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Die Anwendung einer Rechenanlage in der Praxis der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie.

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Die Anwendung einer Rechenanlage in der Praxisder kemmagnetischen
Resonanzspektroskopie
Von Ernst G. Hoffmann, Werner Stempfle, Gerhard Schroth, Bruno Weimann,
Engelbert Ziegler uod Josef Brandt1''
1. herblick
1.1.00-line-Datenerfassuog uod direkte Aufarbeitung
Die Verbindung eines Rechners mit einem Spektrometer
ist dem NMR-Spektroskopiker langst vertraut.
Als Mittelwertrechner werden spezielle Kleincomputer
schon seit vielen Jahren mit NMR-Spektrometern on-line
betrieben. Seitdem es gelungen ist, Spektrometer zu konstruieren, die hinsichtlich Homogenitat und Drift des Magnetfeldeszeitlich ausreichend stabil sind, machten sich die
Spektroskopiker die aus der Kernphysik her bekannten
Vielkanalanalysatorenzur Signalverbesserung durch Spektrenakkumulation zunutzd']. Eine der groaten Schwachen
der NMR-Methode ist namlich ihre geringe Empfindlichkeit oder ihr hoher Substanzbedarf. Durch koharente Summierung der Aufnahme in digitalisierter Form kann das
Signal/Rauschverhaltnis um wenigstens eine Groknordnung verbessert werden.
Die so verbesserten Spektren lassen sich auch analog wieder
ausschreiben oder aber digital iiber eine Lochstreifenausgabe zur Weiterverarbeitung in einem Rechenzentrum verwenden[*].Diese CAT@(computer of averaging transients)
oder TAC (time averaging computer) genannten Signalmittel~ertrechner'~]
sind fur ihren speziellen Zweck per
Hardware fest vorprogrammiert : Im Gleichlauf mit dem
MeBwertgeber (Spektrometer)leisten sie die Addition (oder
Subtraktion) der Analogdaten (Signale). Bei einigen Korrelations- oder Mittelwertrechnern dieser Art ist auch eine
Integration moglich.
Immerhin gelang es uns, solche Computer auch Nr einige
andere spektroskopische Methodent41wirkungsvoll einzusetzen. So lassen sich z. B. in der IR-Analyse kompliziertere
Reaktionsmischungen auch dadurch noch aufschliisseln,
daO man vom gespeicherten Spektrum des Gemisches die
Spektren vermuteter Komponenten inkrementell im Rechner subtrahiert, bis auch stark uberlagerte Absorptionsbanden identiliziert und vermessen werden konnen. Auch
eine Losungsmittelkompenstion kann auf diesem Wege
erfolgen, wenn eine bptische Kompensation rnit einer Vergleichskuvette nicht moglich ist. Entsprechende On-lineAnwendungen in der NMR-Spektroskopie (Kompensation
der sich beim Akkumulieren unvermeidlich bemerkbar
machenden Losungsmittelverunreinigungen) sind indessen
durch die hier starkere Losungsmittel- sowie Konzentrationsabhangigkeit der Signallagen eingeschrankt. Weiterhin konnen Raman-Spektren von einem Fluoreszenzunter-
[*I Prof. Dr. E.G.Hollmann, Dip1.-Phys.W.Stempfle,lng. G.Schroth,
Dip1.-Math. B. Weimann, Dr. E. Ziegler und Dr. J. Brandt
Max-Planck-lnstitut fur Kohlenforschung
433 Miilheim/Ruhr, Kaiser-Wilhelm-Platz 1
grund separiert werden (Subtraktion einer Aufnahme mit
sehr grokm Spalt).
Die geringe Zahl von Speicherplatzen (meist 1024) in diesen
inzwischen im wesentlichen iiberholten Geraten["] ermoglicht aber nur fur begrenzte Spektrenausschnitte die volle
Reproduktion des Auflosungsvermogens. Frei programmierbare Computer indessen erweitern die On-line-Anwendungen, wie unten gezeigt werden soll, ganz erheblich.
Insbesondereerlauben sie eine sofort anschlieknde flexible
Aufarbeitung des digitalisierten Datensatzes.
1.2. Interpretatioasbilfeo und Auswertung (OR-line)
Noch alter ist die Off-line-Nutzung - allerdings.g r o k r Rechenanlagen in der NMR-Spektroskopie zur Klassifizierung und Analyse stark gekoppelter Spinsysteme. Unterscheiden sich die Dimerenzen der chemischen Verschiebungen und die zugehorigen Kopplungskonstanten nicht sehr
stark voneinander, so ergeben sich recht komplizierte Aufspaltungsbilder, die eine direkte Extraktion dieser Werte
nicht mehr zulassen. Computer erlauben auch fur grokre
Spinsysteme eine quantenmechanische Modellrechnung,
in der die Parameter der koppelnden Kernspins nach Erfahrungswerten variiert werden, bis das simulierte Spektrum
dem gemessenen geniigend ahnlich wird[6-8b1.Iterative Rechenprogramme ermoglichen dann eine optimale Angleichung der gerechneten an die experimentellen Spektren[6-8b1und somit die exakte Bestimmung der fur die
spektrale Zuordnung und Deutung topologischer und
stereochemischer Molekiileigenschaften wichtigen Parameter. Die Kernresonanzspektroskopie nimmt hier eine
Zwischenstellung zwischen der Gaschromatographie und
der Molekulschwingungsspektroskopie ein bezuglich der
Art der Hilfestellung, die ein moderner Rechner fur die
qualitative Analyse leisten kann.
Die Parameter des gaschromatischen Spektrums lassen
sich aus dem Datensatz, allenfalls nach einfacher rechnerischer Umformung, direkt herauslesen. Ihr Informationsgehalt fur die qualitative Analyse ist - auch bei Beriicksichtigung der Kombination von verschiedenen MeBbedingungen (Saulenwechsel usw.) - gering. In einem NMRund Schwingungsspektrumsind die Parameter (chemische
Verschiebungen und Kopplungskonstanten bzw. Massen
und Kraftkonstanten) implizit enthalten und lassen sich,
z. B. durch Modellrechnungen, herausholen. Praktikabel
sind solche Rechnungen jedoch nur bei der NMR-Spektroskopie; bei der Schwingungsspektroskopieist zwar eine
[**I Es sei darauf hingewiesen, daO noch immer Mittelwertrechner
dieser Art, jeta aber in der Regel mit 4 bis 8 K Kanalen, auf dem Markt
sind [S]. Mit echten Kleincomputern gleicher Kapazitat konnen sie
sowohl preislich als auch in der vielseitigen Anwendbarkeit allerdings
nicht mehr konkurrieren und werden zunehmend durch diese ersetzt.
Angew. Chem. 184. Jahrg. 1972 I Nr. 9
Simulation prinzipiell moglich, jedoch geht, von einigen
niitzlichen Ekfunden an charakteristischen Schwingungsfrequenzen abgesehen, immer das Molekiil als Ganzes ein
mit allen Freiheitsgraden, die seine Atome innerhalb des
schwingungselastischen Systems besitzen. Deshalb sind
vollstandige Modellrechnungen nur bei ziemlich kleinen
Molekulen moglich und ergeben Naherungen von Strukturparametern, die an haufig willkiirliche Modellvorstellungen gekniipft sind und der Stiitzung durch andere Methoden bediirfen. Eine routinedJige Anwendung der MOdellrechnung zur Entscheidung iiber Strukturprobleme
kommt wegen der Vielzahl der in die Rechnungeingehenden
Parameter vorlaufig nicht in Betracht. In der Gaschromatographie wie auch in der Schwingungsspektroskopiekann
daher ein Rechner im allgemeinen lediglich durch Suchoder Bibliotheksprogrammedie gemessenen Spektren oder
deren Parameter mit gespeichertem Vergleichsmaterial
korrelieren". lo] und somit einer Substanz zuordnen.
Im Unterschied zum Molekiilschwingungsspektrum hangt
das NMR-Spektrum einer Verbindung kaum vom Molekiil
als Ganzem ab, sondern laDt sich sehr oft wegen der sehr
begrenzten Fortleitung der indirekten Spin/Spin-Kopplung
innerhalb eines Bindungssystems als Superposition der
Spektren einzelner Molekiilteile verstehen. Modellrechnungen rnit sieben bis neun Spins oder aquivalenten Spingruppen sind deshalb moglich und erlauben in sehr
vielen Fallen eine eindeutige Zuordnung zu einer Molekiil(oder Molekiilteil-)Konfigurationf16
- '1.
1.3. Computer als SpektrometerEestandteiI
Als dritte Gruppe von Computeranwendungen ist jene Art
von NMR-Aufnahmen zu nennen, bei der das Spektrum
aufgrund der MeBmethode in verschliisselter Form vorliegt und der Computer sozusagen als Obersetzer zum
integralen Bestandteil des Spektrometers wird. Dazu gehon die Verarbeitung der seit kurzem so bedeutsam gewordenen impulsweise betriebenen Spektroskopie. Die Information fallt hier zunachst - aus der ,,freien Induktion"
des Kernresonanzsignals (FID) - als Intensitats-Zeit-Diagramm, namlich als Interferogramm aller vorhandenen
Resonanzhequenzen an, und wird erst durch FourierTransformation rnit all den durch chemische Verschiebung
und Spin/Spin-Kopplung differenzierten Resonanzen in
der gewohnten Form des Intensitats/~requent-Spektrums
erhalten[I0'. Diese neueexperimentelleTechnikder FourierTransform-Spektroskopie(FTS)enthalt so viele Fortschritte hinsichtlich Empfindlichkeitssteigerung und MeOgeschwindigkeit" I * I Is), daB sie ganz wesentlich dazu beigetragen hat, den Computer in der Kernresonanzspektroskopie popular zu ma~hen[~'].
Durch den erstaunlich schnellen Fortschritt in der Halbleitertechnik sind Rechner von einer fur diese Zwecke ausreichenden Kapazitat so billig geworden, daO sie nicht
mehr das Vielfache eines NMR-Spektrometers mittlerer
Auslegung, sondern nur noch soviel kosten wie ein etwas
aufwendigeres Spektrometer-Zubehoneil.
Weitere Rechneranwendungen dieser Art ergeben sich fir
die Kinetik schneUer Reaktionen aus der Untersuchung der
Linienbreiten und ihrer Beeinflussung durch die ReakAngew. Chem. 184. Jahrg. 1972 I Nr. 9
tionsgeschwindigkeiten in Abhangigkeit von der Temperatur.
Die Entwicklung einer einheitlichen ProzeDsteuerung, insbesondere zur Optimierung der Spektrometereinstellung
(laufende Kontrolle der Feldhomogenitat) und die direkte
Steuerung der Spektrenaufnahme per Computer macht
ebenfalls Fortschritte. Es gibt auf dem Markt Kleinrechnerl'21, die auch fur diesen Zweck vorbereitet sind.
2. Erfahrungen mit dem Mulheimer Rechnersystem
2.1. On-line-htenerfassuog und direkte Aufarbeitung
Das bisher Gesagte sollte deutlich machen, daB heute die
Hilfe eines Computers unentbehrlich ist, will man die Moglichkeiten der Kernresonanzspektroskopie voll ausschopfen. Dabei liegt das Gewicht gleichermakn auf der Nutzung des Computers als MeDwertaufnehmer (On-line-&trieb) rnit anschlieknder mehr oder weniger umfangreicher
und anspruchsvoller Weiterverarbeitung des vom Spektrometer gelieferten Datensatzes wie auf der Off-line-Nutzung
zum Zwecke der Spektrensimulation.
Ein groks Rechner~ystem~'~],
das beide Moglichkeiten im
Time-Sharing-Betrieb gleichermakn zulaDt, ist demnach
fur die Bewaltigung von Aufgaben der Kernresonanzspektroskopie ideal, seine Anschaffung fur diese allein aber nicht
diskutabel.
Der AnschluD vieler MeDgerate, Benutzerterminals und
Peripheriegerate erfordert allerdings ein aufwendiges Betriebssystem, das selbst einen hohen Kernspeicherbedarf
hat. Die Voraussetzung fur eine angemessene Verfugbarkeit der Rechenanlage fur die NMR-Spektroskopie, insbesondere, wenn aufwendigere Auswertungen wie bei der
Fourier-Transform-SpektroskopieroutinemaBig erledigt
werden sollen, ist aber, daD das Betriebssystem des Rechners (Monitor) nicht zu stark aufgeblaht wird. Reduzierung
der Rechenkapazitat, vermehrte Storanfalligkeit und eine
diskontinuierliche Arbeitsweise konnen die Folgen sein.
Die digitale Registrierungeines konventionellen Spektrums
(Feld- oder Frequent-Sweep) erfolgt iiber einen der Anschliisse des ,,langsamen" Interfaces (Abb. I). Dieses zerlegt
das vom Spektrometer erzeugte Spektrum in eine Folge
von Meapunkten, denen durch eine Analog/Digital-Wandlung entsprechende Zahlenwerte zugeordnet sind. Durch
das Datenerfassungsprogramm SELDAT"41 werden diese
bis zu 20-ma1 pro Sekunde ,,abgeholt" und dem Computer
zur Speicherung zugefuhrt. Das anschlieknde Signalsuchprogramm NMRAN gleicht weitgehend dem Programm
GCAN["]. NMRAN beriicksichtigt jedoch zusiitzlich
einige Besonderheiten eines NMR-Spektrums, die die
Signalsuche erschweren und programmtechnisch nicht einfach zu handhaben sind.
Zu diesen gehort zunachst, da8 ein Kernresonanzspektrum
im Gegensatz zu einem Gaschromatogramm unmittelbar
mit einem Signal beginnen kann. Deshalb kann die Grundlinie nicht vorgegeben werden (2. B. durch die ersten 20
Punkte), sondern sie mu0 selbsttatig aufgefunden werden.
Wir verfahren so: Von 6% der niedrigsten Punkte eines
Spektrums wird das untere Drittel verworfen und der ver401
bleibende Rest zur Extrapolation auf das Maximum einer
GauB-Kurve verwendet. Dieses bildet die Basis fur eine
Nullinien-Korrektur.
Ein so kompliziertes Verfahren halten wir deswegen fir
notwendig, weil NMR-Signale Nachschwingerscheinungen
an einer Flanke aufweisen konnen (,,Wiggles"), die weit
unter die eigentliche Nullinie reichen und diese so verfalschen wurden. Da aukrdem die Gefahr besteht, ,,Wiggles"
mit sehr scharfen Signalen zu verwechseln, mu0 bei der Auswertung ein MaB fir die Dichte aufeinanderfolgender Si-
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Abb. 1. Blockschaltbdd unseres on-line betriebenen konventionellen
N MR-Gedtes (Frequenz-Sweep).
SchlieBlich mussen hrtragungsfehler (einzelne Ausreikr, ,,Spikes") in einem besonderen Programmteil eliminiert werden. Wenn gewunscht, kann an dieser Stelle eine
digitale Filterungrl eingeschoben werden mit dem Ziele
einer Glattung oder umgekehrt einer Kontrasterhohung.
Eine folgende Integration liefert die Intensitaten der Linien
oder Liniengruppen. Da jeder Kern den gleichen Betrag
zu einem Signal beitragt, an dem er beteiligt ist, lassen sich
die Liniengruppengleich aufdie in ihnen enthaltenen Kernzahlen normieren, falls die Gesamtzahl der in Frage stehenden Kerne bekannt ist ;sonst werden die Signalintensitaten
prozentual aufgeteilt. Spektrenaufnahme,Ausmessung und
Integration erfolgen in einem Arbeitsgang und mussen
nicht nacheinander unter Beteiligung mehrerer Hilfskrafte
ausgefihrt werden.
Fur eine eventuelle rechnerische Weiterverarbeitung muD
an die E d t t l u n g der Linienpositionen derhspruch hoher
Genauigkeit gestellt werden. Dies erfordert zwischen M e b
frequenz (Abszisse)und Speicheradresseeine strenge Korrelation. Am besten ist diese gesichert, wenn der Computer
selbst den spektralen Vorschub regelt, z B. durch Impulse,
die den Frequenz- oder Feld-Sweep und gegebenenfallsden
Schreibervorschub steuern, sei es uber Schrittmotore oder
D/A-Wandler, oder durch digitale Ansteuerung eines Frequenzsynthetisators. Das bringt jedoch eine Belastung fir
den Rechner mit sich; daher wird Mufig der umgekehrte
Abb. 2. Beispiel einer Datenerfassung und -reduktion: Frequenzbereich 500 Hz, Datenrate 10 Punkte/s. Pfeile an der Abszisse markieren vom Programm erkannte Linienlagen. Einige Ausreikr (,,Spikes") wurden durch das Programm nicht eliminiert. Die ungeraden Werte bei der lntegriltion
deuten auf Verunreinigung der Probe (2-Vinyl-1,2,3,4,5,6,7,8-octahydronaphthalin)hin.
gnak gesetzt werden konnen. Umgekehrt konnen in
NMRiSpektrum =hr flache, breie Signale auftreten, die
nicht als Nullinie interpretiert werden durfen : Dies wird
durch die Wahl eines weiteren Parameters berucksichtigt.
402
r.1 Im Geeensatz zur elektronischen Filterune
.a
-, bei der die Ruckllanke
des Signalsstark verschleppt wird, wirkt die nachtriigliche digitale Filterung symmetrisch auf das Signal, d. h. nur auf die Amplitude, nicht
Phase der
Frequenr Die Filtercharakleristik
kann uberdies nach der Aufnahme noch-beliebigvariiert werden.
Angew. Chem. 84. Jahrg. 1972 Nr. 9
Weg beschritten : Das Spektrometer veranlaDt die Ubernahme eines Datenworts, gewohnlich durch das Vorrang(Interrupt-)System.
Einen KompromiB bietet die folgende Arbeitsweise, die im
Augenblick bei uns mit Erfolg praktiziert wird: Unsere
NMR-Gerate stehen iiber 300m vom Rechner entfernt,
so daD eine schnelle Ubertragung digitaler Daten problematisch ist. Das von uns erdachte System verlaot sich
auf die Genauigkeit der computerinternen Uhr und erspart dem Computer bzw. dem Spektrometer eine entsprechende Ausgabeeinheit. Unter Verzicht auf eine starre
Abszissenkopplung konnen wir das Spektrometer iiber
einen Schrittmotor steuern, dessen Antriebsimpulse wir der
entsprechend unterteilten Frequenz eines hochstabilisierten Ztihlerquarzes entnehmen. Der Motor treibt gleichzeitig den Spektrometerschreiber und ein Potentiometer
an, das mit einem hochlinearen spannungsgeregelten
Oszillator (VCO) verbunden ist.
der Akkumulationen kaum begrenzt ist. Die 'H-NMRSpektroskopie wird damit zur Mikromethode. Aber vor
allem die Moglichkeit, Spektren tausendfach (n 2 1OOO) zu
akkumulieren(EmpfmdlichkeitsgewinnS / N fn), ist vorteilhaft fiir die Erfassung der Resonanzen von anderen
Kemen als 'H und I9F. Solche ,,Heterokerne" besitzen
wegen ihres kleineren gyromagnetischsn Verhaltnisses
meist betriichtlich geringere Nachweisemplindlichkeiten
-
Als zur Zeit beste Liisung (Abb. I)
des Problems hat sich
indessen die Nutzung einer Spannungssuchrampe (Sweep
Rampe)entwedereinesextem gesteuerten Signalmittelwertrechners (TAC) oder eines entsprechend programmierten
D/A-Wandlers fiir eine automatische Aufnahmeroutine
nutzen lassen. Die vom Computer benotigten Start- und
Stopimpulse erzeugen wir durch eine an Kodierschaltern
vorwahlbareAnfangs- und Endfrequenz,die uber einen entsprechend hergerichteten Dhler die Triggerung bewirken.
Abbildung 2 veranschaulicht eine auf diese Weise erhaltene
Datenverarbeitung. Die durch das Programm NMRAN
erkannten Linienlagen sind als Pfeilmarkierungen auf dem
Computerdiagramm (Folgeprogramm NMRPLT) zu erkennen. Der Kopf der Liste enthiilt die Programmanweisungen (Protonenzahl, Start/Stop-Frequenz, Locksignal
u. a.) und darunter einige fir die Art der Auswertung gema0 dem oben Gesagten wichtige Angaben. Das per Fernschreiber (TTY)im Labor langsam oder per Zeilendrucker
im entfernten Rechenzentrum schnell aufgelistete MeDergebnis gibt die Linienabsthde in Hertz von einem auch
nachtraglich beliebig wahlbaren Standard, und in der Toder 6-Skala die chemischen Verschiebungen an. Die Integration erfolgt inkrementell, d. h. fur jede Linie gesondert - hier gehen natiirlich die durch Signaluberlappung
verursachten Fehler ein - und kumulativ, wobei abgegrenzte Liniengruppen ohne diesen Fehler bewertet werden. Das
vorverarbeiteteSpektrum verbleibt aufdem Plattenspeicher
und steht fiir eine weitere Bearbeitungzur Verfiigung. Seine
Signale konnen von einem Auswertprogramm (NMRSIG)
iibernommen werden, das sie nach wiederkehrenden Abstanden absucht und so zu moglichen Kopplungskonstanten gelangt. AuDerdem sortiert es die Signale in vorgegebene Bereiche ein und liefert so erste Aussagen iiber Strukturmerkmale. Dieses Programm ist in seiner jetzigen Form
noch stark verbesserungsbediirftig.
Zum Programmkomplex der Spektrenerfassung gehort
natiirlich auch ein Akkumulationsprogramm (NMRCAT).
Gegeniiber den anfangs genannten Signalmittelwertrechnern bietet das Computersystemden Vorteil, das Spektrum
auf sehr oiel mehr Speicherplatze mit gr6firer Wortlange zu
verteilen. Das bedeutet, daB auch lange Spektren mit hoher
Auflosung registriert werden konnen und man in der Zahl
Angew. Chem. 184. Jahrg. 1972 1 Nr. 9
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Abb. 3. Ausschnitte aus dem Spektrum eines Diastereomerenpaars
(1,2,3,4-Tetrabrom-2-methylbutan);
oben: Schreiberdiagramm des
Spektrometers; unten: Computerzeichnung mit Auswertungsblatt aus
dem Programm GCAN (Vorstufe LU NMRAN. lntensitaten in Proienr
des Gesamtintegrals).
403
und konnen Unter Umstlnden mit sehr geringer Isotopenhaufigkeit vorkommen. Auch weisen sie sehr grok chemische Verschiebungen auf, weshalb breite Spektralbereiche erfaDt werden miissen.
Abbildung 3 zeigt die Moglichkeit der Datenverarbeitung
an einem komplizierten Spektrum (ohne Methylgruppensignal), das von einem Gemisch zweier Racemate von
Diastereomeren (zwei Chiralitatszentren) ~tamrnt"~].
Der
Spektraltyp der Isomeren kann deshalb nicht sehr unterschiedlich sein, und durch die Kombination des Aufsuchens wiederkehrender Linienabstande und der Bildung
der Schwerpunkte der chemischen Verschiebung gelingt
eine Zuordnung der Liniengruppen zu je einem Racemat.
Der Computer gestattet, die Linienlagen mit der dafur
notigen Genauigkeit festzustellen und aus den gleichzeitig
berechneten Intensitaten der Einzellinien genahert das
Mengenverhaltnis der Bestandteile aus einem solch komplizierten Spektralbild zu entnehmen - ein Unterfangen,
das rnit der sonst iiblichen elektronischen Analogintegration undenkbar ist. Die Abbildung zeigt oben das vom
Spektrometer direkt registrierte, unten das vom Computer
aufgenommene und ausgeschriebeneSpektrum der Skelettprotonen mit der ausgedruckten Wertetabelle.
Eine Ekschleunigung des Datenflusses durch eine rationellere Datenerfassung und unmittelbare Datenreduktion
ist aber nur in beschranktem Umfang erreichbar, obwohl bei dem betrachtlichen Analysendurchsatz an mehreren Geraten dukhaus wiinschenswert. Zwei Engpasse
bestehen, die sich nur teilweise, und auch nicht sofort, mit
einem Computer beheben lassen.
Zunachst ware vie1 gewonnen, wenn die MeBbereitschaft
der Spektrometer laufend automatisch optimiert werden
konnte - wichtig vor allem bei langandauernden Spektrenakkumulationen. Eine Rechenanlage unserer Art ist aber
fur Zwecke der ProzeDsteuerung - und darum handelt es
sich hier - wenig geeignet[l31. Eine derartige Rationalisierung, wie sie in speziellen, im Handel erhaltlichen Kleinrechnern[121schon verwirklicht ist, muB deshalb zuriickgestellt werden (siehe Abschnitt 3, letzter Absatz).
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Aukrdem wird die On-line- Verarbeitung von konventionell
aufgenommenen Spektren weiterhin problematisch bleiben.
Auch bei langsamem Durchfahren des Spektrums ist es
namlich unvermeidlich, daO scharfe Linien starke Nachschwingerscheinungen (,,Wiggles") zeigen, deren Maxima
weitere Resonanzstellen vortauschen. Auch die oben an-
404
-
x
x
m13
Progamm NMRAN.(x): richtig gefundene Linienlagen; (/): als Linien
fehlinterpretierte ,,Wiggles".
rate: 20 Punkte/s, Sweep: 0.2 Hz/s (Protokoll siehe Abb. 5).
.
x
91.3'
'33.41X
84-69
84.79
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93.13
97.38~
99.6BX
99.m
99.77
99.94
1 v 5 . m )(
Abb. 5. TTY-Maschinenprotokoll des Spektrums der Abb. 4 aus dem
m
-
X
57.?fl
66.47 1(
im Spektrum vorherrschen.
Angew. Chem. 184. Jahrg. 1972 I Nr. 9
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen dafiir ein typisches Beispiel. DaD fur 24 Linien mar 22 Positionen (X) (sogar mit
der beachtlichen Pr5zision von k0.03 Hz)richtig gefunden
wurden, 28 aber von fehlinterpretiertenU,,,Wiggles" stammen, zeigt die Unvollkommenheit der Methode. Eine
wirklich befriedigende Liisung ist wohl erst zu erwarten,
wenn die Fourier-Transform-Spektroskopiegenerell angewendet wird, denn diese liefert, da sie stationar arbeitet,
Spektren ohne solche ,,Wiggles".
AEHXY
A0HNX"
2.2. m - b A n w e n d M g ~
Kernresonanzspektren konnen sehr komplizierte Aufspaltungsbilder aufweisen, die nicht mehr mit einfachen Mitteln
interpretierbar sind. In den letaen zehn Jahren sind jedoch
eine Reihe von Programmen entwickelt worden, die in
ihrem ersten Teil aus einem Satz von Parametem (chemische Verschiebung, Kopplungkonstanten, Linienbreiten)
Spektren simulieren konnen". Das Aussehen des simulierten Spektrums Mgt unter Umstiinden sebr stark von der
Wahl der Eingangsparameterab. Wu modifierten deshalb
die Simulationsprogrammederart, dal3 sie eine schrittweise
Variation der Eingangswerte ermoglichen (VARIOS).Auf
diese Weise ist die Erkennung eines Spektraltyps und damit
eine Unterscheidung zwischen Strukturalternativen in der
Regel moglich, insbesondere dann, wenn die simulierten
Spektren nit einem Zeichenprogramm (POMLUX) ausgeschrieben werden. Diem Zeichenprogramm schreibt
a u k r dem Spektrum einige Frequenzmarkierungen, die
benutzten Eingangsparameter (s. Abb. 6-9) und eine
Kennzeichnung.
Sollen priirise Werte aus dem gemessenen Spektrum extrahiert werden, so werden die im zweiten Teil dieser Programme enthaltenen Iteratiomroutinen angewendet, die
die Modellspektren den gemessenen Spektren nach Frequenz und gegebenenfallsauch nach Intensitiit angleichen.
Es wird angestrebt, die Eingabe der gemessenen Spektren
fur das Iterationsprogramm direkt mit der durch NMRAN
ausgewerteten Aufnahme zu koppeh.
Ein typisches Beispiel fiir eine qualitative (strukturauktarende)Auswertung dwch den Computer ist in Abbildung 6
dargestellt. Es handelt sich um die Entscheidung uber die
Lage der Doppelbindung im achtgliedrigen Ring eines
Bicyclo[6.3.0]undes. Von der Synthese her standen die
eingezeichnetenAlternativen mit drei oder vier allylstiindigen Protonen zur Entscheidung. Mit plausiblen Kopplungskonstanten und chemischen Verschiebungen wwde
das Spektrum des Olefinteilsder Verbindung simuliert.(Aus
dem ubrigen Spektrum lassen sich keine Informationen
gewinnen, da die Signale der allylischen Protonen mit denen der ubrigen Ringprotonen uberlappen.) Der links im
Bild dargestellte Teil (drei Nachbarn zur Doppelbindung)
trifft zu, wie der Vergleich des vom Computer ausgezeichneten simulierten Spektrums mit dem gemessenen Spektrum (in der Mitte grot3 abgebildet) augenlllig zeigt.
p] NMREN, NMRIT (t6.171; FREQUINT (183 und seine Weiterentwicklungen LAOCOON I, 11, 111, LAME [19] (beriicksichtigt
mgnerisch iiquivalente Kerne), LACX [I91 (beriicksichtigt chemisch
Xquivalente Kerne); neuere Programme wie LAOCOONOR (203 und
LEQUOR [21] erlauben auch die Ermittlung von direkien Spin/SpinKopplungen in nematischen Phasen. Weiten Informationen iiber
ASTM, Task Group on Computer Applications. Subcommitee E- 13.7.
Angew. Chm. 184. Johrg. 1972 1 Nr. 9
Abb. 6. Spektren-Simulation mit VARIOS. Unten: gemessenes Spektrum (100 MHz) mit gedehntcm Ausschnitt (Mitte) des Olefinsignals.
Oben: Simulation, links mit drei, rechts mit uier Protonen in Allylstellung. Parameter (S =chemische Vemhiebung, J= Kopplungskonstanten) in H z
Ein weiteres Beispiel, in dem eine Modellrechnung iiber
eine Konfiguration entscheidet, ist in Abbildung 7 gezeigt.
Bekanntlich besitzen in dreigliedrigen Ringen cis-benachbarte Protonen Kopplungskonstanten zwischen 8 und
12 Hz,warend eine vicinale trans-Kopplung unter 6 Hz
i
1
I
n
. .. ..... . .. ..... . .. ..... . .. ..... . . . .
..
lmol
Abb. 7. Strukturcntscheidung durch ModeUrechnung (LAME) am
Beispiel von cis- und irons-l,l-Dibrom-2,3-dimethylcyclopropan.
Unten: gewssenes Spektrum (100 MHz) [Signalgruppen: 1,2=Ringprotonen, 3,4= Methylgruppen]. O h : Simulation mit cis- (links) und
irons-Kopplungen (rachts). Besonders auffallende Unterschiede sind
(nachtriiglich) durch Pleile markiert.
liegt. Zu entscheiden war uber ein l,l-Dibrom-2,3-dimethylcyclopropan'221,dessen Linienbild durch die Spin/SpinWechselwirkung der im Spektrum dicht benachbarten
sechs Methylprotonen so kompliziert wird, daD man die das
Problem losende Kopplungskonstante direkt nicht entnehmen kann. Die Modellrechnung mit LAME scheidet
die trans-Konfiguration mit der kleineren Kopplung J (1,2)
von 5 Hz aus. Eine Rechnung mit J(1,2)=11 Hz (im Bild
links oben) liefert eine uberzeugende Ubereinstimmung
405
1
lam
Abb. 8. Modellrechnung am 100-MHz-Spektrum von 4-Phenyl-l.3-dioxan. Unten: gemessenes Spektrum, obeo: Simulation.
mit dem experimentellen Spektrum. Der etwas uberhohte
Wert von 11 Hz laDt sich durch die Nachbarschaft der
Halogenatome erklaren, die erfahrungsgemaD eine cisKopplung betrachtlich vergrokrn konnen.
Nur der Anschaulichkeit wegen sei noch eine recht gut
gelungene Modellrechnung an einem 1,3-Dioxan in Abbildung 8 dargestellt. Hier ist auch die im experimentellen
Spektrum erkennbare ,,W"-Kopplung uber vier Bindungen
4J(1,4) durch Linienverbreiterung der Gruppe 1 und 4 im
Modellspektrum verifiziert. (Die Spektrometerauflosung
war hier ubrigens besser als die fur die Simulation angesetzte Linienbreite von 0.5 Hz.)
A9*
1
1
In Abbildung 9 sol1 nun ein durch ein Iterationsprogramm
(LAOCOON[*])nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate approximiertes Spektrum demonstriert werden.
Die Anwendung eines Iterationsprogrammes setzt eine
gelungene Modellrechnung voraus mit Werten, die der
Wirklichkeit schon recht nahe kommen, sol1 die Liisung
in ertraglichen Rechenzeiten konvergieren. Dies war ein
Anla0 mehr, in die Simulationsprogramme eine selbsttatige
Variation fur kritische Parameter einzubauen (VARIOS).
Die Iteration liefert dann die Werte fur Spin-Kopplungen
und chemische Verschiebungen mit einer Zuverlassigkeit,
die sie zur Aufnahme in Tabellenwerke fur Strukturparameter geeignet macht. Als Grundlage mussen naturlich gut
gemessene Spektren dienen.
Bei diesen Anwendungen ist normalerweise die Dateneingabe ein gewisser EngpaD, und es konnen Fehler vorkommen. Wir haben daher unsere Programme so umgestaltet,
daD sie die erforderlichen Daten in Dialogform (iiber TTY)
vom Benutzer erfragen. Das erhoht die Sicherheit bedeutend, gewahrt mehr Flexibilitat und ermoglicht die Benutzung auch durch weniger Geubte.
2.3. Computer ak SpektrometerbestPmlteil
2.3.1. Fourier-Transform-Spektroskopie
rn
Abb. 9. Iteration mit LAOCOON: 100-MHz-Spektrum von
Ag2(CH,CHCH,CHCH,),. Unten: gemessenes Spektrum, oben:
beste Naherung nach zwei Iterationen (mittlerer Fehler 0.103 Hz).
406
Man kann die Information einer magnetischen Kernresonanz auf zwei komplementar verschiedenen Wegen gewinnen : Die konventionelle Art, ein Spektrum zu erhalten, ist
die langsame Abtastung der Resonanzstellen durch zeitlineare Veranderungen des polarisierenden Magnetfeldes
H, oder der scharfen Hochfrequenz-MeDfrequenzen.Man
Angew. Chem. 184. Jahrg. I972 I Nr. 9
kann aber auch, wie dies zuerst Ernst und Anderson'"'
experimentell verwirklichten, bei festgehaltener Magnetfeldstarke H, ein breites Hochfrequenzband einstrahlen,
das alle Resonanzstellen im Spektrum gleichzeitig anregt.
Man tut dies in Form sehr kurzer (Mikrosekundenbereich)
Rechteckimpulse hoher Leistung, die rnit einer Frequenzverteilung nach (sino t/o t) einige hundert bis einige tausend
Hertz Bandbreite bei konstanter Amplitude liefert. Das
,,freie Induktion" genannte Signal eines solchen Experimentes zeigt Abbildung 12 (ahnlich auch das in Abbildung
15 links oben gezeigte Interferogramm). Es erscheinen alle
Resonanzfrequenzen iiberlagert ; sie klingen gleichzeitig
rnit ihren charakteristischen Relaxationszeiten (in der
Groknordnung von einigen Sekunden)ab (,,time domain").
0
Wir verwenden fur die Fourier-Transform-Spektroskopie
ein Vielzweckspektrometer eigener Konstruktion, das drei
Frequenzen gleichzeitig verarbeiten kann : Die eine Frequenz (v,) dient der Stabilisierung des Magnetfeldes auf
einen externen "F-Standard. Die beiden anderen Frequenzen (vI, v2) werden uber Frequenzweichenpaare eingestrahlt und empfangen. Damit konnen die Resonanzen
zweier Kernarten simultan beobachtet werden (vgl. 'Hund 3'P-FID der Abb. 12), oder aber man beobachtet nur
einen Kern, wshrend v2 fur schmal- oder breitbandige
Doppelresonanzexperimentezur VerEgung steht (Beispiele
fur 'H-f3'P}-Aufnahmen sind in den Abbildungen 13 und
14 gezeigt). Das Gerat enthllt aukrdem notwendigerweise
einen Impulsprogrammgeber - wichtig vor allem fur Spin-
5
10 1
Abb. 10. Fourier-Transform-Spktrum(60MHz) eines Testgemisches nach Phasenkorrektur mit dem Programm PHASE. Signale von links
nach rechts: Ameisensiiuremethylester (H), o-Dichlorbenzol, Methylenchlorid, Ameisensiiuremethyleter (CH,), Essigsiiuremethylester
(Ester-CH,), Methanol (CH,), Essigsiiuremethylester (Saure-CH,), 3.3-Diathylpentan. TMS. - FID: 5.7 s; Aunosung: 4080 Punkte/711 Hz.
Eine rechnerische Frequenzanalyse (Fourier-Transformation) reproduziert das Spektrum in der gewohnten Form
(,,frequency domain"). Abbildung 10 zeigt das Ergebnis
einer Fourier-Transformation durch den Computer.
Der Kurvenzug - das 500 Hz lange Spektrum eines
Acht-Komponenten-Gemisches(davon 30 Vo1.-% CCI,) wurde mit dem unten beschriebenen TTY-Plotter (siehe
dazu aber die ,,Anmerkung bei der Korrektur" auf S.408)
ausgeschrieben. Das Spektrum stammt von einem einzigen
Hochfrequenz-hls, dessen FID (,,free induction decay",
Abfall der freien Induktion) 5.7 s lang registriert wurde. Im
Auswerteprogramm ist die notige Phasenkorrektur automatisch durchgefuhrt. Trotz guter Spektrometerautlosung
sieht man im Spektrum keine ,,Wiggles", so daD bei geeigneter Schranke f~ den Rauschpegel fir ein Liniensuchprogramm keine grunddtdichen Schwierigkeiten bestehen
sollten. (Man vergleiche dazu die Anmerkungen zu Abb. 5
in Abschnitt 2.1.)
Es seien zunachst die Apparatur (Abb. 1I)
und die Rechnerprogramme beschrieben.
Angew. Chem. 184. Jahrg. 1972 I Nr. 9
Echo-Aufnahmen- und eine automatische Steuerschaltung
f i den Computer.
Da, wieenvahnt,die Messung von Heterokernen rnit grokn
chemischen Verschiebungen erforderlich sein kann, mu0
das Interface in der Lage sein, auch hohe Frequenzen zu
verarbeiten. Mit diesen Messungen sind w u aufdas ,,schnelle" Interface des Computers rnit einer maximalen Datenrate
von 20 kHz angewiesen,das zur &it rnit der Datenproduktion eines Schnellscan-Massenspektrometersim Wechsel
benutzt werden muB.
Dem oben erwahnten langsamen Erfassungsprogramm
(SELDAT) entspricht hier das Datenerfassungsprogramm
TRADAT. Ebenso wie SELDAT und TRADAT ist das sehr
haufig benutzte Datenakkumulationsprogramm HSCAT
in der Assembler-Sprache der PDP-10 (MACRO) abgefaDt.
Die Fourier-Transformation ist in FORTRAN wahlweise
in der schnellenVersion nach Cooley und 7b~key[*~~(FORT)
oder in einem eigenen konventionellen Transformationsp r o g r a m W N S ) programmiert. Eine digitale Glattung
(GLAETT) kann angeschlossen werden. Die MeDmethode
407
sowie Eigenschaften der Verstarker bewirken eine uber das
Spektrum sich andernde Phasendrehung der Signale. Die
Phasenanderung wird mit AUTFA ermittelt und d a m die
Phase mit einem Hilfsprogramm (PHASE) korrigiert.
----- --
r---
(pull
Steuergwal
ler Anregung arbeiten. Eine Signal-AkkumulationlaBt sich
besonders wirkungsvoll einsetzen, da wegen der kurzen
MeBdauer in einer gegebenen Zeit sich unvergleichlich vie1
mehr Aufnahmen addieren lassen. Ein Gewinn an Empfindlichkeit (Signal/Rauschverhaltnis)um mehr als zwei Groknordnungen ist so durchaus erreichbar. Da die Aufnahme
eines Spektrums nur Sekunden dauert, lassen sich kinetische Vorgange im Geschwindigkeitsbereich von 1-60 Minuten sowie auch sehr kurzlebige Produkte unter Urnsttinden noch spektral erfassen. Voraussetzung fur die Verarbeitung des Datenmaterials ist dabei, dab die Rechenzeit nicht
zu groD wird, jedoch beschranken maximal 20 Sekunden
fur die Durchfuhrungeiner Transformation dieAnwendung,
etwa durch Uberlauf des Speichers,nach unseren Erfahrungen keineswegs.
Abb. 11. Blockschaltbild unseres 14.1-kG-Multikern-Fourier-Transform-Spektrometer-Systems.ZusHtzlich zur Beschriftung : 1 D/AWandler fur die Ordinate (Signalamplitude); 2 D/A-Wandler fir die
Abszisse (Frequenz oder chemische Verschiebung); 3 Auf/Ab-Kontrolle
der Schreiberfeder ;4 Kontrollgerat f l die Start/StopBefehle.
Ein Zeichenprogramm PLOTTC dient der graphischen
Analogausgabe auf einem CalcompPlotter. Dieses Gerat
vermag Jmtliche errechneten Punkte als gut aufgelosten
Kurvenzug rasch wiederzugeben, ist aber im Rechnerraum
Abb. 12. Simultan aufgenommenes Fourier-Transform-Spktrumvon
(CH,O),P. Oben: lnterferogramm (FID) der 'H-Resonant, untcn:
Interferogramm (FID) der 31P-Resonanz. Bild am Zweistrahl-Oszillographen, Abszisse 2 s. Daraus resultierende Kopplung 3JH-p= 10.7 Hz.
Einstrahlung 20.7 ppm von den Resonanzschwerpunkten entfernt.
aufgestellt, das heiBt weit entfernt, und muD uberdies allen
Benutzern zur Verfiigung stehen. Fur die Oberwachung im
Laboratorium benutzen wir deshalb mi1 der Routine
PLOTTC und der Unterroutine TPLOT ein uber einen
'MY-AnschluO gesteuertes DAC-Interface mi1 angeschlossenem DIN-A3-XY-Schreiber, dessen Geschwindigkeit
durch den parallel betriebenen Fernschreiber begrenzt ist,
und dessen Auflosung in beiden Achsen nur 512 Punkte
(9 Bit) betragt. Gngere DatenJtze mussen abschnittweise ausgezeichnet werden (siehe dam aber die ,,Anmerkung bei der Korrektur" [']).
Die Vorteile der Fourier-Transform-Spektroskopieliegen
auf der Hand. Durch entsprechende Einstellung der Pulsbreite kann man bei Einzelaufnahmen immer mit maxima-
408
rAbb. 13. Fourier-Translorm-Spktren des Umsctzungsproduktes eines
Alkylaluminiumamids mit Triisopropyl-methylen-phosphoran mit
(oben) und ohne (unten) 31P-Rauschentkopplung,20- b m . 3-ma1 akkumuliert, Frequenzbereich 500 Hz (Erlauterungen siehe Text). Die Pfeile
kennzeichnen das Verschwinden der Phosphorkopplung.
Das Auwhreiben eines Transformationsspektrums uber
den genannten TTY-Schreiber kann allerdings mehr als 20
Minuten dauern1'! so zB. das in Abbildung 13 gezeigte.
Es stammt von dem Umsetzung~produkt~~~~
eines Alkylaluminiumamids mit Triisopropyl-methylen-phosphoran.
Fur die Auklarung der Verbindung war es wichtig zu wissen,ob das Dublett (mit einem durchstrichenen Pfeil mar[*] Anmerkung bei der Korrektur: lnzwischen ist es uns gelungen,
durch Ausnutzung einer grokren Anzahl von alphanumerischen
Zeichen, Erweiterung der Interface-Register und Wandler bei automatisch umgeschalteter Obertragungsgeochwindigkeit mit einem 60cmFlachbettschreiber in 12 Minuten cine Auflosung von 213 (8K) Punkten
zu erreichen.
Angew. Chem. / 84. Johrg. 1972 I Nr. 9
kiert) von einer 'P-Kopplung herriihrt. Die angewendete
Methodik war k u n folgende: Der Bereich fir Phosphorsignale wurde bei gleichzeitigerRauschentkopplung1261
von
Protonen mit Pulsen unter Zuhilfenahme einer SignalAkkumulation nach Resonanzen abgesucht. Die fragliche
Substanz zeigte nur eine Phosphorresonam, die nun umgekehrt rauschmoduliert eingestrahlt wurde. Unter diesen
Bedingungen wurde das Protonenspektrum gepulst und
transformiert. In der Abbildung sieht man unten das nicht
entkoppelte und oben das 3'P-entkoppelte Spektrum. Das
fragliche Signal bleibt unverandert, hatte also nichts rnit
einer 'fP-Kopplung zu tun. Dagegen erkennt man im
Bereich der Isopropylsignale und am P-Methylensignal das
Verschwinden der Phosphorkopplung.
diese Art der NMR-Spektroskopie zur Methode der Wahl
fir Heterokerne. So hat die '3C-Spektroskopie an Proben
mit dem natiirlichen Isotopengehalt von 1% trotz der gegeniiber Protonen 6000-fach geringeren Nachweisempfindlichkeit in kurzer Zeit einen ungewohnlichen Aufschwung
genommed2'! Es sei lediglich darauf hingewiesen, daD der
Kern-Overhauser-Effekt durch Verfalschung der relativen
Signalintensitaten Schwierigkeiten verursachen kann.
Abbildung 12 zeigt eine Aufnahme der freien Induktion von
Trimethylphosphit, die das simultan ausgeschriebene 'Hund das 3'P-Signal enthalt. Ober eine Korrelationt21der
beiden Signale konnte man leicht die Kopplungskonstante
3J,H erhalten. Eine Anwendung auf dieses Beispiel mag
trivial sein, aber es lassen sich kompliziertere Falle denken,
fir deren Liisung dieses Verfahren interessant sein kann.
Weiterhin nutzen wir die hohe Empfindlichkeit der FourierTransform-Spektroskopie f i den Nachweis und die Messung der chemischen Verschiebung von 31P an empfindlichen Ubergangsmetall-Komplexen, die haufig schon wegen ihrer geringen Liislichkeit bei tiefer Temperatur nur in
kleiner Konzentration vorliegen.
2.3.2. Behandlung zeitabhangiger Phanomene
Bekanntlich ist ein Kernresonanzspektrum empfindlich
auf schneUe Reaktionen wie Ligandenaustausch, Isomerisierungen und Topomerisierungen12")1(Zeitskala 102-105
ps). Veranderungen der Linienanzahl und Einfliisse auf die
Linienbreite sind die moglichen Auswirkungen im Spektrum. Die transversale Relaxationszeit T,, deren Kehrwert
ein MaD fur die Breite einer Spektrallinie ist, enthalt bei
schnellen chemischen Veranderungen einen Anteil, der fur
die Lebensdauer T des veranderlichen Molekiilzustandes
maBgebend ist. Man kann iiber die genaue Messung von T,
Geschwindigkeitskonstanten uad iiber deren Temperaturabhangigkeit Aktivierungsenergie, Enthalpie und Entropie
der Reaktion erfahren.
t-
Abb. 14. Fourier-Transform-Spektrum eincs n-Pentenylnickel-Kom-
plexes mir (unten) und ohne (oben) "P-Rauschentkopplung, 30bzw. 10-ma1 akkumuliert, Aufnahmezeit: je 2.4 s f i r einen FID,
Temperatur: -2O'C.
Ein gut gelungenes weiteres Beispiel dieser Art zeigt Abbildung 14. Eine eindeutige Zuordnung ist hier aufgrund der
Entkopplung sofort zu treffen. Die empfindliche Substanztr5', ein Ir-Pentenyl-nickel-Komplex, wurde bei tiefer
Temperatur gemessen und diente als Modellfall fir die
Zuordnung in einem ahnlichen Komplex, bei dem durch
induzierte Chiralitat eine zusiitzliche Mehrfachaufspaltung
auftrat, wodurch das Linienbild vollig uniibersichtlich
wurde.
Die gezeigten Beispiele betreffen spezielle Anwendungen
der Fourier-Transform-Spektroskopieauf Protonenresonanzen bei hoher Auflosung. Der enorme Empfindlichkeitszuwachs, der rnit dieser Methode zu erzielen ist, insbesondere, wenn man zustitzlich durch Rauschentkopplung1261eine Signalkonzentration und iiber den KernOverhauser-Effekt eine Signalverstiirkung erhalt, macht
Angew. Chem. / 84. Jahrg. 1972 / Nr. 9
Fiir die Ermittlung der Kinetik von Reaktionen, die im
NMR-ZeitmaD ablaufen, stehen im wesentlichen twei Verfahren zur Verfigungt6*28*291: die Linienform-(line shape)Methode und das Spin-Echo-Verfahren.
Bei der erstgenannten Methode kann man fur verschiedene
Geschwindigkeitskonstanten analytische Ausdriicke ableiten, die bei Berucksichtigung von Spin-Kopplungen
recht umfangreich sein konnen und in der Regel nur per
Computert6- zu losen sind. Die gemessenen Spektren
werden durch visuellen Vergleich oder ein Iterationsverfahren auf die zutrefiendste Simulation eingegabelt. Seitdem aber in letzter Zeit von Binsch et aI.'301 ein ,,direktes"
Verfahre~~*~')
(Programm DNMR 3)l3,] entwickelt wurde,
hat die Methode sehr an Gewicht gewonnen. Dieses Verfahren simuliert fur die Auswertung das Gesamtspektrum
und ergibt neben den Vorteilen der Zuordnung durch
Modellrechnung bei fhereinstimmung mit den experimentellen Spektren auch deren ,,line-shape"-Parameter und
damit die kinetischen Daten. Durch Einbeziehung alter auch der durch Reaktionen ungestorten - Linien liefert die
Methode eine hohere Sicherheit vor systematischen Fehlern und ist allgemein anwendbar auf die Berechnung von
NMR-Spektren. b i d e r ist der Kernspeicherbedarf rnit
mehr als 30 K so groB, daB eine Anwendung fur uns nur
409
gelegentlich in Frage kommt. Es gibt allerdings Ansatze,
passen, insbesondere aber die Dateneingabe und die Konden Programmumfang urn mehr als 9 K zu r e d ~ z i e r e n ~ ~ ~ l .trolle uber den Ablauf unserer Programme vereinfachen
sowie Start- und Kontrollroutinen der on-line laufenden
Auch eine Iterationsmethode wurde mit dem Programm
schon verbunden("! (Die line-shape-Methode gehort dem
Gerate bedienen.
Wesen nach zum Abschnitt 2.2.)
Am wenigsten problematisch lauft der Betrieb rnit dem
Wir haben versucht, die uber NMR erreichbare Kinetik
mit der Spin-Echo-Methode nach Hahn[351,Carr und
P ~ r c e l l (sowie
~ ~ 1 Meiboom und
in den Griff zu be-
,,langsamen" Interface und den nachgeschaltetenAuswerteprogrammen. Es gibt einige prinzipielle Schwierigkeiten
vom Programm her, die ein routinema0iges Arbeiten der
, !'.B
Abb. 15. S1.9-proz. Losung von [AI(CH,),], in Cyclopentan als Beispiel der gleichzeitigen Ermittlung nveier durch Methylgruppenaustaush im
[AI(CH,),], sehr unterschiedlicher T,-Werte. Aufgenommen bei lSO"-Pulsabstanden von 2 ~ = 0 . 3 4 8s. In unserer Probe ergibt sich Tz= 10.6s f i r
Cyclopentan und 0.56 s fur Trimethylaluminium (aus [38]). a) Spin-Echo-lnterferenzen von Cyclopentan und [AI(CH,),12. b) Transformiertes SpinEcho-Spektrum.c) Riicktransformation des I.Signals (Trimethylaluminium)aus b. d) Riicktransformation des 2. Signals (Cyclopentan) aus b.
kommen. Zunachst ist die Spin-Echo-Methode nur auf
Einxlsignale anwendbar. Eine durch chemische Verschiebung undloder Spinkopplung komplizierte Spin-EchoAufnahme liefert von vornherein nicht ausdeutbare Interferogramme. Indes ist es uns gel~ngen'~*~,
durch FourierTransformation die Signale zu separieren und durch Riicktransformation der Frequenzausschnitte der Signalgruppen
fur jede Linie einen Spin-Echo-Zug zu reproduzieren, aus
dem schlie0lich die transversale Relaxationszeit T, zu entnehmen ist (Abb. 15). Wir hoffen so, die Spin-Echo-Methode auch auf kompliziertere Spinsysteme anwenden zu
konnen.
3. SchluDfolgerung
Das dem Institut zur Verfigung stehende Rechnersystem
ist in der Lage, dern NMR-Spektroskopiker nahezu alle
qualitativen Wunsche zu erfullen. In der taglichen Praxis
erweist sich die durch den Time-Sharing-Betrieb ermoglichte Dialogform der Rechnerbenutzung als wesentlicher
Vorteil. Wir konnen so leicht vom Labor aus eigene Programme aufstellen und abandern, fremde Programme an410
Spektrenerfassungmit langsamer Abtastung einschranken.
Eine generelle Anwendung der Fourier-Transform-Spektroskopie,stellt(nach Uberwindung einiger Schwierigkeiten
bei der automatischen Phasendrehung und der dadurch
verursachten Ungenauigkeitbei der 1ntegration)einedurchgehende maschinelle Aulbereitung der Spektren unserer
Ansicht nach noch am besten sicher.
Die kombinierte Time-sharing- und Echtzeitverarbeitung
unserer Rechenanlage gestattet aber fur bestimmte Aufgaben kein kontinuierliches Arbeiten. Zwar lassen sich aufwendigere Rechnungen, wie z. B. groRere Simulations- und
Iterationsprogramme oder Programme der ,,dynamischen
Kernresonanzspektroskopie" (DNMR), soweit sie nicht
mehr als 28 K Kernspeicher benotigen, zu bestimmten Zeiten zwischen 8 und 17 Uhr abwickeln. G r o k r e Aufgaben
mussen aber aukrhalb dieser Zeiten untergebracht werden.
Kritischer dagegen ist der Einsatz des Computers fur Aufgaben, die eine langere kontinuierliche Bereitschaft errordern, wie z. B. sehr lange Spektren-Akkumulationen,da
jede Unterbrechung des normalen Time-Sharing-Betriebs
(z. B. Routineiiberwachungen) oder eine Storung der Maschine die schon gespeicherten Daten zerstoren kann. Auch
automatische uberwachungen iiber kurzere Zeitraume soAngew. Chem. / 84. Jahrg. 1972 1 Nr. 9
wie Proportionalsteuerungen,wie sie T i die Spektrometeroptimierung wunschenswert sind, lassen sich nur schwer
einplanen.
Die groBten Schwierigkeiten bereitet die Organisation der
Benutzung des ,,schnellen" Interfaces, das immer fur die
impulsweise betriebene Spektroskopie gebraucht wird.
Dieses steht im Wechsel mit der ,,schnellen" Massenspekt r o s k ~ p i e ' ~wie
~ ] , sie z. B. bei der Kombination von Gaschromatographie und Massenspektrometrie betrieben wird,
fur 2.5 bis 3 s zwischen zwei aufeinanderfolgendenMassenspektrometeraufnahmen zur Verfugung, da der Ablauf
einer kombinierten GC/MS-Analyse einen festen Zeitplan
voraussetzt und damit hinsichtlich des Zugangs zum schnellen A/D-Wandler eine hohere Prioritat besitzt. Dieserstarre
Zeitplan ist aber fur die pulsweise betriebene Spektroskopie
unzulanglich und schrankt ihre Leistungsfahigkeit erheblich ein.
Auf die Dauer wird es daher zweckmaDig sein, die Anlage
durch Kleincomputer zu erganzen, die dem Zentralrechner
begrenzte Aufgaben bei der ProzeDsteuerung, der Datenubermittlung und der Datenaufnahme sowie -wiedergabe
abnehmen und die uneingeschrankte Kontinuitiit des Arbeitens ermoglichen. Letzteres ist besonders wichtig, da
eine im regelmaoigen, frei wahlbaren Takt betriebene
Fourier-Transform-Spk troskopie neben dem Vorteil einer
jederzeit ungestort moglichen Anwendung auch qualitative
Vorziigemit sich bringt, wie weiteresteigerungder Empfindlichkeit und Selektivitat durch Anwendung der ,,Driven
Equilibrium Fourier Transform"-Methode (DEFT)1401
oder anderer Mehrfachimpuls-Techniken"'. Wir erstreben deshalb den AnschluD eines Kleincomputers
uber einen schnellen TTY-Eingang mit 'Hilfe eines Datenkopplers oder direkt an die Ein/Ausgabeschiene der g r o k n
Maschine. Fur drei g r o k Analysengedte, die alle fur einen
ComputeranschluD und zwei davon fur die Fourier-TransformSpektroskopie vorbereitet sind, scheint eine solche
Investition durchaus gerechtfertigt.
Wir danken den Herren llander, Bischoj und Brenneke fur
ihre Mitarbeit an elektronischen Entwicklungenjiir die Vorbereitung der Gerate zum AnschluJ an den Computer.
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411
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