Kernmagnetische Resonanzspektroskopie. N Nuclear M Magnetic R Resonance Beobachtung magnetisch aktiver Kerne in einem äußeren Magnetfeld

Transkript

1 NMR- SPEKTROSKOPIE

2 Prüfungsfrage Radiospektroskopische Methode: NMR. Das Spin und magnetische Moment, die Bedingung der Resonanz, Spektralspaltung, chemische Verschiebung.

3 Kernmagnetische Resonanzspektroskopie N Nuclear M Magnetic R Resonance Beobachtung magnetisch aktiver Kerne in einem äußeren Magnetfeld

4 Atomkern Jedes Neutron und jedes Proton besitzen einen Spin von genau ½ Spin des gesamten Atomkerns ist die Addierung der Einzelspins. Besitzt der Atomkern eine gerade Nukleonenzahl, dann wird Gesamtspin eine ganze Zahl sein. Besitzt der Atomkern eine ungerade Nukleonenzahl, dann haben wir einen halbzahligen Kernspin. Was heisst Magnetische Kerne?

5 Atomkern Jedes Neutron und jedes Proton besitzen einen Spin von genau ½ Spin des gesamten Atomkerns ist die Addierung der Einzelspins. Besitzt der Atomkern eine gerade Nukleonenzahl, dann wird Gesamtspin eine ganze Zahl sein. Besitzt der Atomkern eine ungerade Nukleonenzahl, dann haben wir einen halbzahligen Kernspin. Interresant der NMR- Spektroskopie

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7 Kerne mit halbzahligem Kernspin besitzen ein magnetisches Moment (μ). (L=Drehimpulse) Diese Atomkerne sind selber ein winzig kleiner Magnet. Legt man ein äußeres Magnetfeld an diese Probe an, werden sich die Magneten an diesem Magnetfeld ausrichten. wie kleine Kompassnadeln Atomkern Nukleonen = kleine Stabmagneten B (Magnetfeld)

8 Durch Anlegen eines äusseren Magnetfeldes können die Kerne 2 entgegen gesetzte Orientierungen einnehmen. α = antiparalell zum Magnetfeld (Energiereicher Zustand) Angeregt β = paralell zum Magnetfeld (Energieärmer, energetisch günstiger Zustand) Relaxiert Energie der Kernorientierungen in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke. B Präzessionsbewegung

9 frankfurt.de/sites/default/files/oc1p/nmr_vortrag.pdf

10 Um vom energieärmeren in den energiereicheren Zustand überzugehen, muss dem Kern exakt die Energiedifferenz zwischen den Energiezuständen zugeführt werden. Der Kern muss mit Strahlung einer ganz bestimmten Frequenz bestrahlt werden. Radiofrequente EM Strahlung MHz

11 Die Probe wird mit der entsprechenden Frequenz (Radiofrequenz) eingestrahlt, kommt es zur Resonanz (Spinumkehr). Absorption (Kerne mit halbzahligem Kernspin: 1 H, oder das relativ seltene Isotope 13 C, 31 P, 19 F. ) Relaxation (Nach der Anregung fallen die Kerne wieder in den energieärmeren Zustand zurück und geben die absorbierte Energie als Wärme an die Umgebung ab.) Die exakte Anregungsfrequenz eines Kerns hängt von der unmittelbaren chemischen Umgebung ab, sprich davon, wie stark er abgeschirmt ist, d.h. liefert es Informationen über die Molekülstruktur.

12 Wie nehmen wir ein NMR- Spektrum auf? (1) Wir lösen die Probe in einem geeigneten Lösungsmittel, (2) und fügen etwas Eichsubstanz hinzu. (3) Wir legen ein äußeres Magnetfeld an und bestrahlen die Proben mit unterschiedlichen Wellenlängen (Radiofrequenzbereich). (5) Wir messen bei jeder Wellenlänge die Absorption. (6) Das Spektrum ist fertig.

13 Absorption typisches Absorptionsspektrum Absorption, Extinktion Wellenlänge, Frequenz, Wellenzahl (Synonym für die Energie) absolute (reale) Anregungsenergie NMR- Absorptionsspektrum Absorption 0 keine Abschirmung Abschirmungen 'chemische Verschiebung' (δ) relatives Maβ Einheit:ppm vom außen angelegten Magnetfeld abhängige Anregungsenergie (Magnetfeld kann von Labor zu Labor, von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein) Deshalb muss immer eine Eichsubstanz verwendet werden, um verschiedene Spektren miteinander vergleichbar zu machen. 1 ppm heißt das, dass ich mit einer Frequenz einstrahle, die 1 ppm geringer ist, also die Frequenz, die ich hätte bei 0.

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15 Anzahl und Lage der Signale bzw. Signalgruppen 1H NMR Spektrum von Ethanol 6 Wasserstoffatome in Ethanol Magnetisch äquivalent Kerne: mit gleicher chemischer Umgebung Die 'Sätzen' enthalten die magnetisch äquivalenter Kerne. Abschirmung Stark elektronegative Nachbarn bewirken eine starke Abschirmung. TMS: Eichsubstanz Grobstruktur des Spektrums (low resolution spectrum) : 3 Signals Feinstruktur des Spektrums(high resolution spectrum): viel mehr Informationen

16 Die Peaks im Spektrum Feinstruktur des Spektrums (Feinaufspaltung des Signals, Kopplungmuster) Terrassenkurve Die Stufenhöhe bei jedem Peak entspricht dann genau der Fläche unter der Kurve: wie viele Protonen an jedem Signal beteiligt sind.

17 Feinstruktur der NMR- Signale

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21 Danke für Ihre Aufmerkamkeit! Referenzen: muenster.de/imperia/md/content/pharmaz_und_med_chemie/studieren/semester/8semester/nmrtis chvorlage.pdf ac.gwdg.de/~rherbst/eirmer/html/fortbildung/nmr/nmrpdf.pdf