Kernresonanzspektroskopie

Titelblatt


Anwendungsbeispiel
Kernresonanzspektroskopie
WiSe 2022/2023

Abgabedatum
09.01.2023

Expertengruppe 09
Dalal Karnoub
Zina Shukur
Florian Wanitschke
Hannah Klekacz




Anwendungsbeispiel der Kernresonanzspektroskopie aus dem Europäischen Arzneibuch. Monographiebeispiel: Lauromacrogol 400 (Ph. Eur. 10.0/2046)

Prüfung auf Reinheit von Lauromacrogol 400 mit der Kernresonanzspektroskopie

Inhaltsverzeichnis

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Stoffcharakterisierung

Lauromacrogol 400, früher unter dem Namen Polidocanol 600 bekannt, besteht aus einem Gemisch von verschiedenen Macrogolen, die mit Fettalkoholen verethert sind sowie freiem Laurylalkohol und freien Macrogolen. Die Substanz ist bei unter 24°C ein weißes bis fast weißes Pulver. Bei Überschreiten dieser Temperatur liegt es als farblose bis gelbliche, viskose Flüssigkeit vor. Durch den amphiphilen Charakter ist Lauromacrogol sowohl leicht löslich in den meisten polaren als auch in den meisten unpolaren Lösungsmitteln.1 2

Dieser Wirkstoff wird in Rezepturen oder Fertigarzneimitteln als Lokalanästhetikum eingesetzt. In der Medizin findet der Wirkstoff Anwendung als Injektionslösung zur Venenverödung.3 Beispielsweise werden so Hämorrhoiden und Krampfadern behandelt. Durch seinen amphiphilen Charakter wird Lauromacrogol ebenfalls als Emulgator in der Kosmetikbranche eingesetzt.4

Versuchsdurchführung

Die Kernresonanzspektroskopie, auch unter der Bezeichnung NMR-Spektroskopie bekannt (engl.: Nuclear Magnetic Resonance), findet inzwischen Anwendung in zahlreichen Gebieten. Dazu zählen Identifikation, Quantifizierung und Strukturaufklärung organischer Substanzen. In der Medizin dient es zur Darstellung komplexer Gewebe und Organe durch die Magnetresonanztomographie (MRT). Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Strahlungsbelastung. 5

Das Prinzip der NMR-Spektroskopie beruht auf Übergängen der Atomkerne verschiedener Energieniveaus, welche durch Radiofrequenz im Hochleistungsbereich induziert werden. Durch ein angelegtes homogenes Magnetfeld, das durch eine supraleitende Spule erzeugt wird, kommt es zur Umkehr der Orientierung des Kernspins der Atome. Hierbei ist es von Bedeutung, dass die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die des Atomkernes entspricht.6 Zu beachten ist, dass nicht jeder Atomkern einen messbaren Kernspin aufweist, daher werden häufig 1H, 2D und 13C verwendet.7 Eine detaillierte Erläuterung über Kernresonanzspektroskopie wird hier aufgeführt.

In der aufgeführten Monographie wird die 13C-NMR-Spektroskopie angewandt. Ziel ist es, bei dem enthaltenen Ethylenoxid, die mittlere Anzahl der Mole, sowie die mittlere Kettenlänge des Fettalkohols zu bestimmen.

Zur Auswertung eines untersuchten Stoffes liefert ein NMR-Spektrum zahlreiche relevante Informationen. Die Anzahl, die Lage und die Intensität der Signale sind ebenso wie die Spin-Spin-Kopplung, die Kopplungskonstante und die chemische Verschiebung zu betrachten und zu interpretieren.8

Die Herstellung der Untersuchungslösung erfordert, dass das zu untersuchende Lauromacrogol 400 vorsichtig erwärmt werden muss, wenn dieses in fester Form vorliegt. Danach werden 0,4 ml Substanz in 0,3 ml einer Mischung gelöst. Diese Mischung besteht aus einem Volumenteil (D4)Methanol R und aus zwei Volumenteilen (D)Chloroform R. Die zwei Volumenteile Chloroform R enthalten wiederum Chrom(III)acetylacetonat R (0,1 mol/l), welches als Relaxationsmittel dient.

Zur Messung der Untersuchungslösung wird ein hochauflösendes Fourier-Transform-Kernresonanzspektrometer (FT-NMR) eingesetzt, welches eine Mindestfrequenz von 300 MHz aufweisen muss.9

Auswertung/ Interpretation/ Bedeutung und Eignung

Die Monographie des Lauromacrogols erfordert bei der mittleren Kettenlänge des Fettalkohols einen ermittelten Wert, der zwischen 10,0 und 14,0 liegt. Bei der mittleren Anzahl an Molen des Ethylenoxides liegen die Grenzwerte bei 7,0 bis 11,0. Um diese zu ermitteln, wird das Signal (23,2 ppm) als 1,000 definiert. Die restlichen in der Tabelle aufgeführten Signale und deren Integrale werden dazu normalisiert.

Nachfolgender Formel wird die mittlere Kettenlänge des Fettalkohols berechnet: 

                                                              ∑ 14-33In,i + In,72,6

                                  ∑ 14-33In,i= Summe der normalisierten Integrale der Signale von 14 bis 33 ppm
                                  In,72,6    = normalisiertes Integral des Signals bei 72,6 ppm

Nachfolgender Formel wird die mittlere Anzahl an Molen Ethylenoxid berechnet: 

                                                           0,5 · (In,62 + In,71 + In,73)

                          In,62 , In,71 , In,73 = normalisierte Integrale der Signale bei 62, 71 beziehungsweise 73 ppm

Ob sich das ermittelte Spektrum eignet, wird anhand einer Eignungsprüfung ermittelt. Diese besagt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis, bezogen auf den kleinsten relevanten Peak (CH2 bei 73,1 ppm), bei mindestens 150 liegen soll. Die Peakbreite in halber Höhe darf maximal 0,05 ppm betragen. Betrachtet wird dabei der zentrale Peak des CDCl3-Signals, der bei δ 78,6 ppm liegen soll. 10

Da es bei der 13C-NMR-Spektroskopie Empfindlichkeitsstörungen kommen kann, werden längere Messzeiten oder größere Substanzkonzentrationen im Vergleich zur 1H-NMR-Spektroskopie benötigt.11

Durch die Verwendung der FT-NMR können aber auch unempfindlichere Kerne, wie zum Beispiel 13C gemessen werden. Hierdurch kann die Empfindlichkeit gesteigert werden, womit eine Anwendung dieses Verfahrens für Lauromacrogol 400 erst möglich ist.12

Übungsaufgaben

Multiple Choice (MC) Frage

Wann wird ein NMR-Signal erzeugt? Welche Aussage(n) treffen zu?

1.Wenn die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung gleich der Frequenz des Atomkerns ist

2.Wenn die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung entgegen der Frequenz des Atomkerns ist

3.Wenn die Resonanzbedingung nicht gegeben ist

4.Wenn die Einstrahlfrequenz in der Larmor-Gleichung der Frequenz der Atomkerne entspricht

5.Wenn die Einstrahlfrequenz in der Larmor-Gleichung der Frequenz der Atomkerne widerspricht

A: nur 1

B: nur 1 und 4

C: nur 2, 3 und 4

D: 4 und 5

E: 1 bis 5 (alle)

Antwort: B

Ein NMR-Signal wird erst dann erzeugt, wenn die Resonanzbedingung erfüllt wird. Diese ist dann erreicht, wenn die Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung (bezogen auf die Larmor-Gleichung) der Frequenz des Atomkernes entspricht.

Textaufgabe

  1. Verbinden Sie die Werte der chemischen Verschiebung und die dazugehörigen chemischen Bindungen. Die Werte beziehen sich auf die 1H-NMR-Spektroskopie.
1) R-COOHa) ca. 4ppm
2) R3CHb) 12ppm
3) HODc) 3,0ppm
4) CH3-Cld) 0-2ppm
5) H2Oe) ca. 5ppm

1) R-COOHb) 12ppm
2) R3CHd) 0-2ppm
3) HODa) ca.4 ppm
4) CH3-Clc) 3 ppm
5) H2Oe) ca. 5ppm

13

  1. Warum eignet sich das Isotop 12C nicht für die NMR-Spektroskopie?

12C besitzt eine gerade Ordnungszahl und Massenzahl und somit keine ungepaarten Neutronen oder Protonen, weshalb dieses Isotop kein magnetisches Moment aufweist.

  1. Welche Lösemittel werden für die NMR-Spektroskopie eingesetzt?

Es werden wasserstofffreie Lösemittel oder deuterierte Lösemittel verwendet, um Störsignale durch Restprotonen und Wasser zu minimieren.

  1. Warum kommt es bei der 13C-NMR-Spektroskopie zu Empfindlichkeitsstörungen?

Das natürliche Vorkommen ist mit ungefähr 1,10% sehr gering und das magnetische Moment ist deutlich kleiner. Es beträgt nur circa ¼ des magnetischen Moments von 1H.

Einzelnachweise

Welche Quellen wurden verwendet.

5 Skript zum Seminar von Dr. Oliver Orban: NMR Teil 1, Wintersemester 2022/23: Einführung: Kernmagnetische Resonanz, Seite 4 ⇑

7 Skript zum Seminar von Dr. Oliver Orban: NMR Teil 1, Wintersemester 2022/23: Einführung: Der Kernspin , Seite 7ff. ⇑

11 Skript zum Seminar von Dr. Oliver Orban: NMR Teil 2, Wintersemester 2022/23:13C-NMR-Spektrometrie, Seite 33 ⇑

12 Rücker, G., Neugebauer, M.& Willems, G. G. (2013): Instrumentelle Pharmazeutische Analytik. Stuttgart, Germany: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart. Seite 293 ⇑

13 Skript zum Seminar von Dr. Oliver Orban: NMR Teil 2, Wintersemester 2022/23: Chemische Verschiebung S.14 ⇑