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Daniel Canet hat aus Seminaren und Vorlesungen an der Universität Nancy I die wesentlichen Themen der Kernresonanzspektroskopie ausgewählt. Er stellt die physikalischen Zusammenhänge so dar, daß sich eine große Gruppe für das Buch interessiert: Chemiker, Biochemiker - und auch Mediziner, in deren Diagnostik auch die spektroskopischen Aspekte eine immer größere Rolle spielen.
Das Buch ist auf drei Ebenen geschrieben: als Einführung in das physikalische Phänomen, als Lehrbuch für Chemiker nach dem Vordiplom und als eine Darstellung der quantenchemischen Modelle, die zum Verständnis der Spindynamik, der Multipuls- und multidimensionalen Verfahren nötig sind. Hier unterscheidet sich Canets Buch von anderen Einführungen.
Die Kernresonanzspektroskopie ist das wohl wichtigste Strukturaufklärungswerkzeug in der organischen Chemie. Canets Buch bietet in verständlicher Darstellung den theoretischen Hintergrund für moderne Experimente und Datenauswertungen. Das aus dem Französischen übersetzte Buch wendet sich an Studenten der Chemie im zweiten Studienabschnitt, die bereits Kenntnisse in Theoretischer Chemie haben und die sich tiefer in die Kernresonanzspektroskopie einarbeiten wollen. Bei aller mathematischer Strenge vermittelt der Autor doch vorwiegend ein tieferes Verständnis der physikalischen Grundlagen. Die Mulitpuls- und multidimensionalen Verfahren sind ohne mathematische Modelle nicht mehr zu vermitteln. Gerade diese Meßverfahren haben aber die Kernresonanzspektroskopie wesentlich beflügelt. Und die Entwicklung der in der medizinischen Diagnostik wichtigen bildgebenden und spektroskopischen Verfahren ermöglicht.
Inhalt
Einführung.- 1 Kernresonanzspektren und Struktur.- 1.1 Der Kernspin und sein magnetisches Moment.- 1.2 Zeeman-Effekt als Resonanzphänomen.- 1.2.1 Intuitiver Ansatz.- 1.2.2 Quantenmechanischer Ansatz.- 1.3 Hochaufgelöste Spektren in der isotropen Phase.- 1.3.1 Resonanzfrequenz und das Prinzip der NMR-Bilderzeugung.- 1.3.2 Die chemische Verschiebung.- 1.3.3 Die indirekte Spin-Spin-Kopplung oder J-Kopplung. Qualitativer Ansatz.- 1.3.4 Homonukleare J-Kopplungen.- 1.3.5 Heteronukleare J-Kopplungen. Spektroskopie von Kernen mit geringer natürlicher Häufigkeit.- 1.3.6 Berechnung von Spektren (Quantenmechanischer Ansatz).- Systeme von 1/2-Spins ohne Kopplung.- Schwach gekoppelte Spinsysteme.- Stark gekoppelte Spinsysteme.- Spinsysteme mit Äquivalenzen.- 1.4 Magnetische Kernresonanz in anisotroper Umgebung.- 1.4.1 Definition einer anisotropen Umgebung im Sinne der NMR-Spektroskopie. Tensorcharakter der Wechselwirkungen.- 1.4.2 Wechselwirkungen der Kernspins in anisotroper Umgebung.- 1.4.3 Ausdruck für die Wechselwirkungen relativ zu einem molekularen Koordinatensystem. Mittelungseffekte. Vorzugsrichtung.- Einkristall.- Mittelung über alle Orientierungen (isotrope Umgebung).- Mittelung in Bezug auf eine Vorzugsrichtung.- 1.4.4 Struktur der Spektren in anisotroper Umgebung mit Vorzugsrichtung. Systeme mit endlicher Anzahl von Kernen.- Systeme mit 1/2-Spins.- Quadrupol-Kerne.- 1.4.5 Struktur der Spektren in anisotroper Umgebung ohne Vorzugsrichtung (Pulverspektren).- Anisotropie des Abschirmungseffekts.- Dipolkopplung zwischen zwei Kernen mit Spin 1/2. Quadrupol-Kopplung eines Kerns mit Spin 1 mit axialsymmetrischem Feldgradiententensor.- 1.4.6 Spektroskopie hoher Auflösung an Pulvern.- Bemerkungen über die Methode der Rotation unter dem magischen Winkel.- 1.5 Literatur.- 2 Einführung in die physikalischen und mathematischen Konzepte der NMR-Spektroskopie.- 2.1 Phänomenologischer Ansatz. Blochsche Gleichungen.- 2.1.1 Kernmagnetisierung im thermodynamischen Gleichgewicht.- 2.1.2 Verhalten der Kernmagnetisierung in Gegenwart einer statischen magnetischen Induktion.- 2.1.3 Wirkung einer magnetischen Wechselinduktion senkrecht auf der statischen Induktion. Konzept des rotierenden Koordinatensystems. Hochfrequenzimpulse.- 2.1.4 Blochsche Gleichungen. Evolution während der Perioden freier Präzession.- 2.1.5 Detektion des NMR-Signals im CW-Modus.- 2.2 Quantenmechanischer Ansatz. Dichteoperator.- 2.2.1 Definition der Dichtematrix und des Dichteoperators. Evolutionsgleichungen.- 2.2.2 Zerlegung des Dichteoperators auf der Basis von Produktoperatoren (Systeme von 1/2-Spins).- 2.2.3 Produktoperatorbasis eines Systems von zwei schwach gekoppelten 1/2-Spins. Physikalische Bedeutung.- 2.2.4 Evolution während einer Periode freier Präzession (zeitunabhängiger Hamilton-Operator).- 2.2.5 Evolution durch Einwirkung eines Hochfrequenzimpulses Anwendung des Impulses (?)x auf die Operatoren der Klassen (I) und (II).- Einwirkung eines (?/2)x- oder (?)x-Impulses auf die Operatoren der Klassen (I?), (III) oder (IV).- 2.2.6 Praktische Regeln der Multipuls-NMR-Spektroskopie.- Gleichgewichtszustand.- Perioden freier Präzession.- Hochfrequenzimpulse.- Detektion.- 2.3 Literatur.- 3 FT-NMR-Spektroskopie. Signalverarbeitung.- 3.1 Fouriertransformation und Akkumulation der FID-Signale.- 3.2 Fouriertransformation und zweidimensionale Spektroskopie.- 3.3 Eigenschaften der Fouriertransformation.- 3.3.1 Fouriertransformierte einer Dirac-Funktion.- 3.3.2 Fouriertransformierte einer Rechteckfunktion.- 3.3.3 Fouriertransformierte einer Gauß-Kurve.- 3.3.4 Fouriertransformierte eines Produkts.- 3.4 Fouriertransformierte einer gedämpften Sinusfunktion. Eindimensionale NMR-Spektroskopie.- 3.4.1 Quadraturdetektion.- 3.4.2 Einfache Detektion.- 3.4.3 Sequentielle Quadraturdetektion.- 3.5 Fouriertransformierte eines Produkts von Sinusfunktionen. Zweidimensionale NMR-Spektroskopie.- 3.5.1 Phasenmodulation.- 3.5.2 Amplitudenmodulation.- 3.5.3 Reine Absorptionsspektren durch Phasenmodulation in t1.- 3.6 Datenverarbeitung in der Zeitdomäne.- 3.6.1 Exponentielle Multiplikation.- 3.6.2 Fensterfunktionen zur Verbesserung der Auflösung oder der Gestalt des Spektrums.- 3.7 Numerische Fouriertransformierte.- 3.7.1 Allgemeines.- 3.7.2 Algorithmus von Cooley-Tukey oder FFT, Fast Fourier Transform.- 3.8 Analysenmethoden für FID-Signale ohne Fouriertransformation.- 3.8.1 Lineare Vorhersage.- 3.8.2 Entropiemaximierung.- 3.9 Literatur.- 4 Dynamische Phänomene in der NMR-Spektroskopie.- 4.1 Experimentelle Bestimmungen der dynamischen Parameter.- 4.1.1 Longitudinale Relaxation.- 4.1.2 Transversale Relaxation und Translationsdiffusion. Relaxation im bewegten Koordinatensystem.- Sequenz von Hahn.- Effekte der Translationsdiffusion in Gegenwart einer inhomogenen Induktion Bo.- Verbesserung der Messung von T2 durch die Sequenz von Carr-Purcell und Gill-Meiboom.- Messung der transversalen Relaxationszeit durch Verriegelung längs des Hochfrequenzfeldes (Spinlock),Tl? oder Relaxationszeit im rotierenden Koordinatensystem.- 4.1.3 Kreuzrelaxation und chemischer Austausch. Zweidimensionale Techniken: NOESY, HOESY, ROESY.- Die NOESY-Sequenz.- Die HOESY-Sequenz.- Die ROESY-Sequenz.- 4.2 Molekulare Interpretation der Relaxationsparameter.- 4.2.1 Spektrale Dichten.- 4.2.2 Phänomenologischer (vektorieller) Ansatz der Relaxationsphänomene. Mechanismen stochastischer Felder, der Anisotropie der chemischen Verschiebung und der skalaren Relaxation zweiter Art.- Stochastische Felder.- Anisotropie der chemischen Verschiebung.- Skalare Relaxation der zweiten Art.- 4.2.3 Quantenmechanischer Ansatz der Relaxationsphänomene: Dipol- und Quadrupol-Wechselwirkungen.- Dipolare Relaxation von zwei Spins. Solomon-Gleichungen.- Quadrupol-Relaxation.- 4.2.4 Einführung in die dynamische Interpretation der reduzierten spektralen Dichten.- Isotrope Reorientierung.- Anisotrope Reorientierung des gesamten Moleküls.- Das zweistufige Modell.- 4.3 Literatur.- 5 Multipuls- und multidimensionale NMR-Spektroskopie.- 5.1 Selektive Anregung.- 5.1.1 Impulse kleiner Amplitude.- 5.1.2 Die DANTE-Impulsfolge.- 5.2 Magnetisierungs-, Polarisations- und Kohärenztransfer.- 5.2.1 Polarisationstransfer. Ausdehnung auf die Sequenzen HOHAHA oder TOCSY.- 5.2.2 Kohärenztransfer in einem heteronuklearen System. Die INEPT-Sequenz.- 5.2.3 Editieren in Abh…