Methoden

Methoden

Weite Bereiche unserer Arbeit zielen auf die Bestimmung der Konformation und Konfiguration gelöster organischer Moleküle und metallorganischer Komplexe ab. Hierfür nutzen wir verschiedene in der NMR-Spektroskopie beobachtbare Wechselwirkungen – vor allem dipolare Restkopplungen (RDCs), skalare Kopplungen und den Kern-Overhauser-Effekt (NOE). Die Untersuchung von Fragestellungen steigender Komplexität wird von uns eng mit der Entwicklung neuer Methoden zur Aufnahme und Auswertung NMR-Spektroskopischer Messungen verknüpft. Wir entwickeln sowohl die experimentellen Möglichkeiten zur Messung dieser Parameter, über spezielle Probenpräparationen und neuartige NMR-Experimente, als auch die computergestützte Aufnahme und Auswertung der erhaltenen Messdaten.

Messung von dipolaren Restkopplungen

Die Nutzung von RDCs zur Strukturaufklärung an kleinen und mittelgroßen Molekülen setzt eine präzise Messung von Kopplungskonstanten in flüssig isotroper, sowie flüssig anisotroper Umgebung voraus. Hierbei bestimmt die Beschaffenheit der Probe sowie, die Art der zu extrahierenden Kopplung, welche Methoden zu deren Untersuchung geeignet sind.

Bei kleinen und mittelgroßen Molekülen werden RDCs zumeist zwischen Kohlenstoffen und den direkt daran gebundenen Protonen gemessen. Die Messung von RDCs ist aber nicht auf die Messung zwischen direkt aneinander gebundenen Kernen beschränkt. Dies ist besonders wichtig, wenn nur wenige Paare direkt gebundener Kerne genutzt werden können um Strukturinformationen zu liefern. Bei der Messung von Kopplungen über mehrere Bindungen ist neben der Größe der Kopplung auch wichtig deren Vorzeichen zu extrahieren, da letzteres a priori nicht bekannt ist.

Kürzlich erschienene Arbeiten auf dem Gebiet des Non-Uniform Samplings versuchen die Dauer der zumeist länglichen NMR-Experimente zur Messung von RDCs zu verringern. Moderne Methoden der Datenverarbeitung können zu einer deutlichen Verkürzung der Messdauer ohne Verlust an Präzision der bestimmten RDCs führen. Mit so genannten Ultrafast-Experimenten konnten wir die derzeit mit Abstand schnellsten Messungen von RDCs durchführen. Diese Methode soll es in Zukunft ermöglichen RDC basierte Strukturaufklärung an metastabilen Verbindungen vorzunehmen oder RDCs zur Verfolgung von Reaktionen und deren Intermediaten zu nutzen.

Computergestützte Auswertung von NMR-Experimenten

Die Modellierung organischer Moleküle im Bezug auf deren Geometrie und Eigenschaften erfolgt heutzutage in vielen Anwendungen über die Zuhilfenahme geeigneter Computerprogramme. Auch in dem Schwerpunkt unserer Arbeit, der Nutzung von RDCs zur Strukturbestimmung, erfolgt die Interpretation der Messergebnisse fast ausschließlich computergestützt. Zur Berechnung von RDCs aus denkbaren Strukturvorschlägen, sowie deren Vergleich mit den gemessenen Daten entwickeln wir eigene Software, welche mit zunehmender Komplexität der untersuchten Systeme stetig weiter entwickelt wird. Besondere Fortschritte konnten diese Arbeiten bei der Untersuchung von Systemen mit konformationeller Flexibilität erzielt werden. Aus einem experimentellen Zugang zur Konformation flexibler Substanzen in Lösung erhoffen wir uns unter Anderem Einblicke in die Funktionsweise homogener Katalysatoren.

Messung des Kern Overhauser Effekts

Da inter- und intramolekulare Distanzinformationen in gelösten Proben über andere Methoden experimentell oft nur schwer zugänglich sind ist die Messung des NOE ein wichtiges Standbein der modernen Strukturaufklärung. Dieser Effekt kann zumeist über etablierte Experimente untersucht werden. Abhängig von der untersuchten Probe gibt es jedoch auch Fälle, in denen die Untersuchung des NOE derzeit unmöglich ist.

Eine präzise Messung intermolekularer Abstände über den NOE ist besonders bei mittelgroßen Molekülen problematisch. Hier ist es häufig der Fall, dass nur der sogenannte rotating-frame-NOE beobachtbar ist, dessen quantitative Messung lange Zeit eine besondere experimentelle Herausforderung darstellte. Moderne EASY ROESY-Experimente liefern heutzutage eine Möglichkeit mit relativ geringem experimentellen Aufwand störungsarme, für quantitative Messungen nutzbare Spektren aufzunehmen.

Bei allen Arten von Molekülen wird die quantitative Messung des NOE unmöglich, sobald es zu einer starken Signalüberlagerung innerhalb der genutzten Spektren kommt. Wir versuchen diesem Problem über die Nutzung von Spektren mit besonders geringer Signalbreite zu begegnen. Sogenannte pure-shift Spektren liefern bei Protonen häufig eine deutliche Verringerung der Signalbreite, weswegen wir versuchen solche Experimente für quantitative Messungen des NOE nutzbar zu machen.

Mitarbeiter auf diesem Gebiet

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Publikationen

1 C. M. Thiele, Use of RDCs in Rigid Organic Compounds and Some Practical Considerations concerning Alignment Media, Conc. Magn. Res. 2007, 30A, 65-80.
2 C. M. Thiele, W. Bermel, J-modulated ADEQUATE experiments using different kinds of refocusing pulses, Magn. Res. Chem. 2007, 45, 889-894.
3 C. M. Thiele, Residual Dipolar Couplings (RDCs) in Organic Structure Determination, Eur. J. Org. Chem. 2008, 5673-5685.
4 C. M. Thiele, W. Bermel, Speeding up the measurement of one-bond scalar (1J) and residual dipolar couplings (1D) by using non-uniform sampling (NUS), J. Magn. Reson. 2012, 216, 134-143.
5 B. Böttcher, C. M. Thiele, Determining the Stereochemistry of Molecules from Residual Dipolar Couplings (RDCs), in Encyclopedia of Magnetic Resonance, (published by R. K. Harris, R. E. Wasylishen), John Wiley, Chichester, 2012.