Transcript NMR-ppt
Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Inhalt des Seminars: Zurück zum Hauptmenü P © Provadis Modul 1: Einführung in die Analytik Auswahl der analytischen Methoden Validierung der Methoden Statistik und Auswertung Modul 2: Spektroskopische Methoden Modul 3: Chromatografische Methoden Modul 4: Analytische Kopplungstechniken Modul 5: Perspektiven der Laborarbeit Seite 1 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Die Weiterbildungs-Stiftung präsentiert: Modul 2 • Einführung • UV/VIS-Spektroskopie • IR-Spektroskopie • NMR-Spektroskopie • AAS © Provadis Seite 2 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Klicke mit linker Maustaste Einführung in die Spektroskopie UV/VIS-Spektroskopie IR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie Zurück zum Hauptmenü Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) © Provadis Seite 3 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Die Weiterbildungs-Stiftungsstiftung präsentiert: Modul 2 • Einführung • UV/VIS-Spektroskopie • IR-Spektroskopie • NMR-Spektroskopie • AAS P © Provadis Seite 4 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Alle realen NMR- und IR-Spektren sind der folgenden INTERNETBibliothek entnommen: SDBS-1H MNR und SDBS-IR www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/sdbs/owa/sdbs_sea.cre_frame_sea Einige Abbildungen sind aus „Messerschmidt, Herzog: NMRSpektroskopie für Anwender“ entnommen. Wir bedanken uns für die Überlassung der NMR- und IRSpektren und Abbildungen. © Provadis Seite 5 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Kernarbeitsgebiete der 1H-NMR-Spektroskopie: • Erkennen von funktionellen Gruppen • Identifizierung unbekannter Verbindungen • Quantitative Analysen • Untersuchung chemischer Gleichgewichte • Verfolgung chemischer Reaktionen • Untersuchung dynamischer Prozesse © Provadis Seite 6 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Außerhalb eines Magnetfeldes sind die Feldlinien von Nord nach Süd gerichtet, innerhalb sind die Feldlinien umgekehrt gerichtet. • Die magnetische Flussdichte B beschreibt die Wirkung des Magnetfeldes. Die Magnetfeldstärke H und die Flußdichte B sind proportional und über die Permeabilität verbunden. • Die Einheit der Flußdichte B ist Tesla (Vs/m2). B=H © Provadis ( = Permeabilität) Seite 7 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment Magnetlinien eines Stabmagneten: © Provadis Seite 8 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment P • Atomkerne rotieren um eine durch ihren Mittelpunkt gehende Achse, man nennt diese Rotation Kernspin. • Eine Maßzahl für die Größe des Kernspins ist die Kernspinquantenzahl I, die die Werte 0; 1/2; 1; 3/2; 2; 5/2 usw. annehmen kann. • Ist die Proton- und Neutronenzahl gradzahlig, dann ist die Kernspinzahl I = 0. Viele andere Kerne besitzen ungerade Protonen und Neutronenzahlen. © Provadis Seite 9 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment Isotop Protonen Neutronen I Häufigkeit 1H 1 0 1/2 99,98 % 2D 1 1 1 0,02 % 12C 6 6 0 98,89 % 13C 6 7 1/2 1,11 % Frage: Warum hat 12C die Kernspinzahl I = 0? © Provadis Seite 10 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Alle Atomkerne haben eine positive Ladung, die für jede Elementladung e = +1,6 10-19 As beträgt. • Durch die Rotation der Ladungen entstehen Ringströme, die zu magnetischen Momenten führen. • Wegen der Kernspinzahl I = 0 weist z. B. der Kern 12 C kein gerichtetes magnetisches Moment auf. Frage: Welche Kerne besitzen dagegen ein magnetisches Moment und verhalten sich wie kleine Magnetkerne? © Provadis Seite 11 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Die vielen kleinen magnetischen Elementarkerne sind nicht gerichtet, sie liegen wirr und ungeordnet vor. • Erst wenn sie in ein äußeres Magnetfeldfeld gebracht werden, werden die Elementmagnete, vergleichbar mit einer Kompassnadel, entlang der magnetischen Feldlinien ausgerichtet. Frage: Kann eine Kompaßnadel im Magnetfeld jede Einstellung einnehmen? © Provadis Seite 12 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Eine Kompaßnadel kann prinzipiell jede Einstellung einnehmen, es muß aber mehr oder weniger Energie aufgebracht werden, damit die Stellung erreicht wird. • Nur eine Einstellung ist die energiegünstigste Orientierung. Welche? Magnete Frage: Welche magnetischen Einstellungen können sich für die Elementarteilchen des Protons 1H mit dem I - Wert 1/2 ergeben? © Provadis Seite 13 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Die Zahl der möglichen Einstellungen berechnet sich mit der Gleichung m 2I 1 • Für das Proton 1H mit dem I-Wert = 1/2 ergeben sich zwei Orientierungen und zwar: m=-½ und m=+½ Frage: Welche der Orientierungen ist mit dem äußeren Feld, welche ist gegen das äußere Magnetfeld gerichtet? P © Provadis Seite 14 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment B0 B0 m=+½ Magnetfeld m=-½ Frage: Warum ist das Moment des Elementarmagnetes positiv, bei dem die Momentachse nicht in der Richtung des äußeren Feldes liegt? © Provadis Seite 15 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment Die Aufspaltung der Energie der beiden Zustände ist aus der Skizze gut zu erkennbar. m=+½ E E Magnetrichtung m=-½ Frage: Von was könnte die Energiedifferenz E abhängig sein? © Provadis Seite 16 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Der magnetische Energieunterschied E ist von der gyromagnetischen Konstante der Planckschen Konstante h • und von der Stärke des äußeren Magnetfeldes Bo abhängig. h E B0 2 2,675 108 1 Ts h 6,626 10 34 J s Frage: Wie könnte die Energie E aufgebracht werden? © Provadis Seite 17 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Werden nun die Magnetkerne mit elektromagnetischer Strahlung der Frequenz f bestrahlt, deren Photonen-Energie genau der beiden Energiezustände E entspricht, • findet unter Umklappen der Magnetkerne mit Neuorientierung eine Energieabsorption statt. • Dieses Verhalten nennt man Resonanz Frage: Bei welcher Lichtfrequenz f könnte die Resonanzbedingung zutreffen? P © Provadis Seite 18 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Nach dem Planckschen Gesetz gilt E = h · f . Man setze diese Beziehung mit der magnetischen Berechnung von E gleich und stelle das Gleichungssystem auf Frequenz f um. • Das äußere Magnetfeld soll eine Stärke von Bo = 4,7 Tesla besitzen. h E h f B0 2 f 2 B0 Frage: Welche Resonanzfrequenz errechnet sich bei 4,7 T? © Provadis Seite 19 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment Bei einem Magnetfeld von 4,7 Tesla erhält man folgende Resonanzbedingung: f 2 B0 2,675 108 T 1 s 1 f 4,7 T 200 MHz 2 Frage: Welcher Teil des elektromagnetischen Spektrums ist das? © Provadis Seite 20 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Nun darf man sich die Energieverteilung der Magnetkerne nicht so vorstellen, daß alle Magnetkerne im energieniedrigsten Zustand vorliegen, und sie bei Energiezufuhr alle in das energiehöchste Schema übergeführt werden. • Die Besetzung der beiden Energiezustände E1 und E2 erfolgt nach der Bolzmannverteilung. Frage: Von was könnte die Verteilung in die beiden Zustände E1 und E2 abhängig sein? © Provadis Seite 21 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment 16 Die Verteilung ist abhängig von der Energiedifferenz und der Temperatur. Besetzungim oberen Zustand e Besetzungim unteren Zustand E RT Frage: Wieviel Kerne befinden sich von ursprünglich 2 000 010 Kernen im unteren und im oberen Zustand bei Raumtemperatur? © Provadis Seite 22 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Es befinden sich etwa 1 000 000 Kerne im oberen und ca. 1 000 010 Kerne im unteren Niveau. Nur 10 Kerne stehen für eine Anregung durch Absorption zur Verfügung. • Wird zu lange elektromagnetische Energie zugeführt, gleichen sich die Energiezustände völlig an, eine „Sättigung“ wird erreicht, das NMR-Signal verschwindet meßtechnisch. • Daher wird die Energiezuführung so dosiert, daß jederzeit genügend Kerne in den Grundzustand zurückfallen können. Frage: Ist die NMR-Spektroskopie eine empfindliche Methode? P © Provadis Seite 23 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Magnetisches Moment • Jedes Proton ist formal völlig gleich. Beim Vorliegen von Protonen im Molekül gäbe es nach den vorangegangenen Betrachtungen ein mehr oder weniger großes Signal im NMR-Spektrum. • Beim Betrachten eines realen NMR-Spektrums gibt es aber mehrere Banden, die magnetisch „unterschiedliche“ Protonen anzeigen. Frage: Woher könnte die magnetische „Ungleichheit“ der Protonen stammen? © Provadis Seite 24 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interaktive Frage „Magnetisches Moment“ Welcher Kern weist auch den I-Wert = ± ½ auf? © Provadis 14N - Kerne 16O - Kerne 13C - Kerne Seite 25 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretation des NMR-Spektrums Für eine Strukturanalyse werden drei wichtige Informationen aus dem NMRSpektrum entnommen: • Die Signallage (ppm-Zahl) • die Intensität der Signale, über die Fläche ausgewertet • die Feinstruktur der Signale durch Kopplung © Provadis Seite 26 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretation des NMR-Spektrums Beispiel Essigsäureethylester: Intensität Lage (ppm) Feinstruktur © Provadis Seite 27 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung • Die Ursache der „Ungleichheit der Protonen“ besteht in dem Einfluß der Elektronen in der Umgebung der Protonen, die dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet sind und so das Feld am Kernort mehr oder weniger abschirmen. • Je größer die Elektronendichte (Elektronenmantel) an Kern ist, um so größer ist der Abschirmeffekt. • Dadurch benötigen die mehr oder weniger abgeschirmten Kerne unterschiedliche Resonanzfrequenzen f. Frage: Was könnte man unter einem „lokalen“ Magnetfeld verstehen? P © Provadis Seite 28 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung Der Abschirmeffekt bewirkt, daß sich ein schwächeres, lokales Magnetfeld bildet. Nur diesem lokalen Magnetfeld sind die Atomkerne ausgesetzt. Frage: Stark abgeschirmte Kerne benötigen eine größere oder kleine Frequenz f zur Kernanregung als gering abgeschirmte? © Provadis Seite 29 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung Die hauptsächliche Ursache der Abschirmung ist das Auftreten des +m/+i- bzw. m/-i -Effektes in einem Molekül. +Ladung -i /-m-Effekt -Ladung +i /+ m-Effekt 0 ppm Frage: Vergleichen Sie die Lage des Signals von Chloroform mit dem von Dichlormethan. © Provadis Seite 30 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung Mesomerer und induktiver Effekt ausgewählter Substituenten auf die Signallage der Methylprotonen bei monosubstituierten Methanderivate. Substitutient -H -CH3 -NH2 -Cl -OH +i -i +m -m x x x x x x x x x (ppm) Substanz Methan Ethan Acetat Methylamin Methylchlorid Methanol 0,23 0,86 2,09 2,47 3,00 3,39 --C =O Frage: Wo wäre Methylbromid etwa einzuordnen? © Provadis Seite 31 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung Um chemische Verschiebungen mit unterschiedlichen Geräten und verschiedenen Feldstärken vergleichen zu können sowie sie von Betriebsfrequenzen der Geräte unabhängig zu machen, benutzt man Referenzsubstanzen, meist Tetramethylsilan (TMS). fSubstanz fReferenz 106 ppm fReferenz Frage: Stark abgeschirmte Kerne benötigen eine größere oder kleinere Frequenz f zur Kernanregung als gering abgeschirmte? © Provadis Seite 32 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Chemische Verschiebung 6 Beispielhafte Verschiebung der Protonen einiger ausgewählter Molekülgruppen: -CHO Aromaten =CH2 -O-CH3 10 9 8 7 6 5 Acetyl Aliphaten 4 3 2 1 ppm Frage: Warum erfährt die -CHO-Gruppe eine größere Verschiebung als die -O-CH3-Gruppe? P © Provadis Seite 33 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interaktive Frage „Chemische Verschiebung“ Cyclohexan hat ein Singulett bei 1,43 ppm, Aceton bei 2,17 ppm, 1,4-Dioxan bei 3,70 ppm und Chloroform bei 7,27 ppm. Wo wäre in etwa Methylenchlorid einzuordnen? 1,1 ppm 2,9 ppm 5,3 ppm 9,4 ppm © Provadis Seite 34 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Intensität der Signale • Die Intensität einer Signalgruppe ist abhängig von der Anzahl der Protonen, die das Signal verursachen. • Beim Plotten eines NMR-Spektrums werden die Integrale der Signale als feine Striche mit ausgegeben. • Man kann mit einem Lineal die Abstände der Integrallinien messen und in Relation zueinander setzen. • Da die Protonen nur ganzzahlig auftreten, verhalten sich die Strecken zueinander in kleinen, ganzen Zahlenverhältnissen. Frage: In welchem Verhältnis steht die Gesamtlinie einer -CH3-Gruppe zu einer -CH2-Gruppe?- © Provadis Seite 35 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Intensität der Signale Die Intensität einer Signalgruppe ist abhängig von der Anzahl der Protonen, die das Signal verursachen. H1 = 3 cm H2 = 2 cm 4 1 ppm Frage: Wo würde sich die CH3-COO-Gruppe befinden und wie groß wäre dann H3? © Provadis Seite 36 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Intensität der Signale Die Integrale (Flächenwerte) werden im Spektrum angegeben und können zur Bestimmung der Protonenanzahl herangezogen werden. Aufgabe: Werten Sie das vorliegende NMR-Spektrum hinsichtlich der Protonenzahlen aus! © Provadis Seite 37 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Intensität der Signale Bei der Interpretation jedes Integrals, insbesondere wenn sie mit Zahlenangaben ausgegeben werden, muß beachtet werden: • Gutes Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) • scharfe Signale • Breite Banden, wie z. B. von -OH, -NH und H20 verhindern die Auswertung von scharfen Banden Frage: Mit was lassen sich die beschriebenen Einschränkungen in der Chromatographie vergleichen? © Provadis Seite 38 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interaktive Frage „Intensität der Signale“ In welchem Höhenverhältnis stehen die Signallinien beim Ethanol CH3 (A) - CH2 (B) - OH (C)? P © Provadis A=1 B=2 C=3 A=3 B=2 C=1 A=2 B=2 C = 4. Seite 39 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung • Jeder Atomkern, der ein magnetisches Moment besitzt, wirkt auf die Elektronenhülle. Die Bindungselektronen werden schwach magnetisch polarisiert, sie schwächen oder verstärken das lokale Magnetfeld. Damit verändert sich dessen Resonanzfrequenz. • Durch spin-spin-Kopplung wird eine Aufspaltung der Signale erreicht. Die Aufspaltungsverhältnisse gehorchen mathematischen Gesetzmäßigkeiten. Frage: Wieviel Einzelsignale hat die -O-CH2 neben der -CH3-Gruppe? © Provadis Seite 40 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung • Die Wechselwirkung erfolgt über sog. „bindende“ Elektronen, die sich zwischen den sich beeinflussenden Kernen befinden. • Wenn die Kopplung über 2 Bindungen reicht (z. B. bei der Methylengruppe), dann spricht man von einer „geminalen“ Kopplung. Bei 3 Koppelgliedern handelt es sich um eine „vicinale“ Kopplung (Ethylengruppe). • Die Wechselwirkung wird durch die Kopplungskonstante J beschrieben. Sie entspricht dem Energieabstand zwischen den Einzelsignalen. Aufgabe: Zeigen Sie die vicinale Kopplung im Ethylenmolekül! © Provadis Seite 41 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung Die Anzahl der Einzelsignale einer Signalgruppe ist um 1 größer als die Protonenzahl an den benachbarten Kohlenstoffatomen. Beispiel: Die -O-CH2 -Gruppe ist auf Grund der Nachbarschaft mit den 3 Protonen an einer CH3 -Gruppe in 4 Einzelsignale aufgespalten! Frage: In welchem Verhältnis stehen die Einzelsignale zueinander? © Provadis Seite 42 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung Die Einzelverhältnisse der Signale sind durch das Pascalsche-Dreieck bestimmbar: Nachbar Einzelsignalverhältnis 0 1 2 3 4 Form 1 1 1 1 1 1 2 3 4 1 3 6 1 4 1 Singulett Dublett Triplett Quartett Quintett Frage: Wie ist die Einzelsignalverteilung bei 6 Nachbarn? © Provadis Seite 43 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung Versuchen Sie, die Signale zu interpretieren. Es handelt sich um CH2- bzw. CH3Gruppen in dem Ester CH3-COO - CH2 -CH3. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ppm Frage: Wie wären die Signale des Essigsäure propyl ester verteilt? © Provadis Seite 44 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Signalaufspaltung Essigsäurepropylester P © Provadis Seite 45 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interaktive Frage „Signalaufspaltung“ Wieviel äquidistante Linien ergibt das Methinproton in einer Isopropylgruppe (-CH (CH3)2)? Ein Sextett mit den Intensitäten 1 5 10 10 5 1 Ein Quartett mit den Intensitäten 1 3 3 1 Ein Septett mit den Intensitäten 1 6 15 20 15 6 1. © Provadis Seite 46 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR NMR-Messtechnik Ein NMR-Spektrometer besteht aus folgenden Elementen: • dem Radiofrequenzsender (RF-Sender) • dem Probenkopf mit Probenröhrchen • dem Magneten • dem Radiofrequenzempfänger • dem Schreiber (Integrator) • dem Kühlsystem © Provadis Seite 47 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR NMR-Messtechnik Geräteaufbau (Fa. Bruker)- © Provadis Seite 48 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR NMR-Messtechnik • Der RF-Sender übermittelt die elektromagnetische Energie an die Substanz. Übliche Sendefrequenzen sind 60, 90, 100, 200, 250, 300, 360 und 400 MHz. Als Magneten werden Permanentmagneten von 2,3 Tesla oder größer (Supraleitendes Material) verwendet. • Meistens wird bei konstanter Frequenz das Magnetfeld kontinuierlich verändert. Wenn die Substanz Energie absorbiert, wird in der Empfängerspule ein elektrisches Signal induziert. Die Probe rotiert im Probenkopf. Frage: Warum rotiert die Probe im Meßkopf? © Provadis Seite 49 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Probenvorbereitung Die Substanzproben werden als Lösung vermessen. Als Lösemittel werden protonenfreie Lösemittel verwendet, z. B.: • • • • Tetrachlormethan Deuterochloroform-d1 Deuteriertes Wasser-d2 Dimethylsulfoxid-d6 CCl4 CDCl3, 1fach deuteriert D2O, 2fach deuteriert DMSO, 6fach deuteriert Als interner Standard wird Tetramethylsilan (CH3)4Si zugemischt und die Lösungen filtriert. Die Substanzmenge beträgt etwa 20 bis 50 mg in 0,25 bis 0,5 mL Lösemittel. Frage: Wäre Schwefelkohlenstoff als Lösemittel geeignet? © Provadis Seite 50 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Probenvorbereitung • Das NMR-Spektrum eines Alkohols sieht anders aus, wenn es statt in Chloroform in DMSO-d6 gelöst und aufgenommen wird. In Chloroform ist das Proton des Alkohols durch Wasserstoffbrücken mit benachbarten Alkoholmolekülen verknüpft, daher ist es nicht fest lokalisiert. • Der Einfluss des Lösemittels auf das NMR-Signal ist daher gegebenenfalls zu beachten! Frage: Welches NMR-Signal ist breiter: bei einer in DMSO oder bei einer in deuteriertem Chloroform gelösten Substanz? P © Provadis Seite 51 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Probenvorbereitung In Chloroform gelöst liefert die -OH-Gruppe ein breites Singulett. NMR-Spektrum von 1-Propanol in Chloroform-d1 und DMSO-d6 In DMSO-d5 In Chloroform-d1 © Provadis Seite 52 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interaktive Frage „Probenvorbereitung“ Warum ist Tetramethylsilan, TMS, als innerer Standard besonders geeignet? Welche Alternative ist falsch? weil TMS ein deutliches, sehr breites Signal bei 1 ppm ergibt weil das Molekül 12 magnetisch equivalente Protonen enthält, dessen Signal bei 0 ppm festgelegt ist weil TMS sehr flüchtig ist und die Probe leicht wiedergewonnen werden kann © Provadis Seite 53 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Zeichnen Sie schematisch in eine - Skala die Protonenresonanzen einer equimolaren Mischung aus folgenden Verbindungen: a. Chloroform b. Methylenchlorid c. Methylchlorid d. 1,1,1,1-Trichlorethan e. 1,2-Dichlormethan © Provadis CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl CCl3-CH3 CH2Cl-CH2Cl Seite 54 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 1 e, 4H c, 3H d, 3H b, 2H a, 1H 10 © Provadis 9 8 7 6 Seite 55 5 4 3 2 1 ppm Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 2 Das Protonenresonanzspektrum jeder der folgenden Verbindungen besteht aus einem Singulett. Treffen Sie eine ungefähre Aussage über die Lage und die Intensität der Signale. • A. Methylacetat • B. Toluol • C. Benzylchlorid • D. Dimethoxybenzol © Provadis Seite 56 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 2A ERGEBNIS A B Methylacetat: CH3-CO-O-CH3 B, 3 H 10 © Provadis 9 8 7 6 Seite 57 5 4 A, 3 H 3 2 1 ppm Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 2B: ERGEBNIS B Toluol: CH3- A B, 5 H A, 3 H 10 P © Provadis 9 8 7 6 Seite 58 5 4 3 2 1 ppm Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 2C: A -CH2-Cl Benzylchlorid: ERGEBNIS B B, 5 H A, 2 H 10 © Provadis 9 8 7 6 Seite 59 5 4 3 2 1 ppm Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 2D: ERGEBNIS A CH3 -O- Dimethoxibenzol: A -O-CH3 B A, 6 H B, 4 H 10 © Provadis 9 8 7 6 Seite 60 5 4 3 2 1 ppm Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 3: Versuchen Sie, die Struktur von X1 zu belegen. Molekularmasse: 32 g/mol X1 = ? © Provadis Seite 61 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 3: ERGEBNIS Es handelt sich um Methanol CH3 - OH! Das Verhältnis von 1H und 3H ist im NMR-Spektrum gut zu erkennen. Im IR-Spektrum ist die OH-Bande gut erkennbar, es handelt sich um eine gesättigte Substanz, da die C=C-Banden fehlen. © Provadis Seite 62 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 4: Cyclohexanol wird in Ether gelöst und mit schwefelsaurer Kaliumdichromatlösung längere Zeit gekocht. Die Etherfraktion wird abgetrennt und vorsichtig eingeengt. Das Rohprodukt wird über eine Kolonne destilliert. Das gereinigte Produkt X hat einen Siedepunkt von 156°C. Nachfolgend ist das IR-Spektrum und das NMR-Spektrum von Cyclohexanol und X2 abgebildet. Versuchen Sie, die Struktur von X2 zu belegen. © Provadis Seite 63 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 4: NMR- und IR-Spektrum von Cyclohexanol 1H P © Provadis ! 10 H Seite 64 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 4: NMR- und IR-Spektrum von X2! 4H © Provadis X2 = ? 6H Seite 65 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 4: ERGEBNIS IR: 2940 , 2860 cm-1 C-H-Gruppe 1710 cm-1 C=O-Gruppe (ursprünglich nicht im Cyclohexanol enthalten) OH-Bauch nicht mehr vorhanden. NMR: 1,57 -2,10 ppm 6H Methylenprotonen 2,10 -2,50 ppm 4H Methylenprotonen keine Hydroxylprotonen nachweisbar Es handelt sich um Cyclohexanon (Keton) © Provadis Seite 66 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 5: 20 g Cyclohexanol werden in einem Rundkolben mit 0,6 mL Schwefelsäure mit w(H2SO4) = 98 % versetzt. Die Mischung wird vorsichtig auf 140 C erhitzt und das entstehende Produkt X3 bei 90 C über eine Vorlage abdestilliert. Versuchen Sie die Struktur von X3 nach den folgenden IR- und NMR-Spektren zu belegen. © Provadis Seite 67 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 5: NMR- und IR-Spektrum von Cyclohexanol 1H © Provadis 10 H Seite 68 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 5: NMR- und IR-Spektrum von X3. 2H © Provadis Je 4 H ! Seite 69 X3 = ? Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie NMR Interpretationsübung Nr. 5: ERGEBNIS Es handelt sich bei X3 um die ungesättigte, cyclische Verbindung Cyclohexen. Der ungesättigte Charakter ist im IR-Spektrum und im NMR-Spektrum sehr gut auszumachen. P © Provadis Seite 70 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Wir danken den Autoren, Firmen und Verlagen für die Einbindung von Abbildungen in diese Weiterbildungspräsentation. © Provadis Seite 71 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001 Aspekte der modernen Analytik Modul 2: Spektroskopie Ende des Moduls “Spektroskopie” Wir bedanken uns für Ihre Mitarbeit. P © Provadis Seite 72 Aspekte der Analytik / Gottwald 2001