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Tutorial MenueKernresonanzspektroskopie (NMR)Lerneinheit 10 von 13

Interpretation von NMR-Spektren anderer Kerne

Stickstoff-NMR-Spektren

Wie aus der Tabelle ersichtlich wird, gibt es zwei für die NMR-Spektroskopie relevante Stickstoff-Isotope: 14N und 15N . Jedoch sind beide Isotope aufgrund ihrer Kerneigenschaften nicht besonders gut für die NMR-Spektroskopie geeignet.

Tab.1
Kerneigenschaften 14/15N
KernInatürliche Häufigkeit in %γ · 10-8 in T-1s-1relat. EmpfindlichkeitMessbarkeit
14N 1 99,63 0,1934 1,01 · 10 3 schlecht
15N 1/2 0,37- 0,2713 3,85 · 10 6 schlecht

14N-Kern

Auf den ersten Blick würden die Kerneigenschaften den 14N-Kern gegenüber dem 15N-Kern favorisieren, besonders die hohe natürliche Häufigkeit von 99,63% spricht dafür.

Aufgrund des Kernquadrupolmomentes (da I=1) sind die Linienbreiten in einem 14N-NMR-Spektrum jedoch sehr hoch. Der Gesamt-Verschiebungsbereich ist im Verhältnis zur Linienbreite sehr klein (bei einem 100 MHz-Spektrometer (2,35 T) ca. 6500 Hz (900ppm) bei ca. 500 Hz Linienbreite), so dass eine erfolgreiche Strukturaufklärung kaum möglich ist.

Seit dem Einsatz von FT-NMR-Geräten ist die 14N-NMR-Spektroskopie fast vollständig von der 15N-NMR-Spektroskopie verdrängt worden.

15N-Kern

Der Vorteil des 15N-Kerns ist seine Kernspinquantenzahl I von 1/2. Somit sind in den Spektren schmale Linien zu erwarten.

Nachteilig wirkt sich die geringe natürliche Häufigkeit und das negative gyromagnetische Verhältnis auf die Messbarkeit aus. Die relative Empfindlichkeit des 15N-Kerns beträgt im Vergleich zum (ebenfalls unempfindlichen) 13C-Kern nur ca. 2%. Bei Entkopplungsexperimenten kann es aufgrund des negativen gyromagnetische Verhältnisses in Verbindung mit dem Kern-Overhauser-Effekt zu Signalauslöschung kommen.

Die 15N-NMR-Spektroskopie ist keine Routinemethode, jedoch ermöglichen moderne Aufnahmetechniken (INEPT, DEPT, siehe "Auswertung von C-NMR-Spektren") die Aufnahme von aussagekräftigen 15N-NMR-Spektren in vertretbaren Messzeiten.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der NMR-Aufnahmebedingungen ist der Einsatz von 15N-markierten Verbindungen, die jedoch sehr teuer sind. Zum Vergleich: 1g NH4Cl kostet ca. 1 Euro, 1g 15NH4Cl ca. 200 Euro.

Standardverbindung

Als Standardsubstanz (vgl. TMS bei 1H, 13C, 29Si) wird in der 15N-NMR-Spektroskopie hauptsächlich Nitromethan (CH3NO2, δN=0 ppm) verwendet.

Anwendung

Die Stickstoff-NMR-Spektroskopie spielt insbesondere bei der Strukturaufklärung biologischer Systeme eine große Rolle, beispielsweise werden Proteine, DNA oder RNA mittels 15N-NMR untersucht. Die Aufnahme und Auswertung solcher Spektren ist sehr kompliziert, daher wird auf diesem Gebiet gerade auf methodischer Seite intensiv geforscht. So enstehen neue 1D-, 2D- und 3D-NMR-Pulssequenzen, die dann natürlich auch bei anderen analytischen Problemstellungen genutzt werden können.

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