Reine Verschiebungs NMR Spektroskopie

Die NMR Spektroskopie ist eine der aussagekräftigsten und am häufigsten benutzten Methoden zur Strukturanalyse von organischen, anorganischen und kleinen bis mittelgroßen Biomolekülen. Am öftesten werden dabei H-1 Kerne aufgrund deren hoher Sensitivität und weiter Verbreitung aufgenommen. Verglichen mit anderen Kernen weißt die Protonen NMR Spektroskopie jedoch eine sehr schlechte Auflösung auf. Diese resultiert aus breiten Multipletts aufgrund der homonuklearen skalaren Kopplung zu benachbarten Wasserstoffkernen. Wir konnten zeigen dass es möglich ist homonuklear breitband-entkoppelte NMR Spektren mittels einer Kombination von Frequenz und räumlich selektiven Pulsen aufzunehmen. Diese Methode führt zu Protonenspektren welche nur aus Singuletts bestehen und an H-1 entkoppelte C-13 Spektren erinnern. Die Auflösung entspricht der von regulären H-1 Spektren welche theoretisch bei mehreren GHz zu erwarten sind. Diese Technik welche inzwischen als "pure-shift" oder Zangger-Sterk Methode bezeichnet wird ist jedoch aufgrund der verwendeten räumlich selektiven Anregung und der Aufnahme einer Serie von 1D Spektren, aus welchen dann das entkoppelte Spektrum prozessiert wird, sehr unempfindlich. Im Zuge dieses Projektes werden wir zwei neue Techniken etablieren welche darauf abzielen beide dieser Unzulänglichkeiten zu mildern bzw zu beseitigen. Dadurch wird die Sensitivität von "pure-shift" Spektren extrem gesteigert. Diese neuen Methoden sind einerseits sehr schnelles Pulsen durch Verschiebung der Anregungsfrequenz der räumlich selektiven Pulse und andererseits Entkopplung während der Datenaufnahme. Neben der homonuklearen Breitband-entkopplung werden diese Methoden auch eingesetzt werden um schnelle Serien von NMR Spektren aufzunehmen (bis zu ~50 Spektren pro Sekunde) um schnelle Reaktionskinetiken zu verfolgen. Weiters lassen sich damit auch homonukleare mehrdimensionale Spektren ohne Diagonalpeaks aufnehmen.

Die NMR Spektroskopie stellt eine der wichtigsten Analysenmethoden zur Bestimmung der Strukturen von organischen und Biomolekülen dar. Aufgrund der weiten Verbreitung und hohen Sensitivität werden meistens Wasserstoffkerne (Protonen) in der NMR Spektroskopie verwendet. Die Auflösung der Protonen NMR ist jedoch ziemlich limitiert. Die Ursache dafür ist zu einem großen Teil die Signalfeinstruktur, bedingt durch skalare Kopplung zwischen benachbarten Wasserstoffkernen. Die pure shift NMR (reine Verschiebungs NMR) hat nun zum Ziel diese Signalaufspaltung zu beseitigen um die Auflösung von Wasserstoffspektren zu erhöhen. Im Zuge dieses Projektes entwickelten wir unter anderem eine generell anwendbare Methode um pure shift Spektren in Echtzeit aufzunehmen. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden ist dafür auch keine spezielle Datenprozessierung mehr notwendig. Mittels pure shift NMR werden die Signale im Spektren besser getrennt jedoch geht die Information über skalare Kopplungen komplett verloren. Oft ist es jeodch notwendig gerade diese Information mit hoher Auflösung zu erhalten. Zu diesem Zweck konnten wir Spektren mit verstärkter skalarer Kopplung in Echtzeit erhalten. Durch dieses Echtzeit J-upscaling ist es möglich strukturrelevante Informationen aus Kopplungen mit viel höherer Auflösung als bisher zu erhalten. Durch die in diesem Projekt entwickelten Methoden ist es nun möglich NMR Spektren mit höherer Auflösung sowohl in Hinblick auf Signalfrequenzen (die chemische Verschiebung) also auch bezüglich der Signalfeinstruktur (der skalaren Kopplung) zu erhalten. Derartige Spektren sind nicht nur hilfreich um organische Moleküle strukturell genauer zu charakterisieren und Substanzmischungen spektroskopisch aufzutrennen, sondern werden aktuell auch untersucht um die NMR Spektren von Proteinen qualitative zu verbessern. Dies sollte die Auflösung von NMR Proteinstrukturen verbessen um sie zum Beispiel für strukturbasierte Wirkstoffforschung zu verwenden.