Abstract:
Seit der Entdeckung der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR Spektroskopie) in der Mitte des letzten Jahrhundert hat sich die Methode als wichtiges Werkzeug in der Analytik etabliert und ein breites Feld an Anwendungen gefunden. Aufgrund der nicht invasiven Eigenschaft spielt NMR eine wichtige Rolle in Biologie, Chemie und Materialwissenschaften bis hin zu pharmakologischen Untersuchungen. Zudem ergänzt die NMR Spektroskopie weitere Methoden der Strukturaufklärung. Die Vielseitigkeit der NMR ermöglicht es Wissenschaftlern weltweit unter anderem den molekularen Aufbau und die dynamischen Prozesse aufzuklären. ... mehrMultidimensional Experimente wie COSY, TOCSY, NOESY, HMBC, oder HSQC sind ein fundamentaler Bestandteil in der analytischen Chemie geworden. Folglich haben sich viele Wissenschaftler zum Ziel gesetzt neue Pulssequenzen zu entwickeln und diese zu verbessern.
Durch das Aufkommen der Diffusion NMR Spektroskopie (DOSY) hat sich diese als beliebte Methode in der Polymerwissenschaft durchgesetzt. Die Diffusion von makromolaren Systemen gibt Aufschluss über deren Mobilität und Aufbau. Neue Polymersysteme werden entwickelt, um den molekularen Aufbau gezielt zu steuern und verändern. Von besonderem Interesse sind die Einzelkettenfaltungspolymere. Durch das präzise Einfügen von Faltungspunkten, bzw. Konformationstriggern kann das Polymer gezielt modifiziert werden, wodurch bestimmte Eigenschaften hervorgerufen werden. Dabei dient die Natur als Vorbild für Faltungstrukturen, wodurch Wissenschaftler die Eigenschaften von Peptiden, Proteinen und Nukleinsäuren nachzuahmen versuchen. DOSY hat sich als hilfsreiches Werkzeug bewiesen, um die verschiedenen Faltungsmotive zu untersuchen. Diese Arbeit zeigt, wie die Diffusions NMR Spektroskopie auf verschieden Einzelketten mit Faltungspunkten angewendet wurde. Das Schlüssel-Schloss System der sogenannten Hamilton wedge/ cyanuric acid bildet ein Wasserstoffbrückennetzwerk aus, welches die Polymerkette zur Faltung bringt. Dennoch können durch die Zugabe eines protischen Lösungsmittel diese Wasserstoffbrücken unterbrochen werden. Folglich ist es möglich mittels DOSY dieses Faltungsverhalten zu beobachten. Desweiteren wurden auch zwei lichtinduzierte Polymerfaltungssysteme mittels DOSY untersucht. Als erstes wurde ein Polystyrolsystem untersucht, welches mit 4-carboxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (4-
carboxy-TEMPO) Gruppen funktionalisiert wurde, was unter UV Einstrahlung durch (2-hydroxy-40-
(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone verbunden wird. Die DOSY Analyse konnte den Faltungs-, bzw. Entfaltungsprozess bestätigen. Das zweite lichtinduzierte Faltungsmolekül ist ein Block Copolymer mit einem $\alpha$-bisimine Lichtschalter. Die Formation des Blockpolymeres konnte mittels DOSY beobachtet werden.
Die Einzelkettenfaltung wurde erweitert durch den Einbau eines zweiten Faltungspunktes. Neben der oben aufgeführten Hamilton wedge/ cyanuric acid wurde ein Metallkomplexierungspunkt eingebaut. Trotz der Erhöhung von Faltungszuständen konnte die Diffusionsmessung die Faltungsänderungen erfolgreich bestimmen. Allerdings konnten weitere intensive Untersuchungen die Komplexität der Faltung beschreiben. Durch Strukturaufklärungsuntersuchungen konnte der Effekt des palladiuminduzierten Faltungsmotivs aufgeklärt werden.
Die Zahl der DOSY Anwendungen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. In Folge dessen wurden Diffusion NMR Experimente stets verbessert und neue Pulssequenzen entwickelt, welche die vielseitigen Aspekte der modernen Forschung dienlich sind. In dieser Arbeit wird eine neue DOSY Sequenz vorgestellt, welche die Experimentdauer drastisch verkürzt durch die Anwendung des etablierten Prinzip der Ernst Winkel Anregung. Dieses Prinzip wird in vielen NMR Experimenten verwendet und findet auch Anwendung in der Kernspintomographie. Jedoch verursacht der Prozess mit kleinen Anregungswinkel Phasenverzerrung im DOSY Spektrum durch Kopplungsentwicklung. Anbei wird der Einsatz der isotropen Mischsequenz DIPSI-2 vorgestellt, welche den Effekt der Kopplungsevolution verhindert. Folglich wird die Diffusionsanalyse beschleunigt, ohne Phasenverzerrung in Kauf nehmen zu müssen. Die neu entwickelte Pulssequenz heißt $\beta$ Excited Time Accelerated DOSY, mit BETA DOSY abgekürzt. Darüber hinaus konnte das Konzept der Konvektionskompensation mit der neuen Sequenz verbunden werden, um thermische Flusseffekte zu unterdrücken. Das konvektionskompensierte BETA DOSY ermöglicht es die Diffusion von kleinen Molekülgemischen bis hin zu makromolaren Systemen zu untersuchen. Diese Arbeit stellt eine zuverlässige und dennoch schnelle Pulssequenz vor, um die genaue Bestimmung der Kettenlängenverteilung von dispersiven Polymeren zu bestimmen.
Abstract (englisch):
Since the discovery of Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) in the middle of the last century the method has become an important tool in analytics and has a vast field of application. Due to its noninvasive nature, NMR plays an essential role in biology, chemistry, material science and pharmaceutical studies. NMR complements other methods in structural determination of molecules. The versatility of NMR helps scientist worldwide to study conformation and dynamics among other things. Multidimensional experiments such as COSY, TOCSY, NOESY, HMBC, or HSQC are fundamental in analytical chemistry. ... mehrConsequently, the development and improvement of novel pulse sequences have been the target of many scientist. With the increasing complexity of scientific research, NMR spectroscopists have been able to adapt and develop new sequences.
With the advent of diffusion ordered NMR spectroscopy (DOSY), the method has developed into a preferential method in polymer science. The diffusion properties of macromolecular systems reveal information about the mobility and conformation. New polymer structures are developed in order to adjust the conformation. Of particular interest is the realm single chain folding. With the precise installation of folding points or conformational triggers the chains are modified to perform specific tasks. As nature is the paragon of folded polymers, scientists aim to mimic peptides, proteins and nucleic acid. DOSY has proven to be a adquate tool to investigate various folding motifs. In this work diffusion measurements were applied to single chain polymers with functionalised folding points. The host-guest system of the so called Hamilton wedge with the cyanuric acid terminus forms a hydrogen bond network that forces the single chain nanoparticle to collapse. Adding a protic solvent disrupts the hydrogen bonds and the polymer chain is unfolded. Consequently the DOSY analysis was able to determine the conformational change. Furthermore, two light induced polymer foldings were monitored with DOSY. The first system is polystyrene with 4-carboxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (4-carboxy-TEMPO) groups, which are intramolecularly crosslinked with (2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone under UV irradiation. The diffusion analysis proves the reversible folding/ unfolding behavior of the single chain polymer. Secondly, a block copolymer is introduced with photoswitchable $\alpha$-bisimine units. Diffusion ordered NMR spectroscopy is able to determine the formation of block polymers.
The method of single chain folding is expanded to the incorporation of a second folding point adding metal complexation to the aforementioned Hamilton wedge/ cyanuric acid system. Even with a more variety of changes in conformation, DOSY measurements provide sufficient information about the folding behaviour. However, further investigation has revealed the complexity of the folding. Structural elucidation of the Hamilton wedge/ cyanuric acid moiety identified the effect of the added palladium induces folding group.
As DOSY measurements have gained more application over the last years, a number of new improved diffusion experiments were fabricated. The new sequences enhance many aspects and enable novel experiments. This work introduces a new DOSY pulse sequence, that reduces the experiment time drastically. The accelareted experiments utilise the Ernst angle excitation scheme, which is a sophisticated method used in NMR and magnetic resonance imaging (MRI). However, the implementation of the low flip angle procedure creates phase distortion in the DOSY experiment caused by J modulation. Here, we introduce the isotropic mixing sequence DIPSI-2 to recover the effect of coupling evolution. The newly derived pulse sequence accelarates the experiment immensely without suffering from phase distortion. The pulse sequence is called $\beta$ Excited Time Accelerated DOSY, or BETA DOSY. Moreover, the concept of convection compensation was inserted to supress the effect of thermal flow. The convection compensated BETA DOSY enables the spectroscopist to monitor the diffusion of macromolecular systems and small molecule mixtures alike. This work introduces a robust, yet fast way to determine diffusion and its applicability on dispers systems with the assignment of precise molecular weight distribution.
