Universität Konstanz Fachbereich Biologie Priv.

Universität Konstanz
Fachbereich Biologie
Priv.-Doz. Dr. Jörg H. Kleinschmidt
http://www.biologie.uni-konstanz.de/folding/home.html
Datum: 9.6.2009
Lösungen zu den Übungen zur Einführung in die Spektroskopie für
Studenten der Biologie
(SS 2009)
Übungsblatt 3, Besprechung am 18.6.2009
Aufgabe 1: Zwei isomere Kohlenwasserstoffe haben beide die Summenformel
C10H14. Sie besitzen die folgenden NMR Spektren. Die Spektren enthalten neben dem
Signal von TMS (Tetramethylsilan) bei 0 ppm 4 (Spektrum A) bzw. 2 Signale
(Spektrum B), die zum Teil in Multipletts aufgespalten sind.
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Analysieren Sie zuerst das einfachere Spektrum B.
a)
b)
c)
d)
Welche Protonenarten (d.h. welche Molekülgruppen) enthalten die Spektren
(vergleichen Sie mit dem unten angegebenen Schema für die chemischen
Verschiebungen verschiedener Protonenarten) ?
Geben Sie an, welches ganzzahlige Verhältnis der Zahlen der Protonen in den
identifizierten Gruppen mit der angegebenen Summenformel im Einklang steht
(d.h. wie viele Protonen gehören zur jeweiligen Protonenart) ?
Zwei der Signale in Spektrum a sind Dubletts. Was lässt sich daraus für die Zahl
der unmittelbar benachbarten Protonen dieser absorbierenden Wasserstoffkerne
ableiten?
Um welche Verbindungen handelt es sich?
Lösung:
Spektrum B
a) Es gibt zwei Protonenarten die aufgrund ihrer chemischen Verschiebung von 7.2
ppm den Aromaten bzw. den Methylgruppen zuzuordnen sind.
b) die Zahl der Protonen läßt sich aus den Flächen der Absorptionspeaks entnehmen.
Die Höhendifferenz der über die Peaks gezeichnen Integrationslinien ist ein
direktes Maß für den Anteil der Protonenart an der Gesamtzahl der Protonen:
Es ergibt sich für zum Beispiel für die Zahl der aromatischen Protonen:
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H arom. 
Höhendifferenz der aromat. Integrationslinie
 Gesamtzahl der Protonen
Summe der Höhendifferenzen aller Integrationslinien
Damit gibt es 5 aromatische Protonen und 9 Protonen, die nichtaromatisch
sind. Die nichtaromatischen Protonen sind magnetisch equivalent, d.h. sie besitzen
dieselbe chemische Umgebung. Die einzige mögliche Verbindung, die mit dem
Spektrum und der Summenformel C10H14 in Einklang steht, ist eine Verbindung der
folgenden Struktur:
CH3
CH3
CH3
Spektrum A
a)
Es gibt 4 verschiedene Protonenarten. Ein Signal zeigt aromatische Protonen an,
drei Signale zeigen aliphatische Protonen, bei denen es sich um Protonen
primärer, sekundärer oder tertiärer Kohlenstoffatome handeln muss, das heißt
z.B. um Methyl- oder Methylenprotonen.
b)
Da das Molekül insgesamt 14 Protonen enthält, ergeben sich die Zahlen der
Protonen in den 4 verschiedenen Gruppen aus den relativen Anteilen der
jeweiligen Integrale (Einzelhöhendifferenz der Integrationslinie) dieser Gruppen
an der Gesamtabsorption (Summe aller Höhendifferenzen), gerundet auf
ganzahlige Werte:
Aromat (=7.15 ppm):
1. Aliphat . Gruppe ( = 2.5 ppm):
2. Aliphat. Gruppe ( = 1.7-2.1 ppm):
3. Aliphat. Gruppe (= 1.0 ppm):
c)
0.38*14 = 5.3 ≈ 5
0.13*14 = 1.8 ≈ 2
0.063*14 = 0.88 ≈ 1
0.44*14 = 6.1≈ 6
den zwei Protonen des Dubletts bei =2.5 ppm muss ein Proton benachbart sein,
dass durch die beiden möglichen Einstellungen seines Spins und seine damit
verbundenen verschiedenen magnetischen Momente das B0 -Feld am Ort dieser
beiden Protonen entweder erhöht oder erniedrigt, sodass zwei Resonanzfälle
(eben ein Dublet) beobachtet werden. Dasselbe gilt für die 6 Protonen die bei
=1 ppm eine Dublett Absorptionslinie zeigen. Dass die Signale bei =1 ppm (2
Protonen) und =2.5 ppm (6 Protonen) jeweils nur in Dubletts aufspalten, zeigt,
dass diese chemisch verschiendenen Protonenarten nicht unmittelbar miteinander
gekoppelt sind, sondern räumlich voneinander getrennt sind.
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d)
Die einzige denkbare Struktur des Moleküls, die mit den Beobachtungen a-c
kompatibel ist, ist die folgende
CH3
CH
CH2
CH3
Aufgabe 2:
Der Kern g-Faktor des Protons ist gN  5.585 . Das gyromagnetische Verhältnis des
Protons ist  ( 1 H )  47894152.9 As / kg . Es steht ein Magnetfeld B0 der Stärke 12 T
(1 T = 1 Vsm–2 = 1 JA–1m–2) zur Verfügung. Bei welcher Frequenz zeigt ein isoliertes
Proton eine NMR Absorption ? Bei welcher Frequenz ein isoliertes Kohlenstoffatom
13
C ? Es ist gN(13C)=1.404 und  ( 13C)  4.7815 10 7 Ckg1
Lösung:
Es gilt:
   H 2h B
h    B0  gN   N B0  g 1 H  

1
0
   H 2h B
gN 1 H  
1
0
h
Damit folgt
5.585  47894152

2
As
J
12
kg
Am 2
 510866051
Js
 510 MHz
kg  m 2
Analog zur Lösung für das Proton erhält man mit g(13C) und  ( 13C) also
Resonanzfrequenz
  128 MHz .
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