Kernspin. h p. h I (m I = I, I-1,..., -I ) I = 0 I = ½ I = 1. Magnetisches Kernspinmoment : m p. = γ. Kern-Magneton : μ N =

Transkript

1 NMR-Spektrometrie 1 Kernspin Zahlreiche Atomkerne besitzen einen Kernspin, d.h. einen Eigendrehimpuls p und damit verbunden ein magnetisches Spinmoment μ. Das Spinmoment unterliegt einer Richtungsquantelung, wobei die Anzahl Komponenten (I + 1) durch die Kernspinquantenzahl I bestimmt wird. Im Magnetfeld bilden sich Rotationsachsen aus, die in definierten Winkeln um die Achse des Magnetfeldes präzessieren. Die Proportionalitätskonstante γ (gyromagnetisches Verhältnis) ist für jede Kernsorte verschieden. μ = γ = γ h p π I ( I + 1) Die magnetische Spinquantenzahl m I bestimmt die Projektion des magnetischen Spinmomentes auf die Achse des äusseren Magnetfeldes und definiert die diskreten Energiezustände des Projektion des magnetischen Spinmomentes auf die Achse des Magnetfeldes Achse des Magnetfeldes μ z θ Präzession der Rotationsachse μ magnetisches Spinmoment h μz = γ pz = γ m π I (m I = I, I-1,..., -I ) Kernspins. Im Unterschied zur Elektronenspinquantenzahl, die mit S = ½ nur einen Wert besitzt, lässt sich die Kernspinquantenzahl I im Allgemeinen nicht voraussagen. I = 0 I = ½ I = 1 rotierender Kern 1 C, 16 1, 13 C, 15 N, 19 F, 9 Si, 31 P, 14 N Kerne mit gerader Massen- und rdnungszahl (g,g-kerne) besitzen die Kernspinquantenzahl I = 0. Für Kerne mit einer geraden Massenzahl und einer ungeraden rdnungszahl (g,u-kerne) werden Kernspinquantenzahlen mit einem ganzahligen Vielfachen von 1 gefunden, während Kerne mit ungerader Massen- und rdnungszahl (u,u-kerne) sowie solche mit ungerader Massenzahl aber gerader rdnungszahl (u,g-kerne) ein ganzzahliges Vielfaches von 1 / besitzen. Magnetisches Kernspinmoment : h g e h μ = γ I N π 4π mp h g N e h μz = γ mi = g N μ N mi = mi π 4π m N ( I + 1) = g μ I ( I + 1) = I ( I 1) N + p e h Kern-Magneton : μ N = Gyromagnetisches-Verhältnis : 4π m Kernspin- Quantenzahl : I p Magnetische Kernspin- Quantenzahl : m I = I, I-1,... 0,... -I g N e γ = m p Magnetischer Bahndrehimpuls : μ μ,z = γ = γ h g e h π 4π me h m π ( + 1) = g μ ( + 1) = ( 1) = g μ B m B + g e h = m 4π m e e h Bohr-Magneton : μb = Gyromagnetisches-Verhältnis : 4π m Bahndrehimpuls- Quantenzahl : λ e Magnetische Bahndrehimpuls- Quantenzahl : m λ = λ, λ-1,... 0,... -λ γ g e = m e

2 NMR-Spektrometrie Kern- Spin- gyromag- Larmor- relative natürliche absolute isotop quanten- netisches frequenz Empfind- äufigkeit Empfindzahl Verhältnis B o = 9.4 T lichkeit lichkeit Ι γ [rad T -1 s -1 ] ν L [Mz] [%] 1 1 / B 3 / C 1 / N N 1 / / F 1 / Si 1 / P 1 / C N 13 C 19 F 13 C 13 C 13 3 CF N Achse des Magnetfeldes ω L ω B o μ z zirkular polarisierte Strahlung präzedierendes Spinmoment m I = +½ μ μ Absorption Emission Kernresonanz Im Magnetfeld werden die entarteten Spinzustände der Kerne energetisch aufgespalten. Die Aufspaltung ist linear abhängig vom äusseren Magnetfeld. Strahlungsenergie wird absorbiert, wenn die Photonenenergie mit der Energiedifferenz der Spinzustände übereinstimmt. Dabei tritt die Frequenz einer Senderstrahlung in Resonanz mit der Präzessionsfrequenz (Larmorfrequenz) des magnetischen Momentes. Dieses präzessiert mit der Winkelgeschwindigkeit ω L um die Achse des Magnetfeldes. Energie E = + ½ γ h π B o m I = -½ ω L präzedierendes Spinmoment m I = -½ ΔE = h ν L = E = ½ γ γ h B π h π B o o m I = +½ ω L = γ B o = π ν L ohne Magnetfeld mit Magnetfeld Das angelegte Magnetfeld hebt die Entartung der Kernspinzustände auf, wobei die Energieaufspaltung bzw. der Energieunterschied von der Grösse der magnetischen Flussdichte abhängt. Daneben ist die magnetische Flussdichte auch für die Präzessionsfrequenz des magnetischen Momentes zuständig. Es ist üblich, ein NMR- Spektrometer über die Präzessionsfrequenz (Larmorfrequenz) der Spinmomente der 1 -Kerne zu

3 NMR-Spektrometrie 3 charakterisieren. Die Larmorfrequenz für das Spinmoment des 13 C-Kernes ist aufgrund des gyromagnetischen Verhältnisses etwa um einen Faktor 4 geringer. Boltzmann-Verteilung Im Magnetfeld präzessieren alle magnetischen Momente der einzelnen Eigendrehimpulse der Kerne mit der Larmorfrequenz um die Achse des Magnetfeldes. Der Besetzungsunterschied der beiden Kernspinzustände erzeugt ein magnetisches Gesamtmoment in Richtung der Achse des Magnetfeldes. Das Verhältnis der Populationsdichten der beiden energetischen Zustände kann mit der Boltzmannverteilung berechnet werden. n n u ΔE γ h B = kt o e = e o kt Die Absorption von elektromagnetischer Strahlung, die orthogonal zum Magnetfeld eingestrahlt wird, führt zu einem Abkippen des magnetischen Gesamtmomentes in die xy-ebene, denn durch den Absorptionsprozess resultiert ein Ausgleich des Besetzungunterschiedes der zwei Spinzustände. Bei Erreichen einer Sättigung findet der Resonanzprozess nicht mehr statt und das magnetische Gesamtmoment in Richtung des äusseren Magnetfeldes verschwindet. In der Ebene des Magnetfeldes der ochfrequenzstrahlung dreht sich das Gesamtmoment um die z-achse. π Achse des Magnetfeldes Die NMR-Messung hängt von einem bemerkenswert kleinen Überschuss von Kernen im Grundzustand ab. Bei einer mangetischen Flussdichte von 4.69 T und 10 6 angeregten Kernspinzuständen (m I = 1 / ) besteht ein Besetzungsunterschied von nur 33 Kernen zugunsten der Anzahl Kernspinzustände im Grundzustand (m I = + 1 / ). Die Anzahl überschüssiger Kerne im Grundzustand ist abhängig von der Magnetfeldstärke und vom gyromagnetischen Verhältnis. Weil der Überschuss an Kernen im Grundzustand klein ist, führt der Absorptionsprozess zu einer raschen Angleichung der Populationsdichten der zwei Kernzustände und damit zu einer Abnahme des Absorptionssignals. Um eine Sättigung des Spinsystems zu vermeiden, muss die Relaxationsgeschwindigkeit der angeregten Kerne in ihren Grundzustand grösser sein, als die zeitliche Abfolge der Absorptionsprozesse. Da die spontane Strahlungsemission im Frequenzbereich der Kernresonanz neben der induzierten Absorption und Emission kein signifikantes Ausmass annimmt, ist in der NMR-Spektrometrie die strahlungslose Relaxation nach einer Strahlungsabsorption der wichtigste Faktor zur Wiederherstellung des Gleichgewichtzustandes der Besetzungsgrade. B 1 B o ω L ω L M ω L = γ B o = π ν L präzedierende Spinmomente m I = +½ Magnetisierung präzedierende Spinmomente m I = -½ Relaxation Um die Sättigung eines Spinsystems zu reduzieren, sollte die Relaxation eines Kernes so rasch wie möglich eintreten, d.h. die Lebensdauer des angeregten Zustandes sollte möglichst klein sein. Einer hohen Relaxationsrate steht aber ihre reziproke Beziehung zur Linienbreite der entsprechenden Absorptionslinie entgegen. Bei einer zu kurzen Lebensdauer des angeregten Zustandes verhindert die Linienverbreiterung eine hochauflösende Messung, so dass das optimale Ansprechverhalten eines Kernspins durch einen Kompromiss von zwei entgegengesetzten Faktoren zustande kommt. Mit einem 400 Mz Spektrometer können Signalunterschiede von 0. z aufgetrennt werden, was einem Auflösungsvermögen /ν o von entspricht. Bei einer Distanz zwischen Erde und Mond von m würde dies vergleichsweise eine Längenauflösung von ~0 cm voraussetzen. Nach einer Strahlungsabsorption und Sättigung des Spinsystems dreht sich das magnetische Gesamtmoment mit Larmorfrequenz um die z-achse. Während der Relaxation kehren die Kerne in ihren Ausgangszustand vor dem Absorptionsprozess zurück. Die Kernrelaxationsprozesse beruhen mit den Spin-Gitter- und den Spin-Spin-

4 NMR-Spektrometrie 4 Wechselwirkungen auf zwei unabhängigen Mechanismen. Die Spin-Gitter-Relaxation ist unter Energieabgabe für die erstellung des unterschiedlichen Besetzungsgrades der Kernspinzustände verantwortllich (Enthalpieprozess), während die Spin-Spin-Wechselwirkung ohne Energieverlust zum Auffächern der einzelnen Spins über den Präzessionskegel führt (Entropieprozess). z z z μ z M z y y y x x x longitudinale oder Spin-Gitter-Relaxation mit Relaxationszeit T 1 z z z M M z M y y y y x μ xy x x y x M x transversale oder Spin-Spin-Relaxation mit Relaxationszeit T Die Relaxation ergibt eine Zunahme des magnetischen Momentes entlang der z-achse, während das magnetischen Moment entlang der y-achse abnimmt. Die Präzession erzeugt ein Signal, das von einem in der der xy-ebene angeordneten Empfänger registriert werden kann. Mit fortschreitender Relaxation nimmt dieses Signal exponentiell ab. NMR-Spektrometer In der NMR-Spektrometrie werden zwei grundsätzlich verschiedene Gerätetypen eingesetzt. Die analytische Information beruht bei beiden Techniken auf der Strahlungsabsorption. In der einen Technik werden die bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auftretenden Absorptionssignale der Kerne durch ein langsames Abtasten des Frequenzbereiches erhalten. Dabei kann bei konstanter magnetischer Flussdichte B o eine senkrecht zum Magnetfeld eingestrahlte Senderfrequenz variiert werden (frequence-sweep) oder bei konstanter Senderfrequenz ν o erfolgt eine Variierung des Magnetfeldes (field-sweep). Durch die kontinuierliche Veränderung der Geräteparameter wird die Absorption der einzelnen Resonanzfrequenzen bei beiden Arten nacheinander von einem Strahlungsempfänger erfasst (CW-Technik). Dabei führt die Energieabsorption zu einer proportionalen Auslenkung der Gesamtmagnetisierung der betrachteten Kerne und das CW-Signal entspricht dem sich unter den jeweiligen Bedingungen einstellenden stationären Zustand zwischen Kernanregung und Kernrelaxation. Die Quermagnetisierung ist aufgrund der Präzession des magnetischen Gesamtmomentes um die Magnetfeldachse periodisch veränderlich und kann anhand ihrer Frequenz von einer Empfängerspule in der xy-ebene registriert werden. Im Gegensatz zur CW-Technik werden in der sogenannten PFT-Technik mit einem Strahlungsimpuls alle Kerne einer Kernsorte gleichzeitig angeregt. Damit Kerne mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen Strahlung absorbieren können, muss die Probe mit einem Frequenzbereich bestrahlt werden. Ein ochfrequenzsender erzeugt im kontinuierlichen Betrieb nur eine Frequenz. Ein kurzer ochfrequenzimpuls liefert jedoch ein Frequenzband, wobei die Dauer des Impulses die Breite des Frequenzbandes bestimmt. So liefert der ochfrequenzimpuls eines 100 Mz Senders bei einer Impulsdauer von 1 µs ein Frequenzband von etwa ±15 kz. Der ochfrequenzimpuls induziert für jede Resonanzfrequenz eine Quermagnetisierung in der xy-ebene. Am Ende des ochfrequenzimpulses präzessieren die einzelnen magnetischen Gesamtmomente der Kerne um die z- Achse. Eine Empfängerspule in der xy-ebene ist in der Lage die Frequenz der Quermagnetisierung zu registrieren, wobei das Empfängersignal im Verlaufe der Relaxationszeit auf Null abnimmt. Die exponentionelle Abnahme dieses Signals wird als freier Induktionsabfall (free induction decay) bezeichnet. Im Gegensatz zum sequentiellen CW-Signal handelt es sich also bei der PFT-Technik um die Registrierung eines zeitabhängigen

5 NMR-Spektrometrie 5 Emissionssignals, wobei die abnehmende Quermagnetisierung gleichzeitig für sämtliche Resonanzfrequenzen erfasst wird. Die Überlagerung sämtlicher Emissionsfrequenzen der induzierten magnetischen Gesamtmomente verlangt eine Fourier-Transformation des zeitabhängigen Signals in ein entsprechendes Frequenzspektrum. Φ (t) Φ (ν) Zeitdomäne Frequenzdomäne Amplitude Amplitude Φ (t) Zyklus FID-Signal (free induction decay) FID-Signal (free induction decay) t t Amplitude Amplitude Φ (ν) ν ν Die Resonanzfrequenzen der Analytsignale liegen abhängig vom äusseren Magnetfeld etwa im 100 Mz- Bereich. Die einzelnen Resonanzsignale unterscheiden sich aber nur im Frequenzbereich von ungefähr 1000 z (10 ppm). Für die Digitalisierung werden deshalb die hochfrequenten Analytsignale vom Mz-Bereich in den Niederfrequenzbereich elektronisch moduliert. Dazu wird die Trägerfrequenz der Senderspule von den Frequenzen der Analytsignale abgezogen. Dies entspricht einer Überlagerung des Trägerfrequenzsignals mit demjenigen der Analytfrequenzen. Dies führt zu einer Signalumwandlung in den Niederfrequenzbereich bis zu 1000 z. Die Impulsanregung der PFT-Technik erlaubt eine effiziente Signalmittelung und erhöht damit die erreichbare Empfindlichkeit deutlich. Im Vergleich zur kontinuierlichen Veränderung der Resonanzfrequenz in der CW- Technik führt die gleichzeitige Anregung sämtlicher Resonanzfrequenzen zu einer enormen Zeitersparnis. Erst als Folge dieser gerätetechnischen Entwicklung konnten Proben mit natürlich vorkommendem 13 C-Gehalt bequem analysiert werden. Für den Empfindlichkeitsunterschied zwischen der 1 - und der 13 C-NMR- Spektrometrie ist einerseits die gegenüber dem Protonenkern um einen Faktor 100 geringere natürliche äufigkeit des 13 C-Isotopes verantwortlich. Daneben ist aber die Empfindlichkeit in ungefähr dritter Potenz vom gyromagnetischen Verhältnis des Kernes abhängig. Diese beiden Faktoren ergeben den etwa 6000-fachen Empfindlichkeitsunterschied. Signalintegration Die Intensitäten der Multiplettsignale korrelieren in der 1 -NMR-Spektrometrie mit der Anzahl Kerne, die das Analytsignal liefern. Um die Signalintensitäten zu messen, haben NMR-Spektrometer eine elektronische Einrichtung zur Signalintegration. Die Stufenhöhe der Integrationskurve entspricht dabei der Peakfläche. Das Verhältnis der so erhaltenen Stufenhöhen eines Multipletts ist proportional zu den dem Analytsignal entsprechenden Kernen. In der 13 C-NMR-Spektroskpie stellt man bei Einsatz der Breitband-Entkopplung fest, dass die Resonanzsignale um einen Faktor verstärkt werden, der erheblich grösser ist, als man dies vor dem Kollabieren der Multiplettstrukturen erwarten würde. Dieses Phänomen wird durch die Kern-verhauser-

6 NMR-Spektrometrie 6 Verstärkung hervorgerufen, ein genereller Effekt bei Entkopplungsexperimenten. Damit geht die Proportionalität zwischen Signalflächen und Anzahl Kerne verloren. Chemische Verschiebung atomare Abschirmung bei sphärischer rbitalsymmetrie sekundäres Magnetfeld σ B o Die chemische Verschiebung des Kernresonanzsignals ist eine Konsequenz von sekundären magnetischen Feldern, die in der atomaren und molekularen Elektronenhülle durch das äussere Magnetfeld induziert werden. eder spinaktive Kern mit dem magnetischen Moment µ wird in einem Atom oder Molekül durch die Elektronenhülle abgeschirmt. Elektron Kern B o primäres Magnetfeld effektiv ( σ ) = B σ B = B 1- Die Abschirmung σ des Kerns ist direkt mit der ihn umgebenden Elektronendichte korreliert. Daher kann eine strukturabhängige Information gewonnen werden. Die Abschirmung liegt für Protonen im Bereich von Die einzelnen resultierenden Sekundärferlder können das angelegte äussere Magnetfeld abschwächen oder verstärken. Die Abschirmkonstante ist eine dimensionslose Grösse und setzt sich aus atomaren, intra- und intermolekularen Anteilen zusammen sowie aus Einflüssen des Mediums. Die einzelnen Kerne einer Verbindung treten aufgrund ihrer unterschiedlichen Abschirmung bei verschiedenen Frequenzen in Resonanz. Die Lage der Resonanzfrequenz ist jedoch abhängig von der angelegten Magnetfeldstärke γ γ ν = o( 1 ) π B σ = B π effektiv Da NMR-Spektrometer mit unterschiedlichen magnetischen Feldstärken arbeiten, ist eine absolute Skalierung für die Kernresonanzabsorption nicht sinnvoll. Es muss eine feldunabhängige Einheit gewählt werden. Die Signallagen werden sowohl in der 1 - als auch in der 13 C-Spektrometrie auf die Referenzverbindung Tetramethylsilan ( TMS, Si(C 3 ) 4 ) bezogen. γ Δ ν = ν νtms = o( ) π B σ TMS σ = Die chemische Verschiebung δ (chemical shift) wird als dimensionslose Grösse definiert. Sie ist für den betrachteten Kern in seiner Umgebung charakteristisch und von der magnetischen Flussdichte B o unabhängig. Die Larmorfrequenz der betrachteten Kernsorte wird als Betriebsfrequenz ν o des Spektrometers bezeichnet und ist wie die Resonanzfrequenzen der einzelnen Kerne proportional zur Magnetfeldstärke. Da im Vergleich zu ν o sehr klein ist, wird die chemische Verschiebung δ in ppm ausgedrückt. 6 δ = 10 Δ ν ν mit νtms bzw. δ o TMS Die chemische Verschiebung der aliphatischen Protonen liegt bei tiefen ppm-werten. Für aliphatische C- Bindungen nimmt die Entschirmung der Protonen von den Methyl- über die Methylen- zu den Methinprotonen zu. Für olefinische Verbindungen liegen die Protonenresonanzsignale im Bereich von ppm und die Resonanzsignale der Protonen in aromatischen Molekülen fallen in ein charakteristisches Gebiet zwischen 7.0 und 9.0 ppm. Anhand von Inkrementregeln können die NMR-Signale den einzelnen Methyl-, Methylen- und Methinprotonen ungefähr zugeordnet werden. Die Lage der Resonanzsignale der Protonen von -, N - und C-Gruppen ist von der Konzentration, der Temperatur und dem verwendeten Lösungsmittel abhängig. Die Ursache der unterschiedlichen chemischen Verschiebung dieser Gruppen ist auf die Fähigkeit der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zurückzuführen. B γ ΔB π = 0 effektiv o o o

7 NMR-Spektrometrie 7 Durch rasche Austauschvorgänge, die infolge von Wasser- oder Säurespuren begünstigt werden, weisen die Protonen von -, N - und C-Gruppen häufig breite Resonanzsignale auf. Der Umfang der δ-skala beträgt aufgrund einer unterschiedlichen Kernentschirmung bei der 1 -Resonanz 10 ppm und bei der 13 C-Resonanz rund 00 ppm. In den NMR-Spektren erscheinen teilweise Signale von Lösungsmitteln, die wie z.b. Chloroform nicht vollständig deuteriert vorliegen. 1 -NMR 3 C - C C 3 C C 3 TMS δ 0 C 13 C-NMR 3 C - C C 3 TMS δ C 0 Um bei Entschirmungseffekten die Lage der Resonanzsignale zu beschreiben, spricht man von einer Verschiebung nach tieferem Feld in paramagnetische Richtung. Damit ist gemeint, dass im field-sweep- Verfahren der CW-Technik ein kleineres Magnetfeld für die Resonanzbedingung erforderlich ist. Entschirmung Abschirmung Abschirmungskonstante effektive Magnetfeldstärke Energiedifferenz der Kernspinzustände Resonanzfrequenz chemische Verschiebung Frequenzänderung Magnetfeldänderung Verschiebung B effektiv ΔE ν δ ν bei konstantem B o paramagnetisch σ B o bei konstantem ν diamagnetisch Die Entschirmung eines Kerns kann einerseits durch den induktiven Effekt einer benachbarten elektronegativen Gruppe erfolgen. Andererseits führt auch die magnetische Anisotropie von chemischen Bindungen zu

8 NMR-Spektrometrie 8 Abschirmungs- oder Entschirmungseffekten. Kerne mit der gleichen Resonanzfrequenz werden als isochron bezeichnet. Sie sind in der Regel chemisch äquivalent, d.h. sie befinden sich in gleicher chemischer Umgebung im Molekül. Es gibt aber auch Beispiele für zufällige Isochronie wie bei 3-Cyano-Propansäuremethylester. - - C 3 - C - C - Isochronie = N C - C - C - C - - C 3 C 3 TMS δ [ ppm ] Durch induktive Effekte von elektronegativen Nachbarelementen wird die Elektronendichte im Wasserstofforbital vermindert. Stickstoff, Sauerstoff und die alogene führen zu paramagnetischen Verschiebungen. Da die Protonen in der Regel nicht direkt an die elektronegativen Elemente gebunden sind, ist die Ladungsdichte am benachbarten Kohlenstoffatom für die Resonanzfrequenz entscheidend. Für die Abschirmung der Protonen sind aber auch andere Faktoren von Bedeutung. Dies ist bei den Ethylhalogeniden anhand der umgekehrten Reihenfolge der chemischen Verschiebung bei der Methylgruppe zu sehen. Chemische Verschiebung [ppm] Iod Brom Chlor Fluor C 3 -X C 3 -C -X C 3 -C -X Elektronegativität nach Pauling Methylhalogenide C 3 F C 3 C 3 Br C 3 I C 3 Verschiebung δ C Elektronegativität Die Effekte von Doppel- und Dreifachbindungen auf den Betrag der chemischen Verschiebung lassen sich erklären, wenn man den Einfluss einer durch das äussere Magnetfeld induzierten Magnetisierung berücksichtigt.

9 NMR-Spektrometrie 9 In den π-elektronensystemen dieser Verbindungen wird durch das äussere homogene Magnetfeld ein Ringstrom erzeugt, der ein sekundäres Magnetfeld induziert. Dieses inhomogene Sekundärfeld ist dem Primärfeld entgegengerichtet und verursacht bei Nachbarkernen lokal unterschiedliche Abschirmungs- oder Entschirmungseffekte. Die chemische Verschiebung der Protonen wird durch die Ausbildung von magnetischen Dipolen, d.h. durch die anisotropen magnetischen Eigenschaften dieser Verbindungen beeinflusst. Entschirmung der aromatischen Protonen sekundäres Magnetfeld σ B o Entschirmung der Ethen-Protonen sekundäres Magnetfeld σ B o Abschirmung der Ethin-Protonen sekundäres Magnetfeld C C σ B o σ B o C C σ B o B o primäres Magnetfeld B o primäres Magnetfeld B o primäres Magnetfeld Die NMR-Signale von Aldehyd- und Säureprotonen besitzen eine grosse chemische Verschiebung mit hohen ppm-werten. Sie sind deshalb recht aussagekräftig. Da sie oft oberhalb der normalen 1 -NMR Spektrenskalierung bis 10 ppm liegen, werden sie im Spektrum mit einem ffset von z.b. 00 z dargestellt, was bei einer Larmorfrequenz von 60 Mz einer Verschiebung um 3.3 ppm entspricht. Neben den Aldehyd und Säureprotonen besitzen auch die Methylenprotonen bei ~4. ppm an Estergruppen bzw. bei. ppm an Carbonylgruppen charakteristische Werte. Ein Ethylester kann beispielsweise zusammen mit dem Kopplungsmuster rasch erkannt werden. C 3 C C -C C=C C=C C 3 C 3 -C C=C 1 -C- -C -- -C=C-C- -C-N -C --C- C 3 -C C -X -C C -C -C- - -N

10 NMR-Spektrometrie 10 Einerseits existieren Tabellen mit den ungefähren chemischen Verschiebung der Methyl-, Methylen- und Methin-Protonen und andererseits gibt es Inkrementregeln für aromatische und olefinische Protonen, bei denen zu einem Basiswert (7.6 ppm für benzolische Protonen, 5.5 ppm für olefinische Protonen) Inkremente in Abhängigkeit der Substituenten addiert werden können. Damit kann die chemische Verschiebung der einzelnen Protonensignale abgeschätzt und eventuell zwischen verschiedenen Strukturvorschlägen entschieden werden. aliphatische δ [ppm] α-substituenten x = 3 x = x = 1 C x C x -Br C x -N C x --R C x --C C x --C-R C x -C=C C x -C C C x -C C x -C-R C x -C-C C x -C--R...5 C x -C aliphatische δ [ppm] β-substituenten x = 3 x = x = 1 C x -C C x -C-Br C x -C-N C x -C--R C x -C--C-R C x -C-C C x -C-C-R C x -C-C--R C x -C-C rdnen Sie im untenstehenden Spektrum mit ilfe der Inkrementregeln die NMR-Signalen zu den entsprechenden Protonen in der Verbindung. e d C 3 -C a b = C c C g C 3 f h i Br Inkrementregeln δ [ ppm ] 0 ν o = 360 Mz δ [ ppm ] 6.0

11 NMR-Spektrometrie 11 Auflösung und Betriebsfrequenz Im Unterschied zu den Multiplettschwerpunkten, die sich bei zunehmender Feldstärke des angelegten Magnetfeldes nach grösseren Resonanzfrequenzen verschieben, ändert sich die Kopplungsfrequenz nicht. Die Kopplungskonstanten bleiben vom angelegten Magnetfeld unbeeinflusst. Da in der NMR-Spektrometrie die chemische Verschiebung in der vom Magnetfeld unabhängigen ppm-einheit angegeben wird, besitzt die Resonanzfrequenz eines Analytsignals immer den gleichen Wert. Bei dieser Skalierung und einer grossen Magnetfeldstärke erscheint dafür das Aufspaltungsmuster eines Multipletts trotz gleichbleibender Kopplungskonstante schmaler als bei einem kleinen Magnetfeld. Im weiteren wird bei einer grossen Magnetfeldstärke die Linienüberlappung von Komponenten zweier verschiedener Multipletts reduziert und die Bedingung für ein Kopplungsspektrum erster rdnung eher erfüllt. (Strukturvorschlag?) C 6 1 ν o = 60 Mz δ [ ppm ] 1.0 ν o = 360 Mz δ [ ppm ] 1.0 C 9 1 ν o = 60 Mz δ [ ppm ] 0 ν o = 360 Mz δ [ ppm ] 6.0

12 NMR-Spektrometrie 1 Spin-Spin-Wechselwirkungen Die Kernspins eines Satzes von magnetisch äquivalenten Protonen haben einen Einfluss auf das Resonanzverhalten der benachbarten Kerne, d.h. es besteht eine schwache Kopplung zwischen beiden Protonengruppen. Das Ausmass einer Kopplung wird durch die Kopplungskonstante beschrieben, wobei der Wert vom äusseren Magnetfeld unabhängig ist. Die Wechselwirkung zweier Kerne erfolgt über die Bindungen eines Moleküls (skalare Kopplung). Die Kopplungskonstanten werden mit grösserem Abstand der Gruppen kleiner. Wenn nur eine Bindung zwischen den koppelnden Kernen liegt, wird von direkter Kopplung gesprochen. Die Wechselwirkung über zwei Bindungen wird geminale Kopplung und die über drei Bindungen vicinale Kopplung genannt. Kopplungen über vier und mehr Bindungen, sogenannte long-range Kopplungen, sind in der 1 -NMR-Spektrometrie nur bei π- Elektronensystemen sichtbar. Kerne mit der gleichen Resonanzfrequenz bezeichnet man als isochron. Sie sind in der Regel chemisch äquivalent, d.h. sie befinden sich in gleicher chemischer Umgebung. Unter magnetisch äquivalenten Kernen versteht man, dass die betreffenden Kerne alle die gleiche Resonanzfrequenz und nur gemeinsame Spin-Spin- Wechselwirkungen zu den Nachbaratomen besitzen. In einem Spektrum treten die Spin-Spin-Wechselwirkungen zwischen magnetisch gleichwertigen Kernen nicht in Erscheinung. Die geminale Kopplung, d.h. die homonukleare Kopplung von zwei Methylenprotonen über die zwei C-Bindungen ist nur sichtbar, wenn die zwei Kerne kein isochrones Signal liefern. Bei einer vicinalen Kopplung kann trotz Isochronie der beiden geminalen Methylenprotonen die Kopplungskonstante aufgrund einer magnetischen Nichtäquivalenz verschieden sein. Bei mehr als zwei koppelnden Kernen beinhaltet die magnetische Äquivalenz, dass jeweils nur eine Kopplungskonstante existiert. Diese Bedingung ist bei der cis/trans-stellung von Protonen an Doppelbindungen nicht erfüllt. Difluormethan hat je zwei isochrone, geminale 1 und 19 F Kerne mit Kernspin 1 / sowie mit gleicher Kopplungskonstante F. Die beiden 1 -Kerne und die beiden 19 F Kerne sind also untereinander jeweils chemisch und magnetisch äquivalent. In 1,1-Difluorethen sind die 1 und 19 F Kerne untereinander auch chemisch äquivalent. Es existieren jedoch zwei vicinale Kopplungskonstanten 3 F für die cis- und trans- Stellung der Kopplungspartner, d.h. sie sind magnetisch nicht gleichwertig. Anzahl koppelnder Nachbarkerne mit Kernspin Ι = ½ Singulett Dublett Triplett Quartett Die Aufspaltungsmuster sind relativ einfach und logisch für Spektren erster rdnung. Im Vergleich zur Kopplungskonstante muss dazu ein grosse Differenz in der chemischen Verschiebung der miteinander koppelnden Kerngruppen vorliegen. Spektrum erster rdnung: 10 Analog ergeben koppelnde Nachbarkerne mit Kernspin I = 1 eine Signalmultiplizität. Bei einer Anzahl von 1, oder 3 koppelnden Kernen ist eine Triplett, Quintett bzw. Septett zu beobachten. Die entsprechenden relativen Intensitäten sind 1:1:1 beim Triplett, 1::3::1 beim Quintett und 1:3:6:7:6:3:1 beim Septett. Wenn bei deuteriertem Aceton in einer Methylgruppe anstelle von drei Deuteriumatomen nur zwei Deuterium und ein Proton vorliegt, so führt dies im 1 -NMR-Spektrum zu einem Quintett bei δ =.05 ppm. Im weiteren treten in 13 C-NMR-Spektren ein Triplett bei δ C = 75 ppm von deuteriertem Chloroform und ein Septett bei δ C = 40 ppm von deuteriertem Dimethylsulfoxid auf. Dies gilt auch für entkoppelte 13 C-Spektren, da der Resonanzfrequenz- Bereich von Deuterium nicht mit demjenigen von Protonen übereinstimmt. Kopplungsregeln

13 NMR-Spektrometrie 13 Die direkte heteronukleare Kopplung von 1-13 C-Kernen tritt im 1 -NMR-Spektrometrie aufgrund der geringen Isotopenhäufigkeit der 13 C-Kernen nur mit 1% Wahrscheinlichkeit auf. Auch die homonukleare Kopplung von benachbarten Kohlenstoffatomen ist im 13 C-NMR-Spektrum aufgrund der geringen Isotopenhäufigkeit der 13 C- Kerne nicht sichtbar. ingegen ermöglicht im 13 C-NMR die Kopplung der 13 C-Kerne mit den am Kohlenstoff gebundenen Protonen die Zuordnung der C-Atome zu Methyl-, Methylen- oder Methingruppen. Die Kopplungskonstante C- liegen im Bereich von ~150 z. Magnetisch gleichwertige Kerne erzeugen keine Multiplettstruktur durch gegenseitige Wechselwirkung. Die drei Protonen einer Methylgruppe bewirken nur die Aufspaltung einer benachbarten Methylengruppe, nicht jedoch eine Signalaufspaltung untereinander. Die Multiplizität einer Bande wird durch die Zahl n magnetisch äquivalenter Protonen bestimmt, die an den Nachbaratomen gebunden sind und erfüllt die Bedingung (n+1). Die Flächen eines Multipletts sind symmetrisch um den Mittelpunkt der Bande angeordnet und proportional zu den Koeffizienten des Polynoms (x+1) n. Protonen n Multiplizität n+1 1 = Singulett = Dublett 3 = Triplett 4 = Quartett 5 = Quintett 6 = Sextett 7 = Septett 8 = ktett relative Signalflächen Binominalkoeffizienten n n ( n 1) n ( n 1) ( n ) 1 : : : Pascal sches Zahlendreieck C 3 - C - C - mittlere Methlengruppe δ b = 1.86 ppm Quartettaufspaltung durch 3 Protonen δ a = 1.0 ppm a,b = 7.3 z Triplettaufspaltung durch Protonen δ c = 3.17 ppm b,c = 6.8 z 7.3 z z 3 Die gleichzeitige Kopplung einer Protonengruppe mit zwei Sätzen magnetisch unterschiedlicher Nachbarkerne führt zu einem Signalaufspaltungsmuster, das dem Produkt der von den Kopplungspartnern einzeln erzeugten Multiplizitäten entspricht. (n a + 1) (n c + 1) = 4 3 = 1 Bei gleicher Kopplungskonstante reduziert sich das Aufspaltungsmuster von zwölf Linien (Quartett x Triplett) auf sechs Linien (Sextett) mit den relativen Intensitäten entsprechend dem Pascal'schen Zahlendreieck von 1:5:10:10:5:1 für fünf Nachbarkerne. (n a + n c + 1) = 6 Analog ergigbt die Dublett x Dublett Aufspaltung ein Triplett mit dem Flächen verhältnis 1::1. Eine erhöhte Multiplizität und veränderte Intensitätsverteilung sind Anzeichen für Spektren höherer rdnung, die nicht mehr einfach interpretiert werden können.

14 NMR-Spektrometrie 14 Kopplungsmuster rdnen Sie den zwei abgebildeten Signalmultipletts die entsprechenden Protonen der aromatischen Verbindung zu, erklären Sie graphisch die Kopplungsaufspaltung und bestimmen Sie die Kopplungskonstanten. a 10 z b b N N c δ Von der untenstehenden Verbindung sind die beiden Signalmultipletts der olefinischen Protonen aufgeführt. Erklären Sie graphisch das Kopplungsmuster und bestimmen Sie die Kopplungskonstanten. 15 z 3 C C C C

15 NMR-Spektrometrie 15 Spinsysteme Unter einem Spinsystem ist eine Gruppe von n Kernen mit gleicher Spinquantenzahl zu verstehen, die durch maximal n Resonanzfrequenzen und (n -n)/ Kopplungskonstanten charakterisiert ist. Die Bezeichnung eines Spinsystems erfolgt mit Grossbuchstaben. Für Kerne mit gleicher chemischer Verschiebung findet derselbe Buchstabe Verwendung, während die Anzahl Kerne als Index hinzugesetzt wird. Die Differenz in der chemischen Verschiebung der einzelnen Kerne wird durch die Nähe der Buchstaben im Alphabet ausgedrückt. Die Protonen einer Methylgruppe sind als A 3 -System, die einer Ethylgruppe als A 3 B -System zu interpretieren. Im Protonen-NMR bildet eine CF 3 -C -Gruppe ein A X 3 -System während im 13 C-NMR die Kopplung zu den Wasserstoffkernen ein AX -System bewirkt. Isochrone Kerne mit unterschiedlichen Kopplungskonstanten zu einem Kopplungspartner, d.h. magnetisch nichtäquivalente Kerne werden mit einem Apostroph bezeichnet. So bildet 1,1-Difluorethylen ein AA'XX'-System und 1,-Dichlorbenzol ein AA'BB'-System. Bei abnehmendem Verhältnis / sind die Regeln erster rdnung nicht mehr zulässig. Die Komplexität der Kopplungsmuster wächst mit der Zahl der koppelnden Kerne. Die Ermittlung der Kopplungskonstanten und der chemischen Verschiebung muss bei Spektren höherer rdnung über quantenmechanische Ansätze erfolgen. Bei Spinsystemen mit drei oder vier Kernen sind theoretische Multiplettaufspaltungen von maximal 15 bzw. 56 Linien möglich. Da die Intensität der einzelnen Multiplettlinien stark variiert und in Routinespektren eine genügende Linienauflösung nicht erreicht wird, sind im Spektrum oft weniger Linien zu beobachten. e nach Differenz in der chemischen Verschiebung der koppelnden Partner und je nach Grösse der Kopplungskonstanten können die Linien auch zu einem scheinbar einfacheren Multiplettmuster verschmelzen. Br A -Spin-Systeme Multiplettlinien A -System 1 AX-System 4 AM-System 4 (Dach) AB-System 4 M AM-System A B A B-System A 3-Spin-Systeme Multiplettlinien A 3 -System 1 A X-System 5 A M-System 5 (Dach) A B-System 9 AMX-System 8 (Dach) ABX-System 14 ABC-System 15 A M N N x AMX-System A 4-Spin-Systeme Multiplettlinien A 4 -System 1 A 3 X-System 6 A 3 M-System 6 (Dach) A 3 B-System 16 A X -System 6 A M -System 6 (Dach) A B -System 16 AA XX -System 0 AA BB -System 4 ABCD-System 56 B ABX-System x X A Br C 3 X A AA XX -System Das einfachste Spektrum höherer rdnung liefert mit zwei koppelnden Kernen das AB-System. Verglichen mit dem Spektrum erster rdnung eines AX-Systems sind im AB-System ebenfalls vier Linien vorhanden. Die Intensitätsverteilung unterscheidet sich jedoch grundlegend. Für das Erscheinungsbild des AB-Spektrums ist das Verhältnis / massgebend. Im Grenzfall strebt gegen Null und die vier Linien reduzieren sich zum Singulett des A -Spektrums. Von den 3-Spin-Systemen sind die A B, ABX und ABC Systeme nicht nach den Regeln erster rdnung zu interpretieren. Die Maximalzahl der Multiplettlinien bei halbzahligen Spins beträgt dabei 9, 14 und 15, wobei intensitätsschwache Übergänge in Routinespektren oft nicht erkennbar sind. Näherungsweise wird man in Grenzfällen versuchen, die Regeln für Spektren erster rdnung anzuwenden, d.h. man behandelt das Spektrum als AMX-System. Von den 4-Spin-Systemen sind die AA'XX'-Systeme erwähnenswert. Sie sind aufgrund der chemischen Äquivalenz der A- und X-Kerne durch zwei Resonanzfrequenzen und wegen der Molekülsymmetrie durch vier Kopplungskonstanten charakterisiert. Gut aufgelöste Spektren lassen insgesamt 0 Linien erkennen. Dach-Effekt

16 NMR-Spektrometrie 16 Ein erstes Anzeichen des Überganges von einem Spektrum erster rdnung zu einem Spektrum höherer rdnung ist in den Spektren anhand von abweichenden relativen Intensitäten der Multiplettlinien zu beobachten (Dacheffekt). Wegen der Feldabhängigkeit von kann mit der Verwendung eines hohen Magnetfeldes eine Vereinfachung von komplizierten Spektren erzielt werden. A 6 X-System A 3 M X -System 3 C C C 3 N 3 C C C N C C z 60 z Intensität / = 5.5 = 184 z Intensität C / = 8.3 AM = MX AX = 7. z C C ν o = 60 Mz ν o = 60 Mz chemische Verschiebung δ [ ppm ] chemische Verschiebung δ [ ppm ] Welche Verbindung stimmt in Signalmultiplizität und chemischer Verschiebung mit dem NMR-Spektrum überein? Bestimmen Sie zudem die Kopplungskonstante und das Verhältnis / für beide Larmorfrequenzen. C 5 9 ν o = 60 Mz δ [ ppm ] 0 ν o = 100 Mz δ [ ppm ] 0 Spin-Spin-Wechselwirkung von zwei Kernen

17 NMR-Spektrometrie 17 Neben den Signalpositionen ist auch die Intensität der Übergange für das Aufspaltungsmuster entscheidend. Intensität Energie E 3 B A B 1 A 1 E 4 B A A -System mit AB = 0 E Energie Intensität + ¼ AA E 3 (A ) B A 1 ¼ AA AA E 4 B A A -System mit AA > 0 (B 1 ) A 1 B 1 A 1 ¾ AA B 1 E E 1 + ¼ AA E1 Intensität AX-System mit AX = 0 A X A 1 X 1 A A 1 X X 1 AX AX AX-System mit AX > 0 ν X ν X E 4 = ½( +ν X ) ΔE= +¼ AX E 4 = ½( +ν X ) +¼ AX X X Energie E 3 = ½( -ν X ) E = -½( -ν X ) A 1 A ΔE= -¼ AX ΔE= -¼ AX A 1 A E 3 = ½( -ν X ) -¼ AX E = -½( -ν X ) -¼ AX X 1 X 1 E 1 = -½( +ν X ) ΔE= +¼ AX E 1 = -½( +ν X ) +¼ AX Intensität AB-System mit AB = 0 A B A 1 B 1 A A 1 B B 1 AB AB AB-System mit AB > 0 ν B ν B E 4 = ½ ( + ν B ) ΔE = + ¼ AB E 4 = ½( + ν B ) + ¼ AB B B A Energie E 3 = ½ ( ν B ) E = ½ ( ν B ) A 1 A E 3 = ½ ( ν B ) + AB ¼ AB E = ½ ( ν B ) + AB ¼ AB B 1 A 1 B 1 E 1 = ½ ( + ν B ) ΔE = + ¼ AB E 1 = ½ ( + ν B ) + ¼ AB

18 NMR-Spektrometrie 18 AB-Kernspinsystem 10 ν 1 ν ν 3 ν 4 ν B AX Beispiel Zimtsäure AB =16 z = 7.8 ppm ν B = 6.48 ppm ν B ν B ν B ν B = ν B ν B ν B AB A Berechnung der δ A und δ B Werte ν ν 1 Betriebsfrequenz ν o = 60 Mz ν 1 = 478 z ν = 46 z ν 3 = 396 z ν 4 = 380 z 1 ν = ν3 ν4 = AB 1 ν3 = ν ν4 = νa νb) 1 = 5 ( + ( νa + νb) = ( ν1 + ν4) = ( ν + ν3) 1 ν [ z ] ν o = 60 Mz C C 6 5 A C 6 5 C = C C B Zimtsäure ν 3 AB = 16 z = 5 ν ν 1 ν 4 ν 1 = 478 z ν = 46 z ν 3 = 396 z ν 4 = 380 z TMS δ δ [ ppm ] A = 7.8 δ B = 6.48 Entkopplungstechnik Bei der Strukturaufklärung organischer Moleküle werden mit der 13 C-Kernresonanz Informationen über das Kohlenstoffskelett eines Moleküls gewonnen. Der Bereich der chemischen Verschiebungen umfasst in der 13 C- Kernresonanz etwa 00 ppm. Trotz des grösseren Verschiebungsbereichs gegenüber dem 1 -NMR führen die heteronuklearen 1-13 C-Kopplungen bei Verbindungen mit grossen relativen Molmassen zu vielfältigen Linienaufspaltungen und Signalüberlappungen, die die Auswertung des Spektrums erschweren. Der sprunghafte Erfolg der 13 C-NMR-Spektrometrie wurde neben der Empfindlichkeitssteigerung durch die PFT-Technik auch durch die Entwicklung von Entkopplungstechniken erreicht. Die Bestrahlung der Probe mit einem zweiten ochfrequenzsignal im Frequenzbereich der Protonenresonanz ermöglicht eine Entkopplung der 13 C- und 1 - Kerne. Durch Entkopplung der Spin-Spin-Wechselwirkungen wird ein Spektrum erhalten, das für spezifische

19 NMR-Spektrometrie 19 Kohlenstoffatome jeweils ein einziges Analytsignal aufweist. Zwei weit verbreitete Protonen-Entkopplungstechiken werden in der 13 C-NMR-Spektrometrie eingesetzt, nämlich die Breitbandentkopplung und die ff- Resonance-Entkopplung. Bei der Breitbandentkopplung wird die Spin-Spin-Aufspaltung der 13 C-Linien durch die Protonen ganz aufgehoben, während bei der ff-resonance-entkopplung ein teilentkoppeltes Spektrum erhalten wird. Durch die Positionierung der Entkopplungsfrequenz etwa z oberhalb der Region des Protonenspektrums bleiben die grössten Spin-Spin-Kopplungen, d.h. die Kopplungen der Protonen unmittelbar am 13 C-Atom sichtbar. Eine Methylgruppe ergibt dann ein Quartett und eine Methylengruppe ein Triplett. Doppel- Resonanz Einfach- Resonanz 3 C B C C A CC 5 trans-crotonsäureethylester ν A B δ [ ppm ] 0 Breitband-Entkopplung C 7 C 6 1 1,4 C,3,5,6 Norbornan δ C [ ppm ]

20 NMR-Spektrometrie 0 A X-System, A B-System, A 3 -System und AB -System A ν X X C C C A ν o = 60 Mz Trichlorbenzol A B A Pentachlorpropan = 1.4 = 17 ν B 6.07 ppm 4.5 ppm 7.35 ppm 7.14 ppm δ [ z ] B A B f 4 f 5 f 6 ν o = 60 Mz = 1.1 AB = [(f 1 - f 4 ) + [(f 6 - f 8 ) ] / 3 = 8. Pyrogallol = f 3 ν B = (f 5 + f 7 ) / f 7 f 1 f f 3 f 8 f ppm 6.60 ppm δ [ z ] AB -System A 3 -System =.0 = 0. AB -System A B-System = 0.8 ν B = 1.0

21 NMR-Spektrometrie 1 Signalüberlagerung versus Signalmittelung In der UV/VIS-Spektrometrie erscheinen die Absorptionsmaxima der sauren und basischen Komponenten von p-nitrophenol bei verschiedenen Wellenlängen. Das registrierte Spektrum setzt sich bei einem neutralen p- Wert als konzentrationsabhängige Mischung der Einzelspektren zusammen. Im Gegensatz dazu ergibt sich für die Protonen in α-stellung der -Gruppe des entsprechenden NMR-Spektrums eine mittlere chemische Verschiebung. UV-VIS Protonenaustausch 1 -NMR [100 Mz] A Δ ν = z alkalisch z 395 nm sauer neutral alkalisch 6.90 Δ ν = 45 z z 318 nm sauer N neutral λ [nm] δ [ppm] Signalmischung Signalmittelung Während der exponentiellen Abnahme der Gesamtmagnetisierung, d.h. im Verlaufe der Relaxationszeit, können die einzelnen Kernspins aufgrund des Protonenaustausches mehrmals die Larmorfrequenz wechseln. Natürlich geschieht dies nicht, wie in der untenstehenden Figur hypothetisch dargestellt, für alle Kernspins gleichzeitig. Die Fourier-Transformation des FID-Signals der Gesamtmagnetisierung ergibt bei einem langsamen Austausch eine Überlagerung der zwei Frequenzen und führt zur Registrierung von zwei getrennten Signalen. Bei einer schnellen Austauschfrequenz wird ein einzelnes Signal mit mittlerer Frequenz erhalten. Die Aufspaltung von Signalen durch die Kopplung mit benachbarten ydroxylprotonen ist meistens auch nicht zu erkennen. verschiedene Frequenzen Amplitude schneller versus langsamer Austauschprozess Zeit Amplitude Amplitude wechselnde Frequenzen Zeit Zeit

22 NMR-Spektrometrie Kinetische Untersuchungen mit der NMR-Spektrometrie Die Energiedifferenz der Kernspinzustände, die durch das äussere Magnetfeld hervorgerufen werden, ergeben zwar Larmorfrequenzen im Mz-Bereich, doch liegen die Frequenzunterschiede der NMR-Signale von protonierten und deprotonierten Komponenten im Bereich von 10 bis 1000 z und entsprechenden damit sehr viel geringeren Energiedifferenzen. Die Geschwindigkeitsraten von intermolekularen Austauschprozessen und intramolekularen Rotations- und Inversionsprozessen liegen im Grössenbereich der Frequenzunterschiede von zugehörigen NMR-Signalen. Da die Überlagerung von zwei sinusförmigen Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen eine Schwebung mit dem periodischen Zeitintervall 1/ ergibt, bewirkt ein Frequenzwechsel innerhalb der Schwebungsperiode eine unvollständige Strahlungsinformation. Der zu geringe Informationsgehalt der Strahlung führt deshalb zu einem einzelnen gemittelten NMR-Signal, sobald die Austauschrate den entsprechenden Frequenzunterschied der beeinflussten Protonensignale übersteigt. Bei geringer Salzsäurezugabe zu Ethanol wird der Protonenaustausch an der -Gruppe beschleunigt, so dass sowohl die Triplettaufspaltung des -Signals als auch die zusätzliche Dublettaufspaltung des C -Quartetts. Die Säure sorgt für einen schnellen Austausch zwischen verschiedenen Molekülen, wodurch die Lebensdauer für eine Auflösung der zwei Kopplungssignale zu kurz wird. Spuren von Salzsäure beschleunigen den Protonenaustausch an der -Gruppe Ethanol Ethanol + Salzsäurespuren Intensität Quartett x Dublett Intensität chemische Verschiebung δ [ ppm ] chemische Verschiebung δ [ ppm ] Da Austauschprozesse temperaturabhängig sind, ermöglicht die Aufnahme von NMR-Spektren bei unterschiedlichen Temperaturen die Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeiten von intermolekularen Austauschprozessen sowie intramolekularen Konformationsänderungen. Aufgrund der Stabilisierung der C N- Bindung durch den Doppelbindungscharakter der tautomeren Verbindung ist in Dimethylformamid die Energiebarriere für die Rotation der Methylgruppen mit ~90 k/mol relativ hoch. Bei Raumtemperatur ist deshalb die Aufenthaltsdauer der Methylgruppen in den Positionen mit verschiedener Resonanzfrequenz so gross, dass zwei getrennte NMR-Signale registriert werden. Da die Aufspaltung des NMR-Signals der beiden C 3 -Gruppen von Dimethylformamid mit der Betriebsfrequenz der Spektrometer variiert, handelt es sich um einen Effekt in der chemischen Verschiebung und nicht um eine Spin-Spin-Wechselwirkung. Deshalb müssen die beiden C 3 -Gruppen bei Raumtemperatur eine unterschiedliche chemische Umgebung besitzen. Bei Erhöhung der Temperatur verbreitern sich diese Signale und verschmelzen bei der sogenannten Koaleszenztemperatur zu einer einzigen Linie. Bei sehr kleiner Lebensdauer (τ = 0.1 ms) ist der Austausch also so schnell, dass die unterschiedlichen Energiedifferenzen der Kernspinzustände aufgrund der eisenberg'schen Unschärferelation nicht mehr erfassbar sind und ein einzelnes mittleres Signal resultiert. Bei Erniedrigung der Temperatur und damit Erhöhung der Lebensdauer der einzelenen cis- bzw. trans-position zur Carbonylgruppe wird das NMR-Signal zunächst breiter,

23 NMR-Spektrometrie 3 da die unterschiedlichen Energiedifferenzen nach eisenberg zeitlich noch unscharf erfasst werden können. Nach Trennung der Signale bei der Koaleszenztemperatur ermöglicht die weitere Verlangsamung der Austauschprozesses die Registrierung von zwei scharfen NMR-Signale. Einschränkung der Rotation um Bindungen mit partiellem Doppelbindungscharakter Dimethylformamid Dimethylformamid b c Intensität a C N b C 3 C3 c Intensität a a C N b C 3 C3 c b c TMS a TMS CD chemische Verschiebung δ [ ppm ] chemische Verschiebung δ C [ ppm ] schneller Austausch langsamer Austausch = 30 z Koaleszenz + ν B ν B Frequenzunterschied mittlere Lebensdauer [ s ] τ = τ = τ = τ = τ = τ = τ = τ = Die NMR-Spektrometrie ermöglicht also die Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten von schnellen, reversiblen Reaktionen im Bereich von s -1. Solche reversiblen Prozesse, die durch Energiebarrieren zwischen 0 und 100 k/mol charakterisiert werden, sind für andere Messmethoden der Kinetik im Allgemeinen zu schnell. Die notwendige, minimale Lebensdauer von Komponenten eines Austauschprozesses, damit für die entsprechenden Protonen noch getrennte NMR- Signale registriert werden können, ist abhängig von der Messfrequenz des Spektrometers, d.h. von der NMR-Zeitskala. Durch die Erhöhung der Messfrequenz verändert sich die Linienform bei vorgegebener Temperatur in Richtung eines langsamen Austausches. Die mittlere Lebensdauer einer Komponente ist hingegen temperaturabhängig, so dass sich die Linienform der registrierten NMR-Signale bei gleichbleibender Messfrequenz und Erhöhung der Temperatur in Richtung zu einem schnellen Austauschprozess ändert.