zu bringen ohne letzteres zu stören. Das wird zum Beispiel dadurch behoben, dass flüssige oder gasförmige Proben in einem Vorratsgefäß eingefroren werden und dann kurz vor Einlass in das MS zur Verdampfung erhitzt werden. Es gibt 3 Möglichkeiten eine Probe einzuführen:

a)Verdampfen unpolarer Proben (kleine organische Moleküle)Diese Methode wird in der Organischen Chemie am häufigsten verwendet, wobei es mehrere Arten des „Verdampfens“ gibt:i) Direkte Probeneinführung: Probe wird durch Vakuumschleuse direkt zur Ionisierungseinheit gebracht und dort erhitzt. verunreinigt leicht

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ii) Indirekte Probeneinführung:Probe wird in einem Vorratsgefäß erhitzt bis Dampfdruck ausreichend ist und dann zur Ionisierung geschickt.Probe hat mehr Zeit sich zu Zersetzen

iii) Kopplung mit GC: Probe wird zuvor gaschromatographisch getrennt und dann in ein MS geleitet.Probe muss flüchtig sein, notfalls Derivatisierung notwendig. Z.B.:Ester von Carbonsäuren herstellen.b)Moleküle werden aus einer kondensierten Phase in die Gasphase gebracht (Desorption)c)Eine gelöste Substanz wird fein verteilt als Nebel eingesprüht. (Spray-Verfahren)

Ionisierung:

Je nach Fragestellung gibt es unterschiedliche Arten der Ionisierung: a) Elektronstoßionisation (Elektronenionisierung): Durch Beschuss einer verdampfbaren Probe mit Elektronen werden Elektronen aus der Hülle freigesetzt positiv geladenen Ionen. Zusätzlich gibt es je nach Stärke des Elektronenbeschusses mehr oder weniger starke Fragmentierung. Die Ergebnisse sind verglichen mit anderen Ionisierungsmethoden noch einigermassen reproduzierbar jedoch funktioniert diese Methode gut nur bei kleinen organischen Molekülen.b) Chemische Ionisierung:Bei dieser Ionisierungsmethode wird eine zu untersuchende Probe M mit ionisierten Molekülen vereinigt und es kommt dadurch zum Ladungstransfer.

Mögliche Reaktionen:Ladungsübertragung: M+Ar+M++ArElektroneneinfang: M+e-M-

Protonenanlagerung: M+CH5+MH++CH4

Hydridabstraktion: M+C4H9+M-H++C4H10

Anlagerung von Kationen: M+NO+M-NO+

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Die Ionisierung der reaktiven Moleküle wird wieder durch Elektronenbeschuss erreicht. Die Art der Ionisierung kann durch die Art der zur Reaktion verwendeten ionisierten Moleküle gesteuert werden. Funktioniert ebenfalls nur bei kleinen flüchtigen organischen Verbindungen.c) Desorptionsionisierung:Bei dieser Ionisierungsmethode wird in kurzer Zeit hohe Energie auf ein in einer Matrix sich befindlichen Probe gerichtet:

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Die Energie kann zugeführt werden in der Form von z.B. Atombeschuss (FAB, fast atom bombardment) oder Photonen (Laser Desorption). Ionen welche in der Matrix entstehen vereinigen sich mit den zu untersuchenden Molekülen. Dadurch erreicht man eine sanfte Ionisierung die typischerweise nicht zur Fragmentierung führt. Bestimmung des Molekulargewichtes von biologischen Makromolekülen.


Weitverbreitet zur Bestimmung derartiger Biomoleküle ist heute die MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption) Ionisierung, wobei organische Säuren in der Matrix als Ionisierungsinitiatoren verwendet werden. Es lassen sich damit sehr kleine Mengen biologischen Materials ohne Fragmentierung betrachten. Bei dieser Methode können auch nicht verdampfbare Proben erfasst werden.

Beispiel MALDI-MS eines Proteins mit MW 9854:

d) Spray Ionisierung:Bei dieser Art der Ionisierung werden flüssige Proben fein verteilt (spray) in z.B. ein elektrisches Feld gesprüht und dadurch ionisiert.


1..teilweise Entladung der Ionen an der Kapillare2..Taylor-cone3..Tröpfchen mit Ladungen im Überschuss4..Immer mehr Ladung durch Verdampfen des Lösungsmittels5..Gasförmige Ionen6..Gegenelektrode7..Spraystrom

Im Gegensatz zu den anderen Ionisationsmethoden ist bei der ESI-MS das Auftreten von mehrfach geladenen Ionen immer vorhanden.


Die Moleküle werden jedoch nicht fragmentiert und man erhält ein Spektrum ähnlich dem folgenden:

Fragmentierungen treten bei Elektronenstoßionisation und Chemischer Ionisation auf, nicht bei Desorptions und Sprayionisierung.Es gibt viele weiter spezielle Ionisierungsmethoden, z.B.: Inductively-coupled-plasma (ICP)-MS. (wird in der anorganisch analytischen Chemie zur Element-Bestimmung verwendet).


Massentrennung:

Nach der Ionisation müssen die Teilchen beschleunigt werden. Dazu wird ein elektrisches Feld angelegt und dann durch einen Austrittsspalt ein schmaler Strahl erzeugt. Die Geschwindigkeit hängt dann ab von der Massen m, der Ladung z und der Beschleunigungsspannung U:

Die Trennung erfolgt dann auf eine der folgenden Methoden:

a) Magnetfeldgeräte (Sektorfeldgeräte):Die Auftrennung der beschleunigten Moleküle/fragmente kann zum Beispiel in einem magnetischen Feld erfolgen. Nach der Beschleunigung in einem elektrischen Feld der Spannung U werden die Ionen in ein magnetisches Feld geschickt und dort auf einer Kreisbahn mit Radius r abgelenkt gemäß:

Daraus ergibt sich:

m

zUv

2

Bz

vmr

U

Br

z

m

2

22


Das heißt der Ablenkradius ist proportional dem Masse/Ladungs Verhältnis.


b) Flugzeit (TOF) MS:Neben dieser m/z Detektion aufgrund der Ablenkung in einem magnetischen Feld ist es auch möglich die Zeit zu messen die ein Molekül/fragment-ion braucht um eine bestimmte Strecke nach Beschleunigung in einem elektrischen Feld zurückzulegen. Solche TOF (time of flight) Detektoren funktionieren besonders gut bei langsamen (schweren) Molekülen und nur dann wenn die Ionisierung pulsartig erfolgt. Besonders weite Verwendung haben sie daher bei z.B. MALDI-TOF Geräten.

c) Quadrupol-MS (Massenfilter):An zwei gegenüberliegenden Metallstäben wird eine positive Gleichspannung sowie eine Wechselspannung angelegt.

Positive Ionen werden aufgrund der Gleichspannung von diesen Stäben abgestossen und während der Phasen negativer Spannung angezogen. Sie „schwingen“ also zwischen den Stäben wobei die Amplitude dieser Schwingung von der Masse (m/z Verhältniss), der Stärke der Gleich-und Wechselspannung und deren Frequenz abhängt.


Schwere Ionen werden weniger stark abgelenkt als leichte. Unter einer bestimmten Masse werden die Ionen an der Stäben entladen. Das heisst es werden nur Ionen ab einer bestimmten Masse durchgelassen. An 2 weiteren Polen wird eine negative Grundspannugn und ebenfalls eine Wechselspannung angelegt. Dadurch werden positiv geladene Ionen nur unter einer bestimmten Masse durchgelassen. Massenfilter

Tandemgeräte:Manchmal werden mehrere Methoden zur Massentrennung kombiniert. So kann in einem ersten Trennungschritt ein Ion ausgewählt werden welches danach weiter zerfällt um in einem zweiten Massentrennungschritt nur den Zerfall eines Ions zu verfolgen. Beispiel Triplequad-MS; hier werden die Massen in einem Quadrupol getrennt in einem zweiten lediglich fragmentiert wird und in einem dritten diese Fragmentionen analysiert werden.


Registrierung:

a) Photoplatte (für Sektorfeldgeräte):Die Ionen treffen auf eine Fotoplatte und schwärzen diese je nach Anzahl.

b) Ionenzähler:Bei Sektorfeldgeräten werden mehrere Auffänger werden entweder so augestellt dass sie von Ionen bestimmter Masse getroffen werden oder das Magnetfeld so geändert wird das nacheinander Ionen unterschiedlicher masse durch einen Kollektorspalt fliegen. Bei anderen Analysatoren wird die Masse entweder durch Zeit (TOF) oder die im Quadrupolfilter eingestellte Masse unterschieden. Die Detektion der Ionen geschieht dann durch Messung des Stromes der entsteht wenn die Ionen in den Auffängern (Faraday Töpfen) einschlagen. Zur Erhöhung werden oft Sekundärelektronenvervielfacher verwendet, wobei durch auftretende Ionen Elektronen aus einer Dynode herausgeschleudert werden welche dann in einer weiteren Dynode wieder mehr Elektronen erzeugen usw.

Unabhängig von der Ionisierungs- oder detektionsmethode ist zur Interpretation von MS Spektren ist eine Kenntnis der Atommassen, sowie der Isotopenzusammensetzungen wichtig. Während die meisten in organischen und biologischen Molekülen vorkommenden Atome (H,C,O,N,P,S) aus einem zu fast 100 % vorkommenden Isotop bestehen, gibt es Atome mit mehreren in signifikanten Mengen auftretenden Isotopen z.B.:

Cl: 35Cl76%, 37Cl24%;

Br: 79Br51%, 81Br49%;


Beispiel: M+ Peak Region der Verbindung C7H6ClNO:

Die N-Regel:

Die Molmasse einer Verbindung bestehend aus den Elementen H,C,N,O,S,F,Cl,Br und I ist immer gerade es sei denn sie besitzt eine ungerade Anzahl an N- Atomen.

Hochaufgelöste MS:

Mit hochaufgelösten MS Spektrometer ist es grundsätzlich auch möglich Moleküle mit „gleicher“ Masse aber unterschiedlicher Summenformel aufgrund kleiner Unterschiede der Atommassen zu unterscheiden.

Isotop: natürliches Vorkommen: Atommasse:12C 98,9 12,0000001H 99,985 1,0079414N 99,634 14,00307416O 99,762 15,994915


Beispiel: Beide der untenstehenden Verbindungen besitzen ein Molekulargewicht von 120 g/mol.

Acetophenon, C8H8O 2,4-Di-hydroxy-butansäure, C4H8O4

Das exakte Molekulargewicht ist jedoch unterschiedlich:

8*12+ 4*12+8*1,00794+ 8*1,0079415,994915 4*15,994915120,058435 120,04318

Fragmentierungen:

Im folgenden wird auf die Fragmentierungen von organischen Molekülen bei der dafür oft verwendeten Elektronenionisierung eingegangen.Der peak mit der höchsten Masse ist meistens der Molekülion peak M+. Manchmal, besonders bei Alkoholen und Aminen kann sich noch ein Proton anlagern und somit die scheinbare Masse um 1 erhöhen.Bei organischen Molekülen die nur aus C,H,N,O,S und Halogeniden besteht ist die Molekülmasse immer gerade, es sei denn die Verbindung enthält eine ungerade Zahl an Stickstoff Atomen.

Fragmentierungsreaktionen:

-Spaltung:

Spaltung einer Verbindung an der -Bindung, das heißt zwischen dem - und - Atom neben einem Heteroatom. Das Heteroatom stabilisiert die entstehende Ladung.


Beispiel:

Benzyl- und Allyl-Spaltung:Aus aromatischen und ungesättigten Verbindungen werden Gruppen so abgespalten dass das Doppelbindungssystem erhalten bleibt und die Ladung aufnehmen kann. In Verbindungen mit Benzylgruppen sieht man im MS häufig einen Tropylium-Ionen Peak bei 91 m/z und bei Phenylgruppen bei 77 m/z.Bei Spaltungen ungesättigter Verbindungen entstehen Allyl-kationen.

Beispiel:


Retro-Diels-Alder Reaktion:Cyclische 6er Ringe mit einer Doppelbindung können sich genau umgekehrt wie bei der Diels-Alder Reaktion aufspalten gemäß:

Meist trägt das entstehende „Dien“ die Ladung, manchmal jedoch auch das „En“.

Beispiel:


McLafferty Umlagerung:

Bei dieser Fragmentierung wird aus der -Position zu einer Doppelbindung ein H-Atom, sowie ein Fragment bestehend aus - und - Teilchen abgespalten. Zusätzlich wird die Doppelbindung verschoben:

Beispiel:


Oft anzutreffende Fragmentierungsmuster:


Zusammenfassung NMR-MS:

NMR MS

Was sieht man? Atomkerne vonz.B.: 1H, 13C

Molekülionen und teilweise Fragmente

was nicht? Atomkerne ohne magnet. Moment z.B.12C

geräteabhängig:z.T.:was sich nicht ionisieren, verdampfen läst

Sensitivität niedrig sehr hoch

Aussagekraft der Spektren

sehr hoch geräteabhängig:niedrig bis sehr hoch

Aggregatzustand der Proben

flüssig, fest. geräteabhängig:gasf.,flüssig, fest

Reproduzierbarkeit hoch niedrig

Gerätevielfalt niedrig sehr hoch

Gerätekosten sehr hoch geräteabhängig:mittel bis sehr hoch

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wieviele orientierungen im magnetfeld hat ein atomkern mit spin 3/2?

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