Teil 2 NMR-Spektroskopie. Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2017/18
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1 Teil 2 NMR-Spektroskopie Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2017/18 1
2 Rückblick Kerne haben magn. Moment, dass sich entlang der Magnetfeldlinien eines statischen Magnetfeldes ausrichten (ok, alle außer die mit I=0). Ausrichtung erfolgt nicht parallel sondern gekippt. Magnetische Momente präzedieren um Feldlinien mit Lamorfrequenz Nicht alle Kerne sind gleich empfindlich Besetzungsunterschiede der E-Niveaus klein Energieunterschied zwischen E-Niveaus ist feldabhängig Übergänge werden nur angeregt, wenn 1 = L MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 37
3 Rückblick Experiment: Einstrahlen von B1 und kippen der makroskopischen Magnetisierung (90 -Puls) Erreichen von Phasenkohärenz und einer Gleichverteilung der Spins auf die Energieniveaus Relaxationsprozesse: Spin-Spin- und Spin-Gitter- Relaxation Messung der verschwindenden makroskopischen Magnetisierung auf y-achse Im Pulsverfahren werden immer viele verschiedene Kerne gleichzeitig angeregt Aus Abklingkurve (eigentlich aus FID) kann direkt Δ abgelesen werden Fourier-Transformation konvertiert FID in Spektrum MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 38
4 1 H-NMR-Spektrum von Ethanol (200 MHz) Resonanzbedingung Anregungsfrequenz 1 als Referenz / Hz Früher: Interner Standard TMS MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 39
5 1 H-NMR-Spektrum von Ethanol (200 MHz) Chemische Verschiebung Substanz Substanz Ref Ref 10 ppm MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 40
6 1 H-NMR-Spektrum von Ethanol (200 MHz) Jedes Proton bzw. jede Gruppe von Protonen weist ein eigenes Signal im NMR auf MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 41
7 Informationen in einem 1 H-NMR-Spektrum Chemische Verschiebung Chemische Umgebung Funktionelle Gruppen Signalintensitäten (Integral) Proportional zur Zahl der Protonen Signalaufspaltung Kopplungen / Ww. mit benachbarten Protonen Bindungsverhältnisse MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 42
8 Chemische Verschiebung Wieso haben nicht alle Protonen die gleiche chemische Verschiebung? Nachbarschaft zu anderen Atomen und funktionellen Gruppen beeinflusst das B 0 -Feld, dass effektiv auf sie einwirkt. Resonanzfrequenz hängt der Kernumgebung ab! Korrektur der Resonanzbeziehung B 0 B eff = B 0 (1- ) Resonanzbedingung : Abschirmungskonstante MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 43
9 Abschirmungskonstante Diamagnetische Abschirmung dia Paramagnetische Abschirmung para Lokale Felder Magnetische Anisotropie der Nachbargruppen Nachbar Ringstromeffekt von Aromaten Ring Elektrischer Effekt e Nicht-lokale Felder Intermolekulare Wechselwirkungen i MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 44
10 Dia- und paramagnetische Abschirmung Elektronenhülle um Kerne bestimmt zu einem großen Teil die magnetische Abschirmung Diamagnetische Abschirmung: Einfluss der kugelsymmetrischen Ladungsverteilung der umgebenden Elektronenwolke Paramagnetische Abschirmung: Einfluss der nicht-kugelsymmetrischen Ladungsverteilung der umgebenden Elektronenwolke MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 45
11 Einflüsse auf magnetische Abschirmung Effekt steigender Elektronegativität: Substituent wirkt stärker elektronenziehend Geringere Elektronendichte am Kern stärkere Entschirmung tieferes Feld Beispiel: CH 3 -F (4.1 ppm) > CH 3 -Cl (2.8 ppm) > CH 3 -Br (2.5 ppm) > CH 3 -I (2.0 ppm) Ähnlich: Induktiver Effekt -I -Effekt: größere EN einer Gruppe Elektronendichte kleiner Entschirmung +I -Effekt: kleinere EN einer Gruppe Elektronendichte höher Abschirmung Auch: Mesomerer Effekt -M-Effekt: erniedrigte negative Ladungsdichte Entschirmung +M-Effekt: erhöht negative Ladungsdichte Abschirmung MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 46
12 Überblick: Effekt lokaler Felder HO-CH 2 -CH 3 Tieffeldverschiebung Entschirmung (+) Ladung -I und M Effekt Hochfeldverschiebung Abschirmung (-) Ladung +I und +M Effekt MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 47
13 Magnetische Anisotropie durch Nachbargruppen Rein magnetische Einflüsse durch Nachbargruppen: nicht-lokale Felder Magnetische Beziehung der Protonen H a und H b zu rot markierten Bindungen ist unterschiedlich. In Cyclohexan: Mittelung durch Ringinversion In t Bu-Cyclohexan: H a und H b sind permanent in unterschiedlicher magnetischer Umgebung durch konformative Ankergruppe MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 48
14 Magnetische Anisotropie durch Nachbargruppen Hintergrund: Chemische Bindungen sind magnetisch anisotrop, d.h. sie haben in alle drei Raumrichtungen eine unterschiedliche magnetische Suszeptibilität (Magnetisierbarkeit). Anisotropie-Kegel (+): Höhere Abschirmung klein (-): Niedrigere Abschirmung groß H a H b (H a ) = ppm (H b ) = ppm MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 49
15 Ringstromeffekt (Ethylen) = 5.28 ppm vs. (Benzol) = 7.27 ppm Protonen in Aromaten sind im Allgemeinen schwächer abgeschirmt als in Alkenen! Erklärung: Induzierter Ringstrom, wenn -System des Aromaten in Magnetfeld eingebracht wird. Innerhalb des Rings: Feld entgegengesetzt, größere Abschirmung Außerhalb des Rings: Feld parallel zu B 0, geringere Abschirmung MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 50
16 Ringstromeffekt: Beispiele +8.9 H H H H H H H H H -1.8 H H H H H H H H H MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 51
17 Ringstrom- und mesomerer Effekt -M-Effekt: Positive Ladung wird in Ring geschoben weniger Abschirmung +M-Effekt: Negative Ladung wird in Ring geschoben mehr Abschirmung MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 52
18 Chemische Verschiebung 1 H: Übersicht MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 53
19 Abschätzen chemischer Verschiebungen: Inkrement-Methoden Für Methylene-Protonen gilt: Regel von Shoolery: = S X + S Y X oder Y S X/Y X oder Y S X/Y -H OC(=O)R CH OC(=O)Ph C-C C(=O)R C C C(=O)Ph Ph C(=O)OR CF C(=O)NR 2 (H 2 ) CF CN F NR 2 (H 2 ) Cl NHPh Br NHC(=O)R I N OH NO OR SR(H) OPh OSO 2 R 3.13 Beispiel: CH 2 Br = = 4.39 ppm experimentell: 4.43 ppm MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 54
20 Abschätzen chemischer Verschiebungen : Inkrement-Methoden Für Methin-Protonen gilt: = S x + S y + S z Beispiel: experimentell: = 4.72 ppm = ppm = 4.78 ppm Gruppe (S) -F Cl Br NO NH NH NHCOR OH, -OR OAr OCOR Ar C=C C C C N COR, -COOR, -COOH CONH COAr SH, -SR SO 2 R alkyl 0 MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 55
21 Abschätzen chemischer Verschiebungen : Inkrement-Methoden Regel von Pascual, Meier und Simon = S X + S Y + S Z Für Benzolderivate gilt: = (omp) Gruppe X Y Z -H CH 3 (Alkyl) F Cl Br I NR OAlkyl OCOCH Ph COOH Gruppe S o S m S p -CH CH 2 CH F Cl Br I NH OH OCOCH Ph COOCH MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 56
22 1 H-NMR-Spektrum von Ethanol (200 MHz) Jedes Protonensignal zeigt eine Aufspaltung: Kopplung mit Nachbar-Protonen MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 57
23 Spin-Spin-Kopplung Signalaufspaltung erfolgt aufgrund von Wechselwirkungen mit Nachbarkernen die ein magnetisches Moment besitzen Diese Kopplung erfolgt durch kovalente Bindungen ( skalare Kopplung ). Wir unterscheiden zwischen: homonukleare Kopplung mit gleicher Kernsorte bspw: 1 H- 1 H heteronukleare Kopplung mit Kernen verschiedener Elemente bspw: 1 H- 13 C, 1 H- 19 F MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 58
24 Kopplung mit einem Nachbarkern: AX-Spinsystem Berücksichtigt man nur chemische Verschiebung hat das Spektrum jeweils einen Peak für Proton A und X Spin von Proton X kann zwei Orientierungen einnehmen Aufspaltung des Signals bei A in zwei Signale (1:1) Abstand zwischen Signalen: Kopplungskonstante J AX J AX J AX MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 59
25 Experimentelles 1 H-NMR von Zimtsäuremethylester MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 60
26 Kopplung mit zwei äquivalenten Nachbarkern: AX 2 -Spinsystem H X H X H A O Proton A sieht jedes X in zwei möglichen Spinorientierungen, X sieht A in zwei Orientierungen Spin von Proton X kann zwei Orientierungen einnehmen Aufspaltung des Signals bei A in drei Signale (1:2:1) Aufspaltung des Signals bei X in drei Signale (1:1) Abstand zwischen Signalen: Kopplungskonstante J AX J AX J AX J AX MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 61
27 Kopplung mit drei äquivalenten Nachbarkern: AX 3 -Spinsystem MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 62
28 AX n -Spinsysteme Multiplizität = 2I n + 1 Singulett (s) Dublett (d) Triplett (t) Quartett (q) Quintett Sextett Pascal sches Dreieck MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 63
29 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? C 4 H 8 O 2 in CDCl 3, 250 MHz Schritt 1: Finde den LöMi-Peak. CDCl 3 : 7.26 ppm (Restwasser: 1.56 ppm) MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 64
30 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? C 4 H 8 O 2 in CDCl 3, 250 MHz Schritt 2a: Vergrößern des relevanten Bereichs MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 65
31 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? C 4 H 8 O 2 in CDCl 3, 250 MHz Schritt 2b: Integrale bestimmen 1.8 cm 2.7 cm 2.7 cm MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 66
32 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? C 4 H 8 O 2 in CDCl 3, 250 MHz Schritt 2c: Chemische Verschiebungen bestimmen 2.00 MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 67
33 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? C 4 H 8 O 2 in CDCl 3, 250 MHz Schritt 3: Kopplungen analysieren MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 68
34 Ein erstes Spektrum zum Üben: C 4 H 8 O 2 wer bin ich? Schritt 4: Informationen zusammen führen / ppm Int Multiplizität A :2:1 = t CH 3 mit zwei äquivalenten Nachbarn B = s CH 3 ohne koppelnde Nachbarn C :3:3:1 = q CH 2 mit drei äquivalenten Nachbarn MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 69
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36 Zurück zum Ethanol warum sehen wir keine Kopplung zum OH? Messung in DMSO-d 6 Normalerweise: In diesem Beispiel: Starke H-Brücken kein Austausch DMSO enthält etwas Wasser Austausch HO-CH 2 -CH 3 MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 71
37 Drei nicht-äquivalente Kerne: AMX-Spinsystem H A HX H M MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 72
38 Drei nicht-äquivalente Kerne: AMX-Spinsystem Dubletts von Dubletts (dd) MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 73
39 Aber aufgepasst! Sind sich die Kopplungskonstanten J AM und J AX zu ähnlich, kann aus dem Dublett von Dubletts optisch ein Triplett entstehen. MdS-1 NMR-Spektroskopie Dr. C. Merten, WS 2017/18 74
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