500 MHz NMR-Spektrometer mit gekühltem Probenkopf
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Spektrometer wurde in der Arbeitsgruppe um Prof. Bunzel insbesondere zur Charakterisierung und zum Profiling von Polymeren der pflanzlichen Zellwand genutzt, aber auch zur Strukturcharakterisierung von modifizierten Mykotoxinen, Lebensmittelkontaminanten und niedermolekularen Phytochemikalien sowie deren (mikrobiellen) Metaboliten. Die 2D-NMR-basierten Profilingmethoden wurden zur Charakterisierung verschiedener Lebensmittel pflanzlicher Herkunft und insbesondere zur Beschreibung der Veränderung von pflanzlichen Zellwänden bei Reifeprozessen und in Nachernteprozessen von Obst und Gemüse eingesetzt. Obgleich die Lignincharakterisierung anhand ganzer, gequollener Zellwände möglich ist und auch praktiziert wurde, war für viele der von uns untersuchten pflanzlichen Lebensmittel die Messung isolierter Lignine die Methode der Wahl. Mit Hilfe von HSQC-Experimenten wird die Monolignolzusammensetzung der Lignine sowie die Verteilung der Bindungstypen innerhalb dieser phenolischen Polymere bestimmt, mit Hilfe des HMBC-Experiments werden die in den Bindungstypen involvierten Monolignole analysiert. So konnten wir z.B. die Lingineinlagerung in die Zellwand und die Veränderung dieses phenolischen Polymers bei Reifung und Lagerung pflanzlicher Organe, die als Lebensmittel genutzt werden, nachverfolgen. Mit Hilfe der HMBC-Experimente war es uns auch möglich, die Bindung weiterer phenolischer Komponenten an Lignin zu demonstrieren, z.B. die Einlagerung von 4- Hydroxybenzoesäure in das Ligninpolymer bei Reifung von Karotten. Auf dem Gebiet der NMR-basierten Profilingmethoden ist es uns gelungen HSQC-basierte Methoden zu entwickeln, mit denen wir sowohl die ferulasäurehaltigen Seitenketten von Arabinoxylanen nach halbselektiver Säurespaltung sowie von neutralen Pektinseitenketten nach enzymatischem Teilabbau identifizieren und deren Verhältnisse in den Zellwänden semiquantitativ bestimmen können. Für die 2D NMR-spektroskopischen Methoden zur Charakterisierung von Zellwandpolymeren ist insbesondere die erhöhte Empfindlichkeit des Geräts aufgrund des gekühlten Probenkopfes von größter Bedeutung. Viele Messungen, die nun z.B. über Nacht oder über das Wochenende möglich sind, wären ohne den gekühlten Probenkopf nicht zu realisieren gewesen. Die Anwendungsgebiete des 500 MHz Spektrometers in der Arbeitsgruppe um Prof. Luy umfassen die Entwicklung und Testung von speziellen Breitbandpulsen, die Entwicklung und Anwendung von neuen Pulssequenzen sowie Anwendungen bestehender Messmethoden auf verschiedene Systeme. Bei den Breitbandpulsen wurden hier sogenannte RADFA-Pulse implementiert und am Spektrometer getestet. RADFA-Pulse sind Pulse, die sich in ihrem effektiven Flipwinkel wie harte Pulse skalieren, aber eine deutlich erhöhte Frequenzbandbreite aufweisen. Für ihre genaue Überprüfung war die neueste verfügbare Elektronik äußerst hilfreich, da diese eine getreue Wiedergabe der Amplituden- und Phasenmodulationen ermöglicht. Weiterhin werden derzeit mehrere Pulse für 19F-Anwendungen entwickelt und getestet. Weiterhin wurden in den letzten Jahren an dem Spektrometer mehrere schnelle bzw. selektive Pulssequenzen getestet bzw. angewendet. Das CLIP-COSY ist ein sogenanntes Inphase-COSY, das die Aufnahme von COSY-artigen Korrelationen in sehr kurzer Messzeit ermöglicht. Es konnten ebenfalls ausgehend von dem originalen ASAP-HSQC mehrere Varianten und Verbesserungen erreicht werden, die die Kopplungsbestimmung von partiell orientierten Proben sowie die Aufnahme von Multiplicity-editierten, extrem schnellen und extrem hochaufgelösten Experimenten ermöglichten. Weiterhin wurden räumlich selektive Experimente durchgeführt, die die Spektrenqualität insbesondere von Proben mit unterschiedlichen Phasen deutlich erhöhen und eine separate Charakterisierung der verschiedenen Phasen erlauben. Die Anwendungen, bei denen das 500 MHz-Gerät mit der besonderen Breitband-Cryoeinheit besondere Dienste leistet und geleistet hat, sind äußerst vielfältig: So wurden u.a. neue Orientierungsmedien basierend auf Gelen und Flüssigkristallen durch Deuteriumspektren charakterisiert, was uns die Optimierung der entsprechenden Medien gestattete (Euromar 2017 bzw. unveröffentlichte Daten). Durch die neueste Technik hatten wir hier die Möglichkeit, den Probendurchsatz durch schnelle Experimente zu steigern. Verschiedene biologisch aktive Substanzen wurden untersucht und strukturell charakterisiert. Darunter etwa Peptoide und Pt-basierte Cytostatika zur Entwicklung von Krebstherapeutika (unveröffentlichte Daten). Weiterhin wurden viele Polymerproben im Rahmen des SFB 1176 mit konventionellen und mit DOSY-Methoden eingehend charakterisiert sowie Nanodiamanten im Hinblick auf ihre Eignung für DNP-Experimente getestet. Die weiteren Nutzer des Spektrometers nutzten dieses im Berichtszeitraum u.a. zur Strukturaufklärung chemisch modifizierter Biopolymere (Cellulose, Stärke, Lignin), von sequenzdefinierten Oligomeren, die über Multikomponenten Reaktionen erhalten wurden, sowie zur Charakterisierung von isolierten und synthetisierten Naturstoffen. Darüberhinaus wurde das Spektrometer auch dazu eingesetzt, um 1JCH-Kopplungskonstanten zu messen, die zu Aufklärung von stereoelektronischen Effekten genutzt wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Conjugation of the mycotoxins alternariol and alternariol monomethyl ether in tobacco suspension cells. J. Agric. Food Chem. 2015, 63, 4728-4736
Hildebrand, A.A.; Kohn, B.N.; Pfeiffer, E.; Wefers, D.; Metzler, M.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b00806) - Characterization of cell wall components and their modifications during post-harvest storage of Asparagus officinalis L. demonstrates storage-related changes in dietary fiber composition. J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 478-486
Schäfer, J.; Wagner, S.; Trierweiler, B.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5b05575) - Characterization of cell wall composition of radish (Raphanus sativus L. var. sativus) and maturation related changes. J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 8625-8632
Schäfer, J.; Brett, A.; Trierweiler, B.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6b03693) - Feruloylated wheat bran arabinoxylans: Isolation and characterization of acetylated and O–2- monosubstituted structures. Cereal Chem. 2016, 93, 493-501
Schendel, R.R.; Puchbauer, A.-K.; Britscho, N.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1094/CCHEM-12-15-0250-R) - NMR-spectroscopic profiling of arabinan and galactan structural elements. J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 9559-9568
Wefers, D.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6b04232) - Biphasic liquid crystal and the simultaneous measurement of isotropic and anisotropic parameters by spatially resolved NMR spectroscopy, Chem. Eur. J. 2017, 23, 13351-13359
Reller, M.; Wesp, S.; Koos, M.R.M.; Reggelin, M.; Luy, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201702126) - Chemical synthesis of modified hyaluronic acid disaccharides. Chem. Eur. J. 2017, 23, 12283-12296
Mende, M.; Nieger, M.; Bräse, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201701238) - Maturation-related changes of carrot lignins. J. Sci. Food Agric. 2017
Schäfer, J.; Trierweiler, B.; Bunzel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/jsfa.8550) - Sustainable functionalizetion of cellulose and starc with diallyl carbinate in ionic liquids. Green Chem. 2017, 19, 3899-3907
Söyler, Z.; Meier, M.A.R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C7GC01978E) - Synthesis of wavelength-shifting fluorescent DNA and RNA with two photostable cyanine-styryl dyes as base surrogate pair. ChemistryO- pen. 2017, 4, 514-518
Steinmeyer, J.; Rönicke, F.; Scheper, U.; Wagenknecht, H.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/open.201700059)
