Grundlagen der Eindimensionalen NMR-Spektroskopie

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1 Kursinhalt: Literatur Grundlagen der Eindimensionalen NMR-Spektroskopie Spektroskopische Methoden Qualitative Einführung in die NMR-Spektroskopie Mathematische / Physikalische Aufbau eines NMR-Spektrometers Prof. arald Schwalbe schwalbe@nmr.uni-frankfurt.de & Dr. hristian Richter ric@nmr.uni-frankfurt.de Messparameter: hemische Verschiebung Messparameter: Spin-Spin-Kopplung Verwendung von Tabellen und Inkrementsystemen Auswertung von eindimensionalen -NMR-Spektren Arbeiten mit Datenbanken Anwendungsbeispiele Seite Literatur Spektroskopische Methoden Einführung: D.. Williams & Ian Flemming, Strukturaufklärung in der organischen hemie, 99, Thiem. W.-D. erzog & M. Messerschmidt, NMR-Spektroskopie für Anwender; 995, V, Weinheim. Zuordnungshilfen und Übungsaufgaben M. esse,. Meier, B. Zeeh; Spektroskopische Methoden in der organisichen hemie; 00, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Spektrometric Identification of organic compounds, 005, Wiley, USA. E. Breitmaier, Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen, 005, Wiley- V. T. N. Mitchell & B. ostisella, NMR From Spectra to Structure, 007, Springer. L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalmann, Organic Structures from Spectra, 008, Wiley, England. Weiterführende Literatur. Günther, NMR-Spektroskopie, Thieme Verlag. T. D. W. laridge, igh-resolution NMR Techniques in Organic hemistry, 005, Elsevier. orst Friebolin, Ein- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie. Eine Einführung, 006, Wiley- V. N. E. Jacobsen, NMR Spectroscopy explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic hemistry and Structural Biology, 007, Wiley, England. Seite 3 Einstrahlung: ΔE = h ν λ = c ν Energie h = Planck Konstante, ν = Frequenz (Resonanzfrequenz) c = Lichtgeschwindigkeit λ = Wellenlänge γ-rays ΔE = E E λ Wellenlänge (cm) NMR E E x-rays UV VIS IR μ-wave radio Detektion Seite 4

2 Spektroskopische Methoden sichtbares Licht; UV-Strahlung µm 0nm 3*0 4 3*0 6 z Änderung des Zustandes der äußeren Elektronen Infrarotstrahlung 00µm µm 3*0 3*0 4 z Änderung des Schwingungszustandes Mikrowellen cm 00µm 30Gz 3*0 z Änderung des Rotationszustandes Mikrowellen m cm 300Mz -30Gz Änderung des Elektronenspinzustandes Radiowellen 00m m 3Mz 300 Mz Änderung des Kernspinzustandes Spektroskopische Methode EM-Strahlung Wellenlänge Frequenzbereich untersuchte Eigenschaft Gammastrahlung 00pm pm 3*0 8 3*0 0 z Änderung des Kernzustandes Röntgenstrahlung 0nm 00pm 3*0 6 3*0 8 z Änderung des Zustandes der Rumpfelektronen Gammasspektroskopie Röntgenspektroskopie UV-Spektroskopie IR- und Ramanspektroskopie Mikrowellenspektroskopie Elektronenspinreso nanz (ESR/EPR) Kernresonanzspektroskopie (NMR) NMR-Spectroscopy = Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy oder = Kernresonanzspektroskopie Quelle: Seite 5 Seite 6 NMR, was ist das? NMR, was ist das? Quelle: Bruker Prospekt Seite 7 Quelle: Bruker Prospekt Seite 8

3 Physikalische Grundlagen: Kernspin Physikalische Grundlagen: Kernspin Die meisten Kerne haben einen Kern- oder Eigendrehimpuls p. In der klassischen Vorstellungsweise rotiert der kugelförmig angenommene Atomkern um die Kernachse. Aus der Quantenmechnik folgt, dass der Drehimpuls gequantelt ist: p p = h/π * I(I+) h = Plancksches Wirkungsquantum I = Kernspinquantenzahl (I = 0, /,, 3/,...6) () Seite 9 Atomkerne bestehen aus Neutronen und positiv geladenen Protonen, sodass ein Atomkern ein magnetisches Moment besitzt, wenn er um die Kernachse dreht (engl. spin). Die Drehbewegung eines Atomkerns ist bestimmt durch die Kernspinquantenzahl I. Man unterscheidet drei Fälle:. Kerne mit gerader Anzahl an Neutronen und gerader Anzahl an Protonen I = 0, z.b., 6 O. 3 S.... Kerne mit ungerader Anzahl an Neutronen und gerader Anzahl an Protonen oder umgekehrt. I = /, z.b, 3, 5 N, 9 F, 3 P, 77 Se, 3 d, 9 Sn... I = 3/, z.b. 7 Li, 9 Be, B, 3 Na, 33 S, 35 l, 37 l... I = 5/, z.b. 7 O, 5 Mg, 7 Al, 55 Mn Kerne mit ungerader Anzahl an Neutronen und ungerader Anzahl an Protonen I =, z.b., 6 Li, 4 N... Seite 0 Physikalische Grundlagen: Kernspin Physikalische Grundlagen: Kernspin Mit dem Kerndrehimpuls p ist ein Das Verhältnis aus magnetischen Moment µ und dem Kernspin p ist p μ magnetisches Moment µ verknüpft. Beides sind vektorielle Größen, die einander proportional sind: eine Naturkonstante und heißt gyromagnetisches Verhältnis γ: γ = µ () p µ = γ p () Das gyromagnetische Verhältnis γ ist bei jedem Isotop anders. Von γ Für die meisten Kerne zeigen Kerndrehimpuls und magnetisches Moment in die gleiche Richtung; sie sind parallel. In einigen Fällen stehen sie antiparallel, z.b: 5 N oder 9 Si. Seite hängt die Nachweisempfindlichkeit eines Kernes im NMR-Experiment ab: Kerne mit großem γ werden als empfindlich, solche mit kleinem γ als unempfindlich bezeichnet. Vorausgesetzt: Die natürliche äufigkeit ist ebenfalls hoch. Seite

4 Physikalische Grundlagen: Kernspin Physikalische Grundlagen: Kernspin Aus Gleichung und erhält man für das magnetische Moment µ: µ= γ * I(I+) * h/π (3) Isotop Spinquantenzahl I Anzahl der möglichen Zustände ( * I+) Magnetquantenzahl Kerne mit einer Kernspinquantenzahl I = 0 haben folglich kein magnetisches Kernmoment Das heißt, die auptbausteine der organischen Verbindungen wie und 6 O sind NMR-spektroskopisch nicht nachweisbar., 3, 5 N, 9 F, 3 P ½ + ½, - ½ 3 +, 0, - Seite 3 Seite 4 Kerne im statistischen Magnetfeld Kerne im statistischen Magnetfeld m= + ½ m= - ½ Im Magnetfeld werden die Kernspins entlang der magnetischen Feldachse ausgerichtet. Die Anzahl möglicher Orientierungen ist abhängig von der Kernspinquantenzahl I: (I+). Beispiel für I=/: Zustände: m=+ / oder m = -/ m = Orientierungsquantenzahl Die Kerndipole präzedieren um die z- Achse, die der Richtung des Magnetfeldes B 0 entspricht. Sie benehmen sich wie ein Kreisel Die Frequenz, mit der die Kerne drehen, wird Lamor-Frequenz ν genannt. m= +/: µ z ist parallel zu B 0 ; dies ist energetisch günstiger α-zustand. Seite 5 m= -/: µ z ist antiparallel zu B 0 ; dies ist energetisch ungünstiger β-zustand Seite 6

5 Makroskopische Magnetisierung Makroskopische Magnetisierung z, B 0 z, B 0 m=-/ m=-/ m=+/ m=+/ E E Im klassischen Bild präzedieren die Kerne auf einem Doppelresonanzkegel um die Feldrichtung z. Im klassischen Bild präzedieren die Kerne auf einem Doppelresonanzkegel um die Feldrichtung z. Seite 7 Seite 8 Physikalische Grundlagen: Energiezustände Physikalische Grundlagen: Population Ohne Magnetfeld B 0 = 0 Mit Magnetfeld B 0 > 0 m = - ½ = β Zustand Jeder Zustand ist verschieden besetzt (Population N) und der Energieunterschied ist durch die Boltzmann-Verteilung gegeben: N α / N β = e ΔE / kt ΔE = γ. h/π. B 0 ΔE ist für bei 400 Mz (B 0 = 9.5 T) gleich 3.8 x 0-5 Kcal / mol m = + ½ = α Zustand Die Energielevels werden Zeeman levels genannt. N α / N β = Der energieärmere parallele Zustand (α) ist geringfügig stärker besetzt als der energiereichere antiparallel Zustand (β). Seite 9 Im Vergleich zu anderen Spektroskopien, wie UV oder IR, ist dieser Populationsunterschied sehr klein. Aus diesem Grund ist NMR viel unempfindlicher als andere Spektroskopiearten. Seite 0

6 Makroskopische Magnetisierung Makroskopisches Signal z z y x B o = = = y M o x B o Die Magnetisierung präzediert bei einer bestimmten Frequenz, abhängig von: - der Kernsorte - der elektronischen Umgebung im Molekül x z M y Summiert man die z-komponente aller magnetischen Kernmomente µ einer Probe, so ergibt sich eine makroskopische Magnetisierung M 0 in Feldrichtung B 0. z z M o B x x Magnetisierung relaxiert ins Gleichgewicht Signaldetektion: FID ("Free Induction Decay") shows: x z M y B y ω o M 0 B 0 B y = Magnetisierungsvektor = statisches Magnetfeld = Transversalfeld M xy ω o Seite - Lamorfrequenz ν - Signalreduktion aufgrund der Relaxation T =/ν time Seite Physikalische Grundlagen: Resonanzbedingung Was beobachten wir? Zur Änderung der Population muss eine elektromagnetische Welle (ΔE = h. ν) (Radiowelle) eingestrahlt werden. Somit lautet die Resonanzbedingung: ΔE (Einstrahl.) = ΔE (Magn.) h. ν = γ. h/π. B 0 Die Energiezustände im Magnetfeld sind abhängig von: Kernsorte Magnetfeld B 0 Resonanzfrequenz: ν = γ/π. B 0 γ( ) = 6,753 rad /G γ( 3 ) = 6,78 rad /G E -Aufspaltung 3 -Aufspaltung B 0 -Feld Das ergibt die Resonanzfrequenz: ν = γ/π. B 0 Seite 3 hat eine höhere Frequenz als 3 bei gleichem Magnetfeld ist empfindlicher als 3 bei gleichem Magnetfeld Seite 4

7 Erfüllung der Resonanzbedingung -NMR Spektrum von Ethanol Früher: konstantes Magnetfeld; Frequenz wird verändert, bis Resonanzbedingung erfüllt ist. (continous wave) eute: Mit einem elektromagnetischen Impuls von sehr kurzer Dauer (ca. 0µs) werden alle Frequenzen zur gleichen Zeit angeregt. Die Kerne relaxieren und ein FID (Free Induction Decay) wird aufgenommen. Durch die mathematische Operation Fourier Transformation (FT) wird aus dem FID das NMR-Spektrum kalkuliert. Ein Signal für jedes Proton bzw. jede Gruppierung von Protonen. Verhalten des Kernspins im Magnetfeld wird beobachtet O FT Zeitsignal Frequenzsignal oder chemische Verschiebung Seite PPM 0 Seite 6 Aufbau eines Spektrometers Aufbau eines Spektrometers: Magnet Empfänger Frequenzgenerator Supraleitender Magnet: eliumgekühlte Magnetspule (4. K): kein ohmscher Widerstand (Supraleiter) Aktuell sind Magneten von 300 bis 950 Mz -Frequenz erhältlich. Quelle: N. E. Jacobsen NMR Spectroscopy explained Seite 7 Quelle: Bruker Beginner guide Seite 8

8 Leiter für Magnete Aufbau eines Spektrometers: Probenkopf Innere Spule: Äußere Spule: 3 u Nb (NbTaTi) 3 S (NbTaTi) 3 Sn-Leiter n Bündel NbTi-Leiter ~ Filamente 66 Filamente Seite 9 Quelle: N. E. Jacobsen NMR Spectroscopy explained Seite 30 Probenvorbereitung a. 0mg Substanz in geeignetem Lösungsmittel aufnehmen Deuterierte Lösungsmittel verwenden Effekt unterschiedlicher Feldstärken-Beispiel : Mischung von Ölsäurederivaten R-( ) 6 - -O-X X=l & X=OO & X=O-NR 400 Mz 600 Mz 900 Mz 0.% TMS als Standard zur Referenzierung hinzugeben Probenvolumen: ca. 550 µl (40mm Füllhöhe) in 5mm Röhrchen Festkörper erzeugen breite NMR-Signale. Dies gilt auch für nicht gelöste Stoffe. Verunreinigungen machen NMR-Spektren unnötig kompliziert und sollten vorher entfernt werden. Die Probe muss frei von magnetischen Verunreinigungen sein ppm ppm ppm Seite 3 Seite 3

9 Informationen aus -NMR-Spektren Effektive Resonanzfrequenz hemische Verschiebung Exakte Resonanzfrequenz hemische Umgebung Spin-Spin-Kopplung Multiplizität Zuordnung der Spinsysteme Intensität Integration Linienbreite Relaxation Austauschphänomene Exakte Resonanzfrequenz hängt in charakteristischer Weise von der Kernumgebung (Elektronenwolke) ab. effektive Magnetfeldstärke: B eff = B 0 σ. B 0 σ = Abschirmungskonstante Resonanzbedingung: ν eff = γ/π. B 0. ( σ) Starke Abschirmung (σ groß) ν wird kleiner (B 0 = konstant) Seite 33 Seite 34 Abschirmungskonstante σ hemische Verschiebung σ = σ dia + σ para + σ N + σ R + σ e + σ i Diamagnetischer Abschirmungsterm σ dia : Einfluss der kugelsymetrischen Ladungsverteilung der umgebenden Elektronenwolke Paramagnetischer Abschirmungsterm σ para : Einfluss der nicht-kugelsymetrischen Ladungsverteilung der umgebenden Elektronenwolke Die magnetische Anisotropie von Nachbargruppen (σ N ) Der Ringstromeffekt der Aromaten (σ R ) Der elektrische Effekt (σ e ) Intermolekulare Wechselwirkungen (σ i ) wie beispielsweise Wasserstoffbrücken und Lösungsmittel die Abschirmungskonstante σ läst sich nicht vorhersagen Seite 35 ν (Substanz) ν (TMS) δ (Substanz) =. 0 6 ppm ν (TMS) (part per million) Beispiel Ethanol: δ groß: tiefes Feld hohe Frequenz geringe Abschirmung δ O- - 3 TMS: 3 3 Si 3 3 δ klein: hohes Feld niedrige Frequenz starke Abschirmung Seite 36

10 Ursachen der hemischen Verschiebung Elektronegativität NMR- Spektrum: 0 0 Frequenz Entschirmung + Ladung -I, -M Effekt Tieffeldshift δ [ppm] TMS Abschirmung -Ladung +I, +M Effekt ochfeldshift Quelle: W-D. erzog NMR-Spektroskopie für Anwender Seite 37 Je höher die Elektronegativität eines Atoms, desto mehr wirkt ein Ligand elektronenziehend. Resultat: geringere Elektronendichte Atomkern wird einem stärkeren lokalen Magnetfeld ausgesetzt Mehr Entschirmung Mehr Energie ist notwendig für die Resonanzbedingung: höhere Frequenz (höhere ppm-werte) Einfluss der Elektronegativität nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab. Beispiel δ ( 3 ) : 3 -F = 4. ppm; 3 -l =.8 ppm; 3 -Br =.5 ppm; 3 -I = ppm Seite 38 Induktive Effekt Mesomere Effekt Elektronegativität einzelner funktioneller Gruppen I-Effekt: Elektronegativität der Gruppe ist größer Elektronendichte der Umgebung wird kleiner +I-Effekt: Elektronegativität der Gruppe ist kleiner Elektronendichte der Umgebung wird größer Beispiele: I-Effekt: -N, -O, -N, -O- 3, -O, -NO +I-Effekt: - 3 Ungesättigte Verbindungen (Doppelbindungen, Aromaten) Mesomere Grenzstrukturen Wirkt über mehrere Bindungen M-Effekt: erniedrigt negative Ladungsdichte, mehr Entschirmung (höhere ppm-werte) +M-Effekt: erhöht negative Ladungsdichte, mehr Abschirmung (niedrige ppm-werte) Beispiele: M-Effekt: -N, -O, -NO +M-Effekt: -N, -alogene, -O- 3, -O Seite 39 Seite 40

11 δ-skala für verschiedene Kerne NMR-Spektren bei verschiedenen Feldern Für Protonen: ~ 5 ppm In Frequenz-Einheit (ertz) Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 4 Quelle: N. E. Jacobsen NMR Spectroscopy explained Seite 4 NMR-Spektren bei verschiedenen Feldern hemische Verschiebung Alkane, Methylenprotonen ( ) In ppm - Einheit Näherung (Shoolery Regel): δ(y Z) = 0,3 + σ Y + σ Z Beispiel: d = Δ ν δ (ppm) =. 0 6 Messfrequenz Quelle: N. E. Jacobsen NMR Spectroscopy explained Seite 43 Br δ ( ) = 0,3 +,83 +,33 = 4,39 ppm Gemessen: 4.43 ppm Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite 44

12 hemische Verschiebung Alkane, Methinprotonen () δ(y Z) =.50 + σ X + σ Y + σ Z X Beispiel: 3 O 3 O 3 -NMR Spektrum von Ethanol 3 - -O Ein Signal für jedes Proton bzw. jede Gruppierung von Protonen. Verhalten des Kernspins im Magnetfeld wird beobachtet. δ() =.50 +,4 +,4 + 0,00 = 4,78 ppm Gemessen: 4.7 ppm Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite PPM 0 Seite 46 Spin-Spin-Kopplung Spin-Spin-Kopplung: Energiediagramm Signalaufspaltung aufgrund von Wechselwirkungen mit Nachbarkernen, die ein magnetisches Moment besitzen. Kopplung zweier Kerne erfolgt durch die Bindung des Moleküls (skalare Kopplung). omonukleare Kopplung: gleiche Kernsorte, z.b. - eteronukleare Kopplung: Kerne verschiedener Elemente, z.b Kopplungskonstante ist unabhängig vom Magnetfeld B 0. Energiediagramm für zwei koppelnde Kerne I und S. Jeder Spin hat zwei Energiezustände. αβ I S ββ S I αα Der Abstand zwischen den Signalen ist die Kopplungskonstante (J) in z. βα J (z) I J (z) S Seite 47 Seite 48

13 Kopplungen als Zuordnungshilfe Multiplizitätsregel für I = ½ Spins Durch die Signalaufspaltung aufgrund der Kopplung lassen sich Resonanzen (Signale) zuordnen. Das gekoppelte Ethanol-Spektrum: Keine Kopplung zu O triplett Multiplizität = n + (n = Anzahl äquivalenter Nachbarkerne) O- - 3 : Kopplung zu 3 Protonen quartett (= 3 + ) singulett quartett 3 : Kopplung zu Protonen triplett (= + ) O 3 δ Seite 49 Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite 50 Kopplungskonstante Analyse von einfachen -NMR Spektren Unabhängig vom Magnetfeld B 0 direkte Kopplung J: J() = 76 z J() = 0-0 z geminale Kopplung J: J () = 0 bis 30 z (meist negativ) vicinale Kopplung 3 J: (abhängig vom Torsionswinkel) 3 J () = 0 bis 0 z (positiv) Fernkopplungen 4 J, 5 J: 4 J() = 0 bis 3 z (positiv oder negativ) 5 J() = 0 bis z (positiv) Seite 5 Spin System: Definition: Eine Gruppe von koppelnden Protonen Beschreibung: A n X m. A, X... Abhängig von der Zahl der unterschiedlicher Protonensorte n, m... Anzahl der gleichen Protonen Beispiel: (3) --O-O--3: -Spinsysteme» A 6 X und A 3 X Signalaufspaltung: Definition: Protonen wechselwirken mit anderen Protonen, die 3 Bindungen weit entfernt sind. Für ein Spinsystem A n X m spalten die n-gleichen A-Protonen in m+ Linien auf und die m-gleichen X-Protonen in n+ Linien. Beispiel: ( 3 ) --O-O- - 3 :» 3 : Linien (dublett) Intensität 6» : 7 Linien (septett) Intensität» : 4 Linien (quartett) Intensität» 3 : 3 Linien (triplett) Intensität 3 Seite 5

14 Spinsysteme Beispiel: Protonen dimensionales Spektrum Quelle: E. Breitmaier; 00, John Wiley, England Seite 53 Quelle: E. Breitmaier Structrue elucidation by NMR in organic chemistry Seite 54 Intensität Integration der Signalintensitäten Die Fläche unter der Absorptionslinie eines NMR-Spektrums ist ein Maß für die Intensität des Übergangs. Die Fläche wird integriert. Verunreinigungen? b c c a e OO O d - d O Die Integration wird in Form von Stufenkurven geliefert. In -Spektren ist das Integral proportional zur Zahl der - Kerne im Molekül b OO a e Pamoic acid Integrale sind relative Zahlen und keine absolute Protonenzahlen (ppm) Seite 55 Seite 56

15 Integration der Signalintensitäten Ermittlung von Doppelbindungsäquivalenten Verunreinigungen! a b : Integral (a+)-b D.B.Ä. = oder = a b/ + Regeln für Verbindungen mit,, O, N, S und alogene: O und S aus der Formel entfernen alogene durch ersetzen Für jedes N: ein N und ein aus der Formel entfernen Für einen Ringschluss ist ein D.B.Ä nötig Benzolring: 4 D.B.Ä sind nötig (3 Doppelbindung + Ringschluss) (ppm) Beispiele: 4 8 O : D.B.Ä = 4 9 NO : D.B.Ä = 9 : D.B.Ä = 4 Seite 57 Seite 58 Auswertung eines D-Spektrums: 3 7 NO A B A Erwartete Multipletts: 3 NO (Regel: M = n + ) n= n=5 n= Triplett Sextett Triplett Alle Intergrale so multiplizieren, dass ganze 3 Zahlen entstehen. Die Summe der Integrale muss der Summe der Protonen entsprechen.5 B Alle Intergrale durch die kleinste Zahl der gemessenen Integrale dividieren..cm.cm 3.3cm Triplett Sextett Triplett Signale gängiger Lösungsmittel Lösemittel δ [ppm] δ (Restwasser) [ppm] Signal multipliztät -O, -N erkennba r Dl 3 7,4,5 Singulett Ja Nein Aceton,04,5 Quintett Ja Ja DMSO,49 3,3 3,6 Quintett Ja Ja Methanol 3,30 4,8 Quintett Nein Nein Wasser 4,8 Singulett Nein Nein D l 5,3,7 Triplett Ja Nein Kopplung über Oerwartet Seite 59 Quelle: W-D. erzog, NMR-Spektroskopie für Anwender Seite 60

16 Lösungsmitteleffekte Aromaten: Ringstromeffekt A B Ethanol: 3 O in Dl 3 : t q s (O sichtbar, keine Kopplung) in DMSO: t dq t (O & Kopplung sichtbar) quartett triplett triplett duplett v. quartett triplett A A Aromaten: Äußeres Magnetfeld B 0 induziert in π Elektronenwolke einen Ringstrom, damit ein zusätzliches Magnetfeld. Innerhalb des Rings: Sekundärfeld ist entgegen B 0 gerichtet stärkere Abschirmung. Außerhalb des Rings: Sekundärfeld ist parallel zu B 0 gerichtet geringere Abschirmung (δ-aromatenprotonen: ppm) B singulett B in Dl 3 in DMSO Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite 6 Seite 6 Aromaten: mesomere Substituenteneffekte Aromaten: hemische Verschiebung M-Effekt: Der Benzolkern wird positiver, der Substituent (X) negativer. Nitrobenzol +M-Effekt: Der Benzolkern wird negativer, der Substituent (X) positiver. Anilin Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 63 Abschätzung der chemischen Verschiebung über Inkrementsysteme: δ() = 7,7 + Σ σ Nitrobenzol: δ( / 6 )=7,6 + 0,95 = 8,ppm Gemessen: 8,8 ppm Anilin: δ( / 6 )=7,6 0,75 = 6,5ppm Gemessen: 6,5 ppm 3 3 F l Br I O O 3 OO 3 N N( 3 ) 6 5 O NO R σ(ortho) σ(meta) σ(para) -0,7-0,5-0,30 0,0 0, 0,40-0,50-0,43-0, -0,75-0,60 0,8 0,58 0,95-0,09-0,06-0,0-0,06-0,3-0,6-0,4-0,09-0,0-0,4-0,0 0,00 0, 0,7-0,8-0,8 0, -0,04-0,03-0,03-0,40-0,37 0,00-0,63-0,6 0,08 0,30 0,33 Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 64

17 Aromaten: Spin-Spin Kopplung Anisotropie Für substituierte Aromaten gilt: 3 J(ortho) = 6,0 bis 0,0 z 4 J(meta) =,0 bis 4,0 z 5 J(para) = <,0 z ortho Mehrfachbindungen: Freie π-elektronen erzeugen ein zusätzliches Magnetfeld. Zylindrische Elektronenwolke ungleichmäßiges Magnetfeld : verminderte Abschirmung, niedriges Feld (δ [ppm] = größer) Anisotropiekegel: + : größere Abschirmung, hohes Feld (δ [ppm] = kleiner) para meta Durch freie π-elektronen sind auch Weitbereichskopplungen zu beobachten. Beispiele: Seite 65 Seite 66 Alkene: hemische Verschiebung Relative Konformation Abschätzung der hemischen Verschiebung über Inkrementsysteme: δ() = 5,8 + σ X + σ Y + σ Z X Y Z δ( A )=5,8+0,44+0,97=6,69 ppm Gemessen: 7,04 ppm δ( B )=5,8-0,6+0,69= 6,69 ppm Gemessen: 7,04 ppm 3 A B OO R 3 (Alkyl) 6 5 F l Br I OAlkyl OO 3 NO OO σ(x) (gem.) 0 0,44,35,5,00,04,,8,09,84 0,69 σ(y) (cis) 0-0,6 0,37-0,43 0,9 0,40 0,78 -,06-0,40,9 0,97 σ(z) (trans) 0-0,9-0,0 -,05 0,03 0,55 0,85 -,8-0,67 0,59 0,39 Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 67 Vincinale Kopplungen 3 J(,): Karplus Kurve Karplus Gleichung: 3 J(ϕ) = A cos ϕ B cosϕ + Quelle: E. Breitmaier, Structrue elucidation by NMR in organic chemistry Seite 68

18 Alkene: Kopplung, E /Z Isomerie Alkine 3 J(E) (φ = 80 ) ist stets größer als 3 J(Z) (φ = 90 ) 3 J (Z) 3 J(E) J(gem.) Acetylenisches Proton: δ ~ 3 ppm Weitbereichskopplung ( 4 J) sichtbar R = R R = R = O 3 R = F Butin--ol in Dl 3 : t s t dt 4 J t dt s t Quelle: M. esse,. Meier & B. Zeeh Seite 69 Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite 70 Aldehyde Austauschende Protonen: O, S, N, N Aldehydische Protonen RO: δ ~ 9,5 0,5 ppm geringer Substituenteneinfluss z. B. Propionaldehyd in Dl 3 : t dq t t dq t Resonanzlage uncharakteristisch hemische Verschiebung ist abhängig von: Bildung von Wasserstoffbrücken Austausch mit dem Lösungsmittel, z.b. D O Unterschiedliche Acidität Konzentration Temperatur Lösungsmittel Verunreinigung, z.b. Wasser in organischen Lösungsmitteln Zuordnung über -D-Austausch Signal verschwindet aus - Spektrum Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 7 O: Alkohole ~ 5 ppm Phenole ~ 4 0 ppm Säuren ~ 9 3 ppm S: Thiole aliph. ~,5 ppm Arom. ~ 3 4,0 ppm N: Amine ~ 5,0 ppm Amide ~ 5 6,5 ppm Amide ~ 7 0 ppm (Proteine) Seite 7

19 Äquivalenz p-dichlorbenzol Magnetische Äquivalenz Äquivalente Kerne haben die gleiche Resonanzfrequenz Die Kopplung äquivalenter Kerne ist nicht sichtbar. Gründe für Äquivalenz: Molekülsymmetrie konformative Beweglichkeit: Rotation oder Inversion m-dichlorbenzol o-dichlorbenzol hemisch äquivalente Atomkerne sind magnetisch äquivalent, sofern sie mit allen anderen Kernspins des Moleküls dieselbe Kopplungskonstante aufweisen. Keine Kopplungsaufspaltung bei magnetisch äquivalenten Kernen. Beispiel : F (Difluormethan), die beiden -Kerne sind magnetisch und chemisch äquivalent. A X -System Beispiel : F = (,Difluorethylen), die beiden -Kerne sind chemisch äquivalent aber nicht magnetisch äquivalent, da E und Z Kopplung verschieden sind. AA XX -System Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR Seite 73 Seite 74 hemische und Magnetische Äquivalenz Stereoisomerie Difluormethan,, chem. äquivalent F, F, chem. äquivalent Magnetisch äquivalent? J(,F ) = J(,F ) = J(,F ) = J(,F ), und F,F sind magnetisch äquivalent A X - Spinsystem 9 F: I=/ nat. äuf. 00%,-Difluorethylen,, chem. äquivalent F, F, chem. äquivalent Magnetisch äquivalent? 3 J(,F ) 3 J(,F ) 3 J(,F ) 3 J(,F ), und F,F sind magnetisch nicht äquivalent Dies führt zu nicht interpretierbaren Multipletts. AA XX - Spinsystem omotope Gruppen hemisch äquivalent Signal Keine Kopplung Enantiotope Gruppen In achiralen Lösungsmittel Signal In chiralen Lösungsmittel Signale Im ersten Fall: keine Kopplung Diastereotope Gruppen Methylenprotonen lassen sich weder durch Spiegelung oder Rotation in einander überführen. hemisch nicht äquivalent Signale Kopplung zwischen den diastereotopen Protonen Seite 76

20 Stereoisomerie Stereoisomerie Valin in D O: Acetaldehyddiethylacetal in Dl 3 : a: omotope Protonen ( -Symmetrie) b, c, d: Enantiotope Protonen e: Diastereotope Protonen in chiralem Molekül f, g, h, i, j: Diastereotope Protonen in achiralem Molekül Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds Seite 77 Seite 78 Linienbreite von NMR Signalen Welche Effekte beeinflussen die Linienbreite? NMR-Signal = Lorentz-Kurve (Ergebnis der Fourier-Transformation) Intensität: I(ω) natürliche Linienbreite (eisenberg-unschärferelation) B 0 -Feldinhomogenität (schlechter Shim) Fernkopplungen Relaxationszeiten Δ = Linienbreite T : Spin-Gitter-Relaxationszeit (longitudinal) T : Spin-Spin-Relaxationszeit (transversal) I/ Austauschphänomene Intermolekulare Prozesse (Protonentransfer in arbonsäuren, Alkoholen oder Aminen Intramolekulare Prozesse (Flexibilität in Molekülen) Seite 79 Seite 80

21 Austauschphänomen Beispiel : freie Drehbarkeit A k A k B B 3-Dimethylamino-7-methyl-,,4-Benzotriazin Schneller Austausch Langsamer Austausch: zwei getrennte Signale bei ω A und ω B Schneller Austausch: ein Signal bei (ω A + ω B )/ Mittels Linienform-Analyse lassen sich reversible Umwandlungen von Zuständen verfolgen. Koaleszenz Langsamer Austausch A Seite 8 Seite 8 Beispiel : Umlagerungsreaktionen T Spin Gitter Relaxationszeit Acetylaceton bei Raumtemperatur langsam schnell Zeit, die ein Spinsystem braucht, um in den Ausgangszustand zurückzukehren. (M y, M x M z ) Spinsystem gibt Energie an Umgebung ab, sogenanntes Gitter Keto-Form (4%) Enol-Form (86%) Lange T -Zeiten: Reduktion der Signalintensität Kurze T -Zeiten: Verbreiterung der Resonanzlinie Entgasen der NMR-Proben verlängert die T -Zeiten. Beitrag zur Linienbreite: /T Protonen in organischen Molekülen: T = -3 s Beitrag zur Linienbreite weniger als 0,z Seite 83 Seite 84

22 T Spin Spin Relaxationszeit NMR Spektroskopie an anderen wichtigen Kernen Zeit, in der sich das Spinsystem in der transversalen x, y-ebene bewegt Energie wird an benachbarte Spins abgegeben Normalerweise gilt: T < T Abhängigkeit von der Linienbreite: Linienbreite: Δ = π T * T * enthält Feldinhomogenität und T Verkürzung von T (Linienverbreiterung) durch Austausch: Protonenübertragung (z.b. Austausch mit Wasser) Konformationsumwandlung (z.b. cis-trans-isomerie) Valenztautomerie Seite 85 Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds 3 Spektroskopie Das Spektrum von hloroform 3 J 0 J J 0 99% gebunden an 99% % 0.0% Satelliten Kein Signal Signal Signal J -Kopplung -Kopplung -Kopplung ~5z Seite 87 Seite 88

23 Eigenschaften von X Kernen Eigenschaften von X Kernen Referenzierung: für 3 : TMS oder Lösungsmittelsignale (Dl3: 77ppm) hemische Verschiebung: Vorteil: 3 : hemische Verschiebung im Bereich von ca. ~50ppm für 3 : Abhängig von der ybridisierung und den daran gebundenen Protonen: δ(4) < δ(3) < δ() < δ() < δ( quatär ) 3 : hemische Verschiebung ist abhängig von funktionellen Gruppen (Tabellen) Inkrementsysteme zur Abschätzung der 3 hemischen Verschiebung eteronukleare skalare Kopplung: direkte Kopplung: J( 3, ) ~ 5 00 z Weitbereichskopplung: n J( 3, ) ~ - 0z Komplexe Signalstruktur Aufspaltung Reduzierte Empfindlichkeit Seite 89 Seite 90 Eigenschaften von X Kernen 3 Spektroskopie Erwartete Empfindlichkeit für 3 :. Wir brauchen ein paar Zahlen: nat. abundance: : 99.98% 3 :.% γ( ) =.79; γ( 3 ) = und eine Formel: (I+)*γ 3 *B 0 /I 3. Ergebnis: Empfindlichkeit für gleiche Anzahl der Kerne = γ 3 ( 3 ) /γ 3 ( ) =/64 Relative Empfindlichkeit und natürliche äufigkeit =./(99.98*64) = /5764 Normales Spektrum: gekoppeltes Spektrum Dubletts 3 6 Menthol J 0 Tripletts 6 O? 3 Spektrum hat 6000 mal weniger Empfindlichkeit als ein Spektrum Seite (ppm) Seite 9

24 Spektroskopie 3 Spektroskopie Entkopplung => keine Multipletts => S/N besser Menthol J O S/N erhöht sich wegen des NOE von Menthol J O (ppm) Seite (ppm) Seite 94 Wie viele sind an 3 gebunden? Multiplizität im DEPT-Experiment Vergleich: gekoppeltes und entkoppeltes 3 -Spektrum gekoppelt Normales 3 DEPT-45,, 3 > 0 DEPT-90 only entkoppelt DEPT-35, 3 > 0, < (ppm) Seite (ppm) Seite 96

25 DEPT Inkrementberechnung für 3 chemische Verschiebung DEPT-45,, 3 > 0 DEPT-90 DEPT-35, 3 > 0, < Menthol O (ppm) Seite 97 Eigenschaften von 9 F NMR Eigenschaften von 3 P NMR Relative Empfindlichkeit etwas kleiner als das -Atom 00% natürliche äufigkeit Resonanzbereich: 300 bis 400 ppm für org. Subst. Referenzierung: Fl 3 Skalare Kopplung: 9 F- -Kopplung ( J, 3 J, 4 J): 3 bis 80z 9 F- 3 -Kopplung ( J, 3 J, 4 J): 0 bis 400 z 9 F- 9 F-Kopplung ( J, 3 J): 5 bis 300 z Relative Empfindlichkeit nur 6.6% im Vergleich zum -Atom 00% natürliche äufigkeit Resonanzbereich: ca. 700 ppm Referenzierung: 85%ige Phosphorsäure Skalare Kopplung: 3 P- -Kopplung ( J, 3 J, 4 J): bis 700z 3 P- 3 -Kopplung ( J, 3 J, 4 J): 0 bis 300 z

26 Spektrendatenbank Anwendungen der NMR-Spektroskopie Spectral Database for Organic ompounds SDBS: NIST hemistry WebBook, Standard Reference Database E. Pretch, P. Bühlmann &. Affolter, Structure Determination of Organic ompounds, Tables of Spectral Data, 3rd edition, Springer, Berlin 000. Seite 0 Analytik in der Synthese Die NMR-Spektroskopie ist eine effiziente und schnelle Methode zur Kontrolle präparativen Arbeitens. Sie löst hier meist Fragen nach der Einheitlichkeit und Konstitution einer Verbindung. Strukturbestimmung in Lösung Die dreidimensionale Struktur von Molekülen kann mit ähnlicher Genauigkeit ermittelt werden wie durch Röntgenstrukturanalyse. Es wird möglich, Unterschiede zwischen der Struktur im Kristall und in Lösung, sowie die Abhängigkeit der Struktur eines Moleküls vom Solvens zu untersuchen. Mit den momentan zur Verfügung stehenden Geräten und Verfahren können z.b. Proteine mit einer Größe bis zu etwa 30 kd (d.h. ca. 50 Aminosäuren) aufgeklärt werden. Dies erfordert allerdings eine Isotopenanreicherung mit den NMR aktiven Kernen 5 N, 3 und ggf. Deuterium in unterschiedlichen Anreicherungsgraden. Seite 0 Anwendungen der NMR-Spektroskopie Erkennung intermolekularer Wechselwirkungen Intermolekulare Wechselwirkungen sind im biologischen Bereich besonders wichtig, z.b.: Enzym Inhibitor DNA - Interkalator oder Repressor Rezeptor - ormon oder Substrat Antikörper Antigen Alle biologischen Funktionen basieren auf molekularer Erkennung im multidimensionalen Geflecht. Molekulare Dynamik Durch Untersuchung von Relaxationsparametern können Bewegungen von Molekülen in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen untersucht werden. Dies ist z.b. wichtig für das Verständnis von Proteinfunktion und Proteinfaltung. Seite 03