1 Grundlagen der Eindimensionalen NMR-Spektroskopie Prof. Harald Schwalbe Dr. Jan-Peter Ferner & [email protected][email protected]Grundlagen der NMR-Spektroskopie Seite 2 Kursinhalt: • Literatur • Spektroskopische Methoden • Qualitative Einführung in die NMR-Spektroskopie • Mathematische / Physikalische Grundlagen der NMR-Spektroskopie • Aufbau eines NMR-Spektrometers • Messparameter: Chemische Verschiebung • Messparameter: Spin-Spin-Kopplung • Verwendung von Tabellen und Inkrementsystemen • Auswertung von eindimensionalen 1 H-NMR-Spektren • Arbeiten mit Datenbanken • Anwendungsbeispiele Grundlagen der NMR-Spektroskopie Seite 3 Literatur Einführung: • D. H. Williams & Ian Flemming, Strukturaufklärung in der organischen Chemie, 1991, Thiem. • W.-D. Herzog & M. Messerschmidt, NMR-Spektroskopie für Anwender; 1995, VCH, Weinheim. Zuordnungshilfen und Übungsaufgaben • M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh; Spektroskopische Methoden in der organisichen Chemie; 2002, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. • R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Spektrometric Identification of organic compounds, 2005, Wiley, USA. • E. Breitmaier, Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen, 2005, Wiley- VCH. • T. N. Mitchell & B. Costisella, NMR – From Spectra to Structure, 2007, Springer. • L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalmann, Organic Structures from Spectra, 2008, Wiley, England. Weiterführende Literatur • H. Günther, NMR-Spektroskopie, Thieme Verlag. • T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, 2005, Elsevier. • Horst Friebolin, Ein- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie. Eine Einführung, 2006, Wiley- VCH. • N. E. Jacobsen, NMR Spectroscopy explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology, 2007, Wiley, England. Grundlagen der NMR-Spektroskopie Seite 4 Spektroskopische Methoden E 1 E 2 E = h Energie = c c = Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 Wellenlänge (cm) -rays x-rays UV VIS IR -wave radio NMR E = E 2 –E 1 Detektion h = Planck Konstante , = Frequenz (Resonanzfrequenz) Einstrahlung:
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• Mathematische / Physikalische Grundlagen der NMR-Spektroskopie
• Aufbau eines NMR-Spektrometers
• Messparameter: Chemische Verschiebung
• Messparameter: Spin-Spin-Kopplung
• Verwendung von Tabellen und Inkrementsystemen
• Auswertung von eindimensionalen 1H-NMR-Spektren
• Arbeiten mit Datenbanken
• Anwendungsbeispiele
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 3
Literatur
Einführung: • D. H. Williams & Ian Flemming, Strukturaufklärung in der organischen Chemie, 1991, Thiem.• W.-D. Herzog & M. Messerschmidt, NMR-Spektroskopie für Anwender; 1995, VCH, Weinheim.Zuordnungshilfen und Übungsaufgaben• M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh; Spektroskopische Methoden in der organisichen Chemie; 2002,
Georg Thieme Verlag, Stuttgart.• R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Spektrometric Identification of organic compounds,
2005, Wiley, USA.• E. Breitmaier, Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen, 2005, Wiley-
VCH.• T. N. Mitchell & B. Costisella, NMR – From Spectra to Structure, 2007, Springer. • L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalmann, Organic Structures from Spectra, 2008, Wiley, England.Weiterführende Literatur• H. Günther, NMR-Spektroskopie, Thieme Verlag.• T. D. W. Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, 2005, Elsevier. • Horst Friebolin, Ein- und Zweidimensionale NMR-Spektroskopie. Eine Einführung, 2006, Wiley-
VCH.• N. E. Jacobsen, NMR Spectroscopy explained: Simplified Theory, Applications and Examples for
Organic Chemistry and Structural Biology, 2007, Wiley, England.
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 4
Spektroskopische Methoden
E1
E2
E = h
Energie
= c
c = Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102
Wellenlänge (cm)
-rays x-rays UV VIS IR -wave radio
NMR
E = E2 – E1 Detektion
h = Planck Konstante , = Frequenz (Resonanzfrequenz)
Gammastrahlung 100pm – 1pm 3*1018 – 3*1020Hz Änderung des Kern-zustandes
Gammas-spektroskopie
Röntgenstrahlung 10nm – 100pm 3*1016 – 3*1018Hz Änderung des Zustan-des der Rumpfelek-tronen
Röntgen-spektroskopie
sichtbares Licht; UV-Strahlung
1µm – 10nm 3*1014 – 3*1016Hz Änderung des Zustan-des der äußeren Elek-tronen
UV-Spektroskopie
Infrarotstrahlung 100µm – 1µm 3*1012 – 3*1014Hz Änderung des Schwingungs-zustandes
IR- und Raman-spektroskopie
Mikrowellen 1cm – 100µm 30GHz – 3*1012Hz Änderung des Rotationszustandes
Mikrowellenspek-troskopie
Mikrowellen 1m – 1cm 300MHz -30GHz Änderung des Elek-tronenspinzustandes
Elektronenspinresonanz (ESR/EPR)
Radiowellen 100m – 1m 3MHz – 300 MHz Änderung des Kernspinzustandes
Kernresonanzspek-troskopie (NMR)
Quelle: www.wikipedia.org
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 6
NMR-Spectroscopy
= Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
oder
= Kernresonanzspektroskopie
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
NMR, was ist das?
Quelle: Bruker Prospekt Seite 7
Grundlagen der NMR-SpektroskopieNMR, was ist das?
Quelle: Bruker Prospekt Seite 8
3
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 9
p p = h/2 * I(I+1)
Die meisten Kerne haben einen Kern- oder
Eigendrehimpuls p. In der klassischen Vorstellungsweise
rotiert der kugelförmig angenommene Atomkern um die
Kernachse. Aus der Quantenmechnik folgt, dass der
Drehimpuls gequantelt ist:
h = Plancksches Wirkungsquantum I = Kernspinquantenzahl
(I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2 . . .6)
(1)
Physikalische Grundlagen: KernspinGrundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 10
Physikalische Grundlagen: Kernspin
1. Kerne mit gerader Anzahl an Neutronen und gerader Anzahl an Protonen I = 0, z.B. 12C, 16O. 32S . . .
2. Kerne mit ungerader Anzahl an Neutronen und gerader Anzahl an Protonen oder umgekehrt.
I = 1/2, z.B 1H, 13C, 15N, 19F, 31P, 77Se, 113Cd, 119Sn . . . I = 3/2, z.B. 7Li, 9Be, 11B, 23Na, 33S, 35Cl, 37Cl . . . I = 5/2, z.B. 17O, 25Mg, 27Al, 55Mn . . .
3. Kerne mit ungerader Anzahl an Neutronen und ungerader Anzahl an Protonen I =1, z.B. 2H, 6Li, 14N . . .
Atomkerne bestehen aus Neutronen und positiv geladenen Protonen, sodass
ein Atomkern ein magnetisches Moment besitzt, wenn er um die Kernachse
dreht (engl. spin). Die Drehbewegung eines Atomkerns ist bestimmt durch die
Kernspinquantenzahl I. Man unterscheidet drei Fälle:
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 11
p
Physikalische Grundlagen: Kernspin
Mit dem Kerndrehimpuls p ist ein
magnetisches Moment µ verknüpft.
Beides sind vektorielle Größen, die
einander proportional sind:
µ = p
Für die meisten Kerne zeigenKerndrehimpuls und magnetischesMoment in die gleiche Richtung; sie sindparallel. In einigen Fällen stehen sieantiparallel, z.B: 15N oder 29Si.
(2)
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 12
Physikalische Grundlagen: Kernspin
• Das Verhältnis aus magnetischen Moment µ und dem Kernspin p ist
eine Naturkonstante und heißt gyromagnetisches Verhältnis :
• Das gyromagnetische Verhältnis ist bei jedem Isotop anders. Von
hängt die Nachweisempfindlichkeit eines Kernes im NMR-Experiment
ab: Kerne mit großem werden als empfindlich, solche mit kleinem als
unempfindlich bezeichnet.
• Vorausgesetzt: Die natürliche Häufigkeit ist ebenfalls hoch.
= p___µ
(2)
4
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 13
Physikalische Grundlagen: Kernspin
Aus Gleichung 1 und 2 erhält man für das magnetischeMoment µ:
• Kerne mit einer Kernspinquantenzahl I = 0 haben folglich keinmagnetisches Kernmoment
• Das heißt, die Hauptbausteine der organischen Verbindungenwie 12C und 16O sind NMR-spektroskopisch nicht nachweisbar.
µ = * I(I+1) * h/2 (3)
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 14
Physikalische Grundlagen: Kernspin
Isotop Spinquanten-zahl I
Anzahl der möglichen
Zustände (2*I + 1)
Magnetquanten-zahl
1H, 13C, 15N, 19F, 31P
½ 2 + ½ , - ½
2H 1 3 +1, 0, -1
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 15
• Im Magnetfeld werden die Kernspins entlang der magnetischen Feldachse ausgerichtet.
• Die Anzahl möglicher Orientierungen ist abhängig von der Kernspinquantenzahl I: (2I+1).
• Beispiel für I=1/2:
2 Zustände: m=+ 1/2 oder m = -1/2
m = Orientierungsquantenzahl
Kerne im statistischen Magnetfeld
m= + ½
m= - ½
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 16
Kerne im statistischen Magnetfeld
• Die Kerndipole präzedieren um die z-
Achse, die der Richtung des Magnetfel-
des B0 entspricht. Sie benehmen sich wie
ein Kreisel
• Die Frequenz, mit der die Kerne drehen,
wird Lamor-Frequenz genannt.
• m= +1/2: µz ist parallel zu B0; dies ist
energetisch günstiger -Zustand.
• m= -1/2: µz ist antiparallel zu B0; dies ist
energetisch ungünstiger -Zustand
5
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 17
E
m=-1/2
m=+1/2
Makroskopische Magnetisierung
Im klassischen Bild präzedieren die Kerne auf einem Doppel-
resonanzkegel um die Feldrichtung z.
z, B0
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 18
E
m=-1/2
m=+1/2
Makroskopische Magnetisierung
Im klassischen Bild präzedieren die Kerne auf einem Doppel-
resonanzkegel um die Feldrichtung z.
z, B0
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 19
Die Energielevels werden Zeeman levels genannt.
E = . h/2. B0
m = - ½ = Zustand
OhneMagnetfeldB0 = 0
Mit MagnetfeldB0 > 0
m = + ½ = Zustand
Physikalische Grundlagen: Energiezustände
Der energieärmere parallele Zustand () ist geringfügig stärker besetzt als
der energiereichere antiparallel Zustand ().
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 20
• Jeder Zustand ist verschieden besetzt (Population N) und der
Energieunterschied ist durch die Boltzmann-Verteilung gegeben:
N / N = e E / kT
• E ist für 1H bei 400 MHz (B0 = 9.5 T) gleich 3.8 x 10-5 Kcal / mol
N / N = 1.000064
• Im Vergleich zu anderen Spektroskopien, wie UV oder IR, ist dieser
Populationsunterschied sehr klein. Aus diesem Grund ist NMR viel
Regeln für Verbindungen mit C, H, O, N, S und Halogene:• O und S aus der Formel entfernen• Halogene durch H ersetzen• Für jedes N: ein N und ein H aus der Formel entfernen• Für einen Ringschluss ist ein D.B.Ä nötig• Benzolring: 4 D.B.Ä sind nötig (3 Doppelbindung + Ringschluss)
Abschätzung der Chemischen Verschiebungüber Inkrementsysteme:
C
H3C
COOH
HB
C
HA
(HA)=5,28+0,44+0,97=6,69 ppmGemessen: 7,04 ppm
(HB)=5,28-0,26+0,69= 6,69 ppmGemessen: 7,04 ppm
Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 66
Relative Konformation
• Vincinale Kopplungen 3J(H,H):
Karplus Kurve
• Karplus Gleichung: 3J() = A cos2 – B cos +C
Quelle: E. Breitmaier, Structrue elucidation by NMR in organic chemistry
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 67
Alkene: Kopplung, E /Z Isomerie
C H
H H
RC
• 3J(E) ( = 180°) ist stets größer als 3J(Z) ( = 90°)
3J (Z) 3J(E) 2J(gem.)
R = H 11.6 19.1 2.5
R = C6H6 11.5 18.6 1.1
R = OCH3
6.7 14.0 -2.0
R = F 4.7 12.8 -3.2
Quelle: M. Hesse, H. Meier & B. Zeeh
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 68
Alkine
t
dt
3-Butin-1-ol in CDCl3:
s
t
t dts t
4J
• Acetylenisches Proton: ~ 2 – 3 ppm
• Weitbereichskopplung (4J) sichtbar
Quelle: M. Silverstein Spectrometric idendification of organic compounds
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Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 69
Aldehyde
z. B. Propionaldehyd in CDCl3:
• Aldehydische Protonen RCHO: ~ 9,5 – 10,5 ppm
• geringer Substituenteneinfluss
Quelle: Fribolin Ein- und zweidimensionale NMR
dq tt
tdqt
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 70
Austauschende Protonen: OH, SH, NH, NH2
• Resonanzlage uncharakteristisch• Chemische Verschiebung ist abhängig von:
– Bildung von Wasserstoffbrücken– Austausch mit dem Lösungsmittel, z.B. D2O– Unterschiedliche Acidität– Konzentration– Temperatur– Lösungsmittel– Verunreinigung, z.B. Wasser in organischen Lösungsmitteln
• Zuordnung über H-D-Austausch Signal verschwindet aus 1H-Spektrum
• Spin System:– Definition: Eine Gruppe von koppelnden Protonen– Beschreibung: AnXm….
A, X . . . Abhängig von der Zahl der unterschiedlicher Protonensorte n, m . . . Anzahl der gleichen Protonen Beispiel: (CH3)2-CH-O-CO-CH2-CH3: 2-Spinsysteme
» A6X1 und A3X2
• Signalaufspaltung: – Definition: Protonen wechselwirken mit anderen Protonen, die 3
Bindungen weit entfernt sind. – Für ein Spinsystem AnXm spalten die n-gleichen A-Protonen in m+1 Linien auf
und die m-gleichen X-Protonen in n+1 Linien. Beispiel: (CH3)2-CH-O-CO-CH2-CH3:
• Chemisch äquivalente Atomkerne sind magnetisch äquivalent, sofern sie mit allen anderen Kernspins des Moleküls dieselbe Kopplungskonstante aufweisen.
• Keine Kopplungsaufspaltung bei magnetisch äquivalenten Kernen.
– Beispiel 1: F2CH2(Difluormethan), die beiden H-Kerne sind magnetisch und chemisch äquivalent. A2X2-System
– Beispiel 2: F2C=CH2(1,1Difluorethylen), die beiden H-Kerne sind chemisch äquivalent aber nicht magnetisch äquivalent, da E und Z Kopplung verschieden sind. AA´XX´-System
Grundlagen der NMR-SpektroskopieChemische und Magnetische Äquivalenz
1. Wir brauchen ein paar Zahlen:nat. abundance: 1H: 99.98%13C: 1.11%
1H) = 2.79; 13C) = 0.72. ..und eine Formel:
(I+1)*3*B0/I23. Ergebnis:• Empfindlichkeit für gleiche Anzahl der Kerne = 13C) /1H) =1/64• Relative Empfindlichkeit und natürliche Häufigkeit
= 1.11/(99.98*64) = 1/5764
13CSpektrum hat 6000 mal weniger Empfindlichkeit als ein 1HSpektrum
Eigenschaften von XKernenGrundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 92
13C Spektroskopie
12C 13C
HJ 0
Menthol
OH126
H
H
HH
Normales Spektrum:1H gekoppeltes Spektrum
(ppm)15202530354045505560657075
?
1 2 6
DublettsTripletts
24
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 93
40
1H Entkopplung => keine Multipletts => S/N besser
(ppm)15202530354045505560657075
12C 13C
HJ 0
1 2 6
13C Spektroskopie
Menthol
OH126
H
H
HH
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 94
13C Spektroskopie
(ppm)
40
S/N erhöht sich wegen des NOE von 1H
12C 13C
HJ 0
15202530354045505560657075
1 2 6
404575
Menthol
OH126
H
H
HH
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 95
Wie viele 1H sind an 13C gebunden?
Vergleich: gekoppeltes und entkoppeltes 13C-Spektrum
(ppm)15202530354045505560657075
gekoppelt
entkoppelt
CH CH2CH
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 96(ppm)
15202530354045505560657075
Normales 13C
DEPT-45CH, CH2, CH3 > 0
DEPT-90only CH
DEPT-135CH, CH3 > 0, CH2 < 0
Multiplizität im DEPT-Experiment
25
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 97
DEPT
OH
DEPT-45 CH, CH2, CH3 > 0
DEPT-90 CH
DEPT-135 CH, CH3 > 0, CH2 < 0
Menthol
1
23
45
6
78 9
10
(ppm)15202530354045505560657075
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Inkrementberechnung für 13C chemische Verschiebung
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Eigenschaften von 19FNMR
•Relative Empfindlichkeit etwas kleiner als das H-Atom•100% natürliche Häufigkeit•Resonanzbereich: 300 bis 400 ppm für org. Subst.•Referenzierung: CFCl3•Skalare Kopplung:
19F-1H-Kopplung (2J, 3J, 4J): 3 bis 80Hz19F-13C-Kopplung (2J, 3J, 4J): 20 bis 400 Hz19F-19F-Kopplung (2J, 3J): 15 bis 300 Hz
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Eigenschaften von 31PNMR
• Relative Empfindlichkeit nur 6.6% im Vergleich zum H-Atom• 100% natürliche Häufigkeit• Resonanzbereich: ca. 700 ppm• Referenzierung: 85%ige Phosphorsäure
• Skalare Kopplung: 31P-1H-Kopplung (2J, 3J, 4J): 1 bis 700Hz31P-13C-Kopplung (2J, 3J, 4J): 10 bis 300 Hz
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Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 101
Spektrendatenbank
• Spectral Database for Organic Compounds SDBS:– http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng
• NIST Chemistry WebBook, Standard Reference Database
– http://webbook.nist.gov/chemistry
• E. Pretch, P. Bühlmann & C. Affolter, Structure Determination of
Organic Compounds, Tables of Spectral Data, 3rd edition, Springer,
Berlin 2000.
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 102
Anwendungen der NMR-Spektroskopie
• Analytik in der SyntheseDie NMR-Spektroskopie ist eine effiziente und schnelle Methode zurKontrolle präparativen Arbeitens. Sie löst hier meist Fragen nach derEinheitlichkeit und Konstitution einer Verbindung.
• Strukturbestimmung in LösungDie dreidimensionale Struktur von Molekülen kann mit ähnlicherGenauigkeit ermittelt werden wie durch Röntgenstrukturanalyse. Es wirdmöglich, Unterschiede zwischen der Struktur im Kristall und in Lösung, sowiedie Abhängigkeit der Struktur eines Moleküls vom Solvens zu untersuchen.Mit den momentan zur Verfügung stehenden Geräten und Verfahren könnenz.B. Proteine mit einer Größe bis zu etwa 30 kD (d.h. ca. 250Aminosäuren) aufgeklärt werden. Dies erfordert allerdings eineIsotopenanreicherung mit den NMR aktiven Kernen 15N, 13C und ggf.Deuterium in unterschiedlichen Anreicherungsgraden.
Grundlagen der NMR-Spektroskopie
Seite 103
Anwendungen der NMR-Spektroskopie
• Erkennung intermolekularer WechselwirkungenIntermolekulare Wechselwirkungen sind im biologischen Bereich besonders wichtig, z.B.:
Enzym – Inhibitor
DNA - Interkalator oder Repressor
Rezeptor - Hormon oder Substrat
Antikörper – Antigen
Alle biologischen Funktionen basieren auf molekularer Erkennung im multidimensionalen Geflecht.
• Molekulare DynamikDurch Untersuchung von Relaxationsparametern können Bewegungen vonMolekülen in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen untersucht werden.Dies ist z.B. wichtig für das Verständnis von Proteinfunktion undProteinfaltung.