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1.1 Einführung und Physikalische Grundlagen1.2 1H‐NMR‐Parameter:
a) Chemische Verschiebung (Signallage)b) Chemische Äquivalenzc) Signalintensitätd) Spin‐Spin‐Kopplung (Multiplizität)
1.3 13C‐NMR
1.4 Beispiele: 1H‐ und 13C‐NMR von Isopropylphenylketon
Teil 1: NMR‐Spektroskopie
Teil 2: Optische Aktivität
Optische Drehwerte (Drehung) [und Circulardichroismus]
Dr. Olga García M.
Seminar 1
Analytische Methoden in Org. Chemieund optische Eigenschaften von chiralen Molekülen
11‐15. 01. 2010
Literatur: Hesse/Meier/Zeeh, „Spektroskopie Methoden in der Organischen Chemie“, Thieme
Literatur: G. Snatzke, „Chiroptische Methoden in der Stereochemie“, Chemie in unserer Zeit, 1981, 15, 78‐87
EΔE
Bo
BrfRelaxation
Brf: Radio‐Frequenz (RF) PulsBo: Magnetfeld
Einführung und Physikalische Grundlagen
Spin – mikroskopische magnetische DipoleS
mI = ‐ 1/2
mI = +1/2
Voraussetzung: Kerne mit magnetischem Moment μ und I = ½, z.B. 1H, 13C, 19F, 31P, 15N
(c)(b)(a)
I = Spin‐Quantenzahl Orientierung im Magnetfeld: mI = 2I + 1
E = ‐μBo
für 1H: I = 1/2
Einführung und Physikalische Grundlagen
y
x
z
Präzession mit der Larmor‐Frequenz
• Der 90°Puls sorgt dafür, dass die Spins mit kohärenter Phase präzedieren.• Auf diese Weise wird transversale x‐Magnetisierung erzeugt.
Resonanzfrequenz:
ν = γ Bo (1‐ σ)
Magnetfeldstärke
AbschirmungskonstanteGyromagnetischesVerhältnis
Voraussetzung: Kerne mit magnetischem Moment μ und mI = ½, z.B. 1H, 13C, 19F, 31P, 15N
1H Spektrale NMR‐Parameter
1. Chemische Verschiebung "Resonanzfrequenz", abhängig von der chem. Umgebung
2. Chemische Äquivalenz bei gleicher chem. Umgebung
3. Signalintensität abhängig von der rel. Anzahl der Protonen
4. Spin‐Spin‐Kopplung Rückschlüsse auf Anzahl ben. Protonen (2‐3 Bindungen)
Chemische Verschiebung
Definition: ν – νref
Protonen zeigen aufgrund ihres unterschiedlichen Abschirmungsverhaltens verschiedene Resonanzfrequenzen ν.
νrefδ = ppm
Chemische Äquivalenz
• Chemisch äquivalente Kerne haben die gleiche chemische Verschiebung.
• Chemisch nicht äquivalente Kerne haben i.d.R. ungleiche chemische Verschiebungen.
• Kerne in gleicher chemischer Umgebung sind chemisch äquivalent.
• Zwei Kerne sind chemisch äquivalent, wenn sie durch eine schnelle innermolekulareBewegung im Zeitmittel identisch werden.
Cl
HaHc
Hb
120°
Cl
HcHb
Ha
120°
Cl
HbHa
Hc
CH3 Cl
Äquivalenz durch axiale Symmetrie oder Spiegelsymmetrie
z.B. Axiale Symmetrie in Chlorform:
Signalintensität
Die Intensität des NMR‐Signals ist proportional zu der Anzahl der chemisch äquivalenten Protonen, die das Signal erzeugen.
Die indirekte Spin‐Spin‐Kopplung
• Benachbarte chemisch nicht äquivalente 1H‐Kerne zeigen indirekte Spin‐Spin‐Kopplung.
Diese skalare Kopplung führt zur Aufspaltung der Signale
• Multiplizitätsregel: M = 2n•I + 1
für 1H: M = n + 1 n = Anzahl benachbarter chem. nicht äquivalenter Kerne
• Kopplungskonstante J(A,X) = Linienabstände in Hz
HA
HX
HA HX
J(A,X)
J(A,X)
Geminal (2 Bindungen) Vecinal (3 Bindungen)
1H‐NMR Isopropylphenylketon
CH3
O
CH3
H
H
H
H
H
H
1
1
2
3
3
4
4
53
54
2
1
CDCl3
J(1,2) = 6.8 Hz
6H, Dublett
J(2,1) = 6.8 Hz
1H, Septett
J(3,4) = 7.4 Hz
2H, Dublett
J(4,3‐5) = 7.4 Hz
2H, Triplett
J(5,4) = 7.4 Hz 1H, Triplett
Einführung in die 13C‐NMR
• Aufgrund der geringen natürlichen Häufigkeit des 13C‐Isotops (1.11 %) beobachtet man auch keine 13C,13C‐Kopplung.
• Die Signalintensität ist nicht proportional zu der Anzahl der äquivalenten C
δ‐Bereich ~ 15 ppm ~ 250 ppm bessere Signalverteilung
nat. Häufigkeit (A) ~ 100 % ~ 1 % 1 %
13C Empfindlichkeit (Vergleich zu 1H) 1H
geringere Empfindlichkeitγ / γ(1H) 1 1/4
13C‐NMR
CH3
O
CH3
1
1
236
4
6
5
57
3
7
4
2
1
5 + 6
CDCl3
Isopropylphenylketon
Optische Aktivität
Beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch nicht‐racemicher gemische chiralerMoleküle wird die Polarisationsebene des Lichts gedreht.
Man unterscheidet zwischen rechtsdrehenden (die Polarisationsebene vom Beobachteraus nach rechts drehend) und linksdrehenden Substanzen sowie dem Racemat, in demstets gleiche Konzentrationen der beiden rechts‐ und linksdrehenden Substanzenvorliegen und das somit optisch inaktiv ist.
Man spricht dann von optischer Aktivität und sagt, die Substanz ist optisch aktiv.
Definition:
Optische Aktivität
αl ⋅ c
[α] Tλ=
Spezifische Drehung
Weg – (Küvetten‐) länge Konzentration
Beobachtete optische Drehung
. . .α
Linear polarisiertes Licht (Summenvektor)
Links circular polarisiertes Licht
Rechts circular polarisiertes Licht
Anfang Küvette Inlet Ende Küvette
LPL = LCPL + RCPL
LPL = Linear polarisiertes lichtOptische Drehwerte
Δμ = μL - μR
μ
Nicol Prism chiral Substanz in Lösung
Küvett
(RCPL)
(LCPL)
IL = IRLCPL und RCPL mit gleicher Frequenz, Geschwindigkeit und Intensität
Optische Aktivität
Circulardichroismus
ΔE = EL ‐ ER
Extinktionkoeffizient
CPL = circular polarisiertes Licht
IL ≠ IR
LCPL
RCPL
Unterschiedliche Absorptionvon LCPL und RCPL durch ein nicht
racemisches Moleküle
Intensität