NMR-Spektroskopie

NMR Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie (vom Englischen: nuclear magnetic resonance) ist ein Verfahren zur Strukturaufklärung von Stoffen. Setzt man Atomkerne einem Magnetfeld und zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung aus, so wird ein Spektrum geliefert, wodurch die Strukturformel der Verbindung eindeutig bestimmt werden kann.

Grundlagen

Kernspin:

Jeder Atomkern besitzt einen Gesamtspin, welcher durch die Protonen und Neutronen bestimmt wird, welche ebenfalls einen Spin besitzen. Ist die Anzahl der Nukleonen durch zwei teilbar, so kompensieren sich die Spins und ein Gesamtspin von Null entsteht (Beispiel: 12C-Atom) Ist die Summe nicht durch zwei teilbar, können sich die Spins der Protonen und Neutronen nicht kompensieren und ein Gesamtspin, welcher mit ½ bezeichnet wird, entsteht. Dies ist wichtig, da somit der Kern im Magnetfeld zwei verschiedene Energieniveaus annehmen kann.

Kern im Magnetfeld:

Werden Atomkerne in ein Magnetfeld gegeben, ordnen sie sich entsprechend dem Magnetfeld an und teilen sich auf die Energieniveaus auf. Werden diese Kerne mit Elektromagnetischer Strahlung und der richtigen Frequenz bestrahlt, werden Übergänge zwischen den Energieniveaus erzeugt, welche in dem Spektrum festgehalten werden.

NMR-Spektrum:

Wichtig für die Signale, auch Peaks genannt, welche im Spektrum angezeigt werden, sind zum einen die Konzentrationen, in welchen die Stoffe vorliegen. Diese Konzentration bestimmt die Höhe des Peaks. Außerdem gibt das Integral unter einem Peak, also die Fläche, die Anzahl der gleichwertigen Kerne in einer Verbindung an. Wie weit nun ein solcher Peak verschoben ist, hängt von der Abschirmung durch benachbarte Elektronen ab. Je mehr Elektronen sich an den Nachbaratomen eines Kohlenstoffatoms befinden, desto schwächer ist das Magnetfeld an dieser Stelle und desto größer ist die chemische Verschiebung. Diese wird im Spektrum auf der X-Achse von links nach rechts aufgetragen, angegeben in ppm (parts per million). Außerdem sind die Signale nicht immer einzelne Peaks, sondern können auch sogenannte Multipletts bilden (nur bei der H-Spektroskopie). Diese Multipletts sagen aus, wieviele gleichwertige Protonen bzw. Wasserstoff-Atome sich an den Nachbaratomen befinden. Gibt es verschiedene „Wasserstoffatomtypen“, so werden die einzelnen Peaks des Multipletts in weitere Multipletts aufgespalten. Die Peaks im Multiplett nehmen immer gewisse Verhältnisse zu einander an, dies verdeutlicht das pascalsche Dreieck:

Beispiel

Nun wird das Ganze an dem Beispiel von Iso-Propanol verdeutlicht: Beginnen wir mit dem Signal eines Wasserstoffatoms aus einer der beiden CH3-Gruppen. Beide CH3-Gruppen schließen sich an ein Kohlenstoffatom an, das mit einem einzelnen Wasserstoffatom und der Hydroxygruppe des Moleküls verbunden ist. Da also nur ein Wasserstoffatom an das Nachbarkohlenstoffatom gebunden ist, wird, wie aus dem pascalschen Dreieck ersichtlich, ein Doublett, also ein Multiplett bestehend aus zwei Peaks, gebildet. Da diese sechs Wasserstoffatome gleichwertig sind, gibt das Integral einen Wert von sechs an.

Bei dem Wasserstoffatom aus der Hydroxygruppe wird ebenfalls ein Doublett ausgegeben, jedoch ist der Wert des Integrals hierbei eins, da es nur ein gleichwertiges Atom gibt. Außerdem besitzt es auf Grund der Bindung mit dem Sauerstoffatom eine größere chemische Verschiebung.

Das dritte Signal ist dem einzelnen Wasserstoffatom am zentralen Kohlenstoffatom zuzuordnen, da wegen der sechs gleichwertigen Wasserstoffatome an den Nachbaratomen ein Septett entstehen muss, welches durch die Hydroxygruppe zusätzlich in einzelne Doubletts gespalten werden muss. Es entsteht also ein „Septett aus Doubletts“. Dies ist jedoch nicht genau erkennbar, da die Auflösung des Spektrums meist nicht ausreicht.
(Beispiel-NMR's sind bei der Bildsuche bei Suchmaschinen zu finden)