Spektroskopiemodul II 1 H-NMR und 13 C-NMR 1
1. Was gehört zu einer vollständigen Spektreninterpretation zur Strukturaufklärung? 1.1. 1 H-NMR-Spektren Man muss die chemische Verschiebung jedes einzelnen Protons oder jeder Gruppe von äquivalenten Protonen kennen. Man muss wissen, wie viele Protonen zu einer Gruppe von äquivalenten Protonen gehören. Man muss das Aufspaltungsmuster jedes einzelnen Protons kennen, sofern es sich um Teilspektren 1. Ordnung handelt. Man muss alle Kopplungskonstanten jedes einzelnen Protons mit seinen Nachbarn kennen, sofern es sich um Teilspektren 1. Ordnung handelt. Kurz gesagt: Man muss jedes Proton im Molekül persönlich kennen. 2
Zahl der chemisch äquivalenten Protonen in einer Gruppe, charakteristische Strukturelemente CH 3, tbu, Ph, Integration Chemische Verschiebung Aufspaltungsmuster Elektronendichte des betrachteten H-Atoms, Hybridisierung des C-Atoms, an dem sich das beobachtete H befindet, elektronenschiebende oder elektronenziehende Gruppen in der Nachbarschaft, Konjugation, Funktionelle Gruppen, Anisotropieeffekte, Heteroatome 1 H s, d, tr, quart, quint, sext, sept, dd, dt, trtr, ddd, ddt, ddquart, ddquint, dddd Nachbarschaft eines betrachteten Kerns, Chiralität, chemische und magnetische Äquivalenz 3
1.2. 13 C-NMR-Spektren Man muss die chemische Verschiebung jedes einzelnen Kohlenstoffatoms kennen. Man muss die Multiplizität jedes einzelnen Kohlenstoffatoms im Molekül kennen. Kurz gesagt: Man muss jedes Kohlenstoffatom im Molekül persönlich kennen. Chemische Verschiebung Hybridisierung Strukturelemente Funktionelle Gruppen 13 C Multiplizität CH 3? CH 2? CH? C? 13 C BB-entkoppelt DEPT90, DEPT135, APT 4
2. Chemische Verschiebung 2.1. Chemische Verschiebung von Protonen Die chemische Verschiebung δ eines Protons wird bestimmt durch die Hybridisierung des C-Atoms, an das das Proton gebunden ist. Die chemische Verschiebung eines Protons wird durch die Elektronendichte der Elektronenhülle des Protons bestimmt. Diese Elektronendichte hängt von der Nachbarschaft des Protons ab. Elektronenschiebende Substituenten (+I, +M) am Kohlenstoff des betrachteten Protons erhöhen die Elektronendichte und verkleinern die chemische Verschiebung. Elektronenziehende Substituenten ( I, M) am Kohlenstoff des betrachteten Protons verkleinern die Elektronendichte und vergrößern die chemische Verschiebung. Funktionelle Gruppen zeigen charakteristische chemische Verschiebungen, an denen man sie erkennen kann (z.b. Aldehyde, Doppelbindungen, Aromaten, Alkohole, Amine usw.) 5
Einen Aldehyden erkennt man an δ 9,5 ppm. Es ist nicht sinnvoll, ein Aldehyd-Proton bei 5 ppm zu suchen! Eine Methylgruppe am Ende einer Alkylkette erscheint im Spektrum immer bei 0,7 1,0 ppm. Es ist nicht sinnvoll, eine Methylgruppe bei 7 ppm zu suchen! Grobe Übersicht: N-H O-H Aldehyde Aromaten Alkene CH CH 2 δ CH 3 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 Der Methylbereich reicht hier von 0,5 ppm bis 4,5 ppm. Dies berücksichtigt auch Methylgruppen, die direkt mit Heteroatomen verknüpft sind. In MeOH findet man die Methylgruppe bei 3,39 ppm. Dies gilt entsprechend für die anderen Strukturelemente. 6
Elektronische Effekte, die die chemische Verschiebung eines Protons beeinflussen, sind additiv. Das ist die Grundlage von Inkrementrechungen zur Abschätzung von chemischen Verschiebungen! Inkremente für zahlreiche Strukturelemente sind tabelliert, z.b. in Hesse, Maier, Zeh, Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie, Thieme-Verlag, oder in Pretsch, Clerc, Seibl, Simon, Tabellen zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen, Springer- Verlag. Auch Berechnungen von chemischen Verschiebungen mit Hilfe von Computerprogrammen basieren auf Inkrementrechungen. Vgl. z.b. Spektrenvorhersage von ChemDraw oder von nmrdb.org. Diese Berechungen sind ähnlich genau, wie Inkrementrechungen von Hand mit tabellierten Inkrementen. Besser: man orientiert sich an Spektren von ähnlichen Verbindungen aus der Literatur! Chemische Verschiebungen von Protonen hängen ab von Anisotropieeffekten, die durch unsymmetrische Ladungsverteilung in Bindungen zustande kommen. Typisches Beispiel für einen Anisotropieeffekt sind Moleküle mit aromatischem π-elektronensextett ( Ringstromeffekt ). Aber auch Ketogruppen, C=C-Doppelbindungen, 7 C C-Dreifachbindungen, Nitril-Gruppen u.a. zeigen Anisotropieeffekte.
B 0 B 0 H H H H H H 8
Wichtig: die chemische Verschiebung eines Protons hängt vom Lösungsmittel ab. In Aceton-d 6, in DMSO-d 6, in Methanol-d 4, in Acetonitril-d 3 beobachtet man oft geringfügig (bis zu ± 0,2 ppm) andere chemische Verschiebungen als in CDCl 3. In Benzol-d 6 und in Pyridin-d 5 beobachtet man dagegen komplett andere Werte (bis zu ± 1 ppm) Werte als in CDCl 3. Nützlich für die Praxis: wenn in CDCl 3 zwei oder mehrere Signale überlagern, dann kann man durch Zugabe von einigen Tropfen C 6 D 6 eine Aufhebung der Überlagerung bewirken. Das kann so weit führen, dass aus einem Teilspektrum 2. Ordnung ein Teilspektrum 1. Ordnung wird (vgl. Bsp. von Eugenol). 9
2.2. Chemische Verschiebung von 13 C Nur 13 C ist NMR-aktiv, 12 C kann man NMR-spektroskopisch nicht messen. 13 C tritt nur mit ca. 1% natürlicher Häufigkeit auf geringe Empfindlichkeit bei der Messung Chemische Verschiebung von 13 C-Kernen hängt von der Hybridisierung und von der Elektronendichte um den 13 C-Kern ab. Die chemische Verschiebung von 13 C-Kernen von den üblichen organischen Verbindungen erstreckt sich von 0 ppm bis ca. 220 ppm. Grobe Regel: Unterhalb von 100 ppm findet man nur sp 3 -hybridisierte C-Atome, oberhalb von 100 ppm findet man nur sp 2 -hybridisierte C- Atome. sp-hybridisierte C-Atome von Alkinen liegen etwa bei 60-100 ppm, sp-hybridisierte C-Atome von Nitrilen liegen zwischen 110 und 120 ppm. Wichtiger Unterschied zur 1 H-NMR: Alkene und Aromaten liegen im selben δ-bereich, d.h. auf C-Atome wirken sich Anisotropieeffekte nicht aus. 10
Auch die Verschiebung von 13 C-Kernen kann über Inkrementrechung abgeschätzt werden (vgl. Hesse, Maier, Zeh oder Pretsch, Clerk, Seibl, Simon). Man kann auch 13 C-Spektren mit Computerprogrammen vorhersagen, z.b. mit ChemDraw oder NMRDB.ORG. Diese Vorhersagen sind aber genauso fehlerbehaftet, wie Inkrementrechungen von Hand. Besser, als sich auf die berechneten chemischen Verschiebungen zu verlassen, ist die Verwendung von Daten ähnlicher Verbindungen aus der Literatur. 13 NMR-Spektren sind nur geringfügig lösunsmittelabhängig, allerdings findet man auch hier in Benzol-d 6 und Pyridin-d 5 größere Abweichungen von den entsprechenden Werten in CDCl 3, Aceton-d 6, DMSO-d 6 oder Methanol-d 4. Die Bestimmung der Multiplizität von 13 C-Signalen (= Aufspaltung durch Kopplung mit direkt gebundenen H-Atomen) erfolgt mit DEPT- Spektren. DEPT90 zeigt nur CH, DEPT135 zeigt CH 2 -Gruppen als negative Signale, CH- und CH 3 -Gruppen als positive Signale. Alle Signale, die man im BB-entkoppelten 13 C-Spektrum zusätzlich zu den DEPT135-Signalen findet, stammen von quartären C-Atomen. 11
3. Spin-Spin-Kopplung 3.1. Kopplung zwischen zwei Hs Es gibt zwei Arten von Kopplungen zwischen Protonen: die direkte Kopplung durch den Raum (diploare Kopplung), und die indirekte Kopplung über Bindungen (skalare Kopplung). Obwohl die dipolare Kopplung viel stärker ist als die skalare Kopplung, sieht man in verdünnten Lösungen von organischen Molekülen nur die skalare Kopplung. In Festkörpern und hochviskosen Flüssigkeiten überdeckt die dipolare Kopplung i.d.r. die skalare Kopplung. Hier: nur skalare Kopplung über Bindungen. Die Stärke der Kopplung wird durch die Kopplungskonstante J beschrieben. Die Kopplungskonstante ist unabhängig von der Magnetfeldstärke des NMR-Spektrometers und wird ausschließlich in Hz angegeben (nicht in ppm!!!). Üblicherweise stellt man die Zahl der Bindungen, die an der Kopplung zweier Kerne beteiligt ist, als Hochzahl vorne an. Es gibt zwischen Protonen in organischen Molekülen also generell 2 J, 3 J, 4 J usw. 12
Kopplungen über mehr als 3 Bindungen werden als sogenannte Long- Rage-Kopplungen bezeichnet und sind in der Regel so klein, dass man sie im Spektrum nicht erkennen kann. Ausnahmen: W-Kopplung, Allylische Kopplung und Propargylische Kopplung. Kopplungskonstanten sind vorzeichenbehaftet. 2 J sind üblicherweise negativ, 3 J sind immer positiv, 4 J wieder negativ usw. In Spektren 1. Ordnung kann man das Vorzeichen jedoch nicht erkennen und es spielt dort auch keine Rolle. In Spektren 2. Ordnung wirkt sich das Vorzeichen der Kopplungskonstante dramatisch aus. Spektren 1. Ordnung: durch Spin-Spin-Kopplung ergeben sich charakteristische Aufspaltungsmuster für die Signale, die Aussagen über die Nachbarschaft zulassen. Dublett: 1 Kopplungspartner Triplett: 2 chemisch und magnetisch äquivalente Kopplungspartner Quartett: 3 chemisch und magnetisch äquivalente Kopplungspartner Dublett von Dubletts: 2 chemisch und magnetisch nicht äquivalente Kopplungspartner 13
Dublett von Dublett von Dubletts: drei chemisch und magnetisch nicht äquivalente Kopplungspartner Für Kerne mit I = ½ gilt: bei n chemisch und magnetisch äquivalenten Kopplungspartnern erhält man ein Signal mit n+1 Linien. Für Kerne mit I = ½ gilt: bei n chemisch und magnetisch nicht äquivalenten Kernen erhält man ein Signal mit 2 n Linien. Wichtige Kopplungskonstanten: (aus http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/nmr/index.htm) 14
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Protonen können auch mit anderen Atomen mit I = ½ koppeln. Wichtigste Kerne sind 19 F und 31 P (beide mit 100% Häufigkeit). 22
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Protonen können auch mit Kernen mit I > ½ koppeln. Kerne mit I > ½ haben ein sogenanntes Quadrupolmoment. Das bedeutet, dass die Ladungsverteilung im Kern nicht mehr kugelsymmetrisch ist, sondern ellipsoid (analog dem Trägheitsellipsoid eines starren Rotators). Je größer das Quadrupolmoment, um so unsymmetrischer ist die Ladungsverteilung im Kern. Wenn sich ein Kern mit großem Quadrupolmoment in stark unsymmetrischer Ladungsverteilung (Elektronen um den Kern herum) befindet, dann tritt eine effiziente, schnelle Relaxation des Kernspins I > ½ auf, was zu extrem breiten Signalen führt (die oft im Rauschen untergehen). Nur wenn um den Kern herum eine symmetrische Ladungsverteilung existiert, vergrößert sich die Relaxationszeit der Kerne mit I > ½ und man kann Spektroskopie von Molekülen mit solchen Kernen betreiben (NMR in AC). 25
Nur wenn die Quadrupolmomente von Kernen mit I > ½ klein sind, relaxieren deren Spins in organischen Molekülen langsam und können dann mit Kernen mit I = ½ koppeln. Kerne mit großem Quadrupolmoment zeigen keine Kopplung mit Protonen, auch wenn es auf Grund von I > ½ zur Aufspaltung kommen müsste. Die Werte in der Tabelle sind bei einem 400 MHz-Gerät (B 0 = 9,4 T) gemessen. Deshalb sieht man in 1H-Spektren und 13 C-Spektren oft Kopplungen mit Deuterium. 26
2 H (I = 1) besitzt ein sehr kleines Quadrupolmoment und zeigt daher eine entsprechende Kopplung im 1 H-NMR-Spektrum (deuterierte Lösungsmittel). 14 N (I = 1) besitzt ein großes Quadrupolmoment und führt zu sehr breiten Linien im 1 H-Spektrum der gebundenen Protonen. 35 Cl und 37 Cl (beide I = 3/2) besitzen ein großes Quadrupolmoment, man sieht aber keine Kopplung mit C oder H in chlorierten Verbindungen (CHCl 3 ergibt ein Singulett im 1 H-NMR- Spektrum, ebenso im 13 C-NMR-Spektrum, obwohl die 3 Cl-Kerne mit 1 H und 13 C koppeln müssten). Lösungsmittelsignal DMSO-d 6 Wie kommt das Aufspaltungsmuster zustande? Wie groß ist die Kopplungskonstante (400 MHz-Gerät)? 27
3.2. Kopplung zwischen 13 C und 1 H Protonen können auch mit C-Atomen mit I = ½ koppeln. Auf Grund der geringen Häufigkeit von 13 C beobachtet man im 1H-NMR-Spektrum nur kleine 13 C-Satelliten. Der Abstand der beiden 13 C-Satelliten ist die Kopplungskonstante zwischen 1 H und 13 C. C-H-Kopplungen über eine Bindung sind üblicherweise sehr groß und hängen von der Hybridisierung des C-Atoms ab. Um durch diese Kopplung 13 C-Spektren nicht zu kompliziert zu machen, werden 13 C-Spektren üblicherweise mit 1 H-Breitbandentkopplung aufgenommen. 28
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