δ [ppm]

Kernresonanzspektroskopie
Seminar WiSe 2015/2016
PD Dr. Markus Nett
Nachwuchsgruppenleiter
Leibniz‐Institut für Naturstoff‐Forschung und Infektionsbiologie
E‐mail: markus.nett@hki‐jena.de
NMR = nuclear magnetic resonance
Kernmagnetische Resonanz tritt auf, wenn die Kerne (= Nuclei) bestimmter
Atomsorten (1) sich in einem statischen Magnetfeld befinden und (2) einem
zweiten oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt werden.
Voraussetzung für kernmagnetische Resonanz ist, dass
der betreffende Atomkern einen Kernspin ≠ 0 besitzt.
-2-
Was versteht man unter Spin?
• engl. to spin = kreiseln
• Der Spin ist ein gequantelter Drehimpuls.
• keine Beschränkung auf ganze Quantenzahlen (I = 0,
1
,
2
1,
3
2
, 2, usw.)
• Einzelne Protonen
Protonen, Elektronen und Neutronen besitzen einen Spin von
1
.
2
• Die Richtungen, in die der Spin zeigen kann, sind quantisiert.
• Spins können positive oder negative Vorzeichen tragen.
• Elektronen,
Elektronen die sich ein Orbital teilen
teilen, unterscheiden sich in ihrer Spinrichtung
Spinrichtung.
• Zwei oder mehr gepaarte Teilchen mit entgegengerichteten Spins haben keinen
nach
h außen
ß wirksamen
ik
S
Spin.
i
-3-
Was versteht man unter Spin?
Der Gesamtspin eines Kerns ergibt sich aus der Summe der Spins der Kernbausteine, d.h. der Protonen und Neutronen (= Nukleonen).
Berechnen Sie den Kernspin der folgenden Atomkerne:
Anz. Protonen
Anz. Neutronen
1
1
0
2
H
1
1
He
2
2
12
6
6
13
6
7
14
7
7
15
7
8
9
10
H
4
C
C
N
N
19
F
-4-
Kernspin
Magnetisches Moment
Die Rotation eines geladenen Teilchens induziert ein Magnetfeld.
Teilchen und Atomkerne, die einen Spin besitzen, verhalten sich im Magnetfeld
als hätten sie ein magnetisches Moment.
Beispiel:
der Wasserstoffkern
Ausrichtung in einem externen Magnetfeld:
≡
Energie
-5-
Magnetresonanz
Ein Übergang zwischen den beiden Energiezuständen ist möglich durch
Absorption eines Photons.
Die Energie des Photons muss dabei genau der Energiedifferenz zwischen den
beiden Zuständen entsprechen:
Aufspaltung der beiden Spinzustände
eines Kerns in einem äußeren Magnetfeld
E  h 
da
   B
folgt:
Energie
e
E  h  B
h = Plancksche Konstante


= Resonanzfrequenz
= gyromagnetisches Verhältnis
Magnetfeldstärke
B = Magnetfeldstärke
-6-
Präzessionsbewegung / Kreiselmodell
Kern-Zeeman-Niveaus
in Richtung des äußeren Feldes
entgegen dem äußeren Feld
Präzessionsbewegung
Anstoss
-7-
Prinzip der NMR-Messung (vereinfachte Darstellung)
= Relaxation
-8-
Protonenresonanzspektrum
1
H-NMR-Spektrum von Methanol
Ind
duktionssp
pannung
de
er Empfän
ngerspule
Beispiel:
Signalfrequenz [Hz]
δ [ppm] = Betriebsfrequenz [MHz]
δ [ppm]
Magnetfeldstärke
-9-
Chemische Verschiebung
abhängig von:
• Art der chemischen Bindung
• Umgebung des Kerns
Durch den Einfluss in der Nähe befindlicher Atome, deren Elektronen selbst Magnetfelder
besitzen, kann die Stärke
Sä
des ä
äußeren
ß
Feldes verringert oder verstärkt
ä werden:
Abschirmung
g
• muss durch Verstärkung des äußeren Feldes kompensiert werden
• diamagnetische Verschiebung / Hochfeldverschiebung
der Kernresonanzsignale zu kleineren δ-Werten
Entschirmung
• für die Resonanz muss die äußere Feldstärke verkleinert werden
• paramagnetische Verschiebung / Tieffeldverschiebung
der Kernresonanzsignale zu größeren δ-Werten
Werten
- 10 -
Chemische Verschiebung und Elektronegativität
Elektronegativität von X nimmt zu
Elektronendichte um HA nimmt ab
chemische Verschiebung von HA nimmt zu
- 11 -
Chemische Verschiebung
Beispiel:
1
H-NMR-Spektrum von Methanol
CH3
hohes Feld
tiefes Feld
OH
δ [ppm]
- 12 -
Charakteristische Bereiche 1H chemischer Verschiebungen
δ [ppm]
[
]
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
TMS
CH3 gesättigt
CH2 gesättigt
CH gesättigt
CH3-C-X
CX
CH3-C=
CH3-C=O
CH3-Aryl
CH3-S, N
HC≡
CH3-OH2C=
HC=
H-Aromatisch
H-Heteroaromatisch
R-CHO
R-CO2H
δ [ppm]
- 13 -
Magnetische Anisotropie
Ringstrom der π-Elektronen
+
–
–
+
B0
Abschirmung
Entschirmung
Signalstärke
Innerhalb eines 1H-NMR-Spektrums verhalten sich die Flächen der Signale
einer Substanz wie die Anzahl der Protonen, die diese Signale verursachen.
CH3
OH
3
1
δ [ppm]
- 15 -
Spin-Spin-Kopplung
Aufspaltung der Signale best. Wasserstoffatome in mehrere Linien
Beispiel:
p
1
H-NMR-Spektrum
p
von Ethanol
- 16 -
Signal-Aufspaltungen erster Ordnung
Benachbarte Kernspins treten über die Polarisation der Bindungselektronen
miteinander in Wechselwirkung (= indirekte Spin-Spin-Wechselwirkung).
Beispiel:
zwei magnetisch
g
äquivalente
q
Kerne A befinden sich in Nachbarschaft zum Kern X
X
AA
b i X wirken
bei
ik d
dreii unterschiedliche
t
hi dli h M
Magnetfelder
tf ld
Aufspaltung in ein Triplett
Intensitäts erhältnis = 1 : 2 : 1
Intensitätsverhältnis
- 17 -
Aufspaltungsregeln für Kerne mit einem Spin von ½
1. Isochrone Kerne koppeln nicht miteinander.
2. Bei Kernen, die drei oder weniger Bindungen entfernt sind, ist üblicherweise eine
Signalaufspaltung
g
p
g aufgrund
g
von skalarer Kopplung
pp g zu erwarten.
3. Der Abstand zwischen den Resonanzlinien heißt Kopplungskonstante J.
4. Bei Kopplung mit n benachbarten Kernen spaltet das Signal in n+1 Linien auf,
deren Intensitäten dem Pascalschen Dreieck entnommen werden können.
- 18 -
Signal-Aufspaltungen erster Ordnung
Multiplizität
Bezeichnung
Intensitäten
1
Singulett (s)
1
2
Dublett (d)
1:1
3
Triplett (t)
1:2:1
4
Quartett (q)
1:3:3:1
5
Quintett
1:4:6:4:1
6
Sextett
1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1
...
...
...
- 19 -
Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren
1. Bestimme die chemische Verschiebung δ aller Signale
i.
Protonenresonanzen durchnumerieren
ii.
δ-Werte
Werte in einer Tabelle anordnen
iii.
δ-Werte auf zwei Dezimalstellen genau angeben
iv
iv.
bei Multipletts entspricht das arithmetische Mittel aller Resonanzlinien
der chemischen Verschiebung
2. Bestimme die Multiplizitäten und die J-Werte
3. Bestimme die Signalintensitäten
4. Kombiniere die strukturellen Informationen
- 20 -
Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren – Beispiel
3
2
1
δ [ppm]
Signal #
δ [ppm]
M
Intensität
1
11.73
Singulett
1
2
2.38
Quartett
2
3
1 16
1.16
T i l tt
Triplett
3
- 21 -
Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren – Beispiel
Informationen aus Signal 1:
integrale Intensität 1 → 1 Proton
Singulett
→ keine Protonen in
direkter Nachbarschaft
δ = 11.73 ppm
→ das kann nur das H-Atom
einer Säurefunktion sein
Informationen aus Signal 2:
integrale
g
Intensität 2 → 2 Protonen
Quartett
→ 3 benachbarte Protonen
(z.B. CH3-Gruppe)
δ = 2.38 ppm
→ evtl. CH2-Gruppe
Informationen aus Signal 3:
integrale Intensität 3 → 3 Protonen
Triplett
→ 2 benachbarte Protonen
(z.B. CH2-Gruppe)
δ = 1.16
1 16 ppm
→ evtl.
tl CH3-Gruppe
G
Si
Signal
l#
δ [ppm]
[
]
M
I t
Intensität
ität
1
11.73
Singulett
1
2
2 38
2.38
Quartett
2
3
1.16
Triplett
3
Übungsaufgabe 1
Handelt es sich bei dem abgebildeten 1H-NMR-Spektrum um 1-Propanol oder
um Isopropanol? Begründen Sie Ihre Entscheidung!
δ 3.58 ppm
δ 0.94 ppm
δ 1.57 ppm
δ 2.26 ppm
- 23 -
Übungsaufgabe 2
Od
Ordnen
Sie
Si d
den H
H-Atomen
At
des
d Thymols
Th
l die
di
jeweils zugehörigen 1H-NMR-Signale zu!
TMS
X
δ [ppm]
- 24 -
Übungsaufgabe 3 – Signalzuordnung Eugenol
TMS
X
δ [ppm]
- 25 -
Substituenteneinflüsse
Steigt die Elektronendichte infolge induktiver oder mesomerer Effekte an, so führt dies zu
einer erhöhten Abschirmung und damit zu einer Hochfeldverschiebung.
"+I"
≡
–I < +M
(-)
(-)
(-)
"+I"
Elektronendonatoren an Doppelbindungen erhöhen die Elektronendichte am β-C-Atom
und bewirken damit eine Hochfeldverschiebung (Abschirmung).
Elektronenakzeptoren an Doppelbindungen erniedrigen die Elektronendichte am β-C-Atom
und bewirken damit eine Tieffeldverschiebung (Entschirmung).
- 26 -
Inkrement-System zur Abschätzung von 1H-Verschiebungen
Spin-Kopplungen
Atomkerne koppeln (im Normalfall) über chemische Bindungen.
1
J = skalare Kopplungen
2
J = geminale Kopplungen
3
J = vicinale Kopplungen
4
J = allylische Kopplungen
5
J = homoallylische Kopplungen
Fernkopplungen
Mit steigendem Bindungsabstand wird die Kopplung i.d.R. schwächer,
d.h. der Betrag von J wird kleiner. Daneben hängt die Größe der Kopplung
auch von sterischen und elektronischen Faktoren ab.
- 28 -
Spin-Kopplungen & Kopplungskonstanten
Signal-Aufspaltungen höherer Ordnung
liegen vor, wenn die Signale der koppelnden 1H-Atome im 1H-NMR-Spektrum
nahe beieinander liegen.
Aufspaltungen erster Ordnung:
Δν /J > 10
• Atome werden mit am Anfang und Ende des Alphabets liegenden Buchstaben
bezeichnet, z.B. HA und HX
• Die Zahl der Protonen wird durch Indizes gekennzeichnet.
Aufspaltungen höherer Ordnung:
Δν /J < 10
• Atome werden nur mit am Anfang des Alphabets liegenden Buchstaben
bezeichnet, z.B. HA und HB
- 30 -
Signal-Aufspaltungen höherer Ordnung
AB-Systeme bestehen aus Linien, von
welchen die äußeren weniger
g intensiv sind
als die inneren und die symmetrisch
angeordnet sind. => Dacheffekt
Strichspektren eines AB-Systems bei festgehaltener
K
Kopplung
l
JAB und
d variablem
i bl
V
Verhältnis
hält i Δν/J
Δ /J
- 31 -
57
29
88
59
4000
3000
2000
1500
1000
500
cm-1
Übungsaufgabe 4
Identifizieren Sie die
Verbindung anhand
ihrer Spektren!
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
ppm
1.5
1.0
0.5
0.0
Übungsaufgabe 5
Identifizieren Sie die Verbindung
anhand ihrer Spektren!
Summenformel: C3H7NO2
4000
3000
2000
1500
1000
500
cm-1
Messung in D2O
(OH-Gruppen werden nicht detektiert!)
δ [ppm]
Übungsaufgabe 6 + Übungsaufgabe 7
Eine flüchtige Verbindung, C8H14O, besitzt eine starke IR-Absorptionsbande bei 1717 cm-1. Das 1H-NMRSpektrum zeigt Signale bei δH 1.65 (3H, s), 1.72 (3H, s), 2.15 (3H, s), 2.40 (4H, m) und 5.20 (1H, t) ppm.
Ozonolyse der Verbindung liefert u.a. Propanon. Die Umsetzung mit Iod im Alkalischen gibt Iodoform.
Welche Rückschlüsse können aus (a) der Summenformel, (b) dem IR-Spektrum, (c) dem 1H-NMRgezogen
g werden? ((e)) Machen Sie anhand Ihrer Ergebnisse
g
Spektrum und ((d)) den chemischen Reaktionen g
einen Strukturvorschlag für die flüchtige Verbindung!
Die Hydrolyse einer Substanz lieferte eine aromatische Verbindung, C9H10O4, die in wäßrigem NaHCO3
löslich ist. Die Verbindung besitzt im IR-Spektrum Absorptionsbanden bei 2700 (breit), 1690 und 1600 cm-1.
Das 1H-NMR-Spektrum
H NMR Spektrum zeigt Resonanzen bei δH 3.85
3 85 (6H)
(6H), 6.62
6 62 (1H) und 7
7.15
15 ppm (2H) sowie ein breites
Signal bei δH 10.20 ppm (1H). Letzteres verschwand, nachdem die Probe mit D2O versetzt wurde. Eine
genaue Analyse des Signals bei δH 6.62 ppm ergab, dass es sich um ein schmales Triplett handelt (J = 1.5
Hz), während das Signal bei δH 7.15 ppm als Dublett aufgespalten ist (J = 1.5 Hz). Machen Sie basierend
auf den gegebenen Daten einen Strukturvorschlag und erläutern Sie die Signalaufspaltung im 1H-NMRSpektrum!
- 34 -
Übungsaufgabe 8 + Übungsaufgabe 9
Im Rahmen einer Synthese fiel als Nebenprodukt eine Verbindung mit der Summenformel C7H16O an. Das
EI-Massenspektrum der Substanz zeigt zwei deutliche Fragmentionen bei m/z 57 und m/z 45. Signifikante
IR-Absorptionsbanden wurden bei 3363 (breit) und 2958 cm-1 detektiert. Das 1H-NMR-Spektrum zeigt
Resonanzen bei δH 0.96 (9H, s), 1.19 (3H, d, J = 6.2 Hz), 1.34 (1H, dd, J = 14.4 und 3.4 Hz), 1.42 (1H, dd, J
), 1.91 (1H,
( , br s)) und 3.96 pp
ppm ((1H,, m).
) Welche Rückschlüsse können aus (a)
( ) der
= 14.4 und 7.6 Hz),
Summenformel, (b) dem IR-Spektrum und (c) dem 1H-NMR-Spektrum gezogen werden? (d) Machen Sie
einen Strukturvorschlag für die Verbindung! (e) Worauf sind die beiden Fragmentionen zurückzuführen?
Durch Wasserdampfdestillation von Anisfrüchten und anschließende Flash-Chromatographie des
gewonnenen ätherischen Öls an Kieselgel wurde eine Verbindung mit der Summenformel C10H12O isoliert.
Das IR-Spektrum zeigt deutliche Absorptionsbanden bei 1609, 1511 und 840 cm-1. Eine 1H-NMR-Messung
liefert Resonanzen bei δH 1.82 (3H, d, J = 6.6 Hz), 3.73 (3H, s), 6.06 (1H, m), 6.32 (1H, d, J = 15.6 Hz), 6.80
(2H d
(2H,
d, J = 8.6
8 6 Hz) und 7.22
7 22 ppm (2H,
(2H d
d, J = 8.6
8 6 Hz)
Hz). Nach Ozonolyse konnte Acetaldehyd identifiziert
werden. Welche Rückschlüsse können aus (a) der Summenformel, (b) dem IR-Spektrum, (c) dem 1H-NMRSpektrum und (d) der chemischen Reaktionen gezogen werden? (e) Machen Sie anhand Ihrer Ergebnisse
einen Strukturvorschlag!
- 35 -
13C-NMR
NMR--Spektroskopie
- 36 -
Allgemeine Grundlagen
 geringe natürliche Häufigkeit von 13C (1.1%)
 γ(13C)) ~ ¼ γ(1H))
 Signal-Dispersion aufgrund der heteronuklearen 1H-Kopplung
C–C–C–C
~ 96% aller Moleküle sind NMR-insensitiv (I = 0)
C–C–C–C
~ 1%
C–C–C–C
~ 1%
Diese Isotopomere werden beim
C–C–C–C
~ 1%
„Standard“-13C NMR-Experiment detektiert.
C–C–C–C
~ 1%
C–C–C–C
~ 0.01%
C–C–C–C
~ 0.01%
nur mit speziellen Verfahren messbar
......................
C–C–C–C
~ 0.000001%
- 37 -
Steigerung der Empfindlichkeit von 13C NMR-Messungen
Um den Einfluss der Protonen auf die C-Atome auszuschalten, wird ein breites Frequenzband in den Protonenkanal des Spektrometers eingestrahlt. Dazu moduliert man die
eingestrahlte
i
t hlt elektromagnetische
l kt
ti h S
Schwingung
h i
mitit niederfrequentem
i d f
t
R
Rauschen.
h
Diese Technik nennt man Entkopplung.
Das 13C NMR-Spektrum zeigt nur noch einzelne diskrete Linien
für jedes magnetisch nicht-äquivalente C-Atom.
Das Signal-Rausch-Verhältnis nimmt zu, da nJC,H zusammenfällt.
- 38 -
Aufnahme von13C NMR-Spektren über 1H-Breitbandentkopplung
Breitband-entkoppelt
„Standard“-Messung
- 39 -
13C
NMR vs. 1H NMR-Spektroskopie
Besonderheiten von 13C NMR-Spektren
 üblicherweise keine Kopplungsinformation
 großer chemischer Verschiebungsbereich (0 – 240 ppm)
 Signalintensitäten korrelieren i.d.R. nicht mit der Anzahl der
äquivalenten Kerne
Die 13C chemische Verschiebung
g hängt
g ab von
•
dem Hybridisierungsgrad des C-Atoms (sp3, sp2, sp)
•
Substituenteneffekten
•
der Elektronendichte
- 40 -
Einfluss des Hybridisierungsgrades
δ sp2
C=C
C O
C=O
C=S
C=N
~ 90 – 160 ppm
~ 150 – 220 ppm
~ 180 – 240 ppm
~ 110 – 160 ppm
δ sp
>
C≡C
C≡N
~ 50 – 110 ppm
~ 105 – 120 ppm
- 41 -
>
Alkyl
δ sp3
~ 0 – 80 ppm
Substituenteneinflüsse
• steigende Alkylsubstitution führt zur Entschirmung
δ Cquartär > δ Ctertiär > δ Csekundär > δ Cprimär > δ CH4
• elektronegative Substituenten führen zur Entschirmung
CH3F
75 ppm
CH3Cl
25 ppm
CH3Br
10 ppm
CH3I
- 21 ppm
Extrembeispiele:
→
'Schweratomeffekt'
CF4
119 ppm
CI4
-292 ppm
(Hochfeldverschiebung)
• γ-Effekt
Abschirmung des C
C-Atoms
Atoms in γ-Stellung
γ Stellung zu X (X = OH
OH, Cl,
Cl CO
CO,...))
63
HO α
β
33
26
30
23
γ
29
32
- 42 -
CH3
14 ppm
Einfluss der Elektronendichte
Je geringer die Elektronendichte, desto größer die chemische Verschiebung.
156 ppm
128.5 ppm
100 ppm
-
+
- 43 -
Charakteristische Bereiche 13C chemischer Verschiebungen
- 44 -
13
C NMR-Spektroskopie – Inkrementberechnungen
Abschätzung der 13C-chemischen
C chemischen Verschiebungen
in substituierten Benzolen
Berechnung für m-Kresol
13
C NMR-Spektroskopie – Spektrenauswertung
• Anzahl der Signale = Anzahl der magnetisch nicht-äquivalenten C-Atome
• δ -Werte erlauben Rückschlüsse auf die Art der C-Atome
C ((aliphatisch))
~ 0 – 40 ppm ((CH3 < CH2 < CH < Cquart.)
C–N
~ 50 ppm
C–O
~ 60 ppm
C≡C
~ 65 – 85 ppm
C (olefinisch)
~ 100 – 150 ppm
C (aromatisch)
~ 110 – 150 ppm
C (Ester, Amid, Säure)
~ 160 – 180 ppm
y , Keton))
C ((Aldehyd,
> 180 pp
ppm
• Signalgröße kann ein Hinweis auf quarternäre C-Atome sein
- 46 -
1H-entkoppeltes 13C
1
NMR-Spektrum von Hex-1-in
6
HC≡C-CH
HC≡C
CH2-CH
CH2-CH
CH2-CH
CH3
2
- 47 -
4
1
536
Übungsaufgabe 10
Wie viele Signale erwarten Sie in den 13C NMR-Spektren folgender Verbindungen?
- 48 -
Übungsaufgabe 11
Abgebildet ist das 1H-entkoppelte 13C NMR-Spektrum einer organischen Verbindung (m/z 88).
Um was für eine Substanz handelt es sich?
60.4
14.3
171.1
21.0
Übungsaufgabe 12
Nach mehrstündigem Erhitzen eines Gemisches aus Essigsäureanhydrid, Salicylaldehyd
(= 2-Hydroxybenzaldehyd) und Natriumacetat wurde eine in Wasser schlecht lösliche
V bi d
Verbindung
mitit h
heuartigem
ti
G
Geruch
h erhalten.
h lt
IIm IR
IR-Spektrum
S kt
war eine
i d
deutliche
tli h
Absorptionsbande bei 1729 cm-1 zu sehen. LC-ESI-MS lieferte ein Pseudomolekülion mit
p
zeigte
g Signale
g
bei δH 6.36 ((1H,, d,, J = 9.6 Hz),
),
m/z 147 [[M+H]]+. Das 1H-NMR-Spektrum
7.22 (1H, d, J = 8.4 Hz), 7.23 (1H, t, J = 7.7 und 7.4 Hz), 7.46 (1H, d, J = 7.7 Hz), 7.47
(1H, t, J = 8.4 und 7.4 Hz) und 7.70 ppm (1H, d, J = 9.6 Hz). Im 13C-NMR-Spektrum
wurden neun Resonanzen registriert: bei 116.7, 116.8, 118.9 124.4, 128.0, 131.8, 143.5,
154.1 und 160.6 ppm. Um was für eine Verbindung handelt es sich?
- 50 -