Die Anwendung der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) Spektroskopie zur Strukturaufklärung

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1 Die Anwendung der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) Spektroskopie zur Strukturaufklärung - eine kurze Einführung im Rahmen des C Grundpraktikums - Prof. Dr. Reinhard Meusinger Leiter der NMR Abteilung am Fachbereich Chemie der TU Darmstadt WS 2017/18 1

2 Die Probenvorbereitung Die NMR Spektroskopie ist die wichtigste strukturanalytische Methode zur Untersuchung von Flüssigkeiten. Probenwechsler Die NMR Spektroskopie ist eine apparativ und zeitlich aufwendige und daher relativ teure analytische Messmethode. Kryomagnet Bitte nur ausgewählte Proben von sorgfältig gereinigten Substanzen abgeben. Eine sorgfältige Probenvorbereitung erleichtert uns die Spektrenaufnahme und Ihnen die Spektrenauswertung. Mit der hochaufgelösten Flüssigkeits NMR Spektroskopie sind NMR Messungen ausschliesslich von Lösungen möglich. Für die Aufnahme von NMR Spektren stehen Ihnen zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung Arbeitsplatz an einem 300 MHz NMR Spektrometer 2

3 Selbstmessungen Servicemessung am Spektrometer Magritek Spinsolve Carbon Bruker AvanCe 300 (AC300) Standort C GP Asssitentenzimmer A1 NMR Abteilung, 2. Etage Magnetfeldstärke ca 1 T(esla) 7,05 T (bzw. 11,7 T) 1 H Anregungsfrequenz 42 MHz 300 MHz (bzw. 500 MHz) Proberöhrchen 5 mm Substanz gelöst in deuterierten Lömi z.b. CDCl 3, DMS-D 6 (Achtung Lömi Eigensignale!) Messung Durch Sie selbst unter Aufsicht (Assi, Hiwi) durch die NMR Abteilung nach Abgabe eines Auftragzettels Spektrenausgabe per an Ihre Adresse DIN A4 Plot und und ar300 Spektrenbearbeitung MestreNova (Mestrelab Research) Version

4 NEU! Spinsolve Carbon benchtop NMR spectrometer Low purchase and operating cost 4

5 Spinsolve Specifications: Frequencies: 42.5 MHz Proton and 10.8 MHz Carbon Nuclei: 1 H Proton (and 13 C Carbon) 5

6 C H MHz 6

7 Die Messungen erfolgen ausschliesslich in speziellen NMR-Röhrchen (tube) Typ Colorspec yellow oder Boro 300 (diese gehören zur Platzausrüstung). Das NMR Röhrchen muss: o eine Mindestlänge von 17,5 cm besitzen und o sauber und trocken sein (es darf kein Aceton enthalten!) Die Probe muss in deuterierten NMR-Lösungsmittel vollständig gelöst sein (z.b. CDCl 3, DMS-D 6, D 2 ). Die Füllhöhe dieser Lösung muss ca. 5 cm betragen (nicht mehr und nicht weniger). Die Röhrchenlänge und die Füllhöhe lassen sich mit Hilfe des Auftragszettels einfach überprüfen (Bilder) - Kontrollieren Sie vor jeder Messung die korrekte Röhrchenlänge und die Füllhöhe Ihrer NMR-Probe mit Hilfe des Auftragszettels 7

8 - beachten Sie die Mindestmengen (Konzentrationen) der NMR Proben o für 1 H-NMR ca mg o Faustregel für 1 H Messungen: eine Pasteurpipette auf den Kolbenboden stellen und mit dem Daumen verschliessen (nicht ansaugen). Die Pipette anschliessend auf das NMR-Röhrchen aufsetzen und die in der Pipettenspitze befindliche Substanz mit ca. 0,5 ml deuterierten Lösungsmittel in das NMR Röhrchen spülen. o für 13 C-NMR ca. 50 mg - die zu untersuchende Substanz muß trocken sein (eine homogene Phase) - ungelöste Bestandteile (Fusseln) müssen entfernt werden (filtrieren) - das Röhrchen von aussen gründlich abwischen - die fertige Probe zur Kontrolle gegen das Licht halten und prüfen Nach dem Befüllen wird das NMR Röhrchen verschlossen und mit einem sauberen Tuch abgewischt. 8

9 NMR Proben können nicht gemessen werden, wenn o o o o o o die Substanz nicht (vollständig) gelöst ist das Probenmaterial auskristallisiert sich Schwebstoffe in der Probe befinden sich mehrere Phasen bilden sich Luftblasen in der Lösung befinden die Probe nicht homogen ist. 9

10 - Für jede Probe müssen Sie einen Auftragszettel und ein Fähnchen ausfüllen o Name James Bond CGP o Strukturformel o ca. Substanzmenge o verwendetes Lösungsmittel o Unterschrift vom Assistenten X JB mg HC H CH CH X James Bond CGP JB 007 CDCl 3 X Kai Nehoffnung 10

11 das Fähnchen ist für die eindeutige Zuordnung Ihrer Probe zum Auftragszettel notwendig. Die Vorlage bitte aussschneiden, lochen, beschriften und auf das Röhrchen stecken und die Doppelnummer (egal ob rot oder blau) wird jeweils auf den Auftragszettel und auf das Fähnchen geklebt

12 Die Probenabgabe in Kurzform - Die Probenabgabe befindet sich in der 2. Etage vor dem Raum 02/243. Es gibt drei Ablagen für die Röhrchen und für die dazugehörigen Auftragszettel: o Grüne Ablage: nur 1 300MHz o Gelbe Ablage: 1 H- und MHz o Rote Ablage: alle 500 MHz (nicht im CGP) - die Auftrags-Doppelnummer auf das Fähnchen und den Auftragszettel kleben - das gelochte Fähnchen auf das NMR Röhrchen stecken - die Probenabgabe ist ganztägig geöffnet. Bei einer Probenabgabe bis 15 Uhr erfolgt die Messung noch am gleichen Tag (Nacht). - Kleinere Substanzmengen und 13 C-NMR Messungen erfordern längere Messzeit. Die Messung erfolgt dann meist über Nacht - die gemessenen Spektren finden Sie in der Probenrückgabe im Fach C-GP - zeitgleich mit dem Ende der Messung ist das elektronische File auf der Webseite der NMR Abteilung verfügbar ( - Login und Passworteingabe - Für die Spektrenbearbeitung steht Ihnen das Programm MestReNova der Fa. Mestrelab Research mit einer Campuslizenz zur Verfügung. - s.a. 12

13 Die Spektrenbearbeitung (processing) Spektrenfiles downladen von Die Probe JB_007 des Herrn Bond wird gerade gemessen 13

14 die Messung ist beendet und das Spektrum 14

15 kann jetzt bequem von der Webseite heruntergeladen werden. Für die Spektrenbearbeitung (processing) steht Ihnen das kommerzielle Programm MestreNova zur Verfügung. Unsere derzeitige Campuslizenz ist aber nur für die Version 9.1 gültig! 15

16 Laden Sie von der Mnova Webseite das Programm Paket 11.0 auf Ihren Rechner 16

17 und installieren Sie das Lizenzfile. MestreNova Lizenzfile downladen von 17

18 Spektrenbearbeitung mit dem MestreNova Programm (Processing) 18

19 Spektrenbearbeitung mit dem MestreNova Programm (Processing) 19

20 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) eine kurze Einführung in die Spektrenauswertung - die NMR Spektroskopie ist eine der wichtigsten strukturanalytischen Methoden - es gibt zahlreiche Varianten und sehr unterschiedliche Anwendungen der NMR Spektroskopie (Flüssigkeiten, Festkörper, rganismen ) - in der C arbeiten wir (ausschliesslich) mit der hochauflösenden Flüssigkeits-NMR Spektroskopie - ausführliche physikalische Hintergründe der Methode s. PC und B.IAG Kurs o o o die Atomkerne einiger Isotope (z.b. 1 H, 13 C) sind kernmagnetische Dipole deren Verhalten in einem starken Magnetfeld nach Anregung mit elektromagnetischer Strahlung gemessen werden kann - die Informationen über die chemischen Strukturen sind im Spektrum verschlüsselt enthalten - die Entschlüsselung der Strukturinformationen gelingt mit Hilfe sogenannter NMR-Spektrenparameter 20

21 1 H-NMR Spektrenparameter - die wichtigsten 1 H-NMR Spektrenparameter sind o o o o o o die Anzahl der Signale die Intensität der Signale (Integrale) die chemische Verschiebung (Lage im Spektrum, Resonanzfrequenz) die Multiplizität der Signale (Anzahl der Linien, Feinaufspaltung) die Kopplungskonstante (Linienabstand innerhalb eines Multipletts) die Linienbreite hierzu empfehlenswerte Literatur Lehrbücher der rganischen Chemie Hesse, Meier, Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie R. Meusinger, "NMR-Spektren richtig ausgewertet, 100 Übungen für Studium und Beruf" 21

22 1 H-NMR Spektrum von Ethanol in CDCl 3 Integrale H-CH 2 - Signale Integralgrenzen chemische Verschiebung 22

23 gespreizte 1 H-NMR Signale von Ethanol in CDCl 3 die Signalmultiplizitäten werden erst im gespreizten Spektrum deutlich sichtbar Kopplungskonstante Linienbreite Multiplizität 23

24 Der Zusammenhang zwischen 1 H-NMR-Spektrenparametern und der chemischen Struktur zählbare Parameter die mit der Struktur in einem numerischen Zusammenhang stehen NMR-Parameter Strukturinformation Beispiel Ethanol H-CH 2 - Anzahl der Signale entspricht der Zahl der Atome oder Atomgruppen in chemisch unterschiedlichen Umgebungen H + CH 2 + drei Signale Intensität / Integrale entspricht dem Atomverhältnis zwischen chemisch nicht äquivalenten Gruppen H + CH : 2 : 3 Multiplizität (Anzahl u. Intensität d. Linien in einem Signal) In Abhängigkeit von der Zahl n der Nachbar- 1 H-Atome über 3 Atombindungen spaltet das Signal in n+1 Linien auf H - CH 2 - n: 3 2 n+1: 4 3 Multiplizität: q(uartett) t(riplett) 1 H-NMR Spektrum von Ethanol (Ausschnitte, 300 MHz, CDCl 3 ) 24

25 Beispiel (Sp_526) Eine Probe aus dem C-Grundpraktikum wurde mit diesem Strukturvorschlag abgegeben (Ausschnitt) Interpretieren Sie das gemessene 1 H-NMR Spektrum. 25

26 Beispiel (Sp_526) Eine Probe aus dem C-Grundpraktikum wurde mit diesem Strukturvorschlag abgegeben (Ausschnitt) Interpretieren Sie das gemessene 1 H-NMR Spektrum. X Cl (chloromethyl)benzene 26

27 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) Bestimmen Sie die Anzahl der zu erwartenden 1 H-NMR Signale von Essigsäureisoamylester H 3 C 27

28 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) Anzahl der zu erwartenden Signale: H 3 C Fünf Signale 28

29 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) Anzahl der zu erwartenden Signale: H 3 C fünf Anzahl der zu erwartenden Signale: Anzahl der gemessenen Signale:

30 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) erwartete Intensitäten für diese fünf Signale: H 3 C gemessene relative Intensitäten (Integrale): 2 : 3 : 1 : 2 : 6 30

31 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C H 3 C Anzahl der Signale: fünf relative Intensitäten (Integrale): 2 : 3 : 1 : 2 : 6 zugeordnete Strukturgruppen: CH 2 CH CH

32 Die Signalmultiplizität und chemische Struktur Die Multiplizitätsregel Im 1 H-NMR Spektrum splittet das Signal eines Protons durch die Kopplung mit n magnetisch äquivalenten Nachbarprotonen (d.h. Wasserstoffatome mit einem Abstand von zwei oder drei Atombindungen zum betrachteten H-Atom) in ein Multiplett mit n+1 Linien auf. Die Intensitäten der Multiplettsignale entsprechen den Zahlen in einem PASCALschen Dreieck: Zahl Nachbaratome n Multiplizität n Bezeichnung Singulett Dublett Triplett Quartett Quintett Sextett Multiplett Abkürzung s d t q p m Intensität der Einzellinien 1 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1 1:5:10:10:5:1 H H H H H H H H H H H H H H H Strukturbeispiele X CH CH HC Z CH CH 2 CH CH CH 2 CH 2 32

33 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C Anzahl der Nachbar H-Atome n: 0 n+1: 1 Multiplizität M: Singulett (s) 33

34 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C Anzahl der Nachbar H-Atome n: n+1: 3 Multiplizität M: Triplett (t) 34

35 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C Anzahl der Nachbar H-Atome n: n+1: 4 Multiplizität M: Quartett (q) * * exakterweise handelt es sich um ein Pseudoquartett 35

36 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C Anzahl der Nachbar H-Atome n: n+1: Multiplizität M: s t q m d Singulett (s) Triplett (t) Quartett (q) Multiplett (m) hier Nonett Dublett (d) 36

37 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C Triplett Singulett m Quartett Dublett Eine eindeutige Zuordnung der beiden CH 2 -Signale ist jetzt möglich 37

38 Die Signalmultiplizität und chemische Struktur Die Multiplizitätsregel Im 1 H-NMR Spektrum splittet das Signal eines Protons durch die Kopplung mit n magnetisch äquivalenten Nachbarprotonen (d.h. Wasserstoffatome in zwei oder drei Atombindungen Abstand) in ein Multiplett mit n+1 Linien auf. Die Intensität der Multiplettsignale entspricht einem PASCALschen Dreieck: Zahl Nachbaratome n Multiplizität n Bezeichnung Singulett Dublett Triplett Quartett Quintett Sextett Multiplett Abkürzung s d t q p m Intensität der Einzellinien 1 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1 1:5:10:10:5:1 Der Abstand zwischen den Resonanzlinien eines solchen Multipletts wird als Kopplungskonstante J bezeichnet. Ihre Angabe erfolgt immer in Hz. 38

39 Beispiel Essigsäureisoamylester gepreizt (Sp_368) H 3 C H 3 C t s Pseudononett (!) q d Multiplizitäten = = 3 1 Anzahl der Nachbar H-Atome -CH 2 - CH 2 - -C()- -CH 2 CH( ) 2 -CH 2 -CH 2 -CH< ( ) 2 CH- Strukturgruppen 3 J 3,4 = 6,9 Hz 3 J 5,6 = 6,8 Hz 3 J 4,5 = 6,9 Hz 3 J 6,5 = 6,7 Hz Kopplungskonstanten 39

40 Der Zusammenhang zwischen 1 H-NMR-Spektrenparametern und der chemischen Struktur qualitative Parameter die mit der Struktur in einem empirischen Zusammenhang stehen NMR-Parameter Strukturinformation Beispiel Ethanol H-CH 2 - chemische Verschiebung Hybridisierung Art u. Anzahl von Substituenten Entfernung von den Substituenten 4,3 ppm; 3,35 ppm; 0,91 ppm Kopplungskonstante Hybridisierung (Bindungswinkel) Torsionswinkel 3 J CH2-CH3 ~ 7,0 Hz Linienbreite Austauscheffekte (H-Brücken) dynamische Effekte H - CH 2 - breit schmal schmal 1 H-NMR Spektrum von Ethanol (Ausschnitte, 300 MHz, CDCl 3 ) 40

41 Die Chemische Verschiebung und die chemische Struktur Erwartungsbereiche der 1 H-NMR chemischen Verschiebung in Abhängigkeit von der Hybridisierung der C-Atome: H H H R C R C C C X C H C C H C H H H X

42 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C entschirmt (ab)geschirmt Chemische Verschiebungen der beiden CH 2 Gruppen: 4.02 ppm und 1.44 ppm H 3 C zugeordnete Strukturgruppen: -CH 2 -CH 2 - -CH 2 -CH 2 -CH< 42

43 Beispiel Essigsäureisoamylester (Sp_368) H 3 C 4,02 1,95 1,62 1,44 0,84 Angabe der experimentellen Werte: 4,02 ppm (2H) t (6,9 Hz); 1,95 ppm (3H) s; 1,62 ppm (1H) m (6,8 Hz); 1,44 ppm (2H) q (6,9 Hz); 0,85 ppm (6H) d (6,7 Hz) 43

44 Die Spektrenparameter sind von den Aufnahmebedingungen abhängig insbesondere vom Lösungsmittel, der Konzentration, der Temperatur und dem ph-wert Beispiel: gespreizte 1 H-NMR Spektrenausschnitte von Ethanol in CDCl 3 (oben) und in DMS-D 6 (unten) H-CH 2 - in CDCl 3 H-CH 2 - in DMS-D 6 44

45 Übung 1 (500 MHz, CDCl 3, Buch 007, Su_113) Welche Strukturen passen zu dem 1 H-NMR Spektrum und welche Strukturen lassen sich ausschließen? Können Sie eindeutig die richtige Struktur zuordnen? C H 3 A C H 3 B H 3 C H 3 C C D H 3 C E 45

46 Übung 2: rdnen Sie alle Signale des Acrylsäurebutylesters zu (300 MHz, CDCl 3, Su_217) H_A H_B H_C Dublett von Dubletts (dd) Triplett Quintett Pseudoquintett Sextett Pseudosextett Triplett H C H A H B 3 J A,C = 17,4 Hz; 3 J A,B = 10,4 Hz; 2 J B,C = 1,5 Hz 3 J CH2-CH3 = 7,4 Hz 46

47 Das 13 C-NMR Übersichtsspektrum von Ethanol H-CH C-NMR Spektrum ppm DEPT_135 NMR /CH positiv CH 2 negativ ppm 47

48 Das 1 H-NMR Übersichtsspektrum von Dekansäuremethylester (Su_228) (es werden nur 5 von 10 Signalen getrennt beobachtet, da die Signale von sechs Methylengruppen zufällig zusammenfallen) C H 3 Das 13 C-NMR Übersichtsspektrum von Dekansäuremethylester (Su_228) (es werden 10 von 11 Signalen getrennt beobachtet, nur zwei Signale fallen zufällig zusammen) C H 3 48

49 C H 3 Das gespreizte 13 C-NMR- (unten) und DEPT Spektrum (oben) von Dekansäuremethylester (Su_228) (von den 11 Kohlenstoffsignalen werden 10 getrennt beobachtet, nur zwei fallen zufällig zusammen) 49

50 Der Zusammenhang zwischen 13 C-NMR-Spektrenparametern und der chemischen Struktur zählbare Parameter (stehen mit der Struktur in einem numerischen Zusammenhang) NMR-Parameter Strukturinformation Beispiel Ethanol H-CH 2 - Beispiel Decansäuremethylester -(CH 2 ) 8 -C Anzahl der Signale entspricht der Zahl der C-Atome in chemisch unterschiedlichen Umgebungen zwei Signale + Lösungsmittel (Standard) zehn von elf Signalen werden beobachtet + Lösungsmittel (C-5 und C-6 unterscheiden sich kaum) Intensität / Integral quant. 13C sehr zeitaufwendig in der Routinemessung kann die Intensität abgeschätzt werden ca 1 : 1 ca. 0,3 : 1 : 1 : 1 : 1 : 2 : 1 : 1 : 1 : 1 Multiplizität von der Anzahl der direkt gebundenen H-Atome abhängig nur im DEPT unterscheidbar - im DEPT positiv* -CH 2 im DEPT negativ* -C quart im DEPT: kein Signal (-CH im DEPT: positiv*) -CH 2 im DEPT: negativ* - im DEPT: positiv* * das Spektrum kann in der Automation auch mit umgekehrter Phase ausgedruckt werden! Eindeutige Signale suchen (z.b. TMS = ) 50

51 qualitative Parameter (stehen mit der Struktur in einem empirischen Zusammenhang) NMR-Parameter Strukturinformation Beispiel Ethanol H-CH 2 - Beispiel Decansäuremethylester -(CH 2 ) 8 -C wichtigster 13 C-NMR Paramater! chemische Verschiebung Hybridisierung des C-Atoms Substituenteneinfluss (Art, Anzahl und Entfernung) Anisotropieeffekte bestimmter Strukturgruppen -CH 2 : 57,1 ppm : 17,5 ppm C: : CH 2 : : 173,9 ppm 51,1 ppm 33,9 bis 22,5 ppm 13,9 ppm Kopplungskonstante (nicht in Routinemessung) Hybridisierung des C-Atoms Bindungswinkel 1 J C-H ~ 140 Hz Kopplungen können nur in speziellen Messungen beobachtet werden Linienbreite dynamische Effekte Nachbarschaft zu N-Atomen spielt in der 13 C-NMR kaum eine Rolle 51

52 Die Chemische Verschiebung und die chemische Struktur Erwartungsbereiche der 13 C-NMR chemischen Verschiebungen ausgewählter Strukturgruppen: -C - 0 bis 30 ppm -C-CH 2 -C 20 bis 45 ppm -C-CH-C 30 bis 60 ppm -C quart - 30 bis 50 ppm -N- 15 bis 45 ppm bis 60 ppm -C C- 75 bis 95 ppm -C = C- 105 bis 145 ppm Aromaten 110 bis 155 ppm -C N- 115 bis 125 ppm Heteroarom. 105 bis 170 ppm Carbonsäure(derv.) 155 bis 180 ppm Aldehyde 180 bis 205 ppm Ketone 195 bis 225 ppm 13 C-NMR- (unten) und DEPT Spektrum (oben) (Sp_246) 52

53 Übung 3 (300 MHz, CDCl3, Su_135): Können Sie unter Zuhilfenahme des 13C-NMR Spektrums die richtige Struktur zuordnen? Welche Strukturen können Sie mit Hilfe des 13 C-NMR Spektrums ausschließen? Versuchen Sie die richtige Struktur eindeutig zuzuordnen. H 3 C NH H 3 C H C H 3 C 3 H 3 C H 3 C H 3 C Cl Cl H 3 C 53

54 Übung 4 (Sp_173, 300 MHz, CDCl 3 ) Diese Spektren stammen von einem Nitroanilin. Welche Konstitutionsisomere sind möglich? (Strukturformeln zeichnen) Bestimmen Sie mit Hilfe der NMR-Spektren die Konstitution der vorliegenden Verbindung. N N H 2 N ppm N ppm N ppm 54

55 Übung 5 Spektreninterpretation des 13 C NMR Spektrums von Cyclohexenon (300 MHz, CDCl 3 ) - Bestimmen Sie zuerst alle Fremdsignale - rdnen Sie mit Hilfe der Tabelle auf S. 17 die Signale den entsprechenden C-Atomen zu. - ordnen Sie die beiden olefinischen C-Atome mit Hilfe von mesomeren Grenzstrukturen zu. - Ist ein DEPT-Spektrum für die Zuordnung notwendig? C + TMS ppm entschirmt (ab)geschirmt 55

56 Übung 6 Entscheiden Sie ob es sich bei der folgenden Substanz um den Crotonaldehyd oder um die Crotonsäure handelt H H ppm ppm ppm 56