Spektren von

Spektroskopie
• Allgemeines und Prinzip
• Theoretische Grundlagen
• IR-Spektroskopie
– Raman-Spektroskopie
• UV/Vis-Spektroskopie
• Fluoreszenz-Spektroskopie
• NMR-Spektroskopie
• Massenspektrometrie
• Atomabsorptions-Spektroskopie
Einsatzgebiete spektroskopischer Methoden
Identifikation und Nachweis von Stoffen
Gehaltsbestimmungen von Verbindungen und
Elementen
Charakterisierung von Substanzen
Strukturaufklärung von Verbindungen
Einteilung der spektroskopischen Methoden
Atomspektroskopie
Absorptionsspektroskopie
Molekülspektroskopie
Emissionsspektroskopie
Atomabsorptionsspektroskopische Methoden
Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
Atomemissionsspektroskopische Methoden
Atomemissionsspektroskopie
Molekülabsorptionsspektroskopische Methoden
UV/Vis-Spektroskopie, IR-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie)
Molekülemissionsspektroskopische Methoden
Fluoreszenzspektroskopie (Raman-Spektroskopie)
NMR-Spektroskopie
60 – 900 MHz
ESR-Spektroskopie
MikrowellenSpektroskopie
fernes
UV nahes UV,
IR-Spektroskopie
4000 – 400 cm-1
Röntgen- und
γ-Strahlung
NIR-Spektroskopie
UV/VisSpektroskopie
200 -800 nm
Röntgen- und AugerSpektroskopie
Übersicht über die spektroskopisch
genutzten Strahlungsbereiche
Wärmestrahlung
Mikrowellen
Radiowellen
sichtbares Licht
0.01
1
Frequenz
10
ν [Hz]
100
3·1018 3·1017 3·1016 3·1015
Wellenzahl ν [cm-1]
108
107
106
Energie [J/mol]
105
1000
3·1014
104
Wellenlänge
104
3·1013
1000
105
106
107
108
3·1012
3·1011
3·1010
3·109
3·108
3·107
1
0.1
0.01
0.001
12
1.2
100
10
1.2·108 1.2·107 1.2·106 1.2·105 1.2·104 1.2·103 1.2·102
109
λ [nm]
1010
1.2·10-1 1.2·10-2
Elektromagnetische Welle
y = Asin(2πνt)
Elektrisches Feld
Amplitude (A)
x
Magnetisches Feld
Wechselwirkungen zwischen Wellen und Materie
Reflexion
Brechung
elastische Stöße
Streuung
Streuung
Absorption
inelastische Stöße
Emission
Grundlagen der Spektroskopie
Es gelten die Beziehungen
E = h · ν = h · c / λ und ν = 1 / λ
h: 6.6 · 10-34 Js, Planck-Konstante
c: 3 · 108 m/s, Lichtgeschwindigkeit
λ: Wellenlänge
ν: Frequenz
ν: Wellenzahl
Die Energieaufnahme bzw. Abgabe gehorcht den
Regeln der Quantenmechanik
Grundlagen der Spektroskopie
Energieübergänge
finden
aus einem niedrigeren in ein
höheres Energieniveau (Absorption) oder von einem
höheren in ein niedrigeres
Energieniveau
(Emission)
statt.
Die Energie eines atomaren
bzw. molekularen Systems
ergibt sich aus der Lösung
der Schrödinger-Gleichung.
Angeregter
Zustand
Absorption
Grundzustand
Emission
Schrödinger-Gleichung
Die Schrödinger-Gleichung ist eine Eigenwertgleichung, d. h.:
Ĥψ = Eψ
Die Anwendung des Hamilton-Operators auf die Wellenfunktion ψ ergibt den EnergieEigenwert E.
Der Hamilton-Operator setzt sich zusammen aus den Operatoren der kinetischen und
der potentiellen Energie.
H=T+V
Sinnvolle Lösungen der Schrödinger-Gleichung sind nur für diskrete Werte von E erlaubt → Quantenzahlen!
Die Boltzmann-Gleichung
Die Atome bzw. Moleküle verteilen sich in Abhängigkeit
von der Temperatur in die zu Verfügung stehenden
Energieniveaus. Es gilt:
N
= k‘ · e
N0
- ΔE
k·T
N: Teilchen im angeregten Zustand
N0: Teilchen im Grundzustand
k: Boltzmann-Konstante
k‘: systemabhängige Konstante
ΔE: Energiedifferenz der beiden Energieniveaus
T: absolute Temperatur [K]
Prinzipielle Bestandteile eines AbsorptionsSpektrometers
Strahlungsquelle
Monochromator
Messzelle
Die Anordnung der einzelnen Bauteile ist bei
manchen Geräten verändert. Weitere Bestandteile
sind für einige spektroskopischen Methoden notwendig.
Detektor
Datenregistrierung
Strahlenbang in einem Prisma
Strahlenbang an einem Gitter
α
G
Das Lambert-Beer‘sche Gesetz
Die Absorption (A) ist proportional zur Konzentration (c) des
absorbierten Stoffs und zur durchstrahlten Strecke (d). Es gilt:
A = lg(I0/I)
A=k·c
A=ε·c·d
ε: Absorptionskoeffizient
A = k’ · d
Infrarot-Spektroskopie
Anregung von Schwingungen und Rotationen
Anregungsenergie ca. 5۰104 – 1۰104 J/mol
entsprechend 4000 – 600 cm-1
Schwingungen werden nur angeregt, wenn sich
während der Schwingung das Dipolmoment ändert.
IR-Spektrum von Acetylsalicylsäure
KBr-Pressling
Molekül-Schwingungen
Valenzschwingungen υ
symmetrische
Valenzschwingung υsy
asymmetrische
Valenzschwingung υas
Deformationsschwingungen δ
○
Spreizschwingung δs
Pendelschwingung ρ
● Bewegung aus der Bildebene
●
●
●
Torsionsschwingung τ Kippschwingung ω
○ Bewegung hinter die Bildebene
Valenzschwingung eines zweiatomigen
Moleküls
Die zur Anregung einer Schwingung notwendige Energie hängt von der
Bindungsstärke und den an der Schwingung beteiligten Massen ab.
Das Modell des harmonischen Oszillators
Wird die Bindung als Feder, die die Massen m1 und m2 verbindet, betrachtet,
so gilt:
1
υ = 2π
√
k
M
m1 ۰ m 2
mit M = m + m der reduzierten Masse
1
2
Die Energie einer Schwingung und damit υ̃ wird größer:
Je stärker die Bindung
Je kleiner die reduzierte Masse
Der harmonische Oszillator quantenmechanisch
Ĥψ = Eψ
kx2
ћ2 d2
Ĥ=+ 2
2M dx2
d2ψ 2ME - Mkx2 ψ
+
=0
2
2
2
ћ
dx
ћ
)
(
√
h
E=
2π
k
M
(v + ½)
ψ enthält die Hermiteschen Polynome.
v (Schwingungsquantenzahl) = 0, 1, 2, ...
Der harmonische Oszillator
υ
E = h υ(v +1/2)
v: Schwingungsquantenzahl
υ=
1
2π
√
k
M
Erlaubte Übergänge: v = ±1
v=0
Gleichgewichtabstand
der schwingenden Atome (r0)
r
Der anharmonische Oszillator
V
Die Abstände der Niveaus sind nicht
mehr gleichmäßig.
Bei großen Kernabständen nähert sich
der entsprechende Parabelast der
Dissoziationsenergie.
Erlaubte Übergange: ±1, ±2, ±3,……
r
Das IR-Spektrum von HCl-Gas
Rotationsfeinstruktur von IR-Banden
R-Zweig
P-Zweig
Für die Rotationsfeinstruktur
Gilt die Auswahlregel ΔJ = ±1;
Der R-Zweig entsteht durch ΔJ = +1,
der P-Zweig durch ΔJ = -1.
Bereiche des IR-Spektrums
δ
C≡C
C≡N
X=Y=Z
δ
3000
δ
C=O
C=N
C=C
N=O
O-H
N-H
C-H
4000
„Fingerprint“-Bereich
2000
1600
Valenzschwingungen von
Einfachbindungen (C−C,
C−O etc. Deformationsschwingungen
1000
ν̃ [cm-1]
Typische Frequenzbereiche von
Valenzschwingungen
Bindung
Substanzklasse
Wellenzahl-Bereich [cm-1]
C−H
Alkane
2850 - 3000
C−H
Alkene
3000 - 3100
C−H
Aromaten
3000 - 3100
C−H
Alkine
~ 3300
O−H
Alkohole etc.
3200 - 3600
N−H
Amine
3300 - 3500
C≡N
Nitrile, Isonitrile
~ 2250
C≡C
Alkine
2100 - 2250
C=O
Ketone, Carbonsäuren etc.
1600 - 1800
C=C
Alkene
1600 - 1680
C−O
Alkohole, Ether, Ester etc.
1050 - 1300
Intensität von IR-Banden
Die Intensität einer IR-Bande hängt ab:
Vom Besetzungsverhältnis der am Übergang beteiligten Energiezustände
(Boltzmann).
Vom Grad der Änderung des Dipolmoments
Es wird beobachtet, dass:
C=C-Banden schwächer sind als C=O-Banden,
C–C-Banden schwächer sind als C–O bzw. C–N,
C–H-Banden schwächer sind als O–H bzw.. N–H.
Anzahl und Intensität von IR-Banden
Ein nicht lineares Molekül besitzt 3N – 6, ein lineares Molekül 3N – 5
Schwingungsfreiheitsgrade.
H
O
H
H
O
H
H
IR-aktiv
O C O
O
H
H
H
O
HO
H
H
C
H
IR-aktiv
IR-aktiv
O
O
O
IR-inaktiv
Aufbau eines IR-Spektrometers
Zwei Gerätetypen sind gebräuchlich:
Das Zweistrahl-IR-Spektrometer (Klassische Bauweise)
Das Fourier-Transform (FT) IR-Spektrometer
Vorteile des FT-IR-Spektrometers:
Sehr kurze Messzeit
Verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis
Möglichkeit der Spektren-Addition bzw. Subtraktion
(wichtig zur Hintergrundkompensation)
Das IR-Spektrometer
Messzelle
Strahlungsquelle
Nernst-Stift
oder Globar
Strahlteiler
Vergleichszelle
Monochromator
Detektor
Prisma oder
Gitter
Thermoelement
Golay-Detektor
Pyroelektrischer
Detektor
Michelson-Interferometer
feststehender
Spiegel
Strahlteiler
beweglicher
Spiegel
Strahlungsquelle
Detektor
Durch die Bewegung des Spiegels
kommt es am Strahlteiler zu zeitAbhängigen Interferenzen. Während
der Bewegungwerden alle möglichen
Frequenzen erzeugt
Das frequenzabhängige Spektrum
wird durch Fourier-Transformation
erhalten.
Interferenzen
konstruktive Interferenz
destruktive Interferenz
Die Bauteile des IR-Spektrometers
Alle im Strahlengang befindlichen Materialien dürfen IR-Strahlung nicht absorbieren.
Sie sind aus NaCl, KBr, LiF, CsF etc.
Strahlungsquelle:
Beheizte Keramik (Zirkonoxid = Nernst-Stift) oder Siliziumcarbid (Globar).
Detektor:
Der Pyroelektrische Detektor besteht aus einem mit L-Alanin dotierten
Glycinsulfat-Kristall. Die Wärmestrahlung verändert die Abstände der
Gitterebenen des Kristalls und induziert dadurch einen Strom, der
gemessen wird.
Im Golay-Detektor wird die durch Wärme erzeugte Ausdehnung eines
Gases gemessen.
Im Thermoelement wird die Spannungsdifferenz gemessen, die durch
Bestrahlung einer von zwei Verbindungsstellen zweier Drähte entsteht.
Die IR-Probe
Gase und Flüssigkeiten werden als Reinsubstanzen in geeigneten Küvetten mit
entsprechenden Schichtdicken gemessen.
Feststoffe werden als Lösung, Suspension, Pressling oder Film gemessen.
Als Lösungsmittel ist alles geeignet was nicht mit der Probe bzw. den Küvettenfenstern reagiert und im betrachteten Spektralbereich keine nicht kompensierbare
Eigenabsorption besitzt.
Suspensionsgrundlage sind zähflüssige Paraffine (Nujol).
Presslinge werden aus KBr mit einem Substanzgehalt von 1 – 5% hergestellt.
Zur Herstellung eines Substanzfilms wird eine Lösung der Substanz auf einem
geeigneten Träger (z. B. NaCl-Platte) verdampft. Polymere können auch direkt zu
Folien geeigneter Dicke geformt werden.
IR-Spektren von in verschiedenen
Lösungsmitten
IR-Analyse im Praktikum
Aufnahme des IR-Spektrums (Zweistrahl IR-Gerät, KBr-Pressling)
Interpretation aller gemessenen Banden im Bereich zwischen 4000
und 1600 cm-1 und Angabe der entsprechenden funktionellen Gruppen.
Im Fingerprint-Bereich werden nur die intensiven bzw. besonders
relevanten Banden interpretiert (z. B. C−O, aromatische C−H DeformationsSchwingungen).
Aufnahme von IR-Spektren durch
abgeschwächte Totalreflektion (ATR)
Probe
IR-Strahlung
Kristall aus Material mit
Großem Brechungsindex
z. B. ZnSe
Detektor
Die Bandenintensität hängt von der Eindringtiefe der Strahlung in die
Probe und damit von der Wellenlänge ab. Bei größeren Wellenlängen –
kleineren Wellenzahlen – sind die Banden intensiver.
Interpretation von IR-Spektren
Beurteilung von Bandenlage und Intensität
Modell des harmonischen Oszillators
Zusätzliche Informationen zu charakteristischen Banden; z. B. :
zu υ N − H, O − H entsprechende δ N − H, O − H
zu υ C=O eventuell υ C−O
zu υ C−H oberhalb 3000 cm-1 υ C=C oder out of plane C−H
Interpretation von IR-Spektren
Regeln zur Beurteilung von C=O Banden
υ C=O Säure > υ C=O Ester > υ C=O Keton, Aldehyd, Amid
O
O
O
O
~1710 cm-1
O
~1745 cm-1
~1780 cm-1
~1750 cm-1
O
O
O
O
~1775 cm-1
~1840 cm-1
O
NH
~1670 cm-1
O
O
O
O
~1670 cm-1
O
NH
~1720 cm-1
H
N
~1750 cm-1
O
~1720 cm-1
O
~1760 cm-1
aliphatische δ C–H
aliphatische υ C–H
aromatische υ C–H
o-Xylol, Substanzfilm
aromatische δoop C–H
aromatische υ C=C
m-Xylol, Substanzfilm
Möglichkeit zur Unterscheidung von Substitutionsisomeren
p-Xylol, Substanzfilm
IR-Spektren von o-, m- und p-Xylol
o-Xylol
m-Xylol
p-Xylol
p-Xylol
IR-Spektren von Kohlenwasserstoffen
Pentan
1-Penten
1-Pentin
IR-Spektren von Alkoholen
n-Butanol
2-Butanol
t-Butanol
IR-Spektren von Aminen
δ N−H
υ N−H
δ C−H
n-Butylamin
ω N−H
δ N−H
υ N−H
Diethylamin
Dimethylethylamin
ω N−H
IR-Spektren von Ethern und Estern
Diethylether
Ethylacetat
Methylbenzoat
IR-Spektren von Ketonen und Aldehyden
Butyraldehyd
Benzaldehyd
Acetophenon
IR-Spektren von Carbon- und Aminosäuren
Essigsäure
L-Alanin
IR-Spektren von Verbindungen mit N=Ound S=O-Gruppen
Benzolsulfonamid
N-Methylbenzolsulfonamid
o-Nitrotoluol
Bereiche von Valenz- und
Deformationsschwingungen
υ C≡C.
υ C−H
aliphat.
υ O−H
δ ≡C−H
oop
δ C=H
oop
υ C=C. δ C−H
υ C=C
aromat.
υ C−H
olefin
υ C−H
aromat
aromatische
Kombination
δ C=H
δ C−H
υ C−O
υ C−H
alkin
δ O−H
υ N−H
δ O−H
oop
δ N−H
δ N−H
υ S=O.
υ C=O.
υ N=O.
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Raman-Spektroskopie
Wie bei der IR-Spektroskopie werden Schwingungen und Rotationen angeregt.
Im Gegensatz zur IR-Spektroskopie hängt die Bandenintensität jedoch nicht
von der Änderung des Dipolmoments sondern von der Änderung der Polarisierbarkeit der Bindung ab. Dadurch treten im Raman-Spektrum häufig Banden auf,
die im IR-Spektrum nicht beobachtet werden. Es gelten die quantenmechanischen
Auswahlregeln der IR-Spektroskopie (Δυ = ±1).
Etwa 1% des eingestrahlten Lichts wird unter Abgabe oder Aufnahme von Energie
gestreut, das gestreute Licht besitzt also eine größere oder kleinere Wellenlänge
als das eingestrahlte Licht (Raman Effekt). Die Differenz der Wellenlängen zwischen
eingestrahltem und gestreutem Licht liegt im Bereich der Infrarot-Strahlung.
Prinzip der Raman-Spektroskopie
Detektor
für Absorption
Strahlungsquelle
Detektor
für Streulicht
gestreutes Licht
Raman-Streulicht
Das Streulicht wird im 90° Winkel zum
Eingangsstrahl gemessen.
Die Lichtquelle muss hohe Intensität
abstrahlen, es werden Laser eingesetzt.
Es kann mit sichtbarem Licht gearbeitet
werden; die Bauteile des Spektrometers
werden aus Glas gefertigt.
Bau des Raman-Spektrometers
Spiegel
Probe
Laser
Monochromator
Detektor
Intensität
Das Raman-Spektrum
Rayleigh
Stokes-Linie
anti-Stokes-Linie
-ν̃ [cm-1]
0
ν̃ [cm-1]
IR- und Raman-Spektrum von t-Octen
IR
Raman
UV/Vis-Spektroskopie
Die UV/Vis-Spektroskopie ist eine sehr empfindliche (Boltzmann),
molekülabsorptionsspektroskopische Methode, die insbesondere
zur quantitativen Bestimmung (Lambert-Beer) von Substanzen
herangezogen wird.
Es werden Bindungselektronen angeregt.
UV/Vis-Spektroskopie
A
1 mg Acetylsalicylsäure
In 100 ml MeOH
1.0
0.8
COOH
O
0.6
O
CH3
0.4
0.2
0
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
λ [nm]
Das UV-Spektrometer
UV/Vis-Spektren werden in Lösung gemessen. Lösungsmittel und im Strahlengang befindliche Materialien dürfen
im interessierenden Bereich keine Eigenabsorption zeigen.
Eintritts- und
Austrittsspalt
Messzelle
Strahlungsquelle
Deuterium- oder
Wolframlampe
Monochromator
Prisma oder
Gitter
Rotierender
Spiegel
Vergleichszelle
Küvette
Detektor
Photozelle
Photomultiplier
Strahlengang eines Zweistrahl UV/VisSpektrometers
Molekülorbitale
2sp3
1s
oder
2p
2s
1s
2p
2sp2
Atomorbitale
des Kohlenstoffs
1s
Hybridisierung
Molekülorbitale
antibindend
2p
2sp2
2p
2sp2
1s
1s
Molekülorbitale
bindend
Molekülorbitale und mögliche Übergänge
Übergänge sind nur erlaubt,
wenn sich Gesamtspin und Multiplizität nicht ändern,
zwischen Orbitalen ungleicher Parität (gerade, ungerade),
wenn sich die Orbitale ausreichend überlappen.
Es kann immer nur ein Elektron angeregt werden.
LUMO
σ*
σ*
π*
π*
n
HOMO
π
π
σ
σ
nicht bindend
Das Jablonski Termschema
Schwingungsniveaus
Rotationsniveaus
Auswahlregeln:
Δn = ± 1
Ausreichende Überlappung
Gleiche Symmetrie
Einfache Chromophore
H
H
H3C
CH3
CH3
O
H
H
π - π∗
λmax = 162.5 nm in Heptan
ε = 16000
H3C CH3
σ - σ∗
λmax = 135 nm in Heptan
ε = groß
H3C
CH3
π - π∗
λmax = 196.5 nm in Heptan
ε = 12500
H3C OH
CH3
n - π∗
λmax = 279 nm in Heptan
π − π∗
λmax = 188 nm in Heptan
ε = 14, 950
n - σ∗
λmax = 177 nm in Heptan
ε = 200
H3C Cl
H3C Br
n - σ∗
λmax = 173 nm in Hexan
ε = 200
n - σ∗
λmax = 208 nm in Hexan
ε = 260
Weitere Beispiele siehe Hesse, Meier, Zeeh
H3C
I
n - σ∗
λmax = 259 nm in Hexan
ε = 380
Konjugierte Chromophore
•
•
•
•
Auxochrome
Polyene
Konjugierte Carbonylverbindungen
Aromaten
Definitionen
• Bathochromer Effekt (Rotverschiebung)
Verschiebung eines Absorptionsmaximums zu größeren Wellenlängen
• Hypsochromer Effekt (Blauverschiebung)
Verschiebung eines Absorptionsmaximums zu niedrigeren Wellenlängen
• Hyperchromer Effekt
Erhöhung eines Absorptionsmaximums
• Hypochromer Effekt
Erniedrigung eines Absorptionsmaximums
Auxochrome
• Funktionelle Gruppen, deren freie Elektronenpaare mit einem
einfachen Chromophor konjugiert sind. Die n-Elektronenorbitale
überlappen mit anderen Orbitalen.
NR2
OR
OR
Hal
_
-
+
OR
Der Einfluss von Auxochromen auf
Chromophore
Absenkung der Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO
σ*
π3
π*
π2
HOMO
n
π
π1
σ
σ
H
λmax: 162.5 nm
ε: 16000
LUMO
H
H
H
H
H
H
OMe
λmax: 191 nm
ε: -
Polyene
A
2,4,6,8,10-Dodecapentaen
1.0
2,4,6,8-Octatetraen
0.8
0.6
H
H
H
H
π - π∗
λmax = 162.5 nm in Heptan
ε = 16000
0.4
0.2
0
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
λ [nm]
Polyene
• Die Spektren von cis- und trans-Verbindungen
unterscheiden sich deutlich!
• Je länger die Konjugation, desto größer die Wellenlänge
des langwelligsten Maximums
σ*
π*
π*
π
π
σ
σ
UV-Spektrum von cis- und trans-Stilben
aus Hesse, Meier, Zeeh
Regeln zur Abschätzung des langwelligsten
Maximums konjugierter Olefine
Ausgangswert für ein heteroannulares bzw. acyclisches Dien: 214 nm
Ausgangswert für ein homoannulares Dien:
253 nm
Inkrement für einen Alkylsubstituenten:
5 nm
Inkrement für eine weitere konjugierte Doppelbindung:
30 nm
Inkrement für die exocyclische Lage einer Doppelbindung:
5 nm
Inkremente für Auxochrome
-O-Alkyl:
6 nm
-O-Acyl:
0 nm
-Cl, -Br:
5 nm
-S-Alkyl:
30 nm
-N-(Alkyl)2:
60 nm
Regeln zur Abschätzung des langwelligsten
Maximums konjugierter Olefine
Beispiel:
Ausgangswert:
214
2 x Alkyl:
10
exocycl. Doppelbdg.:
5
CH2
berechnet: 229
Beobachtet: 231
Konjugierte Carbonylverbindungen
Die Spektren von Carbonylverbindungen sind stark vom Lösungsmittel abhängig (z. B. Aceton in Wasser: 265 nm, in Ethanol: 270
nm, in Dioxan: 277 nm, in Hexan: 280 nm).
σ*
π*
π*
n
π
π
σ
σ
Regeln zur Abschätzung des langwelligsten
Maximums konjugierter Carbonylverbindungen
Ausgangswert für X = H:
Ausgangswert für X = alkyl oder 6-Ring:
Ausgangswert für 5-Ring:
Ausgangswert für X = OR:
Inkrement für eine weitere konjugierte Doppelbindung:
Inkrement für die exocyclische Lage einer Doppelbindung:
Inkrement für einen Alkylsubstituenten in α -Position:
Inkrement für einen Alkylsubstituenten in β -Position:
Inkrement für einen Alkylsubstituenten in γ- oder δ -Position:
Inkremente für Auxochrome
-O-Alkyl in α, β, γ, δ -Position:
-O-Acyl in α, β, γ, δ -Position:
-Cl in α, β -Position:
-OH in in α, β, δ -Position:
-N-(Alkyl)2 in β -Position:
207 nm
215 nm
202 nm
193 nm
30 nm
5 nm
10 nm
12 nm
18 nm
35, 30, 17, 31nm
6 nm
15, 12 nm
35, 30, 50 nm
95 nm
γ
Für Messungen in MeOH bzw EtOH
δ
nach Woodward bzw. Fieser; Weitere Angaben s. Hesse, Meier, Zeeh
α
O
β
X
Regeln zur Abschätzung des langwelligsten
Maximums konjugierter Carbonylverbindungen
Beispiel:
Ausgangswert (X = Alkyl):
2 x Alkylsubstituent in β:
215
2 x 12 = 24
berechnet:
gemessen:
239
237
O
Das UV-Spektrum von Benzol
Energieniveaus des Benzols
Nach Hückel LCAO
π6*
π5*
π4*
π3
π2
π1
Absorptionsmaxima substituierter Benzole
204
254
O
H
242
280
330
244
282
OH
NO2
O
269
O
O
_
_
211
270
O
_
+
NH2
NH3
230
280
203
254
in Wasser bzw. Ethanol
in Hexan
235
287
Konjugierte aromatische Verbindungen
Welche Verbindung hat ihr langwelligstes Maximum bei größter
Wellenlänge?
H
O
H
O
OH
OH
204
254
COOH
230
273
COOH
230
273
Phenolphthalein
OH
HO
+ 2 OH -
O
O
O
O
O
O
-2 H2O
farblos
O
O
O
O
_
COO
COO
violett
_
Das Lambert-Beer‘sche Gesetz
Die Absorption (A) ist proportional zur Konzentration (c) des
absorbierten Stoffs und zur durchstrahlten Strecke (d). Es gilt:
A = lg(I0/I)
A=k·c
A = k’ · d
A=ε·c·d
ε: Absorptionskoeffizient
Das Lambert-Beer‘sche Gesetz ist Grundlage der quantitativen UV/Vis-Analyse!
c=
A
ε·d
Quantitative UV/Vis-Spektroskopie
Erstellung einer Eichgeraden mit mindestens 2, besser mehreren Einwaagen
A
A=ε•c•d
Gemessene Absorption
Bestimmte Konzentration
Konzentration
Quantitative Bestimmungen von Mehrkomponenten-Gemischen durch UV-Spektroskopie
Die UV-Spektren zweier Komponenten sind additiv
1A = 1A
1
+ 1A2
2A = 2A
1
+ 2A2
Gemisch aus 1 + 2
Substanz 2
Substanz 1
λ
Quantitative Bestimmungen von
Mehrkomponenten-Gemischen durch UVSpektroskopie
Für die Absorptionen bei Wellenlänge 1 (1A) bzw. 2 (2A) gilt:
I: 1A = 1ε1c1d + 1ε2c2d und II: 2A = 2ε1c1d + 2ε2c2d
Löst man die Gleichungen I und II nach c1 bzw. c2 auf, so ergeben sich für die
Konzentrationen c1 und c2 der beiden im Gemisch enthaltenen Verbindungen die
Beziehungen:
1A - 1ε c d
2A - 2ε c d
1A: Absorption des Gemischs
2 2
2 2
III: c1 =
IV:
c
=
1
1ε d
2ε d
bei Wellenlänge 1
1
1
2A: Absorption des Gemischs
1A - 1ε c d
2A - 2ε c d
bei Wellenlänge 2
1 1
1 1
V: c2 =
VI: c2 =
nε : Absorptionskoeffizient der
1ε d
2ε d
m
2
2
Substanz m bei Wellenlänge n
c1: Konzentration der Substanz 1
c2: Konzentration der Substanz 2
d: Schichtdicke der Probe
Quantitative Bestimmungen von
Mehrkomponenten-Gemischen durch UVSpektroskopie
Aus III und IV bzw.V und VI lassen sich Gleichungen für c2 bzw. c1 herleiten,
die nur noch von den aus den Messungen mit den entsprechenden Reinsubstanzen
bestimmbaren Größen nεm und den Absorptionen der Analyse bei den Wellenlängen 1 und 2 abhängen.
1A2ε
– 2A1ε1
c2 = 1 2 2 1
( ε2 ε1 - ε2 ε1)d
1
1A2ε
– 2A1ε2
c1 = 1 2 2 1
( ε1 ε2 - ε1 ε2)d
2
1A: Absorption
Wird immer mit der selben Küvette gemessen,
so dass d zu 1 gesetzt werden kann!
ε muss mit Hilfe einer entsprechenden
Standardlösung bestimmt werden.
des Gemischs
bei Wellenlänge 1
2A: Absorption des Gemischs
bei Wellenlänge 2
nε : Absorptionskoeffizient der
m
Substanz m bei Wellenlänge n
c1: Konzentration der Substanz 1
c2: Konzentration der Substanz 2
d: Schichtdicke der Probe [cm]
Fluoreszenz-Spektroskopie
Fluoreszenz:
Die Emission von Licht auf Grund des Übergangs eines Elektrons
aus einem angeregten Singulett-Zustand in den Grundzustand.
Die Fluoreszenz-Spektroskopie ist eine emissionsspektroskopische
Methode.
Es können Atome und Moleküle zur Fluoreszenz angeregt werden.
Phosphoreszenz:
Die Emission von Licht auf Grund des Übergangs eines Elektrons
aus einem angeregten Triplett-Zustand in den Grundzustand.
Das Jablonski Termschema
Singulett-Zustände
Intersystem
Crossing
Triplett-Zustände
Absorption
interne Konversion
Fluoreszenz
Phosphoreszenz
Singulett-Grundzustand
Fluoreszenz
Absorption
Fluoreszenz
interne
Konversion
Fluoreszenz
Fluoreszenz
Phosphoreszenz
Absorption
Phosphoreszenz
interne
Konversion
Phosphoreszenz
Intersystem
Crossing
Phosphoreszenz
interne
Konversion
Phosphoreszenz
Phosphoreszenz
Wechselwirkungen von Licht mit Lösungen
Streuung
I0
I
Absorption
Fluoreszenz
Das Fluoreszenz-Spektrometer
Fluoreszenzmonochromator
Strahlungsquelle
Photozelle
Photomultiplier
Eintritts- und
Austrittsspalt
Monochromator
FluoreszenzDetektor
Monochromator
Messzelle
Monochromator
Deuterium bzw. AnregungsWolframlampe monochromator
Küvette
Absorptionsmonochromator
AbsorptionsDetektor
Photozelle
Photomultiplier
Absorptions- und Emissionsspektrum von
Tryptophan
I
Emission
Absorption
200
240
280
320
360
400
λ
Fluoreszierende Verbindungen
Alle fluoreszierenden Verbindungen sind hoch konjugiert, weitgehend
starr und planar gebaut.
O
HO
O
O
COOH
Cumarin
O
O
O
O
O
Aflatoxin B1
OMe
Fluorescein
IR- und UV-Spektrum von Acetylsalicylsäure
800 – 2500 nm
12500 – 4000cm-1
?
NIR
200
300
380
NIR near infrared nahes Infrarot
Anregung von Schwingungsobertönen und Kombinationsschwingungen
Vor- und Nachteile der NIR-Spektroskopie
Vorteile: Es können Bauteile aus Quarz
verwendet werden – leichte
Handhabbarkeit.
Verwendung von Lichtleitern
ist möglich.
Messung ohne besondere Probenvorbereitung.
Nachteile: Die Banden haben geringe
Intensität und überlappen
stark – schwierige Kalibrierung.
Die meisten NIR-Spektren werden in Reflektionstechnik gemessen.
Beispiel: ATR
Anwendungen der NIR-Spektroskopie
Eingangs- und Prozesskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie.
Z. B. Proteingehalt von Getreide
Wassergehalt von Hilfsstoffen wie Talkum etc.
Quantitative Bestimmung von Wirkstoffen in Anwesenheit der Hilfstoffe.
Das Massenspektrum
Beispiel: Cumol
Basepeak
Fragmentionen
Molekülion
Isotopenpeak
Die Skalierung
Spektrum aus:
http://riodb01.ibase.aist.jp/sdbs/
Was kann die Massenspektrometrie?
Bestimmung der Molmasse (Molekülion)
Bestimmung der Elementarzusammensetzung (Isotopenmuster, hochaufgelöste Massenspektrometrie)
Strukturaufklärung, Hinweise auf funktionelle Gruppen und Partialstrukturen
(Zerfallsmuster)
Charakterisierung einer Substanz
Nachweis und Identifikation einer Substanz (höchste Empfindlichkeit!)
Aufbau eines Massenspektrometers
Hochvakuum 10-5 – 10-8 torr
Ionisator
Analysator
Detektor
Signal
Probeneinlass
Datenverarbeitung
Probeneinlass
Vakuumschleuse (Schubstange)
GC-MS (Separatoren)
LC-MS (ESI. APCI, APPI)
Ionisationsmethoden
Beschuss der Substanz mit Teilchen oder Wellen
Elektronenstoß (EI-MS)
Atome (FAB-MS)
Ionen (SI-MS)
Laserstrahlung (MALDI)
Einbringen der Substanz in ein ionisierendes
Medium
Chemische Ionisation
Feldionisation, Felddesorption
Prinzip der Elektronenstoßionisation
Anode
Emitter
(Kathode)
+
+
+2
selten auch
Elektroneneinfang
Substanzteilchen
(Gas)
70 V
Chemische Ionisation
Prinzip:
1. Gas + e-
Gas+ + 2e-
2a. Gas+ + M
MH+ + Gas - H (Säure-Base-Typ)
2b. Gas+• + M
M+• + Gas (Redox-Typ)
Als Reaktand-Gase kommen in Frage:
Methan; iso-Butan, Ammoniak, Lachgas, …….
Prinzip der FAB-Ionisation
Ionisierte Matrixund Substanzmoleküle
Ar(Xe)-Atome
Matrix für FAB und SIMS: Glycerin, DMSO,......
(ausreichende Flüchtigkeit der Matrix)
Prinzip der MALDI-Ionisation
Matrix assisted laser desorption ionisation
Ionisierte Matrixund Substanzmoleküle
Laser-Strahlung
Matrix für MALDI: Benzoesäure- und Zimtsäureester
Analysatoren
Sektorfeld-Analysator
Quadrupol-Analysator
Ionenfalle
Flugzeit-Analysator
Ionencyclotron
Der doppelfokussierende
Sektorfeld-Analysator
Magnetfeld
elektrisches
Feld
Detektor
Ionisator
Im elektrischen Feld gilt:
z • U = 1 mv2
2
Fokussierungsspalte
Im Magnetfeld gilt:
r= m•v
z•B
m = r2 • B2
z
2U
z: Ionenladung; m: Ionenmasse; v: Ionengeschwindigkeit; r: Ablenkradius;
U: Beschleunigungsspannung; B: Magnetfeldstärke
Der Quadrupol-Analysator
Trennung im mit einem Radiofrequenzfeld, das von einem
Gleichstrom überlagert wird.
Detektor
Ionenquelle
+-
+-
+-
+-
Die Ionenfalle
Dreidimensionale Variante des Quadrupols
Endkappenelektroden
Ionenquelle
Detektor
Ringelektrode
Der Flugzeit-Analysator
Reflektor
Ionenquelle
Detektor
m/z =
2U
v2
U: Beschleunigungsspannung
Es müssen alle Ionen die gleiche kinetische
Energie besitzen.
Interpretation von Massenspektren
Allgemeine Regeln
Bei der EI-Ionisation entsteht ein Radikal-Kation
Ein Radikal-Kation zerfällt:
in ein Kation und ein Radikal
in ein Radikal-Kation und ein Neutral-Teilchen
Ein einmal gebildetes Kation zerfällt in ein Kation und ein Neutral-Teilchen
(nicht in ein Radikal-Kation und ein Radikal!)
Zerfälle bei denen sich möglichst stabile Teilchen bilden sind bevorzugt.
Massenspektrometrische Zerfälle sind monomolekulare Reaktionen des
Typs:
RK •
+
K+ + R •
+
RK •
+
RK‘•
+N
K+
K‘+ + N
Interpretation von Massenspektren
Allgemeine Regeln
Welche Zerfälle ablaufen richtet sich ausschließlich nach der freien Aktivierungsenthalpie.
Es wird davon ausgegangen, dass Elektronen aus dem höchsten besetzten Orbital
(HOMO) entfernt werden.
Die Zerfallsreaktionen sind radikal- oder ladungsinduziert.
Interpretation von Massenspektren
Zerfallsmechanismen
Radikalinduzierte Zerfälle
R CR2
R CR
R CR2
•+
R • + R2C
XR
•+
X
CR
R• +
•+
CR2
RC
+
XR
+
X
R • + CR2 CR
α-Zerfall: Ether, Amine, Ketone, Olefine (= Allyl-Spaltung)
+
CR2
Interpretation von Massenspektren
Zerfallsmechanismen
Ladungsinduzierte Zerfälle
R
R
+•
X
+
R
•
R + X
+
+•
X
R + RC
R
•
X
R
R
+
X
R
+
R + X
R
Interpretation von Massenspektren
Zerfallsmechanismen
Umlagerungen
Es wird vorwiegend Wasserstoff umgelagert.
+•
H X
R
H
•
+
X
R
Interpretation von Massenspektren
Beispiele
R
+
.
+
CH2
- R.
Benzylspaltung
+
.
O
O
N
+
- R.
R
R
+
.
- R.
+
N
R
R
OH
α-Spaltung
+
.
+
.
-H
R2.O
Abspaltung von Wasser
oder ähnlichen Neutralteilchen
Interpretation von Massenspektren
Mechanismus der Wasser-Abspaltung
R
H
+•
O
H
R
R
•
H
+
O
H
R
R
•
+
R
Interpretation von Massenspektren
Beispiele
O
H
R
+
.
O
H
R
R
+
McLafferty-Zerfall
+
.
O
H
R
X
X
+
.
+
.
X
X
O
H
+
.
+
+
.
+
Retro-Diels-Alder-Zerfall
+
.
+
.
+
Interpretation von Massenspektren
Mechanismus der McLafferty-Umlagerung
H
R
+
+
O
•
R
H
R
+•
O
R
•
H
R
+
O
R
R
•
H
+
O
+
R
Interpretation von Massenspektren
Mechanismus der Retro-Diels-Alder-Reaktion
R
R
•
+
R
+
+
•
+
•
R
•
+
+
Das Massenspektrum von Butyrophenon
105
O
77
51
148
120
Der massenspektrometrische Zerfall von
Butyrophenon
O
.
+
+
-COC3H7
- C2H2
+
m/z 148
m/z 77
- C2H4
O
- C3H7
.
+
- CO
O
+
m/z 120
m/z 105
m/z 51
GC-MS
Problem: Überdruck im GC – Hochvakuum im MS
Problemlösung: Geeignete Separatoren
(Jet-Separator, Watson-Bieman-Separator)
Alle Ionisationstechniken die gasförmige Moleküle
ionisieren (EI, CI) werden eingesetzt.
Der Jet-Separator
leichte Teilchen
(Trägergas)
vom GC
zum MS
Zur Vakuumpumpe
Der Watson-Bieman-Separator
poröses Glasrohr
vom GC
zum MS
leichte Teilchen diffundieren
verstärkt durch das poröse
Glasrohr
Zur Vakuumpumpe
LC-MS
Problem: Überdruck in der LC-Anlage – Hochvakuum im MS
Problemlösung: Ionenerzeugung bei Normaldruck außerhalb des MS
(Atmospheric Pressure Ionization API; z. B.: ESI, APCI, APPI)
Der ESI-Ionisator
LC-Ausgang
Spraygas (N2)
MS-Eingang
Potential der Endcap
~ - 0.5 – 5 kV
Trocknungsgas
100 – 400°C
~ 1000 mbar
~ 1 mbar
Eingangspotential
~ -1 bis - 6 kV
Spannungen bei Beobachtung
positiver Ionen
Zur Pumpe
Ionenbildung im ESI-Ionisator
Trocknungsgas
Coulomb-Explosion
Eingangskapillare
Der APCI-Ionisator
LC-Ausgang
Spraygas (N2)
Beheizte SprayKapillare
MS-Eingang
Potential der Endcap
~ - 0.5 – 5 kV
Trocknungsgas
100 – 400°C
~ 1 mbar
Corona-Nadel
~ 2 – 5 kV
~ 1000 mbar
Eingangspotential
~ -1 bis - 6 kV
Spannungen bei Beobachtung
positiver Ionen
Zur Pumpe
Das Fließmittel verdampft.
Es bildet sich ein „IonenPlasma“ (s. CI-Ionisation).
Hochauflösende Massenspektrometrie
Die Massen der Ionen werden mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Nicht alle Analysatoren sind dazu in der Lage.
Beispiel: Unterscheidung von Verbindungen gleicher Nominalmassen (m/z 28).
12C:
12.000000
1H:
1.007825
14N:
14.00307
16O:
15.99491
12C=16O:
27.99492,
14N :
2
28.00615,
12C 1H :
2
4
28.03130
Beispiel: Bestimmung der Elementarzusammensetzung.
Gemessen wurde eine exakte Masse von 374.2457
Bei einer möglichen Abweichung von ± 5 ppm wurden für Verbindungen, die nur aus C, H,
N und O bestehen folgende Elementarzusammensetzungen berechnet:
374.2484
C26H32NO
374.2470
C24H30N4
374.2457
C23H34O4
374.2444
C21H32N3O3
374.2430
C19H30N6O2
Isotopenmuster der MS-Peaks
Die Verteilung der Isotope eines Elements ist im Massenspektrum erkennbar und wird zur Ermittlung
der Elementarzusammensetzung herangezogen.
Beispiel: Wie viele Chloratome befinden sich in einem Ion?
Chlor besteht aus den Isotopen 35Cl (76%) und 37Cl (24%) entsprechend einem Verhältnis von 1 : 0.32.
35Cl
CH2Cl2
37Cl
2 35Cl
CHCl3
1 35Cl + 1 37Cl
2 37Cl
Beispiel: Bestimmung der Elementarzusammensetzung mit Hilfe der Isotopenpeaks.
Aus der relativen Häufigkeit der natürlich vorkommenden Isotope von C, H, N und O können die
theoretischen Verhältnisse der Peaks des Molekülionen-Clusters berechnet werden.
12C : 13C = 100 : 1.112; 1H : 2H = 100 : 0.015; 14N : 15N = 100 : 0.367; 16O : 17O :18O = 100 : 0.038 : 0.200
Für Aceton (Nominalmasse 58) ergibt sich M+ : (M+1)+ = 100 : 3.37,
für Butan (Nominalmasse 58) ergibt sich M+ : (M+1)+ = 100 : 4.47.
Je höher der Anteil an C, desto größer (M+1)+; je höher der Anteil an O, desto größer (M+2)+.
Massenspektren verschiedener Dodekane
3-Methylundekan
n-Dodekan
Molekülion M+
m/z 170
Molekülion M+
m/z 170
2-Methylundekan
Es
Die
Spektren
ein
Signal
verschiedener
bei der Masse
Verbindungen
des
Moleküls
unterscheiden
Es wird
treten
Molekül-charakteristische
Signale
auf.beobachtet.
sich, auch bei großer struktureller Ähnlichkeit, deutlich.
Molekülion M+
m/z 170
Spektren aus:
http://riodb01.ibase.aist.jp/sdbs/
Geschichte der NMR-Spektroskopie
• 1924 W. Pauli postuliert, dass Atomkerne einen Kernspin (I) und
damit ein magnetisches Moment µ besitzen.
• 1946 Experimenteller Nachweis des NMR-Prinzips an kondensierter
Materie (Wasser, Paraffin) durch F. Bloch und E. M. Purcell
(Nobelpreis für Physik, 1952).
• 1951 Das erste hochauflösende 1H NMR-Spektrum wird gemessen
(Arnold et al., “Entdeckung der chemischen Verschiebung”).
• 1953 Das erste kommerzielle NMR-Gerät wird von der Firma Varian
präsentiert.
• 1957 Das erste 13C NMR-Spektrum wird von P. C. Lauterbur
publiziert.
• 1966 R. R. Ernst entwickelt die FT NMR-Spektroskopie (Nobelpreis
für Chemie 1991)
• 1973 Ein bilderzeugendes Verfahren auf der Basis der Kernspinresonanz wird von P. C. Lauterbur (Nobelpreis 2003)
präsentiert.
• 1976 R. R. Ernst etabliert die ersten zweidimensionalen NMRExperimente (ursprünglich schon 1971 von J. Jeener
vorgeschlagen).
• 1980 Die multidimensionale NMR-Spektroskopie wird möglich.
• 1985 Inverse Detektion erhöht die Empfindlichkeit, gepulste
Feldgradienten verkürzen die Messzeit für die Aufnahme
mehrdimensionaler NMR-Spektren.
• Stetige Weiterentwicklung der Magnet- und Aufnahmetechnik
führen zu erheblichen Empfindlichkeitssteigerungen.
NMR-Spektroskopie
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
Kernmagnetische Resonanzspektroskopie
Wichtigste spektroskopische Methode in der organischen Chemie
Zur Strukturaufklärung unbekannter Verbindungen bis zur (absoluten) Konfiguration.
Zur Konformationsanalyse.
Zur Bestimmung intra- und intermolekularer Wechselwirkungen.
Zur Ermittlung von Reaktionsgeschwindigkeiten.
Zur Beobachtung chemischer Austauschprozesse.
Zur Beobachtung chemischer Reaktionen.
Zur eindeutigen Charakterisierung von Verbindungen.
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
19.13
8.0
51.76
1H
3.25
8.5
19.39
9.0
6.48
NMR
0.5
200
13C
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0.20
0.00
-0.20
69.43
57.20
48.80
40.07
39.98
39.90
39.81
39.74
39.64
39.48
39.31
39.14
38.98
37.71
35.58
21.98
133.90
133.88
130.81
130.73
130.62
127.56
126.65
115.57
115.40
149.13
165.74
163.74
198.18
Spektren von Haloperidol
UV
IR
NMR
ppm
0
ppm
Prinzip der NMR-Spektroskopie
Atomkerne besitzen einen Kernspin und damit verbunden ein magnetisches Moment, das mit einem externen
Magnetfeld in Wechselwirkung treten kann.
Diese Wechselwirkungen folgen den Regeln
der Quantenmechanik. Für die Kernspins sind nur bestimmte
Einstellungen definierter Energie möglich (für 1H und 13C z. B.
nur 2, je einmal parallel bzw. antiparallel zur Feldachse).
Die Energien hängen von der Stärke des Magnetfelds und von
der Art des Kerns ab (E = -m γ h/2π B0).
Durch Absorption einer geeigneten Energie können die
Kernspins aus dem Zustand niedrigerer Energie in den Zustand
höherer Energie angeregt werden. Zur Anregung werden
elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 5 und
1000 MHz eingesetzt.
Theoretische Grundlagen der NMRSpektroskopie
Der Hamilton-Operator für die Wechselwirkung eines Kernspins I
mit einem Magnetfeld B0 lautet: Ĥ = -γ B0Îz
γ, die gyromagnetische Konstante (gyromagnetisches Verhältnis)
ist eine für jeden Kern charakteristische Konstante.
Der Operator Îz repräsentiert die Komponente des Kernspins in
Richtung des Magnetfelds B0 (z). Îz ist mit der Spinquantenzahl I
verknüpft, die die Werte I = 0, 1/2, 1, 3/2,........7 annehmen kann.
Die Lösung der Schrödinger-Gleichung ergibt als EnergieEigenwerte:
E = -mħγB0
m ist die magnetische Quantenzahl. Sie kann die Werte -I, -I+1 bis
+I annehmen.
Theoretische Grundlagen der NMRSpektroskopie
Für Kerne mit I = 1/2 sind also zwei (+1/2, -1/2), für Kerne mit I = 1 drei (+1,
0, -1) usw. Energiezustände möglich.
Die Anregungsenergie (∆E) zwischen zwei Spinzuständen ist abhängig von
der Stärke des äußeren Magnetfelds (B0) und der gyromagnetischen
Konstante (γ).
∆E = ħγB0
Für 1H (γ = 2.67522 ∙ 108 rad s-1T-1) ergibt sich in einem Magnetfeld von 9.4
Tesla eine Energie von ca. 400 MHz (υ = ω/2π).
1H
NMR-Spektren von Ethylacetat bei
verschiedenen Feldstärken
14.1 Tesla
600.132400
600.130000
9.4 Tesla
400.131600
400.130000
2.1 Tesla
PPM
4.4
4.0
90.130360
3.6
3.2
2.8
2.4
2.0
MHz
1.6
1.2
0.8
0.4
-0.0
90.130000
Magnetische Eigenschaften einiger Kerne
γ [107 rad s-1 T-1]
I
∆E bei 11.7467 T
Besetzungsverhältnis
bei 300 K und 11.7467
T
1H
26.75222
1/2
500.130 MHz
1 : 1.00008
2D
4.10663
1
76.773 MHz
12C
0
13C
6.72829
1/2
125.758 MHz
14N
1.93377
1
36.141 MHz
15N
-2.71262
1/2
50.697 MHz
16O
0
19F
25.16233
1/2
470.592 MHz
31P
10.83941
1/2
202.456 MHz
1 : 1.00002
1 : 1.000008
Klassische Beschreibung des NMRExperiments
Vor der Anregung
Mit Magnetfeld
Ohne
Magnetfeld
DieKernspins
Kernspinssind
orientieren
sich parallel
bzw. antiparallel
zur Feldrichtung,
Die
ungerichtet,
ihre magnetischen
Momente
summieren sich zu
um die sie mit der Larmor-Frequenz rotieren. Die energetisch günstigere,
null.
parallele Anordnung ist stärker besetzt.
z B0
Es bleibt eine Magnetisierung parallel
zur Achse des äußeren Magnetfelds.
(longitudinale Magnetisierung)
y
x
Klassische Beschreibung des NMRExperiments
nach der Anregung
z B0
y
Die Magnetisierung wird durch ein elektromagnetisches
Feld (Puls) in die x-y-Ebene gedreht, wo sie mit der
Larmor-Frequenz um B0 präzediert. Dabei wird in der
Empfängerspule ein Strom (FID) induziert.
x
Fourier-Transformation ergibt daraus das NMR-Spektrum
FT
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
Wie ist ein NMR-Spektrometer
aufgebaut?
Sender
Empfänger
Spektrum
Signal
Computer
Wie kommt das NMR-Spektrum zu Stande?
B
B
Anregung
Ungeordnete Kernspins
Relaxation
Messung
Fouriertransformation
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
FID
1H
9.0
NMR-Spektrum von Haloperidol
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
Inhalt des 1H NMR-Spektrums
Integral
Signalintensität
Chemische Verschiebung
Multiplizität
ppm
5
4
3
ppm
1H
9.0
NMR-Spektrum von Haloperidol
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
Das Integral im NMR-Spektrum
In der Regel werden nur 1H NMR-Spektren integriert
Die Stufenhöhe ist ein Maß für die Fläche unter dem jeweiligen
Signal, diese ist proportional zur Menge der Wasserstoffe, die
das Signal erzeugen.
Zur Bestimmung der Anzahl
Wasserstoffe im Molekül
Zur Quantifizierung
7
6
4
2
12
11
10
9
6
1
8
7
6
5
1
4
3
2
1
0
Zur Abschätzung der Reinheit
einer Probe
-1
-2
-3
ppm
Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..)
E = hν = -m ħγB0
Beff = B0 – B0σ
ν0: Larmorfrequenz
ν0: = -γB0/2π
Beff = B0 (1 – σ)
+½ ħγB0
-½ ν0 [Hz]
+½ ħγ Beff
-½ ħγB0
+½ ν0 [Hz]
-½ ħγ Beff
Die Skala des NMR-Spektrums
Um die in verschiedenen Magneten gemessenen Spektren vergleichen zu können,
wird eine relative, frequenzunabhängige Skala definiert.
υSubst - υStand
106
δ=
υStand
Der Nullpunkt der Skala wird durch einen internen (oder externen) Standard festgelegt.
Tetramethylsilan (TMS)
CH3
H3C Si CH3
CH3
Anforderungen an einen internen
Standard
chemische Inertheit
hohe Signalintensität
schmale Signalform
geeignete Signallage
leichte Entfernbarkeit
Die chemische Verschiebung
Verschiedene Faktoren verändern das Magnetfeld am Ort des Kerns
Es gilt: Beff = B0 – σ • B0 (σ: Abschirmungskonstante)
Für Wasserstoff hängt die chemische Verschiebung im Wesentlichen ab:
B0
Von der Elektronendichte
Von Anisotropie und Ringstromeffekten
Von Substitutionsgrad und Stereochemie
Von Lösungsmittel, Temperatur, pH-Wert und Konzentration
Die chemische Verschiebung
Abhängigkeit von der Elektronendichte
H
H
F
Cl
H
4.27
H
HO
H
2.69
2.16
Cl
Cl
2.87
7.26
H
Cl
H
H
3.06
5.33
H
I
H
3.39
H2N
H
H
H
H
Br
H
H
H
0.23
H
H
H
H
H
H
Cl
Cl
H
H
Die chemische Verschiebung
Abhängigkeit von der Elektronendichte
+O
OH
H
H
+O
H
-
-
6.70
H
7.14
H
6.81
H
7.25
H
8.60 H
N
H
7.64
H
7.42
H
6.37
O
+O
H
6.62
6.05
N
H
H
Die chemische Verschiebung
Abhängigkeit von der Elektronendichte
aber!
3.37
3.47
Cl
CH3
1.33
Br
CH3
1.66
3.16
I
CH3
1.88
Die chemische Verschiebung
Abhängigkeit von Anisotropie- und Ringstromeffekten
7.26
H
5.25
+
1.80
H
+ H
H
0.22
O
H+
+ H
O
H
H
H
H
H
-2.99
H
H
H
H
H
H
H
H
H 8.00
H 9.28
H
H
H
2.58
H
9.33
(CH2)n
H
0.8
O
Die chemische Verschiebung
Abhängigkeit von Substitutionsgrad und Stereochemie
H
H
H
H
0.23
1.27
H
H3C
H
H
H
0.86
CH3
CH3
Häq: 1.57
Hax: 0.79
H
1.93
Häq: 1.40
Hax: 1.35
H3C
H3C
H
H3C
H3C
H3C
H
1.33
OH
H
3.89
Häq: 1.58
Hax: 1.33
H
1.50
3.38
H
OH
Häq: 1.78
Hax: 1.07
Die chemische Verschiebung von
Wasserstoff
Tieffeldverschiebung, Entschirmung, - Anisotropie
Hochfeldverschiebung, Abschirmung, + Anisotropie
COOH, OH, NH
olefinische Verbindungen
O=C-H
aromatische Verbindungen
10
elektronenarme
Aromaten
aliphatische Verbindungen
X-CH
5
elektronenreiche
Aromaten
-I, -M-Effekt
+I, +M-Effekt
O
TMS
X = O, F, Cl
H-C≡C
1H
NMR-Spektrum von Haloperidol
olefinische Verbindungen
COOH, OH, NH
aliphatische Verbindungen
O=C-H
aromatische Verbindungen
X-CH
10
5
O
TMS
H
H
Cl
H
OH H H
H
H
H
N
H
H
H
H H H
H
O
H
H
H
H
H
H
F
H
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
1H
NMR-Spektrum von Haloperidol in
DMSO-d6 bzw. CDCl3
in CDCl3
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 ppm
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
in DMSO-d6
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
ppm
1H
NMR-Spektrum von Haloperidol
1.9
9.0
8.5
8.0
1.8
7.5
7.0
6.5
1.7
6.0
5.5
1.6
5.0
4.5
1.5
4.0
3.5
ppm
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
Die Multiplizität (Aufspaltung) der Signale
Benachbarte Kerne können ein Signal aufspalten (Kopplung).
Für Wasserstoff gilt:
Jeder Kopplungspartner erzeugt aus einer Linie zwei.
Die Größe der Aufspaltung wird in Hz gemessen (Kopplungskonstante J). Sie hängt von verschiedenen strukturellen
Parametern aber nicht von der Stärke des äußeren Feldes ab.
Die Kopplung wird über die Bindungselektronen vermitteltnicht durch den Raum
Die Bildung von Multipletts
Singulett
Singulett
Duplett
J1
Triplett
J
Quartett
J2
Duplett
doppeltes
Duplett
Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..)
(nicht gekoppelt)
E = hν = -m ħγB0
ν0: Larmorfrequenz
ν0: = -γB0/2π
+½ ħγB0 [J]
β
-½ ν0,1 - ½ ν0,2
β
-½ ν0 [Hz]
β
+½ ν0,1 - ½ ν0,2 βα
E0
-½ ħγB0 [J]
α
+½ ν0 [Hz]
ββ
α
αβ
α
+½ ν0,1 + ½ ν0,2
αα
-½ ν0,1 + ½ ν0,2
Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..)
(gekoppelt)
ββ
-½ ν0,1 - ½ ν0,2
-½ ν0,1 + ½ ν0,2
+½ ν0,1 + ½ ν0,2
βα
-½ ν0,1 - ½ ν0,2 + 1/4 J
αβ
-½ ν0,1 + ½ ν0,2 - 1/4 J
ββ
βα
αβ +½ ν - ½ ν - 1/4 J
0,1
0,2
+½ ν0,1 - ½ ν0,2
αα
Zwei Linien für rot: ν0,1 + 1/2J
ν0,1 – 1/2J
+½ ν0,1 + ½ ν0,2 + 1/4 J
αα
Zwei Linien für grün: ν0,2 + 1/2J
ν0,2 – 1/2J
Wovon hängt die Größe der
Kopplungskonstante (J) ab?
Da die Kopplungskonstante über die Bindungselektronen vermittelt wird,
wird sie von der Elektronendichte und der Überlappung der Orbitale sowie
der Entfernung der Kopplungspartner beeinflusst. Besonderen Einfluss
haben:
Hybridisierung des Kohlenstoffs
Bindungs und Diederwinkel (Stereochemie!)
Elektronegativität von Substituenten
Sind alle Einflüsse identisch, so werden identische Kopplungskonstanten
gemessen.
Faktoren, die die Kopplungskonstante
beeinflussen
Entfernung der Kopplungspartner
H
< 0.5 Hz
H
~ -12 Hz
H
Geminale
Kopplung (2J)
~ 7.5 Hz
H
Vicinale
Kopplung (3J)
H
H
Fernkopplung (>3J)
H
H
~ 8 Hz
~ 1.5 Hz
H
H
H
H
< 0.5 Hz
Faktoren, die die Kopplungskonstante
beeinflussen
Substituenten
H
OH
H
H
H
H
~ 7.5 Hz
H
R
~ -10 Hz
~ -7.5 Hz
H
H
~ 6.5 Hz
O
H
~ -14 Hz
H
O
O
H
~ -16 Hz
H
O
O
R
Faktoren, die die Kopplungskonstante
beeinflussen
Hybridisierung des Kohlenstoffs
H
H
~ -12 Hz
~ ±1 Hz
H
H
Faktoren, die die Kopplungskonstante
beeinflussen
Bindungs- und Diederwinkel
~ 10 Hz
HH
H
H
H
~ 0 Hz
H
~ 7.5 Hz
~ 12 Hz
H
~ 16 Hz
H
~ 10 Hz
H
H
H
H
Faktoren, die die Kopplungskonstante
beeinflussen
Bindungs- und Diederwinkel – Die Karplus-Beziehung
J
3J
= A + B cosφ + C cosφ
10 Hz
0 Hz
0°
90°
Diederwinkel φ
180°
Multipletts im Haloperidol-1H NMR
Quintett J = 7 Hz
dreifaches Duplett J1 = J2 = 12.5, J3 = 4.5 Hz
breites Duplett J = 12.5 Hz
Die Intensitäten der Linien
eines Multipletts weichen oft
vom theoretischen Verhältnis
ab.
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
ppm
Systeme höherer Ordnung
Systeme höherer Ordnung entstehen:
Immer wenn die Differenz der chemischen Verschiebung zweier miteinander
gekoppelter Kerne nicht wesentlich größer als die Kopplungskonstante ist.
∆δ << ∆J
Wenn gekoppelte Kerne zwar chemisch aber nicht magnetisch äquivalent sind.
Merkmale:
Zusätzliche Linien, unterschiedliche Kopplungskonstanten für ein und dieselbe
Kopplung im gleichen Multiplett, Intensitätsverzerrungen.
AX nach AB
AB-System
AX-System
δ
Systeme höherer Ordnung
AMX
8.02
8.00
7.98
62
7.60
7.58
2.02
2.00
1.98
Systeme höherer Ordnung
ABX
8.04
8.02
8.00
7.98
7.96
7.94
2.02
2.00
1.98
Chemische Äquivalenz – magnetische Äquivalenz
Chemisch äquivalente Kerne haben identische Elektronenumgebungen also identische chemische Verschiebungen.
Auch bei unterschiedlicher elektronischer Umgebung kann es zu identischer
chemischer Verschiebung kommen – Isochronie
Beispiele:
Protonen von Methylgruppen
nicht diastereotope Protonen von Methylengruppen
R
H H
H
H
H
H
H
R'
R
H
R
Chemische Äquivalenz – magnetische Äquivalenz
Magnetisch äquivalente Kerne sind chemisch äquivalent und haben zu allen
Kopplungspartnern identische Kopplungskonstanten.
Beispiele:
R
H H
H
H
H
H
H
H
R'
AA‘BB‘
H
R
R
A2MN
R enthält keine
koppelnden Kerne
R
H
H
H
R'
Systeme höherer Ordnung
3.21
3.20
3.19
3.18
ppm
1.91
1.90
1.89
1.88
1.87
1.86
1.85 ppm
1.95 (m ?)
1.95 (ddddd, J = 11.6, 11.6, 4.4, 4.4, 3.2 Hz)
7.33, m, 2H
7.42, m, 2H
7.17, m, 2H
2.00
1.95
ppm
8.05, m, 2H
8.0
7.9
7.8
7.7
7.6
7.5
7.4
7.3
7.2
ppm
2.35 (ddd, J = 18.2, 4.0, 3.8 Hz, 1H, H-3)
Maximal 2 Stellen
nach dem Komma
2.35
3.45
Immer wenn ein Signal eines Kerns
beschrieben wird.
3.40 – 3.50
Wenn das überlagerte Signal mehrerer Kerne
beschrieben wird.
1H
14
13
NMR-Spektrum von Acetylsalicylsäure in
DMSO-d6
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
ppm
1H
7.95
7.90
NMR-Spektrum von Acetylsalicylsäure in
DMSO-d6
7.85
7.80
7.75
7.70
7.65
7.60
7.55
7.50
7.45
7.40
7.35
7.30
7.25
7.20 ppm
1H
8.0
7.5
NMR-Spektrum von m-Hydroxyacetophenon in
CDCl3
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
1H
7.55
NMR-Spektrum von m-Hydroxyacetophenon in
CDCl3
7.50
7.45
7.40
7.35
7.30
7.25
7.20
7.15
7.10
7.05
7.00
6.95
6.90
ppm
8
7
6
5
3
4
1
2
ppm
6.1
9
3.0
10
1.0
11
10.4
12
0.5
13
NMR-Spektrum von Ibuprofen in DMSO-d6
4.0
1H
1H
7.2
NMR-Spektrum von Ibuprofen in DMSO-d6
ppm
3.7
ppm
ppm
ppm
1.4
ppm
0.9
ppm
ppm
7
6
5
4
3.2
8
1.0
9
1.0
10
1.0
11
NMR-Spektrum von Vanillin in CDCl3
2.0
1H
3
2
1
0
ppm
1H
7.45
7.40
NMR-Spektrum von Vanillin in CDCl3
7.35
7.30
7.25
7.20
7.15
7.10
7.05
ppm
6.5
7.0
6.0
5.5
5.0
4.0
4.5
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
3.2
7.5
4.1
8.0
2.0
8.5
NMR-Spektrum von Benzocain in CDCl3
2.0
1H
1.0
0.5
ppm
1H
7.9
7.8
NMR-Spektrum von Benzocain in CDCl3
7.7
7.6
7.5
7.4
7.3
7.2
7.1
7.0
6.9
6.8
6.7
ppm
1H
NMR-Spektrum von Benzocain in CDCl3
4.3
4.2
4.1
ppm
1.5
1.4
1.3
ppm
1H
NMR-Spektrum von Carbromal in CDCl3
O
NH2
9.0
8.5
2.0
9.5
8.0
7.5
7.0
6.5
2.1
6.0
ppm
5.5
5.0
1.1
4.5
4.0
1.0
3.5
ppm
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
6.2
2.2
4.2
N
H
Br
1.0
O
0.5
ppm
13C
NMR-Spektroskopie
Sehr viel unempfindlicher als 1H NMR
nur 1% des natürlichen Kohlenstoffs
nur ca.1/4 der gyromagnetischen Konstante des Wasserstoffs
Unterschiede zur 1H NMR-Spektroskopie
Die Signale werden nicht integriert (Signalintensitäten variieren!).
Die Skala umfasst einen mehr als 10-fach größeren Bereich als
die der 1H NMR-Spektroskopie.
Die Signale besitzen (im Normalfall) keine Multiplizität.
1H
NMR-Spektrum von Vanillin (in CDCl3)
(Bereich der aromatischen Protonen)
7.60
7.55
7.50
7.45
7.40
7.35
7.30
7.25
7.20
7.15
7.10
7.05
7.00
6.95
6.90
pp
13C
NMR-Spektren von Haloperidol
Breitbandentkopplung zur:
Vereinfachung
Intensitätssteigerung
117
200
116
180
115
160
Vorteile: Höhere Empfindlichkeit
leichtere Interpretation
Nachteile:Informationsverlust
ppm
140
120
100
80
60
40
20
0
ppm
Die Chemische Verschiebung von
Kohlenstoff
aromatische und olefinische Verbindungen
Carbonylverbindungen
C≡N O-C-O
200
ges. Ketone
aliphatische Verbindungen
C-O
0
TMS
100
Säuren,
Säurederivate
Alkine
Aldehyde
Die Signallage hängt im Wesentlichen nur von der Hybridisierung und der
Elektronendichte ab.
aromatische und olefinische Verbindungen
Carbonylverbindungen
C≡N
H
0.20
0.00
-0.20
69.43
57.20
48.80
40.07
39.98
39.90
39.81
39.74
39.64
39.48
39.31
39.14
38.98
37.71
35.58
21.98
133.90
133.88
130.81
130.73
130.62
127.56
126.65
115.57
115.40
149.13
165.74
163.74
NMR-Spektrum von Haloperidol
198.18
13C
aliphatische Verbindungen
O-C-O
C-O
H
Cl
H
OH H H
H
H
H
N
H
H
H
H H H
H
H
H
H
O
H
H
H
F
H
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
ppm
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
61.12
56.71
56.27
50.08
42.30
39.79
39.55
38.15
37.05
36.54
36.26
35.86
31.87
28.26
27.97
27.78
24.30
23.96
22.82
21.21
21.08
19.28
18.75
11.86
73.78
122.52
139.55
169.95
Breitbandentkoppeltes 13C NMR-Spektrum
von Cholesterinacetat
CH3
CH3
O
O
70
60
50
40
30
20
10
0
ppm
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
42.31
39.55
36.54
36.26
35.86
31.87
50.08
56.71
56.27
73.78
122.52
DEPT90 13C NMR-Spektrum von
Cholesterinacetat
40
30
20
10
0
ppm
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
56.71
56.26
50.07
42.30
39.78
39.55
38.14
37.05
36.26
35.85
31.89
31.87
28.26
27.97
27.78
24.29
23.96
22.82
22.58
21.21
21.07
20.44
19.27
11.85
73.78
122.52
DEPT135 13C NMR-Spektrum von
Cholesterinacetat
70
60
50
40
30
20
10
0
ppm
13C,1H
HSQC-Spektrum von
Cholesterinacetat
ppm
0
20
40
60
80
100
120
140
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ppm
13C,1H
HSQC-Spektrum von
Cholesterinacetat
ppm
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
5
4
3
2
1
0
ppm
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